Принципы работы и формирования статических и динамических характеристик коллекторных сварочных генераторов

Известно, что от величины Iк.р. зависит разбрызгивание металла при сварке. Чем больше эта величина при прочих равных условиях, тем больше разбрызгивание металла  при сварке. Исследованиями установлено, что, уменьшая эту величину, у отечественных коллекторных сварочных генераторов можно уменьшить разбрызгивание металла в 2-3 раза.

Рис.4. Зависимость  относительного значения динамического  пика тока короткого замыкания генератора ГСО-300 А от изменения параметров цепей якоря и возбуждения  в диапазоне малых токов (Uго=43 В; I к.у = 225 А)

при увеличении индуктивности  рассеяния цепи независимого возбуждения;

при увеличении индуктивности  рассеяния цепи якоря;

при увеличении омического сопротивления цепи возбуждения;  

m - кратность увеличения параметра по сравнению с исходным значением 
 
 

Зависимость перечисленных  показателей качества переходных процессов  сварочных генераторов от основных параметров может быть иллюстрирована расчетными кривыми, показанными на

Рис.4 и 5 для отечественного сварочного генератора ГСО - 300А. 

Из кривых на Рис.4 и 5 видно, что наибольшее положительное  влияние на относительное значение динамического пика тока короткого  замыкания, а соответственно и на относительное значение минимального напряжения после обрыва короткого замыкания оказывает в данном случае увеличение индуктивности рассеяния обмотки независимого возбуждения, которое может быть осуществлено, например, включением дополнительного дросселя в эту цепь. 

Средняя скорость нарастания сварочного тока в данном случае (при малой длительности) в большей степени уменьшается от увеличения индуктивности рассеяния обмотки якоря, которое может быть осуществлено, например, включением дополнительного дросселя в сварочную цепь. Влияние омических сопротивлений цепей на рассматриваемые показатели в данном случае менее ощутимо, однако всегда их увеличение улучшает динамические свойства генератора. Качественно похожие зависимости имеют и другие типы генераторов рассматриваемой схемы, однако эффективность влияния изменения параметров на показатели качества переходных процессов для каждого конкретного типа может быть другой и зависит в каждом случае от соотношения параметров сварочного генератора и длительности переходных процессов. Чем больше длительность коротких замыканий (сварка электродами больших диаметров), тем большее влияние оказывают омические сопротивления цепей и меньшее - их индуктивные сопротивления.

Рис.5. Зависимость  средней скорости нарастания тока короткого  замыкания генератора ГСО-300А от изменения параметров цепей якоря и возбуждения в диапазоне малых токов (Uго = 62 В; Iк.у = 629 А; ∆tк.з = 0,006 с) Обозначения на кривых - см. Рис.4 
 
 

Следует также учесть, что рассмотренная выше взаимосвязь  Динамических свойств генератора с  его параметрами носит приближенный характер и может быть использована на практике лишь для ориентировочного выбора основных способов улучшения  сварочных свойств генераторов. 

Более точный выбор  таких способов требует детального исследования переходных процессов. Так, например, роль индуктивности рассеяния  цепи якоря сварочного генератора не ограничивается описанным выше влиянием на экстремальные значения тока и  напряжения при ступенчатых возмущениях по длине дуги. Индуктивность цепи якоря генератора благоприятно влияет на процесс сварки также и в связи с наведением в ней ЭДС самоиндукции при возникновении скоростных возмущений по длине дуги. Более подробный анализ этого влияния можно найти в литературе по сварке. 

Принципы построения у генераторов жестких внешних  статических характеристик для  автоматизированной сварки значительно  проще, чем крутопадающих характеристик. Это объясняется тем, что любой  коллекторный генератор общего применения имеет пологопадающую внешнюю статическую характеристику. Наклон этой характеристики, как известно, обусловливается в основном падением напряжения в элементах омического сопротивления цепи якоря и падением напряжения, связанным с размагничивающим действием поперечной и продольной реакции якоря. Для компенсации этих падений напряжения с целью получения более жестких характеристик сварочные генераторы имеют обычно небольшую последовательную обмотку возбуждения ОВП (см, Рис.1), МДС которой направлена согласно с МДС обмотки независимого возбуждения. Регулирование напряжения сварочного генератора в данном случае также осуществляется изменением тока возбуждения реостатом в цепи возбуждения. Некоторые генераторы с жесткими характеристиками выполняются с самовозбуждением. 

