АСИНХРОННЫЙ СВАРОЧНЫЙ ГЕНЕРАТОР
ASYNCHRONOUS WELDING GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к асинхронным генераторам с конденсаторным самовозбуждением, и может быть использовано в устройствах ручной дуговой электросварки штучным электродом.
В современных сварочных генераторах, которые приводятся во вращение с помощью двигателей внутреннего сгорания, в качестве электромеханических преобразователей энергии обычно используют трехфазный синхронный генератор. К выходу такого генератора подключают инверторную систему, состоящую из входного трехфазного выпрямителя (380/220 В), высокочастотного инвертора (30…80 кГц), малогабаритного понижающего трансформатора и выпрямителя, к которому подключаются кабели и сварочный электрод. Вполне работоспособной является и система, состоящая из стандартного трехфазного синхронного генератора и трехфазного инверторного сварочного аппарата (ИСА). Естественно, что вторая система более универсальна, поскольку в ней трехфазный ИСА может быть отсоединен от генератора и подключен к трехфазной сети. Определенной универсальностью обладает и первая система, поскольку ее синхронный генератор обычно может вырабатывать стандартное трехфазное напряжение.
Конструкция этих генераторов по сравнению с конструкцией асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором имеет следующие недостатки: скользящие контакты; сложная конструкция ротора с контактными кольцами и обмоткой возбуждения из изолированного провода; наличие системы самовозбуждения и стабилизации напряжения. К недостаткам конструкции следует отнести и то, что на роторе генератора, в большинстве случаев, нет мощной короткозамкнутой (демпферной) обмотки типа беличьей клетки, которая могла бы обеспечить эффективную коммутацию диодов выпрямительного моста на входе сварочного инвертора.
Следует обратить внимание и на то, что при подключении к трехфазному генератору с линейным напряжением 230 В однофазного ИСА с номинальным напряжением 220 В, как и подключение любой другой несимметричной нагрузки, приводит к возникновению вращающегося магнитного поля обратной последовательности в воздушном зазоре между статором и ротором генератора. Это поле негативно сказывается на работе генератора, вызывая нагрев магнитопровода ротора и демпферных обмоток (при их наличии), а также усиливает вибрацию различных частей генератора [1, с. 751]. При подключении однофазного ИСА к фазной и нулевой клеммам генератора с напряжением 230/398 В в последнем, наряду с потоком обратной последовательности, возникают потоки нулевой последовательности, которые также оказывают негативное воздействие на генератор.
Следует отметить и тот факт, что напряжение на нагруженных фазах существенно снижается, а на других - возрастает.
Известна конструкция однофазного синхронного генератора, которая имеет одну обмотку на статоре и обмотку возбуждения на роторе. Подключение к нему однофазного ИСА вызывает аналогичные проблемы, как и в трехфазной конструкции. Следует подчеркнуть, что по своим энергетическим и массогабаритным показателям такой генератор существенно уступает трехфазным. Последнее связано с тем, что электромеханическое преобразование энергии в однофазном генераторе осуществляется посредством пульсирующего, а не вращающегося кругового магнитного поля.
Наряду с синхронными генераторами для сварки штучным электродом нашли применение и асинхронные генераторы. Причем их основной недостаток, связанный с массой и стоимостью конденсаторов возбуждения, отошел на второй план в связи с появлением высокоэффективных полипропиленовых конденсаторов [2].
Известны различные конструкции асинхронных сварочных генераторов (АСГ). Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, причем, последние могут быть разбиты на индивидуальные недостатки и недостатки, которые присущи всем перечисленным конструкциям [3-7].
Первым общим недостатком этих конструкций является то, что сварочный электрод подключается к диодному мосту, а не к инверторному сварочному аппарату, который обладает отличными статическими и динамическими характеристиками, которые даже начинающему сварщику позволяют получить качественные сварные стыки. Вторым недостатком этих генераторов является то, что их внешние характеристики оптимизированы для работы на ее спадающей части, что делает их близкими к источникам тока, но непригодными для ИСА, поскольку его подключают к источнику напряжения.
В свою очередь асинхронный генератор по сравнению с синхронным генератором является бесконтактной электрической машиной, которая имеет простую конструкцию ротора, высокую надежность и мощную короткозамкнутую (демпферную) обмотку типа беличьей клетки.
Такая обмотка обеспечивает значительное снижение пульсаций выпрямленного напряжения в ИСА, и с этой точки зрения асинхронный генератор является идеальным вариантом согласно информации, приведенной в [8, с. 126].
К недостаткам асинхронного генератора следует отнести сложность стабилизации напряжения и частоты генерируемого напряжения.
