کاربرد دستگاه جوش اینورتر به دلیل اهمیت و گستردگی که دارد، در سالهای اخیر باعث شده این دستگاه به یکی از پرکاربردترین تجهیزات جوشکاری تبدیل شود. وزن کم، ابعاد جمعوجور، مصرف انرژی مناسب و امکان کنترل دقیق جریان باعث شده این دستگاهها در بسیاری از کارگاهها و پروژههای ساختمانی جایگزین دستگاههای جوش ترانسفورماتوری قدیمی شوند.
با وجود ظاهر ساده، داخل یک دستگاه جوش اینورتر مجموعهای از مدارهای قدرت، کنترل، فیدبک و حفاظت وجود دارد که همگی باید با هماهنگی یکدیگر کار کنند. به همین دلیل، وقتی صحبت از تعمیر یا عیبیابی این دستگاه میشود، آشنایی با “مدار اینورتر جوشکاری” (What is a Welding Inverter Circuit) اهمیت زیادی پیدا میکند.
در این مقاله قصد داریم ساختار یک اینورتر جوشکاری را از ابتدای ورود برق تا رسیدن جریان به خروجی بررسی کنیم و ببینیم هر بخش چه وظیفهای دارد. ساختار کلی مدارهای اینورتر شامل یکسوسازی ورودی، مدار اینورتر، ترانسفورماتور فرکانس بالا، یکسوسازی خروجی و مدار کنترل است.
مدار اینورتر جوشکاری چگونه کار میکند؟
برای درک “مدار دستگاه جوش اینورتر” بهتر است ابتدا مسیر کلی انرژی را بشناسیم. برق شهری در ابتدای ورود به دستگاه به صورت AC است. این برق ابتدا توسط مدار ورودی و پل دیود یکسوشده و به ولتاژ DC تبدیل میشود. سپس خازنهای بزرگ بخش DC، انرژی را ذخیره کرده و ولتاژ را برای ورود به بخش سوئیچینگ آماده میکنند.
در مرحله بعد، ترانزیستورهای قدرت مانند IGBT یا MOSFET با سرعت بالا روشن و خاموش میشوند. این فرآیند باعث میشود ولتاژ DC به یک جریان متناوب با فرکانس بالا تبدیل شود. این جریان وارد ترانسفورماتور فرکانس بالا شده و در سمت ثانویه، ولتاژ کاهش پیدا میکند.
در نهایت، برق خروجی ترانسفورماتور توسط دیودهای قدرت یکسوشده و پس از عبور از مدار فیلتر و سلف خروجی، به جریان DC مناسب برای جوشکاری تبدیل میشود. یک منبع تخصصی در حوزه نیمههادیهای جوشکاری نیز همین روند کلی را توضیح میدهد: یکسوسازی برق ورودی، تبدیل DC به AC فرکانس بالا، عبور از ترانسفورماتور و یکسوسازی مجدد در خروجی.
بررسی مدار دستگاه جوش اینورتر
در این بخش به بررسی اجزای مدار دستگاه جوش اینورتر پرداخته شده:
بخش ورودی برق در مدار دستگاه جوش اینورتر
اولین قسمت در مدار دستگاه جوش اینورتر، بخش ورودی برق است. در مدلهای تکفاز معمولاً برق ۲۲۰ ولت AC وارد دستگاه میشود. اما برق ورودی مستقیماً به IGBTها نمیرسد، بلکه ابتدا از مدارهایی عبور میکند که وظیفه حفاظت، فیلترکردن نویز و محدودکردن جریان اولیه را بر عهده دارند.
در این بخش معمولاً میتوان فیوز، فیلتر EMI، NTC یا مقاومت محدودکننده جریان و در برخی دستگاهها رله را مشاهده کرد. اهمیت این قسمت زمانی مشخص میشود که دستگاه روشن میشود. خازنهای بزرگ موجود در بخش DC در لحظه اول شارژشدن، میتوانند جریان بسیار زیادی از شبکه دریافت کنند. اگر این جریان کنترل نشود، فشار زیادی به پل دیود، فیوز و حتی شبکه برق وارد خواهد شد.
