Существуют две типовые схемы выпрямления (рис. 37):
✓ однофазная мостовая схема двухполупериодного выпрямления;
✓ трехфазная мостовая схема.
Чаще всего используется трехфазная мостовая схема, поскольку она обладает рядом преимуществ, в частности обеспечивает меньшие колебания напряжения, оптимизирует применения трансформатора и равномерно загружает трехфазную сеть.
Рис. 37. Электрическая схема сварочного выпрямителя: а – однофазная мостовая; б – трехфазная мостовая; 1–6 – полупроводниковые вентили
Полупроводниковые вентили пропускают ток лишь в одном направлении и преобразуют переменный ток в пульсирующий постоянный. Материалом для них служат кремний, германий и селен, причем последний предпочтительнее. Селеновый вентиль (рис. 38) представляет собой тонкое металлическое основание с нанесенным на него слоем кристаллического селена, на котором находится электрод из специального сплава. Между селеном и электродом образуется тонкий запирающий слой из селенистого кадмия, который и выполняет выпрямляющие функции.
Селеновые вентили используют для выпрямителей с падающей и жесткой внешней характеристикой, кремниевые – в основном в устройствах с падающей внешней характеристикой. Поскольку кремниевые вентили нуждаются в активном охлаждении, с этой целью в выпрямитель вставляют вентилятор. Технические параметры выпрямителей разных типов представлены в табл. 22.
Рис. 38. Полупроводниковый вентиль: 1 – основание; 2 – селен; 3 – селенистый кадмий; 4 – электрод
Выпрямители бывают как одно-, так и многопостовыми. Поскольку каждый отдельный пост должен работать независимо от других, источник питания имеет жесткую внешнюю характеристику. Хорошо показали себя многопостовые выпрямители серий ВКСМ и ВДМ. Параметры одного из них представлены в табл. 23.
Таблица 22
Технические характеристики некоторых сварочных выпрямителей различных типов
Таблица 23
Технические характеристики многопостового выпрямителя вдм-1201
4. Самые современные и конструктивно сложные источники сварочного тока – это сварочные инверторы (рис. 39).
Если сравнивать его устройство с классическими преобразователями, оно гораздо сложнее. Прежде всего у инвертора нет силового трансформатора. Его работа основана на принципе инверсии (фазового сдвига) напряжения, для реализации которого прибор оснащен электронной микропроцессорной схемой с покаскадным усилением тока. Это позволяет расширить спектр внешних (вольт-амперных) характеристик – от крутопадающей до возрастающей, при этом отклонения тока доведены до уровня десятых долей процента, т. е. практически отсутствуют, благодаря чему качество сварки значительно улучшилось.
Рис. 39. Принципиальная схема сварочного инвертора: 1 – питающая сеть; 2 – сетевой выпрямитель; 3 – сетевой фильтр; 4 – преобразователь частоты; 5 – сварочный трансформатор; 6 – силовой выпрямитель; 7 – блок управления; 8 – сварочная дуга
Инвертор работает на больших токах, высоких частотах и напряжениях, причем входное напряжение проходит два этапа преобразования: во-первых, переменное напряжение сети 220 В преобразуется в постоянное, во-вторых, постоянное трансформируется в высокочастотное переменное (частота достигает 200 кГц, что позволило уменьшить вес и габариты инвертора), которое опять выпрямляется и доставляется в сварочную дугу. Для преобразования и регулирования электрической энергии предусмотрен широтно-импульсный модулятор, основой которого являются либо биполярный транзистор с изолированным затвором (модуль IGBT), либо полевой транзистор на основе перехода «металл – оксид – полупроводник» (модуль MOSFET). Работу всей электроники, контроль параметров, обратную связь с дугой координирует микропроцессор.
Наличие высокочастотного генератора дает возможность применять инвертор для любого способа дуговой сварки и плазменной резки.
