4.2 Вентильные генераторы

4.2. Вентильные генераторы

Вентильный сварочный генератор представляют собой электрическую машину переменного тока повышенной частоты с сильноточными полупроводниковыми выпрямителями. В мировой практике встречаются вентильные сварочные генераторы, выполненные на базе электрических машин переменного тока практически всех известных типов.

Принцип работы генератора переменного тока индукторного типа повышенной частоты. Этот генератор выполнен по типу униполярных индукторных машин. Принцип действия их сводится к следующему. Между полюсами статора 1 (рис. 4.2) вращается с постоянной скоростью ротор 2 (магнитный шунт), который изменяет магнитное сопротивление R_м потоку Ф_н между полюсами S и N статора.


Рис. 4.2. Упрощенная электромагнитная схема генератора переменного тока повышенной частоты	Рис. 4.3. Временные диаграммы изменения магнитного потока (а) и ЭДС генератора (б)

Магнитный поток Ф_н, создаваемый w_н в результате изменения R_м при вращении ротора, становится пульсирующим. Он имеет одно направление, но во времени изменяет свою величину (рис. 4.3,а). Пульсирующий поток пересекает витки статорной обмотки w_с, наводит в ней переменную ЭДС, рис. 4.3,б. Пульсирующий магнитный поток Ф можно условно представить как сумму постоянно составляющей Ф₀ с переменной Ф_п, наложенной на постоянную Ф₀:

Ф = Ф₀ + Ф_п.

Поскольку Ф₀ не изменяется во времени, то он не участвует в образовании ЭДС. Поэтому переменная составляющая Ф_п(dФ_п/dt) создает переменную ЭДС в силовой обмотке w_с. При этом максимальная скорость изменения магнитного потока (когда dФ_n/dt максимально) соответствует максимальной ЭДС. Нулевое значение ЭДС соответствует нулевому значению dФ_п/dt. Несмотря на то, что постоянная составляющая Ф₀ не участвует в создании ЭДС, ее роль в работе генератора значительна. Пронизывая индуктор ротора, Ф₀ влияет на степень насыщения железа, а следовательно, и на величину индуктивного сопротивления статорной обмотки w_с. Частота пульсации магнитного потока и частота переменной ЭДС определяется числом пар зубцов ротора и частотой его вращения. Таким образом, один период изменения потока в статоре соответствует повороту ротора на одно зубцовое деление, а частота переменной ЭДС:

f = N_pn,

где N_p – число пар зубцов ротора; n – частота вращения ротора, 1/с.

В конструкциях вентильных генераторов используются синхронные либо индукторные генераторы переменного тока повышенной частоты. За рубежом в состав вентильных генераторов входят в основном синхронные генераторы с ротором полюсной конструкции. Они легче индукторных, проще в изготовлении, но менее надежны из-за наличия скользящего токоподвода. В России используются в основном индукторные генераторы повышенной частоты (150…400 Гц), у которых сварочные свойства лучше, чем у генераторов на 50 Гц.

Индукторный генератор переменного тока (рис. 4.4) имеет зубчатый ротор-индуктор 4, обмотку возбуждения 3, размещенную на статоре 2.

Рис. 4.4. Электромагнитная система индукторного генератора переменного тока

Обмотка возбуждения, запитывается постоянным током и создает постоянную намагничивающую силу. Поток возбуждения Ф_в пронизывает силовую обмотку 1 и имеет пульсирующий характер, так как магнитное сопротивление на его пути меняется при вращении ротора. Поток максимален при совпадении оси силовой обмотки с зубцом ротора и минимален при совпадении с впадиной ротора. Поэтому в силовой обмотке создается переменное напряжение U_г. Полюса, расположенные выше горизонтали, являются южными, а ниже – северными, поэтому такой генератор называют разноименнополюсным.

