Четыре вида источников питания электрической дуги при сварке

Источники питания для сварки представляют собой различные преобразователи тока промышленной частоты либо генераторы, самостоятельно вырабатывающие электроэнергию необходимых параметров.

По причине того, что для электродуговой сварки требуются особые параметры питающего тока и напряжения (приводя усредненный пример — напряжение низкое, а ток очень большой), стандартное напряжение бытовой или промышленной сети требуется, как минимум, понизить.

Как максимум — привести рабочие характеристики питания в соответствие с заданной потребностью. Поэтому к источникам питания сварочной дуги выдвигаются особые требования.

Основные требования

Источник питания для сварочных работ любого вида и класса должен удовлетворять следующим ключевым характеристикам:

• обеспечивать легкость зажигание дуги;
• поддерживать стабильное горение;
• контролировать верхний порог тока короткого замыкания;
• обладать хорошей динамикой;
• соответствовать требованиям по электробезопасности.

Под динамикой в данном случае понимается скорость восстановления напряжения от момента контакта электрода с массой (возникновения короткого замыкания) до вспыхивания дуги, то есть образования электрического пробоя воздуха.

Дуга вспыхивает при напряжении около 20 В. Время от момента короткого замыкания до вспышки дуги у хорошего источника питания должно составлять не более 0,05 секунды. Чем оно меньше, тем динамика выше.

Кроме того, очень важно, чтобы источник поддерживал стабильное горение дуги, то есть автоматически регулировал изменение напряжения от режима холостого хода (60-90 В) до напряжения рабочего хода (18-20 В).

Эти требования предъявляются ко всем без исключения устройствам. Им должен соответствовать даже самодельный сварочный аппарат, собранный для ручной дуговой сварки из блока питания компьютера.

Кстати, из последнего собрать устройство для домашнего применения не так уж сложно. Импульсный блок питания как раз и предназначен для понижения сетевого напряжения. Но варить можно будет только тонкий металл.

Технические характеристики ИБП

Ключевыми параметрами источников бесперебойного питания выступают:

1. Выходная мощность (единица измерения – ВА или Вт) – основной критерий, отражает максимально допустимую нагрузку. При выборе ИБП для холодильника, погружного насоса или другой техники с мощным электромотором и значительными пусковыми токами важно учесть, что потребление мощности при пуске такого двигателя в 5–7 раз превышает номинальное значение.
2. Время переключения, в мс – миллисекунды, за которые ИБП переходит на питание от батареи. Этот параметр ИБП определяет его инерционность и может достигать 2–15 мс.
3. Продолжительность автономной работы, в мин. – определяется емкостью АКБ и мощностью обслуживаемой техники. Выбирается в зависимости от назначения ИБП, в частности, для офисного использования обычно выбирается от 4 до 45 минут. Чтобы успеть сохранить информацию на ПК, достаточно модели, рассчитанной на 5–10 минут работы. Если же нужно обеспечить непрерывную работу оборудования с использованием АКБ, этот параметр должен составлять минимум 20–30 минут.
4. Выходное напряжение, в В.
5. Форма Uвых. Подаваемое на нагрузку напряжение бывает в виде чистой синусоиды (у моделей класса On-Line и частично у устройств категории Line-Interactive), аппроксимированной синусоиды (при ШИМ) и меандра.
6. Ширина диапазона Uвх, в рамках которого UPS стабилизирует питание, не переходя на АКБ. Может зависеть от нагрузки. Чем шире этот диапазон, тем дольше прослужит АКБ.
7. Частота Uвх, в Гц – допустимый диапазон колебаний частоты сети. Обычно допускается отклонение ±1 Гц.
8. Коэффициент отклонения графика Uвых от синусоиды, в %.
9. Крест-фактор – соотношение максимального и среднего значения потребляемого тока, определяется формой Uвх.
10. Наличие функции холодного старта – она подразумевает включение UPS при отсутствии сетевого напряжения.
11. Допустимая нагрузка, в % к номинальной мощности – отражает стойкость UPS к ваттным перегрузкам.
12. Срок службы АБК, в годах – зависит от типа используемых батарей и условий их использования.

