Ремонт сварочного инвертора

Первая часть статьи. Лабиринты цепей сварочных инверторов.

Прибор для проверки и подбора полевых с N каналом и IGBT транзисторов.

    С самого начала этой темы скажу, что без визуального представления работы транзисторов, никакие книги не дадут понимания. Нужно своими глазами, по измерительному прибору, увидеть работу и поведение разных типов транзисторов. Только тогда можно правильно сориентироваться в этой массе полупроводниковых приборов, имеющихся на рынке. После этого вы будете смотреть на мир другими глазами. Прибор лучше стрелочный. Он более наглядно дает представление о различии транзисторов, по углу отклонения стрелки, особенно разных типов. Схема одного из таких приборов для проверки и подбора силовых MOSFET и AGBT транзисторов приведена по ссылке в верху.

    А теперь о самих транзисторах. Начну с шока для могих. Транзисторы MOSFET можно заменять на AGBT и на оборот. Имеется в виду все, на все. В некоторых случаях даже с явным улучшением параметров. При замене надо подкорректировать снабберные цепочки.

    В схему смело можно ставить любые силовые транзисторы, расчитанные для применения в сварочных инверторах, часто с коррекцией снабберных цепей.

    Чтобы видеть, как корректировать снабберные элементы, необходим предложенный прибор. По шкале прибора смотрим разность угла отклонения стрелки, в процентном соотношении, и на столько корректируем снабберы. Например. В AGBT транзисторах FGH60N60, стрелка, при измерении емкости транзистора, отклонилась на 60 делений, а в AGBT транзисторах FGH40N60 на 40 делений. Значит, при установке последних, нужно уменьшить конденсаторы на 30%. А при максимальном рбочем токе 20-30 А., если транзисторы стоят парами, ток что 80А, что 120А на результат не повлияет. Зато FGH40N60 гораздо быстрее, у них заметно меньшие потери на коммутационные процессы. Здесь главное теплоотвод. Вместо термо резины лучше поставить тонкие слюдяные прокладки на термопасту с обеих сторон. Часто бывают плохие резьбы в прижимных болтах. Обязательно, при обкручивании болта, засверлить и перерезать резьбу большего диаметра и хорошо прижать транзисторы к радиатору. Выдуть всю пыль и очистить радиаторы и вентилятор до блеска.

Силовые транзисторы для сварочных инверторов

    Отдельным параграфом нужно выделить подбор идентичных транзисторов по параметрам. Пять минут непосильного труда, добавляет не меньше 20% мощности инвертора. А с таким качеством транзисторов как в Харьковском Космодроме, то и все 40%. Часто бывает, что из 10 транзисторов можно подобрать только пару, а нужно минимум четыре. Сильно плавают емкости и напряжения открытия. Как раз самые важные параметры.

    Теперь о целесообразности замены MOSFET транзисторов на AGBT и на оборот.

    AGBT транзисторы более высоковольтные, при напряжении насыщения около 2 Вольт. Это единственное их преимущество перед полевыми.

    Недостатки.

    AGBT транзисторы имеют напряжение насыщения эмиттер — коллекторного перехода, минимум 2 Вольта. Это значит.

    1. Они не могут коммутировать напряжения меньше 2 Вольт.

    2. Очень не эффективны при коммутации малых напряжений. Например, при коммутации напряжения уровнем 4 Вольта, КПД = 50%

    3. При параллельном соединении, потери увеличиваются в два раза. Например. При коммутационном токе 40А рассеиваемая мощность от паразитного напряжения насыщения будет = 80Ватт на каждый транзистор. Поэтому, IGBT транзисторы логино применять при больших токах. Чем больше коммутирующий ток, тем выгоднее эти транзисторы.

    При коммутационном токе 20А рассеиваемая мощность от паразитного напряжения насыщения, будет = 40Ватт на каждый транзистор.

    MOSFET транзисторы. Это полевые транзисторы с изолированным затвором. Чем они выделяются.

    1. Приемлемо малым сопротивлением открытого перехода (около 0,2 Ом), правда, это при допустимых напряжениях СИ до 500В. Свыше 500В параметры стремительно ухудшаются. Этот участок напряжений для AGBT приборов.

    2. Могут коммутировать очень малые напряжения. Чем меньше напряжение коммутации, тем меньше потери транзистора.

    3. У большинства полевиков заметно лучше скоростные характеристики и меньшие коммутационные потери.

    4. При параллельном соединении общее сопротивление открытого перехода уменьшается в два раза. Как и при параллельном соединении резисторов. Например. При коммутационном токе 40А падение напряжения на сопротивлении 0,2 Ом, будет равно 8В. 8В*40=320Ватт. Но, при параллельном соединении двух транзисторов, на них будет выделяться уже только 160Ватт.

