4.2.1. Коллекторные сварочные генераторы

В коллекторных сварочных генераторах знакопеременная ЭДС, генерируемая в обмотке якоря, выпрямляется с помощью механического устройства, называемого коллектором.

В коллекторе с вращающихся медных пластин с помощью неподвижных контактов (щеток) снимается и подается в сварочную цепь ЭДС от одной группы щеток со знаком плюс, а от другой – минус.

Конструктивная схема сварочного коллекторного генератора постоянного тока представлена на рис. 4.5.

В коллекторных сварочных генераторах намагничивающие обмотки (обмотки возбуждения) 2 располагаются на магнитных полюсах статора и служат для создания намагничивающего потока Ф_н. Кроме того, в сварочную цепь последовательно с обмоткой якоря и сварочной дугой включается дополнительная обмотка, которая в зависимости от направления, создаваемого ею магнитного потока (Ф_р) называется размагничивающей или подмагничивающей (рис. 4.6).

Рис. 4.5. Конструктивная схема коллекторного генератора:

1 – статор; 2 – обмотка возбуждения; 3 – магнитные полюса статора;

4 – ротор, в пазах которого уложена обмотка 5;

6 – коллектор, набранный из медных изолированных пластин 7;

8 – медноугольные щетки;

9 – контактные выводы

Рис. 4.6. Принципиальная схема коллекторного сварочного генератора:

_р – последовательная обмотка; Я – обмотка якоря;

Ф_н – поток намагничивания; Ф_р – магнитный поток от последовательной

обмотки; 1 и 2 – клеммы для изменения направления потока Ф_р

Величина магнитного потока, наводимого обмотками, пропорциональна силе тока, протекающего через обмотку I, числу витков в обмотке  и обратно пропорциональна магнитному сопротивлению на пути R_:

. (4.5)

Магнитный поток генератора Ф_Г равен сумме потоков намагничивания Ф_н и потока от последовательной обмотки Ф_р:

(4.6)

При согласном включении последовательной обмотки _р магнитные потоки складываются. При встречном включении последовательной обмотки суммарный магнитный поток генератора равен разности потоков Ф_н и Ф_р.

Коллекторные генераторы классифицируются в зависимости от способа возбуждения и получения внешних вольтамперных характеристик. В настоящее время находятся в эксплуатации, а также в составе сварочных агрегатов выпускаются следующие типы коллекторных сварочных генераторов:

а) с независимым возбуждением и последовательной обмоткой;

б) с самовозбуждением и последовательной обмоткой.

Генератор с независимым возбуждением и последовательной

размагничивающей (подмагничивающей) обмоткой

На рис. 4.7 приведена принципиальная схема генератора. Он имеет одну пару щеток и одну пару полюсов. На одном из полюсов находится намагничивающая независимая обмотка возбуждения _н, получающая питание от постороннего источника постоянного тока. На другом полюсе установлена размагничивающая обмотка _р, включенная последовательно с якорем и нагрузкой (сварочной дугой). Таким образом, магнитный поток генератора создается совместным действием независимой и последовательной обмоток. Это, как будет показано ниже, обеспечивает формирование крутопадающей внешней характеристики генератора. Плавное регулирование режима выполняется с помощью реостата R1, грубое – изменением числа витков последовательной обмотки _р и включением балластного реостата R2.

Рис. 4.7. Генератор с независимым возбуждением и последовательной

размагничивающей обмоткой: а) – конструктивная схема;

б) – принципиальная схема

Формирование внешней характеристики осуществляется за счет совместного действия намагничивающей и размагничивающей обмоток.

В режиме холостого тока, когда цепь якоря разомкнута, дуга не горит (сварочный ток отсутствует I_д = 0), по независимой обмотке возбуждения идет намагничивающей ток I_но. Этот ток создает поток Ф_н, величина которого в соответствии с (4.5) зависит от числа витков _н независимой обмотки и магнитного сопротивления R_н на пути потока:

. (4.7)

При этом в обмотке якоря наводится ЭДС - Е_Г, которая в соответствии с (4.4), пропорциональна потоку Ф_н:

Е_Г = С_ГФ_н. (4.8)

Эта ЭДС без потерь передается на зажимы генератора. Из (4.7) и (4.8) следует, что напряжение холостого хода генератора определяется соотношением

. (4.9)

Таким образом, напряжение холостого хода U_х можно регулировать изменением тока I_но в независимой обмотке.

