Роль источника питания при дуговой и электрошлаковой сварке

Внешние характеристики источника питания

Рассмотрим сварочную цепь с однопостовым источником питания (рис. 1.3), где Z_л – сопротивление линии, соединяющей источник с потребителем.

Поскольку потребитель (дуга, шлаковая ванна) является активным, мощность, потребляемая им, в первом приближение равна произведению действующих значений тока и напряжения:

.

Обычно сопротивлением линии можно пренебречь, тогда напряжение на зажимах потребителя в установившемся режиме равно напряжению на зажимах источника, а мощность, отдаваемая потребителю,

.

Рис. 1.3. Общая схема сварочной цепи с источником питания

 

Таким образом, величина энергии, расходуемая при сварке, пропорциональна напряжению на зажимах источника и току, развиваемому им, в сварочной цепи.
В свою очередь ток и напряжение источника связаны между собой определенной зависимостью, называемой его внешней характеристикой.

Различают три вида внешних характеристик (рис. 1.4): возрастающие (1), жесткие и пологопадающие (2, 3), крутопадающие (4, 5).

Рис. 1.4. Виды внешних характеристик источников питания

 

Источники питания для сварки обычно имеют либо жесткие, или близкие к ним пологопадающие, либо крутопадающие характеристики. В первом случае напряжение на зажимах источника при увеличении тока остается неизменным или незначительно уменьшается. У источников с крутопадающими характеристиками рост тока сопровождается значительным снижением напряжения.

Напряжение на зажимах источника при разомкнутой цепи называется напряжением холостого хода (U₀), величина тока источника при замкнутых зажимах – током короткого замыкания (I_K). Таким образом, в источнике с падающей внешней характеристикой при увеличении тока от нуля до I_K напряжение снижается с U₀ до нуля.

В общем случае внешние характеристики источников являются нелинейными, поэтому полезно ввести понятие о дифференциальном сопротивлении.

Дифференциальным сопротивлением нелинейного элемента называют предел отношения приращений напряжения к соответствующему приращению тока. Применительно к источнику питания оно равно

. (1.1)

При возрастающей характеристике ρ_и >0, при жёсткой ρ_и =0 и при падающей ρ_и <0.

Дифференциальное сопротивление, являющееся математическим понятием, выводимым из внешней характеристики, следует отличать от внутреннего сопротивления источника, которое в зависимости от его конструкции может иметь различную физическую природу. Лишь в частном случае, когда внутреннее сопротивление источника является активным и линейным, оно численно равно абсолютной величине дифференциального сопротивления (рис. 1.4, характеристика 5).

 

Сварочные трансформаторы

Сварочные выпрямители

4.1 Элементы преобразования в источниках питания и схемы силовых выпрямительных блоков

В современных источниках питания для сварки, в особенности специализированных, широко применяются устройства, осуществляющие преобразование переменного тока в постоянный или, наоборот, постоянного в переменный. Преобразователи с естественной коммутацией, составленные из таких элементов, как трансформаторы, реакторы, конденсаторы и вентили, применяются для передачи энергии между двумя цепями переменного тока разных частот или между цепями переменного и постоянного тока как в одном, так и в обоих направлениях. Преобразователи с естественной коммутацией могут быть подразделены на две большие группы:

– преобразователи, обеспечивающие передачу потока энергии между системами переменного и постоянного тока;

– преобразователи, обеспечивающие передачу потока энергии между двумя системами переменного тока, которые работают при различных напряжениях или частотах (специальные преобразователи).

Преобразователи с естественной коммутацией, относящиеся к первой группе и соединяющие системы переменного и постоянного тока, могут быть управляемыми и неуправляемыми. Для снижения потребления реактивной мощности на стороне постоянного тока управляемого преобразователя можно присоединить шунтирующий диод. В неуправляемых преобразователях или управляемых преобразователях с шунтирующим диодом энергия может передаваться только из системы переменного тока в систему постоянного тока, следовательно такие преобразователи могут работать только в выпрямительном режиме.

