Сварка металлов в газовой среде производится при помощи электрической дуги, которая формируется и поддерживается с помощью специальных сварочных аппаратов. В качестве таких аппаратов можно использовать инвертор. В бытовых условиях можно изготовить сварочный инвертор своими руками.
Схема устройства сварочного инвертора.
Сконструировать и самостоятельно собрать сварочный инвертор достаточно просто. Для этого нужно иметь небольшие знания электротехники и радиодела. Предлагается много разных конструкций аппарата, но принципиально они мало отличаются друг от друга и в основе своей имеют стандартные схемы, с использованием стандартных радиодеталей и электротехнических изделий.
Основные сведения о сварочных инверторах
В общем случае, сварочный инвертор используется как один из основных видов источника электропитания сварочной дуги, главной задачей которого является подача и стабильное поддержание электрического тока, необходимого для зажигания дуги и поддержания ее горения во время всего процесса сварки. Важной характеристикой сварочного инвертора должна стать стабильность выходного тока при колебаниях и помехах в сети.
Функциональная схема источника питания инверторного сварочного аппарата.
Сварочный инвертор — это прежде всего силовой трансформатор, понижающий напряжение электросети до нужного значения напряжения холостого хода. В основу конструирования инверторов заложено свойство высокочастотных трансформаторов, которые имеют массу и размеры, намного меньшие по сравнению с обычными трансформаторами. Все сварочные инверторы основаны на одном главном принципе. Входное напряжение 220 В переменного тока подвергается первичному выпрямлению, путем превращения переменного тока в постоянный, который поступает в инверторный блок.
Инверторный блок обеспечивает трансформацию постоянного напряжения в высокочастотное, которое подается на высокочастотный выпрямитель, обеспечивающий вторичное превращение переменного тока в постоянный. На окончательной стадии используется высокочастотный сварочный аппарат, который достаточно миниатюрен по сравнению с обычными аппаратами для частоты 50 Гц той же мощности. Применение для сварки постоянного тока обеспечивает стабильность дуги и плавное регулирование процесса.
Основные требования
Для обеспечения устойчивости процесса сварки инверторы должны содержать блоки управления, действующие по правилам обратной связи. Сигнал о любых колебаниях и помехах поступает в силовой блок, корректируя величину выдаваемого тока и напряжения.
Таблица требуемых технических характеристик для сварочного инвертора.
Такие блоки, основанные на использовании микропроцессоров, ведут контроль во всех основных блоках инвертора, обеспечивая их стабильность.
Можно рекомендовать некоторые основные параметры, которые следует обеспечить, собирая сварочный инвертор своими руками. Напряжение входной электросети может колебаться в пределах 200-230 В при величине входного тока до 32 А. Сила постоянного тока, подаваемого на электрод, может регулироваться в диапазоне 30-200 А. Мощность в зоне горения дуги должна быть не менее 3,5 кВа
Основная конструкция сварочного инвертора
Резонансная схема является основой типовых конструкций сварочных инверторов. Простой сварочный инвертор имеет следующие основные конструктивные элементы: силовой блок, блок питания, блок защиты, драйвера силовых ключей (блок управления). Важнейшим элементом является силовой блок, обеспечивающий первичное и вторичное выпрямление электрического сигнала и преобразование его в высокочастотный сигнал (до 55 кГц). Блок питания осуществляет стабилизацию и трансформацию до нужной величины напряжения входного сигнала. Блок защиты выполняет функцию защиты от перегрузок и коротких замыканий. Драйверы силовых ключей обеспечивают управление основными элементами силового блока, устраняя влияние помех и побочных факторов.
Необходимый для изготовления инвертора инструмент
Если поставлена задача изготовить сварочный инвертор своими руками, то необходимо заранее подготовить следующий инструмент и оборудование:
Инструменты для изготовления сварочного инвентора.
- сварочный аппарат;
- болгарку;
- дрель;
- ключи гаечные;
- отвертку;
- плоскогубцы;
- паяльник мощностью не менее 100 Вт;
- молоток;
- тиски;
- штангенциркуль;
- нож;
- тестер;
- осциллограф;
- амперметр;
- вольтметр;
- рулетку.
Изготовление блока питания
Блок питания сварочного инвертора представляет собой стандартную схему обратноходового преобразователя (флайбэка), схема которого широко используется в источниках питания бытовых приборов. Основным элементом блока питания является многообмоточный дроссель (трансформатор). Принцип действия таких блоков основан на двухэтапной работе: первый этап — накопление энергии в первичной обмотке дросселя; второй этап — передача энергии во вторичную цепь, т.е. непосредственное снабжение электроэнергией рабочих блоков. Управление процессом осуществляется с помощью ключей — транзисторов.
Схема дросселя сварочного инвертора.
