Сварочный инвертор своими руками – как сделать такой аппарат?

1 Каким требованиям должен соответствовать самодельный инвертор?

Сварочный аппарат инверторного типа, как известно, представляет собой блок питания высокой мощности, который может функционировать в режиме формирования на выходе дугового заряда, а затем и поддержания последнего в горящем состоянии. Указанный режим является тяжелым, поэтому далеко не каждый силовой модуль в состоянии работать в нем. В тот момент, когда сварщик "чиркает" концом стержня по свариваемому изделию, в сварочной цепи фиксируется короткое замыкание.

Именно данное явление считается наиболее критическим для блока питания (для того, чтобы произошел достаточный разогрев электрода и его последующее расплавление, необходимо затратить очень много энергии). По этой причине, если вы планируете сделать сварочный инвертор своими руками, следует позаботиться о том, чтобы его модуль питания располагал достаточным запасом мощности. В противном случае самодельный аппарат просто-напросто не сможет поджечь дугу, необходимую для выполнения сварки.

Большинство электродов сечением до четырех миллиметров демонстрируют стабильное горение при силе тока в районе 120–130 ампер. Но вот зажечь их на подобном токе будет нереально, а значит, нужно предусмотреть такую мощность блока питания, чтобы он без проблем выдавал 180–190 ампер.

Другой момент. Вольт-амперный показатель (его обычно называют характеристикой дуги) при стандартных климатических условиях описывается падающим видом. Это означает, что напряжение будет иметь тем меньшую величину, чем более высокая сила тока присутствует в электродуге. Приведенное утверждение верно для токов не выше 80 ампер. Лишь при более высоких показателях силы тока наблюдается стабилизация электрической дуги (при повышении тока напряжение не изменяется).

Варить металлические изделия нестабильной дугой не имеет никакого смысла. Качественного сварного соединения вы никогда не получите. Вместо этого на металле стопроцентно будут прожоги, непровары, да и сам шов будет характеризоваться высокой пористостью и минимальной надежностью.

Блок питания самодельного сварочного агрегата обязан отвечать следующим требованиям:

• наличие полной развязки (гальванической) от 220-вольтной бытовой электрической сети;
• максимально плавная настройка тока на выходе;
• мощность от 5 киловатт (если вы хотите, чтобы аппарат работал с коэффициентом полезного действия не менее 80 процентов);
• наличие системы, которая предохраняет агрегат при залипании сварочного стержня от перегрузок;
• напряжение (выходное) холостого хода должно быть 45 вольт и более.

Кроме того, желательно устанавливать на инвертор систему, которая облегчает розжиг электродуги на небольших по величине токах. Разобравшись с "теорией", можно переходить к самостоятельному изготовлению инверторной установки для сварки. Сразу же скажем, что в нашей статье будут содержаться общие советы по данному процессу, которые помогут вам своими руками собрать эффективный аппарат для сварки. Если же вас интересуют конкретные электрические схемы инверторного агрегата, их лучше поискать в специализированной литературе.

2 Как выполнить обмотку сварочного трансформатора?

Обмотку можно делать из ПЭВ-провода с большим числом отдельных жил общим сечением около 0,7 миллиметра. Данный вариант простой, но не самый лучший. Дело в том, что между жилами имеются воздушные зазоры, которые снижают площадь сечения примерно на треть. Подобной проблемы не наблюдается тогда, когда намотка осуществляется при помощи жестяных медных полосок толщиной порядка 0,3 миллиметров.

Применять следует именно тонкие полоски, чтобы избежать так называемого "эффекта Skin". При появлении этого эффекта образуется чрезмерный нагрев трансформаторного устройства и выход его из строя из-за того, что большие по толщине полосы сформируют такую сердцевину, которая просто-напросто не будет функционировать. Термопрослойку лучше всего изготавливать из бумаги, закладываемой в ксерокс, либо из той, которая используется на кассовых установках.

Второй вариант предпочтительнее, так как "кассовая" бумага имеет большую длину, что упрощает ее намотку. Кроме того, она не рвется за счет своих достаточно высоких механических свойств. Выполнять вторичную обмотку желательно также из медных полосок. Друг от друга их обычно отделяют при помощи прослойки из фторопласта. После намотки "вторички" не забудьте уложить термическую прослойку (опять же таки из указанной выше бумаги).

Трансформаторное устройство, которое во время использования инвертора будет активно нагреваться, следует в обязательном порядке оснастить вентиляторами. Подойдут 0,15-амперные кулеры, которые стоят в старых компьютерах. При желании разрешается взять и более мощные охлаждающие механизмы, но только в том случае, если вы думаете применять инвертор очень активно.

Как правило, монтируется шесть кулеров. Причем на обмотку трансформатора необходимо направить половину из них. Не забудьте и об отверстиях, через которые в аппарат будет поступать свежий воздух. Их нужно разместить так, чтобы обеспечить максимальный приток воздуха (оптимально – непосредственно напротив кулеров).