پس از عبور از قسمت ورودی، برق AC به پل دیود میرسد. پل دیود وظیفه دارد نیمسیکلهای مثبت و منفی برق متناوب را به یک ولتاژ DC تبدیل کند. خروجی این پل هنوز کاملاً صاف نیست، اما برای مرحله بعد مناسب است.
بیشتر بخوانید: فرمول محاسبه آمپر جوشکاری چیست؟
خازنهای DC و ذخیره انرژی
بعد از پل دیود، معمولاً چند خازن الکترولیتی با ظرفیت بالا قرار دارند. این خازنها یکی از قسمتهای قابلتوجه در “مدار داخلی دستگاه جوش اینورتر” هستند و معمولاً به دلیل اندازه نسبتاً بزرگشان بهراحتی روی برد قابل مشاهدهاند.
وظیفه اصلی آنها صافکردن ولتاژ DC و ذخیره مقداری از انرژی مورد نیاز بخش قدرت است. وقتی IGBTها با سرعت بالا سوئیچ میکنند، بخش قدرت به جریان زیادی نیاز پیدا میکند و خازنهای باس DC کمک میکنند این انرژی از یک منبع نسبتاً پایدار تأمین شود.
خرابی این خازنها ممکن است خودش را به شکلهای مختلف نشان دهد. کاهش ظرفیت، افزایش مقاومت داخلی یا ESR و خرابی فیزیکی میتواند باعث ناپایداری دستگاه یا کاهش توان خروجی شود. به همین دلیل در زمان تعمیر یک اینورتر، این قسمت نباید نادیده گرفته شود.
هشدار مهم: خازنهای بخش اولیه ممکن است حتی پس از قطع برق نیز دارای ولتاژ خطرناک باشند. بنابراین دستزدن یا اندازهگیری در این قسمت بدون تجهیزات مناسب و دانش فنی میتواند خطرناک باشد.
IGBT؛ قلب بخش قدرت مدار اینورتر
یکی از مهمترین قسمتهای مدار اینورتر جوشکاری، بخش سوئیچینگ قدرت است. در بسیاری از دستگاههای امروزی از IGBT برای انجام این کار استفاده میشود. IGBT در واقع مانند یک کلید الکترونیکی بسیار سریع عمل میکند و میتواند جریان و ولتاژ قابلتوجهی را کنترل کند.
وقتی سیگنال مناسبی به پایه گیت IGBT ارسال میشود، قطعه در وضعیت هدایت قرار میگیرد و زمانی که سیگنال قطع شود، جریان آن متوقف میشود. این روشن و خاموششدن سریع در فرکانس بالا باعث تولید موجی میشود که میتوان آن را به ترانسفورماتور فرکانس بالا منتقل کرد.
در طراحیهای مختلف ممکن است از دو، چهار یا تعداد بیشتری IGBT استفاده شود. نوع آرایش قطعات به توان دستگاه، توپولوژی مدار و طراحی سازنده بستگی دارد. به همین دلیل نباید تصور کرد تمام دستگاههای جوش اینورتر از یک نقشه کاملاً یکسان استفاده میکنند.
مدار درایور IGBT چه وظیفهای دارد؟
یکی از قسمتهایی که در تحلیل مدار اینورتر جوشکاری اهمیت زیادی دارد، مدار درایور IGBT است. IGBT نمیتواند بدون دریافت فرمان مناسب از مدار کنترل کار کند. درایور در واقع رابط میان بخش کنترل و ترانزیستور قدرت است.
سیگنال تولیدشده توسط مدار PWM یا کنترلر به درایور ارسال میشود و درایور آن را به پالس مناسب برای گیت IGBT تبدیل میکند. سرعت سوئیچینگ، زمان روشن و خاموششدن و کیفیت این پالسها اهمیت زیادی دارند.
