Высокочастотные инверторы для сварки на переменном токе

Высокочастотные инверторы 
для сварки на переменном токе

Москва, 2023

Бардин В. М., Земсков А. В.

2-е издание, электронное

УДК 621.791.75.03
ББК 34.641.51
Б24

Р е ц е н з е н т: 
Ю. Б. Томашевский – д. т. н., профессор, 
зав. кафедрой «Системотехника» Саратовского государственного 
технического университета имени Ю. А. Гагарина

Б24
Бардин, Вадим Михайлович.
Высокочастотные инверторы для сварки на переменном токе / В. М. Бардин, 
А. В. Земсков. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 145 с. — Москва : ДМК Пресс, 
2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 
4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-436-0

В данной книге приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований 
сварочного инвертора нового типа — высокочастотного инвертора для 
сварки на переменном токе килогерцового диапазона.
Изложены особенности электродуговой сварки металла на переменном токе, 
структура и схемотехника высокочастотных инверторов для сварки на переменном 
токе. Рассмотрены вопросы по электромагнитной совместимости сварочных инверторов 
и обеспечения их групповой работы.
Издание может быть полезно как специалистам по сварочной технике, так и другим 
инженерам, связанным с созданием полупроводниковых преобразовательных 
устройств, а также студентам соответствующих специальностей.

УДК 621.791.75.03 
ББК 34.641.51

Электронное издание на основе печатного издания: Высокочастотные инверторы для сварки 
на переменном токе / В. М. Бардин, А. В. Земсков. — Москва : ДМК Пресс, 2015. — 144 с. — 
ISBN 978-5-97060-311-6. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических 
ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность 
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные 
с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами 
защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.


ISBN 978-5-89818-436-0
© Бардин В. М., Земсков А. В., 2015
© Оформление, ДМК Пресс, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Сведения об авторах ..................................................................5
Предисловие .............................................................................6

1
 Особенности электродуговой сварки металла 
 
на постоянном токе и на переменном токе 
 
промышленной частоты ........................................................7
1.1. Дуга постоянного тока .........................................................................8
1.2. Дуга переменного тока .......................................................................11
1.3. Механизмы переноса электродного металла в дуге .................14
1.4. Предпосылки для создания электросварочных аппаратов 
переменного тока высокой частоты ......................................................16

2
 Структура и схемотехника сварочных инверторов ................19
2.1. Схемотехника и особенности работы инверторных 
сварочных источников с выходом на постоянном токе .................20
2.2. Высокочастотный инвертор для сварки 
на переменном токе .....................................................................................29

3
 Исследование переходных процессов в сварочном 
 
инверторе ..........................................................................32
3.1. Особенности построения компьютерных моделей 
сварочных инверторов ...............................................................................33
3.2. «Быстрые» переходные процессы в сварочном инверторе ...35
3.3. «Медленные» переходные процессы в сварочном 
инверторе ........................................................................................................42
3.3.1. Исследование «медленных» переходных процессов 
на этапе пуска сварочного инвертора ............................................48
3.3.2. Переходные процессы на этапе горения сварочной 
дуги ............................................................................................................54
3.4. Нагрузочная характеристика высокочастотного 
инвертора для сварки на переменном токе .........................................57

4
 Электромагнитная совместимость сварочного инвертора ......63
4.1. Причины и характер помех в сварочном инверторе ................64
4.2. Спектральный состав тока сварочного инвертора ...................73

СОДЕРЖАНИЕ
4

4.3. Излучающая способность сварочного кабеля ...........................84
4.4. Излучающая способность сварочного трансформатора ........90

5
 Коэффициент полезного действия сварочного инвертора .....99

6
 Групповая работа сварочных инверторов ........................... 110
6.1. Проблемы обеспечения групповой работы .............................. 111
6.2. Условия осуществления групповой работы инверторов 
переменного тока ...................................................................................... 116

Литература ........................................................................... 142

Сведения об авторах

Бардин Вадим Михайлович 

Окончил радиотехнический факультет Московского энергетического 
института (1962). Кандидат технических наук, профессор кафедры 
радиотехники Мордовского государственного университета им. 
Н. П. Огарёва. 
Область научных интересов: измерение параметров и исследование 
надежности силовых полупроводниковых приборов, электронное приборостроение, 
производственный менеджмент.
Автор более 170 научных и учебно-методических работ, 30 авторских 
свидетельств и патентов. Подготовил 5 кандидатов наук. 
Занимал должности заместителя директора НИИ силовой электроники, 
проректора Мордовского госуниверситета по научной работе, 
заведующего кафедрой.

