ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Машины и автоматизация сварочного производства»

 

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы по дисциплине

«Автоматизация сварочных процессов»

 

Составитель     д.т.н., проф. Ленивкин В.А.

 

В методическом указании рассматривается принцип автоматического регулирования напряжения на сварочном генераторе при изменении нагрузки с помощью угольного регулятора. Приводится методика выполнения работы.

Электронная версия лабораторной работы составлена на базе издания: Автоматизация сварочных процессов: Метод. указания /ДГТУ, Ростов н/Д, 2007.

Для студентов всех форм обучения по спе­циальности 150202.

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить работу системы автоматического регулирования напряжения сварочных генераторов с угольными регуляторами напряжения Р-25М, РH-180 и PH-60O и схемы включения угольных регуляторов с генераторами.

 

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

2.1. Теоретические положения

 

Требования к внешней статической характеристике сварочных генераторов определяются условиями сварки. Так, при сварке с частыми короткими замыканиями дугового промежутка для надежного разрыва перемычки жидкого металла между электродом и сварочной ванной, установившееся значение тока короткого замыкания должно превышать пиковое значение тока короткого замыкания минимум в два раза. Для таких случаев наиболее подходящей является пологопадающая или жесткая характеристика источника питания.

Жесткая статическая характеристика источника питания необходима при многопостовой сварке для обеспечения независимой работы сварочных постов, а также при газоэлектрической сварки плавящимся электродом.

Машины постоянного тока, применяемые для питания сварочной дуги и способу возбуждения, делятся на: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

У генераторов с независимым возбуждением (рис.1) обмотка возбуждения питается от независимого источника постоянного тока. Цепь возбуждения генератора электрически не связана с цепью якоря, поэтому величина тока в обмотке возбуждения зависит исключительно от величины сопротивления цепи возбуждения и подводимого к ней напряжения.

 

 

У генераторов с самовозбуждением обмотка возбуждения питается за счет электродвижущей силы, которая наводится в обмотке якоря собственного генератора. В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря генераторы с самовозбуждением подразделяют на генераторы с параллельным, последовательным смешанным возбуждением (рис. 2).

Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением приведена на рис. 3,а. Анализ этой характеристики показывает, что с ростом тока нагрузки напряжение на выходе генератора уменьшается (при постоянной скорости вращения и постоянном токе возбуждения). Объясня­ется это размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения I_я ×r_я в цепи обмотки якоря:

 

U = Е_а – I_я ×r_я,

 

где Е_а = рN_nФ/(60а) = k_nФ, величина рN/(60а) для каждой машины постоянная.

 

 

Рис.3. Внешние статические характеристики генерато­ров: а – с независимым возбуждением; б – с парал­лельным возбуждением

 

Обмотка возбуждения генератора с параллельным возбуждением по­лучает питание электрическим тоном от цепи якоря (рис.2).

Самовозбуждение этих генераторов основано на наличии остаточ­ного потока намагничивания в полюсах машины.

При вращении якоря генератора в его обмотке за счет слабого магнитного потока Ф_ост наводится остаточная Э.Д.С. Е_ост = (2…3%)Е_н, которая создает в обмотке возбуждения небольшой ток возбуждения. Ток возбуждения, проходя по обмотке возбуждения, при одинаковом (согласованном) направлении намагничивающего и остаточного потоков усиливает магнитный поток полюсов и вызывает соответствующее увеличение Э.Д.С., которое наводится в обмотке якоря. Увеличение Э.Д.С. влечет за собой увеличение тока возбуждения, а с ним и увеличение магнитного потока главных полюсов.

Внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением приведена на рис.3, б.

Если у генераторов с независимым возбуждением ток возбуждения оставался неизменным, то у генераторов с параллельным возбуждением он меняется с изменением нагрузки.

При увеличении нагрузки, напряжение на зажимах генератора под влиянием реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря уменьшается. Снижение напряжения U_Г вызывает уменьшение тока возбуждения.

