Назад: 3.6.3. Источники с постовыми полупроводниковыми устройствами

Глава 4. СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Сварочные генераторы преобразуют механическую энергию вращения якоря в электрическую энергию постоянного тока.

Сварочные генераторы являются составной частью вращающихся источников питания. Их иногда называют машинными источниками питания (ИП). Вращающиеся ИП состоят из сварочного генератора и приводного двигателя. В качестве приводного двигателя используется либо электрический, либо двигатель внутреннего сгорания: бензиновый или дизельный.

Вращающийся ИП, состоящий из сварочного генератора и электродвигателя в однокорпусном исполнении, называют сварочным преобразователем. Сварочный генератор в комплекте с отдельным двигателем внутреннего сгорания, соединенные между собой муфтой сцепления, называют агрегатом. Агрегаты применяются в основном при ручной сварке в полевых условиях или монтаже, где отсутствует электрическая сеть питания.

В данном пособии изучаются только генераторы. Различают коллекторные и бесколлекторные (вентильные) сварочные генераторы.

В сварочной технике применяются генераторы: коллекторные с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой; с самовозбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой; универсальные с независимым возбуждением; вентильные – с индукторным трехфазным генератором переменного тока повышенной частоты и трехфазной мостовой схемой выпрямления.

Требования к вращающимся источникам постоянного тока регламентируются ГОСТ 304-82 «Генераторы постоянного тока для дуговой сварки», ГОСТ 2402-82 «Агрегаты сварочные с двигателем внутреннего сгорания» и ГОСТ 7237-82 «Преобразователи постоянного тока для дуговой сварки». Эти источники обеспечивают легкое зажигание и устойчивое горение дуги. Существенным недостатком вращающихся источников является сложность конструкции и высокая трудоемкость изготовления, особенно коллекторных генераторов и приводных двигателей внутреннего сгорания. Они существенно дороже трансформаторов и выпрямителей. В связи с этим в настоящее время вместо коллекторных выпускаются вентильные генераторы. Однако парк коллекторных генераторов в эксплуатации довольно велик, поэтому в учебном пособии рассмотрен в качестве примера лишь один представитель большого семейства коллекторных генераторов.

4.1. Коллекторные генераторы

Рассмотрим генератор независимого возбуждения с последовательной размагничивающей обмоткой. Коллекторные генераторы с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей (или подмагничивающей) обмоткой получили применение только в соединении с электродвигателями переменного тока, так как независимая обмотка возбуждения питается от той же сети, что приводной электродвигатель. К генераторам этого типа относятся ГСО-300 и ГСО-500. Генераторы ГСО-500 входят в состав преобразователей типа ПД-501, предназначенных для механизированной сварки под флюсом и для ручной дуговой сварки, а ГСО-300 – в состав преобразователя ПСО-300 для ручной дуговой сварки (прил.10 и прил.11). Описание конструкции и принципа действия коллекторного сварочного генератора приведено в прил. 17.

В отличие от не сварочных (силовых) генераторов постоянного тока независимого возбуждения, имеющих жесткую характеристику, магнитная система и расположение катушек намагничивающей и размагничивающей обмоток у сварочного генератора типа ГСО независимого возбуждения асимметричны. У этих генераторов применяется полное или частичное разнесение катушек намагничивающей и размагничивающей обмоток по основным полюсам разной полярности, что связано с требованиями технологии процесса сварки, для которого предназначен генератор. Разнесение обмоток улучшает динамические свойства генератора и влияет на форму его внешней характеристики.

Упрощенная принципиальная схема генератора имеет одну пару щеток и одну пару полюсов (рис.4.1,а). На одном из полюсов генератора намотана независимая обмотка намагничивания w_н, получающая питание от постороннего источника постоянного тока. На другом полюсе – размагничивающая обмотка w_р, включенная последовательно с якорем и нагрузкой. Таким образом, магнитный поток создается совместным действием независимой и последовательной обмоток. Это обеспечивает, как будет показано ниже, формирование крутопадающей внешней характеристики генератора. Плавное регулирование напряжения генератора осуществляется реостатом R₁, ступенчатое – изменением числа витков последовательной обмотки w_р переключателем S и включением балластного реостата R₂.

Рис.4.1. Упрощенная принципиальная схема (а) и внешние характеристики (б) генератора с независимым возбуждением

Рассмотрим процессы в генераторе в режимах холостого хода и нагрузки.

Холостой ход. В этом режиме цепь якоря разомкнута и сварочный ток I_д, а следовательно, и магнитный поток обмотки размагничивания Ф_р равны нулю. По обмотке w_н идет ток от независимого источника питания, создающий намагничивавший поток Ф_н, который зависит от числа витков в обмотке w_н и магнитного сопротивления R_мн на пути потока:

Ф_н = I_н.о.w_н/R_мн. (4.1)

В обмотке вращающегося якоря наводится ЭДС Е_г:

Е_r = СФ_н, (4.2)

где С – постоянная генератора,

,

где - число пар полюсов; n - число оборотов якоря, мин.; N – число активных проводников обмотки якоря; – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

ЭДС без потерь в якоре подается на клеммы генератора. Следовательно, U_xx можно определить из (4.1) и (4.2):

U_xx = E_г = СФ_н = СI_ноw_н /R_мн. (4.3)

Из (4.3) следует, что U0 можно положением реостата менять ток I_но независимой обмотки возбуждения w_u, предельные положения реостата дают максимальное и минимальное значение U_xx. Это напряжение можно регулировать в широких пределах, изменяя ток независимой обмотки резистором .