Земсков Антон Владимирович

Окончил институт физики и химии Мордовского государственного 
университета им. Н. П. Огарёва (2011). Кандидат технических наук, 
директор Центра трансфера технологий Мордовского государственного 
университета им. Н. П. Огарёва. 
Область научных интересов: силовая электроника, электронное 
приборостроение, производственный менеджмент, инновационный 
бизнес.
Автор более 30 научных и учебно-методических работ, 3 патентов. 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Как и в других областях техники, в соответствии с законами развития 
совершенствуются и сварочные устройства, и сварочные технологии. 
В настоящее время наряду с обычным трансформаторно-
дроссельным оборудованием широкое применение нашли сварочные 
инверторы на полупроводниковых приборах. Они не только существенно 
меньше и легче традиционных аппаратов, но и обладают рядом 
дополнительных опций, облегчающих режим ручной сварки и 
способствующих получению более качественных соединений. Такие 
аппараты выпускают десятки зарубежных и отечественных фирм. 
Однако все они предназначены для осуществления дуговой электросварки 
только постоянным током. Сварка на переменном токе 
пока осуществляется лишь на промышленной частоте с помощью 
сварочных трансформаторов. У группы ученых Мордовского государственного 
университета им. Н. П. Огарёва (г. Саранск) возник 
вполне естественный вопрос: если сварку можно осуществлять на 
частоте 50 Гц, то почему не попытаться сделать то же самое на более 
высокой частоте, например на частоте 50 000 Гц? Был выполнен 
комплекс научных и экспериментальных работ, результаты которых 
изложены в данной книге.
Выявлено, что сварка на частотах ультразвукового диапазона способствует 
снижению дисперсности металла в зоне шва, что увеличивает 
прочность соединения. Кроме того, широкий спектральный 
состав сварочного тока позволяет использовать аппарат в качестве 
генератора для индукционного нагрева металлов.
В ходе работ были изучены динамические процессы, происходящие 
в сварочном инверторе на различных этапах сварочного цикла, 
определена зона оптимальных рабочих частот, изучена проблема 
электромагнитной совместимости сварочного аппарата, показана 
возможность осуществления групповой работы нескольких аппаратов 
для увеличения величины сварочного тока.
По мнению авторов, результаты выполненной работы могут быть 
полезными не только специалистам по сварочной технике, но и 
другим специалистам, связанным с созданием полупроводниковых 
преобразовательных устройств, а также студентам соответствующих 
специальностей. 

СТРАНИЦА
ГЛАВА

Особенности 
электродуговой сварки 
металла на постоянном 
токе и на переменном 
токе промышленной 
частоты

1

2
Структура и схемотехника сварочных 
инверторов
19

3
Исследование переходных процессов 
в сварочном инверторе
32

4
Электромагнитная совместимость 
сварочного инвертора
63

5
Коэффициент полезного действия 
сварочного инвертора
99

6
Групповая работа сварочных инверторов
110

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛА
8

Физика сварочной дуги, металлургические свойства сварочных соединений, 
режимы сварки и другие аспекты сварочного процесса 
достаточно подробно рассмотрены в большом числе работ разных 
авторов. Авторы данной книги не ставили перед собой задачу изложения 
всех физических, химических, технологических особенностей 
электродуговой сварки. Задача состояла в попытке на основе известных 
сведений выявить предпосылки и обосновать возможность 
и целесообразность создания электросварочных устройств для осуществления 
сварки на переменном токе частоты ультразвукового 
диапазона (25–100 кГц). Для этого потребовалось рассмотреть некоторые 
особенности сварочных дуг как постоянного, так и переменного 
тока, поскольку физические процессы их возбуждения и 
горения значительно отличаются.