Трансформатор можно изготовить своими руками. Для этого на сердечник, представляющий собой феррит Ш7х7 или Ш8х8, наматывается одна первичная обмотка и три вторичные. Первичная обмотка изготавливается из провода марки ПЭВ сечением 0,3 мм². Количество витков — 100. Для вторичных обмоток также используется провод марки ПЭВ следующих сечений: первая обмотка — 1 мм², вторая обмотка — 0,2 мм², третья — 0,3 мм². Количество витков составляет 15, 15 и 20 соответственно. Иногда используют четвертую обмотку, которая аналогична по конструкции третьей.
Силовой блок инвертора
Силовой блок сварочного инвертора состоит из первичного выпрямителя, высокочастотного преобразователя, высокочастотного трансформатора и вторичного выпрямителя. В качестве выпрямителей используются диодные мосты необходимой мощности. На первичный выпрямитель подается электрический ток не более 40 А, и мощность диодов не велика. Другая картина на вторичном выпрямителе, где сила тока может достигать 200 А. Здесь очень важно обеспечить надежное охлаждение диодов. Охлаждение осуществляется с помощью охлаждающих радиаторов, увеличивающих площадь теплоотдачи
Электрический сигнал преобразуется в высокочастотный по резонансному методу. Главным элементом преобразователя являются силовые транзисторы, поэтому к его выбору предъявляются особые требования. Прежде всего транзистор выбирается по мощности. При напряжении 220 В и токе 20 А нужен транзистор мощностью не менее 4,6 кВт, а при токе 32 А — не менее 8 кВт. Следующий параметр — рабочее напряжение. Для бытовых аппаратов напряжение может быть 220 или 380 В.
Схема подключения инвертора к аккумулятору.
Следовательно, можно выбрать стандартный транзистор с рабочим напряжением до 400 В. Наконец, по частоте выдаваемого сигнала следует выбирать транзистор, способный обеспечить частоту до 100 кГц. Хорошие показатели в пределах требований для бытовых инверторов имеют транзисторы фирмы IR марки IGBT.
Для стабилизации преобразуемого сигнала используется схема раскачки и управления. Важным элементом является резонансный дроссель. Он изготавливается следующим образом. На сердечник из феррита 2хШ16х20 накладывается обмотка из провода марки ПЭТВ-2 диаметром 2,24 мм. Количество витков -12.
Высокочастотный трансформатор
Высокочастотный трансформатор предназначен для понижения входного электрического напряжения высокой частоты до величины напряжения, подаваемого на электрод. Особенностью передачи высокочастотного сигнала является то, что поток частиц при высокой частоте концентрируется на поверхности проводника. Эта особенность приводит к замене круглого провода в обмотке трансформатора на проводники, имеющие наименьшую толщину при максимальной площади. К таким формам оптимально приближается медная фольга.
Для трансформатора частотой до 55 кГц можно рекомендовать следующую конструкцию. В качестве сердечника используется два комплекта феррита Ш20х28-2000НМ с зазором 0,05 мм, в который прокладывается бумага. Обе обмотки изготавливаются из медной фольги толщиной 0,3 мм.
Первичная обмотка выполняется в виде 9 витков при сечении проводника 10 мм² (ширина фольги 40 мм). Вторичная обмотка наматывается тремя витками при сечении проводника 30 мм² (ширина фольги — 100 мм). Витки фольги изолируются друг от друга в одной обмотке с помощью бумаги. Между обмотками накладывается изоляционный слой из фторопластовой ленты (пленки).
Для стабилизации выходного напряжения используется дроссель.
Он изготавливается на базе сердечника из феррита Ш20х28-2000НМ. Обмотка выполнена в виде 5 витков провода марки ПЭВ сечением 25 мм². На выходе дросселя устанавливается токовый трансформатор, являющийся датчиком для контроля по величине тока. Токовый трансформатор выполнен в виде двух колец К30х18х7: первичной обмоткой является сам провод, протянутый внутри кольца, вторичная обмотка изготавливается из 85 витков медного провода диаметром 0,5 мм.
Блок управления
Схема блока управления (система драйверов) может быть собрана на основе задающего генератора или широкоимпульсного модулятора (ШИМ). Задающий генератор можно собрать на базе микросхемы типа UC3825. Эта микросхема считается одним из лучших драйверов двухтактного типа. Такой драйвер способен обеспечить управление и защиту по току и напряжению, как на входе, так и на выходе.
Одним из главных элементов схемы управления является резонансный дроссель. От того, как он изготовлен, зависит мощность конечного сигнала. Основополагающим параметром является зазор между ферритами. Изменяя зазор в пределах 0,2-0,8 мм, можно добиться максимальной мощности. Заметное влияние на параметры всего аппарата оказывают резонансные конденсаторы. Если применен конденсатор типа К73-16, то таких конденсаторов потребуется 10 штук. При использовании конденсаторов типа 778-2, их необходимо 6 штук.
