Svařovací invertor je zařízení, které převádí vstupní střídavý proud na stejnosměrný proud, následně je pomocí tranzistorových spínačů stejnosměrný proud přeměněn na střídavý proud o frekvenci nad 50 kHz a přiváděn do vysokofrekvenčního svařovacího transformátoru s následnou rektifikací. Zpětnovazební řídicí systém generuje ideální výstupní charakteristiky pro jakýkoli svařovací proces.
Díky vysoké frekvenci je hmotnost a rozměry výkonového transformátoru výrazně sníženy ve srovnání s tradičními svařovacími stroji. Například běžný svařovací transformátor 160A váží 18 kg, zatímco svařovací invertorový transformátor 160A váží pouze 0,25 kg a je o něco větší než krabička cigaret.
Svařovací invertory jsou nejmodernějšími zdroji svařovacího proudu. Na rozdíl od transformátorů a usměrňovačů nemají střídače výkonový transformátor. Činnost svářecího invertoru je založena na principu fázového posunu napětí (inverze), prováděného elektronickým mikroprocesorovým obvodem s kaskádovým proudovým zesílením (obvykle mikroprocesor IGBT). Aplikací tohoto principu je možné získat širokou škálu charakteristik proud-napětí – od prudce klesajících po rostoucí – s velmi hladkou proudovou křivkou, jejíž odchylky jsou redukovány na úroveň desetin procenta, což činí možné dosáhnout vysoké kvality svařování. Zařazení vysokofrekvenčního generátoru do obvodu rozšiřuje možnosti použití invertorových zdrojů a umožňuje jejich použití pro téměř jakýkoli způsob obloukového svařování a plazmového řezání Vzhledem k nízké hmotnosti jsou měniče s nízkým výkonem velmi perspektivní pro použití při instalaci kritických kovových konstrukcí a potrubí, jejichž svarové spoje vyžadují zvýšené požadavky a pracovní podmínky neumožňují použití objemných průmyslových zařízení určených pro práci v dílenských podmínkách. Výkonné invertory průmyslového typu umožňují vytvářet svařovací komplexy pro jakýkoli typ obloukového svařování, postavené na modulárním principu – založené na jediném zdroji proudu. Všechny invertory mají plynulé nastavení svařovacího proudu a obvod digitálního mikroprocesoru a zavedení paměťových buněk umožňuje uložit několik nejběžněji používaných svařovacích režimů.
Naše více než 25leté zkušenosti s prodejem a opravami svařovacích invertorů různých typů nám umožňují formulovat hlavní spotřebitelské vlastnosti těchto svařovacích strojů:
1. Nízká hmotnost (3-13 kg) a skromné rozměry svařovacích invertorů umožňují provádět svařování při snadném pohybu se strojem;
2. Střídač nemá výkonový transformátor, což znamená, že nedochází k vnitřním ztrátám pro remagnetizaci železa, pro ohřev vinutí při interakci jejich elektromagnetických polí, pro absorpci části elektromagnetické indukce regulačním bočníkem – tzn. , účinnost střídače prostě není srovnatelná s účinností běžného svařovacího transformátoru nebo usměrňovače. Při svařování elektrodou o průměru 3 mm tedy konvenční stroj spotřebuje nejméně 6-7 kW a jakýkoli, dokonce i ten nejjednodušší invertor, spotřebovává ne více než 3,5 kW;
3. Mikroprocesorové řízení svařovacího invertoru poskytuje stabilní zpětnou vazbu proudu a napětí na oblouku s výstupními parametry zařízení – při zapálení oblouku zařízení generuje dodatečný proudový impulz (tzv. „horký start“) a v případě zkratu je svařovací proud okamžitě vypnut – to znamená „zmrazit“ elektrodu Zde je to prakticky nemožné;
4. Svařovací invertor má výrazně širší rozsah nastavení svařovacího proudu než běžný stroj, což je důležité zejména při svařování tenkými elektrodami (průměr 1,6 nebo 2 mm) – oblouk při nízkých proudech „šeptá“, nedochází k rozstřiku – ne svařování, ale jedna radost.
5. Pokud jde o náklady na svařovací invertory, již nějakou dobu, a ne bez účasti výrobců z Číny, se velmi přiblížily nákladům tradičních svařovacích strojů, zejména proto, že ceny konvenčních strojů také nejsou stejné úroveň – takže rozdíl v ceně je zasloužený.
