5. Однопостовые генераторы и преобразователи

5.1. Особенности работы, формирование внешних характеристик, классификация генераторов

Коллекторные генераторы постоянного тока как источники питания дуги применяются все реже. Они обеспечивают легкое возбуждение и устойчивое горение дуги, но имеют наряду с перечисленными выше технико-экономическими и тех элегические недостатки. Вследствие значительней инерционности они имеют низкие динамические свойства. Поэтому многие виды генераторов не нашли применения в промышленности. Значительны потери энергии внутри генератора (на перемагничивание стали). Это снижает к.п.д. до 0,6, но как следствие приводит к повышению напряжения холостого хода, которое значительно превосходит номинальное напряжение на дуге, что также является серьезным недостатком.

В настоящее время коллекторные генераторы используются в основном в составе сварочных агрегатов для ручной дуговой сварки в полевых условиях.

Коллекторные генераторы могут иметь характеристик падающей формы, жесткую или универсальную. Формирование внешних характеристик в источниках питания этого вида производится путем размагничивания магнитной системы машины, т.е. путем создания помощью дополнительной обмотки, сдвига полюсов и т.д. дополнительного магнитного потока, направленному встречно основному потоку и частично его компенсирующего. Из основного уравнения генератора

(5.1)

где (р – число пар полюсов, N – число активных проводников якоря, а – число параллельных ветвей обмотки якоря, n – число оборотов якоря) – постоянная машины, I_нW_н и I_яWp – магнитодвижущая сила намагничивающей и размагничивающей обмоток, r_h и r_р – магнитное сопротивление обмоток W_н и Wp, I_я и R_я, – ток и активное сопротивление якоря, видно, что характеристика генератора определяется членом

При наличии размагничивающей обмотки увеличение тока якоря (т.е. тока дуги) сопровождается увеличением I_яW_р, что приводит к формированию внешней характеристики генератора падающей формы. Если обмотка Wp отключена, т.е. I_яW_р в выражении (5.1) равно нулю, то внешняя характеристика будет жесткая.

В последние годы выяснилось, что основным типом машины постоянного тока, удовлетворяющим требованиям технологии дуговой сварки, стал генератор с размагничивающей обмоткой, включаемой в силовую цепь последовательно с обмоткой якоря. Он впускается в двух модификациях: с независимым возбуждением и сами возбуждением (параллельным возбуждением). В меньших объемах используются генераторы с жесткими и универсальными характеристиками. Появились бесколлекторные генераторы вентильного типа,. которые обладают лучшими эксплуатационными показателями Все эти источники питания рассчитаны на перемежающийся режим работы (ПН = 60 %}.

5.2. Коллекторные генераторы с внешними характеристиками падающей формы

5.2.1. Генераторы типа ГСО с независимым возбуждением. Генераторы типа ГСО предназначены для ручной дуговой и механизированной сварки под слоем флюса. Намагничивающая обмотка W_н, создающая основной поток намагничивания машины Ф_н (рис. 5.1,а) получает стабилизированное питание от вспомогательного выпрямителя. Размагничивающая обмотка Wp включена последовательно в силовую цепь обмотка якоря – сварочная дуга. Она создает поток размагничивания Ф_р, направленный встречно потоку ф. Падающая внешняя характеристика ГСО формируется вследствие уменьшения суммарного магнитного потока при увеличении тока якоря (рис. 5.1,6)

Регулирование сварочного тока в машинах этой серии ступенчато-плавное. Ступенчатое регулирование обеспечивается переключением числа витков paзмaгничивaющeй обмотки с помощью переключателя П. Полное включение Wp соответствует ступени малых токов (область 2 на рис. 5.1,б), половинное – ступени больших токов (область 1). Плавное регулирование в пределах каждой ступени производится изменением тока возбуждения, протекающего в обмотке намагничивания, с помощью сопротивления R. Увеличение I_н сопровождается увеличением тока якоря (дуги), причем увеличивается и Uxx, и наоборот. Регулировочная характеристика (I_g = f(I_н) для машин этого типа – линейная.

Рис. 5.1. Электрическая схема (ф) и внешние характеристики (б) генератора ГСО независимого возбуждения

В режиме холостого хода ток якоря равен нулю, следовательно,

(5.2)

т.е.

(5.3)

Выражение (5.3) представляет, собой характеристику холостого хода генератора.

Включение в силовую цепь машины электрической дуга соответствует режим нагрузки, т.е. I_я= I₉. Обозначив получим

U_г = U_xx - I_я (R₃ + R_я). (5.4)

Из рис. 5.1,а видно, что U_г = U₃, тогда

(5.5)

В режиме короткого замыкания I_я = I_п, U₉ =0, а

(5.6)

Из (5.6) видно, что величина тока короткого замыкания ограничивается в основном эквивалентным сопротивлением обмотки размагничивания.

