Можно ли использовать трансформатор от инвертора

Какой сварочный полуавтомат лучше инверторный или трансформаторный

На вопрос: «Какой сварочный полуавтомат лучше инверторный или трансформаторный?» можно ответить по-разному. Можно коротко: «Исходи из потребности!», а можно аргументированно разобраться в плюсах и минусах каждой технологии сварки, и на основе этого анализа принять взвешенное решение.

При всей кажущейся простоте, сварить несколько металлических элементов — целое искусство. Как в каждом другом деле, для его освоения нужно заручиться теоретическими знаниями, практическими навыками и подходящим инструментарием.

Как работает сварочный трансформатор

Первые трансформаторы появились в конце XIX века, когда электричество стало обычным явлением. В начале XX века было обнаружено, что при помощи трансформатора можно управлять процессом дуговой сварки, что и дало импульс к развитию трансформаторных сварочных аппаратов.

Самый простой, если можно так выразиться, прапрадед сварочных трансформаторов представляет собой две обмотки, заключенные в набранный из изолированных металлических пластин сердечник.

При приложении напряжения на первичную обмотку, по ней начинает протекать ток. Под действием электромагнитной индукции, возникающей в сердечнике трансформатора, электрический ток начинает течь и по виткам вторичной обмотки.

В сварочном трансформаторе число витков вторичной обмотки значительно меньше, чем первичной, а сама обмотка выполнена из проводника большого сечения. В итоге ток, протекающий по вторичной обмотке, имеет значительную величину, достаточную для того, чтобы зажечь и поддерживать горение электрической дуги.

К слову сказать, в 20-30 годы прошлого столетия трансформаторные сварочные аппараты стали обычным явлением на производстве, а к концу Второй мировой войны их использование переживало настоящий бум. С 30-х по 80-е годы XX века в основе всех сварочных аппаратов лежал трансформатор.

Технологии сварки с помощью трансформатора более 100 лет. Она довольно проста, но за это время отточена практически до совершенства.

Регулирование силы сварочного тока осуществляется по-разному:

• введением в цепь реостата;
• механическим изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками;
• изменением зазора в магнитопроводе трансформатора.

Как работает сварочный инвертор

Развитие полупроводниковой техники, ее бурный рост и повсеместное использование открыли новую эру в технологии сварки. Свет увидели инверторные сварочные аппараты.

Принцип действия такого аппарата довольно прост. Питающее напряжение, пройдя через выпрямитель, преобразуется в постоянное. В инверторе обратно трансформируется в переменное, но уже высокой частоты (60-80 кГц). После чего происходит процесс повторного выпрямления напряжения, поскольку сварка постоянным током имеет ряд преимуществ.

Использование сварочных токов высокой частоты позволяет избавиться от «лишнего» трансформаторного железа, позволяя тем самым снизить массу и габариты сварочного аппарата.

Именно частота — основополагающий фактор функционирования инверторного сварочного аппарата. С ее помощью производится регулирование сварочного тока — чем ниже частота, тем меньше выходная мощность, а соответственно и сварочный ток.

На заре становления технологии инверторной сварки не обошлось и без разочарований. Первые серийные образцы были крайне капризны к условиям сварки и не очень надежны. Но со временем улучшение схем и элементной базы позволило устранить большинство слабых мест инверторной технологии.

Трансформатор VS инвертор. Плюсы и минусы

Каждая из технологий сварки имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим подробно самые значимые.

Надежность

Тема, об которую до сих пор ломаются копья и которая разделила сварщиков на два противоборствующих лагеря. Аргументы «трансформаторщиков» — сварочные трансформаторы совершенствуются вот уже более ста лет. Схемотехника аппарата проста, но, тем не менее, доведена до совершенства. Чтобы «убить» такой аппарат — нужно сильно постараться. А вот инверторные модели этим похвастаться пока не могут. Они еще относительно молоды, им есть куда «расти».

