ДВУХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ СВАРОЧНЫЙ ГЕНЕРАТОР
TWO-PHASE INDUCTION WELDING GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к асинхронным электрическим машинам с конденсаторным самовозбуждением, и может быть использовано в устройствах ручной дуговой электросварки.
Известна конструкция асинхронного сварочного генератора с двумя многофазными обмотками на статоре, одна из которых - обмотка возбуждения имеет клеммы для подключения конденсаторной батареи, другая является рабочей и имеет клеммы для подключения к сварочному устройству [1]. Рабочая обмотка смещена на угол α эл. град. относительно обмотки возбуждения по направлению вращения ротора. К фазам обмотки возбуждения подключены первичные обмотки компаундирующего трансформатора, а к одноименным фазам рабочей обмотки - вторичные обмотки этого трансформатора.
Одним из недостатков данного генератора является наличие компаундирующего трансформатора, что приводит к увеличению массы всей сварочной установки и снижению суммарного КПД. Другим недостатком можно считать то, что сопротивление цепи «обмотка возбуждения генератора - первичная обмотка компаундирующего трансформатора - батарея конденсаторов» зависит от режима работы генератора. При отсутствии нагрузки (холостой ход) сопротивление первичной обмотки компаундирующего трансформатора очень большое, а в режиме короткого замыкания (КЗ) или номинальной нагрузки - очень маленькое. В силу этого становится проблематичным самовозбуждение, а также работа генератора в режиме малых нагрузок и холостого хода (XX). При ручной дуговой сварке генератор в начале работает в режиме XX, затем, после соприкосновения электрода со свариваемой деталью, переходит в режим КЗ, а после зажигания дуги - начинает работать в номинальном режиме. Таким образом, трудности, возникающие в режиме XX, делают этот генератор мало пригодным для ручной дуговой сварки. Наличие выключателей, которые в режиме XX шунтируют первичную обмотку компаундирующего трансформатора, не улучшает ситуацию, т.к. выключатели не только усложняют конструкцию генератора, но и должны при каждом цикле сварки замыкать и размыкать свои контакты. Следует отметить, что внешние характеристики генератора не пересекают ось напряжения [1]. Это является косвенным подтверждением сказанного выше.
Известна конструкция бесконтактного сварочного генератора [2], который имеет короткозамкнутый ротор и две трехфазные обмотки на статоре. К первой обмотке через выпрямительное устройство и дроссель подключена нагрузка (дуга). Ко второй обмотке подключены конденсаторы возбуждения, причем выводы этой обмотки могут использоваться для питания потребителей переменного трехфазного напряжения.
Недостатком этого генератора является то, что в режиме холостого хода намагничивающий ток превышает номинальный в несколько раз.
Это связано с тем, что для обеспечения номинальной индукции в зазоре генератора в режиме XX требуется одно значение емкости конденсаторов, а в режиме КЗ или нагрузки - другое, причем большее. Поэтому при фиксированной емкости конденсаторов, которая выбрана для работы с номинальной нагрузкой, переход в режим XX сопровождается увеличением намагничивающего тока и значительным насыщением магнитной системы генератора.
Следует отметить, что этот недостаток присущ и асинхронному генератору обычной конструкции. Применение быстродействующего регулятора реактивной мощности, способного решить эту задачу, приведет к значительному усложнению генераторной установки, уменьшит ее надежность и увеличит массу.
Прототипом предлагаемого изобретения является бесконтактный асинхронный сварочный генератор [3]. Этот генератор имеет две трехфазные обмотки на статоре. Одна обмотка является обмоткой возбуждения. К ее клеммам подключены конденсаторы возбуждения, которые обеспечивают работу генератора на холостом ходу и под нагрузкой. Другая обмотка является рабочей. Начала фаз рабочей обмотки имеют клеммы для подключения шунтирующих конденсаторов и выпрямителя, к выходу которого подключен сварочный электрод, а концы фаз этой обмотки имеют клеммы для подключения компаундирующих конденсаторов, соединенных в треугольник.