    При коммутационном токе 20А падение напряжения на сопротивлении 0,2 Ом, будет равно 4В. 4В*20=80Ватт. Но, при параллельном соединении двух транзисторов, на них будет выделяться уже только 40Ватт. А при AGBT варианте, при параллельном их соединении, будет 80Ватт.

    Вот так, при достаточно серьезных рабочих токах (это, при напряжении 150В и токе 20А, мощность будет 3КВт) на ровном месте, MOSFET транзисторы в разы опережают AGBT.

    Вывод. В случаях, когда инверторные сварки не используются для резки металла, особенно для электродов диаметром 3мм, AGBT транзисторы можно менять на MOSFETы. Также, такую замену, можно делать, если параллельно соединены три и более транзистора. И на оборот. Если большие токи и тяжелые сварочные режимы, напряженние питания скачет выше 220В, ставим IGBT.

    Ну и последний нюанс. После таких замен и коррекций соответствующих цепей, при первом запуске, нужно подавать питающее напряжение с нуля. Плавно, с медленным нарастанием и постоянным контролем осциллографом амплитуды и формы напряжений на затворах и коллекторах (стоках).

    При появлении малейших искажений сигнала, нужно все выключать проверять и пересчитывать, иначе будет бах. Часто бывает, что кроме силовых элементов вылетают и задающие. При этом, стают не понятны причины искажений формы сигналов, что влечет эти изменения — замена силовых транзисторов, или выход из строя задающих элементов.

    Удачи в ремонте.

    С ув. Белецкий А. И.

    01.2014г.

Доступно о сварочных аппаратах и сварке.

Самостоятельно сделать прочную конструкцию из металлического уголка или швеллера: шкафчик для инструмента или для газовых баллонов, каркас скамейки или парника, ворота или калитку, отремонтировать садовый инвентарь удобнее всего с помощью сварки. Обычно при упоминании этого процесса возникают следующие ассоциации: громоздкий сварочный аппарат на колесах и яркие вспышки со снопом искр, от взгляда на которые в глазах "прыгают зайчики".

При необходимости приобрести сварочный аппарат, многих смущают внушительные габариты и другие неудобства в использовании этого "монстра" в домашнем хозяйстве. Вряд ли кому-нибудь доставит особое удовольствие пользоваться сварочным аппаратом "Сварис", перенося его за две металлические ручки по бокам, при весе 35 кг и размерах 310x280x510 мм.

В последнее время в продаже появились бытовые сварочные аппараты, которые настолько меньше промышленных по весу и размерам, что кажутся почти игрушечными. Их можно переносить за специальную ручку или на ремне через плечо без особых усилий. У вас не будет проблем при выделении места для постоянного хранения такого аппарата. Работа же с ним настолько проста, что каждый желающий может овладеть искусством сварки.

Процесс дуговой сварки основан на явлении электрической дуги, при котором кромки свариваемых металлических частей расплавляются дуговым разрядом между электродом и металлом в месте соединения. При постепенном перемещении электрода вдоль свариваемой кромки двух деталей, отдельные точки сварки сливаются в шов. При этом необходимо поддерживать определенный зазор между электродом и свариваемыми кромками, поскольку при их касании происходит короткое замыкание, а при слишком большом зазоре дуга гаснет.

В быту наибольшее распространение получила ручная дуговая сварка или сокращенно РДС. Она сопровождается плавлением электрода в форме металлического стержня со специальным покрытием при использовании переменного или постоянного тока. В России ее еще называют сваркой плавящимся одиночным электродом, а за рубежом — сокращенно ММА. Ручной сварку называют потому, что зажигание дуги и поддержание ее стабильной длины, перемещение электрода по мере расплавления на соединяемые детали с образованием шва полностью осуществляет сам сварщик. В этой статье мы ограничимся рассмотрением малогабаритных сварочных аппаратов весом до 20 кг (это делает доступным перенос их одной рукой), рассчитанных на работу от электросети напряжением 220 В, которая имеется в каждом доме.

Температура в зоне дуги обычно доходит до 6000~7000 градусов и определяется силой сварочного тока, которая при ограниченном весе сварочного аппарата не превышает 160-200 А. Для достижения такой силы тока напряжение на выходе сварочного аппарата снижают до 48-90 В (напряжение холостого хода Uхх), этого достаточно для зажигания дуги и безопасно для жизни сварщика. Напряжение снижают с помощью понижающего трансформатора, являющегося неотъемлемой частью сварочного аппарата. Чем больше сила тока при достаточном Uхх, тем больше может быть диаметр электрода, а чем больше диаметр электрода, тем массивнее могут быть свариваемые детали. Ниже приведены примерные соотношения между толщиной свариваемого металла, диаметром электродов и силой сварочного тока.

