Трехфазный асинхронный электросварочный генератор

 

Область использования: электросварка. Сущность изобретения: генератор имеет три трехфазные обмотки 1, 2, 3 и короткозамкнутый ротор обычной конструкции 4, катушки статорных обмоток 1, 2, 3 охватывают пакеты зубцов статора 5, которые расположены аксиально, по торцам зубцов расположены два кольцевых ярма 6, 7, к первой обмотке статора 1 подключена первая батарея конденсаторов 8, ко второй обмотке статора 2 подключена вторая батарея конденсаторов 9, конденсаторы в первой и второй батареях соединены в звезду или треугольник, конденсаторы третьей батареи конденсаторов 10 включены последовательно в цепь одноименных фаз первой 1 и второй 2 обмоток статора, сварочная цепь постоянного тока 11 получает питание от третьей обмотки 3 через полупроводниковый выпрямитель 12, в частном случае вторая обмотка 2 предназначена для подключения потребителей 13 напряжением 380 В, а третья обмотка 3 снабжена отводами для подключения потребителей 14 напряжением 42 В. 1 з. п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к асинхронным электрическим машинам с конденсаторным самовозбуждением и может быть использовано в устройствах ручной дуговой электросварки, а при необходимости - в автономных системах электроснабжения.

Известна конструкция асинхронного сварочного генератора, которая имеет короткозамкнутый ротор и две трехфазные обмотки на статоре [1]. 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. Для того чтобы генератор не терял возбуждение при КЗ, он должен потреблять значительную реактивную мощность, которая в несколько раз больше реактивной мощности при работе в режиме холостого хода, т.е. если реактивный ток конденсаторов обеспечивает при КЗ номинальную индукцию в воздушном зазоре, то при холостом ходе магнитная система будет сильно насыщена. 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.

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 [2]. Рабочая обмотка смещена на угол α эл.град. относительно обмотки возбуждения. 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.

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 возрастает на несколько порядков по сравнению с режимом короткого замыкания, поэтому становится проблематичным самовозбуждение, а также работа генератора в режиме малых нагрузок.

Наличие выключателей, которые при отсутствии нагрузки шунтируют первичную обмотку компаундирующего трансформатора, усложняет конструкцию генератора, снижает надежность сварочной установки.

Прототипом предлагаемого изобретения является асинхронный сварочный генератор, описанный в [3]. Генератор имеет три трехфазные обмотки. Катушки этих обмоток охватывают пакеты зубцов статора, которые расположены аксиально. По торцам зубцов закреплены два кольцевых ярма. Первая и вторая обмотки статора, которые расположены с разных торцевых сторон короткозамкнутого ротора, соединены последовательно и подключены к конденсаторам возбуждения. Сварочная цепь постоянного тока получает питание от выпрямителя, который подключен к третьей статорной обмотке, расположенной рядом со второй статорной обмоткой.

Этот генератор имеет четыре существенных недостатка. Первый недостаток - это сильное насыщение магнитной системы в режиме холостого хода. Это связано с тем, что для получения приемлемого значения сварочного тока необходима реактивная мощность, которая в несколько раз превышает мощность, потребляемую генератором в режиме холостого хода. Регулирование реактивной мощности не осуществляется, поэтому при переходе от режима сварки к режиму холостого хода генератор насыщается. Второй недостаток: напряжение с ростом нагрузки уменьшается практически по линейному закону [3], что не является оптимальным, т. к. производить ручную дуговую сварку предпочтительнее всего с использованием источника, который имеет "штыковую" внешнюю характеристику (источник тока). Третий недостаток - значительная масса конденсаторов. Это объясняется тем, что при одинаковой магнитной системе, числе витков обмоток статора и одинаковом сварочном токе прототипу требуется больше реактивной мощности по сравнению с заявленным решением. Четвертый недостаток - мягкая внешняя характеристика, что препятствует его использованию в автономных системах электроснабжения без дополнительных регулирующих устройств.

