Сварочные инверторы – это устройства, которые преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока с заданной формой импульсов, частотой, амплитудой и выходным напряжением (рис. 1, а). На практике в сварочных источниках питания наиболее часто применяются однофазные инверторы.

Рис. 1.1. Блок-схемы: а – инвертора; б – конвертора; И – инвертор; Тр – трансформатор; V – выпрямитель; L-С – фильтры

Конверторы – устройства, которые понижают или повышают постоянное напряжение с применением с промежуточного высокочастотного звена (рис. 1, б). Для этого инвертор И конструктивно объединяют с трансформатором Тр, выпрямительным блоком V и фильтром L–С. У конвертора на выходе, как и на входе, постоянное напряжение, но величина его меньше.

Иногда на входе инвертора устанавливают накопительный конденсатор (или их батарею) С₁. В этом случае напряжение на выходе инвертора имеет прямоугольную форму (см. рис. 1, а). Такую конструкцию преобразователя называют автономным инвертором напряжения.

В некоторых случаях на входе инвертора устанавливают мощный дроссель, а обмотку трансформатора шунтируют конденсатором. В этом случае сглажен будет уже ток. Такой преобразователь называют автономным инвертором тока.

Возможен и такой вариант, когда конструкция инвертора содержит соединенные последовательно индуктивность и емкость, которые образуют колебательный контур с синусоидальным током. Такую конструкцию преобразователя называют автономным резонансным инвертором.

Изменения полярности, необходимые для преобразования в инверторе напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока, осуществляются электронными коммутационными элементами. Для этого используются тиристоры и транзисторы.

Из электротехники известна формула, по которой определяется размер сердечника трансформатора:

Из формулы видно, что уменьшить сечение сердечника, а следовательно и вес трансформатора, можно за счет снижения U₂₀ или увеличения w₂, В, f. По пути уменьшения U₂₀ шли разработчики традиционных трансформаторов. Однако при U₂₀ < 50 В зажигание дуги становится затруднительным, поэтому уменьшение U₂₀ дает относительно небольшое снижение веса, причем в ущерб стабильности при зажигании дуги. Увеличение w₂ также практически ничего не дает, поскольку одновременно увеличивается w₁ и снижая вес сердечника, мы увеличиваем вес обмоток. Увеличить индукцию В не позволяют характеристики современных трансформаторных сталей. Практически единственным путем уменьшения размеров сердечника явилось увеличение частоты f питающего трансформатор напряжения. Именно по этому пути пошли разработчики инверторных источников питания.

Так при частоте 10 кГц по сравнению с частой 50 Гц масса трансформатора и его габариты уменьшаются в 3 раза, а при частоте 50 кГц уже в 15-17 раз.

Принцип работы выпрямителя с инвертором рассмотрим на примере схемы с двухтактным транзисторным инвертором (рис. 2, а).

Входной выпрямительный блок VD₁ преобразует переменное напряжение сети (рис. 2, б) в постоянное (рис. 2, в), которое сглаживается с помощью низкочастотного фильтра L1, С1 (см. рис. 2, а). Затем выпрямленное напряжение U_сглаж преобразуется в однофазное переменное u₁ высокой частоты с помощью инвертора на двух транзисторах VT₁ и VT₂ (рис. 2, д). Далее напряжение понижается высокочастотным трансформатором Т (с ферритовым сердечником с разомкнутой магнитной цепью) до u₂ (рис. 2, е), выпрямляется блоком вентилей VD₂ (рис. 2, ж), проходит через высокочастотный фильтр L₂, С₂ и подается на дугу в виде сглаженного напряжения u_вых (рис. 2, з). Подробнее рассмотрим процесс инвертирования. При подаче сигнала на базу транзистора VT₁ отпирается его коллекторная цепь, и по первичной обмотке трансформатора Т в интервале времени t₁ протекает ток в направлении, показанном тонкой линией. При снятии сигнала с базы этот ток прекращается. С некоторой задержкой t₃ отпирается транзистор VT₂, при этом в интервале времени t₂ ток по трансформатору идет уже в другом направлении, показанном пунктирной линией. Таким образом, по первичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Длительность его периода Т, а частота переменного тока f зависят от частоты запуска транзисторов, определяемой системой управления. Обычно частота устанавливается на уровне 15-100 кГц.


Регулирование режима сварки осуществляется в основном тремя способами:
- изменением амплитуды высокочастотного напряжения при неизменной частоте, что приводит к изменению среднего значения выпрямленного напряжения u₀ (рис. 3, а) – амплитудно-импульсное регулирование;
- изменением частоты высокочастотного напряжения при постоянстве длительности импульсов (рис. 3, б) - частотное регулирование;
- изменением длительности импульса высокочастотного напряжения при неизменной частоте - широтно-импульсное регулирование (рис. 3, в), которое получило наибольшее распространение, так как при постоянной частоте облегчается выбор параметров выходного фильтра, а также снижается спектр электромагнитных помех, которые легче устранить входным фильтром.

Внешние характеристики выпрямителя с инвертором зависят главным образом от конструктивных особенностей инвертора и понижающего трансформатора (рис. 1.4, а).

Естественная внешняя характеристика собственно инвертора АИН почти жесткая (линия 1). Но поскольку индуктивное сопротивление трансформатора Х_т, пропорциональное частоте инвертирования f, велико даже при небольшом магнитном рассеянии, то характеристика выпрямителя в целом получается падающей (линия 3). Обычно же внешние характеристики формируются искусственно с помощью системы управления. Для получения крутопадающих характеристик вводится отрицательная обратная связь по току, при которой с увеличением сварочного тока частота инвертирования снижается, что приводит к уменьшению выпрямленного напряжения (линия 2).
Для получения жестких характеристик вводится обратная связь по выпрямленному напряжению (линия 1).

В выпрямителях с инверторным преобразователем сравнительно легко получают комбинированную внешнюю характеристику (рис. 4, б), сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок 1 необходим для задания сравнительно высокого напряжения холостого хода при зажигании дуги. Основной участок 2 характеристики пологопадающий обеспечивает эффективное саморегулирование при механизированной сварке в углекислом газе. Вертикальный участок 3 ограничивает сварочный ток, с целью предотвращения прожога при сварке тонкого металла. Участок 4 задает величину тока короткого замыкания. Положение каждого участка характеристики настраивается с помощью отдельных регуляторов блока управления, реализованных программно в микроконтроллере (управляющей микросхеме). При дуговой сварке в защитных газах положением участка 2 по вертикали задается сварочное напряжение, а при сварке покрытыми электродами перемещением участка 3 устанавливается сила тока.

В современных инверторных преобразователях в качестве управляемых электронных элементов используются: биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), транзисторно-диодные модули (чопперы).

Инверторные источники с цифровым управлением способны к сложному и быстродействующему управлению формой сварочного тока. Они используют только трехфазное сетевое напряжение. Эти источники разработаны как составная часть синергетической системы в сочетании с соответствующими подающими механизмами.

Синергетическое управление позволяет сварщику сосредоточиться исключительно на ведении шва, не требуя применения специальной техники сварки при смене пространственных положений, колебаниях вылета электрода и других изменениях условий сварки. Процесс настройки источника под выполнение конкретной операции заключается в выборе необходимой синергетической программы на панели механизма подачи и задания требуемой скорости подачи проволоки. Используя адаптивное управление, системы с синергетикой поддерживают постоянные условия сварки даже при значительных вылетах электрода при сварке труднодоступных участков шва