ГСО с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой выпускается двух типов: ГСО-300-5У2 и ГСО-500-2У2. ГСО-300-5У2 (I_ном = 315 А, U_ном = 32 В. U_хх = 90 В, двигатель – трехфазный асинхронный) применялся для ручкой дуговой сварки, ГСО-500-2У2 входит в состав преобразователя ПД-502У2 (I_ном = 500 A, U_ном = 40 В, U_хх = 80 В, двигатель – трехфазный асинхронный), который предназначен для механизированной сварки под флюсом и ручной дуговой в стационарных условиях.

Ранее выпускались генераторы этой серии следующих типов:

ГСО-120, ГСО-300 А, ПСО-300А, ГС-1000. СГ-1000.

Генераторы этой серии для питания обмотки возбуждения требуют отдельный источник постоянного тока. Обмотки возбуждения и Wp располагают на противоположных полюсах для уменьшения взаимоиндукции, что приводит к увеличению габаритов машины. Эти особенности снижают экономические показатели машин данной серии.

5.2.2. Генераторы типа ГСО с параллельным возбуждением. Генераторы этого типа входят в состав преобразователей ПСО-300-2У2 (I_ном = 315 А, U_ном = 32 В, Uxx  90 В, двигатель 3-х фазный асинхронный с короткозамкнутым ротором), предназначенных для ручной дуговой сварки, наплавки и резки открытой дугой и механизированной сварки под слоем флюса в стационарных условиях, а также – в состав преобразователей АСБ-300-7У1, АСБ-300МУТ (двигатель внутреннего сгорания, бензиновый), АСД-300М1У1, АДД-303У1, АДД-304У1, АДД-305У1. АДД-502У1 (двигатель внутреннего сгорания, дизельный), предназначенных для аналогичных технологических операций в полевых условиях.

Схема генератора представлена на рис. 5.2,а. Намагничивающая W_н и размагничивающая W_p обмотки расположены на противоположных полюсах и создают встречно направленные магнитные потоки ф_н и ф_р. Wn получает питание со щеток f и с, напряжение на которых равно половине напряжения на щетках а и б :

U_ав = U_ac + U_св (5.7)

ки (б) 'генератора с параллельным возбуждением

Наличие третьей щетки приводит к изменению распределения потока реакции якоря Фя (рис. 5.3). Под набегающим башмаком (правая часть основного полюса) потоки Фр и Фя складываются, ослабляя Фн. При некотором значении тока якоря суммарный поток станет равным нулю, при дальнейшем увеличении тока изменит направление на противоположное (в направлении Фр + Фя). Поэтому напряжение Uос снимаемое со щеток а и с (рис. 5.4) уменьшается до нуля, затем, изменив знак, возрастает в противоположном направлении.

Под сбегающим башмаком полюса (левая часть) Фн складывается с Фя. При возрастании тока якоря увеличиваются Фя и Ф_р, уравновешивая друг друга. Поэтому суммарный магнитный поток остаемся постоянным и равным потоку намагничивания Фн. В этой связи напряжение Uсв постоянно и не зависит от нагрузки (рис. 5.4). Напряжение Uсв, определяемое по выражениям (6.7), повторяет форму Uсв.

Рис. 5.3. Влияние потока реакции якоря Фя на суммарный поток Фн и Фр

Рис. 5.4. Влияние нагрузки генератора с параллельным возбуждением на величину напряжений на его щетках

В режиме холостого хода Iя = 0 и

(5.8)

при нагрузке (J=I₉)

отсюда

(5.9)

(5.10)

При коротком замыкании U₉=0, U_св= -U_oc, a

(5.11)

где Rr =Rя и, + Rp. Аналогично генератору с независимым возбуждением ограничение тока короткого замыкания здесь производится эквивалентным сопротивлением размагничивающей обмотки.

Из рассмотренной выше особенности работа генератора с параллельным возбуждением видно, что внешние характеристики падающего вида формируются за счет взаимодействия магнитных потоков возбуждения, размагничивания и реакции якоря. Они имеют вид кривой U_ав (рис. 5.4) и показаны на рис. 5.2.6. Ступени 1 и 2 реализуются переключением числа витков размагничивающей обмотки. Плавное регулирование внутри пандой ступени производится изменением сопротивления R в цепи обмотки возбуждения Ф_н. Регулировочная характеристика генератора с параллельны возбуждением аналогична регулировочной характеристике генератора с независимым возбуждением.

Генераторы ГСО с параллельным возбуждением имеют несколько искаженный магнитный поток из-за ухудшения коммутации под третьей щеткой.

5.2.3. Генераторы типа СГП-3 с самовозбуждением. Генераторы этого типа предназначены для сварки и резки в воздухе и под водой, входят в состав сварочных агрегатов АСДП и ПАС. Они рассчитаны на токи 400...600 А. Имеют такой же принцип работы, как и генераторы с параллельным возбуждением (у них несколько различаются магнитные системы). В агрегатах ПАС-400.6У1, предназначенных для сварки под водой, имеется регулятор, снижающий напряжение холостого хода до 24 В во время перерывов дуги.