Nyní o nedostatcích (no, jak bychom bez nich mohli žít) nebo, řekněme, o provozních vlastnostech svařovacích invertorů.
Zde musíme jasně rozlišovat:
— provoz ve výrobě;
— použití zařízení doma, v garáži, na venkově.
Ve výrobě je úhlavním nepřítelem měniče prach, jakýkoli – z brusky i z rekonstrukce stěn.
Na druhém místě je touha s pomocí měniče přeříznout kolejnici na polovinu. Takové touhy se samozřejmě ne vždy shodují se schopnostmi zařízení, zejména proto, že se takový „svářeč“ snaží rychle řezat a tepelné relé zařízení prostě nemá čas reagovat na takové přetížení. V důsledku toho drahý IGBT modul, „srdce“ zařízení, selže dříve, než se zařízení samo vypne.
Pak jsou tu takové „maličkosti“, jako je neopatrné zacházení s přístrojem, jeho další používání, když se objeví zjevné známky poruchy, uvolnění upevnění svařovacích kabelů v zásuvkách panelu a prosté předání střídače nekvalifikovanému svářeči, i když „es “ jsou také dobré.
Pokud jde o provoz zařízení v každodenním životě, jsou typické následující problémy: znatelně nízké (pod 180 V) napětí v elektrické síti země nebo garáže (majitel zařízení i v tomto případě naivně očekává, že bude fungovat efektivně), a o druhé místo se dělí mezi sebou, zimní uskladnění zařízení ve stodole nebo garáži a předání zařízení sousedovi.
Ve většině případů ale zařízení od soukromých vlastníků žijí šťastně až do smrti.
Svařovací invertory mají ještě jednu vlastnost. Toto je nevyslovitelné jméno. Mnoho lidí se snaží říkat „invektor“. To však nemá téměř žádný vliv na vynikající spotřebitelské vlastnosti střídačů.
Proto se hned shodneme, že o svařovací invertor, jako o každý dobrý a drahý nástroj, je třeba se starat, neházet ho na zem, nikomu nevěřit, častěji odfukovat prach (alespoň „zpětným zdvihem“ vysavač) a vše bude v pořádku, zejména proto, že naše servisní středisko již dlouho ovládá téměř všechny opravy svařovacích invertorů. ________________________________________________________________________________
TROCHU TEORIE.
Princip činnosti měniče.
Invertor je zařízení, které převádí stejnosměrné napětí na vysokofrekvenční střídavé napětí. Převodník je zařízení pro snižování nebo zvyšování stejnosměrného napětí, někdy s mezilehlým vysokofrekvenčním spojem. S příchodem invertorových zdrojů se jednodušším neinvertorovým zdrojům začalo říkat konvenční, tzn. tradiční.
Pro vysvětlení procesu inverze je nejvhodnější usměrňovací obvod s push-pull tranzistorovým (obr. 1) měničem. Vstupní usměrňovací jednotka V1 převádí střídavé napětí sítě na stejnosměrné napětí, které je vyhlazeno pomocí dolní propusti L1, C1. Poté je usměrněné napětí Uvs převedeno na jednofázové střídavé napětí U1 o vysoké frekvenci pomocí měniče se dvěma tranzistory VT1 a VT2. Dále je napětí sníženo transformátorem T na U2, usměrněno ventilovým blokem V2, prochází vysokofrekvenčním filtrem L2, C2 a přiváděno do oblouku ve formě vyhlazeného napětí.
Obr. 1 Obvod usměrňovače s tranzistorovým měničem
Podívejme se blíže na proces inverze. Když je signál přiveden na bázi tranzistoru VT1, jeho kolektorový obvod se odblokuje a primárním vinutím transformátoru T protéká proud v časovém intervalu t1 ve směru znázorněném tenkou čarou. Po odstranění signálu ze základny se tento proud zastaví. S určitým zpožděním se tranzistor VT2 odblokuje a v časovém intervalu t2 protéká proud transformátorem jiným směrem, znázorněným tečkovanou čarou. Primárním vinutím transformátoru tedy protéká střídavý proud. Délka jeho periody T a frekvence střídavého proudu f = 1/T závisí na spouštěcí frekvenci tranzistorů, určené řídicím systémem. Typicky je frekvence nastavena na 1-100 kHz. Protože tato frekvence nezávisí na frekvenci sítě, nazývá se takový střídač autonomní. Někdy je měnič konstrukčně kombinován s transformátorem T, usměrňovací jednotkou V2 a filtrem L2-C2. Takové zařízení se nazývá převodník na jeho výstupu, stejně jako na jeho vstupu, je konstantní napětí, ale nižší hodnoty.
