Силовой модуль для сварочного инвертора

Обновлено: 04.07.2024

STMicroelectronics выпускает несколько серий IGBT-транзисторов и мощных быстродействующих диодов, идеально подходящих для создания инверторов сварочных аппаратов. Сверхсовременные IGBT серий V, H, HB, M и диоды серии W отличаются малыми потерями на переключения и низким напряжением насыщения. Эти замечательные качества были подтверждены на практике при испытании MMA-инверторов мощностью 4 и 6 кВт.

Рынок сварочного оборудования представляет собой быстроразвивающуюся отрасль силовой электроники. На сегодня существует множество типов сварочных аппаратов:

с различными технологиями – ручная дуговая сварка плавящимся электродом (manual metal arc, ММА), ручная сварка в среде защитных газов (tungsten inert gas, TIG), полуавтоматическая сварка в среде инертных (metal inertgas, MIG) или активных газов (metal active gas, MAG);
с различными источниками тока – трансформаторные, инверторные;
с постоянным выходным током (например, для сварки стали) или с переменным током (например, для сварки алюминия).

Наиболее распространенным типом сварочной технологии является MMA. Она отличается простотой и применяется как в профессиональных, так и в бытовых аппаратах. Структура такого сварочного аппарата достаточно проста и состоит из источника тока, выходного выпрямителя (опционально) и системы управления (рисунок 1).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема сварочного аппарата

Источник тока может быть реализован на базе мощного сетевого трансформатора (трансформаторный аппарат), либо на базе инвертора (инверторный аппарат). Главными достоинствами трансформаторных аппаратов являются простота и максимальная надежность, а недостатками – большие габариты, грубое регулирование и низкое качество сварки. Инверторные аппараты, использующие современные полупроводниковые силовые ключи, не имеют этих недостатков.

Основными компонентами мощных инверторов являются IGBT-транзисторы и быстродействующие диоды. Компания STMicroelectronics выпускает силовые электронные компоненты, идеально подходящие для построения сварочных аппаратов [1]:

IGBT серии V со сверхнизкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 600 В на частотах до 120 кГц;
IGBT серии HB с малым напряжением насыщения и низкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 650 В на частотах до 50 кГц;
IGBT серии H с низкой энергией выключения, работающие с напряжениями до 1200 В на частотах до 35 кГц;
IGBT серии M с малым напряжением насыщения, работающие с напряжениями до 1200 В на частотах до 20 кГц;
диоды серии W с малым прямым падением напряжения и минимальным временем восстановления.

Требования к IGBT в составе сварочных инверторов

Принцип работы инверторного сварочного аппарата достаточно прост (рисунок 2). Питающее напряжение сети выпрямляется и поступает на вход инвертора. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное, которое передается в нагрузку через высокочастотный силовой трансформатор. Работу инвертора контролирует система управления (СУ). Увеличивая и уменьшая длительности управляющих импульсов, можно изменять передаваемую в нагрузку мощность. Кроме основных блоков, схема содержит и вспомогательные: корректор коэффициента мощности (ККМ) и выходной выпрямитель.

Рис. 2. Структура инверторного сварочного аппарата

Основным блоком инверторного сварочного аппарата является непосредственно инвертор, который может быть реализован по любой из известных топологий. Среди наиболее часто используемых схем можно отметить push-pull, мостовую, полумостовую, полумостовую несимметричную (косой полумост).

Несмотря на многообразие топологий, требования к IGBT оказываются примерно одинаковыми:

Высокое рабочее напряжение. Для бытовой сети рейтинг напряжения транзисторов должен быть 600 В и выше.
Большие коммутационные токи. Средние значения достигают десятков ампер, пиковые – сотен ампер.
Высокая частота переключений. Увеличение частоты позволяет снизить габариты трансформатора и индуктивности выходного фильтра.
Малое значение энергии на включение (Eвкл) и выключение (Eвыкл) для минимизации потерь на переключения.
Низкое значение напряжения насыщения Uкэ нас. для минимизации кондуктивных потерь.
Стойкость к жесткому режиму коммутации. Инвертор работает с индуктивной нагрузкой.
Стойкость к короткому замыканию. Критично для мостовой и полумостовой схем.

К вышесказанному стоит добавить, что, во-первых, при выборе транзисторов для инвертора следует обращать внимание не только на рейтинги токов и напряжений, но и на параметры, определяющие мощность потерь. Во-вторых, требования к низкому напряжению насыщения и высокой рабочей частоте оказываются противоречивыми.

IGBT производства STMicroelectronics сочетают в себе уникальные характеристики: способны коммутировать большую мощность, отличаются высоким быстродействием, при этом – сохраняют низкое значение Uкэ нас. Это стало возможным благодаря использованию новейших технологий.

Мощности потерь и особенности технологии производства IGBT от ST

Основный причиной ограничения мощности инвертора является перегрев IGBT. Он является следствием потерь мощности, рассеиваемой в виде тепла.

Как известно, суммарные потери мощности в IGBT (Pd) складываются из двух составляющих: потери проводимости (Pконд, кондуктивные потери) и потери на переключения (Pперекл) (таблица 1).

Таблица 1. Потери мощности в IGBT

Кондуктивные потери определяются значением напряжения насыщения Uкэ нас. По этой причине его стараются максимально снизить.

Потери на переключения объединяют энергию, затрачиваемую на включение (Eвкл) и на выключение (Eвыкл).

Энергия на включение Евкл в большей степени определяется встроенным антипараллельным диодом. Для оптимизации этого параметра можно использовать внешний диод с лучшими характеристиками (меньшее время восстановления) или оптимизировать режим переключения (переключения при нулевых токах или напряжениях).

Энергия на выключение Евыкл определяется эффективностью рекомбинации неосновных носителей в структуре IGBT. Затягивание процесса рекомбинации приводит к появлению токового хвоста (рисунок 3), [2].

Рис. 3. Потери на выключение для планарного IGBT

Во время включенного состояния через IGBT протекает ток, и в его слое n- происходит накопление неосновных носителей (дырок из слоя p+). После выключения транзистора число этих накопленных носителей сокращается достаточно медленно, главным образом – за счет неэффективной рекомбинации в низколегированном слое n-. В результате образуется токовый «хвост», приводящий к дополнительным потерям мощности.

Один из способов повышения быстродействия заключается в уменьшении степени легирования области p+. Это приводит к уменьшению числа носителей, а значит – и к ускоренному процессу рекомбинации. Однако уменьшение числа носителей, очевидно, приведет и к возрастанию напряжения насыщения.

Рис. 4. Развитие технологий IGBT производства STMicroelectronics

Таким образом, увеличение быстродействия при сохранении напряжения насыщения возможно только благодаря качественным улучшениям и применению новых технологий. Например, для ускорения процесса рекомбинации между слоями p+ и n- создается слой n+ (рисунок 4а). Быстродействие возрастает, но остается достаточно низким.

Одним из революционных решений, позволившим качественно улучшить характеристики IGBT, стало применение технологии TGFS (Trench Gate Field Stop), (рисунок 4б). Суть TGFS состоит в изменении структуры затвора, который выполняется в изолированной канавке. Проводящий канал становится вертикальным, что уменьшает эффективную толщину слоя n-. Это, с одной стороны, приводит к снижению напряжения насыщения, а с другой – к уменьшению числа накапливаемых носителей.

Наиболее современное поколение IGBT производства STMicroelectronics серии V включает все лучшие технологические решения [2]: TGFS, снижение толщины исходной пластины p-, уменьшение толщин диффузных и эпитаксиальных слоев, увеличение глубины внедрения затвора (рисунок 4в). Это позволяет уменьшить энергию, затрачиваемую на выключение, при сохранении значения напряжения насыщения.