В определенной степени эти недостатки, во-первых, нивелируются тем, что, на входе ИСА стоит выпрямительный мост, и поэтому изменение частоты напряжения генератора при изменении нагрузки не вызывают особых проблем. Во-вторых, существуют специальные ИСА, которые работоспособны даже, если их подключить к "слабой" сети или автономному генератору. Они с одной стороны, имеют систему коррекции (улучшения) коэффициента мощности (PFC - Power Factor Correction) вплоть до 0,99, а, с другой стороны, они могут работать в широком диапазоне изменения напряжения. Например, однофазный ИСА Сварог ARC 160 PFC имеет коэффициент мощности равный 0,96, а рабочий диапазон напряжений составляет 90-240 5 [9]. Другой однофазный ИСА GROVERS 160 ARC PFC обладает еще более впечатляющими характеристиками. Его коэффициент мощности равен 0,99, а рабочий диапазон напряжений простирается от 80 В до 275 В. Столь значительный диапазон объясняется тем, что этот ИСА имеет два номинальных напряжения 220 В и 110 В и два диапазона, которые перекрывают друг друга [10].
Прототипом предлагаемого решения является конструкция трехфазного асинхронного генератора с конденсаторным самовозбуждением и конденсаторным компаундированием. Генератор имеет трехфазную обмотку на статоре и короткозамкнутую обмотку на роторе. К обмотке статора подключаются конденсаторы возбуждения и начала компаундирующих конденсаторов, к концам которых подключается трехфазная нагрузка [11, с. 104]. Следует отметить, что фазы обмотки статора, а также фазы конденсаторов возбуждения могут быть соединены в звезду или треугольник.
К недостаткам такого генератора с напряжением 398/230 В следует отнести то, что однофазный ИСА может быть к нему подключен только, если доступна фаза и нулевая точка трехфазной обмотки статора, или имеется возможность переключения обмотки со звезды в треугольник. При любом варианте однофазный ИСА представляет для генератора несимметричную нагрузку, и в его воздушном зазоре возникает обратное магнитное поле и соответствующие проблемы с потерями и вибрацией. Естественно, что такая несимметричная нагрузка приводит и к несимметрии напряжений и токов, а, следовательно, и к несимметрии мощностей по фазам. Это в свою очередь сопровождается недоиспользованием генератора по мощности, снижением его КПД и росту расхода топлива, потребляемого приводным двигателем, который вращает генератор.
Технический результат, который обеспечивает заявленное изобретение, заключается в устранении несимметрии при подключении однофазного инверторного сварочного аппарата к асинхронному сварочному генератору, в повышении КПД генератора и снижении расхода топлива, потребляемого приводным двигателем.
Указанный технический результат достигают тем, что асинхронный сварочный генератор с короткозамкнутой обмоткой на роторе и трехфазной обмоткой на статоре, фазы которой соединены в звезду или треугольник, имеет клеммы для подключения конденсаторов возбуждения и начала фаз компаундирующих конденсаторов, причем статорная обмотка генератора в режиме холостого хода имеет линейное напряжение в диапазоне 180..240 В, концы компаундирующих конденсаторов подключены к трехфазному мостовому выпрямителю, выводы которого подключены к дополнительным клеммам (или разъему), присоединенных к одноименным полюсам шины постоянного тока вводного выпрямителя однофазного инверторного сварочного аппарата с системой коррекции коэффициента мощности.
Электрическая схема асинхронного сварочного генератора и структурная схема инверторного сварочного аппарата с системой коррекции коэффициента мощности представлены на фиг. 1. На фиг. 2 представлена внешняя характеристика асинхронного сварочного генератора. На фиг. 3 приведены кривые выпрямленного напряжения ИСА при одинаковых амплитудах напряжения однофазной сети переменного тока и трехфазного напряжения асинхронного сварочного генератора на холстом ходу с учетом скольжения асинхронного сварочного генератора.
Асинхронный сварочный генератор, электрическая схема которого вместе со структурной схемой ИСА представлена на фиг. 1, имеет короткозамкнутый ротор 1. В пазах статора размещена трехфазная обмотка 2. К клеммам 3 этой обмотки подключены конденсаторы возбуждения 4 и начала компаундирующих конденсаторов 5. Концы компаундирующих конденсаторов 5 подключены к трехфазному выпрямителю 6. Выводы постоянного тока этого выпрямителя подключены к клеммам (или разъему) 7, которые в свою очередь соединены с шинами постоянного тока однофазного выпрямителя 8 инверторного сварочного аппарата 9, основные элементы и блоки которого на фиг.1 очерчены прямоугольником из пунктирных линий. Клеммы 7 и соединительные проводники между трехфазным выпрямителем генератора 6 и шинами однофазного выпрямителя 8 для наглядности изображены линиями с большей толщиной. К шинам постоянного тока ИСА подключены сглаживающие конденсаторы 10 для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Инвертор 11 преобразует постоянное напряжение генератора в высокочастотное переменное напряжение, к которому подключен малогабаритный понижающий трансформатор 12. К вторичной обмотке этого трансформатора подключен выходной однофазный выпрямитель 13, к которому в свою очередь подключается сварочный электрод 14. Ротор асинхронного сварочного генератора приводится во вращение двигателем 15. Также на фиг.1 показаны выводы 16 для подключения однофазного ИСА с системой коррекции коэффициента мощности к стандартной сети 220 В, которые позволяют его использовать отдельно, а не только в составе сварочного генератора.