Наличие компаундирующих конденсаторов позволяет уменьшить потери и повысить КПД за счет уменьшения размагничивающего действия сварочного тока рабочей обмотки.
dXX
dXX
2XX
dXX
Недостатком данного генератора является низкое напряжение на компаундирующих конденсаторах и, как следствие, низкая эффективность их использования. Это объясняется тем, что допустимое напряжение холостого хода источника сварочного тока для дуговой сварки не должно превышать U<100 B [4, с.28]. Соответственно ограничивается фазное напряжение холостого хода рабочей обмотки генератора, которое, например, при U=80 В будет равно U=U/2,34=34,19 В. Наибольшее напряжение на компаундирующих конденсаторах возникает при коротком замыкании в цепи нагрузки. В этом режиме компаундирующие конденсаторы прототипа, соединенные в треугольник, попадают под линейное напряжение, которое возрастает за счет дополнительной реактивной мощности этих конденсаторов. Предположим, что рост составил 30% по сравнению с напряжением холостого хода рабочей обмотки. При этом допущении напряжение, подводимое к компаундирующим конденсаторам прототипа, будет равно . В свою очередь, наименьшее номинальное напряжение современных силовых полипропиленовых конденсаторов, например, серии К78-17, при частоте 50 Гц равно 250 B, а при частоте 200 Гц - 165 B. Поскольку реактивная мощность конденсаторов пропорциональна квадрату напряжения, то в первом случае серийные конденсаторы будут развивать 9,5% от номинальной реактивной мощности, а во втором - 22%.
Технический результат, который обеспечивает заявленное изобретение, заключается в увеличении сварочного тока за счет более эффективного использования серийных конденсаторов, предназначенных для компаундирования генератора.
Указанный технический результат достигают тем, что асинхронный сварочный генератор с двумя обмотками на статоре, одна из которых - трехфазная обмотка возбуждения имеет клеммы для подключения конденсаторов возбуждения, другая является рабочей обмоткой, причем рабочая обмотка является двухфазной, в цепь каждой из фаз этой обмотки, сдвинутых на 90 эл. градусов, последовательно включены компаундирующие конденсаторы и однофазный мостовой выпрямитель, зашунтированный шунтирующими конденсаторами, выводы выпрямителей соединены параллельно и к ним подключен сварочный электрод.
Электрическая схема асинхронного сварочного генератора представлена на фиг.1. На фиг.2 приведены внешние характеристики и действующие напряжения на компаундирующих конденсаторах заявленного генератора и прототипа. Кривые переходного процесса при коротком замыкании представлены на фиг.3.
Генератор имеет короткозамкнутый ротор 1 обычной конструкций (фиг.1). В пазы статора асинхронного сварочного генератора уложена трехфазная обмотка возбуждения 2 и рабочая обмотка, которая имеет две фазы 4, 5. Число витков обмотки возбуждения 2 выбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальное использование по напряжению конденсаторов возбуждения 3. В цепь первой фазы рабочей обмотки 4 последовательно включены компаундирующие конденсаторы 6, однофазный мостовой выпрямитель 8, зашунтированный шунтирующими конденсаторами 10. Ко второй фазе рабочей обмотки 5 соответственно подключены компаундирующие конденсаторы 7, выпрямитель 9 и шунтирующие конденсаторы 11. Выводы постоянного тока выпрямителей 8 и 9 соединены параллельно. Фазы 4, 5 рабочей обмотки имеют одинаковое число витков. Емкости конденсаторов по фазам 4 и 5 также равны. Одинаковые параметры имеют и выпрямители 8, 9. Число витков в фазах рабочей обмотки зависит от требуемого напряжения холостого хода на сварочном электроде 12.
Генератор работает следующим образом. При вращении ротора 1 приводным двигателем (двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель) остаточный поток наводит ЭДС в обмотках статора. Под действием этой ЭДС в конденсаторах 3 возникает емкостной ток, который, протекая по обмотке возбуждения 2, увеличивает поле в зазоре, что, в свою очередь, приводит к увеличению ЭДС и т.д. Лавинообразный процесс нарастания ЭДС (процесс асинхронного самовозбуждения) завершается при насыщении генератора, когда он начинает работать в установившемся режиме с конденсаторным самовозбуждением. В обмотках генератора устанавливаются напряжения, которые пропорциональны числу витков соответствующих обмоток и величине емкости конденсаторов возбуждения. 3. При уменьшении сопротивления нагрузки возрастает ток рабочей обмотки. При этом увеличивается реактивная мощность компаундирующих конденсаторов 6, 7 и поэтому генератор не теряет возбуждения и устойчиво работает даже при КЗ. При сбросе нагрузки энергия компаундирующих конденсаторов рассеивается по цепи, которую создают шунтирующие конденсаторы 10, 11. Кроме того, эти конденсаторы позволяют регулировать напряжение холостого хода и формировать динамические характеристики генератора. Так, при увеличении их емкости напряжение в режиме холостого хода на сварочном электроде уменьшается, а при касании электрода свариваемой детали (короткое замыкание) возрастает пиковое значение тока.