STMicroelectronics выпускает несколько серий IGBT с различными характеристиками. Богатый выбор позволяет найти оптимальные транзисторы с учетом требований к конкретному сварочному аппарату и используемой топологии.

Обзор серий IGBT от ST

Линейка IGBT производства STMicroelectronics содержит четыре серии, представители которых наиболее подходят для сварочных инверторов. Это серии V, HB, H, M. Все эти транзисторы отвечают перечисленным выше требованиям и имеют отличные характеристики [1, 4]:

высокие рабочие напряжения – 600…1200 В;
высокие показатели коммутируемых токов – до 80 А;
рекордные значения энергии выключения – от 0,2 мДж;
быстродействие – до 120 кГц;
доступность версий со встроенным быстродействующим антипараллельным диодом;
доступность различных корпусных исполнений (TO-247, D2PAK, TO-220 и другие);
стойкость к импульсам короткого замыкания.

Серия M предназначена для коммутации напряжений до 1200 В и токов до 40 А (таблица 2). Отличительной особенностью серии является низкое напряжение насыщения (не более 2,2 В) и малая энергия на переключения (от 1,2 мДж). Это делает данные транзисторы оптимальным выбором для инверторов, работающих на частотах до 20 кГц.

Таблица 2. Характеристики IGBT серии M

Серия H способна коммутировать напряжения до 1200 В и токи до 40 А (таблица 3). По сравнению с транзисторами серии M, IGBT серии H имеют меньшее значение энергии переключения (от 0,85 мДж) и большее напряжение насыщения (до 2,4 В). По этой причине они подходят для более высокочастотных приложений и способны работать на частотах до 100 кГц.

Таблица 3. Характеристики IGBT серии H

Серия HB не является основной для построения сварочных инверторов, однако ее характеристики также на высоте (таблица 4). Напряжение насыщения для этих IGBT являются рекордными среди всех семейств и начинаются от 1,65 В. Энергия переключения, во многих случаях не превышает 0,6 мДж. Рабочая частота для представителей семейства достигает 50 кГц.

Таблица 4. Характеристики IGBT серии HB

Серия V, как было сказано выше, является флагманом в номенклатуре STMicroelectronics. Благодаря новейшим технологиям, у данных IGBT практически полностью отсутствует токовый «хвост», и энергия на выключение оказывается минимальной – от 0,2 мДж (таблица 5), при этом напряжение насыщения не превышает 2,15 В. Все это позволяет использовать транзисторы серии V в быстродействующих инверторах с максимальной частотой переключения до 120 кГц.

Таблица 5. Характеристики IGBT серии V

Для наименования IGBT представленных серий используется код, состоящий из восьми позиций (таблица 6). Он содержит тип компонента, обозначение корпуса, название семейства, напряжение пробоя, наличие диода и его характеристики. Стоит отметить, что версии транзисторов с диодом с низким падением напряжения (индекс DL) не подходят для работы в составе сварочных инверторов.

Таблица 6. Именование IGBT производства STMicroelectronics

(пусто) – нет
D – быстродействующий
DL – с низким падением

Код напряжения пробоя:

V – Very High Speed до 120 кГц
H…B – High Speed до 50 кГц
H – High Speed до 35 кГц
M – Low Loss до 20 кГц

Максимальный ток при 100°С

B – D2PAK	W – TO-247
F – TO-220FP	WA – TO-247 Long Led
FW – TO3FP	WT – TO-3P
P – TO-220	Y – Max247

Большинство IGBT представленных семейств выпускается в двух вариантах: со встроенным быстродействующим диодом и без него. Характеристики этих диодов достаточно хороши. Однако в случае необходимости требуется применять внешние диоды, например, в схеме асимметричного моста. При этом следует обратить внимание на мощные быстродействующие диоды серии W производства STMicroelectronics.

Обзор мощных диодов серии W от ST

Мощные быстродействующие диоды серии W разработаны специально для работы в составе мощных импульсных преобразователей с жесткими условиями переключений. Для этого их характеристики соответствующим образом оптимизированы (таблица 7):

для снижения статической мощности прямое падение напряжения уменьшено (от 0,92 В);
обратное напряжение достигает 600 В;
средний ток достигает 200 А;
время восстановления и обратный ток существенно снижены для сокращения энергии на переключение;
большинство диодов выпускаются в сдвоенном исполнении.

Таблица 7. Мощные быстродействующие диоды производства STMicroelectronics

Результаты практического применения IGBT от ST в MMA-инверторах

Для подтверждения преимуществ транзисторов IGBT производства STMicroelectronics были построены и испытаны сварочные инверторы: MMA160 (входная мощность 3,8 кВт) и MMA200 (входная мощность 6 кВт) [3].

Условия проведения испытаний были одинаковыми [3]:

в обоих случаях использовалась асимметричная полумостовая схема инвертора со спаренными параллельными IGBT (рисунки 5 и 6);
в качестве питания использовалось сетевое напряжение 220 В, 50 Гц;
температура окружающего воздуха составляла 25°C;
в качестве нагрузки применялись керамические резисторы общим сопротивлением 145 мОм с активным охлаждением;
максимальный коэффициент заполнения не превышал 50% для гарантированного исключения возможности насыщения сердечника выходного ВЧ-трансформатора;
защитное отключение производилось при достижении транзисторами температуры 105°С.

Инвертор MMA160 был построен на базе транзисторов STGW40V60DF (рисунок 5). Частота переключений составляла 63 кГц.

Рис. 5. Схема инвертора MMA160

В ходе испытаний производились замеры входной мощности, входного тока и температуры корпуса транзисторов. При увеличении входной мощности от 2 кВт до максимальной мощности в 3,8 кВт происходил разогрев транзисторов и рост энергии на выключение (таблица 8).

Таблица 8. Результаты испытаний инвертора MMA 160

Инвертор показал устойчивую работу во всем диапазоне мощностей. Отключение при максимальной мощности произошло только по истечении 10 минут 17 секунд, после срабатывания защиты от перегрева (105°С). Максимальное значение энергии на выключение IGBT при этом увеличивалось с 311 мДж до 550 мДж, что является хорошим результатом и соответствует заявленному в документации значению (таблица 5).

Инвертор MMA200 был построен с использованием спаренных IGBT STGW60H65DFB (рисунок 6). Рабочая частота составила 63 кГц. Для дополнительной защиты транзисторов были применены снабберные RC-цепочки.

Рис. 6. Схема инвертора MMA200

В ходе испытаний входная мощность MMA200 увеличивалась с 2,6 кВт до 5,8 кВт. Инвертор продемонстрировал устойчивую работу во всех режимах и выключился после срабатывания температурной защиты спустя 8 минут 15 секунд после выхода на мощность 5,8 кВт. При увеличении входных токов происходил рост температуры транзисторов и увеличение энергии на выключение (таблица 9). Диапазон изменений энергии на выключение составил 586…947 мДж, что соответствует заявленному значению.

Таблица 9. Результаты испытаний инвертора MMA200

Проведенные испытания подтвердили отличные характеристики, заявленные производителем. Таким образом, IGBT производства компании STMicroelectronics идеально подходят для построения инверторов сварочных аппаратов.

Заключение

В номенклатуре компании STMicroelectronics есть четыре серии IGBT, предназначенных для работы в жестких условиях переключения в составе сварочных инверторов. Данные транзисторы отвечают всем необходимым для этого требованиям. Их основными достоинствами являются:

Кроме IGBT, STMicroelectronics предлагает разработчикам мощные быстродействующие диоды серии W, которые отличаются малым временем восстановления и низким прямым падением напряжения.