Режим нагрузки возникает после зажигания дуги. При этом по цепи якоря, дуги и последовательной обмотки _р идет сварочный ток I_д, который создает размагничивающий поток Ф_р:

. (4.10)

Результирующий магнитный поток генератора равен разности между Ф_н и Ф_р:

. (4.11)

Этот поток создает ЭДС генератора:

. (4.12)

Напряжение на клеммах генератора U_Г в режиме нагрузки будет меньше ЭДС Е_Г на величину потерь в активном сопротивлении проводников якоря и коллекторно-щеточного устройства (I_дR_Г):

. (4.13)

Этими потерями можно пренебречь. Тогда, поставив в уравнение (4.12) значение Ф_н и Ф_р из (4.7) и (4.10), получим:

. (4.14)

Первый член правой части уравнения (4.14) соответствует согласно (4.9) напряжению холостого хода U_х. В результате уравнение внешней характеристики генератора с последовательной размагничивающей обмоткой примет вид

. (4.15)

Таким образом, согласно (4.10) при увеличении сварочного тока I_д возрастает размагничивающий поток последовательной обмотки Ф_р, что приводит к снижению результирующего потока Ф_Г (4.11). Поэтому снижаются ЭДС Е_Г и напряжение генератора U_Г. Падающая внешняя характеристика у генератора с последовательной обмоткой формируется благодаря ее размагничивающему действию.

На рис. 4.8 приведено графическое изображение уравнения (4.15) – падающая внешняя вольт-амперная характеристика генератора. Видно, что с ростом тока I_д напряжение генератора U_Г падает.

Рис. 4.8. Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением

При коротком замыкании напряжение на дуге равно нулю (U_д = 0), а величина тока короткого замыкания (I_кз) зависит от конструктивно-электрических параметров генератора (от постоянной генератора С_Г, числа витков в последовательной обмотке _р и магнитного сопротивления R_).

Регулирование режима. Как было показано выше (см. главу 1), для обеспечения устойчивого существования дугового разряда необходимо, чтобы источник питания подавал напряжение, равное напряжению дуги. На дуге при данной величине тока: U_Г = U_д . Это соответствует точке пересечения вольт-амперных характеристик дуги и генератора. С учетом этого, если в уравнение (4.15) U_Г подставить U_д , получим

. (4.16)

Отсюда

. (4.17)

Уравнение (4.17) позволяет определить способы регулирования (настройки) сварочного тока.

При постоянной нагрузке (U_д = const) ток можно регулировать изменением напряжения холостого хода U_х или изменением числа витков _р последовательной размагничивающей обмотки.

Плавное регулирование тока осуществляется путем изменения U_х, точнее изменением тока I_но в обмотке возбуждения (см. формулу 4.7.) с помощью регулировочного реостата R1 (рис. 4.7, б).

Ступенчатое (грубое) регулирование осуществляется изменением числа витков размагничивающей обмотки _р. При увеличении числа витков _р сварочный ток согласно (4.17) уменьшается, т.к. при этом возрастает магнитный поток Ф_р (4.10), а результирующий поток согласно (4.11) снижается.

Из формулы (4.16) следует, что ток короткого замыкания (I_д = I_кз; U_д = 0) определяется выражением

. (4.18)

Если вместо U_х подставить выражение (4.9), получим:

. (4.19)

Число витков в обмотке возбуждения неизменно (_н = const). Поэтому согласно формуле (4.19) ток короткого замыкания можно регулировать плавно – изменением тока I_н, грубо – изменением числа витков в последовательной обмотке _р.

Генератор с самовозбуждением и последовательной

размагничивающей обмоткой

В генераторах этого типа ток намагничивающей обмотки создается якорем самого генератора, для чего служит третья щетка С, расположенная на коллекторе посередине между основными щетками а и б (рис. 4.9). Для питания намагничивающей обмотки _н не требуется посторонний источник постоянного тока. Поэтому такие генераторы относятся к системе генераторов с самовозбуждением. Для того, чтобы в зоне вращения якоря при запуске генератора существовало магнитное поле, полюса статора изготавливают из ферромагнитной стали, имеющей остаточный магнетизм.

Рис. 4.9. Генератор с самовозбуждением

и размагничивающей последовательной обмоткой:

а – принципиальная электрическая схема, б – внешние характеристики

при различных положениях переключателя «П» при ω_р = max (I ступень),

при ω_р = min (II ступень)

Генератор имеет на основных полюсах две обмотки: параллельную намагничивающую _н и последовательно включенную в сварочную цепь размагничивающую _р.

Встречное включение обмоток создает падающую внешнюю характеристику генератора (рис. 4.9, б). Сварочный ток плавно регулируется реостатом R, включенным в цепь обмотки самовозбуждения. Для ступенчатого (грубого) регулирования тока размагничивающая обмотка секционирована так же, как и в генераторах с независимым возбуждением. Переход от одной ступени к другой осуществляется переключателем «П».