Теоретические сведения. Коллекторные сварочные генераторы относятся к электрическим машинам постоянного тока специального назначения

Коллекторные сварочные генераторы относятся к электрическим машинам постоянного тока специального назначения.

Генератор постоянного тока состоит из следующих основных частей:

1) Магнитная система;

2) Якорь, закрепленный на валу генератора;

3) Коллектор;

4) Щетки со щеткодержателями.

Магнитная система состоит из полюсов 1 (рис. 7.1) с полюсными наконечниками. Полюсы закреплены на станине 2. На полюсах размещаются обмотки возбуждения. Полюсные наконечники имеют такую форму, чтобы придать распределению магнитных силовых линий потока возбуждения необходимый характер. Станина генератора изготавливается из мягкой литой стали с высокой магнитной проницаемостью.

Магнитная система генератора постоянного тока в зависимости от его назначения и мощности изготовляется с различным числом полюсов. На рис. 7.1 схематично показана конструкция двухполюсного генератора. Сварочные генераторы чаще всего выполняются четырехполюсными.

Якорь генератора 3 представляет собой цилиндр, набранный из пластин электротехнической стали. Обмотка якоря укладывается в специальных пазах, вырезанных по его поверхности.

Коллектор состоит из медных изолированных между собой пластин, к которым присоединяются концы витков обмотки якоря.

Щетки 4 служат для снятия ЭДС, создаваемой генератором. Меднографитовые щетки вставляются в щеткодержатели, служащие для удержания щеток в правильном положении и прижатия их к поверхности коллектора.

При вращении якоря в магнитном поле возбуждения в активных проводниках (стержнях) обмотки якоря будет наводиться ЭДС. По закону электромагнитной индукции величина ЭДС, которая наводится в каждом активном проводника якоря пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пересекающего данный проводник. Следовательно ЭДС, наводимая в якоре генератора, пропорциональна величине магнитного потока возбуждения Ф, числу пар полюсов генератора р, общему числу активных проводников обмотки якоря N и частоте вращения якоря n.

Рисунок 7.1 - Конструкция двухполюсного генератора

, (7.1)

где С = - постоянная генератора, а - число пар параллельных витков в обмотке якоря.

Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока можно регулировать изменяя величину магнитного потока возбуждения и частоте вращения якоря.

Магнитный поток в режиме холостого хода определяется током в обмотке намагничивания W_Н

, (7.2)

где I_Н – ток в обмотке намагничивания; W_Н – число витков обмотки намагничивания; R_МН – сопротивление магнитной цепи, по которой замыкается поток.

Изменяя ток в обмотке намагничивания можно регулировать напряжение холостого хода генератора.

В режиме нагрузки рабочее напряжение генератора меньше ЭДС в якоре на величину падения напряжения на внутренних цепях генератора.

U_Г = Е – I_СВR_Г, (7.3)

где R_Г – внутреннее сопротивление генератора (обмотки якоря и переходных сопротивлений щеток).

Обмотка якоря выполняется медным или алюминиевым проводом большого сечения, а щетки имеют значительную контактную площадь. Поэтому внутреннее сопротивление генератора мало. Если в режиме нагрузки магнитный поток возбуждения не меняется, то внешняя характеристика генератора является пологопадающей, близкой к жесткой.

Для получения падающих внешних характеристик на полюсах генератора кроме намагничивающей обмотки размещают обмотку размагничивания W_Р. Эта обмотка включается последовательно в сварочную цепь (рис. 7.2), причем таким образом, чтобы создаваемый магнитный поток был направлен навстречу потоку намагничивания. Результирующий поток в магнитной системе генератора

Ф = Ф_Н – Ф_Р = , (7.4)

где R_МН – сопротивление магнитной цепи, по которой замыкается магнитный поток размагничивающей обмотки (R_МР» R_МН).

Рабочее напряжение генератора в режиме нагрузки при наличии последовательной обмотки размагничивание определится выражением

U_Г = C n (Ф_Н – Ф_Р) - I_СВR_Г. (7.5)

Из выражений (7.4) и (7.5) следует, что с увеличением тока нагрузки (тока сварки) увеличивается размагничивающий поток Ф_Р и потери в генераторе I_СВR_Г. В результате внешняя характеристика генератора получается падающей. Крутизна наклона внешней характеристики определяется числом витков размагничивающей обмотки. Обычно обмотка размагничивания выполняется с отводом. При подключении сварочной цепи к клемме 1 (рис. 7.2) включено полное число витков W_Р и получаем более крутопадающие внешние характеристики, то есть диапазон малых токов. При подключении сварочной цепи к клемме 2 работает только часть обмотки размагничивания и получаем диапазон больших токов. На напряжение холостого хода генератора подключение размагничивающей обмотки не влияет. Оно в соответствии с (7.1) и (7.2) может регулироваться изменением тока в обмотке намагничивания.

По способу возбуждения генераторы делятся на два типа: с независимым возбуждением и с самовозбуждением.

В генераторах с независимым возбуждением обмотка намагничивания питается от отдельного источника постоянного тока (аккумуляторной батареи, другого маломощного генератора, выпрямителя).

В генераторах с самовозбуждением обмотка намагничивания питается от самого генератора.

В данной лабораторной работе исследуется сварочный генератор ГСО-300-3 с самовозбуждением.

Принципиальная электрическая схема генератора приведена на рис. 7.2. Щетки а и b являются главными и к ним подключена сварочная цепь. Последовательно с внешней нагрузкой (то есть последовательно в сварочную цепь) включена обмотка W_Р. Обмотка намагничивания W_Н включена между главной щеткой а и дополнительной щеткой с, установленной посредине между главными щетками а и b. Магнитные потоки, создаваемые обмотками W_Р и W_Н, направлены навстречу друг другу.

Если в генераторе с падающими внешними характеристиками обмотку намагничивания подключить к главным щеткам а и b, то с увеличением тока нагрузки U_аb будет уменьшаться. Значит будет уменьшаться и Ф_Н, в то время как Ф_Р будет возрастать. При определенном значении тока нагрузки получим Ф_Н = Ф_Р, а значит Ф = 0 и ЭДС на выходе генератора станет равной нулю. Такой генератор не обеспечит требуемой для сварки внешней характеристики и тока короткого замыкания, необходимого для возбуждения дуги.

Для подключения обмотки намагничивания в генераторе установлена дополнительная щетка с. При этом, как будет показана ниже, U_ас остается практически неизменным при любых значениях тока нагрузки.

Магнитная система генератора выполняется из ферромагнитных сталей, обладающих остаточным магнетизмом.

При вращении якоря генератора на холостом ходу поток остаточного магнетизма полюсов пронизывает обмотку якоря и создает в ней некоторую ЭДС. Часть этой ЭДС снимается щетками а - с и обеспечивает прохождение тока в обмотке W_Н. Магнитный поток этой обмотки направлен согласно с потоком остаточного магнетизма - в результате ЭДС в обмотке якоря увеличивается. Это приводит к дальнейшему возрастанию тока в обмотке W_Н, а значит и ЭДС генератора. Таким образом происходит самовозбуждение генератора до напряжения холостого хода. Для регулирования напряжения холостого хода в цепь обмотки намагничивания включен регулировочный реостат R1.

(7.6)

Рисунок 7.2 – Принципиальная электрическая схема генератора

При рассмотрении работы генератора в режиме нагрузки кроме магнитных потоков обмоток W_Н и W_Р следует учитывать магнитный поток реакции якоря Ф_Я (рис. 7.1). Магнитный поток якоря определяется величиной сварочного тока I_СВ (так как ток нагрузки протекает и по обмотке якоря), а также числом витков обмотки якоря W_Я (W_Я =N/a) и магнитным сопротивлением R_МЯ того участка генератора, по которому проходит магнитный поток якоря.

Из рис.7.1 видно, что при указанном стрелкой направлении вращения якоря и направлении основного намагничивающего потока Ф_Н (определяющего полярность генератора) в левой части верхнего полюса и в правой части нижнего полюса, то есть под сбегающими краями полюсов, магнитный поток якоря действует согласно с магнитным потоком Ф_Н. Под набегающими краями полюсов, то есть в правой части верхнего полюса и в левой части нижнего полюса, магнитный поток якоря направлен встречно магнитному потоку Ф_Н.

Напряжение при нагрузке на главных щетках а и b слагается из напряжения, индуктируемого в витках якоря между щетками а и с, инапряжения, индуктируемого в витках между щетками с и b.

U_аb = U_ас + U_сb (7.7)

U_ас = С/2 n (Ф_Н + Ф_Я - Ф_Р) (7.8)

(7.9)

В генераторах данной системы параметры размагничивающей обмотки и обмотки якоря подбираются так, чтобы магнитные потоки Ф_Р и Ф_Я численно примерно равны между собой. Будучи направлены, на участке а-с, встречно, они компенсируют друг друга, и напряжение U_ас будет зависеть только от намагничивающего потока Ф_Н. Следовательно, U_ас будет оставаться практически неизменным при любых токах нагрузки, что и позволяет подключить к щеткам а-с обмотки намагничивания W_Н.

Напряжение, индуктируемое в витках якоря между щетками с и b, зависит от тех же магнитных потоков, но поток Ф_Я теперь направлен встречно потоку Ф_Н.

U_сb = С/2 n (Ф_Н - Ф_Я - Ф_Р) (7.10)

или

(7.11)

С увеличением тока нагрузки I_СВ напряжение U_cb будет уменьшаться. При определенном значении тока нагрузки U_cb станет равным нулю, а при дальнейшем его увеличении сменит знак на противоположный.

Результирующее напряжение на главных щетках генератора U_ав определяется суммой напряжений U_ас и U_cb. В соответствии с (7.7) получим

U_аb = Сn(Ф_Н – Ф_Р) (7.12)

или

(7.13)

Таким образом, на результирующее напряжение генератора потоки реакции якоря не оказывают влияния и получаем те же зависимости, которые получены без учета магнитных потоков якоря (смотри выражения (7.4) и (7.5)).

С учетом потерь на активных сопротивлениях генератора R_Г уравнение, определяющее внешние характеристики генератора, определится выражением

(7.14)

Следовательно, как и было отмечено выше, напряжение холостого хода генератора можно регулировать, изменяя ток в обмотке намагничивания, с помощью реостата R1, а крутизну наклона внешней характеристики – путем изменения числа витков размагничивающей обмотки.

Зависимости напряжений U_аb, U_ас и U_сb от тока нагрузки приведены на рис. 7.3.

ступень больших токов, ступень малых токов

Рисунок 7.3 – Вольтамперные характеристики генератора

Однако следует заметить, что наличие магнитных потоков реакции якоря приведет к смещению нейтральных линий генератора и величина этого смещения будет зависеть от величины тока нагрузки.

Смещение нейтрали с линии, на которой установлены главные щетки генератора приведет к снижению ЭДС генератора и может вызвать повышенное искрение на щетках и интенсивный износ щеток и коллектора.

Для устранения влияния потоков якоря на положение нейтрали в генераторе устанавливают дополнительные полюсы (на рис. 7.1 не показаны). Обмотки дополнительных полюсов W_д (рис. 7.2) включают последовательно с обмоткой якоря и обмоткой размагничивания и по ним протекает весь ток нагрузки. Обмотки дополнительных полюсов обеспечивают также улучшение коммутации и уменьшение искрения на щетках.