Управляемые преобразователи могут передавать энергию в обоих направлениях. Когда энергия передается из системы переменного тока в систему постоянного тока, происходит преобразование переменного напряжения в постоянное – выпрямление. Когда энергия передается в противоположном направлении, происходит преобразование постоянного напряжения в переменное – инвертирование.

В сварочных источниках питания даже управляемые преобразователи передают энергию, как правило, только в одном направлении.

Неуправляемые и управляемые преобразователи, передающие энергию только из системы переменного тока в систему постоянного тока, называют выпрямителями. Управляемые преобразователи, передающие энергию только из системы постоянного тока в систему переменного тока, называют инверторами.

В сварочных источниках питания, за некоторыми исключениями, в основном используются преобразователи, обеспечивающие передачу потока энергии между системами переменного и постоянного тока, т. е. преобразователи первой группы.

Выпрямители для дуговой сварки отличаются многочисленностью конструктивных решений и многообразием внешнего вида. Вместе с тем они имеют и общие элементы: силовой трансформатор, выпрямительный блок, пускорегулирующую, измерительную и защитную аппаратуру. В специализированных выпрямителях содержится ряд других элементов, облегчающих ведение процесса сварки. Ниже рассмотрим функции, которые выполняют отдельные элементы сварочных выпрямителей, и их устройство.

Универсальные выпрямители

Универсальные выпрямители применяют при ручной и автоматической сварке, сварке под флюсом и в защитных газах. Области применения этих выпрямителей обеспечиваются их внешними характеристиками, которые могут быть как крутопадающими, так и жесткими пологопадающими.

Источники питания серии ВДУ обеспечивают плавное регулирование выходных тока и напряжения, стабилизацию напряжения при изменениях напряжения сети. Выпрямители серии ВДУ имеют однокорпусное исполнение, принудительное охлаждение и емкостный фильтр от помех радиоприему, создаваемых при сварке.

Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДУ-504 представлена на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Принципиальная схема выпрямителя ВДУ-504

 

Основой выпрямителя является понижающий трансформатор, имеющий одну первичную и две вторичные обмотки, соединенные в две обратные «звезды» через уравнительный реактор Др₁. Обмотки выполнены алюминиевым проводом АСПД. Фазы первичной обмотки в зависимости от требуемого режима соединяются с помощью пакетного переключателя В₂ либо «треугольником», либо «звездой». Соединение «треугольником» производят при работе с падающей ВАХ или для первой ступени регулирования при работе с жесткой ВАХ. Соединение «звездой» применяют при жесткой форме ВАХ для второй ступени регулирования. Выпрямительный блок собран по шестифазной схеме на тиристорах Т-160. Тиристоры последовательно соединены с фазами вторичных обмоток трансформатора. Катоды тиристоров соединены вместе и образуют положительный полюс выпрямителя. Отрицательный полюс – средняя точка уравнительного реактора Др₁.

В цепь выпрямленного тока встроен линейный дроссель Др₂ для сглаживания пульсации тока и уменьшения разбрызгивания. У дросселя имеются два вывода. Первый вывод соответствует большей индуктивности и его используют при работе с ВАХ падающей формы и в первом диапазоне жестких ВАХ; второй – во втором диапазоне жестких ВАХ.

В состав выпрямителя входит блок фазового управления тиристорами. В качестве датчика сварочного тока используется усилитель УМ на тороидальных сердечниках. Через окно сердечника проходит провод, по которому идет выпрямленный сварочный ток. Этот провод является обмоткой управления магнитного усилителя. Рабочие обмотки магнитного усилителя включены последовательно с однофазным выпрямительным мостом на вторичное напряжение вспомогательного трансформатора. Сигнал обратной связи, пропорциональный сварочному току, снимается с резистора, включенного на входе выпрямительного моста. Таково устройство блока обратной связи по току и напряжению (БОСТиН).

Для выпрямителей на токи более 1000 А рациональна установка ти-ристорного регулятора в первичной цепи трансформатора подобно тому, как это было выполнено в конструкции тиристорного трансформатора (разд. 3.3). При этом снижается коммутируемый тиристорами ток, что позволяет использовать маломощные массовые тиристоры без их параллельного соединения.