1.1. Дуга постоянного тока

Электрическую дугу принято рассматривать как цилиндрический 
столб высокотемпературной плазмы, которая обеспечивает перенос 
расплавленного металла с одного электрода на другой [1]. Плазма 
представляет собой сильно ионизированный газ, то есть газ, содержащий 
положительно и отрицательно заряженные частицы (ионы 
и электроны). Ионы и электроны обеспечивают электрический ток 
через область дуги, занятую плазмой. Наличие в плазме заряженных 
частиц определяет целый ряд ее специфических свойств. Например, 
ее взаимодействие с электрическим и магнитным полями.
Протекание по дуге электрического тока приводит к появлению 
в ней собственного магнитного поля. При цилиндрической симметрии 
дугового столба имеется только азимутальная составляющая магнитного 
поля Н (или индукции В = μ0 Н), которая зависит от плотности 
тока. Взаимодействие этого магнитного поля с аксиальной составляющей 
плотности тока приводит к повышению давления в дуге, то есть 
к ее сжатию. Это явление называют пинч-эффектом. Кроме того, параметры 
дуги могут изменяться во времени не только в моменты ее возникновения 
и исчезновения, но и на этапе установившегося горения, 
что вызывает флуктуации сварочного тока источника питания.
Поскольку сварочная дуга является гибким электропроводом 
между электродом и изделием, то, как всякий проводник с током, она 
взаимодействует с внешним магнитным полем. Отклонение столба 
дуги под действием магнитного поля, наблюдаемое в основном при 

ДУГА ПОСТОЯННОГО ТОКА

сварке постоянным током, называется магнитным дутьем. Возникновение 
его объясняется тем, что в местах перегиба тока создается 
различная напряженность магнитного поля. Это приводит к отклонению 
дуги в сторону, противоположную большей напряженности 
магнитного поля. При сварке переменным током, в связи с тем, что 
полярность меняется с частотой тока, это явление наблюдается значительно 
слабее. Возникновение магнитного дутья вызывает непровары 
и ухудшает внешний вид шва. Устранить его можно путем изменения 
места подключения токопровода, угла наклона электрода, 
заменой постоянного тока переменным.
Возбуждение дуги происходит через стадии лавинного и тлеющего 
зарядов, переходящих по мере роста тока в дуговой. Считается, 
что по истечении 10–5–10–4 сек от начала разряда между металлическими 
электродами его параметры приобретают значения, свойственные 
сколь угодно длительно горящей дуге [1].
Плазменный столб дуги, имеющий температуру несколько тысяч 
градусов, не может граничить непосредственно с металлом электродов, 
так как в большинстве случаев точка кипения последних значительно 
ниже температуры столба. Поэтому существуют промежуточные 
слои газа, соединяющие столб с электродами. Температура 
в них постепенно снижается, а с ней и степень термической ионизации 
газа. Эти зоны названы приэлектродными областями дуги – 
катодной и анодной.
Основная доля мощности, нагревающая и плавящая электроды, 
передается им из приэлектродных областей, в то время как роль 
столба в энергетике сварочного процесса сравнительно невелика.
Столб дуги передает энергию в окружающее пространство в основном 
лучеиспусканием. Эти потери при сварочных токах до 300 А не 
превышают 100 Вт, что составляет 3–4% от общей потребляемой 
мощности.
Процессы в анодной и катодной областях существенно различаются, 
поэтому требуют отдельного рассмотрения.
Анодная область. В процессе нагрева и плавления металлов анодная 
область является особенно активной. Изменения длины столба 
в процессе сварки практически не сказываются на величине энергии, 
передаваемой аноду. В сварочных дугах плавящиеся и кипящие 
аноды имеют, как правило, неустойчивую по форме поверхность, 
что вызывает непрерывное перемещение в пространстве анодной 
области. Анодное падение напряжения в сварочной дуге составляет 
Ua  (2,5±1) В и слабо зависит от величины тока.

