ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ СВАРОЧНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к асинхронным генераторам 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 (К3) 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 К3, 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 К3 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. Применение быстродействующего регулятора реактивной мощности, способного решить эту проблему, приведет к значительному усложнению генераторной установки, уменьшит ее надежность и увеличит массу.
Прототипом предлагаемого изобретения является 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.
Недостатками данного трехфазного асинхронного сварочного генератора является наличие двух обмоток на статоре, что, во-первых, усложняет конструкцию обмотки генератора, а, во-вторых, увеличивает электрические потери в обмотках статора при работе в режиме холостого хода.
Технический результат, который обеспечивает заявленное изобретение, заключается в использовании одной обмотки, что упрощает конструкцию генератора и снижает электрические потери в обмотке статора при работе в режиме холостого хода.
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 фаз которой имеют клеммы для подключения шунтирующих конденсаторов и выпрямителя со сварочным электродом в цепи постоянного тока, а концы фаз рабочей обмотки имеют клеммы для подключения компаундирующих конденсаторов, соединенных в треугольник, причем трехфазные обмотки статора имеют одинаковое число витков, соединены параллельно, уложены в одни пазы и образуют одну общую обмотку на статоре, конденсаторы обмотки возбуждения и шунтирующие конденсаторы соединены параллельно и образуют батарею шунтирующих конденсаторов, фазы которой соединены в треугольник.
Электрическая схема трехфазного асинхронного сварочного генератора представлена на фиг.1. На фиг.2 представлены внешние характеристики, кривые электрических потерь заявленного генератора и прототипа.
4
5
6
1
2
3
Генератор имеет короткозамкнутый ротор 1 обычной конструкции (фиг.1). В пазы статора асинхронного сварочного генератора уложена одна трехфазная обмотка 2. К клеммам C, C, C конца фаз этой обмотки подключены компаундирующие конденсаторы 3, соединенные в треугольник. К клеммам C, C, С подключены шунтирующие конденсаторы
4, соединенные в треугольник, и трехфазный мостовой выпрямитель 5. К выходу выпрямителя подключен сварочный электрод 6.
Генератор работает следующим образом. При вращении ротора 1 приводным двигателем (двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель) остаточный поток наводит ЭДС в обмотке статора 2. Под действием этой ЭДС в компаундирующих 3 и шунтирующих 4 конденсаторах возникает емкостной ток, который, протекая по обмотке 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 режиме холостого хода на сварочном электроде устанавливается напряжение, которое пропорционально числу витков обмотки и величине емкости конденсаторов 3 и 4. При уменьшении сопротивления нагрузки возрастают токи в нагрузке, обмотке статора и компаундирующих конденсаторах, а ток в шунтирующих конденсаторах уменьшается. Последнее обусловлено тем, что нагрузка 6 и шунтирующие конденсаторы 4 соединены параллельно в отличие от компаундирующих конденсаторов 3, которые соединены последовательно с нагрузкой 6 и обмоткой статора 2. При этом реактивная мощность компаундирующих конденсаторов 3 увеличивается более интенсивно, чем снижается реактивная мощность шунтирующих конденсаторов 4. Благодаря этому генератор не теряет возбуждения и устойчиво работает в режиме сварки и технологических коротких замыканий.
Использование одной обмотки на статоре вместо двух является неоспоримым конструктивным достоинством предлагаемого генератора. Это связано с тем, что, во-первых, процесс изготовления и укладки двух отдельных обмоток в одни пазы более сложный, чем процесс изготовления и укладки одной обмотки. Во-вторых, с точки зрения техники безопасности, генераторная обмотка с высоким напряжением должна быть надежно изолирована от генераторной обмотки с низким напряжением, что требует дополнительных затрат на изоляцию. В-третьих, для каждой из двух обмоток статора прототипа требуется своя коробка ввода с соответствующими клеммами.
Что касается электрических потерь в статоре, то они пропорциональны активному сопротивлению. При одинаковых токах холостого хода (намагничивающих токах), числах витков, размерах паза и магнитной системы электрические потери в режиме холостого хода у предлагаемого решения меньше, чем у прототипа. Это связано с тем, что в первом случае ток протекает в обмотке, которая занимает весь паз, а во втором случае ток протекает в обмотке возбуждения, которая занимает только часть паза. Таким образом, сечение провода, в котором протекает ток холостого хода, в предлагаемом решении будет больше, а активное сопротивление и электрические потери в обмотке статора будут меньше, чем у прототипа.
Согласно расчету электрические потери в режиме холостого хода у прототипа составили 414 Bm, а у предлагаемого генератора - 139Bm.
Известно, что большинство сварочных генераторов, предназначенных для ручной дуговой электросварки штучным электродом, имеют номинальную относительную продолжительность нагрузки ПН=60%. Остальные 40% цикла генераторы работают в режиме холостого хода. Поэтому использование предлагаемого генератора, который имеет меньшие потери холостого хода, позволит получить экономию топлива, например, бензина, на котором работает двигатель внутреннего сгорания сварочного агрегата.
d
d
На рис.2 представлены результаты расчета внешних характеристик и электрических потерь в статоре прототипа (пунктирные линии) и предлагаемого решения (сплошные линии). Также представлена прямая линия, согласно которой связаны рабочее напряжение дуги и сварочный ток U=20+0,04·I[4].
d
Следует отметить, что при номинальном токе I=217A плотности тока в рабочей обмотке и обмотке возбуждения прототипа равны плотности тока в обмотке предлагаемого генератора, поэтому равны и электрические потери (смотри расчетные точки).
При расчете использовалась магнитная система и параметры обмоток двигателя серии 4A100L6. Следует отметить, что емкость конденсаторов подбиралась таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить равенство взаимной индуктивности обмоток у прототипа и у предлагаемого решения в режиме холостого хода, а с другой стороны имело место аналогичное равенство и при работе в номинальном режиме.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.с. 1798863 СССР, Н02К 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, Н02К 47/10. Burstenijser schweib generator/JuIke Edmund, Dassel Jurgen; VEB Mansfeld - Kombinat Willielm Pick. 2763 853; Заявл. 16.05.85, опубл. 09.07.86.
3. Патент RU №2211519, Н02К 17/00, Н02P 9/46, В23К 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.