АСИНХРОННЫЙ СВАРОЧНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ДВУМЯ ТРЕХФАЗНЫМИ ОБМОТКАМИ НА СТАТОРЕ И КОНДЕНСАТОРНО-ДРОССЕЛЬНЫМ КОМПАУНДИРОВАНИЕМ
ASYNCHRONOUS WELDING GENERATOR WITH TWO THREE-PHASE WINDINGS AT STATOR AND CAPACITOR-CHOKE COMPOUND EXCITATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к асинхронным генераторам с конденсаторным самовозбуждением, и может быть использовано в устройствах ручной дуговой электросварки.
Известна конструкция бесконтактного сварочного генератора [1], 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 холостого хода (XX) требуется одно значение емкости конденсаторов, а в режиме технологического короткого замыкания (КЗ) или нагрузки - другое, причем большее. В силу этого при фиксированной емкости конденсаторов, которая выбрана для работы в режиме КЗ или номинальной нагрузки, переход в режим XX сопровождается увеличением намагничивающего тока, значительным насыщением магнитной системы и, как следствие, ростом потерь XX. Применение быстродействующего регулятора реактивной мощности, способного решить эту проблему, приводит к значительному усложнению генераторной установки, уменьшению ее надежности и увеличению массы.
Известна конструкция асинхронного сварочного генератора, который имеет короткозамкнутый ротор и две трехфазные обмотки на статоре [2]. К первой обмотке - обмотке возбуждения последовательно подключается первичная обмотка компаундирующего трансформатора и батарея конденсаторов, которая обеспечивает самовозбуждение генератора и его работу под нагрузкой. Вторая обмотка является рабочей. Последовательно в цепь этой обмотки подключается вторичная обмотка компаундирующего трансформатора, выпрямитель и сварочная цепь.
Недостатком этой конструкции является наличие компаундирующего трансформатора, что приводит к увеличению массы сварочной установки, росту потерь и затрудняет процесс самовозбуждения сварочного генератора.
Известна конструкция двухфазного асинхронного сварочного генератора с двумя обмотками на статоре [3]. Одна из этих обмоток является обмоткой возбуждения, к которой подключены конденсаторы возбуждения. Другая двухфазная обмотка статора является рабочей. К каждой фазе этой обмотки подключены компаундирующие конденсаторы и однофазный мостовой выпрямитель, выход которого соединен параллельно с выходом выпрямителей другой фазы. К этому объединенному выходу подключается сварочный электрод. При КЗ и сварке ток протекает через компаундирующие конденсаторы, что и обеспечивает работу генератора в этих режимах. На холостом ходу ток компаундирующих конденсаторов равен нулю и возбуждение обеспечивается только за счет конденсаторов возбуждения. Емкость этих конденсаторов выбирается такой, чтобы обеспечить самовозбуждение и небольшое насыщение при работе в режиме XX. При этом магнитные потери на XX ходу существенно снижаются по сравнению с потерями у первого аналога.
Недостатком этого генератора является то, что при КЗ в сварочной цепи магнитный поток в воздушном зазоре создается намагничивающими токами, протекающими как в обмотке возбуждения, так и в рабочей обмотке.
Недостатком этого генератора является то, что при технологическом КЗ и сварке магнитный поток в воздушном зазоре генератора возрастает по сравнению с режимом XX, т.к. в этом случае он создается не только намагничивающим током обмотки возбуждения, но значительной намагничивающей (емкостной) составляющей тока рабочей обмотки. Это, во-первых, приводит к росту электрических потерь в обмотке возбуждения, т.к. по сравнению с режимом XX происходит увеличение ЭДС, напряжения и тока в этой обмотке, а, во-вторых, это приводит к росту магнитных потерь из-за увеличения магнитной индукции в частях магнитной системы генератора. Причем, чем больше емкость компаундирующих конденсаторов, тем больше сварочный ток и его намагничивающая составляющая и тем больше индукция, насыщение и магнитные потери.