اگر مدار درایور دچار مشکل شود، حتی یک IGBT سالم نیز ممکن است درست کار نکند. به همین دلیل هنگام سوختن IGBT، تعویض مستقیم آن بدون بررسی درایور کار منطقی نیست. در منابع فنی مربوط به اینورترهای جوشکاری نیز مدار IGBT Driver بهعنوان یکی از بخشهای مستقل مدار کنترل معرفی شده است.
بیشتر بخوانید: اینورتر جوشکاری چند وات است؟
ترانسفورماتور فرکانس بالا در مدار اینورتر
ترانسفورماتور فرکانس بالا یکی از تفاوتهای اصلی بین دستگاه جوش اینورتر و دستگاههای جوش ترانسفورماتوری قدیمی است.
در دستگاههای قدیمی، برق ۵۰ هرتز مستقیماً وارد یک ترانسفورماتور بزرگ میشد. برای انتقال توان بالا در این فرکانس، ترانسفورماتور باید ابعاد و وزن زیادی داشته باشد. اما در اینورتر، ابتدا برق به DC تبدیل میشود و سپس با استفاده از IGBTها یا MOSFETها به فرکانس بسیار بالاتری تبدیل میشود.
وقتی فرکانس افزایش پیدا میکند، میتوان از ترانسفورماتوری بسیار کوچکتر استفاده کرد. به همین دلیل است که دستگاهی با جریان جوشکاری نسبتاً بالا میتواند ابعاد بسیار کوچکی داشته باشد.
ترانسفورماتور در این قسمت علاوه بر کاهش ولتاژ و انتقال توان، نقش مهمی در جداسازی الکتریکی بخش اولیه و ثانویه دارد.
مدار یکسوساز خروجی چگونه کار میکند؟
پس از عبور انرژی از ترانسفورماتور، ولتاژ در سمت ثانویه کاهش پیدا کرده و جریان قابلاستفاده افزایش پیدا میکند. اما برق خروجی ترانسفورماتور همچنان AC است و برای جوشکاری DC باید دوباره یکسوشود.
در این قسمت از دیودهای قدرت استفاده میشود. از آنجا که فرکانس کاری مدار بالاست، دیودها باید سرعت مناسبی داشته باشند تا هنگام یکسوسازی تلفات بیش از حد ایجاد نکنند.
بعد از دیودهای خروجی، معمولاً سلف و مدار فیلتر قرار میگیرد. این قسمت به صافتر شدن جریان کمک میکند و نقش مهمی در کیفیت قوس جوش دارد. اگر جریان خروجی ناپایدار باشد، ممکن است قوس بهخوبی تشکیل نشود یا کیفیت جوش کاهش پیدا کند.
بیشتر بخوانید: مصرف برق دستگاه جوش چقدر است؟
مدار PWM و کنترل جریان جوشکاری
در یک دستگاه جوش اینورتر، فقط تولید جریان کافی نیست؛ این جریان باید قابلکنترل نیز باشد. این وظیفه بر عهده مدار کنترل و PWM است.
وقتی کاربر مثلاً جریان جوشکاری را روی یک مقدار مشخص تنظیم میکند، مدار کنترل باید شرایط کاری IGBTها را تغییر دهد تا انرژی منتقلشده به ترانسفورماتور و در نتیجه جریان خروجی در محدوده موردنظر قرار بگیرد.
PWM با تغییر عرض پالسهای کنترلی این امکان را فراهم میکند. در منابع فنی مربوط به دستگاههای جوش اینورتر نیز کنترل PWM همراه با فیدبک جریان و ولتاژ برای تنظیم عملکرد دستگاه معرفی شده است.
به همین دلیل مدار کنترل را میتوان مغز مدار دستگاه جوش اینورتر دانست؛ در حالی که IGBTها و ترانسفورماتور وظیفه پردازش و انتقال توان را بر عهده دارند.