 

5. Сварочные преобразователи, агрегаты
и генераторы

Общие сведения

Для сварки на постоянном токе источниками питания могут служить также электромашинные сварочные преобразователи, сварочные агрегаты и генераторы, которые должны удовлетворять требованиям, регламентируемым следующими стандартами: ГОСТ 7237-82 «Преобразователи постоянного тока для дуговой сварки», ГОСТ 2402-82 «Агрегаты сварочные с двигателями внутреннего сгорания» и ГОСТ 304-82 «Генераторы постоянного тока для дуговой сварки».

Сварочный преобразователь состоит из генератора постоянного тока и приводного асинхронного короткозамкнутого электродвигателя, сварочный агрегат – из генератора и двигателя внутреннего сгорания. При этом ротор приводного двигателя и якорь генератора расположены на общем валу, двигатель и генератор имеют общий корпус и представляют единую конструкцию.

Сварочные преобразователи бывают однопостовыми и многопостовыми. Многопостовые преобразователи имеют жесткую внешнюю характеристику и применяются для централизованного одновременного питания током нескольких постов для ручной дуговой сварки. Однопостовые преобразователи, используемые для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом, изготавливают с падающей внешней характеристикой, а используемые для механизированной и автоматической сварки в защитных газах – с жесткими внешними характеристиками.

Сварочные агрегаты применяются для работы в полевых условиях. Генератор и двигатель внутреннего сгорания (бензиновый или дизельный) монтируются на общей раме без колес, на катках, колесах, в кузове автомашины и на базе трактора.

Основным элементом всех машинных источников питания являются сварочные генераторы.

Все сварочные генераторы имеют свои конструктивные особенности, т.к. почти каждая фирма, выпускающая сварочное оборудование, имеет свою собственную конструкцию, которая отличается от других тем или иным исполнением обмоток, регулирующих устройств и т.д. Вместе с тем их можно классифицировать – объединить в группы по ряду общих признаков.

Прежде всего, по конструктивным особенностям и различиям в способах получения и регулирования постоянного сварочного тока сварочные генераторы разделяют на коллекторные и вентильные сварочные генераторы.

По форме внешних характеристик сварочные генераторы подразделяют на три группы:

– с падающей внешней характеристикой;

– с жесткой внешней характеристикой;

– с универсальной характеристикой (можно получать как жесткие, так и падающие внешние характеристики).

Генераторы постоянного тока для дуговой сварки изготавливаются на номинальные сварочные токи 125, 160, 250, 315, 400, 500 и 1000 А при номинальном рабочем напряжении от 25 до 40 В.

Для питания стационарных постов чаще всего используются коллекторные генераторы.

Основными элементами сварочного коллекторного генератора постоянного тока (рис. 5.1, а) являются; статор с корпусом, четырьмя основными магнитными полюсами и обмотками возбуждения; якорь с сердечником, в пазах которого уложена размагничивающая обмотка; коллектор, набранный из медных изолированных пластин; четыре токосъемных щетки, а также выводные клеммы.

Принцип преобразования механической энергии вращения якоря в электрическую энергию сварочного тока основан на явлении электромагнитной индукции, в соответствии с которым при движении в магнитном поле с индукцией В проводника длиной L со скоростью V в нем возникает ЭДС E = B·L·V.

При пропускании тока по обмоткам возбуждения в магнитной системе генератора возникает магнитный поток Ф, который замыкается по железу статора и якоря. Если привести во вращение якорь, то активные проводники его обмотки будут пересекать магнитные силовые линии потока, и, следовательно, в каждом из них будет возникать единичная ЭДС – e₁-e₄. Направление единичных ЭДС можно определить, воспользовавшись правилом «правой руки». При вращении якоря единичная ЭДС меняется как по величине, так и по направлению (рис. 5.1, в). У четырехполюсного генератора полный период изменения ЭДС приходится на половину оборота вращения якоря. Для уменьшения пульсации ЭДС полюсным наконечникам придают форму, обеспечивающую постоянство потока в зазоре между полюсом и якорем. В результате кривая ЭДС приобретает трапециидальный вид. Труднее обеспечить постоянное направление тока в нагрузке.