3 Правильный выбор транзисторов и других элементов электросхемы

Силовые ключи (именно так называют транзисторы) требуется подбирать максимально грамотно. Ваш аппарат не будет качественно функционировать, если не выполнить данное условие. Чтобы правильно выбрать ключи, нужно рассчитать (приближенно) величину мощности инвертора, который вы хотите получить. Допустим, при 24-вольтном напряжении (усредненная величина, при которой электродуга стабильно горит) вы планируете получить дугу не менее 160 ампер.

При умножении 160 на 24 у нас выходит показатель мощности (полезной), которую сможет отдавать инверторный самодельный аппарат. В нашем примере – это 3,48 киловатт. Если коэффициент полезного действия будет составлять 85 процентов, транзисторы обязаны суметь пропустить через себя те самые 3,48 киловатт, умноженные на КПД. В итоге получаем финальную величину около 4,5 киловатт. Это число является показателем общности ключей. Зная его, можно определить и показатель силы тока, которую будет выдавать аппарат.

В тех случаях, когда конструируется сварочный агрегат для подключения к бытовой сети (220 вольт), сила тока будет равняться 20 амперам (разделили 4500 ватт на 220). Как видим, нам понадобятся транзисторы, которые способны обеспечить ампераж в 20 единиц. И ни одного ампера меньше!

Теперь давайте разберемся с тем, какое напряжение должны иметь силовые ключи. Данный показатель в транзисторной мостовой (стандартной) схеме выбирается на уровне 400 вольт. Некоторые умельцы уверяют, что лучше установить ключи с большим вольтажом (вплоть до 1,2 кВ). Поверьте, делать этого не следует. Добавим, что специалисты практически единодушно советуют покупать транзисторы IGBT. Впрочем, вы можете использовать силовые ключи и других производителей (IR, MOSFET и другие).

Советы по построению силовой схемы:

• мост чаще всего монтируется на двух радиаторах;
• диоды (их выводы) располагают напротив ключей;
• для минимизации потерь мощности на транзисторах в схему добавляются специальные снабберы с конденсаторами.

Нужно также позаботиться о снижении резонансных выбросов при работе агрегата. Для этого на плату ставят 10–20 конденсаторов (по 630 В и 0,15 мк каждый).

4 Правила настройки и регулировки самодельного инвертора

После того, как вы выполнили все необходимые действия, и собрали сварочный аппарат, необходимо произвести его настройку. Без проведения данного мероприятия пользоваться инвертором нельзя. Настройка включает в себя несколько операций, которые следует осуществлять последовательно. На первом этапе регулировки установки на широтно-импульсный модулятор (иными словами на плату ШИМ) агрегата подают 15 вольт питания. И в это же самое время даем разряд на вентиляторы.

Указанные действия дают возможность настроить синхронность включения кулеров и проверить их работоспособность. После того, как плата получила питание (через 4–8 секунд), необходимо будет удостовериться в том, что на резисторе срабатывает специальное замыкающее реле. Если все в порядке, приступаем к настройке модулятора, убеждаясь в том, что при срабатывании реле на плате появляются прямоугольные импульсы.

Следующая стадия настройки и проверки функциональности платы выполняется так: выставляется холостой ход; на мост подается ток силой до 100 мА. Такая проверка элементарна и при этом очень важна, так как она позволяет удостовериться в работоспособности моста.

Обязательно требуется и регулировка уровня шума, отмечаемого на фазах трансформаторного устройства. В идеале никаких посторонних звуков при работе инвертора на фазах быть не должно. Если вы слышите шумы, вероятнее всего, полярность была установлена неверно. Просто поменяйте ее. Указанную проверку "на шумы" разрешается выполнять посредством любого электроприбора, используемого в быту (например, обычного электрического чайника), который имеет мощность не менее 2,2 кВт.

Кроме того, нужно проверить точность монтажа фаз трансформатора, вне зависимости от того, по какой схеме выполнялся инверторный аппарат, а также от того, какую именно конструкцию он имеет. Выполняется подобная проверка осциллографом с двумя лучами, которые подсоединяются к первичной и вторичной обмотке. На правильно сделанном инверторе скачки напряжения не могут быть более 330 вольт.

Напоследок приводим несколько важных советов для тех, кто самостоятельно делает сварочный инвертор:

• в затворах силовых ключей необходимы специальные стабилитроны с двумя анодами (часто применяются изделия КС213);
• подключение агрегата к электрической сети следует выполнять проводом диаметром не менее 1,5 миллиметра (лучше взять даже кабель сечением 2–2,5 миллиметра);
• желательно выполнять парное скручивание кабелей, которые подключаются к затворам транзисторов;
• параллельно диодам (силовым) всегда требуется монтировать цепочки RC, которые предохраняют указанные элементы от пробоя;
• на входе инвертора ставится 25-амперный автоматический выключатель;
• силовые цепи нужно пропаивать, чтобы гарантировать их надежный контакт (при некачественном соединении внутренние узлы инвертора могут в любой момент загореться из-за опасности расплавления силовых цепей).

Кроме того, обязательно необходимо выполнить изоляцию (от выхода и корпуса) всех высоковольтных цепей агрегата для электродуговой сварки.