مدار فیدبک و کنترل جریان خروجی
اگر مدار کنترل بخواهد جریان را دقیق تنظیم کند، باید بداند در خروجی واقعاً چه مقدار جریان در حال عبور است. این اطلاعات از طریق مدار فیدبک به کنترلر بازگردانده میشود.
برای اندازهگیری جریان، بسته به طراحی دستگاه ممکن است از ترانسفورماتور جریان، شنت یا روشهای دیگر استفاده شود. سیگنال اندازهگیریشده به مدار کنترل میرسد و کنترلر بر اساس آن پالسهای بخش قدرت را اصلاح میکند.
این فرآیند باعث میشود دستگاه بتواند در برابر تغییرات بار و شرایط قوس واکنش نشان دهد. به همین دلیل فیدبک را باید یکی از بخشهای اصلی در تحلیل مدار اینورتر جوشکاری دانست.
بیشتر بخوانید: تفاوت قطب مثبت و منفی دستگاه جوش چیست؟
سیستم خنککاری و حفاظت حرارتی
قطعات قدرت هنگام کار گرما تولید میکنند. IGBTها، دیودهای خروجی و حتی ترانسفورماتور باید در محدوده دمایی مناسب فعالیت کنند. به همین دلیل تقریباً در تمام اینورترهای پرقدرت، هیتسینک و فن را میتوان مشاهده کرد.
در صورتی که دمای قطعات بیش از حد افزایش پیدا کند، سنسور حرارتی وضعیت را به مدار کنترل اطلاع میدهد. کنترلر نیز میتواند جریان را کاهش داده یا برای جلوگیری از آسیب، خروجی را موقتاً قطع کند.
در مدار داخلی دستگاه جوش اینورتر معمولاً مدارهای حفاظتی دیگری نیز وجود دارند که برای تشخیص اضافهجریان، اتصال کوتاه یا شرایط غیرعادی طراحی شدهاند. وجود این حفاظتها باعث میشود احتمال آسیب به قطعات گرانقیمت بخش قدرت کاهش پیدا کند.
نقشه مدار اینورتر جوشکاری را چگونه بخوانیم؟
داشتن “نقشه مدار اینورتر جوشکاری” برای تعمیرکار بسیار مفید است، اما باید توجه داشت که یک نقشه واحد برای تمام دستگاههای جوش اینورتر وجود ندارد.
ممکن است دو دستگاه با جریان نامی مشابه، از مدارهای کاملاً متفاوتی استفاده کنند. حتی ممکن است یکی از آنها بر پایه MOSFET و دیگری بر پایه IGBT طراحی شده باشد. تعداد ترانزیستورهای قدرت، نوع مدار درایور، کنترلر PWM و ساختار ترانسفورماتور نیز میتواند متفاوت باشد.
برای خواندن نقشه مدار اینورتر جوشکاری بهتر است ابتدا مسیر قدرت را پیدا کنیم. یعنی از ورودی AC شروع کنیم و به ترتیب پل دیود، خازنهای DC، IGBTها، ترانسفورماتور، دیودهای خروجی و سلف را دنبال کنیم. بعد از شناخت مسیر قدرت، میتوان مدار کنترل، فیدبک و حفاظت را بررسی کرد.
این روش باعث میشود یک نقشه مدار اینورتر جوشکاری پیچیده به چند بلوک ساده تبدیل شود و درک عملکرد آن آسانتر شود.
تحلیل مدار اینورتر جوشکاری برای عیبیابی
برای تحلیل مدار اینورتر جوشکاری بهتر است عیبیابی را از ورودی به سمت خروجی انجام دهیم. اگر دستگاه اصلاً روشن نمیشود، ابتدا باید مسیر ورودی، فیوز، پل دیود، خازنها و تغذیه بخش کنترل بررسی شود.
اگر دستگاه روشن میشود اما جوش ایجاد نمیکند، بررسی بخش IGBT، مدار درایور، ترانسفورماتور و دیودهای خروجی اهمیت بیشتری پیدا میکند. در شرایطی که دستگاه بعد از مدتی کارکردن خاموش میشود، باید سیستم خنککاری و حفاظت حرارتی نیز مورد توجه قرار گیرد.