Рис. 5.1. Устройство коллекторного генератора: а – электромагнитная схема;
б - электрическая схема; в – изменение единичных ЭДС в обмотках якоря;
г – изменение общей ЭДС в обмотке якоря; 1 – корпус статора; 2, 3 – обмотки возбуждения; 4 – основные магнитные полюса; 5 – обмотка якоря; 6 – якорь;
7 – выводные клеммы; 8 – токосъемный механизм; 9 – коллектор;
щ1-щ4 – щетки токосъемного механизма

 

Для этой цели и предназначено коллекторно-щеточное устройство. Для момента, изображенного на рис. 5.2, а, ЭДС всех проводников на участке между пластинами П 1 и П 3коллектора совпадают по направлению, вызывая ток в нагрузке в направлении, показанном стрелкой. Поэтому для получения максимальной суммарной ЭДС щетки щ1 и щ2 устанавливают именно так, как это показано
на рис. 5.2, а. Этот момент на рис. 5.2, в соответствует интервалу θ₁ - θ₂. С момента θ₂сменится направление ЭДС е₁ и е₃. Но под щеткой щ1 к этому моменту уже окажется пластина П2, поэтому ток от щетки щ1 к выводу и далее по нагрузке не изменит свое направление. Таким образом, коллекторно-щеточное устройство обеспечивает механическое выпрямление переменного тока обмотки якоря. ЭДС на остальных участках обмотки якоря (между щетками щ2 и щЗ, щЗ и щ4, щ4 и щ1) оказывается такой же, как и между щ1 и щ2. При этом щетки щ1 и щЗ под южными полюсами магнитной системы имеют положительный потенциал, а щетки щ2 и щ4 под северными полюсами – отрицательный потенциал. Как следует из принципиальной схемы рис. 5.2, б, обмотка якоря образует четыре параллельные ветки, так что общая ЭДС генератора равна ЭДС одного участка между любой парой щеток: Ег = Е₁+Е₂+Е₃+Е₄ (рис. 5.2, г). Для ее расчета можно использовать более общее соотношение

, (5.1)

где N – число активных проводников (витков) обмотки якоря; Р – число пар полюсов; а – число пар щеток; n – число оборотов якоря, Ф – магнитный поток.

При анализе работы генератора принято все постоянные величины объединять в общий коэффициент, называемый постоянной генератора: , а ЭДС выражать более простым соотношением

. (5.2)

Все сварочные генераторы имеют намагничивающие обмотки возбуждения w _н, которые питают либо от независимого источника через стабилизатор напряжения СТ и выпрямитель V (рис. 5.3, а, б), либо от самого генератора (рис. 5.3, в, г).

В первом случае генераторы называют генераторами с независимым возбуждением, во втором – генераторами с самовозбуждением. Намагничивающие обмотки имеют относительно большое число витков (w _н = 200...500) и выполняются из тонкого провода диаметром 1,5…2,5 мм. Они располагаются на отдельных башмаках корпуса генератора. Намагничивающий ток I _н в них относительно небольшой (2...20 А) и регулируется переменным сопротивлением R.

При протекании по намагничивающей обмотке w_н намагничивающего тока I _н в генераторе наводится намагничивающий магнитный поток:

, (5.3)

где R _м.н – сопротивление магнитной цепи на пути потока Ф _н.

При холостом ходе генератора поток Ф _н определяет как ЭДС генератора Ег, так и его напряжение холостого хода U₀, которые можно представить зависимостью (5.2) .

Изменение тока намагничивания позволяет осуществить плавное регулирование напряжения холостого хода генератора, а следовательно, и режим его работы при нагрузке.

В большинстве генераторов для дуговой сварки имеется последовательная обмотка возбуждения, включенная последовательно с дугой. Она, как правило, расположена на отдельных башмаках корпуса генератора и имеет небольшое число витков (3...5), сечение которых рассчитано по номинальному сварочному току.

Магнитный поток, наводимый последовательной обмоткой возбуждения, возникает только при нагрузке генератора. В зависимости от способа включения последовательной обмотки возбуждения, этот поток направлен либо встречно основному намагничивающему потоку Ф_н – тогда поток Ф _р и обмотка w _р называются размагничивающими (рис. 5.2, а), либо согласно потоку с Ф_н – тогда поток Ф_п и обмотка w _п называются подмагничивающими (рис. 5.2, б). Обмотки w _р или w _п секционированы. При сварке включают либо все их витки (на рис. 5.2, а это клемма 2), либо половину (на рис. 5.2, б – клемма 3). В последнем случае действие ее магнитного потока значительно ослабляется. При необходимости последовательная обмотка вообще может быть отключена (на рис. 5.2, в – клемма 4), а в некоторых генераторах она вообще может отсутствовать (рис. 5.2, г).

а) б)

в) г)

Рис. 5.2. Упрощенные электрические схемы генераторов: К – коллектор; А, В – основные щетки; С – дополнительная щетка; R – резисторы; w _н, w _н1, w _н2 – основные намагничивающие обмотки возбуждения; w _р – последовательная размагничивающая обмотка возбуждения; w _п – последовательная подмагничивающая обмотка возбуждения; 1, 2, 3 и 4 – выводные клеммы генератора

 

При наличии в генераторе последовательной размагничивающей обмотки w _р ЭДС сварочного генератора Ег с учетом (5.2) и (5.3) при условии, что R_м.р ≈ R_м.н ≈ R_м и I_р = I_д может быть определена по зависимости

. (5.4)

Тогда уравнение его внешней характеристики при условии, что внутреннее эквивалентное сопротивление R_{э. г}, определяемое действием размагничивающей обмотки, , а внутреннее активное сопротивление R _г ничтожно мало и допускается, что Е _г ≈ U ₀, можно записать следующим образом:

. (5.5)

По приведенным уравнениям следует, что вольт-амперные характеристики генераторов с размагничивающими последовательными обмотками возбуждения (см. рис. 5.2, а, в) будут крутопадающими. При отключении размагничивающей обмотки (на рис. 5.2 – клемма 4) вольт-амперная характеристика генератора становится жесткой (естественно пологопадающей), а при w _p = 0. Наличие секционирования в размагничивающей обмотке позволяет ступенчато регулировать режим работы генератора. При этом возрастает кратность регулирования его тока, появляется возможность выполнять сварку на малых токах при повышенном напряжении холостого хода.

При наличии в генераторе подмагничивающей последовательной обмотки возбуждения w _п (см. рис. 5.2, б) зависимость (5.5) можно записать в виде

.

Изменяя число витков подмагничивающей обмотки, можно регулировать угол наклона вольт-амперной характеристики генератора.

Обычно при минимальном числе витков w _п, когда выполняется равенство , генератор имеет жесткую вольт-амперную характеристику. При большем числе витков, когда , внешние вольт-амперные характеристики генератора имеют возрастающую форму.

Для питания намагничивающей обмотки возбуждения требуется постоянное, не зависящее от работы генератора напряжение. Этого легко достичь в генераторах с независимым возбуждением путем применения автономного источника, например стабилизатора напряжения СТ и полупроводникового выпрямителя V, если в качестве электропривода генератора использован электродвигатель переменного тока.

Значительно сложнее получить постоянное напряжение для питания намагничивающей обмотки в самом генераторе (генераторах с самовозбуждением). Для этой цели между основными щетками А и В на коллекторе устанавливают промежуточною щетку С (см. рис. 5.2, в). Напряжение на щетках А и В близко к постоянному и мало зависит от режима работы генератора. Постоянство напряжения достигается использованием магнитного потока, наводимого намагничивающей силой якорной обмотки или реакции якоря (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Распределение магнитных потоков при нагрузке в генераторах с параллельной намагничивающей и последовательной размагничивающей обмотками

 

Между щетками А и С действуют равномерно распределенные магнитные потоки намагничивающей обмотки Ф_н, размагничивающей обмотки Ф_р и подмагничивающей якорной обмотки Ф_я.н. Реакция якоря ослабляет действие размагничивающего потока. В этом случае ЭДС на щетках А и С определится по выражению

.

