ГЛАВА XVI

СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ

§ 1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СХЕМА ГЕНЕРАТОРА

Сварочные генераторы поперечного поля являются генераторами с самовозбуждением. По принципу действия и конструкции магнит­ ной системы они значительно отличаются от нормальных генера­ торов постоянного тока. Эта система была предложена в 1905 г.

австрийским инженером Э. Розенбергом и является первой систе­ мой сварочных генераторов специальной конструкции. Электромаг­ нитная и принципиальная электрическая схемы сварочного гене­ ратора поперечного поля изображены на фиг. 166 и 167.

Обычно генераторы поперечного поля двухполюсные, иногда, при большой мощности — четырехполюсные. Полюсы имеют мас­ сивные башмаки, охватывающие почти половину якоря. По срав­ нению с башмаками сердечники полюсов и корпус генератора имеют малую площадь поперечного сечения.

На коллекторе размещены четыре щетки. Две главные (рабочие) щетки а — b расположены по оси полюсов генератора; к ним под­ ключается сварочная цепь. Другая пара щеток с — d является

вспомогательной. Щетки с — d расположены на нейтрали к потоку полюсов и замкнуты накоротко. Генератор имеет только одну намаг­ ничивающую последовательную обмотку возбуждения ПН, которая подключается к одной из главных щеток последовательно с якорем и сварочной дугой. Генераторы поперечного поля имеют относительна большой поток остаточного магнетизма.

Суммарная э. д. с. в проводниках якоря, индуктируемая ре­ зультирующим потоком полюсов в цепи щеток а — Ь, равна нулю, так как эти щетки расположены вдоль оси полюсов. Однако э. д. с. Еп, индуктируемая в цепи короткозамкнутых вспомогательных щеток с — d, не равна нулю. Эта э. д. с. пропорциональна резуль­ тирующему потоку, действующему по оси полюсов. Под действием э. д. с. Еп в цепи короткозамкнутых щеток с — d возникает ток I п. Этот ток, обтекая проводники якоря, создает поток якоря Фп, кото­ рый направлен поперек оси полюсов генератора. Поперечный поток якоря Фп замыкается через якорь, воздушные зазоры и массивные полюсные башмаки (см. фиг. 166).

Поток Фп при вращении якоря остается в пространстве непо­ движным и, будучи направленным перпендикулярно линии главных щеток а — b, индуктирует в цепи этих щеток э. д. с. Ег.

Следовательно, поперечный поток, создаваемый н. с. обмотки якоря, подключенной к короткозамкнутым щеткам с — d, является по отношению к той же обмотке якоря, подключенной к главным щеткам а — Ь, главным потоком возбуждения.

В соответствии с описанным принципом действия рассматривае­ мый тип сварочных генераторов носит название генераторов попе­ речного поля.

Следует отметить, что в генераторах поперечного поля поляр­

свое направление поперечное поле Фп, в результате чего направ­ ление э. д. с. Ег и полярность щеток а — b остаются неизменными.

При замыкании цепи главных щеток в генераторе возникают потоки последовательной обмотки Фв и продольный поток якоря Фпру создаваемые током 1г в главной цепи и направленные по оси полю­

в основном замыкается через якорь, воздушные зазоры и полюсные башмаки. Результирующий поток, действующий по оси полюсов в воздушном зазоре, равен разности намагничивающего потока полюсов и размагничивающего продольного потока якоря.

Вследствие относительно малой площади поперечного сечения сердечников полюсов и корпуса генератора магнитная система на пути потока полюсов насыщается уже при малых токах нагрузки, что ограничивает рост намагничивающего потока Фв при дальней­ шем увеличении сварочного тока. В то же время магнитная система

вблизи кружков, условно изображающих проводники якоря. Зависимость э. д. с. Ег0 или напряжение холостого хода на

главных щетках а — Ь от потока Фп0 выразится, как обычно, урав­ нением

Коэффициент кгп называется коэффициентом усиления генера­ тора поперечного поля.

Уравнение (233) для напряжения холостого хода при подста­

Таким образом, напряжение холостого хода генератора попе­ речного поля, которое создается только потоком остаточного маг­ нетизма, достигает 30—40 в, т. е. более низкое, чем в других систе­ мах сварочных генераторов.

Второй особенностью работы генераторов поперечного поля является наличие тока в короткозамкнутой цепи якоря при холостом ходе (/ я0 = 20 -г- 35 а).

Нагрузка. При нагрузке, т. е. при появлении тока 1г в цепи главных щеток а — 6, по оси полюсов в воздушном зазоре будут действовать следующие потоки: 1) поток остаточного магнетизма Ф0; 2) поток Фв, создаваемый намагничивающей силой последователь­ ной обмотки Я #, действующий согласно с потоком Ф0, и 3) поток Фпру создаваемый продольной н. с. обмотки якоря и действующий на­ встречу потоку полюсов. Направление продольного потока якоря Фпр или направление продольной н. с. обмотки якоря легко определить

Так как магнитная система на пути поперечного потока не насыщена, то магнитное сопротивление R^n при нагрузке изменяется мало. Поэтому при анализе уравнения (243) можно считать вели­

можно рассматривать как э. д. с., зависящую от продольной н. с. обмотки якоря и магнитного сопротивления R^p> причем э. д. с. Ер направлена встречно э. д. с. Ев.

Таким образом, результирующая э. д. с. Ег в цепи главных щеток может быть представлена как алгебраическая сумма трех составляющих ее э. д. с. в соответствии с тремя составляющими результирующего потока Фм, действующего в зазоре по оси полюсов:

Так как магнитные цепи для потоков Фв и Фпр в большей части различные, то при анализе явлений в генераторе при нагрузке можно рассматривать изменение э. д. с., индуктируемых этими потоками,

возрастает с увеличением тока 1г или тока дуги 1д (см. кривую 1 на фиг. 169). Когда сердечники полюсов и корпус генератора, имею­ щие по сравнению с полюсными башмаками меньшую площадь сече­ ния, еще нечшсыщены, поток Фв и э. д. с. Ев возрастают с увеличе­ нием сварочного тока весьма интенсивно. По мере насыщения сер­ дечников полюсов и корпуса генератора магнитное сопротивление Rw начинает резко возрастать и вследствие этого интенсивность нарастания Ев снижается.

При некотором значении тока нагрузки /а„‘ наступает столь сильное насыщение отдельных участков магнитной системы (см. точку Н на фиг. 169), что поток Фв в воздушном зазоре под полю­

сом и соответственно э. д. с. Ев практически не изменяются при дальнейшем увеличении сварочного тока. Дальнейшее увеличение н. с. последовательной обмотки вызывает лишь появление потока рассеяния, который замыкается вокруг катушек на полюсах и не сцеплен с обмоткой якоря. Максимальное значение э. д. с. Евн опре­ делится из выражения (244) при токе нагрузки 1дн:

Фиг. 169. К определению зависимости составляю­ щих э. д. с. и напряжения генератора поперечного поля от нагрузки.

Поток Фпр замыкается в основном через якорь, воздушные зазоры и массивные полюсные башмаки. Насыщение магнитной системы на пути потока Фпр происходит значительно медленнее. Вследствие этого размагничивающий поток Фпр и э. д. с. Ер при нагрузке изме­ няются почти пропорционально току, как показано на фиг. 169 (кривая 2).

Из фиг. 169 следует, что суммарная э. д. с. генератора

Ег = (и0 + Ее) - Е р

представляет собой для каждого значения тока нагрузки разность ординат кривых 1 и 2 (заштриховано на фиг. 169). Следовательно, можно графически определить разность этих ординат и построить зависимость э. д. с. генератора Ег от тока нагрузки 1г (кривая 3). Если из ординат кривой Ег = fx (1г) вычесть падение напряжения внутри генератора 1дЯг (прямая 4), то получим внешнюю характе­

ристику генератора UB= / 2 (1г) (кривая 5). Анализируя кривые (фиг. 169), можно сделать следующие выводы о характере процессов, происходящих в генераторе поперечного поля при нагрузке.

Когда магнитная система на пути потока Фв не насыщена, э. д. с. Ев увеличивается при возрастании тока более интенсивно, чем э. д. с. Еру так как н. с. последовательной обмотки больше продоль­

достигая максимума при некотором значении сварочного тока 1д<1дн. Так как сердечники полюсов и корпус генератора попереч­ ного поля специально делаются с меньшим сечением, чем полюс­ ные башмаки, то магнитная система на пути потока последователь­ ной обмотки быстро насыщается. Вследствие этого интенсивность нарастания э. д. с. Ев уменьшается, а при полном насыщении воз­ растание потока Фв и э. д. с. Ев практически прекращается, в то время как размагничивающий поток Фпр и э. д. с. Ер продолжает расти с увеличением нагрузки. В результате взаимодействия неиз­ менного потока Фвн и возрастающего размагничивающего потока якоря Фпр э. д. с. Ег и напряжение на главных щетках Uг начи­ нают уменьшаться так, что внешняя характеристика в области рабочих значений сварочных токов и напряжений будет падающей.

=Д (1г) в соответствующем масштабе показывает изменение тока /„

вкороткозамкнутой цепи в зависимости от величины тока нагрузки

вглавной цепи генератора. Из кривой 3 на фиг. 169 видно, что ток 1п сначала возрастает, а затем падает и при рабочих режимах стано­ вится меньше своего значения при холостом ходе.

Рассматривая рабочую часть характеристик генератора при нагрузках 1д > If)H (фиг. 169), когда Ев — Евн = const, можно ввести понятие об эквивалентном напряжении холостого хода

щему действию продольной н. с. обмотки якоря. Уравнение (249) позволяет при нагрузках Id > hn рассматри­ вать генератор поперечного поля как генератор с самовозбуждением, имеющий неизменный поток намагничивающей обмотки возбужде­ ния, в котором для получения падающей внешней характеристики

используется размагничивающий продольный поток реакции якоря. Это еще раз подтверждает общность принципа действия сварочных генераторов независимо от существенных особенностей и различий в их схемах и конструкциях, при помощи которых этот принцип осуществляется.

Как уже указывалось выше, уравнение (249) справедливо лишь для расчета рабочих режимов генератора. Поэтому при анализе явлений в генераторах поперечного поля во всем диапазоне изме­ нения нагрузки следует исходить из основного уравнения (242).

На основе уравнения (249) можно определить напряжение на дуговом промежутке:

Таким образом, величина сварочного тока зависит от величины потока остаточного магнетизма и н. с. последовательной обмотки, определяющих эквивалентное напряжение U09, и размагничиваю­ щего действия продольной н. с. обмотки якоря.

Короткое замыкание. При коротком замыкании поток полюсов в воздушном зазоре почти полностью компенсируется размагничи­ вающим продольным потоком якоря Фпр. Вследствие этого э. д. с. Егк при коротком замыкании невелика. Она уравновешивается паде­ нием напряжения в полном сопротивлении сварочной цепи Rc (см. фиг. 169).

Следовательно,

Егк— IЛ — Л — КЛ + %е) —0 .

В генераторах поперечного поля при коротком замыкании сва­ рочной цепи иногда происходит перемагничивание и изменение полярности главных щеток или резкое ослабление потока остаточ­ ного магнетизма. Это явление объясняется следующим. В начале короткого замыкания пик тока переходного процесса 1пк больше установившегося тока короткого замыкания. Поток Фв вследствие насыщения при этом не возрастает, а размагничивающий поток Фпр может достигнуть величины, превосходящей значение потока полю­ сов. Вследствие этого результирующий поток Фм в воздушном зазоре под полюсом меняет свой знак, т. е. генератор перемагничивается, а э. д. с. Ег изменяет свое направление.

полюса уменьшается. При этом сопротивление Я^в увеличивается, а насыщение полюса наступает при меньших токах 1дн. Вследствие этого максимальный поток намагничивающей обмотки при насыще­ нии будет меньше, а э. д. с. Евн и напряжение и 0э снижаются [см. уравнение (248)]. В результате снижения намагничивающего потока сварочный ток и ток короткого замыкания будут уменьшаться. Регулирование режима проис­ ходит плавно.

дечников полюсов.

Внешние характеристики генератора поперечного поля при регу­ лировании путем изменения R^e показаны на фиг. 171. Недостатком этого способа регулирования является некоторое снижение напря­ жения холостого хода генератора при подъеме подвижного пакета, т. е. при настройке на малые токи, что ограничивает нижний предел регулирования.

Способ регулирования режима при помощи подвижного пакета в сердечнике полюса был применен в генераторе СГП-0, электромаг­ нитная схема которого приведена на фиг. 172. Последовательная обмотка в этом генераторе расположена на обоих полюсах; число витков в катушке на верхнем регулируемом полюсе значительно превосходит число витков на другом нерегулируемом полюсе. В полю­ сах сделаны вырезы с выступами, на которых размещена дополни­ тельная последовательная обмотка. Эти выступы служат в качестве дополнительных полюсов, улучшающих коммутацию генератора.

Генератор СГП-0 и приводной короткозамкнутый асинхронный двигатель АД-32/2, смонтированные в одном корпусе, составляли сварочный преобразователь типа СУП-0.

Описанный выше способ регулирования широко применялся также в сварочных генераторах поперечного поля типа RF, выпускаемых фирмой Элин (Австрия).

Другим способом регулирования режима, основанным на изме­ нении намагничивающего потока Фб, является применение магнит­ ного шунта, который располагается вблизи полюсных башмаков генератора. Такой способ регулирования был применен в генера*

торах поперечного поля типа СГП-1 и СГП-2 (фиг. 173). При помощи винтового механизма, снабженного маховичком, шунт приближался или отдалялся от полюсных башмаков. Придвигая магнитный шунт к основным полюсам, увеличивают часть потока полюсов, которая ответвляется в шунт, минуя воздушный зазор под полюсом. Тем самым уменьшается намагничивающий потокугенератора Фв, сцеп­ ленный с обмоткой якоря. С другой стороны, магнитное сопротив­ ление /?р.р на пути размагничивающего [потока Фяр, благодаря шунту, несколько уменьшается, что усиливает размагничивание. В результате уменьшения намагничивающего потока и усиления размагничивания сварочный ток в случае приближения к основным полюсам подвижного магнитного шунта уменьшается. Регулиро­ вание плавное (фиг. 174); напряжение холостого хода генератора при настройке режима подвижным шунтом изменяется в пределах 8— 10 в. Внешние характеристики генератора СГП-1 для трех поло­ жений подвижного шунта показаны на фиг. 175.

Генераторы СГП-1 и СГП-2 с приводрм от короткозамкнутых асинхронных двигателей составляли передвижные однокорпусные сварочные преобразователи соответственно типа СУП-1-1II и СУП-2.

21*

В генераторах поперечного поля также широко распространены способы регулирования путем изменения намагничивающей силы последовательных обмоток.

Такой способ регулирования применен в сварочных однокор­ пусных преобразователях типа «Прага» («Praga Р-500») (фиг. 176), выпускаемых в Чехословакии. Генератор поперечного поля «Прага»

ложенную на верхнем полюсе генератора, и обмотку 2 с малым сече­ нием провода и с большим числом витков — на нижнем полюсе. Обмотки 1 и 2 соединяются между собой параллельно и включаются в цепь якоря последовательно с обмотками дополнительных полю­ сов 5.

В цепь обмотки 2 включен регулирующий реостат Р. Изменяя сопротивление этого реостата, можно изменять распределение тока

внамагничивающих обмотках и тем самым изменять суммарную

н.с* этих обмоток.

При увеличении сопротивления реостата Р в цепи обмотки 2

ток в ней уменьшается, а ток в обмотке 1 несколько увеличивается. Так как число витков в обмотке 2 больше, чем в обмотке /, то сум­ марная н. с. последовательных обмоток генератора с увеличением сопротивления реостата Р уменьшается. В результате этого сни­ жается максимальный намагничивающий поток полюсов, умень­ шается эквивалентное напряжение холостого хода U09 и соответ­

ственно уменьшается сварочный ток. Регулирование режима доста­ точно плавное. В случае необходимости можно реостат Р вынести к рабочему месту, что позволяет производить дистанционное регу­ лирование режима.

В генераторе «Прага» сделан дополнительный вывод К от конца намагничивающей обмотки /, предназначенный для подключения уравнительного провода при параллельном соединении генераторов (см. главу XIX).

Н. с. последовательных обмоток можно также изменить путем изменения числа витков этих обмоток we. Такой способ регулиро­ вания был применен в генераторах фирмы АЭГ типа QV. В генера­

теля либо выключалась, либо включалась согласно или встречно первым двум обмоткам. Переключение третьей обмотки давало три ступени грубого регулирования: малые, средние и большие токи. Тонкая регулировка производилась ступенчатым переключением первой обмотки, которая была разбита на 7 секций. Напряжение холостого хода при таком способе регулирования не изменяется.

Как видно из приведенного выше описания, конструкции гене­ раторов поперечного поля весьма разнообразны. Все существующие способы регулирования генераторов поперечного поля обеспечи­ вают плавную настройку режима в достаточно широких пределах.

§ 4. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГЕНЕРАТОРОВ ПОПЕРЕЧНОГО ПОЛЯ И НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Форма внешних характеристик сварочных генераторов попереч­ ного поля вполне удовлетворяет требованиям сварки. Наличие возрастающей ветви внешней характеристики и максимума напря­ жения генератора при определенных значениях сварочного тока не влияет на устойчивость дуги, так как эти значения токов лежат в нерабочей части характеристики генератора.

Способы регулирования генераторов обеспечивают настройку режима в достаточно широком диапазоне токов. Наиболее простыми и плавными являются способы регулирования путем устройства подвижных шунтов и выдвижных пакетов в сердечниках полюсов. К недостаткам этих способов регулирования следует отнести неко­ торое снижение напряжения холостого хода, что в значительной степени устраняется дополнительным секционированием (две сту­ пени) последовательной намагничивающей обмотки.

Регулирование режима при помощи реостата в одной из ветвей последовательной обмотки также достаточно плавное; возможно дистанционное регулирование. Однако этот способ регулирования вызывает некоторое снижение к. п. д. генератора из-за потерь в регу­ лировочном реостате.

Наименее плавным является многоступенчатое секционирование последовательных обмоток генератора. Помимо этого, большое число выводов усложняет конструкцию генератора и увеличивает расход меди; регулирование генератора под нагрузкой недопус­ тимо.

Схема генераторов поперечного поля весьма проста и надежна в эксплуатации. Однако конструкция магнитной системы в них более сложна, чем в генераторах с независимым возбуждением.

Генераторы поперечного поля обычно бывают двухполюсными. Поэтому изготовление таких генераторов на большие токи нерацио­ нально, так как мощные генераторы с малым числом полюсов имеют большие габариты, удельный расход активных материалов в них повышается, а коллектор имеет значительные размеры.

К недостаткам генераторов поперечного поля следует также отнести возможность перемагничивания или размагничивания гене­ ратора при коротких замыканиях.

Своеобразие электрической схемы и магнитной системы генера­ торов поперечного поля обусловливает некоторые особенности пере­ ходных процессов в них.

В отличие от других систем сварочных генераторов насыщение магнитной системы в генераторах поперечного поля увеличивается при нагрузке. Поэтому при анализе переходных процессов нельзя рассматривать цепи в генераторах поперечного поля как линейные электрические цепи с постоянными параметрами L, R9>М.

Короткозамкнутая цепь якоря является по отношению к цепи главных щеток обмоткой возбуждения. Следовательно, изменение тока в этой цепи обусловливает изменение э. д. с. и тока в цепи глав­ ных щеток. Скорость изменения тока / л при переходных процессах в основном зависит от постоянной времени короткозамкнутой цепи

Как было показано выше, изменение э. д. с. в короткозамкнутой цепи зависит от изменения результирующего потока в воздушном зазоре под полюсами, который, в свою очередь, зависит от измене­ ния тока /а в главной цепи.

На скорость изменения тока в этой цепи влияет главным образом постоянная времени сварочной цепи Тс = Р ^ср - »Эта постоянная,

и продольными размагничивающими витками обмотки якоря в гене­ раторах поперечного поля при сильном насыщении полюсов мала.

Все указанные особенности определяют характер переходных процессов и динамические свойства генераторов поперечного поля.

Подробные исследования динамических свойств генератора попе­ речного поля фирмы Сименс-Шуккерт (см. [48]), а также испытания

Наиболее интересным является процесс восстановления напря­ жения генератора при переходе к холостому ходу. Как видно из осциллограммы на фиг. 177, в момент размыкания сварочной цепи возникает пик напряжения, обусловленный э. д. с. самоиндукции в главной цепи. Затем напряжение падает, как обычно, до некото­ рого минимального значения. После этого напряжение' начинает весьма быстро возрастать, достигая максимума, который значительно превосходит напряжение холостого хода. В дальнейшем напряжение генератора медленно спадает до значения напряжения при холостом ходе. Такой характер изменения напряжения при переходе к холо­ стому ходу обусловлен процессами, происходящими в цепи короткозамкнутых щеток.

При размыкании главной цепи исчезают намагничивающий поток последовательной обмотки и размагничивающий продольный поток якоря, что приводит к быстрому увеличению результирующего потока Фм до значения Ф0. Вследствие этого в цепи короткозамкну­ тых щеток возникает импульс э. д. с. еп) обусловливающий измене­

достижении максимума ток 1п начинает уменьшаться и достигает своего значения при холостом ходе. Соответственно с этим проис­ ходит изменение э. д. с. в главной цепи и напряжения на разомк­ нутых клеммах генератора. Так как скорость возрастания напря­ жения зависит от постоянной времени Тп, то этот процесс в гене­ раторах поперечного поля протекает быстрее, чем в сварочных генераторах других систем. Объяс яется это тем, что постоянная времени Тп значительно меньше, чем постоянная времени Тн об­ моток возбуждения других сварочных генераторов. По данным работы [48], Тп = 0,035 -г- 0,046 сек., в то время как обычно Тн — 0,5 -г- 0,8 сек. Время восстановления напряжения генератора до 25 в составляет, по данным испытаний генератора СГП-1, от 0,004 до 0,01 сек., что облегчает зажигание сварочной дуги.