Современные реалии таковы, что последний аргумент разбивается в пух и прах появляющейся новой, более надежной элементной базой и постоянным совершенствованием схем инверторных полуавтоматов.

Многофункциональность

В этом аспекте инвертор на голову переигрывает трансформатор. В инверторном полуавтомате благодаря контроллеру можно настроить любую электрическую переменную. Причем ее значение будет отслеживаться и регулироваться постоянно в течение проведения сварочных работ. А это открывает широкое поле деятельности не только при сваривании черных, но и цветных металлов.

Габариты, вес

Из-за массивного железа, принимающего непосредственное участие в трансформации энергии, идущей на сварку, трансформаторные модели тяжелы и громоздки. Даже самый простой аппарат имеет вес, приближающийся к 20 кг.

На их фоне инверторные модели выгодно выделяются. При сопоставимой мощности — они легки и компактны.

Качество дуги и сварных швов

Качество сварного шва — визитная карточка каждого уважающего себя мастера. Чтобы получить хороший шов, помимо твердой руки, нужно иметь аппарат, который будет удерживать параметры тока на заданной величине. Не секрет, что самые простые трансформаторные модели сильно зависимы от изменения величин питающего напряжения. При его просадках — снижается сварочный ток, и мастеру приходится уменьшать зазор между деталями и электродом, чтобы «удержать» дугу. При резких скачках реакции может и не хватить — при резком возрастании тока зачастую можно получить прожиг заготовок насквозь, особенно при сваривании тонкостенного металла.

К тому же к сварочным трансформаторам, не оборудованным выпрямителем, нужно приноровиться. Дело в том, что сварка переменным током более сложна физически. Она приводит к так называемой «жесткой» дуге, шипению электрода и разбрызгиванию металла по заготовке.

На рисунке: слева — шов, выполненный трансформаторным аппаратом, справа — инвертором.

Работать на трансформаторном сварочном аппарате несколько сложнее. Зато освоив технику сварки, без труда можно «творить чудеса» на инверторе. Обратный переход без привыкания, наработки навыка и определенного «доучивания» невозможен!

Всепогодность

По этому признаку — однозначный фаворит трансформаторный полуавтомат. Дело в том, что напичканные электроникой инверторы боятся влаги и пыли, которые способны вывести из строя плату аппарата.

Сварка в запыленных помещениях, особенно с содержащейся в воздухе металлизированной пылью, не для инвертора!

Еще одно ограничение, накладываемое производителями на инверторные аппараты — использование оборудования для работы в мороз. Виной тому — возможный конденсат, который может образоваться на платах устройства.

Трансформаторным аппаратам все вышеперечисленное нипочем. Они будут работать и в жару и в холод, и даже при повышенной влажности. Единственное чего не стоит делать, так это проводить сварочные работы под дождем! Это опасно!

Продолжительность включения

Как известно, этот параметр характеризует соотношение времени работы аппарата к необходимым для его остывания простоям при максимальных нагрузках. Чем интенсивнее сварочные работы, тем более продолжительные потребуются паузы.

При работе в нагруженных условиях, больше шансов побороться за симпатии потребителей у трансформаторных решений. Если нужно делать много сварных швов не самого лучшего качества, а то и вовсе, просто резать металл, то альтернативы трансформатору нет. Ведь делать то же самое на инверторном аппарате даже звучит кощунственно.

Работа в режиме повышенных нагрузок с большой долей вероятности приведет к выходу из строя электронных компонентов инверторного аппарата.

Сегодня при выборе сварочного полуавтомата большая часть пользователей наверняка отдаст предпочтение инверторному решению. И это не удивительно, ведь де-факто именно инверторные модели являются стандартом в области сварки.

Но сбрасывать со счетов трансформаторные модели все же преждевременно, поскольку для них еще есть определенные ниши, в которых им нет равных. В конце концов, все сводится к конкретным условиям работы и собственному взвешенному решению.