Отличные характеристики силовых компонентов производства ST подтверждены практикой. Для этого инженерами компании были созданы и испытаны сварочные инверторы MMA160 и MMA200, построенные на основе транзисторов STGW40V60DF и STGW60H65DFB.

Устройство сварочного инвертора

В настоящее время стали очень популярны и доступны по цене сварочные аппараты инверторного типа.

Несмотря на свои положительные качества, они, как и любое другое электронное устройство, временами выходит из строя.

Чтобы отремонтировать инвертор сварочного аппарата нужно хотя бы поверхностно знать его устройство и основные функциональные блоки.

В первых двух частях будет рассказано об устройстве сварочного аппарата модели TELWIN Tecnica 144-164. В третьей части будет рассмотрен пример реального ремонта сварочного инвертора модели TELWIN Force 165. Информация будет полезна всем тем начинающим радиолюбителям, которые хотели бы научиться самостоятельно ремонтировать сварочные аппараты инверторного типа.

Дальше будет много букв – наберитесь терпения .

Сам инверторный сварочный аппарат представляет не что иное, как довольно мощный блок питания. По принципу действия он очень схож с импульсными блоками питания, например, компьютерными блоками питания AT и ATX. Вы спросите: «Чем они похожи? Это ведь абсолютно разные устройства…». Схожесть заключается в принципе преобразования энергии.

Основные этапы преобразования энергии в инверторном сварочном аппарате:

1. Выпрямление переменного напряжения электросети 220V;

2. Преобразование постоянного напряжения в переменное высокой частоты;

3. Понижение высокочастотного напряжения;

4. Выпрямление пониженного высокочастотного напряжения.

Это кратко, так сказать, на пальцах . Такие же преобразования происходят в импульсных блоках питания для ПК.

Спрашивается, а зачем нужны эти пляски с бубном (несколько ступеней преобразования напряжения и тока)? А дело тут вот в чём.

Ранее основным элементом сварочного аппарата являлся мощный силовой трансформатор. Он понижал переменное напряжение электросети и позволял получать от вторичной обмотки огромные токи (десятки – сотни ампер), необходимых для сварки. Как известно, если понизить напряжение на вторичной обмотке трансформатора, то можно во столько же раз увеличить ток, который может отдать нагрузке вторичная обмотка. При этом уменьшается число витков вторичной обмотки, но и растёт диаметр обмоточного провода.

Из-за своей высокой мощности, трансформаторы, которые работают на частоте 50 Гц (такова частота переменного тока электросети), имеют весьма большие размеры и вес.

Чтобы устранить этот недостаток были разработаны инверторные сварочные аппараты. За счёт увеличения рабочей частоты до 60-80 кГц и более, удалось уменьшить габариты, а, следовательно, и вес трансформатора. За счёт увеличения рабочей частоты преобразования в 4 раза удаётся снизить габариты трансформатора в 2 раза. А это приводит к уменьшению веса сварочного аппарата, а также к экономии меди и других материалов на изготовление трансформатора.

Но где взять эти самые 60-80 кГц, если частота переменного тока электросети всего 50 Гц? Тут на выручку приходит инверторная схема, которая состоит из мощных ключевых транзисторов, которые переключаются с частотой 60-80 кГц. Но чтобы транзисторы работали, необходимо подать на них постоянное напряжение. Его получают от выпрямителя. Напряжение электросети выпрямляется мощным диодным мостом и сглаживается фильтрующими конденсаторами. В результате на выходе выпрямителя и фильтра получается постоянное напряжение величиной более 220 вольт. Это первая ступень преобразования.

Вот это напряжение и служит источником питания для инверторной схемы. Мощные транзисторы инвертора подключены к понижающему трансформатору. Как уже говорилось, транзисторы переключаются с огромной частотой в 60-80 кГц, а, следовательно, трансформатор работает также на этой частоте. Но, как уже говорилось, для работы на высоких частотах требуются менее громоздкие трансформаторы, ведь частота то уже не 50 Гц, а все 65000 Гц! В результате трансформатор «сжимается» до весьма малых размеров, а мощность его такая же, как и у здоровенного собрата, который работает на частоте 50 Гц. Думаю, идея понятна.

Вся эта петрушка с преобразованием привела к тому, что в схемотехнике сварочного аппарата появляется куча всяких дополнительных элементов, служащих для того, чтобы аппарат стабильно работал. Но, хватить теории, перейдём к "мясу", а точнее к реальному железу и тому, как оно устроено.

Устройство сварочного аппарата инверторного типа. Часть 1. Силовой блок.

Разбираться в устройстве сварочного инвертора желательно по схеме конкретного аппарата. К сожалению, схемы на TELWIN Force 165 я не нашёл, поэтому нагло позаимствуем схему из руководства по ремонту другого аппарата – TELWIN Tecnica 144-164. Фотографии аппарата и его начинки будут от TELWIN Force 165, так как именно он оказался в моём распоряжении. Исходя из анализа схемотехники и элементной базы, особых отличий между этими моделями практически нет, если не учитывать мелочи.

Внешний вид платы сварки TELWIN Force 165 с указанием расположения некоторых элементов схемы.

Принципиальная схема сварочного аппарата инверторного типа TELWIN Tecnica 144-164 состоит из двух основных частей: силовой и управляющей.

Сначала разберёмся в схемотехнике силовой части. Вот схема. Картинка кликабельна (нажмите для увеличения – откроется в новом окне).

Сетевой выпрямитель.

Как уже говорилось, сначала переменный ток электросети 220V выпрямляется мощным диодным мостом и фильтруется электролитическими конденсаторами. Это нужно для того, чтобы переменный ток электросети частотой 50 герц стал постоянным. Конденсаторы С21, С22 нужны для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, которые всегда присутствуют после диодного выпрямителя. Выпрямитель реализован по классической схеме диодный мост. Он выполнен на диодной сборке PD1.

Следует знать, что на конденсаторах фильтра напряжение будет больше в 1,41 раза, чем на выходе диодного моста. Таким образом, если после диодного моста мы получим 220V пульсирующего напряжения, то на конденсаторах будет уже 310V постоянного напряжения (220V * 1,41 = 310,2V). Обычно же рабочее напряжение ограничивается отметкой в 250V (напряжение в сети ведь может быть и завышенным). Тогда на выходе фильтра мы получим все 350V. Именно поэтому конденсаторы имеют рабочее напряжение 400V, с запасом.

На печатной плате сварочного аппарата TELWIN Force 165 элементы сетевого выпрямителя занимают довольно большую площадь (см. фото выше). Выпрямительный диодный мост установлен на охлаждающий радиатор. Через диодную сборку протекают большие токи и диоды, естественно, нагреваются. Для защиты диодного моста на радиаторе установлен термопредохранитель, который размыкается при превышении температуры радиатора выше 90С°. Это элемент защиты.

В выпрямителе применяются диодные сборки (диодный мост) типа GBPC3508 или аналогичный. Сборка GBPC3508 рассчитана на прямой ток (I₀) - 35А, обратное напряжение (V_R) - 800V.

После диодного моста установлены два электролитических конденсатора (здоровенькие бочонки) ёмкостью 680 микрофарад каждый и рабочим напряжением 400V. Ёмкость конденсаторов зависит от модели аппарата. В модели TELWIN Tecnica 144 – 470 мкф., а в TELWIN Tecnica 164 – 680 мкф. Постоянное напряжение с выпрямителя и фильтра подаётся на инвертор.

Помеховый фильтр.