Разумеется, сложная и дорогостоящая электроника, установленная на инвертор и нуждающаяся в специальных условиях охлаждения, увеличивает стоимость данного источника питания, но достоинства, которыми обладает такой аппарат, и перспективы, открывающиеся благодаря его применению, делают его выгодным приоб ретением. Ниже перечислены основные преимущества инвертора:
✓ по сравнению с трансформаторами и выпрямителями инвертор потребляет примерно в 2 раза меньше электроэнергии, а в режиме холостого хода – приблизительно в 10 раз (это возможно за счет того, что нет внутренних индуктивных потерь). Поэтому он может работать от бытовой электросети и генератора;
✓ КПД инвертора составляет более 90 %, т. е. коэффициент мощности cos φ = 1, благодаря чему вся энергия, которую потребляет аппарат, идет на возбуждение и поддержание горения сварочной дуги;
✓ постоянный ток, который дает инвертор, имеет такие внешние характеристики, которые являются идеальными для сварки, тем более что их можно подстроить под каждый вид сварки плавлением (под ручную дуговую, аргонно-дуговую, полуавтоматическую) и тип сварного соединения;
✓ инвертор, обладающий плавной регулировкой тока с точностью до 10–15 А, позволяет варить все металлы (углеродистые и легированные стали, чугун, цветные металлы) и электродом любой марки, в том числе и диаметром 1,6 мм;
✓ инвертор экономно расходует не только энергию, но и электроды, поскольку разбрызгивание электродного металла довольно незначительное;
✓ благодаря микропроцессорному управлению инвертор постоянно отслеживает ситуацию на дуге и, опережая сварщика, вносит необходимые коррективы, например отключает напряжение на дуге через 0,5 секунды после короткого замыкания, поэтому электрод не прилипает, а аппарат не перегревается; при незначительных локальных коротких замыканиях инвертор вырабатывает серию коротких мощных импульсов тока, разрушающих перемычки жидкого металла, что имеет большое значение при сварке короткой дугой;
✓ высокочастотная составляющая обеспечивает высокое качество сварного шва, поскольку осуществляются обжатие и стабилизация сварочной дуги, а также предупреждается возникновение магнитного дутья;
✓ данный источник питания весит в 5–10 раз меньше (10–12 кг), чем обычные сварочные аппараты такой же мощности. Инвертор снабжен ремнем, поэтому его можно повесить на плечо и работать на любом участке (при сварке особо ответственных конструкций из разных материалов, труб и сварных соединений, когда из-за условий работы нельзя подвести громоздкое промышленное оборудование).
При эксплуатации инвертора необходимо иметь представление о некоторых специфических особенностях, в частности:
✓ надо четко различать условия производства и обычные бытовые и не пытаться применять инвертор для работ, на которые он не рассчитан, например перерезать рельсы, – модуль IGBT просто выйдет из строя (это самая дорогая деталь аппарата);
✓ исключается небрежное обращение с инвертором и его эксплуатация при наличии явных неисправностей;
✓ инвертор нуждается в защите от проникновения пыли, поэтому следует обеспечить ему хорошие условия содержания и хранения;
✓ не стоит доверять такого рода технику некомпетентным людям.
Инструмент и спецодежда сварщика
Как и для любого другого вида деятельности, для сварки необходимо иметь набор определенных инструментов.
1. Электродержатель, который используют при ручной дуговой сварке. С его помощью зажимают электрод и подводят к нему электрический ток. Конструкция держателя должна быть такой, чтобы:
✓ иметь возможность легко, не прикасаясь к токопроводящим деталям, с минимальными временными затратами (за 4 секунды) заменить электрод;
✓ давать минимальный по длине огарок электрода;
✓ быть удобной в обращении;
✓ не мешать движениям сварщика и не утомлять его руку.
Для фиксации электрода в электродержателе были разработаны разные устройства (рис. 40, 41), например специальные пружины, зажимные устройства наподобие клещей, винтовые зажимы и др.
Рис. 40. Разновидности электродержателей с разжимными губками: а – конструкции завода «Электрик»; б – конструкции В. А. Шебеко; в – конструкции В. Ф. Сидорова
Рис. 41. Разновидности электродержателей с пружинящими губками: а – вилочного типа; б – пластинчатые конструкции Л. Д. Гурвица; в – конструкции Б. Г. Филиппова; 1 – электрод; 2 – головка; 3 – маховичок; 4 – рукоятка; 5 – винт; 6 – провод
Контактные губки, которые должны удерживать электрод, изготавливают из меди. Лучшими считаются конструкции с плоскими губками, которые благодаря своей упругости или усилию особой пружины обеспечивают прочное зажатие электрода.