Источник

Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2018

Александр Русу, Одесса, Украина

Как известно, существует всего два электромагнитных прибора, с помощью которых параметры электрической энергии можно преобразовать с максимально возможной эффективностью: дроссель и трансформатор. С технологической точки зрения они практически одинаковы и отличаются только режимом работы: трансформатор пропускает энергию «сквозь себя», не накапливая ее в магнитном поле, а дроссель работает по принципу «взял-сохранил-отдал».

В [1] было показано, что при одной и той же преобразуемой мощности и рабочей частоте габаритные размеры трансформатора могут быть до восьми раз меньше чем у дросселя. Однако использование трансформатора приводит к усложнению схемы и проблемам при регулировке выходного напряжения, поэтому маломощные (до 150…200 Вт) преобразователи обычно строятся по схемам на основе дросселя, а мощные…

А с мощными преобразователями будем разбираться в этой статье, которая подводит итог первой части цикла об импульсном преобразовании электрической энергии, посвященного особенностям схемотехники их силовой части. Как обычно, читателю рекомендуется предварительно ознакомиться с уже опубликованными в журнале и на сайте РадиоЛоцман материалами [1 — 8], а для более глубокого понимания сути происходящих процессов — с более «тяжелыми» статьями в научных журналах [9 — 11].

Структурная схема преобразователя на основе трансформатора

Итак, изучив [1 — 7], попробуем синтезировать мощный преобразователь, основным элементом которого является трансформатор. Согласно формулам, полученным в [1], габариты трансформатора зависят от его рабочей частоты. Поскольку частота напряжения на входе и выходе преобразователей невелика (50…400 Гц), а то и вовсе равна нулю (для DC/DC преобразователей), для того чтобы трансформатор работал на высокой частоте, необходимы два дополнительных узла: модулятор и демодулятор. Модулятор преобразует входное низкочастотное напряжение в напряжение высокой частоты, амплитуда которого пропорциональна напряжению на входе, а демодулятор выполняет обратную функцию (Рисунок 1).

Предвидя возможную (и обоснованную) критику со стороны читателей, уже знакомых со схемотехникой мощных преобразователей, сразу обращаю внимание, что в DC/DC преобразователях, исторически появившихся первыми, эти узлы в свое время назвали, соответственно, «инвертор» и «выпрямитель», поскольку они действительно преобразовывали постоянный ток в переменный и наоборот. Однако импульсным способом можно изменять величину не только постоянного, но и переменного напряжения [8], поэтому соответствующие узлы AC/AC преобразователей, у которых на входе и выходе присутствует переменного напряжение, уже как-то технически некорректно называть инверторами или выпрямителями.

Итак, преобразователь на Рисунке 1 позволяет изменить величину напряжения на входе только на какую-то конкретную величину, однако его еще нужно как-то регулировать, ведь входное напряжение и ток нагрузки практически никогда не бывают стабильными. Можно, конечно, использовать трансформатор с отпайками (Рисунок 2), но такая схема со ступенчатой регулировкой вряд ли удовлетворит требования к качеству выходного напряжения, необходимые в большинстве приложений, да и сложность такой схемы намного больше, чем у известных решений.

Из опыта построения «классических» выпрямителей на основе низкочастотных трансформаторов известно, что для точной регулировки выходного напряжения используют специальный узел — стабилизатор, устанавливаемый на выходе устройства (Рисунок 3). Именно такой принцип — двукратного преобразования напряжения (энергии) — и используется при построении мощных импульсных преобразователей: вначале система модулятор-трансформатор-демодулятор преобразовывает входное напряжение до некоторого промежуточного нестабилизированного уровня, а затем стабилизатор изменяет его до требуемого значения с необходимой точностью.

Способы реализации преобразователя на основе трансформатора

Но какую схему использовать для построения стабилизатора? Использование «классических» компенсационных стабилизаторов, например 78хх/79хх, обладающих большими габаритами из-за наличия радиатора и низким КПД, сведет к нулю весь выигрыш от использования трансформатора. LDO-стабилизаторы, являющиеся разновидностью компенсационных схем, эффективны только при небольшой разнице между входным и выходным напряжением; при ее увеличении их КПД также стремительно падает. Да и большинство компенсационных схем рассчитано на использование в схемах постоянного тока и поддерживают только режим передачи [3]. Но ведь иногда необходимо преобразовать переменное напряжение или работать на нагрузку реактивного характера [3, 8].