Нагрузка. Режим нагрузки возникает после зажигания дуги. При этом по цепи якоря, последовательной обмотке w_р и дуге проходит сварочный ток I_д. Он создает размагничивающий поток Ф_р, зависящий от числа витков обмотки w_p и магнитного сопротивления R_мр на пути этого потока:

Ф_р = I_дW_p/R_мр. (4.4)

Поток последовательной обмотки замыкается по тому же пути, что и поток Ф_н, поэтому R_мр = R_мн = R_{м т.к}. Если поток Ф_р направлен встречно потоку Ф_н, то результирующий поток Ф_z равен разности:

Ф_z = Ф_н – Ф_р. (4.5)

Поток Ф_z создает ЭДС генератора:

Е_r = СФ_z = С(Ф_н – Ф_р).

Напряжение генератора U_r меньше ЭДС Е_r на величину потерь в активном сопротивлении генератора R_r (в проводниках якоря, коллекторно-щеточном устройстве, в соединительных проводах). Но этими потерями можно пренебречь:

U_г = E_г = I_дR_Г = С×I_ноw_н – С×I_дw_р/R_м. (4.6)

Первое слагаемое в правой части (4.6) соответствует U_xx генератора. Коэффициент при I_д во втором слагаемом (4.6) называют сопротивлением R_э, которое эквивалентно размагничивающему действию последовательной обмотки:

R_э = Сw_р/R_м. (4.7)

С учетом (4.7) получим уравнение внешней характеристики генератора с последовательной размагничивающей обмоткой:

U_r = U_xx – I_дR_э. (4.8)

Из рис. 4.1,б, построенного по (4.8), видно, что при достаточно большой величине R_э с ростом тока I_д напряжение генератора U_r падает:

I_д Þ U_r¯.

Формирование падающей характеристики генератора объясняется тем, что с увеличением сварочного тока I_д возрастает поток последовательной обмотки Ф_р (4.4), это приводит к снижению результирующего потока Ф_z (4.5), снижается ЭДС Е_r и напряжение генератора U_r:

I_д Þ Ф_р Þ Ф_z¯ Þ Е_г¯ Þ U_г¯.

Падающая внешняя характеристика генератора с последовательной обмоткой получается благодаря ее размагничивавшему действию.

Настройка режима. Из уравнения (4.8) при равенстве напряжений дуги и генератора (U_д = U_г) получаем уравнение для оценки способов настройки (регулирования) тока:

I_д = (U_хх – U_д)/R_э. (4.9)

Из выражения (4.9) следует, что при постоянном напряжении нагрузки U_д ток можно устанавливать изменением U_хх или эквивалентного сопротивления генератора R_э.

Регулирование U_хх осуществляется изменением тока намагничивания I_но в обмотке w_н реостатом R₁ (рис.4.1,а). При этом, согласно (4.8), ток I_д меняется.

Приведем физическое толкование этого способа регулирования. При росте тока I_н.о увеличивается магнитный поток независимой обмотки Ф_н (4.1), а следовательно, и результирующий поток Ф_z (4.5). Это приводит к увеличению ЭДС E_г генератора и, следовательно, к росту сварочного тока I_д:

I_н.о. Þ Ф_н Þ Ф_z Þ E_г Þ U_г Þ I_д.

Из соотношения (4.3) следует, что увеличение тока I_д вызывает также рост U_xx. При этом обеспечивается плавное регулирование тока нагрузки I_д; но кратность его сравнительно невелика. Поскольку для увеличения тока I_д приходится увеличивать U_xx до 50…100 В, кратность k регулирования тока выражена отношением I_дmax/I_дmin и не превышает 2…3. Поэтому в современных источниках плавное изменение U_хх дополняется ступенчатым изменением числа витков w_p. При увеличении числа витков w_p возрастает Ф_р, что приводит к снижению результирующего потока намагничивания Ф_z и, согласно (4.3), к снижению ЭДС Е_г, напряжения U_г и тока I_д:

W_p Þ Ф_р Þ Ф_z¯ Þ E_г¯ Þ U_г¯ Þ I_д¯.

Обычно ограничиваются двумя степенями регулирования при k=2. Реже ступенчатое регулирование выполняют с помощью балластного реостата с сопротивлением R₂, устанавливаемым последовательно с дугой в сварочную цепь.

Уравнение внешней характеристики генератора с балластным реостатом имеет вид

U_г = U_хх − I_дR_э − I_дR_б = U_хх − I_д(R_э + R_б),

а уравнение для анализа способов регулирования:

I_д = (U_хх − U_д)/(R_э + R_б),

откуда следует, что с увеличением R_б ток I_д снижается. Регулирование режима выполняется плавно (изменением тока независимой обмотки) и грубо (изменением последовательной обмотки и включением балластного реостата).

Далее: 4.2. Вентильные генераторы