Силовая электроника №2'2011

Современные сварочные инверторы

Мальков Станислав


В статье описаны типы электросварки и современные сварочные инверторы — оборудование для сварки и резки металлических изделий. В основном они используются в качестве источника питания сварочных аппаратов в процессе проведения дуговой сварки. Рассмотрены перспективы развития и сравнительные характеристики малогабаритных сварочных инверторов.

Технология сплавления двух металлических элементов с помощью большого тока I, пропускаемого через участок цепи с сопротивлением R, где требуется высокая температура, называется электросваркой. Инверторные схемы открывают новую страницу в развитии сварочного оборудования. В настоящее время на их основе уже серийно выпускаются многофункциональные сварочные аппараты, при этом инверторная схема позволяет менять тип внешних вольт-амперных характеристик (ВАХ) источника питания. Для различных видов сварки именно тип ВАХ является определяющим. Если обычный сварочный аппарат предназначен, например, для полуавтоматической сварки, то для варки штучным электродом он не пригоден. А инверторный сварочный аппарат можно настроить под требуемый в данный момент вид сварки, с помощью изменяемого типа ВАХ и других параметров. Более того, все большее распространение сейчас получают так называемые «синергетические» схемы управления. Для данных схем цифровые процессоры аппарата запрограммированы таким образом, что режим сварки можно регулировать, изменяя всего один параметр: остальные немедленно отреагируют на это изменение, и вся совокупность характеристик обеспечит переход на другой режим с более оптимальным качеством сварки. Например, при полуавтоматической сварке в такой взаимосвязанной цепочке находятся: сварочный ток, скорость подачи и диаметр проволоки, пространственное положение шва и необходимый при этом характер переноса металла в дуге (капельный, струйный, импульсный). Совершенно ясно, что только при строгой взаимосвязи этих параметров мы получим высокое качество сварки.

По сравнению с обычным сварочным аппаратом инверторный является устройством силовой электроники, работающим на больших токах, высоких частотах и напряжениях. Входное напряжение здесь преобразуется дважды — вначале из переменного 220 В в постоянное, а затем в высокочастотное переменное, с частотой до 200 кГц. Из электротехники известно, что чем выше частота, тем меньше масса и размеры трансформатора, передающего ту же электрическую мощность. Так, при увеличении частоты в 1000 раз вес и размеры трансформатора уменьшаются в 10 раз. Значит, сварочный инвертор будет небольшим и легким. Преобразование частоты осуществляется широтно-импульсным модулятором, основой которого служат высокочастотные преобразователи последнего поколения — модули IJBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или MOSFET (полевой транзистор на основе перехода металл-оксид-полупроводник). После трансформатора высокочастотное переменное напряжение снова выпрямляется и подается на дугу. Координация работы всех элементов, контроль параметров и обратная связь со сварочной дугой осуществляются высокоточными цифровыми процессорами на программируемых микросхемах памяти.

Инверторный сварочный аппарат, используя цифровое микропроцессорное управление, непрерывно анализирует характеристики на дуге при проведении сварочных работ. Примеры программ, заложенных в память инверторных сварочных аппаратов различных производителей:

  • Отключение напряжения на дуге при коротком замыкании (КЗ) электрода на свариваемую деталь (функция anti-sticking). Срабатывает через 0,5 с после начала КЗ. Прилипания, или, как еще говорят, «примораживания» электрода и нагрева аппарата не происходит.
  • При правильном возбуждении дуги — легкое касание («чирканьем») электрода о деталь — инвертор генерирует дополнительный импульс тока (функция hot start).
  • При неизбежных небольших местных КЗ в процессе сварки инвертор генерирует серию коротких, но мощных импульсов тока, которые разрушают образующиеся перемычки из жидкого металла (функция arc force). Это особенно важно при сварке короткой дугой.

В результате, используя сварочный инвертор, мы получаем:

  • стабильный постоянный ток, не зависящий от скачков входного напряжения;
  • незначительное разбрызгивание металла при сварке;
  • широкие возможности настройки режима для всех видов сварки плавлением — штучным электродом, аргонно-дуговой и полуавтоматической сварки;
  • низкое энергопотребление, что очень важно при включении инвертора в бытовую сеть или при его питании от электрогенератора.

Области применения сварочных инверторов неограниченны. Это все виды электродуговой и плазменной сварки и резки. Сегодня инверторы успешно применяются в следующих областях:

  • Ручная дуговая сварка штучным электродом (metal manual arc, ММА). Здесь сварочные инверторы получили наиболее широкое распространение, что обусловлено малым весом и низким энергопотреблением аппарата. Сварщик легко перемещается вместе с аппаратом, подключая его к любой, в том числе бытовой, электропроводке.
  • Аргонно-дуговая сварка (tungsten inert gas, TIG) на постоянном и переменном токе. Здесь преимущества инверторной схемы проявляются не столько в весе и энергопотреблении аппарата, сколько в возможности точной регулировки многочисленных параметров режима. Для аргонно-дуговой сварки это очень важно, так как с ее помощью варят ответственные изделия с высокими требованиями к качеству и внешнему виду шва.
  • Полуавтоматическая сварка (metal inert/active gas, MIG/MAG). Здесь инверторные схемы источников питания дают уникальную возможность так регулировать перенос металла (капельный, струйный, с периодическими замыканиями и т. д.), что можно почти устранить его разбрызгивание.
  • Плазменно-дуговая резка (plasma arc cutting, PAC), когда скорость резки высокая, а кромка ровная и аккуратная — сразу под сварку. Здесь инверторные аппараты нашли свое достойное место благодаря их способности обеспечить стабильность основной и дежурной дуги, а главное — вследствие мобильности этих аппаратов.