نکته مهم این است که در تعمیر اینورتر نباید تنها قطعه سوخته را تعویض کرد. مثلاً اگر یک IGBT خراب شده باشد، باید علت خرابی نیز مشخص شود. ممکن است مشکل اصلی از مدار درایور، تغذیه گیت، اتصال کوتاه در خروجی یا حتی خرابی یکی از قطعات بخش اولیه باشد.
مدار داخلی دستگاه جوش اینورتر چه اجزایی دارد؟
وقتی درپوش یک دستگاه جوش اینورتر را باز میکنیم، ممکن است در نگاه اول با تعداد زیادی قطعه و سیم مواجه شویم. اما با کمی دقت میتوان بخشهای اصلی را تشخیص داد.
برد قدرت معمولاً شامل خازنهای بزرگ، هیتسینک، IGBTها، دیودهای قدرت و ترانسفورماتور است. در کنار آن، مدار کنترل و قطعات کوچکتر وظیفه تولید PWM، کنترل جریان و مدیریت حفاظتها را بر عهده دارند.
در بعضی مدلها تمام این قسمتها روی یک برد قرار گرفتهاند و در مدلهای دیگر چند برد جداگانه برای قدرت، کنترل و تغذیه کمکی وجود دارد. یک نمونه برد واقعی اینورتر IGBT نیز شامل هیتسینکهای بزرگ، خازنها، ترانسفورماتور و قطعات کنترلی است.
جمعبندی
در این مقاله از سری مقالههای مجله ابزارآلات دنلکس به بررسی مدار اینورتر جوشکاری پرداخته شد. درک مدار اینورتر جوشکاری زمانی سادهتر میشود که دستگاه را به چند بخش اصلی تقسیم کنیم. برق شهری ابتدا وارد مدار ورودی شده و پس از فیلتر و یکسوسازی، در خازنهای DC ذخیره میشود. سپس IGBTها این انرژی را با فرکانس بالا سوئیچ کرده و به ترانسفورماتور فرکانس بالا منتقل میکنند.
ترانسفورماتور، ولتاژ را کاهش داده و انرژی را به سمت مدار ثانویه منتقل میکند. در ادامه، دیودهای قدرت برق را یکسوشده و سلف و فیلتر خروجی آن را برای جوشکاری آماده میکنند. در تمام این مراحل نیز مدار PWM، درایور، فیدبک جریان و سیستمهای حفاظتی عملکرد دستگاه را کنترل میکنند.
بنابراین برای شناخت مدار دستگاه جوش اینورتر نباید فقط به ظاهر برد یا نام قطعات توجه کرد. مهمتر از آن، شناخت مسیر انرژی و ارتباط میان بخشهای قدرت و کنترل است. با این دیدگاه، مطالعه نقشه مدار اینورتر جوشکاری و انجام تحلیل مدار اینورتر جوشکاری نیز بسیار راحتتر خواهد شد.
در نهایت، باید تأکید کرد که مدار اولیه این دستگاهها میتواند دارای ولتاژهای بسیار خطرناک باشد و خازنهای آن نیز ممکن است پس از خاموششدن دستگاه شارژ باقی بمانند. بنابراین تعمیر و تست عملی مدار داخلی دستگاه جوش اینورتر باید توسط فرد دارای دانش فنی و با رعایت اصول ایمنی انجام شود.
در انتها، لازم به ذکر است که در صورت نیاز به خرید اینورتر جوشکاری میتوانید به وبسایت ابزارآلات صنعتی دنلکس مراجعه نمایید و یا با شماره 53825000-021 تماس بگیرید و ثبت سفارش خود را انجام دهید. پس از تماس، متخصصان فنی دنلکس با ارائه اطلاعات لازم، شما را در راستای خریدی ایدهآلتر یاری خواهند داد.