Технические результаты, которые обеспечивает заявленное изобретение, заключаются в отсутствии значительного насыщения генератора при переходе от режима сварки к режиму холостого хода, в возможности формирования "штыковых" внешних характеристик, которые являются оптимальными для проведения ручной дуговой электросварки, в уменьшении массы генератора. При необходимости заявленное изобретение обеспечивает питание как потребителей напряжением 380 В, так и потребителей напряжением 42 В.

Указанные технические результаты достигаются тем, что трехфазный асинхронный электросварочный генератор, содержащий три трехфазные обмотки, катушки которых охватывают аксиально расположенные зубцы статора, выполненные в виде пакетов, концы которых с каждой торцевой стороны короткозамкнутого ротора замкнуты кольцевыми ярмами, конденсаторы возбуждения, которые подключены к первой и второй обмоткам, катушки которых размешены с разных торцевых сторон ротора, выпрямительное устройство, подключенное к третьей обмотке, катушки которой размещены рядом с катушками второй обмотки, имеет одну батарею конденсаторов, которая подключена к первой обмотке, вторую батарею конденсаторов, которая подключена ко второй обмотке, и третью батарею, конденсаторы которой включены последовательно в цепь одноименных фаз первой и второй обмоток, причем в частном случае вторая обмотка предназначена для подключения потребителей напряжением 380 В, а третья обмотка снабжена отводами для подключения потребителей напряжением 42 В.

Конструкция трехфазного асинхронного электросварочного генератора представлена на фиг. 1. Электрическая схема генератора - на фиг. 2. Кривые изменения реактивной мощности заявленного генератора и прототипа в функции тока нагрузки представлены на фиг. 3. На фиг. 4 приведены внешние характеристики генератора. На фиг. 5 приведены внешние характеристики генератора и прототипа при подключении трехфазной нагрузки.

Генератор (фиг. 1) имеет три трехфазные обмотки 1, 2, 3 и короткозамкнутый ротор обычной конструкции 4. Катушки статорных обмоток охватывают пакеты зубцов статора 5, которые расположены аксиально. По торцам зубцов расположены два кольцевых ярма 6, 7. К первой обмотке статора 1 (фиг. 2) подключена первая батарея конденсаторов 9. Ко второй обмотке статора 2 подключена вторая батарея конденсаторов 9. Конденсаторы в первой и второй батареях соединены в звезду или треугольник. Конденсаторы третьей батареи конденсаторов 10 включены последовательно в цепь одноименных фаз первой 1 и второй 2 обмоток статора. Сварочная цепь постоянного тока 11 получает питание от третьей обмотки 3 через полупроводниковый выпрямитель 12. При необходимости вторую обмотку 2 используют для подключения потребителей 13 напряжением 380 В, а третья обмотка 3 снабжена отводами для подключения потребителей 14 напряжением 42 В.

Генератор работает следующим образом. При вращении ротора 4 приводным двигателем (двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель) остаточный поток наводит ЭДС в обмотках статора и генератора возбуждения. В обмотках 1, 2 и 3 устанавливаются напряжения, которые пропорциональны числу витков соответствующих обмоток, величине и соотношению емкости конденсаторов в конденсаторных батареях 8,9,10.