d
1ф
2ф
3ф
2ф
3ф
возб.3ф
возб.2ф
комп.3ф
комп.2ф
шунт.3ф
шунт.2ф
Для однофазного мостового выпрямления справедлива следующая формула:  [5, с.58]. Здесь U - среднее выпрямленное напряжение, U - однофазное переменное напряжение, подводимое к выпрямителю. К каждому из параллельно соединенных мостовых выпрямителей 8, 9 подводятся напряжения, которые сдвинуты по фазе на 90 гр. Для такой схемы можно записать: , где U - фазное напряжение двухфазной системы. Трехфазный мостовой выпрямитель, который используется в прототипе, имеет:  [5, с.67]. Здесь U - фазное напряжение трехфазной системы. Сравнение двух последних формул показывает, что при одинаковом значении среднего выпрямленного напряжения переменное напряжение, подводимое к выпрямителям двухфазного асинхронного сварочного генератора, в U/U=1,3 раза больше, чем у прототипа. Соответственно у предлагаемого генератора больше фазное напряжение рабочей обмотки, а следовательно, больше постоянная составляющая выпрямленного тока. Это подтверждают результаты расчета внешних характеристик заявленного генератора (кривая 13) и прототипа (кривая 14), представленные на фиг.2. При расчете предполагалось, что генераторы имеют одинаковые магнитные системы, плотности тока в обмотках, магнитные индукции в воздушных зазорах и соответствующие суммарные емкости конденсаторов всех фаз (возбуждения, компаундирующих, шунтирующих), т.е. ΣC=ΣC, ΣC=ΣC, ΣC=ΣC. Зависимости напряжения на компаундирующих конденсаторах от сварочного тока представлены на фиг.2 в виде кривых 15 и 16. Эти кривые показывают, что при одинаковых значениях напряжений сварочный ток у заявленного генератора больше.
p
d
d.2ф
d.3ф
d.КЗ.2ф
d.КЗ.3ф
Такая закономерность с токами сохраняется как при работе в установившемся режиме сварки, так и при коротком замыкании. Предположим, что рабочее напряжение дуги и сварочный ток связаны соотношением: U=20+0,04I [4, с.342, с.531] (прямая 17), тогда в установившемся режиме ток двухфазного генератора будет равен I=132 A (точка a), а у прототипа - I=112 A (точка b). При коротком замыкании соответственно имеем следующие токи: I=159 A (точка c); I=127 A (точка d). Рост тока в первом случае составил 17,85%, а во втором - 25%. При работе в этих режимах напряжение на компаундирующих конденсаторах двухфазного генератора больше, чем у прототипа (точки e-f, g-h). Рост напряжения на компаундирующих конденсаторах не столь значителен по сравнению с предварительным расчетом, поскольку в данном случае учитывается влияние насыщения и падения напряжения в цепях генератора.
Таким образом, при одинаковых магнитных системах, плотностях тока в обмотках, одинаковых напряжениях на компаундирующих конденсаторах и прочих равных условиях сварочный ток у двухфазного генератора больше, чем у трехфазного прототипа. Следовательно, у заявленного генератора более эффективно используются серийные конденсаторы при их работе в качестве компаундирующих конденсаторов.
d
На фиг.3 представлены кривые напряжения 18, 19 и тока 20, 21 в сварочной цепи и на компаундирующих конденсаторах 22, 23 при коротком замыкании с сопротивлением R=0,01 Ом. Кривые 19, 21, 23 относятся к двухфазному генератору, а 18, 20, 22 - к прототипу. Напряжение на компаундирующих конденсаторах 23 и ток 21 двухфазного генератора больше, чем у прототипа (кривые 22, 20). Динамические характеристики генераторов отличаются незначительно.
П.2ф
П.3ф
К недостаткам данного решения следует отнести большее значение коэффициента пульсаций k=13,3%, против k=5,7% у прототипа [5, с.75], что может несколько ухудшить качество сварки.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.с. 1798863 СССР, H02K 17/00. Асинхронный сварочный генератор / П.И.Костраускас, В.-Ю.А.Жалис, А.К.Кулакаускас, Л.П.Лемежонене, С.Ю.Маразас, С.А.Диржас, А.И.Лаужадис, А.В.Паштукас. - №4845636/07; Заяв.23.04.90; Опубл. 28.02.93. Бюл. №8.
1
2. Пат. №237406, ГДР, H02K 47/10. Burstenljser schweib generator / Julke Edmund, Dassel Jurgen; VEB Mansfeld - Kombinat Wilhelm Pick. 2763853; Заявл. 16.05.85, опубл. 09.07.86.
3. Патент RU №2211519, H02K 17/00, H02P 9/46, B23K 9/00. Асинхронный сварочный генератор. / А-З.Р.Джендубаев. - №2001124752/09; Опубл. 27.08.03. Бюл. №24.
4. Оборудование для дуговой сварки: Справочное пособие / Под ред. В.В.Смирнова. - Л.: Энергоатомиздат. 1986.
5. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992.