Но почему стабилизатор обязательно должен быть компенсационным? Обратите внимание, что этот узел тоже является преобразователем напряжения, а это значит, что для его построения, теоретически, можно использовать любую из схем на основе как дросселя, так и трансформатора. Однако преобразователь на основе трансформатора в устройстве уже есть, и мы как раз пытаемся компенсировать его недостатки, поэтому остаются «дроссельные» схемы, способные в силу своего принципа работы [2, 3] плавно изменять в широких пределах коэффициент передачи, что полностью компенсирует недостаток плохо регулируемых «трансформаторных» схем.

В [2] показано, что «базовой» схемой для «дроссельных» преобразователей является обратноходовая. Но в ней через магнитопровод дросселя передается вся мощность нагрузки, а это означает, что в устройстве все равно остается дроссель, габариты которого будут как минимум в 8 раз больше трансформатора. А поскольку обратноходовая схема обеспечивает гальваническую развязку и за счет изменения коэффициента трансформации дросселя [4] может работать при любом соотношении напряжений на входе и выходе, то использование трансформатора вместе с сопутствующими узлами (модулятором и демодулятором) при построении стабилизатора по обратноходовой схеме становится полностью бессмысленным.

Но есть еще три схемы «дроссельных» преобразователей, которые можно получить, соединив определенным образом вход и выход обратноходового импульсного регулятора [2] c входом и выходом преобразователя: понижающая, повышающая и инвертирующая. Инвертирующую схему можно сразу исключить, поскольку она по своим характеристикам мало чем отличается от обратноходовой, а вот на понижающую и повышающую следует обратить внимание, ведь их главный недостаток — отсутствие гальванической развязки — устраняется наличием трансформатора.

В [2] было показано, что при соединении входа или выхода импульсного регулятора последовательно с входом и выходом преобразователя величина преобразуемой мощности РИР (мощности, проходящей через магнитное поле магнитопровода дросселя) зависит от соотношения напряжений на входе и выходе UВХ и выходе UВЫХ преобразователя (Рисунок 4). Таким образом, если нам необходимо уменьшить (увеличить) напряжение только на 10%, то при использовании понижающей (повышающей) схемы необходим дроссель с размерами в 10 раз меньшими, чем у дросселя обратноходового преобразователя (при условии, что магнитопроводы дросселей будут выполнены из одного и того же материала и работать в одинаковых режимах [6]). В этом случае размеры дросселя уже становится соизмеримыми с размерами трансформатора, работающего на той же частоте. Но какую схему использовать для построения стабилизатора: понижающую или повышающую?

На первый взгляд оба варианта (Рисунок 5) идентичны. В общем случае в этих схемах трансформатор и стабилизатор могут работать в асинхронном режиме на разных частотах и быть совершенно независимыми узлами. Даже если трансформатор и дроссель стабилизатора будут работать синхронно на одной частоте, использование такого подхода уже даст неплохой выигрыш в габаритах индуктивных элементов по сравнению с дросселем «базовой» обратноходовой схемы: трансформатор будет меньше в 8 раз, а дроссель — в 5…10 раз (при использовании оптимальных режимов работы магнитопровода [6]). Это в итоге позволит уменьшить общую массу и габариты индуктивных элементов такого устройства как минимум вдвое. Однако сложность такой схемы теперь становится очень высокой — только наличие двух контроллеров, даже работающих в синхронном режиме, уже может создать множество проблем для разработчика, ну а наличие шести силовых ключей приведет к уменьшению КПД и увеличению, за счет дополнительных радиаторов, габаритов и стоимости преобразователя.

Список источников

Окончание

Источник