Для того чтобы высокочастотные помехи, которые возникают из-за работы мощного инвертора, не попадали в электросеть, перед выпрямителем устанавливается фильтр ЭМС – электромагнитной совместимости. На английский манер аббревиатура ЭМС обозначается как EMC (ElectroMagnetic Compatibility). Если взглянуть на схему, то фильтр EMC состоит из элементов С1, C8, C15 и дросселя на кольцевом магнитопроводе T4.

Инвертор.

Схема инвертора собрана по схеме так называемого "косого моста". В нём используется два мощных ключевых транзистора. В сварочном инверторе ключевыми транзисторами могут быть как IGBT-транзисторы, так и MOSFET. Например, в моделях Telwin Tecnica 141-161 и 144-164 используются IGBT-транзисторы (HGTG20N60A4, HGTG30N60A4), а в модели Telwin Force 165 применены высоковольтные MOSFET-транзисторы (FCA47N60F). Оба ключевых транзистора устанавливаются на радиатор для отвода тепла. Фото одного из двух транзисторов MOSFET типа FCA47N60F на плате TELWIN Force 165.

Снова взглянем на принципиальную схему и найдём на ней элементы инвертора.

Постоянное напряжение коммутируется транзисторами Q5 и Q8 через обмотку импульсного трансформатора T3 с частотой гораздо большей, чем частота электросети. Частота переключений может составлять несколько десятков килогерц! По сути, создаётся переменный ток, как и в электросети, но только он имеет частоту в несколько десятков килогерц и прямоугольную форму.

Для защиты транзисторов от опасных выбросов напряжения используются демпфирующие RC-цепи R46C25, R63C30.

Для понижения напряжения используется высокочастотный трансформатор T3. С помощью транзисторов Q5, Q8 через первичную обмотку трансформатора T3 (обмотка 1-2) коммутируется напряжение, которое поступает от сетевого выпрямителя (DC+, DC-). Это то самое постоянное напряжение в 310 – 350V, которое было получено на первом этапе преобразования.

За счёт коммутирующих транзисторов постоянное напряжение преобразуется в переменное. Как известно, трансформаторы постоянный ток не преобразуют. Со вторичной обмотки трансформатора T3 (обмотка 5-6) снимается уже намного меньшее напряжение (около 60-70 вольт), но максимальный ток может достигать 120 – 130 ампер! В этом и заключается основная роль трансформатора T3. Через первичную обмотку течёт небольшой ток, но большого напряжения. Со вторичной обмотки уже снимается малое напряжение, но большой ток.

Размеры этого самого трансформатора невелики.

Его вторичная обмотка выполнена несколькими витками ленточного медного провода в изоляции. Сечение провода внушительное, да и не мудрено, ток в обмотке может достигать 130 ампер!

Далее со вторичной обмотки импульсного трансформатора переменный ток высокой частоты выпрямляется мощными диодными выпрямителями. С выхода выпрямителя (OUT+, OUT-) снимается электрический ток с нужными параметрами. Это и необходимо для проведения сварочных работ.

Выходной выпрямитель.

Выходной выпрямитель собран на базе мощных сдвоенных диодов с общим катодом (D32, D33, D34). Эти диоды обладают высоким быстродействием, т. е. они могут быстро открываться и также быстро закрываться. Время восстановления t_rr < 50 ns (50 наносекунд).

Это свойство очень важно, поскольку они выпрямляют переменный ток высокой частоты (десятки килогерц). Обычные выпрямительные диоды с такой задачей бы не справились – они бы просто не успевали открываться и закрываться, нагревались и выходили бы из строя. Поэтому в случае ремонта заменять диоды в выходном выпрямителе следует именно быстродействующими.

В выпрямителе используются сдвоенные диоды марок STTH6003CW, FFH30US30DN, VS-60CPH03 (с ними мы ещё встретимся ). Все эти диоды являются аналогами, рассчитаны на прямой ток 30 ампер на один диод (60 ампер на оба) и обратное напряжение 300 вольт. Устанавливаются на радиатор.

Для защиты диодов выпрямителя используется демпфирующая RC-цепочка R60C32 (см. схему силовой части).

Схема запуска и реализация «мягкого пуска».

Для питания микросхем и элементов, которые расположены на плате управления, используется интегральный стабилизатор на 15 вольт – LM7815A. Он установлен на радиатор. Напряжение питания на стабилизатор поступает с основного выпрямителя PD1 через два последовательно включенных резистора R18, R35 (6,8 кОм 5W). Эти резисторы понижают напряжение и участвуют при запуске схемы.

Напряжение +15 со стабилизатора U3 (LM7815A) поступает на управляющую схему. Далее, когда схема управления и драйвер «раскачали» мощную схему инвертора, то на дополнительной вторичной обмотке трансформатора T3 (обмотка 3-4) появляется напряжение, которое выпрямляется диодом D11.

Через диод D9 напряжение питания поступает на интегральный стабилизатор LM7815A и теперь схема «запитывает» как бы сама себя. Вот такой вот хитрый «приём».

Выпрямленное напряжение после диода D11 также служит для питания реле RL1, охлаждающего вентилятора V1 и индикаторного светодиода D10 (Verde – "Зелёный"). Резисторы R40, R41, R65, R37 гасят излишки напряжения. Для стабилизации напряжения питания вентилятора V1 (12V) применяется 5-ти ваттный стабилитрон D36 на 12V.

Реле RL1 обеспечивает плавный запуск инвертора («мягкий пуск»). Разберёмся с этим подробнее.

В момент включения сварочного аппарата начинается заряд электролитических конденсаторов. В самом начале зарядный ток очень велик и может вызвать перегрев и выход из строя диодов выпрямителя. Чтобы уберечь диодную сборку от повреждения зарядным током применяется схема ограничения заряда (или «мягкого пуска»). Взглянем на схему.

Основным элементом схемы «мягкого пуска» служит резистор R4, мощность которого 8W (8 ватт). Сопротивление резистора – 47 ом. Именно на него возложена роль ограничения зарядного тока в первые моменты после включения.

После того, как заряд конденсаторов закончился, а инвертор начал работу в штатном режиме, электромагнитного реле RL1 замыкает контакты. Контакты реле шунтируют резистор R4, и в дальнейшем он не участвует в работе схемы, так как весь ток проходит через контакты реле. Таким образом реализован плавный запуск.

На плате инвертора TELWIN Force 165 также можно найти элементы схемы «мягкого пуска». В качестве реле RL1 выступает электромагнитное реле модели Finder на рабочее напряжение 24V (параметры контактов реле – 16A 250V~).

Итак, мы узнали о том, что сварочный инвертор состоит из сетевого выпрямителя 220V, мощного инвертора на транзисторах, понижающего трансформатора и выходного выпрямителя. Это силовые части схемы. Через них протекают огромные токи. Но где же «мозги» этого устройства? Кто управляет работой инвертора?

Как работает сварочный инвертор?

Продолжаем изучение сварочного инвертора «Telwin». В первой части было рассказано о силовой части схемы аппарата. Пришло время разобраться в управляющей части схемы.

Вот принципиальная схема управляющей части и драйвера (control and driver).

Кликните по картинке. Рисунок схемы откроется в новом окне. Так будет удобнее более детально изучить схему.

Схема управления и драйвер.

Мозгом устройства можно считать микросхему ШИМ-контроллера. Именно она управляет работой мощных транзисторов и, так сказать, задаёт темп работы преобразователя. В зависимости от модели аппарата могут использоваться микросхемы ШИМ-контроллера типа UC3845AD (Tecnica 144-164) или VIPer20A (Tecnica 141-161, 150, 152, 170, 168GE). Микросхему ШИМ-контроллера легко найти на принципиальной схеме. Ну, а что в железе?

Далее на фото показана часть платы инвертора Telwin Force 165.

Обратимся к схеме.

По схеме микросхема ШИМ-контроллера U1 управляет работой полевого N-канального MOSFET-транзистора IRFD110 (Q4). Корпус у этого полевого транзистора довольно нестандартный (HEXDIP) – внешне похож на оптопару.

С вывода стока (D) транзистора Q4 на первичную обмотку разделителного трансформатора T1 поступают прямоугольные импульсы частотой около 65 кГц. У трансформатора T1 имеется 2 вторичные обмотки (3-4 и 5-6), с которых снимаются сигналы для управления мощными ключевыми транзисторами Q5, Q8 (см. схему силовой части).

Схема на транзисторах Q6, Q7 и "обвязка" этих транзисторов нужна для правильной работы ключевых транзисторов Q5, Q8. Транзисторы Q6, Q7 в основном помогают транзисторам Q5, Q8 закрываться. Как мы уже знаем из первой части, в качестве транзисторов Q5, Q8 используются либо IGBT-транзисторы, либо MOSFET. А это накладывает некоторые требования на процесс управления ими.

Стабилитроны D16, D17, D29, D30 (на 18V) защищают IGBT-транзисторы от превышения допустимого напряжения между затвором (G) и эмиттером (E).

Цепи регулировки и контроля.

На печатной плате сварочного инвертора «TELWIN Force 165» можно обнаружить занятную деталь – трансформатор тока T2.

Эта деталь участвует в работе анализатора-ограничителя тока. По принципиальной схеме видно, что трансформатор тока включен в цепь первичной обмотки трансформатора T3. За счёт индукции электромагнитного поля в трансформаторе тока T2 наводится переменное напряжение. Далее это напряжение выпрямляется и ограничивается схемой на элементах D2, D4, R49, R25,R15, R9, R3, R20, R10. За счёт этой схемы контролируется сила тока в первичной обмотке трансформатора T3, а сигналы, полученные от неё, участвуют в работе «задатчика» сварочного тока и генератора импульсов на микросхеме U1.

Схема контроля напряжения сети и выходного напряжения.

Для контроля напряжения в электросети, а также выходного напряжения (OUT+, OUT-) сварочного аппарата используется схема, состоящая из элементов операционного усилителя (ОУ) на микросхеме LM324: U2A и U2B.

Элементы делителя R1, R5, R14, R19, R24, R29, R36 и R38 подключены к входному сетевому выпрямителю и служат для обнаружения завышенного или заниженного напряжения в электросети.

На элементе U2C операционного усилителя LM324 выполнен суммирующий блок. Он складывает сигналы защиты по напряжению и току. Результирующий сигнал подаётся на задающий генератор импульсов – ШИМ контроллер (UC3845AD). При аварии, схема защиты и контроля подаёт сигнал на суммирующий блок. Он в свою очередь блокирует работу генератора, а, следовательно, и всей схемы.

Выходное напряжение снимается с выходов «OUT+», «OUT-» и через элемент гальванической развязки – оптрон ISO1 (H11817B), поступает в схему контроля (U2A, U2B). Так осуществляется отслеживание параметров выходного напряжения.

В случае если напряжение в электросети завышено или занижено, сработает компаратор на элементе U2A и подаст сигнал на транзистор Q1 (BC807) через делитель на резисторах R12, R11. Транзистор Q1 откроется и закоротит на корпус (общий провод) вход 10 элемента U2C. Это приведёт к блокировке работы микросхемы U1 – генератора задающих импульсов. Схема выключится.

Одновременно с этим, за счёт подачи напряжения с выхода 1 компаратора U2A засветится жёлтый светодиод D12 (Giallo – "жёлтый"), указывающий на то, что в схеме неисправность или есть проблемы с сетевым питанием. Светодиод D12 показан на силовой части схемы и подключен к CN1-1. Таким же образом сработает схема, если на выходе выпрямителя (OUT+, OUT-) параметры выйдут за рамки установленных. Такое может произойти, например, при неисправностях выпрямительных диодов или если выйдут из строя детали узла контроля – оптрон ISO1 или элементы его «обвязки», полупроводниковый диод D25, стабилитрон D15, резисторы R57, R52, R51, R50 и электролитический конденсатор C29.

О других элементах схемы.

Биполярный транзистор Q9 подаёт напряжение питания на микросхему ШИМ-контроллера U1 (UC3845AD). Этот транзистор управляется элементом операционного усилителя U2B. На вывод 6 U2B подаётся напряжение с делителя на резисторах R64, R39 (см. схему силовой части). Если напряжение с делителя поступает, то U2B подаёт сигнал на транзистор Q9, который открывается и подаёт напряжение на микросхему U1.

Можно сказать, что эта схема участвует в запуске мощного инвертора, так как именно она подаёт питание на управляющий инвертором ШИМ-контроллер.

Ручная установка сварочного тока осуществляется переменным резистором R23.

Ручка резистора выводится на панель управления аппарата.

Также в цепи регулировки задействованы резисторы R73, R74, R21, R66, R68, R13 и конденсатор C14. Напряжение с цепи ручной регулировки поступает на 10 вывод элемента U2C суммирующего блока.

Как уже говорилось, сварочный инвертор имеет в своём составе множество регулирующих, контролирующих и защитных цепей. Все они нужны для штатной работы аппарата, а также защищают силовые элементы инвертора в случае аварийного режима.

Теперь, когда мы разобрались в работе сварочного инвертора пора рассказать о реальном примере ремонта сварочного инвертора «TELWIN Force 165». Об этом читайте здесь.

Принципиальная схема сварочного инвертора: разбираемся в деталях

Схема сварочного инвертора в корне отличается от устройства его предшественника – сварочного трансформатора. Основой конструкции прежних сварочных аппаратов был трансформатор понижающего типа, что делало их габаритными и тяжелыми. Современные сварочные инверторы благодаря использованию при их производстве передовых разработок – это легкие и компактные устройства, отличающиеся широкими функциональными возможностями.

Сварочный инвертор без крышки

Основным элементом электрической схемы любого сварочного инвертора является импульсный преобразователь, вырабатывающий ток высокой частоты. Именно благодаря этому использование инвертора дает возможность легко зажигать сварочную дугу и поддерживать ее в стабильном состоянии на всем протяжении сварки. Схема сварочного инвертора в зависимости от модели может иметь определенные особенности, но принцип его работы, который будет рассмотрен ниже, остается неизменным.

Какие виды инверторов представлены на современном рынке

Для определенного типа сварки следует правильно выбирать инверторное оборудование, каждый вид которого обладает специфической электрической схемой и, соответственно, особыми техническими характеристиками и функциональными возможностями.

Инверторы, которые выпускают современные производители, могут одинаково успешно использоваться как на производственных предприятиях, так и в быту. Разработчики постоянно совершенствуют принципиальные электрические схемы инверторных аппаратов, что позволяет наделять их новыми функциями и улучшать их технические характеристики.

Количество разъемов и органов управления на передней панели во многом говорят об возможностях сварочного инвертора

Инверторные устройства в качестве основного оборудования широко используются для выполнения следующих технологических операций:

сварки по полуавтоматической и автоматической технологиям;
плазменной резки и др.

Кроме того, инверторные аппараты являются наиболее эффективным типом оборудования, которое используется для сварки алюминия, нержавеющей стали и других сложносвариваемых металлов. Сварочные инверторы, вне зависимости от особенностей своей электрической схемы, позволяют получать качественные, надежные и аккуратные сварные швы, выполняемые по любой технологии. При этом, что важно, компактный и не слишком тяжелый инверторный аппарат при необходимости можно в любой момент легко перенести в то место, где будут выполняться сварочные работы.