Для постоянства ЭДС и напряжения на щетках А и С необходимо, чтобы
Ф_р ≈ Ф_я.н. Тогда

.

По схеме распределения магнитных потоков видно, что на участке ВС реакция якоря Ф_я усиливает действие размагничивающего потока Ф_р. С увеличением нагрузки падение напряжения на щетках ВС резко усиливается.

В другом типе генераторов с самовозбуждением с двумя параллельными обмотками возбуждения и несимметричной магнитной системой (рис. 5.2, г) имеется четыре основных (N-Sн-Nн-S) и четыре добавочных (n - s - n - s) полюса, обеспечивающих безыскровую работу щеток. Надежное самовозбуждение при минимальных напряжениях холостого хода обеспечивается тем, что одна пара основных полюсов (Sн-Nн) имеет вырезы в сердечниках, вследствие чего эти полюсы при работе генератора насыщены. Катушки обмотки возбуждения (витки w _н1), расположенные на ненасыщенных полюсах (N-S), и катушки обмотки возбуждения (витки w _н2) насыщенных полюсов (Sн-Nн) включены параллельно. Регулирование выходного напряжения генератора осуществляется резистором R ₁ в цепи обмотки возбуждения w _н1, расположенной на ненасыщенных полюсах.

Параллельные ветви обмотки возбуждения присоединены к щетке В через резистор R ₂. Сопротивление резистора R ₂ предприятие-изготовитель устанавливает таким, чтобы при выходном напряжении 16 В сварочный ток был равен 60 А.

Таким образом, конструкции коллекторных сварочных генераторов многочисленны, достаточно совершенны и позволяют удовлетворять требования почти всех способов дуговой сварки. Но они конструктивно более сложны и менее надежны, чем вентильные сварочные генераторы, рассмотренные ниже, и потому были вытеснены последними.

Вентильный генератор представляет собой комбинацию генератора переменного тока и выпрямительного блока. Электродвижущая сила в обмотке генератора переменного тока индуцируется точно так же, как и в коллекторном генераторе постоянного тока. В промышленных вентильных генераторах переменный ток обычно вырабатывается либо синхронным генератором с ротором явнополюсной конструкции, либо индукторным генератором (рис. 5.4).

Промышленный синхронный генератор с ротором явнополюсной конструкции (рис. 5.4, а) отличается только тем, что силовые обмотки 1 неподвижно закреплены на статоре 2, а на вращающемся роторе 3 установлены обмотки возбуждения 4, которые через два вращающиеся кольца 5 и контактные щетки 6 соединены с клеммами a и b.

Синхронный генератор работает следующим образом. К обмоткам возбуждения 4 ротора 3 через два кольца 5, контактные щетки 6 и клеммы a и b подводится относительно небольшой постоянный ток, который создает вращающийся магнитный поток возбуждения Ф_в, замыкающийся по железу ротора 3 и статора 2. При вращении ротора относительно неподвижной силовой обмотки 1 магнитный поток, сцепленный с ее витками, каждые пол-оборота изменяется как по величине (от нулевого до максимального значения), так и по направлению. Такое изменение потока, сцепленного с витками силовой обмотки, индуцирует в ней переменную ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки.

а) б)

Рис. 5.4. Конструкция синхронного генератора с ротором явнополюсной конструкции (а) и индукторного генератора (б) переменного тока

 

В индукторном генераторе (рис. 5.4, б) силовая обмотка 1 и обмотка возбуждения 3 размещены на статоре 2 и неподвижны. Вращающийся же ротор-индуктор 4 выполнен зубчатым.

При работе обмотка возбуждения 3, которая также питается постоянным током, создает постоянную намагничивающую силу. Однако магнитный поток возбуждения Фв, сцепленный с силовой обмоткой 1, имеет пульсирующий характер, поскольку магнитное сопротивление на его пути меняется при вращении ротора. Он максимален при совпадении оси силовой обмотки с зубцом ротора и минимален при совпадении с его впадиной. Поэтому в силовой обмотке индуцируется переменная ЭДС, а на выходе генератора – переменное напряжение U _г. В описанной конструкции генератора полюса выше горизонтали являются южными, а ниже – северными, поэтому такой генератор называют разноименно-полюсным.