В свою очередь, уменьшение I_В вызывает ослабление основного магнитного потока, а, следовательно, снижение Э.Д.С. и напряжения на зажимах генератора. С уменьшением напряжения происходит дальнейшее уменьшение тока возбуждения. При этом магнитная система генератора постепенно размагничивается.

В генераторе с параллельным возбуждением ток нагрузки увеличи­вается лишь до определенного критического значения I_КР, превышающего номинальное значение не более чем в 2,0…2,5 раза.

Вначале, когда магнитная система генератора насыщена, размагничивание идет медленно и напряжение U изменяется незначительно, вследствие чего ток в цепи якоря увеличится. Однако, при дальнейшем увеличении тока, степень насыщения магнитной системы резко уменьшается, и напряжение начинает быстро падать. Преобладающим уже будет падение напряжения, а не уменьшение сопротивления цепи. Поэтому ток, достигнув критического значения, начнет уменьшаться. При коротком замыкании ток возбуждения будет равен нулю, так как U = 0 и I_В = U/r_В. Величина тока короткого замыкания I_кз будет определяться только величиной Э.Д.С. остаточной индукции, т.е. I_кз = Е/r_Я.

Относительно жесткую внешнюю характеристику имеют компаундные сварочные генераторы (CГ-1000) и генераторы с независимым возбуждением с подмагничивающей сериесной обмоткой (ПСГ-500). Однако, точность поддержания напряжения на клеммах этих генераторов, как прави­ло, не удовлетворяет требованиям многопостовой сварки и сварки в углекислом газе, когда напряжение генератора составляет 18…30 В при изменении тока нагрузки в широком диапазоне.

 Для получения жесткой внешней характеристики в широком диапазо­не изменения тока и напряжения наиболее целесообразно применение регуляторов напряжения, например, угольных.

В зависимости от того, поддерживает система автоматического регулирования значение регулируемого параметра точно или приближенно, различают статическое и астатическое регулирование (рис. 4).

 

 

Рис.4. Регулировочные кривые: 1 – астатическое; 2 – статическое

 

При астатическом регулировании регулируемая величина всегда возвращается в процессе регулирования к своему начальному или за­данному значению, при статическом регулировании регулятор не приво­дит регулируемый параметр после изменения нагрузки к заданному значению, т.е. существует так называемая остаточная неравномерность или статическая ошибка.

Характеристика астатического регулирования представляет пря­мую линию 1, параллельную оси абсцисс (рис. 4). При статическом регулировании регулировочная характеристика в общем случае имеет вид кривой линии 2.

Для суждения о величине нерав­номерности в случае статического регулирования служит коэффициент неравномерности или статизм S, выраженный отношением: S = U_ХХ – U_Н/U_СР, где U_СР = (U_ХХ + U_Н)/2

В случае статического регулирования необходимо знать статизм. Так как каждый технологический процесс требует определенной точности поддержания регулируемой величины, рассматриваемые регуляторы являются регуляторами статического типа.

 

2.2. Устройство и принцип действия угольного регулятора Р26АM

 

Чувствительным элементом угольного регулятора служит столбик, набранный из угольных шайб. Их характерной особенностью является способность изменять электрическое сопротивление под воздействием осевой силы. Чем больше сжимающая сила действует на столбик, тем меньше его сопротивление:

R = R_ί + 1/p_k,

где R_ί – постоянная величина; Р – приложенное к датчику усилие; k – постоянный эмпирический коэффициент.

Угольный регулятор состоит из двух основных элементов: угольного столба – переменного сопротивления, изменяющего величину тока возбуждения генераторами и электромагнита, воспринимающего изменение напряжения генератора. Воздействие электромагнита на угольный столб осуществляется через якорь электромагнита.

Простейшая схема регулятора показана на рис. 5. Обмотка 1 электромагнита, расположенная в корпусе 2 на якоре 3 и подключена к клеммам генератора через сопротивление температурной компенсации R1 и регулируется сопротивлением R.

 

 

Рис.5. Схема угольного регулятора Р25 AM:

 

В полости мембраны (на дне) жестко закреплен стальной якорь 5. Притяжению якоря 5 к сердечнику электромагнита противодействует чашечная мембрана 6. На дне мембраны с противоположной стороны якоря укреплен держатель 7 с угольным контактом 8, на который опирается торец угольного столба 9.

Угольный столб 9, состоящий из набора тонких угольных шайб, заключен в керамическую трубку 10, укрепленную в ребристом корпусе. Противоположный торец угольного столба опирается в другой угольный контакт 13, установленный в держателе 14, укрепленный во фланце 15 ребристого корпуса 11. Корпус 11 с корпусом 2 соединены посредством шпилек 12.

Угольный столб в нерабочем состоянии испытывает давление, задаваемое мембраной вследствие ее прогиба при ввертывании регулировочного винта 4 с контактом 13 во фланец корпуса. Угольный столб включен последовательно в цепь обмотки возбуждения генератора.

При работе генератора с регулятором угольный столб является переменным сопротивлением, величина которого изменяется в связи с изменением давления якоря электромагнита на столб.

Таким образом, электромагнит регулятора реагирует на изменения напряжения генератора, изменяет давление якоря на угольный столб, а последний, в свою очередь, изменяя сопротивление, регулирует ток возбуждения, а, следовательно, и напряжение генератора.

На якорь электромагнита действуют тяговое усилие электромагнита, упругая реакция угольного столба и противодействующее им усилие мембраны якоря, созданное прогибом ее в процессе настройки. В случае равновесия указанных сил якорь находится в покое.

Принципиальная схема регулятора показана на рис. 6. Она отличается от схемы простейшего регулятора наличием в ней ряда элементов призванных повысить точность и устойчивость работы регулятора.

В процессе работы при пере­ходных режимах, вызванных рез­ким изменением нагрузки, наблюдаются колебания напряжения и токи возбуждения генератора.

При изменении напряжения генератора якорь электромагнита перемещается и изменяет сопротивление угольного столба, а, следовательно, и ток возбуждения генератора. В силу своей инер­ционности регулятор изменит сопротивление угольного столба больше, чем это следует для обеспечения требуемого напряжения. Затем якорь регулятора переместится в обратную сторону и явление колебания повторится вновь до полного затухания. Изменение напряжения регулятора всегда отстает от изменения сопротивления угольного столба регулятора.

 

Рис. 6. Принципиальная схема угольного регулятора

 

Для создания динамической устойчивости работы регулятора напряжения, т.е. способности регулятора напряжения не создавать незатухающе колебания напряжения при переходных режимах генератора, в схеме регулятора предусмотрено стабилизирующее сопротивление R2, которое способствует уменьшению колебаний и их затуханию (рис.6). Направление и величина тока, проходящего через стабилизирующее сопротивление зависит от потенциалов точек А и С. Потенциал точки С постоянен.

При переходных процессах ток, проходящий по стабилизирующему сопротивлению, создает дополнительное падение напряжения на сопротивлении температурной компенсации R_L, которое соответствует затуханию колебательных процессов.

Так, например, при уменьшении нагрузки, вследствие инерционности системы, в первый момент напряжение генератора увеличивается. При этом ток, протекающий по стабилизирующему сопротивлению, не изменяется, т.к. потенциалы точек А и С изменяются в равной степени. После того, как сопротивление угольного столба увеличится, напряжение генератора начинает понижаться. С увеличением сопротивления угольного столба ток, протекающий по стабилизирующему сопротивлению, увеличивается. При этом возрастает падение напряжения на сопротивлении температурной компенсации R1, что равносильно увеличению самого сопротивления. Вследствие этого ток в рабочей об­мотке регулятора (в обмотке электромагнита) уменьшается. Это умень­шение снижает напряжение на генераторе, предотвращая перерегулирование и колебание системы.