Еще одним недостатком данного генератора является то, что в нем процесс выпрямления переменного тока происходит при больших искажениях, чем в трехфазном мостовом выпрямителе. Это снижает качество сварки.
Известна конструкция асинхронного сварочного генератора, в которой, во-первых, удалось уменьшить рост индукции и насыщения при технологическом КЗ и сварке, во-вторых, увеличить сварочный ток и, в-третьих, уменьшить его искажения [4]. Этот генератор имеет три трехфазных обмотки на статоре, которые укладываются в общие пазы. Одна обмотка является обмоткой возбуждения, к которой подключены конденсаторы возбуждения. Другие две обмотки являются рабочими. К началу фаз первой рабочей обмотки подключается выпрямитель со сварочным электродом, а к концам фаз - компаундирующие конденсаторы, соединенные в треугольник. К началам фаз второй рабочей обмотки подключается еще один выпрямитель, выход которого соединен параллельно с выходом выпрямителя, подключенного к первой рабочей обмотке. К концу фаз второй рабочей обмотки подключается регулируемый дроссель (индуктивность).
При сварке и при технологическом КЗ в первой рабочей обмотке протекает ток, который имеет намагничивающую (емкостную) составляющую. Во второй рабочей обмотке протекает ток с размагничивающей (индуктивной) составляющей. Благодаря этому удается уменьшить рост индукции и насыщения магнитной системы генератора и более чем на 50% увеличить сварочный ток.
К недостаткам этой конструкции следует отнести наличие двух рабочих обмоток на статоре, что усложняет конструкцию и изготовление генератора.
Прототипом предлагаемого изобретения является конструкция, у которой отсутствует этот недостаток, т.е. генератор имеет две трехфазные обмотки на статоре [5]. Одна обмотка является обмоткой возбуждения. К ее клеммам подключены конденсаторы возбуждения, которые обеспечивают самовозбуждение и работу генератора на холостом ходу. 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.
К недостаткам этой конструкции следует отнести относительно небольшой ток при технологическом КЗ и сварке. Значительную индукцию (насыщение), которая обусловлена большой реактивной (намагничивающей) составляющей тока, вызванной компаундирующими конденсаторами в цепи рабочей обмотки. Последнее сопровождается ростом магнитных потерь, а также ростом ЭДС, тока и электрических потерь в обмотке возбуждения. Значительная реактивная составляющая тока, протекающая в рабочей обмотке генератора, сопровождается значительными электрическими потерями в этой обмотке.
Технический результат, который обеспечивает заявленное изобретение, заключается в увеличении сварочного тока, уменьшении реактивной составляющей тока рабочей обмотки, снижении электрических и магнитных потерь и, как следствие, в увеличении КПД генератора и снижении потребления топлива приводным двигателем.
Указанный технический результат достигают тем, что асинхронный сварочный генератор с двумя трехфазными обмотками на статоре, одна из которых - обмотка возбуждения, имеет клеммы для подключения конденсаторов возбуждения, другая является рабочей обмоткой, начала которой имеют клеммы для подключения выпрямителя, к выходу которого подключен сварочный электрод, а концы фаз рабочей обмотки имеют клеммы для подключения компаундирующих конденсаторов, причем рабочая обмотка соединена в звезду или треугольник, к клеммам этой обмотки последовательно подключены компаундирующие конденсаторы, первый трехфазный выпрямитель, к выходу которого подключен сглаживающий дроссель и сварочный электрод, также к клеммам ответвления от меньшего числа витков рабочей обмотки относительно ее начала последовательно подключен компаундирующий регулируемый дроссель (индуктивность) и второй трехфазный выпрямитель, выход которого соединен параллельно с выходом первого выпрямителя.
Электрическая схема асинхронного сварочного генератора с двумя трехфазными обмотками на статоре и конденсаторно-дроссельным компаундированием представлена на фиг. 1. На фиг. 2 представлены кривые напряжения и сварочного тока прототипа и предлагаемой конструкции асинхронного сварочного генератора (АСГ) при переходе от режима холостого хода к технологическому КЗ с последующим его отключением. На фиг. 3 приведены кривые изменения взаимной индуктивности прототипа и АСГ при переходе от режима холостого хода к технологическому КЗ с последующим его отключением. На фиг. 4 представлены кривые напряжения и тока рабочей обмотки прототипа при технологическом КЗ. На фиг. 5 представлены кривые напряжения и тока рабочей обмотки АСГ при технологическом КЗ.
Асинхронный сварочный генератор имеет на статоре трехфазную обмотку возбуждения 1 и трехфазную рабочую обмотку 2 (фиг. 1). Фаза А рабочей обмотки имеет клемму 3 начала фазы, а также клемму 4 ответвления от узла 5 рабочей обмотки. Аналогичные клеммы имеют две другие фазы рабочей обмотки. Концы фаз рабочей обмотки соединены в звезду (узел 6).
Естественно, что эта обмотка может быть соединена и в треугольник. К клемме 7 начала фазы А обмотки возбуждения 1 подключены конденсаторы возбуждения 8, соединенные в треугольник. К клемме 3 последовательно подключена фаза А компаундирующих конденсаторов 9 и соответствующая фаза первого трехфазного мостового выпрямителя 10, к выходу которого подключен сглаживающий дроссель 11 и сварочный электрод 12. К клемме 4 последовательно подключена фаза А компаундирующего регулируемого дросселя 13 (индуктивности) и соответствующая фаза второго трехфазного мостового выпрямителя 14. Выход выпрямителя 14 соединен параллельно с выходом выпрямителя 10. Генератор имеет короткозамкнутый ротор 15 обычной конструкции.
Число витков обмотки возбуждения 1 оптимизировано под рабочее напряжение конденсаторов возбуждения 8. Число витков рабочей обмотки 2 (от клеммы 3 до узла 6) рассчитывают таким образом, чтобы напряжение (ЭДС) холостого хода на электроде не превышало 100 B. Число витков рабочей обмотки от узла 6 до клеммы 4 (узла 5) больше, чем от клеммы 4 (узла 5) до клеммы 3. Соответственно напряжение на компаундирующих конденсаторах 9 больше, чем на компаундирующем дросселе 13. Такое подключение обеспечивает равномерное распределение сварочного тока между первой параллельной ветвью, состоящей из компаундирующих конденсаторов 9 и первого трехфазного мостового 10, и второй параллельной ветвью, состоящей из компаундирующего регулируемого дросселя 13 (индуктивности) и второго трехфазного мостового выпрямителя 14. Это обеспечивает оптимальное насыщение магнитной системы генератора, уменьшение магнитных потерь и высших гармоник в сварочном токе, а также устойчивое зажигание и поддержание сварочной дуги.
в
к
k
Емкость С конденсаторов возбуждения 8 имеет значение, которое обеспечивает устойчивое самовозбуждение и работу генератора на холостом ходу. Также эти конденсаторы позволяют регулировать в небольшом диапазоне сварочный ток. Большими возможностями с этой точки зрения обладают компаундирующие конденсаторы и дроссель. Для этого емкость С компаундирующих конденсаторов 9 и индуктивность Lкомпаундирующего регулируемого дросселя 13 изменяют ступенчато или плавно в зависимости от заданных технических условий по регулированию сварочного тока.
в
в
Известно, что асинхронный генератор с конденсаторным самовозбуждением является системой с положительной обратной связью. При вращении его ротора 15, определенных значениях емкости Сконденсаторов возбуждения 8 и при наличии "стартера" (некоторого положительного возмущения с точки зрения самовозбуждения), в качестве которого могут выступать остаточная индукция, остаточный заряд на конденсаторах и т.д., генератор теряет устойчивость и начинается процесс асинхронного самовозбуждения. Процесс самовозбуждения сопровождается лавинообразным увеличением токов, потока и ЭДС, вплоть до наступления насыщения магнитной системы, при котором генератор устойчиво работает в установившемся режиме с конденсаторным самовозбуждением. В режиме холостого хода на сварочном электроде устанавливается напряжение, которое зависит от величины емкости С конденсаторов возбуждения 8,подключенных к обмотке возбуждения 1, и числа витков рабочей обмотки 2.