Чтобы обеспечить такую силу тока, сердечник трансформатора делают массивным, а провод вторичной обмотки — толстым (с площадью сечения более 10 кв. мм). Силу тока при сварке разных материалов приходится подбирать из приведенных в таблице диапазонов, вот почему должно быть предусмотрено устройство для изменения силы тока, а для исключения перегрева встраивают один или несколько вентиляторов. Все это увеличивает вес бытового сварочного аппарата, поэтому производителям приходится придумывать способы его снижения.

Самый простой способ — ограничение времени работы трансформатора. Специальный показатель ПН — продолжительность нагрузки, измеряется в % по отношению к циклу сварки (в России этот цикл — 5 минут, а в Европе — 10 минут). Например, при ПН=60%, процесс осуществляется следующим образом: 3 минуты — сварка, 2 минуты — остывание трансформатора, затем цикл сварки повторяется, а при ПН=20% — 1 минута сварка, а 4 минуты остывание трансформатора.

Силовые транзисторы для сварочных инверторов

Этот показатель должен быть приведен в любом паспорте на сварочный аппарат, причем при максимальной силе сварочного тока для каждого аппарата ПН=20-60%, а при наименьшей силе тока ПН=100% и обеспечивает непрерывную сварку.

Однако, стремясь уменьшить время простоя трансформатора, нельзя забывать, что прерывание процесса иногда просто необходимо. Во-первых, для периодической установки в электрододержатель нового электрода вместо использованного, а, во-вторых, после 3-5 минут непрерывной сварки обычно возникает необходимость подготовки деталей для дальнейшей работы. При продолжительной же сварке, например, изгороди из сетки "рабица" с уголковым каркасом, эти перерывы мешают. Чтобы мастер не увлекся сваркой и не сжег трансформатор, многие аппараты оснащены устройством термозащиты для автоматического отключения от электросети в случае перегрева.

Гораздо проще осуществляется дуговая сварка на постоянном токе, поскольку в этом случае на дугу меньше влияет частота напряжения сети. Для преобразования тока из переменного в постоянный после трансформатора устанавливается полупроводниковый выпрямитель, к которому добавлены элементы для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Все это значительно увеличивает вес и снижает надежность аппарата. Но есть и свои преимущества: в сварном шве присутствует больше "родного" металла деталей, чем присадочного металла электродов, в результате чего уменьшается количество окалины и, как следствие, обеспечивается более качественное соединение по сравнению с РДС на переменном токе. Сокращается также стоимость работ и расход электродов. Такой аппарат называют сварочным выпрямителем. Им проще работать, но стоит он дороже сварочного трансформатора в 1,5-4 раза.

Все более широкое распространение находят инверторные сварочные выпрямители (инверторы), в которых перед усилением сначала повышают частоту переменного тока до 10-90 кГц. Вес и размеры высокочастотных трансформаторов существенно меньше, чем у их 50-герцевых собратьев. Эта особенность позволяет значительно уменьшить габариты всего инверторного аппарата по сравнению с обычными сварочными трансформаторами и выпрямителями. Ток после инвертора практически постоянный и не зависит от колебаний длины дуги и напряжения, поэтому его силу можно регулировать плавно и подбирать довольно точно. Дугу также можно подбирать от самой "мягкой", которая легко "тянется", до "грубой", которую обычно используют при резке металла. Это позволяет даже непрофессионалу легко освоить сварку, в том числе "капризных" алюминиевых и медных сплавов, или высоколегированной, например, нержавеющей стали.

Существуют инверторы небольшого размера и весом до 10 кг, их можно носить на ремне через плечо и подключать в общую электрическую сеть через предохранитель на 16 А, конечно, с обязательным заземлением корпуса. Но стоимость их самая высокая: в 4-9 раз выше, чем сварочных трансформаторов. На российском рынке можно найти все перечисленные виды сварочных аппаратов для РДС французской фирмы SAF, финской KEMPPI, австрийской FRONIUS, итальянских CEBORA, TELWIN, DECA, шведской ESAB, американской MILLER, а также российских производителей ООО "ЭВМА", ТОО "Линкор", ООО "ТОР", АО "Невская электрическая компания".

Экономичность работы аппарата характеризуют коэффициентом полезного действия (КПД) в % (чем он ближе к 100%, тем дешевле обходится сварка), и коэффициентом мощности ("косинус фи", он должен быть как можно ближе к 1). Следует отметить, что эти параметры характеризуют тщательность проработки конструкции сварочного аппарата, поэтому не все фирмы приводят эти значения в паспорте на аппарат.

