Svářecí invertory - pohled pod pokličku I.
Autor: administrator <admin(at)svarbazar.cz>, Téma: Svařování elektrodou (MMA), Vydáno dne: 09. 10. 2006
Začneme zlehka ...
Základní pojednání o tom co jsou svářecí invertory a na jakém principu pracují jste si již mohli přečíst v článku Svářecí invertory I. - Co to je ? Svářecí invertor je zdroj svářecího proudu, který využívá změny (zvýšení) frekvence vstupního síťového napětí k minimalizaci převodního transformátoru a maximalizaci účinnosti. Obecně lze svářecí invertor zařadit do kategorie tzv. spínaných zdrojů. Jen tak pro pořádek: svářecí invertory se v průmyslu začaly objevovat od počátku 80. let minulého století. Základní princip svářecího invertoru lépe osvětlí následující blokové schéma (kliknutím na malý obrázek otevřete okno s velkým obrázkem):
Principiální blokové schéma svářecího invertoru.
Vstupní síťové střídavé napětí (zde jednofázové Uef = 230V) o frekvenci 50Hz se nejprve usměrní primárním usměrňovačem a vyhladí filtračními kondenzátory. Získáme tak stejnosměrné napětí o velikosti 1.42 x Uef (zde tedy cca 325V). Toto stejnosměrné napětí je pomocí tranzistorového střídače "rozsekáno" na obdélníkové impulsy. Impulsy mohou být střídavé nebo jednosměrné (jako na obrázku) podle provedení střídače. Opakovací frekvence impulsů je již podstatně vyšší a v praxi bývá z rozsahu 20 - 100 kHz. Toto napětí je zavedeno do primárního vinutí převodního transformátoru. Jelikož je přenášená frekvence cca 400x až 2000x vyšší než původní síťová 50Hz, mohou být rozměry a hmotnost transformátoru velice malé. Převodní transformátor zajistí stejně jako v klasických transformátorových svářečkách jednak galvanické oddělení svářecího napětí od napětí sítě a jednak snížení výstupního svářecího napětí na bezpečnou hodnotu. Na výstupním (sekundárním) vinutí převodního transformátoru získáme opět střídavé napětí, které je nutné usměrnit sekundárním usměrňovačem. Za usměrňovačem je nutné ještě zapojit výstupní tlumivku. Díky vyšší přenášené frekvenci je opět možné zkonstruovat tlumivku s podstatně menšími rozměry a hmotností oproti konvenčním svářecím usměrňovačům. Tlumivka vyhladí napětí usměrněné sekundárním usměrňovačem a díky své indukčnosti usnadní zapálení elektrického oblouku. Výstupní napětí svářecích invertorů je typicky 60 - 90 V naprázdno. Při svařování napětí poklesne na cca 22 - 28 V (při ideální délce oblouku). Také díky poměrně vysokému napětí naprázdno invertory lépe zapalují než konvenční svářecí usměrňovače jejichž napětí bývá maximálně 65 V. Svářecí transformátory pak mají jen max. 50 V.
Přitvrdíme ...
Výše uvedené blokové schéma, které se v různých obměnách vyskytuje v různých časopisech, je vhodné pro základní objasnění principu funkce svářecích invertorů. Skutečný invertor je ovšem daleko složitější. Základním nedostatkem výše uvedeného schematu je absence zpětné vazby, ochranných obvodů, obvodů řízení a dalších "drobností". Proto jsme připravili, sice stále ještě blokové, ale podstatně podrobnější schéma (opět jej můžete rozliknout a zvětšit):
Blokové schéma svářecího invertoru.
Schéma si můžeme pomyslně rozdělit na část silovou (bloky 1- 6) a část řídící (bloky 7-9). Následující popis jednotlivých bloků bude jen stručný. Obšírnější popis jednotlivých částí invertoru spolu s konkrétními obvodovými řešeními bude náplní následujících pokračování tohoto článku.
Na vstupu nám oproti jednoduchému schématu přibyl vstupní odrušovací filtr (1). Filtr má za úkol zejména zamezit pronikání rušení z a do invertoru. Dále je síťové napětí přivedeno na primární usměrňovač (2). Přes obvod SoftStart (3) je usměrněné síťové napětí přivedeno na vyhlazovací kondenzátory (4) a dále do tranzistorového střídače (5). Výstupem ze střídače (5) je impulsní napětí obdélníkového průběhu, které je převodním transformátorem zmenšeno a dále usměrněno sekundárním usměrňovačem (6). Přes výstupní tlumivku je napětí vyvedeno na výstupní svorky, kam pak připojujeme svářecí kabely. Tlumivka bývá obvykle v sérii s kladnou výstupní svorkou. V záporné větvi pak bývá zapojen bočník (Rb), který je důležitý pro řízení invertoru. Tak vypadá silová část svářecího invertoru. Nyní se pojďme podívat na část řídící. Odrušené vstupní síťové napětí je z již známého filtru (1) přivedeno také na napájecí zdroj (7) řídících a ovládacích obvodů (8 a 9). Zdroj (7) produkuje malé stabilizované napětí pro napájení řídící elektroniky. Toto napětí může být podle provedení řídících obvodů v rozmezí 5 - 35V. Řídící jednotka (8) řídí činnost celého invertoru a podstatnou měrou ovlivňuje svářecí vlastnosti. Řídící jednotka ovlivňuje chování invertoru a na základě vstupních parametrů generuje řídící signály.
Vstupní parametry jsou dvojího druhu:
Jednak jsou to parametry, které zadává přímo uživatel - svářeč. Jedná se zejména o požadovaný svářecí proud (obvykle nastavovaný potenciometrem Pot), požadovaný režim činnosti (svařování elektrodou nebo TIGem), případně doplňkové parametry (nastavení Hot Start, Dynamiky ARC Force, Pulsace u TIG apod). Parametry uživatel zadává pomocí potenciometrů, přepínačů a stále častěji také pomocí digitálního rozhraní (tlačítka + displej). Řídící jednotka pak uživatele informuje o chodu svářečky, nastavení a případně o chybových stavech. Indikace je pomocí LED diod resp. digitálních displejů. Všechny tyto prvky bývají umístěny na tzv. Ovládacím panelu (9). Nejjednodušší ovládací panel může být tvořen jen potenciometrem pro volbu svářecího proudu (Pot). Standartem je potenciometr a přepínač režimu MMA/TIG. Stále častějí se ale budeme setkávat s digitálními ovládacími panely s jejichž pomocí z invertoru opravdu "vyždímáme" maximum.
Druhou skupinou vstupních parametrů do řídící jednotky jsou parametry měřené přímo uvnitř invertoru. Jedná se zejména o svářecí proud (měřený pomocí bočníku Rb) a svářecí napětí (měřené přímo na výstupních svorkách invertoru). Na základě těchto parametrů je možné řídít chrarakteristiku zdroje a přímo ovlivňovat svářecí vlastnosti. Důležité je také měření tzv. primárního proudu, který se měří pomocí měřícího transformátoru (Mt). Měření primárního proudu je důležité pro ochranu tranzistorů střídače a vyhlazovacích kondenzátorů. Některé invertory měří také velikost vstupního napětí na vyhlazovacích kondenzátorech. Velmi důležité je také měření teploty klíčových výkonových součástek, zejména tranzistorů, sekundárního usměrňovače a převodního transformátoru. Primární proud, vstupní napětí a teplota součástek neovlivňují přímo svářecí vlastnosti, ale jsou to důležité parametry pro ochranu invertoru před poškozením (přetížení, špatné zapojení do sítě, nekvalitní síť apod.) K měření výstupního svářecího napětí ještě jednu poznámku: pro správné řízení svářecích vlastností je nutné měřit napětí na elektrickém oblouku. To, že toto napětí měříme až na výstupních svorkách svářečky znamená, že svářecí kabely využíváme zároveň jako měřící kabely. Přesnost měření je tedy ovlivněna kvalitou a stavem těchto kabelů. Máme-li kabely (nebo kleště resp. konektory) ve špatném stavu, řídící jednotka měří špatně. Pak ale i invertor svařuje špatně a všechno je špatně. Více o kabelech třeba tady.
Řídící signály, které generuje řídící jednotka jsou následující:
V první řadě se jedná o řízení tranzistorového měniče. V podstatě se jedná o signály typu PWM, které určují dobu sepnutí jednotlivých tranzistorů (neboli střídu výstupních impulsů). Řízením střídy pak vlastně ovládáme velikost přeneseného výkonu, potažmo velikost svářecího proudu. Další řídící signály mohou řídit obvod SoftStart (3) a činnost ovládacího a indikačního panelu (9). Někdy se můžeme setkat také s řízením chladících ventilátorů, které jsou zapínány jen při překročení nastavených teplot (u většiny svářeček však ventilátory běží trvale).
Tak takto vypadá typická konstrukce typického svářecího invertoru. Jak již bylo uvedeno, podrobnější popis jednotlivých funkčních bloků a jejich konktétní zapojení budou předmětem dalších pokračování této minisérie článků.
Výhody invertorů.
Na závěr ještě shrneme výhody, které svářecí invertory díky své koncepci spínaných zdrojů nabízejí:- Malé rozměry a hmotnost, to je asi nejviditelnější výhoda. Je toho ale víc.
- Vysoká účinnost (80-90%) a s tím související úspornost při provozu.
- Rychlá odezva řízení umožňující komfortní svařování (Arc Force, Anti stick, apod).
- Snadná změna charakteristiky zdroje a tím možné přizpůsobení různým metodám svařování (MMA, TIG, MIG/MAG)
- S možností změny charakteristiky také souvisí možnost konstrukce víceúčelových svářeček.
- S nastupující digitalizací je možné zapojování svářeček do sítí a jejich komunikace s počítači (nastavování a protokolování svářecích parametrů), s roboty i mezi sebou.
Nevýhody invertorů.
Bohužel současné svářecí invertory zatím neumí jednu podstatnou věc: nafackovat uživateli když se o ně patřičně nestará. Ale vývoj jde dopředu opravdu rychle ...Poznámka na závěr.
Na úplný závěr první části ještě jedna poznámka: zkušení elektronici si při vyslovení pojmu invertor z oboru napájecích zdrojů představí obvod, který mění (invertuje) polaritu stejnosměrného napětí. Tedy například z +12 V invertor vyrobí -12V. To co zde my nazýváme svářecím invertorem by měl být ve skutečnosti konvertor. Přesné označení by bylo Step Down AC to DC Converter. Tedy česky: snižující (Step Down) měnič (Converter) střídavého (AC) na stejnosměrné (DC) napětí. Ovšem v oblasti svářecích spínaných zdrojů se po celém světě vžilo označení Invertor (Inverter) a toho se budeme i nadále držet.