При технологическом КЗ и сварке в компаундирующих конденсаторах 9 протекает активно-емкостной ток (намагничивающий), а в компаундирующем дросселе 13 - активно-индуктивный ток (размагничивающий). Эти токи, после их выпрямления, суммируются на выходе выпрямителей 10 и 14. Этот суммарный выпрямленный ток протекает через сглаживающий дроссель 11 и сварочный электрод 12. Поскольку фаза А компаундирующих конденсаторов 9 и дросселя 13 подключены соответственно к клеммам 3 и 4, то суммирование их токов происходит в узле 5 рабочей обмотки 2. Следует отметить, что в отличие от прототипа, в котором реактивный ток компаундирующих конденсаторов протекает во всей рабочей обмотке, в предлагаемом решении этот ток протекает только в небольшой ее части, т.е. от клеммы 3 до узла 5.
Суммирование в узле 5 токов с разными по характеру реактивными составляющими приводит к тому, что в части рабочей обмотки от узла 5 до узла 6 протекает ток, реактивная составляющая которого меньше, чем у токов первой и второй параллельных ветвей компаундирования.
d
Для подтверждения технического результата проведены соответствующие расчеты. Так, на фиг. 2 представлены кривые напряжения и сварочного тока прототипа и предлагаемой конструкции АСГ при переходе от режима холостого хода к технологическому КЗ с последующим его отключением. При расчете использовались одинаковые параметры у прототипа и АСГ, за исключением наличия отпайки у АСГ. Мгновенное значение напряжения холостого хода на электроде у прототипа и АСГ не превысило 100 В, что допускается стандартом (кривые 16 и 17). Значения сварочного тока i у АСГ более чем на 80% больше (кривая 19), чем у прототипа (кривая 18).
На фиг. 3 приведены кривые изменения взаимной индуктивности прототипа и АСГ при переходе от режима холостого хода к технологическому КЗ с последующим его отключением. При технологическом КЗ кривая 20 взаимной индуктивности прототипа расположена ниже аналогичной кривой 21 АСГ и при t=0,07 с составляет 50,6% от взаимной индуктивности АСГ. Это свидетельствует о том, что в этом режиме магнитная система прототипа насыщена существенно больше, чем у АСГ, соответственно у прототипа больше магнитные потери, а также электрические потери в обмотке возбуждения, вызванные увеличением индукции, ЭДС и тока в этой обмотке.
po
po
В установившемся режиме технологического короткого замыкания в рабочей обмотке i протекает значительный реактивный ток, что подтверждается кривыми тока (22) и напряжения u (23) фазы «А», представленными на фиг. 4. Следует отметить, что кривые остальных фаз имеют аналогичный вид. Из фиг. 4 видно, что во всей рабочей обмотке прототипа протекает опережающий напряжение ток с амплитудой 194 A.
kC
po3-5
kL
5-4
po5-6
po3
po4
po3
po4
kC
kL
po5-6
po4
po3
kC
На фиг. 5 представлены кривые напряжения и тока рабочей обмотки АСГ при технологическом КЗ. Ток (24), протекающий в компаундирующих конденсаторах и части рабочей обмотки от клеммы 3 до узла 5 (i=i), находится в противофазе с током (25), протекающем в дросселе от узла 5 и клеммы 4 (i=i). Ток (26), протекающий в рабочей обмотке от узла 5 до клеммы 6 (i), имеет значение более чем в два раза меньшее, чем токи в компаундирующих конденсаторах и дросселе. Это в свою очередь позволяет уменьшить электрические потери в большей части рабочей обмотки от узла 5 до клеммы 6. Также на фиг. 5 представлена кривая (27) фазного напряжения на клемме 3 рабочей обмотки (u) и кривая фазного напряжения (28) на клемме 4 ответвления от рабочей обмотки (u). Естественно, что напряжение u больше напряжения u, что позволяет сбалансировать значения токов i и i для необходимого насыщения. Характерной особенностью работы генератора является то, что с одной стороны результирующий ток i отстает по фазе от напряжений u и uрабочей обмотки, т.е. он имеет размагничивающую составляющую, однако, с другой стороны, в режиме технологического КЗ предлагаемый АСГ насыщается по сравнению с режимом холостого хода (фиг. 3), т.е. намагничивающий ток и соответствующая МДС возрастают. Вопрос о том, где «спрятался» этот ток, решается сам собой, если вспомнить, что в меньшей части рабочей обмотки от клеммы 3 до узла 5 протекает реактивный (намагничивающий) ток от компаундирующих конденсаторов i.