Для регулирования силы сварочного тока используют устройства с органами управления и со шкалой на панели аппарата, проградуированной либо в амперах, либо в номерах диапазонов (1,2,3,..), либо в диаметрах электрода. В наиболее простых моделях силу тока можно менять переключателем только ступенчато, а в более сложных — плавно, с помощью поворачивающейся рукоятки.

Ряд моделей имеют устройства плавноступенчатого регулирования силы тока: сначала устанавливают соответствующий диапазон изменения силы тока переключателем, а затем более точно подбирают нужную его величину в пределах этого диапазона поворачивающейся рукояткой. Такие устройства увеличивают стоимость сварочного аппарата на 15-20%. Иногда на панели устанавливают амперметр для фиксации точной величины сварочного тока.

Ресурс работы бытовых сварочных аппаратов рассчитан на 250-350 часов работы, после чего обычно необходим профилактический ремонт (перемотка или замена сгоревшего трансформатора, замена выключателя или регулятора сварочного тока и т. д.). Промышленные переносные аппараты (Transpocket 1400, Master 1500, Caddy 130) прослужат без ремонта намного дольше, но они существенно дороже бытовых.

Для наглядности вышесказанного сравним сварочный трансформатор "Сварис" со сварочным выпрямителем "Терминатор". "Терминатор" обеспечивает более высокую силу сварочного тока при габаритах в 3,5 раза и весе почти в 3 раза меньших, чем у "Свариса", при этом сохраняет возможность запуска двигателя автомобиля, но стоит такой аппарат почти в 2 раза дороже.

Сварочные электроды

Наиболее ходовыми являются универсальные сварочные электроды соответствующего диаметра с рутиловым покрытием марок АНО-3, АНО-4, МР-3, МР-4, ОЗС-3, ОЗС-4. Они подходят для сварки конструкций из углеродистых и низколегированных сталей переменным и постоянным током. Для сварки высоколегированных сталей (нержавеющей, жаростойкой), алюминия и его сплавов, меди и ее сплавов используют не только специальные электроды, предназначенные для сварки постоянным током, но и соблюдают определенную полярность их включения, указанную на упаковке, — прямую или обратную. Если вы не исключаете возможность сваривать эти материалы в домашнем хозяйстве, то при покупке сварочного аппарата поинтересуйтесь, предусмотрено ли для него использование соответствующих электродов.

Рекомендации по использованию сварочных аппаратов

В инструкциях по использованию некоторых сварочных аппаратов вместо показателя ПН приведен показатель ПВ—продолжительность включения. Пусть это вас не смущает: его значение полностью совпадает со значением показателя ПН.

Инверторы более чувствительны к уменьшению напряжения в сети, чем сварочные трансформаторы и выпрямители: при снижении напряжения на 15% такой аппарат просто не запускается.

Любой аппарат следует обязательно периодически использовать (хотя бы раз в 3 месяца), поскольку при отсутствии тока в его отдельных элементах, например в конденсаторах, происходят процессы, снижающие работоспособность аппарата. При преимущественном использовании электродов одного диаметра, например 3 мм, лучше приобрести сварочный аппарат, у которого для них ПН=100%.

Установите предохранитель, рассчитанный на ток не менее 16(25) А, и подводящий провод с сечением не менее 2,5 кв. мм при максимальной силе сварочного тока до 140 А, или отдельный щиток с электросчетчиком, рассчитанным на ток не менее 40 А, например модели СО-И-446М, и подводящим проводом с сечением не менее 6 кв. мм при максимальной силе сварочного тока от 160 до 300 А.

При выборе места для щитка учтите, что длина соединительного кабеля от этого щитка к сварочному аппарату должна быть ограничена. Она обязательно указывается в паспорте на аппарат и составляет обычно от 5 до 15 м.

Рекомендации по ведению сварки

Яркость дуги примерно в 10 тысяч раз выше приемлемой для человеческого глаза яркости света, поэтому при сварке используют защитное стекло, что делает неудобным наблюдение за процессом и, особенно, в момент зажигания дуги. Современная маска сварщика оснащена защитным стеклом-"хамелеоном" с сенсорным эффектом: степень пропускания им света резко уменьшается при зажигании дуги, причем эту степень пропускания можно отрегулировать самому.

Сварочный ток зависит от напряжения сети и при падении последнего до 180-200 В следует перейти на сварку электродом меньшего диаметра.

При наличии амперметра на панели управления сварочным аппаратом можно запомнить точное значение подобранного тока при сварке какого-либо металла и в дальнейшем сразу устанавливать это значение при подобных работах, сократив этим время на подбор режима.

При подготовке статьи использованы сведения из ГОСТ 95-77, ГОСТ 304-82, ГОСТ 9466-75 и ГОСТ 9467-75.

Опубликовано в журнале "Идеи Вашего Дома", 1998 год.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *