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.

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.

б)4.2

Упрощенная принципиальная схема генератора имеет одну пару щеток и одну пару полюсов (рис. 4.2,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.

а) б)

Рис. 4.2. Упрощенная принципиальная схема (а) и внешние характеристики (б) генератора с независимым возбуждением

Рассмотрим процессы в генераторе в режимах холостого кода 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_r:

Е_r = СФ_н (4.2)

где С=(N/60)(Р/а)n - постоянная генератора; N - число активных проводников обмотки якоря; 2p - число полюсов; 2а - число веток (число параллельных ветвей); n - частота враще­ния якоря, 1/мин.

Эта ЭДС без потерь в якоре подается на клеммы генератора. Следовательно, напряжение холостого хода можно определить из (4.1) и (4.2)

U₀ = E_Г = СФ_Н = СI_НОW_Н /R_мн (4.3)

Из (4.3) следует, что U₀ можно устанавливать изменением тока независимой обмотки реостатом R1, предельные положения реостата дают максимальное и минимальное значение напряжения холостого хода (U₀).

Нагрузка. Режим нагрузки возникает после зажигания дуги. При этом по цепи якоря, последовательной обмотки 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_нр на пути этого потока:

Ф_р= I_д W_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. поток Ф_р направлен встречно потоку Ф_н, то результирующий поток Ф_z равен разности:

Ф_z =Ф_н +Ф_р или Ф_z =Ф_н -Ф_р (4.5)

Поток Ф_z создает ЭДС генератора: Е_r =СФ_z =СФ_н –СФ_р

Напряжение генератора U_r меньше ЭДС Е_r на величину потерь в активном сопротивлении генератора R_r (проводников якоря, коллекторно-щеточного устройства, соединительных проводов).Но этими потерями можно пренебречь

U_Г = E_Г = I_д R_Г = СI_НОW_Н /R_М - С I_д W_р /R_М (4.6.)

Первый член (4.6) соответствует напряжению холостого хода генератора U₀. Коэффициент при I_д во втором члене (4.6) R_э является эквивалентным 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=U₀-I_дR_э (4.8)

Из рис. 4.2,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↑=>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↑=> Ф_р↑=> Ф_z↓=> Е_r↓=> U_r↓.

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

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

I_д=(U₀ – U_д)/ R_э (4.9)

Из выражения (4.9) следует, что при постоянном напряжении нагруз­ки U_д ток можно устанавливать изменением напряжения холостого хода U₀ или эквивалентного сопротивления генератора R_э.

Регулирование напряжения холостого хода U₀ осуществляется изменением тока намагничивания I_но.. в обмотке W_h реостатом R1 (см. рис. 4.2, а). При этом, согласно (4.8), меняется и ток I_д.

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_r генератора и, сле­довательно, к росту сварочного тока I_д.

I_н.о.↑=>Ф_н↑=>Ф_z↑=>E_r↑=>U_r↑=>I_д↑

Из соотношения (4.3) следует, что увеличение тока I_д вызывает также рост напряжения холостого хода U₀. При этом обеспечива­ется плавное регулирование тока нагрузки I_д; но кратность его сравнительно невелика. Поскольку для увеличения тока I_д приходится увеличивать и напряжение холостого хода, то при ограниче­нии U₀ величинами 50-100 В кратность регулирования тока К I_{д max} / I_{д min} не превышает 2-3. Поэтому в современных источниках плавное регулирование изменением U₀ дополняется ступенчатым изменением числа витков, W_p. При увеличении числа витков W_p возрастает Ф_р, что приводит к снижение результирующего потока намагничивания Ф_z и, согласно (4.3), к снижению ЭДС Е_r, напряжения U_r и тока I_д:

W_p↑ =>Ф_р↑ =>Ф_z↓ =>E_r↓ =>U_r↓ =>I_д↓.

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

Уравнение внешней характеристики генератора с балластным реостатом имеет вид:

U_r=U₀ − I_дR_э−I_дR_б= U₀ −I_д (R_э+R_б)

а уравнение для анализа способов регулирования:

I_д=(U₀ −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).

Генератор с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой входит в комплект преобразователя ПД-502У2. В его состав входит трехфазный асинхронный двигатель 10-го типа 4AB-180В2 фланцевого крепления с короткозамкнутым ротором 10 и сварочный генератор 9-го типа ГСО-500. Последовательная обмотка секционирована для ступенчатого регулирования тока перестановкой перемычки на доске зажимов генераторa ДЗГ. Минимальный диапазон токов можно получить подключением балластного реостата R2. Плавное регулирование режима выполняется потенциометром R1 в цепи независимой обмотки. Эта обмотка питается сетевым напряжением через выпрямитель и индуктивно-емкостный преобразователь, стабилизирующий ток возбуждения и сварочный ток при колебаниях напряжения сети.

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.