Характеристика вентильного генератора существенно зависит от типа и количества фаз генератора переменного тока. Отечественные вентильные сварочные генераторы выпускаются на базе трехфазной индукторной одноименно-полюсной электрической машины, содержащей по два пакета статора и ротора из тонколистовой электротехнической стали, рис.4.5. Оба пакета статора запрессованы в стальную станину 2, с которой, следовательно, они магнитно соединены. Пакеты железа ротора 1 запрессованы на стальную втулку, расположенную на валу генератора, и, следовательно, между собой также соединены магнитно. На каждом пакете железа ротора имеются зубцы. Зубцы одного пакета сдвинуты по окружности относительно зубцов второго пакета на π электрических градусов.

Рис.4.5. Индукторный двухпакетный генератор

Силовая обмотка якоря 4 уложена в пазы пакета статора (общая для обоих пакетов), а тороидальная обмотка возбуждения 3 размещена между пакетами железа ротора и жестко прикреплена к станине. Все обмотки (силовая и возбуждения) закреплены на статоре и при работе неподвижны. Поэтому в генераторах полностью отсутствуют скользящие контактные кольца. Такое исполнение вентильных генераторов обеспечивает высокую надежность в эксплуатации.

Выпрямительный блок вентильных генераторов выполняется по трехфазной мостовой схеме из неуправляемых вентилей – диодов, рис.4.6. Напряжение холостого хода такого генератора определяется линейным напряжением U_гл, которое, в свою очередь, зависит от фазного напряжения U_г и схемы соединения обмоток: U_хх=1,35 U_гл. Поскольку генератор переменного тока обычно имеет значительное внутреннее сопротивление фазы за счет повышенной само- и взаимоиндукции, то естественная внешняя характеристика вентильного генератора – падающая. Настройка режима и формирование внешних характеристик осуществляются на стадии переменного тока. Поэтому основное внимание уделено конструкции и работе индукторного генератора.

Рис. 4.6. Принципиальная схема трехфазного вентильного генератора

Достоинства вентильных генераторов заключаются в относительной простоте их конструкции, связанной с тем, что генераторы переменного тока имеют неподвижную силовую обмотку, а индукторные к тому же – и обмотку возбуждения, расположенную на статоре. Вентильные генераторы не имеют коллектора и скользящих контактов. КПД у вентильного генератора около 0,7, тогда как у коллекторного – 0,60…0,65; лучше весовые характеристики: соответственно 0,37…0,42 и 0,55…0,58 кг/А. По сравнению с выпрямителями вентильные генераторы заметных преимуществ не имеют, и поэтому они предназначаются в основном для замены коллекторных генераторов в составе сварочных агрегатов.

Электрическая схема и принцип работы трехфазного вентильного сварочного генератора с самовозбуждением.

На рис. 4.7 представлена принципиальная схема вентильного сварочного генератора. Трехфазная обмотка индукторного генератора своими выводами подключена к трехфазному выпрямительному мосту VD. Сварочный пост питается выпрямленным током.

Рис.4.7. Принципиальная схема вентильного сварочного генератора

Генератор работает с самовозбуждением. После запуска генератора начальное самовозбуждение происходит от остаточного магнетизма в массивных участках магнитной цепи машины, и на зажимах обмоток якоря появляется небольшая ЭДС (3…4 В). Повышающий трансформатор ТV через выпрямитель VD1 начинает питать обмотку возбуждения w_н постоянным током, ЭДС машины возрастает, одновременно увеличивается и ток в обмотке намагничивания, генератор возбуждается до U_xx. С появлением сварочного тока обмотку w_н начинает питать и трансформатор ТА через выпрямитель VD2.

Поскольку естественная внешняя характеристика генератора падающая за счет внутренних индуктивных сопротивлений, то с ростом нагрузки напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора TV, уменьшается, поэтому и ток в обмотке возбуждения падает. Для поддержания постоянства тока в обмотке возбуждения она получает дополнительное питание от трансформатора тока TA. С ростом тока нагрузки напряжение на выходе трансформатора тока ТА увеличивается, поэтому составляющая тока возбуждения от трансформатора тока ТА также увеличивается.