Асинхронный сварочный генератор работает следующим образом. Двигатель 15 вращает ротор 1 генератора. Если, во-первых, выполняются автогенераторные условия, т.е. параметры генератора и конденсаторов возбуждения имеют такие значения, при которых генератор становится системой с положительной обратной связью, а, во-вторых, выполняются стартерные условия, т.е. в системе имеются стартеры (возмущения), запускающих процесс самовозбуждения, например, остаточное напряжение на конденсаторах, остаточная индукция и т.д., то в генераторе возникает процесс конденсаторного самовозбуждения. Этот процесс сопровождается лавинообразным ростом напряжения на обмотке статора, вплоть до насыщения магнитной системы генератора, при котором наступает баланс активных и реактивных мощностей, и генератор переходит в установившийся режим работы с конденсаторным самовозбуждением. При подключении к генератору нагрузки в обмотках генератора и компаундирующих конденсаторах возникает ток, который увеличивает реактивную (емкостную) мощность в системе, что сопровождается изменением ее параметров и стабилизацией напряжения генератора.
b
k
р
Для расчета внешних характеристик бала разработана математическая модель асинхронного генератора. В этой модели использовались параметры и кривая намагничивания асинхронного двигателя серии АДМ 112МВ6 мощностью 4 кВт, которые были определены в ходе проведения стандартных опытов холостого хода и короткого замыкания, а также опыта с удаленным ротором. В модели для получения напряжения приемлемого для ИСА фазы обмотки статора 2 были соединены в треугольник. Также, в треугольник были соединены и конденсаторы возбуждения 4, что позволило повысить их использование по напряжению. При моделировании было сделано следующее допущение: однофазная нагрузка в виде ИСА с корректором реактивной мощности 9 при ее питании от трехфазного выпрямителя 6 эквивалентна симметричной трехфазной активно-индуктивной нагрузке с неизменным коэффициентом мощности, равным 0,99. В модели емкость конденсаторов возбуждения 4 принималась равной С=40 мкФ, а компаундирующих конденсаторов 5 - С=500 мкФ. Ротор генератора 1 вращается с синхронной (электрической) частотой, т.е. с частотой ω=314.159 рад/с. С целью увеличения ЭДС с сохранением уровня насыщения магнитной системы асинхронной машины в модели генератора было несколько увеличено число витков, по сравнению с числом витков двигателя серии АДМ 112МВ6.
Результаты расчета внешних характеристик предлагаемого генератора представлены на фиг. 2. Здесь кривая 1 получена при отсутствии компаундирующих конденсаторов, а кривая 2 - при их наличии. Внешняя характеристика генератора достаточно жесткая, а изменение напряжения под действием нагрузки существенно меньше рабочего диапазона напряжений однофазных ИСА с системой коррекции коэффициента мощности.
Следует отметить, что к клеммам 7 генератора при переключении его статорной обмотки с треугольника в звезду может быть подключен профессиональный трехфазный ИСА с системой коррекции коэффициента мощности и номинальным напряжением 380 5. Также к генератору могут подключаться и другие потребители переменного напряжения 380/220 5, желательно с коэффициентом мощности, равным единице. Однако такое переключением потребует пересчета емкости компаундирующих конденсаторов 5 и уточнения их рабочего напряжения.
На фиг. 3 представлены кривые выпрямленного напряжения в установившемся режиме на шинах постоянного тока высокого напряжения при работе ИСА от сети через однофазный мостовой выпрямитель 8 (кривая
1) и при работе от трехфазного мостового выпрямителя генератор 6 (кривая
2). И в том и другом случаях нагрузка отсутствовала, амплитудные значения переменного напряжения на входе выпрямителей одинаковы и равны 3115, а емкость сглаживающих конденсаторов принималась равной 10000 мкФ. Представленные кривые свидетельствуют, о том, что при работе от асинхронного сварочного генератора выпрямленное напряжение мало отличается от выпрямленного напряжения при работе ИСА от сети. В первом случае имеет место более эффективное сглаживание пульсаций. Незначительное смещение кривых 1 и 2 относительно друг друга объясняется наличием скольжения.
Таким образом, в нормальных режимах работы асинхронный сварочный генератор не представляет угрозы с точки зрения возникновения перенапряжений в ИСА.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978.
2. http://www.nucon.ru/catalog/seriya-k78-98/ (По состоянию на 23.10.2017 г. )
3. Пат. №237406, ГДР, Н02К 47/10. Burstenljser schweib generator/Julke Edmund, Dassel Jurgen; VEB Mansfeld - Kombinat Wilhelm Pick. 2763853; Заявл. 16.05.85, опубл. 09.07.86.
4. A.c. SU 1798863 Al, 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.
5. 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.
6. Пат. 2501149 Российская Федерация, МПК 7 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.
7. 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.
8. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. - М.: Высшая школа, 1982.
9. http://svarka-ufa.com/products/1235 (По состоянию на 23.10.2017 г. )
10. http://grovers.ru/catalog_grovers/MMA-svarka/svarochnyy-invertor-arc-160-pfc/ (По состоянию на 23.10.2017 г. )
11. Торопцев Н.Д. Асинхронные генераторы автономных систем. - М.: Знак, 1997.-228 с.