Перспективы развития сварочных инверторов, инверторные схемы открывают новую страницу в развитии сварочного оборудования. В настоящее время на их основе уже серийно выпускаются многофункциональные сварочные аппараты. Наибольшее распространение получили аппараты, совмещающие сварку MMA, TIG и CUT или MIG/MAG, TIG и MMA. Встречаются и другие комбинации.

Выбор сварочного аппарата производится по степени его загруженности и по величине выходного тока. Для выбора по первому критерию необходимо просчитать предполагаемую загруженность аппарата (%), отношение времени непрерывной сварки и времени простоя (отдыха). Эта величина называется продолжительностью включения, она показывает, сколько процентов от некоторого временного интервала включения аппарата в сеть допустимо варить на определенном токе. Как правило, в технических характеристиках сварочного аппарата указываются два параметра:

  • продолжительность включения на максимальном токе;
  • величина тока, ниже которой продолжительность включения равна 100%.

Продолжительность включения, как правило, составляет 10 мин., реже — 15. Кроме того, желательно уточнить, для какой температуры окружающей среды приведены данные. Одни производители указывают их для +25 °С, другие — +40 °С. Понятное дело, что в первом случае сварочный аппарат охлаждается лучше, чем во втором, и продолжительность его включения заметно «подрастает».

Рассмотрим для примера продолжительность включения 40%. Это означает, что работа сварочного аппарата представляет собой чередующиеся четырехминутные интервалы сварки и шестиминутные интервалы охлаждения. Продолжительность включения 100% означает, что сварка может вестись непрерывно в течение достаточно продолжительного промежутка времени. При проведении работ в жаркое время аппарат нагревается сильнее, поэтому параметр продолжительность включения надо выбирать с некоторым запасом.

Применительно к электродной сварке наиболее часто в разных источниках информации приводится таблица выбора сварочного аппарата по току (табл. 1).

Таблица 1. Параметры выбора сварочного аппарата

Толщина металла, мм Диаметр электрода, мм Ток, А
1–2 1,6 25–50
2–3 2 40–80
2–3 2,5 60–100
3–4 3 80–160
4–6 4 120–200
6–8 5 180–250
10–24 5-6 220–320
30–60 6-8 300–400

Для потолочных швов максимально допустимая сила тока для выбранного диаметра электрода снижается на 15–20%.

Дополнительно необходимо уточнить, какой максимальный ток указан в паспорте на сварочный аппарат. Причем надо учитывать, что некоторые производители (особенно Китай и т. д.) указывают не максимальный ток сварки, а максимальный ток, отдаваемый аппаратом при коротком замыкании электродов. И тогда заявленные 150 А легко «превращаются» в 100–120 А.

Сравнительные характеристики малогабаритных сварочных инверторов различных производителей приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнительные характеристики малогабаритных сварочных инверторов

Модель Производитель Напряжение питания, В Потребляемая мощность, кВ·А Диапазон сварочного тока, А ПВ, % Габаритные размеры, мм Масса, кг
Master-1600 MLS Kemppi Oy, Финляндия 230 4,8 10–160 40 410×180×390 14
Minar-140 Kemppi Oy, Финляндия 230 4,1 10–140 35 305×123×250 4,2
Invertec V 140-S Lincoln Electric, США 230 6,2 5–140 35 254×145×350 6
OrigoArc 150 ESAB, Швеция 230 5 4–150 25 380×180×300 6,9
ТЕ 161 MERKLE, Германия 230 3,7 3–150 35 290×152×235 5,3
MOS 138 E DEKA, Италия 230 2,5 5–130 15 310×120×160 4
Tecnica 140 Telwin, Италия 230 4,2 5–130 25 315×135×210 5,1
Technology 150 Telwin, Италия 230 4,2 5–130 60 430×170×290 9,2
Discovery 140 WECO, Италия 230 6,9 5–140 35 120×310×215 4,3
Handy S 200 LORCH, Германия 230 4,5 10–140 60 280×138×220 4,5
S 1601 CEMONT, Италия 230 4,5 5–150 35 235×145×340 7,7
Transpoket 1500 Fronius, Австрия 230 7 10–150 35 315×110×200 4,7
Piko 140 EWM, Германия 230 6 5–140 35 335×110×220 4,5
DC 140 «Технотрон»,Россия 220 6,9 10–140 35 310×120×215 4
Торус-200 «ТОР», Россия 220 5 40–200 40 115×185×280 5
Форсаж-125 ГРПЗ, Россия 220 4 40–125 40 330×142×245 6,7
Прогресс-130 «Электрик», Россия 220 5 3–130 35 367×266×163 6
Адонис-2 «Корд», Россия 220 5,1 35–160 60 165×360×370 14,5
ВДУЧ-1371 «СПЕЦЭЛЕКТРОМАШ», Россия 220 4 5–130 100 365×140×196 8
ВМЕ-120 «ПромЭл», Россия 220 2,7 10–120 80 140×240×65 2,2
ВМЕ-140 «ПромЭл», Россия 220 3,2 10–140 80 147×250×65 2,3
ВМЕ-160 «ПромЭл», Россия 220 3,7 10–160 80 170×296×90 3,6

Литература

  1. Рама Реди С. Основы силовой электроники. М.:Техносфера. 2006.
  2. http://masterweld.ru/i_esche_neskolko_slov_
  3. http://instrumental-n.uaprom.net/a17365-svarochnye-invertory-oblasti.html
  4. Милютин В. С., Шалимов М. П., Шанчуров С. М. Источники питания для сварки. М.: Айрис-Пресс. 2007.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_2_76.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо