Введение
Источник питания для сварки – это устройство, обеспечивающее или модулирующее электрический ток для выполнения дуговой сварки. Существует множество процессов дуговой сварки, от сварки покрытым электродом (SMAW) до сварки в среде инертного газа, таких как газометаллическая сварка (GMAW) или газовольфрамовая сварка (GTAW). Источники питания для сварки в основном служат для управления типом тока – переменным (AC) или постоянным (DC), а также величиной тока и напряжения. Источники питания для процессов сварки, использующих защитный газ, также имеют подключения для газа и средства управления его потоком. Оператор может устанавливать эти параметры в соответствии с требованиями к типу металла, его толщине и выбранной технологии сварки. Большинство источников питания для сварки не генерируют электроэнергию, а функционируют как управляемые трансформаторы, позволяющие оператору регулировать электрические характеристики по мере необходимости. Однако в некоторых случаях, особенно при сварке покрытым электродом (SMAW) в удаленных районах, не подключенных к электросети, используются источники питания, объединяющие функции генерации электроэнергии и модуляции тока в едином мобильном блоке, установленном на транспортном средстве или прицепе.
Классификация
Сварные аппараты обычно классифицируются как источники постоянного тока (CC) или постоянного напряжения (CV); аппарат постоянного тока изменяет свое выходное напряжение для поддержания стабильного тока, а аппарат постоянного напряжения будет изменять свой выходной ток для поддержания заданного напряжения. Для сварки плавящимся электродом и газовольфрамовой сварки используется источник постоянного тока, а для газометаллической и флюсокомбинированной дуговой сварки обычно используются источники постоянного напряжения, хотя постоянный ток также возможен при использовании подающего устройства с датчиком напряжения. Источники постоянного тока применяются для сварочных операций, выполняемых вручную, таких как сварка плавящимся электродом или газовольфрамовая сварка. Поскольку это ручные процессы, длина дуги не остается постоянной в течение всего процесса. Это связано с тем, что требуется высокий уровень квалификации для поддержания руки в точном положении над заготовкой на протяжении всей сварки. Использование источника постоянного тока гарантирует, что даже при изменении длины дуги, что приводит к изменению напряжения дуги, сварочный ток не изменится существенно, а тепловая мощность, вводимая в зону сварки, останется более или менее постоянной в течение всего процесса. Если сварщик попытается использовать аппарат CV для выполнения задачи ручной дуговой сварки покрытым электродом (SMAW), небольшие колебания расстояния до дуги вызовут значительные колебания выходного тока аппарата. При работе с аппаратом постоянного тока сварщик может быть уверен, что определенное количество ампер достигнет металла, независимо от длины электрической дуги.
Трансформатор
Трансформаторный источник питания для сварки преобразует умеренное напряжение и умеренный ток из электросети (обычно 230 или 115 В переменного тока) в высокое значение тока и низкое напряжение, обычно в диапазоне от 17 до 45 вольт (на холостом ходу) и от 55 до 590 ампер. На более дорогих моделях выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Такая конструкция обычно позволяет сварщику регулировать выходной ток, перемещая первичную обмотку ближе или дальше от вторичной, вводя и выводя магнитный шунт из сердечника трансформатора, используя последовательный насыщающий реактор с переменной техникой насыщения, включенный последовательно с выходным током вторичной обмотки, или просто выбирая выходное напряжение из набора отводов на вторичной обмотке трансформатора. Эти аппараты трансформаторного типа обычно являются самыми доступными по цене. Недостатком сниженной стоимости является то, что классические трансформаторные конструкции часто громоздки и массивны, поскольку работают на частоте электросети – 50 или 60 Гц. Трансформаторы с такой низкой частотой должны иметь высокую индуктивность намагничивания, чтобы избежать потерь на шунтирующие токи. Трансформатор также может иметь значительную индуктивность рассеяния для защиты от короткого замыкания в случае прилипания электрода к свариваемой детали. Индуктивность рассеяния может быть регулируемой, что позволяет оператору устанавливать выходной ток.
Генератор и генератор
Для сварки источники питания могут также использовать генераторы или альтернаторы для преобразования механической энергии в электрическую. Современные конструкции обычно приводятся в движение двигателем внутреннего сгорания, но в старых машинах может использоваться электродвигатель для привода альтернатора или генератора. В такой конфигурации электроэнергия от сети сначала преобразуется в механическую, а затем обратно в электрическую, чтобы добиться понижения напряжения, аналогичного трансформатору. Поскольку генератор может выдавать постоянный ток или даже переменный ток более высокой частоты, эти старые машины способны производить постоянный ток из переменного без использования каких-либо выпрямителей, или могут применяться для реализации устаревших модификаций так называемых гелиарковых (чаще всего теперь называемых TIG) сварочных аппаратов, где необходимость во внешнем модуле повышения частоты устраняется за счет того, что альтернатор напрямую генерирует переменный ток более высокой частоты.
Инвертор
С появлением высокомощных полупроводников, таких как изолированный биполярный транзистор с управляемым затвором (IGBT), стало возможным создание импульсного источника питания, способного выдерживать высокие нагрузки дуговой сварки. Эти устройства известны как инверторные сварочные аппараты. Как правило, они сначала преобразуют переменный ток сети в постоянный, а затем переключают (инвертируют) постоянный ток в понижающий трансформатор для получения требуемого напряжения или тока сварки. Частота переключения обычно составляет 10 кГц или выше. Хотя высокая частота переключения требует применения сложных компонентов и схем, она значительно уменьшает габариты понижающего трансформатора, поскольку масса магнитных компонентов (трансформаторов и индукторов), необходимая для достижения заданного уровня мощности, быстро снижается с увеличением рабочей (коммутационной) частоты. Инверторная схема также может обеспечивать такие функции, как регулирование мощности и защита от перегрузки. Инверторные сварочные аппараты высокой частоты, как правило, более эффективны и обеспечивают лучший контроль переменных функциональных параметров по сравнению с неинверторными сварочными аппаратами. IGBT в инверторном аппарате управляются микроконтроллером, поэтому электрические характеристики сварочной мощности могут изменяться программным обеспечением в реальном времени, даже на каждом цикле, а не медленно в течение сотен или тысяч циклов. Обычно программное обеспечение контроллера реализует такие функции, как импульсная сварка, обеспечение переменных соотношений и плотности тока в течение цикла сварки, возможность изменения частоты по ступеням или плавно, а также временные интервалы, необходимые для автоматической точечной сварки; реализация всех этих функций в аппарате на основе трансформатора была бы непомерно дорогой, в то время как в инверторном аппарате с программным управлением для этого требуется лишь объем памяти программы. Кроме того, при необходимости в инверторный аппарат с программным управлением можно добавить новые функции посредством обновления программного обеспечения, а не путем покупки более современного сварочного аппарата.
Другие виды
Помимо сварочных аппаратов, использующих трансформаторы, двигатели-генераторы и инверторы, существуют и другие типы. Например, существуют лазерные сварочные аппараты, для которых требуется принципиально иная конструкция источника питания, не относящаяся ни к одному из ранее рассмотренных типов источников питания для сварки. Аналогично, аппараты точечной сварки требуют особого типа источника питания, как правило, оснащенного сложными схемами управления временем и большими конденсаторными батареями, которые редко встречаются в других типах источников питания для сварки.