Мобильность – одно из преимуществ инверторных аппаратов

Что включает в себя конструкция сварочного инвертора

Схема сварочного инвертора, которая определяет его технические характеристики и функциональность, включает в себя такие обязательные элементы, как:

блок, обеспечивающий электрическим питанием силовую часть устройства (он состоит из выпрямителя, емкостного фильтра и нелинейной зарядной цепи);
силовая часть, выполненная на базе однотактного конвертора (в данную часть электрической схемы также входят силовой трансформатор, вторичный выпрямитель и выходной дроссель);
блок питания элементов слаботочной части электрической схемы инверторного аппарата;
ШИМ-контроллер, который включает в себя трансформатор тока и датчик тока нагрузки;
блок, отвечающий за термозащиту и управление охлаждающими вентиляторами (в данный блок принципиальной схемы входят вентиляторы инвертора и температурные датчики);
органы управления и индикации.

Как работает сварочный инвертор

Формирование тока большой силы, при помощи которого создается электрическая дуга для расплавления кромок соединяемых деталей и присадочного материала, – это то, для чего предназначен любой сварочный аппарат. Для этих же целей необходим и инверторный аппарат, позволяющий формировать сварочный ток с большим диапазоном характеристик.

В наиболее простом изложении принцип работы инвертора выглядит так.

Переменный ток с частотой 50 Гц из обычной электрической сети поступает на выпрямитель, где происходит его преобразование в постоянный.
После выпрямителя постоянный ток сглаживается при помощи специального фильтра.
Из фильтра постоянный ток поступает непосредственно на инвертор, в задачу которого входит опять преобразовать его в переменный, но уже с более высокой частотой.
После этого при помощи трансформатора понижают напряжение переменного высокочастотного тока, что дает возможность увеличить его силу.

Блок-схема сварочного аппарата инверторного типа

Для того чтобы понять, какое значение имеет каждый элемент принципиальной электрической схемы инверторного аппарата, стоит рассмотреть его работу подробнее.

Процессы, протекающие в электрической схеме сварочного инвертора

Схема сварочного аппарата инверторного типа позволяет увеличивать частоту тока со стандартных 50 Гц до 60–80 кГц. Благодаря тому, что на выходе такого устройства регулировке подвергается высокочастотный ток, для этого можно эффективно использовать компактные трансформаторы. Увеличение частоты тока происходит в той части электрической схемы инвертора, где расположен контур с мощными силовыми транзисторами. Как известно, на транзисторы подается только постоянный ток, для чего и необходим выпрямитель на входе аппарата.

Принципиальная схема заводского сварочного инвертора «Ресанта» (нажмите, чтобы увеличить)

Схема инвертора от немецкого производителя FUBAG с рядом дополнительных функций (нажмите, чтобы увеличить)

Пример принципиальной электрической схемы сварочного инвертора для самостоятельного изготовления (нажмите, чтобы увеличить)

Принципиальная электрическая схема инверторного устройства состоит из двух основных частей: силового участка и цепи управления. Первым элементом силового участка схемы является диодный мост. Задача такого моста как раз и состоит в том, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный.

В постоянном токе, преобразованном из переменного в диодном мосту, могут возникать импульсы, которые необходимо сглаживать. Для этого после диодного моста устанавливается фильтр, состоящий из конденсаторов преимущественно электролитического типа. Важно знать, что напряжение, которое выходит из диодного моста, примерно в 1,4 раза больше, чем его значение на входе. Диоды выпрямителя при преобразовании переменного тока в постоянный очень сильно нагреваются, что может серьезно сказаться на их работоспособности.

Компоненты сварочного инвертора на примере самодельного аппарата

Чтобы защитить их, а также другие элементы выпрямителя от перегрева, в данной части электрической схемы используют радиаторы. Кроме того, на сам диодный мост устанавливается термопредохранитель, в задачу которого входит отключение электропитания в том случае, если диодный мост нагрелся до температуры, превышающей 80–90 градусов.

Высокочастотные помехи, создаваемые при работе инверторного устройства, могут через его вход попасть в электрическую сеть. Чтобы этого не произошло, перед выпрямительным блоком схемы устанавливается фильтр электромагнитной совместимости. Состоит такой фильтр из дросселя и нескольких конденсаторов.

Блок питания инвертора

Сам инвертор, который преобразует уже постоянный ток в переменный, но обладающий значительно более высокой частотой, собирается из транзисторов по схеме «косой мост». Частота переключения транзисторов, за счет которых и происходит формирование переменного тока, может составлять десятки или сотни килогерц. Полученный таким образом высокочастотный переменный ток имеет амплитуду прямоугольной формы.

Получить на выходе устройства ток достаточной силы для того, чтобы можно было с его помощью эффективно выполнять сварочные работы, позволяет понижающий напряжение трансформатор, установленный за инверторным блоком. Для того чтобы получить с помощью инверторного аппарата постоянный ток, после понижающего трансформатора подключают мощный выпрямитель, также собранный на диодном мосту.

Транзисторы для силового модуля сварочного инвертора

Элементы защиты инвертора и управления им

Избежать влияния негативных факторов на работу инвертора позволяют несколько элементов в его принципиальной электрической схеме.

Для того чтобы транзисторы, которые преобразуют постоянный ток в переменный, не сгорели в процессе своей работы, используются специальные демпфирующие (RC) цепи. Все блоки электрической схемы, которые работают под большой нагрузкой и сильно нагреваются, не только обеспечены принудительным охлаждением, но также подключены к термодатчикам, отключающим их питание в том случае, если температура их нагрева превысила критическое значение.

Радиаторы и вентиляторы системы охлаждения занимают значительное пространство внутри инвертора

Из-за того, что конденсаторы фильтра после своей зарядки могут выдавать ток большой силы, который в состоянии сжечь транзисторы инвертора, аппарату необходимо обеспечить плавный пуск. Для этого используют стабилизаторные устройства.

В схеме любого инвертора имеется ШИМ-контроллер, который отвечает за управление всеми элементами его электрической схемы. От ШИМ-контроллера электрические сигналы поступают на полевой транзистор, а от него – на разделительный трансформатор, имеющий одновременно две выходные обмотки. ШИМ-контроллер посредством других элементов электрической схемы также подает управляющие сигналы на силовые диоды и силовые транзисторы инверторного блока. Для того чтобы контроллер мог эффективно управлять всеми элементами электрической схемы инвертора, на него также необходимо подавать электрические сигналы.

Для выработки таких сигналов используется операционный усилитель, на вход которого подается формируемый в инверторе выходной ток. При расхождении значений последнего с заданными параметрами операционный усилитель и формирует управляющий сигнал на контроллер. Кроме того, на операционный усилитель поступают сигналы от всех защитных контуров. Это необходимо для того, чтобы он смог отключить инвертор от электропитания в тот момент, когда в его электрической схеме возникнет критическая ситуация.

Достоинства и недостатки сварочных аппаратов инверторного типа

Инверторные сварочные аппараты, которые пришли на смену привычным всем трансформаторам, обладают рядом весомых преимуществ.