Таким образом, предлагаемый генератор обеспечивает заявленный технический результат, а именно:
1. Сварочный ток заявленного генератора на 80% больше, чем у прототипа;
2. Отсутствие значительного роста магнитной индукции (сильного насыщения) в режиме технологического КЗ и сварки уменьшает потери в магнитной системе генератора и препятствует значительному росту ЭДС, тока и электрических потерь в обмотке возбуждения генератора;
3. В большей части рабочей обмотки предлагаемого решения протекает ток, реактивная составляющая которого существенно меньше, чем в обмотке прототипа. Соответственно меньше и электрические потери в этой обмотке.
Во всем этом и заключается эффект конденсаторно-дроссельного компаундирования.
к
k
Следует подчеркнуть, что желаемое насыщение генератора можно задать путем изменения соотношения между значением емкости компаундирующих конденсаторов С и индуктивностью компаундирующего дросселя L, а также изменением числа витков до отпайки. Величину сварочного тока регулируют путем изменения емкости компаундирующих конденсаторов и индуктивности компаундирующего дросселя. Например, для уменьшения сварочного тока следует уменьшить емкость и увеличить индуктивность.
Следует отметить, что компаундирующие конденсаторы в прототипе обычно соединены в треугольник и находятся под линейным напряжением. В предлагаемом решении они находятся под фазным напряжением. В силу этого для получения той же реактивной мощности, что и в случае с прототипом, емкость компаундирующих конденсаторов необходимо увеличить в три раза. Естественно, что проблему увеличения емкости компаундирующих конденсаторов можно нивелировать, если использовать конденсаторы, которые специально изготовлены для работы с этим сварочным генератором, т.е. с учетом напряжения (40 B) и частоты (100-400 Гц).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Пат. ГДР №237406, Н02К 47/10. Burstenljser schweib generator / Julke Edmund, Dassel Jurgen; VEB Mansfeld - Kombinat Wilhelm Pick. 2763853; Заявл. 16.05.85, опубл. 09.07.86.
2. A.c. SU 1798863 A1, МПК 5 H02K 17/00. Асинхронный сварочный генератор. / П.И. Костраускас, В.-Ю.А. Жалис, А.К. Кулакаускас, Л.П. Лемежонене, С.Ю. Марзаас, С.А. Диржас, А.И. Лаужадис, А.В. Паштукас. - 4845636/07. Заявл. 23.04.1990. Опубл. 28.02.1993.
3. Патент на изобретение RU №2404032, Н02К 17/00, Н02Р 9/46, В23К 9/00. Двухфазный асинхронный сварочный генератор / А.-З.Р. Джендубаев. - №2008149659/02; Опубл. 20.11.10. Бюл. №32.
4. Пат. РФ 2501149, МПК7 Н02К 17/00, Н02К 17/42, Н02Р 9/46, В23К 9/00. Трехфазный асинхронный сварочный генератор с тремя обмотками на статоре / Джендубаев А.-З.Р.; заявитель и патентообладатель ООО "НИЭЛЬ". - №2012103815/07; заявл. 03.02.2012; опубл. 27.08.2013. Бюл. №24. - 6 с: ил.
5. Патент на изобретение RU №2211519, Н02К 17/00, Н02Р 9/46, В23К 9/00. Асинхронный сварочный генератор. / А.-З.Р. Джендубаев. - №2001124752/09; Опубл. 27.08.03. Бюл. №24.