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛА
10

Установлено, что ток в анодном пятне распределен неравномерно. 
Максимальное значение его плотности в дуге со стальными электродами 
в воздухе достигает 3·103 А/см2, а средняя плотность составляет 
около 1,5·103 А/см2 и остается практически неизменной при токах 
от 160 до 1000 А и длине дуги от 5 до 20 мм [2].
Катодная область. На легкоплавких катодах, примыкающая 
к дуге поверхность которых находится в жидком состоянии и испаряется, 
пятна имеют четкие границы и, как правило, быстро и 
беспорядочно двигаются. Падение напряжения у стального катода 
оценивается в диапазоне от 8 до 18 В, а средняя плотность тока – 
в пределах 1·103–2,6·103 А/см2.
Основным механизмом появления тока считается термоэлектронная 
эмиссия с нагретого катода. Причем при обрыве дуги эта 
эмиссия сохраняется еще некоторое время, постепенно снижаясь 
в течение 1–1,5 мс [2]. Термический характер ионизации газа 
в прикатодной области определяет частые колебания дугового напряжения. 
Колебания Uд достигают 10 В, а их частота составляет 
1000–2000 Гц [1].
Известно, что дуговой разряд даже при кратковременном горении 
оставляет на электродах следы (или отпечатки). Размеры отпечатков 
увеличиваются со временем воздействия дуги на электроды. Это 
обусловлено блужданием дуги, усиливающимся по мере накопления 
на электродах жидкого металла [2].
Кроме того, в дуге имеются мощные потоки ионизированного газа 
с преимущественным направлением вдоль ее оси. Их скорость 
в сварочной дуге со стальными электродами достигает 75–100 м/сек. 
Потоки оказывают силовое воздействие на электроды и расплавленный 
металл, вытесняя его за пределы активной зоны дуги. В результате 
по периметру отпечатков могут образовываться валики металла. 
Считается, что такой поток сообщает «жесткость» дуге вблизи 
катода, поддерживая направление столба перпендикулярно поверхности 
его активного пятна. Интенсивность потоков увеличивается 
с ростом тока.
Электрическая дуга как элемент электрической цепи имеет 
свою вольт-амперную характеристику (ВАХ), обладающую ярко 
выраженной нелинейностью. На рис. 1.1 приведен характерный 
вид динамической характеристики для дуг с различными электродами.

ДУГА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.2. Дуга переменного тока

При заданной частоте f питающего напряжения каждый из электродов 
дуги столько же раз поочередно бывает катодом и анодом. 
В случае существенного различия их физических свойств и геометрических 
размеров в двух соседних полупериодах тока существуют 
разные дуги. Изменение полярности электродов вызывает также 
изменение интенсивности и направления газовых потоков в дуге, 
обусловленных пинч-эффектом и испарением электродов. Ток дуги, 
непрерывно изменяясь, обусловливает изменение радиальных размеров 
столба и температуры отдельных слоев, с током связаны и 
размеры активных пятен на электродах. Все эти процессы в зависимости 
от скорости протекания переходных процессов в столбе и 
на электродах, по сравнению со скоростью изменения тока, обусловливают 
в ряде случаев существенное различие дуг переменного 
и постоянного токов.
На относительно низких частотах, в частности на промышленной 
частоте 50 Гц, переменный ток, проходящий через нуль с удвоенной 
частотой, приводит к тому, что устойчивая дуга погасает и возбуждается 
повторно с периодичностью 50 раз в секунду. Поэтому 
результаты исследования дуг постоянного тока нельзя механически 
переносить на дуги переменного тока.
Существует достаточно много работ по изучению особенностей 
дуговой сварки на промышленной частоте 50 Гц [3, 4]. Гораздо мень-

Рис. 1.1. Динамическая ВАХ открытой дуги 
со стальными электродами различного диаметра

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛА
12

ше материалов по дугам на частоте 400 Гц, и практически отсутствуют 
материалы по сварочным дугам на более высоких частотах, 
в частности килогерцового диапазона. Тем не менее результаты и 
методики исследования дуг переменного тока частотой 50 Гц могут 
оказаться полезными для проведения исследований процессов на 
более высоких частотах.
При питании дуги от источника переменного напряжения кривая 
тока дуги оказывается близкой к синусоиде, а кривая напряжения 
характеризуется ярко выраженными пиками зажигания в начале 
каждого полупериода и почти постоянным значением Uд в остальной 
ее части (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Кривые тока и напряжения 
при сварке на переменном токе

Изучение характеристик дуг, питающихся от источника с частотой 
50 Гц, показало, что ток дуги в момент перехода напряжения 
через нуль хотя и существенно уменьшается, но не достигает нулевых 
значений [2]. Объясняется это, вероятно, достаточно большим 
временем деионизации газового промежутка и большой длительностью 
остывания электродов. Но тем не менее в переходные 
периоды изменения температуры дуги значительны и могут достичь 
1500–2000 °К [2].
Важным фактором, определяющим качество сварного соединения, 
является устойчивость сварочной дуги. Параметры системы 
«электроды – газ столба» могут в процессе их взаимодействия изменяться 
по целому ряду причин. Такими причинами могут быть: 
изменение длины дуги, перемещение капель металла, изменение состава 
газа из-за неравномерного испарения покрытий электродов, 
колебания напряжения питающей сети.
Длительность существования устойчивой дуги переменного тока 
принято характеризовать таким параметром, как постоянная време-