Принципы классификация

Источники питания сварочной дуги классифицируются по многим градациям. В их числе:

• по предназначению — для ручной сварки, сварки под флюсом или в среде защитного газа (например, аргонодуговой);
• по числу сварочных постов, которые можно подключить единовременно;
• по способности передвигаться — мобильные и стационарные;
• по способу производства энергии — преобразователи или производители;
• по роду выходного тока;
• по ВАХ (вольт-амперная характеритика).

Основными параметрами сварочного аппарата для сварщика являются назначение данного конкретного агрегата и сварочный ток, который он выдает. Во многих случаях ключевым требованиям является подбор нужной вольт-амперной характеристики (ВАХ).

Так, например, для сварки в среде защитных газов требуются устройства с жесткой характеристикой, варящие постоянным током. Для ручной и полуавтоматической сварки под флюсом применяются аппараты переменного и постоянного тока с падающей характеристикой.

Некоторые современные источники питания сварочной дуги универсальны: имеют много режимов работы, в том числе позволяют менять род сварочного тока и изменять его ВАХ.

Четыре вида преобразователей

Основное различие между источниками питания сварочной дуги, определяющее их технические характеристики, массу, габариты и сферу применения — это различия по принципу преобразования электротока.

Существуют следующие виды источников:

• трансформаторы;
• выпрямители;
• преобразователи;
• инверторы.

Особняком стоят генераторы, так называемые агрегаты. Эти машины — не вторичные, а первичные источники энергии, они не преобразуют тем или иным способом питание от городской или промышленной сети, а вырабатывают его сами.

Как правило, агрегаты строятся на базе двигателя внутреннего сгорания — бензинового или дизельного. Первые — дешевле, вторые имеют большую мощность и моторесурс.

Классификация видов сварки по физическим признакам

Классификация процессов сварки по физическим признакам хоть не относится напрямую к теме статьи, но она косвенно связана с источниками питания. Поскольку именно благодаря им удается выполнить тот или иной вид сварки.

Существует три разновидности сварки по физическому признаку:

• Термическая
• Термомеханическая
• Механическая

При термической сварке источник питания должен генерировать дугу, которая будет плавить металл только с помощью своей тепловой энергии. Дуговая сварка, плазменно-, электронно-, ионно-лучевая сварка, электрошлаковая, индукционная, газовая сварка — все это термические виды сварки.

Термомеханическая сварка предполагает не только использование тепловой энергии, но и применение давления. Эти параметры необходимы, например, для контактной сварки. А еще для диффузионной, дуго-, шлако-, индукционно-прессовой и печной сварки.

Классификация сварочных процессов ни обходится без механических видов сварки металлов. При таком типе сварки детали соединяются под действием давления и механической энергии. Это сварка взрывом, холодная сварка, сварка трением и т.д. Данный тип сварки не использует сварочную дугу и не нуждается в источнике питания.

Трансформатор

Это самый простой тип сварочного аппарата. Основой ему служит дроссель — реактивная катушка индуктивности.

Простой понижающий трансформатор понижает вольтаж сети до величины холостого хода — 60…80 В. В дальнейшем при работе поддерживается напряжение сварки в 20 В.

Трансформатор варит только переменным током. Его достоинство состоит в простоте конструкции (можно изготовить своими руками, рассчитав число витков обеих намоток).

Он имеет высокий КПД, сравнительно небольшой расход энергии, отличается надежностью в сочетании с ремонтопригодностью. Трансформаторный источник питания дуги бесшумно работает, относительно немного стоит.

Но использование для сварки переменного тока имеет и определенные недостатки. У такого источника питания сварочной дуги большие габариты и очень большая масса.

Дуга горит нестабильно, и сильно зависит от скачков питающего напряжения. Возникает необходимости в использовании специальных покрытых электродов. Перечень металлов и сплавов, которые можно варить переменным током (в основном это низкоуглеродистые стали), ограничен.

По сравнению с резервными генераторными установками ИБП имеют ряд неоспоримых преимуществ

• значительно более высокий коэффициент надежности;
• большое время наработки на отказ;
• высокое качество электроэнергии на выходе;
• отсутствие необходимости в периодическом обслуживании и замене расходных материалов;
• бесшумность работы;
• простота подключения и монтажа.