Благодаря совершенно иному подходу к формированию и регулированию сварочного тока масса таких устройств составляет всего 5–12 кг, в то время как сварочные трансформаторы весят 18–35 кг.
Инверторы обладают очень высоким КПД (порядка 90%). Это объясняется тем, что в них расходуется значительно меньше лишней энергии на нагрев составных частей. Сварочные трансформаторы, в отличие от инверторных устройств, очень сильно греются.
Инверторы благодаря такому высокому КПД потребляют в 2 раза меньше электрической энергии, чем обычные трансформаторы для сварки.
Высокая универсальность инверторных аппаратов объясняется возможностью регулировать с их помощью сварочный ток в широких пределах. Благодаря этому одно и то же устройство можно использовать для сварки деталей из разных металлов, а также для ее выполнения по разным технологиям.
Большинство современных моделей инверторов наделены опциями, которые минимизируют влияние ошибок сварщика на технологический процесс. К таким опциям, в частности, относятся «Антизалипание» и «Форсирование дуги» (быстрый розжиг).
Исключительная стабильность напряжения, подаваемого на сварочную дугу, обеспечивается за счет автоматических элементов электрической схемы инвертора. Автоматика в данном случае не только учитывает и сглаживает перепады входного напряжения, но и корректирует даже такие помехи, как затухание сварочной дуги из-за сильного ветра.
Сварка с использованием инверторного оборудования может выполняться электродами любого типа.
Некоторые модели современных сварочных инверторов имеют функцию программирования, что позволяет точно и оперативно настраивать их режимы при выполнении работ определенного типа.

Как у любых сложных технических устройств, у сварочных инверторов есть и ряд недостатков, о которых также необходимо знать.

Инверторы отличаются высокой стоимостью, на 20–50% превышающей стоимость обычных сварочных трансформаторов.
Наиболее уязвимыми и часто выходящими из строя элементами инверторных устройств являются транзисторы, стоимость которых может составлять до 60% цены всего аппарата. Соответственно, ремонт сварочного инвертора является достаточно дорогостоящим мероприятием.
Инверторы из-за сложности их принципиальной электрической схемы не рекомендуется использовать в плохих погодных условиях и при отрицательных температурах, что серьезно ограничивает область их применения. Для того чтобы применять такое устройство в полевых условиях, необходимо подготовить специальную закрытую и отапливаемую площадку.

При сварочных работах, выполняемых с использованием инвертора, нельзя использовать длинные провода, так как в них наводятся помехи, отрицательно отражающиеся на работе устройства. По этой причине провода для инверторов делают достаточно короткими (порядка 2 метров), что вносит в сварочные работы некоторое неудобство.

Сварочный инвертор своими руками: схемы и инструкция по сборке

Изготовить сварочный инвертор своими руками, даже не обладая глубокими знаниями в электронике и электротехнике, вполне возможно, главное – строго придерживаться схемы и постараться хорошо разобраться в том, по какому принципу работает такое устройство. Если сделать инвертор, технические характеристики и КПД которого будут мало отличаться от аналогичных параметров серийных моделей, можно сэкономить приличную сумму.

Самодельный сварочный инвертор

Не следует думать, что самодельный аппарат не даст вам возможности эффективно проводить сварочные работы. Такое устройство, даже собранное по простой схеме, позволит вам выполнять сварку электродами диаметром 3–5 мм и на длине дуги, равной 10 мм.

Характеристики самодельного инвертора и материалы для его сборки

Собрав сварочный инвертор своими руками по достаточно простой электрической схеме, вы получите эффективное устройство, обладающее следующими техническими характеристиками:

величина потребляемого напряжения – 220 В;
сила тока, поступающего на вход аппарата, – 32 А;
сила тока, формируемого на выходе устройства, – 250 А.

Схема сварочного аппарата инверторного типа с такими характеристиками включает следующие элементы:

блок питания;
драйверы силовых ключей;
силовой блок.

Прежде чем начать собирать самодельный инвертор, надо подготовить рабочие инструменты и элементы для создания электронных схем. Так, вам понадобятся:

набор отверток;
паяльник для соединения элементов электронных схем;
нож;
ножовка для работы по металлу;
резьбовые крепежные элементы;
листовой металл небольшой толщины:
элементы, из которых будут формироваться электронные схемы;
медные провода и полосы – для намотки трансформаторов;
термобумага от кассового аппарата;
стеклоткань;
текстолит;
слюда.

Для домашнего использования чаще всего собирают инверторы, работающие от стандартной электрической сети с напряжением 220 В. Однако при необходимости можно сделать устройство, которое будет работать от трехфазной электрической сети с напряжением 380 В. Такие инверторы имеют свои преимущества, наиболее важным из которых является более высокий КПД, по сравнению с однофазными аппаратами.

Блок питания

Одним из важнейших элементов блока питания сварочного инвертора является трансформатор, который мотается на феррите Ш7х7 или 8х8. Это устройство, обеспечивающее подачу стабильного напряжения, формируется из 4 обмоток:

первичной (100 витков провода ПЭВ диаметром 0,3 мм);
первой вторичной (15 витков провода ПЭВ диаметром 1 мм);
второй вторичной (15 витков провода ПЭВ диаметром 0,2 мм);
третьей вторичной (20 витков провода ПЭВ диаметром 0,3 мм).

Чтобы минимизировать негативное влияние перепадов напряжения, регулярно возникающих в электрической сети, намотку обмоток трансформатора следует выполнять по всей ширине каркаса.

Процесс намотки силового трансформатора

После выполнения первичной обмотки и изоляции ее поверхности при помощи стеклоткани, на нее наматывают слой экранирующего провода, витки которого должны ее полностью перекрывать. Витки экранирующего провода (он должен иметь такой же диаметр, как и провод первичной обмотки) выполняются в том же направлении. Такое правило актуально и для всех остальных обмоток, формируемых на каркасе трансформатора. Поверхности всех обмоток, наматываемых на каркас трансформатора, также изолируются друг от друга при помощи стеклоткани или обычного малярного скотча.

Чтобы величина напряжения, поступающего от блока питания на реле, находилась в пределах 20–25 В, необходимо подобрать резисторы для электронной схемы. Основной функцией блока питания сварочного инвертора является преобразование переменного тока в постоянный. Для этих целей в блоке питания используются диоды, собранные по схеме «косого моста».

Схема блока питания инвертора (нажмите для увеличения)

В процессе работы диоды такого моста сильно нагреваются, поэтому их обязательно надо монтировать на радиаторах, в качестве которых можно использовать охлаждающие элементы от старых компьютеров. Для монтажа диодного моста необходимо использовать два радиатора: верхняя часть моста через слюдяную прокладку крепится к одному радиатору, нижняя через слой термопасты – ко второму.

Выводы диодов, из которых сформирован мост, должны быть направлены в ту же сторону, что и выводы транзисторов, при помощи которых постоянный ток будет преобразовываться в высокочастотный переменный. Провода, соединяющие эти выводы, должны быть не длиннее 15 см. Между блоком питания и инверторным блоком, основу которого и составляют транзисторы, располагается лист металла, прикрепляемый к корпусу аппарата при помощи сварки.

Закрепление диодов на радиаторе

Силовой блок

Основой силового блока сварочного инвертора является трансформатор, за счет которого снижается величина напряжения высокочастотного тока, а его сила – увеличивается. Для того чтобы сделать трансформатор для такого блока, необходимо подобрать два сердечника Ш20х208 2000 нм. Для обеспечения зазора между ними можно использовать газетную бумагу.

Обмотки такого трансформатора выполняются не из провода, а из медной полосы толщиной 0,25 мм и шириной 40 мм.

Каждый ее слой для обеспечения термоизоляции обматывается лентой от кассового аппарата, которая демонстрирует хорошую износоустойчивость. Вторичная обмотка трансформатора формируется из трех слоев медных полос, которые изолируются между собой при помощи фторопластовой ленты. Характеристики обмоток трансформатора должны соответствовать следующим параметрам: 12 витков х 4 витка, 10 кв. мм х 30 кв. мм.

Многие пытаются сделать обмотки понижающего трансформатора из толстого медного провода, но это неверное решение. Такой трансформатор работает на токах высокой частоты, которые вытесняются на поверхность проводника, не нагревая его внутреннюю часть. Именно поэтому для формирования обмоток оптимальным вариантом является проводник с большой площадью поверхности, то есть широкая медная полоса.