Подавляющее большинство промышленных вентильных сварочных генераторов выпускается на базе трехфазных индукторных генераторов переменного тока. Однако устройство однофазного индукторного генератора несколько проще, чем трехфазного, поэтому сначала рассмотрим устройство и работу индукторного генератора на примере однофазного двухпакетного одноименно-полюсного.

Одноименно-полюсный индукторный генератор (рис. 5.5) имеет зубчатый статор – якорь 2, состоящий из двух пакетов листовой электротехнической стали, и зубчатый ротор – индуктор 1, изготовленный из двух пакетов, сдвинутых друг относительно друга на 180 электрических градусов (на один зубец). Между двумя пакетами статора закреплена кольцевая обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током. Силовая обмотка 4 переменного тока уложена в пазах статора. Поток возбуждения Ф_в идет по оси ротора, а затем звездообразно разветвляется, проходит через зубчатый пакет ротора по полюсам статора и замыкается по корпусу генератора (на рис. 5.9 тонкой линией показана только часть потока возбуждения, пронизывающая катушку силовой обмотки на одном из полюсов статора). Катушки силовой обмотки генератора могут соединяться одна с другой как параллельно, так и последовательно.

У генератора (см. рис. 5.5) все полюса ближнего пакета статора являются южными, а дальнего пакета – северными. Такую конструкцию генератора, в отличие от показанной на рис. 5.4, б конструкции однопакетного разноименно-полюсного генератора, принято называть одноименно-полюсной. Двухпакетный одноименно-полюсный генератор компактнее и легче, а однопакетный разноименно-полюсный – проще и удобнее в изготовлении и ремонте.

Рис. 5.5. Конструктивная схема и связь параметров индукторного
двухпакетного генератора

 

Формирование внешней характеристики в вентильном генераторе (рис. 5.10) происходит подобно тому, как это происходит в однофазных коллекторных генераторах.

При холостом ходе ток I_в протекающий по катушке возбуждения 3 с числом витков w _в, имеет постоянную намагничивающую силу I_в w _в. Магнитное сопротивление r_m на пути потока Ф_в, создаваемого I_в w _в и пронизывающего одну из силовых катушек, зависит от величины воздушного зазора δ и периодически меняется (рис. 5.6, а) от минимального при совпадении оси катушки с зубцом ротора до максимального при совпадении ее со впадиной. Поэтому и магнитный поток имеет пульсирующий униполярный характер (рис. 5.6, б):

,

где Ф ₀ – постоянная составляющая; Ф _п – амплитуда переменной составляющей.

Этот поток создает в катушке ЭДС Ек, которая имеет вид синусоиды (рис. 5.6, в) и зависит от числа витков в ней w _к и переменной составляющей Ф _п потока Ф _в:

.

Если в генераторе количество катушек равно n_к, а количество параллельных ветвей силовой обмотки – m_в, то переменная ЭДС генератора Е _г может быть определена по зависимости

.

Ее действующее значение Е _г.д, соответствующее напряжению холостого хода U₀, с учетом того, что частота переменного напряжения силовой обмотки f зависит от частоты вращения ротора n_р и числа зубцов ротора z (f = n_рz /60) и связана с циклической частотой соотношением ω = 2 πf, может быть выражено формулой

. (5.6)

а)

б)

в)

Рис. 5.6. Осциллограммы изменения r_m, Ф_в и Е в индукторном генераторе

 

При появлении переменного тока I _г в нагрузке он идет и по силовой обмотке, в результате чего в генераторе возникают потоки, замыкающиеся как по воздуху, так и по железу (потоки реакции якоря и потоки рассеяния). Основная часть этих переменных потоков Ф _я направлена противоположно потоку возбуждения Ф _в и, следовательно, наводит в силовых обмотках противоЭДС Е _я, действие которой принято отождествлять с индуктивным сопротивлением генератора X _г. Поэтому напряжение генератора при нагрузке определяется следующим образом:

. (5.7)

Это означает, что при значительной величине индуктивного сопротивления Х _г генератор имеет крутопадающую характеристику.