В режиме холостого хода напряжение на второй обмотке 2, которая расположена рядом с третьей обмоткой 3, больше, чем на первой обмотке 1, т.к. емкость первой батареи конденсаторов 8 больше емкости второй батареи конденсаторов 9. Напряжение на конденсаторах третьей батареи конденсаторов 10 определяется векторной разностью напряжений на первой 1 и второй 2 обмотках. При коротком замыкании происходит уменьшение магнитного потока, который пронизывает вторую 2 и третью 3 обмотки, т.к. ток короткого замыкания (нагрузки), протекающий в обмотке 3, является размагничивающим. При коротком замыкании увеличивается поток, который пронизывает первую обмотку 1. Увеличение потока вызывает увеличение ЭДС и напряжений на первой обмотке 1, что приводит к увеличению реактивной мощности первой батареи конденсаторов 8 (кривая 15, фиг. 3). Уменьшение напряжения и реактивной мощности второй батареи конденсаторов 9 (кривая 16, фиг. 3) не ведет к уменьшению суммарной реактивной мощности (кривая 17, фиг. 3), т.к. емкость этой батареи конденсаторов меньше, чем емкость первой и третьей батарей конденсаторов. При коротком замыкании возрастает векторная разность между векторами напряжений одноименных фаз обмоток 1 и 2, что ведет к увеличению напряжения и реактивной мощности третьей батареи конденсаторов 10 (кривая 18, фиг. 3). Реактивная мощность генератора изменяется от 19,2 кВАр (короткое замыкание) до 17,4 кВАр (холостой ход), ток короткого замыкания составляет 170 А, емкость конденсаторов всех батарей равна 849,6 мкФ (С1=252 мкФ, С2=192 мкФ, С3=405,б мкФ). Аналогичные показатели у прототипа имеют следующие значения: 10 кВар (короткое замыкание); 28,4 кВар (холостой ход); ток короткого замыкания - 78 А ; емкость конденсаторов на три фазы - 709 мкФ.

При переходе от режима короткого замыкания к режиму холостого хода суммарная реактивная мощность у заявленного генератора уменьшается (кривая 17, фиг. 3), а не возрастает, как у прототипа (кривая 19, фиг. 3). Для получения одинаковых токов короткого замыкания в прототипе необходимо увеличить емкость конденсаторов более чем в два раза (1418 мкФ). При этом возрастет реактивная мощность в режиме короткого замыкания (20 кВАр) и холостого хода (56 кВАр).

В режиме холостого хода заявленный генератор потребляет в два раза меньше реактивной мощности. При этом он обеспечивает такой же ток короткого замыкания, что и прототип.

Таким образом, магнитная система генератора в режиме холостого хода насыщается меньше, чем у прототипа.

Формирование штыковых внешних характеристик осуществляется путем подбора величины емкости конденсаторов в конденсаторных батареях. На фиг. 4 представлены внешние характеристики генератора при различных значениях емкости конденсаторов в батареях. Кривая 20 получена при емкости первой батареи конденсаторов С1= 252 мкФ, второй - С2=202 мкФ, третьей - С3=405,6 мкФ (на три фазы). Кривая 21 получена при следующих значениях емкости батарей конденсаторов: С1=192 мкФ; С2= 144 мкФ; С3= 240 мкФ. Кривая 22 получена при: С1= 192 мкФ; С2= 144 мкФ; С3= 108 мкФ. Все обмотки генератора имеют между собой индуктивную связь, поэтому емкость каждой батареи конденсаторов оказывает влияние на кривую внешней характеристики генератора. Однако напряжение третьей обмотки 3 в режиме холостого хода в основном зависит от величины емкости второй батареи конденсаторов 9. При уменьшении емкости - напряжение возрастает. На жесткость внешней характеристики от точки холостого хода до точки перегиба наибольшее влияние оказывает первая батарея конденсаторов 8. При увеличении емкости первой батареи конденсаторов жесткость возрастает. Ток короткого замыкания в основном зависит от емкости третьей батареи конденсаторов 10. При увеличении емкости ток короткого замыкания возрастает.

Таким образом, генератор обеспечивает получение "штыковых" характеристик путем подбора величины емкости в трех батареях конденсаторов.

Для анализа массогабаритных показателей воспользуемся таблицей, в которой представлены основные характеристики серийных сварочных генераторов индукторного и коллекторного типов, а также показатели опытного образца трехфазного асинхронного электросварочного генератора и показатели трехфазного асинхронного электросварочного генератора, полученные в результате расчета. При анализе показателей генератора предполагалось, что возбуждение осуществляется от конденсаторов типа К78-17.

Как видно из таблицы, наименьшей удельной массой обладает трехфазный асинхронный электросварочный генератор (расчет).

Удельная масса опытного образца трехфазного асинхронного электросварочного генератора чуть больше удельной массы сварочного генератора индукторного типа 14 и меньше удельной массы коллекторного генератора.