↑ наверх

Требования к динамическим характеристикам генераторов для  автоматизированной сварки 

Требования к динамическим характеристикам генераторов для  автоматизированной сварки определяются исходя из специфики процесса. В  большинстве случаев при сварке электродными проволоками малого диаметра (0,6-1,6 мм) и при относительно умеренных плотностях тока перенос электродного металла осуществляется каплями, которые периодически замыкают дуговой промежуток. В этом случае стабильность процесса сварки и разбрызгивание металла в большой степени зависят от значения тока короткого замыкания в момент разрыва перемычки каплей расплавленного металла. Это значение тока, в свою очередь, зависит от установившегося тока короткого замыкания и постоянной времени сварочной цепи. При этом влияние установившегося тока короткого замыкания, а соответственно и омического сопротивления сварочной цепи тем больше, чем больше длительность короткого замыкания, что характеризует сварку на больших токах и электродными проволоками большого диаметра. 

При малой длительности коротких замыканий значение тока в  момент обрыва перемычки жидкого  металла в большей степени  зависит от индуктивности сварочной  цепи. При сварке в форсированных  режимах и электродной проволокой большого диаметра процесс переноса металла - струйный, без коротких замыканий» и качество переходных процессов генератора, в том числе скорость нарастания тока, мало влияет на процесс переноса металла. Стабильность процесса сварки в этом случае в основном определяется условиями статической устойчивости дуги, т. е. формой внешних статических характеристик сварочного генератора. 

↑ наверх

Принципы работы и формирования статических и  динамических характеристик вентильных сварочных генераторов

Вентильные сварочные генераторы 

Вентильный сварочный  генератор представляет собой электрическую  машину переменного тока с выпрямителем. В вентильном генераторе, в отличие  от коллекторного, выпрямитель является не механическим, а полупроводниковым. Применение сильноточных полупроводниковых диодов (или тиристоров) позволило создать выпрямитель напряжения и тока для электромашинных генераторов любого конструктивного исполнения, например синхронных, индукторных, асинхронных. Поэтому в -мировой практике можно встретить вентильные сварочные генераторы, выполненные на базе электрических машин переменного тока практически всех известных исполнений. 

Конструктивные особенности  отечественных вентильных сварочных  генераторов (ВСГ) Выпускаемые в  нашей стране ВСГ чаще всего выполнены  на базе трехфазной индукторной одноименнополюсной электрической машины, содержащей по два пакета статора и ротора из тонколистовой электротехнической стали (Рис.6). Оба пакета железа статора запрессованы в стальную станину, и, следовательно, станиной они магнитно соединены. Пакеты железа ротора запрессованы на стальную втулку, расположенную на валу генератора, и, следовательно, между собой также соединены магнитно. На каждом пакете железа ротора имеются зубцы. Зубцы одного пакета сдвинуты по окружности относительно зубцов второго пакета на π электрических градусов. 

Силовая обмотка  якоря уложена в пазы пакета статора (общая для обоих пакетов), а  тороидальная обмотка возбуждения  размещена между пакетами железа ротора и жестко прикреплена к  станине.

Рис.6 Магнитная система двухпакетного индукторного сварочного генератора с аксиальным потоком возбуждения 
 

1 - вал; 2 - массивная  втулка на валу; 3,8 - пакеты железа  ротора; 4 - обмотка якоря; 6,9 - пакеты  железа статора; 6 - станина; 7 - обмотка  возбуждения, прикрепленная к станине; Ф - основной магнитный поток 

Из Рис.6 видно, что  рассматриваемые вентильные генераторы не имеют обмоток, расположенных  на роторе. Все обмотки - якоря и  возбуждения - закреплены на статоре  и при работе сварочного генератора неподвижны. Поэтому в генераторах полностью отсутствуют скользящие контактные кольца. Такое исполнение вентильных генераторов обеспечивает высокую надежность в эксплуатации. 

↑ наверх

Электромагнитные  процессы в вентильного сварочного генератора 

Основной магнитный  поток машины Ф наводится в результате обтекания обмотки возбуждения постоянным током. Индуктированный магнитный поток направлен аксиально и замыкается через пакеты железа ротора, статора и станину. Зубцы одного пакета ротора, в зависимости от направления тока в обмотке возбуждения, образуют как бы северные полюсы, а зубцы второго пакета - южные. При вращении ротора каждый виток обмотки якоря пронизывается пульсирующим магнитным потоком зубцов ротора. Мгновенное значение потока, пересекающего виток якоря, целиком зависит от угла поворота зубцов ротора. В результате этого при вращении ротора в каждой фазе трехфазной обмотки статора наводятся переменные ЭДС, сдвинутые на 2π/3 электрических градусов.  