Во время установившегося режима работы ток, протекающий по стабилизирующему сопротивлению R2 или складывается с током основной обмотки электромагнита и регулируемым сопротивлением R1, что вызывает дополнительное падение напряжения на сопротивлении температурной компенсации, или вычитается из него, что уменьшает падение напряжения на этом сопротивлении. Поэтому, при малом со­противлении угольного столба (велика нагрузка) регулируемое напряжение несколько понижается, а при большом сопротивлении – увеличивается.

Таким образом, стабилизирующее сопротивление вносит дополнительный статизм в систему. Для уменьшения статизма при большой нагрузки в цепь стабилизирующего сопротивления включают диод (регулятор PH I80), запирающий цепь стабилизации на низких ско­ростях вращения генератора.

С повышением температуры сопротивление рабочей обмотки регуля­тора растет, величина тока в рабочей обмотке соответственно умень­шается. Поэтому, если не принять определенных мер, будет возрас­тать напряжение, поддерживаемое регулятором. Для предотвращения этого в схеме предусмотрена температурная компенсация.

Температурная компенсация осуществляется:

во-первых, включени­ем последовательно с рабочей обмоткой константанового сопротивле­ния R1, величина которого при изменении температуры практически не изменяется;

во-вторых, подключением обмотки температурной компенсации L2 на клеммы генератора через регулируемое сопротивле­ние ВС ~25 (рис. 6). Направление магнитного поля этой обмотки противоположно направлению поля, создаваемого рабочей обмоткой L1.

Вследствие заданного соотношения сопротивлений (R1 и об­мотки L2, а также числа витков обмотки L1 и L2) изменение ампервитков обмоток при изменении температуры в значительной степени компенсируется, чем снижается влияние температуры на величину поддерживаемого регулятором напряжения.

Исследование процесса регулирования напряжения рассматрива­ется на примере генератора с параллельной обмоткой возбуждения (рис.7).

В регуляторах рассматриваемого типа с ростом тона нагрузки, сопротивление угольного столба изменяется таким образом, что ток возбуждения несколько возрастает. Поэтому сварочные генераторы с угольными регуляторами имеют более «жесткие» внешние характеристики по сравнению с генераторами независимого возбуждения, где I_В = f(t)

 

3. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

 

1. Изучить принцип работы и конструкцию угольного регулятора напряжения Р-25А, РН-180, РН-600.

2. Снять статическую характеристику генератора без регулятора и с регулятором U = f(I_Н).

3. Определить изменение тока возбуждения генератора с изменением нагрузки I_В = f(I_Н).

4. Определить статизм регулятора с помощью источника противоЭДС.

5. Нарисовать принципиальную схему экспериментальной установки с внешними соединениями.

 

Состав экспериментальной установки приведен в табл.1.

 

Таблица 1

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Собрать схему для определения изменения тока возбуждения генератора с изменением нагрузки.

2. Снять статическую вольтамперную характеристику генератора без регулятора.

3. Снять статическую вольтамперную характеристику с регуляторами Р-25А, РН-180, РН-600.

4. Определить статизм системы с различными регуляторами.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

1. Цель работы.

2. Рабочее задание.

3. Принципиальная электри­ческая схема регулятора.

4. Электрическая схема установки.

5. Результаты исследования в виде таблиц.

6. Графики статических характеристик системы с регулятором и без регулятора.

7. Графики зависимости тока возбуждения от тока нагрузки.

 

Таблица наблюдений

 

6. ЛИТЕРАТУРА

 

1. Техническое описание и инструкция по монтажу и эксплуатации регуляторов напряжения Р-25А, РН-180, РН-600.

2. Паленый Э.Г. Оборудование самолетов. «Машиностроение», 1968.

3. Нечаев В.В. Электрические машины. «Высшая школа», I967.

4. Ленивкин В.А. Автоматизация сварочных процессов. Учеб. пособие. /ДГТУ, Ростов н/Д. 2008. – 162 с.

 

7. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ при выполнении лабораторной работы

1. Схему экспериментальной установки включать только после проверки ее преподавателем.

2. Не включать агрегат под нагрузкой.