Однако чтобы обеспечить относительно большое время автономии (от нескольких десятков минут до нескольких часов), ИБП должен комплектоваться достаточным количеством аккумуляторных батарей (далее АКБ) определенной емкости, что чаще всего будет ограничиваться техническими возможностями ИБП, а именно возможностями зарядного устройства АКБ. Кроме того, время автономной работы будет зависеть еще от нескольких параметров: степени загруженности ИБП, эффективности конкретного инвертора, температуры окружающей среды, состояния и степени износа АКБ.

Конечно же, есть возможность создания мощной системы бесперебойного питания с большим временем автономии. Но при этом возникает вопрос экономической обоснованности такого решения, а это немаловажный фактор в процессе выбора автономного источника питания.

В настоящее время на российском рынке существует очень много различного рода генераторных установок, широкий спектр мощностей множества производителей, различные варианты исполнения которых заставят задуматься даже искушенного покупателя.

Ниже мы приведем классификацию по основным признакам конструкции генераторных установок. И приведем краткие пояснения, так сказать, на бытовом уровне по каждому из пунктов классификации.

Выпрямитель

У выпрямителей есть много достоинств. Это бесшумная работа, высокий КПД (выше, чем у трансформаторов), широкий диапазон использования (можно варить любые металлы и сплавы). У такого источника питания малые потери на холостом ходу, сравнительно небольшие габариты и вес и малое потребление энергии.

Недостатков у них немного, но, к сожалению, они довольно существенные. Выпрямители, как источники питания сварочной дуги, очень сильно нагреваются во время рабочего процесса, поэтому нуждаются в хорошей системе охлаждения, за которой надо тщательно следить.

Кроме того, они очень чувствительны к скачкам напряжения, не любят пыли, которая может вывести из строя систему охлаждения, и достаточно дороги.

Преобразователи

Преобразователь — устройство, механическим способом превращающее переменный ток в постоянный. По сути своей это электродвигатель, который вращает вал генератора постоянного тока. Когда-то это были первые устройства, способные производить сварку постоянным током.

По похожему принципу работают и генераторы, питающиеся от бензинового или дизельного мотора.

Несмотря на кажущуюся нелогичность конструкции, преобразователи также имеют свои плюсы и минусы. Основное их достоинство в том, что эти аппараты нечувствительны к перепадам напряжения — ток на выходе всегда имеет стабильную характеристику.

Кроме того, они могут выдавать очень большой ток — 300, 500, некоторые модели 1000 А. В некоторых видах работ, например, при сварке толстых металлических плит, это принципиально.

Их недостатки заключаются в большой массе (до 500 кг), а также в необходимости регулярного ТО из-за наличия вращающихся с высокой скоростью деталей. КПД преобразователей невысок из-за трат энергии на раскрутку вала двигателя.

Задачи источников бесперебойного питания

ИБП выполняют несколько функций:

1. Обеспечивают стабильное и непрерывное электропитание подсоединенного к ним оборудования – гарантируют его резервное питание при проблемах со штатным электроснабжением, в т. ч. при коротких замыканиях. Время, на протяжении которого ИБП сможет поддерживать резервное питание, зависит от потребляемой нагрузки и характеристик его аккумуляторной батареи.
2. Повышают качество электропитания.Поддерживают в норме параметры электросети: напряжение, частоту.
3. Гарантируют надежное питание электрооборудования, которое не могут обеспечить стандартные сети электроснабжения.
4. Поглощают относительно малые и непродолжительные выбросы напряжения.
5. Оберегают оборудование от перегрузок и короткого замыкания.
6. Фильтруют напряжение питания, уменьшают шумы.

Такие устройства массово используются с компьютерами, схемами управления котлами отопления и другой техникой, требующей стабильной подачи электрического тока с заданными характеристиками. Они востребованы в разных отраслях промышленности, медицинской сфере, в офисах и домашней среде – везде, где важно не допустить непредвиденного выключения оборудования при перебоях с электропитанием.