↑ наверх

Принципиальная электрическая  схема и принцип формирования внешних характеристик вентильного сварочного генератора 

На Рис.7 представлена принципиальная электрическая схема  вентильного сварочного генератора. В ней трехфазная обмотка индукторного сварочного генератора своими выводами подключена к трехфазному выпрямительному мосту УО, состоящему из силовых кремниевых диодов. Выпрямленным током питается сварочный пост. Необходимые для ручной дуговой сварки крутопадающие внешние статические характеристики вентильного сварочного генератора формируются в основном за счет внутренних индуктивных сопротивлений самой электрической машины.

Рис.7 Принципиальная электрическая схема вентильного  сварочного генератора ОЯ - обмотка  якоря; ОВ - обмотка возбуждения; ТV, ТА - трансформаторы напряжения и тока; VD - силовой вентильный блок; VD1, VD2, VD3 - диоды в цепи возбуждения; R - реостат для управления значением сварочного тока 
 

При нагрузке, т. е. при, сварке от вентильного сварочного генератора, выполненного по схеме Рис.7, все  фазы машины загружаются симметрично. 

В режиме сварки, как показано векторной диаграммой на Рис.8, соответствующей выражению (6), падение напряжения генератора от значения при холостом ходе E0- до значения U при нагрузке можно получить преимущественно за счет продольно размагничивающей составляющей реакции якоря. Эта продольно размагничивающая составляющая реакции якоря как бы создает магнитный поток, встречный основному магнитному потоку, создаваемому обмоткой возбуждения.   

Рис.8. Векторная диаграмма фазных величин в режиме сварки 

Рис.9. Внешние статические вольт-амперные характеристики вентильного сварочного генератора 2 - диапазон малых токов; 3, 4 - диапазон средних токов; 5, 6 - диапазон боль­ших токов (см. Рис.10). Характеристики 1, 3, 5- при введенном реостате к (Рис.7); характеристики 2, 4, 6 - при выведенном реостате (R = 0) 
 

Поскольку в режимах, близких к короткому замыканию, превалирует продольная составляющая тока якоря Id, индуктивное падение  напряжения внутри машины почти целиком  зависит от продольного индуктивного сопротивления машины х. Значение сопротивления хd, обеспечивающее падающие внешние характеристики должной крутизны, зависит от геометрических размеров магнитопровода и обмотки якоря, ее параметров и геометрического расположения на статоре. 

Плавное регулирование  крутизны внешней вольт-амперной характеристики, другими словами, плавное регулирование сварочного тока осуществляется изменением ЭДС холостого хода посредством изменения тока возбуждения сварочного генератора. Внешние статические вольт-амперные характеристики вентильного сварочного генератора представлены на Рис.9. 

↑ наверх

Принцип работы схемы  возбуждения сварочного генератора и управление значением сварочного тока 

Сварочный генератор  работает с самовозбуждением от силовой  цепи. После запуска сварочного генератора начальное самовозбуждение происходит от остаточного магнетизма в массивных участках магнитной цепи машины (втулка на валу, станина), и на зажимах обмоток якоря (рис.7) появляется небольшая ЭДС (3-4 В). Трансформатор ТV через выпрямитель VD1 начинает питать обмотку возбуждения ОВ постоянным током, ЭДС на зажимах обмотки якоря начинает расти, ток возбуждения также увеличивается и генератор возбуждается до напряжения холостого хода. С появлением сварочного тока обмотку возбуждения начинает питать и трансформатор ТА через выпрямитель VD2. Поскольку естественная внешняя характеристика сварочного генератора, как было показано раньше, падающая, то с ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается и составляющая тока возбуждения от трансформатора напряжения ТV начинает также уменьшаться, а составляющая тока возбуждения от трансформатора тока ТА с ростом нагрузки увеличивается. Ввиду того что мгновенные значения амплитуд вторичных напряжений трансформаторов  ТУ и ТА сдвинуты во времени (по фазе), в режиме любой нагрузки оба трансформатора через свои выпрямители VD1 и VD2 параллельно питают обмотку возбуждения до режима короткого замыкания. При коротком замыкании работает только трансформатор ТА. Вентиль VD3 служит для разрядки электромагнитной энергии, накопленной в индуктивных катушках обмотки возбуждения и пропускает импульсы тока в промежутках, когда мгновенные значения ЭДС от трансформаторов ТV и ТA имеют обратный знак (вентили VD1 и VD6 заперты). Таким образом, в вентилях VD1, VD2 и VDЗ протекают импульсы выпрямленного тока, сдвинутые во времени, в результате чего обмотка возбуждения питается непрерывным постоянным током.