В результате такого «двойного» питания обмотки возбуждения w_н сила тока в ней остается постоянной независимо от тока нагрузки при заданном значении регулятора R. Мгновенные значения амплитуд вторичных напряжений трансформаторов TV и ТА сдвинуты во времени (по фазе), в режиме любой нагрузки оба трансформатора через свои выпрямители VD1, VD2 параллельно питают обмотку намагничивания до режима короткого замыкания. При коротком замыкании работает только трансформатор ТА. Диод VD3 служит для создания электромагнитной энергии, накопленной в индуктивных катушках обмотки намагничивания, и пропускает импульсы тока в промежутках, когда мгновенные значения ЭДС от трансформаторов TV и ТА имеют обратный знак. Таким образом, в вентилях VD1,VD2. и VD3 протекают импульсы выпрямленного тока, сдвинутые во времени, в результате чего обмотка намагничивания питается непрерывным постоянным током (прил. 10 и прил. 11).

Способ настройки режима в сварочных вентильных генераторах плавно-ступенчатый. Реостатом R (рис.4.7), включенным в цепь возбуждения, регулируется эффективность обратной связи по току и, следовательно, плавно регулируется крутизна внешних характеристик генератора. С его помощью сварочный ток регулируется только в пределах определенного диапазона. Изменение диапазона осуществляется скачкообразным (ступенчатым) изменением внутренних сопротивлений (индуктивного и активного) посредством переключений схемы обмотки согласно рис.4.7.

При соединении обмоток треугольником в каждой фазе генератора используются по две параллельно соединенные катушки. Напряжение U_a при соединении фаз по-прежнему треугольником не изменяется: U_xx = 1,35U_г. Однако сопротивление снижается вдвое: Х_э=Х_г/6. Этот вариант обеспечивает диапазон больших токов.

Вентильные генераторы с крутопадаюшей характеристикой выпускаются в основном для комплектации агрегатов с двигателями внутреннего сгорания и предназначены для ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Внешние характеристики генератора с самовозбуждением представлены на рис.4.8. Ступенчатая настройка выполняется переключателем S, при его размыкании вместо двух параллельно работающих в каждой фазе силовых обмоток можно оставить под нагрузкой только одну. При этом вдвое увеличивается индуктивное сопротивление генератора и уменьшается ток. Линиями 1, 2 показаны внешние характеристики при включении только одной обмотки, линиями 3, 4 – при параллельном соединении силовых обмоток, а 5 – нагрузочная характеристика. Изменением сопротивления резистора R меняется глубина обратной связи по току. При положительной обратной связи с ростом сварочного тока (рис. 4.7) увеличивается ток возбуждения и ЭДС генератора, в результате чего формируются более пологие характеристики 2 и 4.

Рис.4.8. Внешние характеристики вентильного генератора

Другие конструкции вентильных генераторов мало отличаются от описанной выше. Выпускается большое количество однопостовых генераторов, они различаются лишь типом приводного двигателя, номинальным током и частотой вращения, иногда способом регулирования. Исключением является преобразователь УДЗ-103УЈ, в состав которого кроме вентильного генератора и электродвигателя входит еще устройство для заряда аккумуляторов. Оригинальное конструктивное оформление имеют двух- и четырехпостовые агрегаты, но они также представляют собой механическое объединение двух- или четырехвентильных генераторов, подобных описанному выше. Многопостовые источники разработаны для сварки магистральных трубопроводов, в их составе имеется также вспомогательный генератор для питания переносного электроинструмента.

Технические характеристики вентильных многопостовых агрегатов приведены в прил.12).

Вопросы для самопроверки (глава 4)

Далее: 5.1.1. Управляемый перенос электродного металла