По сравнению с прототипом масса заявленного генератора меньше, т.к. для получения одинаковых токов короткого замыкания заявленному генератору требуется меньше реактивной мощности, а следовательно и меньше конденсаторов возбуждения (849,6 мкФ против 1418 мкФ).

Исследования динамических характеристик трехфазного асинхронного электросварочного генератора показали, что напряжение на электроде восстанавливается до напряжения дуги менее чем за 0,03 с, т.е. трехфазный асинхронный электросварочный генератор удовлетворяет требования, которые предъявляются к динамическим показателям сварочных генераторов.

Экспериментальные исследования опытного образца показали, что генератор обеспечивает качественную сварку и в этом плане не уступает серийным генераторам.

При отсутствии сварочной нагрузки трехфазный асинхронный электросварочный генератор может быть использован как обычный генератор автономной системы электроснабжения для питания потребителей напряжением 380 В и 42В. Заявленный генератор обеспечивает как раздельное, так и совместное питание сварочной цепи и потребителей. При работе на смешанную нагрузку мощность потребителей желательно ограничить 10-15% номинальной мощности генератора. Это свойство генератора дает определенные преимущества. Например, при проведении сварочных работ в ночное время или в плохо освещенном месте генератор обеспечивает питание ламп накаливания. Экспериментальные исследования показали, что такая нагрузка (три лампы по 150 Вт) не оказывает существенного влияния на процесс сварки. Это объясняется тем что, в режиме "холостого хода", когда сварочный ток равен нулю, напряжение (фазное) на лампах имеет максимальное значение (250 В), а при питании сварочной дуги напряжение на второй обмотке снижается (170 В), соответственно снижается мощность, которую потребляют лампы. Таким образом, при работе генератора на сварочную дугу автоматически уменьшается мощность нагрузки (она составляет небольшую часть от мощности дуги), а при завершении сварки на лампах устанавливается максимальное напряжение и они снова работают с полной световой отдачей. Заявленный генератор (при работе на трехфазную нагрузку) имеет более жесткую внешнюю характеристику (кривая 23, фиг.5) по сравнению с прототипом (кривая 24, фиг.5). Кривая 23 получена при суммарной емкости 849,6 мкФ, а кривая 24 при 709 мкФ. Кривая внешней характеристики генератора 23 выходит из стандартного диапазона напряжений (380 В ± 5%). Величину напряжения можно изменить путем соответствующего подбора числа витков во второй обмотке. Жесткость внешней характеристики зависит как от емкости батарей конденсаторов, так и от соотношения емкостей всех трех батарей конденсаторов.

При питании ручных светильников в помещениях с повышенной опасностью поражения током применяют пониженное напряжение (не выше 42 В). Сварку часто проводят именно в таких помещениях, поэтому для питания низковольтных потребителей напряжением 42 В предусмотрены отводы от третьей обмотки статора.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования и предварительный расчет показали, что трехфазный асинхронный электросварочный генератор полностью отвечает основным требованиям, которые предъявляются к источникам питания сварочной дуги, обеспечивает качественное проведение сварки, имеет хорошие массогабаритные показатели и может быть использован как для питания потребителей напряжением 380 В, так и для питания потребителей напряжением 42 В.

Формула изобретения

1. Трехфазный асинхронный электросварочный генератор, содержащий три трехфазные обмотки, катушки которых охватывают аксиально расположенные зубцы статора, выполненные в виде пакетов, концы которых с каждой торцевой стороны короткозамкнутого ротора замкнуты кольцевыми ярмами, конденсаторы возбуждения, которые подключены к первой и второй обмоткам, катушки которых размещены с разных торцевых сторон ротора, выпрямительное устройство, подключенное к третьей обмотке, катушки которой размещены рядом с катушками второй обмотки, отличающийся тем, что имеет одну батарею конденсаторов, которая подключена к первой обмотке, вторую батарею конденсаторов, которая подключена к второй обмотке, и третью батарею, конденсаторы которой включены последовательно в цепь одноименных фаз первой и второй обмоток.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что вторая обмотка предназначена для подключения потребителей напряжением 380 В, а третья обмотка статора снабжена отводами для подключения потребителей напряжением 42 В.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6