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.

4.2.1 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.4.3) вращается с постоянной скоростью ротор 2 (магнитный шунт), который изменяет магнитное сопротивление Rм потоку Ф_н между полюсами S и N статора. Магнитный поток Ф_н, создаваемый Wн в результате изменения Rм при вращении ротора, становится пульсирующим. Он имеет одно направление, но во времени изменяет свою величину (рис. 4.4, а). Пульсирующий поток пересекает витки статорной обмотки W_с, наводит в ней переменную ЭДС, рис. 4.4, 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 .

Рис.4.3. Упрощенная электромагнитная схема генератора переменного тока повышенной частоты

Рис. 4.4. Временные диаграммы изменения магнитного потока (а) и ЭДС (б) генератора

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 ЭДС в силовой обмотке W_с. При этом максимальной скорости изменения магнитного потока, т.е. когда dФ_n/dt = max соответствует максимальной ЭДС, а 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, а, следовательно, и частота переменной ЭДС определяется числом пар зубцов ротора и частотой вращения ротора. Таким образом, один период изменения потока в статоре соответствует повороту ротора на одно зубцовое давление, а частота переменной ЭДС:

f=X_pn

где X_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 составе вентильного генератора используется в основном синхронный с ротором явнополюсной конструкции Он легче индукторного и несколько проще в изготовлении, но менее надежен из-за наличия скользящего токоподвода. В России используется в основном индукторный генератор повышенной частоты (150-400 Гц), у которого сварочные свойства лучше, чем у генератора на 50 Гц. Этот генератор (рис.4 5) имеет зубчатый ротор - индуктор 4, а обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током, размещена на статоре 2.

Рис. 4.5. Электромагнитная система индукторного генератора переменного тока

Обмотка возбуждения создает постоянную намагничивающую силу, но поток возбуждения Ф_в, пронизывающий силовую обмотку 1, 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 со впадиной ротора. Поэтому в силовой обмотке создается переменное напряжение U_r Полюса, расположенные выше горизонтали, являются южными, а ниже - северными, поэтому такой ге­нератор называют разноименно полюсными.

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. 4.6. Оба пакета статора запрессованы в стальную станину 2 и, следовательно, станиной 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. 4.6. 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 отсутствует 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. 4.7.). Напряжение холостого хода такого генератора определяется линейным напряжением U_га, которое, в свою очередь, зависит от фазного напряжения U_r и схемы соединения обмоток: U₀=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. 4.7. Принципиальная схема трехфазного вентильного генератора

Достоинства вентильных генераторов заключается 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 - 0,6 - 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.