Таким образом, индукторный генератор имеет естественную крутопадающую характеристику, что вызвано действием потоков рассеяния и потока реакции якоря, обладающею размагничивающим действием.

Получить жесткую характеристику в вентильном генераторе сложнее. С этой целью в цепь возбуждения вводят положительную обратную связь по току нагрузки. Одновременно с ростом тока нагрузки увеличивается ток возбуждения и ЭДС генератора, что компенсирует увеличение противоЭДС, вызванной потоком реакции якоря. За счет этого обеспечивается независимость напряжения генератора от тока.

Регулирование режима в однофазном генераторе осуществляется следующим образом. По уравнению (5.7) получим соотношение

, (5.8)

по которому следует, что ток I _г зависит от напряжения холостого хода U₀ и индуктивного сопротивления генератора Х _г.

Для изменения напряжения холостого хода воздействуют на обмотку возбуждения. Так, при увеличении тока возбуждения I _в увеличивается поток Ф _в, а также, согласно формуле (5.6), наводимая им ЭДС Е _г и напряжение холостого хода U ₀, что вызовет, согласно (5.8), увеличение тока I _г.

Индуктивное сопротивление генератора Х _г зависит от числа витков в катушке силовой обмотки w _к, количества катушек n _к и количества параллельных цепей m_в, образованных катушками:

. (5.9)

Возможность ступенчатого регулирования режима появляется вследствие того, что катушки силовой обмотки обычно соединяются в несколько параллельных цепей. При использовании только одной из параллельных цепей имеет место диапазон малых токов. При использовании двух или большего числа параллельных цепей, согласно выражениям (5.8) и (5.9), снижается индуктивное сопротивление Х_г и увеличивается ток.

Регулирование режима в трехфазном генераторе по своим возможностям, по сравнению с однофазным генератором, шире потому, что появляется возможность ступенчато регулировать ток изменением схемы соединения обмоток разных фаз (рис. 5.7).

В случае соединения обмоток звездой (рис. 5.7, а) получается самое высокое напряжение холостого хода вентильного генератора, выпрямленное трехфазной мостовой схемой: – и одновременно довольно высокое эквивалентное сопротивление Х _Э1, которое равно сопротивлению Х _г фазы индукторного генератора (Х _Э1 = Х _г). Этот вариант соединения рационален при сварке на малых токах, когда снижение устойчивости дуги, сопутствующее таким режимам, компенсируется повышением напряжения холостого хода.

При соединении обмоток треугольником (рис. 5.7, б) напряжение холостого хода снижается в раз до значения , а эквивалентное сопротивление уменьшается в 3 раза (Х _Э2 = Х _г / 3). Это приводит к увеличению тока по сравнению с первым вариантом.

В третьем варианте в каждой фазе генератора используется по две параллельно соединенные катушки (рис. 5.7, в). Напряжение холостого хода при этом не изменится, т.к. фазы по-прежнему соединены треугольником (U ₀₃ =1,35 Х _г), сопротивление, как было показано для однофазного генератора, в соответствии с формулой (5.9), снизится вдвое и станет Х _Э2 = Х _г / 6. Этот вариант обеспечивает диапазон больших токов.

Наконец, возможен вариант комбинированного включения шести катушек (рис. 5.7, г). При этом линейное напряжение U _г.л, равное сумме напряжений трех катушек, и в этом случае равно фазному напряжению U _г, поскольку : . Следовательно, напряжение холостого хода генератора такое же, как и по двум предыдущим схемам: U ₀₄ = 1,35 U _г. В то же время эквивалентное сопротивление Х _Э4 можно рассматривать как сумму сопротивлений последовательно соединенных обмотки a^*b^* и обмотки звезды, эквивалентной треугольнику аbс. Тогда эквивалентное сопротивление