Pokud je na vstupu měniče instalován výkonný akumulační kondenzátor C1, pak má napětí měniče U1 obdélníkový tvar, jak je znázorněno na obr. 2. Obr. Tato konstrukce se nazývá autonomní napěťový invertor (AVI). Naopak, pokud je na vstupu střídače instalována výkonná tlumivka L1 a vinutí transformátoru T je zkombinováno s kondenzátorem, dojde k vyhlazení vstupního proudu. Takový měnič se nazývá proudový invertor (CIT). Konečně je možná konstrukce, ve které se díky přítomnosti indukčnosti a kapacity zapojených do série vytvoří oscilační obvod se sinusovým proudem, který se nazývá rezonanční invertor (RI).
Režim svařování lze upravit několika způsoby. Je-li například vstupní usměrňovací jednotka tvořena tyristorem, pak s rostoucím napětím Uvs roste i amplituda vysokofrekvenčního napětí U2 a průměrná hodnota Uv usměrněného napětí (obr. 2a):
UV ↑ => U1 ↑ => U2 ↑ => UV ↑
Je také možné regulovat změnou pulzní frekvence (obr. 2b):
f ↑ => T ↓ => Uв ↑
Nejpoužívanější metodou je ale pulzní regulace (obr. 2c):
t ↑ => Uв ↑,
protože při konstantní frekvenci je snazší zvolit parametry výstupního filtru a také redukuje spektrum elektromagnetického rušení, které lze snáze eliminovat vstupním filtrem.
Obr. 2 Oscilogramy při regulaci napětí změnou amplitudy (a), frekvence (b) a šířky impulsu (c).
Usměrňovač s měničem využívá řízení amplitudy, frekvence a šířky režimu.
Přirozené vnější charakteristiky usměrňovače závisí na konstrukci střídače a transformátoru. Umělé charakteristiky jsou tvořeny pomocí proudové a napěťové zpětné vazby.
Svařovací vlastnosti usměrňovačů s invertorem jsou zpravidla lepší než u konvenčních zdrojů, což se vysvětluje vysokou rychlostí měniče. Je-li u neinvertorového jednofázového usměrňovače doba trvání přechodového procesu alespoň půlcyklu standardního střídavého proudu, tj. asi 0,01 s, pak pro usměrňovač s invertorem je výkon charakterizován hodnotami 0,0005 s nebo méně. Pro mechanizované svařování v oxidu uhličitém je takový usměrňovač schopen poskytnout komplexní algoritmus pro změnu proudu pro řízení přenosu elektrodového kovu s dobou trvání jednotlivých fází cyklu asi 1 ms. Vysoké dynamické vlastnosti usměrňovače s invertorem se projevují i v případě softwarového řízení procesu ručního obloukového svařování např. pomocí cyklogramu. V tomto případě je snadno zajištěn horký start na začátku svařování, rychlý přechod z jednoho z přednastavených režimů do druhého při střídavém svařování buď spodních nebo vertikálních švů, svařování pulzujícím obloukem s nastavitelným tvarem pulzu atd.
Výhody a nevýhody usměrňovače s měničem spolu úzce souvisí. Zde energie prochází nejméně čtyřmi fázemi transformace. Přesto je takový usměrňovač ekonomický a velmi perspektivní. Faktem je, že jádro vysokofrekvenčního transformátoru má velmi malý průřez a hmotnost. Typicky jádro váží desítkykrát méně než jádro 50 Hz transformátoru. Obecně má takový usměrňovač pozoruhodné hmotnostně-energetické charakteristiky: 0,02-0,1 kg na 1 A svařovacího proudu a 1-4 kg na 1 kW spotřeby energie, to znamená, že váží 5-15krát méně než jiné usměrňovače.
Usměrňovač s invertorem je stále dražší než klasické zdroje, proto se doporučuje jeho použití v případech, kdy je důležitá malá hmotnost a rozměry – při svařování při instalaci, doma i při opravách. V provozu je takový zdroj mimořádně ekonomický. Jeho účiník se blíží 1, účinnost není nižší než 0,7 a někdy dosahuje 0,9.