Самодельный выходной дроссель инвертора

В качестве термоизоляционного материала можно использовать и обычную бумагу, но она менее износоустойчива, чем лента от кассового аппарата. От повышенной температуры такая лента потемнеет, но ее износоустойчивость от этого не пострадает.

Трансформатор силового блока в процессе своей работы будет сильно нагреваться, поэтому для его принудительного охлаждения необходимо использовать кулер, в качестве которого может быть применено устройство, ранее использовавшееся в системном блоке компьютера.

Инверторный блок

Даже простой сварочный инвертор должен выполнять свою основную функцию – преобразовывать постоянный ток, сформированный выпрямителем такого аппарата, в переменный ток высокой частоты. Для решения этой задачи применяются силовые транзисторы, открывающиеся и закрывающиеся с высокой частотой.

Принципиальная схема инверторного блока (нажмите для увеличения)

Инверторный блок аппарата, отвечающий за преобразование постоянного тока в высокочастотный переменный, лучше собирать на основе не одного мощного транзистора, а нескольких менее мощных. Такое конструктивное решение позволит стабилизировать частоту тока, а также минимизировать шумовые эффекты при выполнении сварочных работ.

В электронной схеме сварочного инвертора также присутствуют конденсаторы, соединенные последовательно. Они необходимы для решения двух основных задач:

минимизации резонансных выбросов трансформатора;
снижения потерь в транзисторном блоке, возникающих при его выключении и обусловленных тем, что транзисторы открываются гораздо быстрее, чем закрываются (в этот момент и могут возникать потери тока, сопровождаемые нагреванием ключей транзисторного блока).

Собранная электронная часть инвертора

Система охлаждения

Силовые элементы схемы самодельного сварочного инвертора сильно нагреваются в процессе работы, что может привести к их выходу из строя. Чтобы этого не произошло, кроме радиаторов, на которых монтируют наиболее нагревающиеся блоки, необходимо использовать вентиляторы, отвечающие за охлаждение.

Если у вас имеется в наличии мощный вентилятор, можно обойтись и им одним, направив поток воздуха от него на понижающий силовой трансформатор. Если же вы используете маломощные вентиляторы от старых компьютеров, их потребуется порядка шести штук. Одновременно три таких вентилятора следует установить рядом с силовым трансформатором, направив поток воздуха от них на него.

Мощный вентилятор обеспечит хорошее охлаждение элементов устройства

Для предотвращения перегрева самодельного сварочного инвертора следует также использовать термодатчик, установив его на самый нагревающийся радиатор. Такой датчик в случае достижения радиатором критической температуры отключит поступление электрического тока на него.
Чтобы система вентиляции инвертора работала эффективно, в его корпусе должны присутствовать правильно выполненные заборщики воздуха. Решетки таких заборщиков, через которые внутрь устройства будут поступать потоки воздуха, не должны ничем перекрываться.

Сборка инвертора своими руками

Для самодельного инверторного устройства необходимо подобрать надежный корпус или сделать его самостоятельно, используя для этого листовой металл толщиной не менее 4 мм. В качестве основания, на котором будет смонтирован трансформатор сварочного инвертора, можно использовать лист гетинакса толщиной не менее 0,5 см. Сам трансформатор крепится на таком основании при помощи скоб, которые можно изготовить своими руками из медной проволоки диаметром 3 мм.

Раздвижной корпус заводского изготовления

Для создания электронных плат устройства можно использовать фольгированный текстолит толщиной 0,5–1 мм. При монтаже магнитопроводов, которые в процессе работы будут нагреваться, надо предусматривать зазоры между ними, необходимые для свободной циркуляции воздуха.

Для автоматического управления работой сварочного инвертора вам потребуется приобрести и установить в него ШИМ-контроллер, который будет отвечать за стабилизацию силы сварочного тока и величины напряжения. Чтобы вам было удобно работать с вашим самодельным аппаратом, в лицевой части его корпуса необходимо смонтировать органы управления. К таким органам относятся тумблер включения устройства, ручка переменного резистора, при помощи которой регулируется сварочный ток, а также зажимы для кабелей и сигнальные светодиоды.

Пример компоновки передней панели инвертора

Диагностика самодельного инвертора и его подготовка к работе

Сделать инверторный сварочный аппарат – это половина дела. Не менее важной задачей является его подготовка к работе, в процессе которой проверяется корректность функционирования всех элементов, а также их настройка.

Первое, что требуется сделать при проверке самодельного сварочного инвертора, – это подать напряжение 15 В на ШИМ-контроллер и один из охлаждающих вентиляторов. Это позволит одновременно проверить работоспособность контроллера и избежать его перегрева в процессе выполнения такой проверки.

Проверка выходного напряжения тестером

После того как конденсаторы аппарата зарядились, к электрическому питанию подключают реле, которое отвечает за замыкание резистора. Если подать на резистор напряжение напрямую, минуя реле, может произойти взрыв. После того как реле сработает, что должно произойти в течение 2–10 секунд после подачи напряжения на ШИМ-контроллер, необходимо проверить, произошло ли замыкание резистора.

Когда реле электронной схемы сработают, на плате ШИМ должны сформироваться прямоугольные импульсы, поступающие к оптронам. Это можно проверить, используя осциллограф. Правильность сборки диодного моста устройства также необходимо проверить, для этого на него подают напряжение 15 В (сила тока при этом не должна превышать 100 мА).

Фазы трансформатора при сборке устройства могли быть неправильно подключены, что может привести к некорректной работе инвертора и возникновению сильных шумов. Чтобы этого не произошло, правильность подключения фаз необходимо проверить, для этого используется двухлучевой осциллограф. Один луч прибора подключается к первичной обмотке, второй – ко вторичной. Фазы импульсов, если обмотки подключены правильно, должны быть одинаковыми.

Использование осциллографа для диагностики инвертора

Правильность изготовления и подключения трансформатора проверяется при помощи осциллографа и подключения к диодному мосту электрических приборов с различным сопротивлением. Ориентируясь на шумы трансформатора и показания осциллографа, делают вывод о том, что необходимо доработать в электронной схеме самодельного инверторного аппарата.

Чтобы проверить, сколько можно непрерывно работать на самодельном инверторе, необходимо начать его тестировать с 10 секунд. Если при работе такой продолжительности радиаторы устройства не нагрелись, можно увеличить период до 20 секунд. Если и такой временной промежуток не сказался негативно на состоянии инвертора, можно увеличить продолжительность работы сварочного аппарата до 1 минуты.

Обслуживание самодельного сварочного инвертора

Чтобы инверторный аппарат служил длительное время, его необходимо правильно обслуживать.

В том случае, если ваш инвертор перестал работать, необходимо открыть его крышку и продуть внутренности пылесосом. Те места, где осталась пыль, можно тщательно почистить при помощи кисточки и сухой тряпки.

Первое, что необходимо сделать, проводя диагностику сварочного инвертора, – это проверить поступление напряжения на его вход. Если напряжение не поступает, следует продиагностировать работоспособность блока питания. Проблема в этой ситуации также может заключаться в том, что сгорели предохранители сварочного аппарата. Еще одним слабым звеном инвертора является температурный датчик, который в случае поломки подлежит не ремонту, а замене.

Часто выходящий из строя термодатчик, находящийся обычно на диодном блоке или дросселе

Только в том случае, если вы уделяете должное внимание вопросам обслуживания инверторного устройства, можно рассчитывать на то, что оно прослужит вам долгое время и даст возможность выполнять сварочные работы максимально эффективно и качественно.

Читайте также: