Сварочный одноякорный преобразователь, переменного тока в постоянный Советский патент 1957 года по МПК B23K9/00 H02K23/16 H02K23/18 H02K23/42 

Изобретение относится к сварочным -одноякорн.ым преобразователям переменного тока в постоянный с падающей внешней характерпстнкой (для дуговой сварки), имеющим 2р-полюсную систему статорных обмоток возбуждения (где р - целое число) и 2р-полюсную фазную обмотку на якоре (роторе), которые создают неизменный по величине 2рполюсный результирующий магнитный поток возбуждения. Последний индуктирует в якорной обмотке э- д. с., уравновешивающую наиряжеппе сети переменного тока, и меняет свое положение в пространстве при изменении ЗТла вылета ротора, в рез ультате чего соответственно изменяется величина напряжения постоянного тока на щетках машины.

Известные преобразователи подобного типа имеют плохие динами ческие качества, так как для перехода от одной точкп нагрузки к другой требуется соответствующее преодоление механическо инерции вращающегося якоря, что не может произойти достаточно быстро. В результате этого переходные процессы замедляются. Кроме того, в таких преобразователях на переходных процессах сказывается также демпфирующее действие обмоток.

Предложенный преобразователь обладает лучшими, по сравнению с известными, динамическими качества.ми.

Это достигается за счет того, что статорные обмотки преобразователя образуют, поми.мо 2р-полюсной, также 4р-нолюсную систему, которая создает 4р-полюсный магнитный ноток, образуемый целиком или частично и не демпфируемый 2р-нолюсными обмотками статора. Одновременно обмотка якоря и расположение щеток на коллекторе выполнены таким образом, чтобы в напряжении постоянного тока имелась составляющая, меняющаяся при изменении нагрззки и направления против основной составляющей, которая .меняется при изменении угла вылета ротора,

№ 108886- 2 -

благодаря чему достигаются быстрые изменения напряжения постоянного тока при изменеппи нагрузки.

Среди вариаптов расположения якорпых проводников и коллекторных щеток, обеспечивающих вышеописанный эффект, возможен такой, когда обмотка постоянного тока якоря выполняется как обычная 4р-полюсная петлевая обмотка (фиг. 1), а щетки АА и ББ (фиг. 2) расположены под серединой соответствзющих полуполюсов IV, II, III, I (являющихся для 4р-полюсного потока полюсами).

На фиг. 2 показано распределение магнитных потоков машины, из которых поток Ф - поперечный, а Ф - продольный, для часто встречающегося случая, когда один полюс машины состоит из двух расщепленных полуполюсов I-II, а второй - из полуполюсов IV-III. (На

фиг. 2 потоки Ф и Ф распределяются поровну на два полюса и обознаФ Ф

чаются- и -g-j . Ось а - а является продольной, а б - б - поперечной. Если поток Ф1,,ез. разлОЖИТЬ в продольную слагающую Ф/ и в поперечную слагающую Ф) (см. фиг. 3), то, очевидно, Ф :Ф; и

ф.Ф

ig.

,

Между рабочими щетками А и А действует рабочая э.д.с. Е, индуктированная продольным потоком Ф. С дополнительных щеток Б к Б снимается э.д.с. Е , индуктированная поперечным потоком Ф.

Ниже рассматривается влияние 2р-полюсных потоков Ф и Ф (фиг. 2) на якорную обмотку постоянного тока.

Для потока Ф полунолюса I и II и также III и IV составляют совместно по одному оолюсу. Поток Ф, распределение которого в полуполюсах на фиг. 2 указано с помощью длинных сплошных стрелок, индуктирует в проводниках якорной обмотки постоянного тока электродвижущие силы, распределение которых показано на фиг. 1 также длинными сплошными стрелками. Аналогично поток Ф распределение которого в полуполюсах (фиг. 2) указано с помощью длинных стрелок, выполненных пунктиром, индуктирует электродвижущие силы в проводниках якорной обмотки постоянного тока, показанные на фиг. 1 длинными стрелками, выполненными пунктиром. Между щетками и Л , а также между щетками А к Б суммируются э.д.с., вызванные потоком Ф (см. фиг. 1), в то время как э. д. с., вызванные потоком Ф, взаимно уничтожаются.

Учитывая, что расстояние между щетками А и Б и также между щетками Л и Б (см. фиг. 2) в два раза меньше, чем расстояние между рабочими щетками А и А , получают, что э.д.с., возникающая между

этими щетками, должна иметь величину . Б результате (как показано

на фиг. 2 длинными сплошными стрелками на коллекторе) между указанньгми щетками можно сни.мать э. д. с., вызываемую потоком

.f cos р (где р - угол поворота ротора). Аналогично этому между щеткой Б и щеткой А и также между щетками Л и Б (фиг. 2) возникают э.д.с. величиной Е max sin р, вызываемые потоком Ф

(длинные стрелки, выполненные пунктиром).

Кроме 2р-полюсных (в данном случае ) потоков Ф и Ф, может быть создан также 4р-полюсный поток Ф, распределение которого в полуполюсах, являющихся для него полюсом, показывают маленькие сплошные стрелки (фиг. 2).

На фиг. 1 маленькие сплошные стрелки указывают направления э. д. с., индуктируемых потоком Ф в проводниках якорной обмотки, а на

Е „,

фиг. 2 маленькие сплошные стрелки на коллекторе ноказывают направления э. д. с. Е, индуктированных потоком Ф между щетками А, Б и А , Б .

Если поток Ф вызывается 4р-полюсной обмоткой 5, расположенной, как указано на фиг. 3, на полюсах I, II. III и IV и обтекаемой током нагрузки /, то э. д. с. между щетками Б н А , которые будут служить

в качестве рабочих щеток, состоит из части KiEi/,„ cos р и пз части , так как Е пропорциональна току I.

Напряжение между рабочими щетками будет равным KiEi ;„,., cos (5 - Кг - I2R, где 1R - суммарное омическое сопротивление цепи. При коротком замыкании это напряжение равно О и в первое мгновение, когда из-за инерции якорь еще не изменил свою скорость, cos (3 остается неизменным, ток возрастает до величины динамического тока короткого за,KiEi „,,., cos3

мыкания Qi. -- . Если бы не была предусмотрена 4р-поK. - jR люсная обмотка 3, т. е. если бы К2 О, то 1,, был бы равным

KjEi,,.,3 ,

-----. т. е. упомянутая оомотка уменьшает 1л„ в отношении

IR

(К2 + 2R) : SR, т. е. весьма сильно.

Изменению величины Кг в данном случае не препятствуют явления компенсирующего переменного тока и демпфирующего тока. Действительно, 4р-полюсный поток не может индуктировать э. д. с. в 2р-полюсной фазовой обмотке, поэтому и не может возникать компенсационный ток, компенсирующий 4р-полюсиые м.д.с. обмотки, обтекаемой током нагрузки. Что же касается возникновения токов, демпфирующих изменение потока, пропорционального току нагрузки, то нужно учесть, что этот поток является 4р-полюсным, вследствие чего он не может индуктировать демпферных токов в вышеупомянутых 2р-полюсных статорных обмотках.

При изменении величины постоянного тока / компенсирующий его магнитное влияние переменный ток /| несколько медленнее меняет свою величину, что, с одной стороны, вызывает нарушение баланса м. д. с. по поперечной оси, а с другой стороны - колебания скорости якоря.

Для устранения этого явления в преобразователе предусмотрена 2р-полюсная обмотка 3 (фиг. 5), обтекаемая током нагрузки в том направлении, при котором получающиеся м.д.с. этой обмотки совпадают с направлением реакции якоря от постоянного тока (см. стрелки на фиг. 5). Эта обмотка вызывает в фазовой обмотке компенсирующий переменный ток /1ЙОЛ. вектор которого совпадает с направлением тока /ь Таким образом, суммарный ток /i + /1,;„л меняет свою величину быстрее, чем ток /ь что при соответствующем выборе величины м. д. с. обмотки 3 дает возможность целиком устранять причины, вызывающие плохую динамическую коммутацию.

В то время как обмотка 3 (фиг. 4) используется для весьма быстрого уменьшения или увеличения напряжения поворот поля, т. е. изменения угла р, используется для того, чтобы стационарному току автоматически придавать желаемую величину.

Для автоматического изменения угла р в желаемом направлении и до желаемой величины используются целесообразно расположенные статорные обмотки, имеющие определенные схемы соединения.

Для того, чтобы при изменении положения потока , необходимом для изменения угла р, обмотка возбуждения статора не вызывала вращающего момента, препятствующего повороту потока, предусмотрена

- 3 .YO 108886

№ 108886

система статорных обмоток, м. д. с. которых при повороте матически меняются по величине так, чтобы они при любом направлении потока Ф рез целиком обеспечили и по величине и по направлению создаиие потоков Ф и Ф. Это достигается тем, что создаются в статорных обмотках одновременно м. д. с., совпадающие по направлению с потоком Ф и пропорциональные э.д.:С. Е, т. е. п потоку Ф и м.д.с€овпадаюш,ие по иаправлению с потоком Ф и пропорциональные э.д.сЕ, т. е. и потоку Ф. Из этого следует, что при повороте Ф1рез , т. е. при соответствуюш,ем пзмепении Ф и Ф, в случае правильного выбора коэффициента пропорциональности между м.д.с. и питающим их э-д.с. Е и В , эти м.д-с. при любых величинах Ф и Ф обеспечивают их возбуледение.

Таким образом, при правильном выборе параметров м. д. с., действующие по продольной оси, создают компенсационный переменный ток, равный продольной слагающей намагпичивающего тока /.л.,, а м. д. с., действующие от поперечпой оси, соедают компенсационный переменный ток, равный поперечной слагающей его. Поэтому не только исчезает /fx pej И разгружается якорь от этого тока, но и не возника ет активная слагающая переменного тока, которая могла бы вызвать вращающие моменты, препятствующие свобод юо.п повороту ,„

На фиг. 6 показана одна из возможных схем такой системы обмоток. Система обмоток состоит из обмоток 1, расположенных на полуполюсах, причем обмотки, находящиеся па полуполюсах II и IV, питаются

от щеток А-А, т. е. от э.д.с. )- (Е + Е ), а остальные, расположенные на полуполюсах I и III, питаются от П1,еток Б-Б, т. е. от э.д.с. (Е-Е).

Для обеспечения хорощего cos -р предусмотрена одна система обмоток.

Система состоит нз обмоток 2 (фиг. 7), расположенных на полуполюсах, причем обмотки, паходящиеся па полуполюсах II и IV, питаются

от щеток Б-Б, т. е. от э.д.с.-j- (Е-Е), а обмотки, паходящиеся па полуполюсах I и III, питаются от щеток А - А, т. е. от э.д.с. Ь(Е-ЬЕ).

Указанная система статорных обмоток характеризуется тем, что создает одновременно м. д. с. Aw, совпадающие по направлению с потоком Ф и пропорциональные э. д. с. и м. д. с. Аи ,противо1тс;ложиые потоку Ф и пропорциональные э.д.с. Е , М.д.с. А,, вызывают компенсирующий переменный ток, пропорциональный Aw,, и противоположный Ф и Ф: и создающий поэтому с э. д. с. Е.., Д15пгательную мощность, пропорциональную А w,j. cos р, пли, если учесть, что :-Ej Ei;,e., cos |3, пропорциональпую Ei/«,v cos- p. М. д. с. Aw вызывает компенсациоппый пере.менный ток, пропорциональный AWT и совпадающий по направлению с Ф и Ф/. и создающий поэтому с э.д.с. Eipej двигательную мощность, пропорциональную . Ei/«.,,, или, если учесть, что AWT Е ;- El EI, sin (3, пропорциональную Eipej sin |3. Очевидно, что при правильно.м выборе параметров можно таким путем получить двигательную мощность, пропорциоиальную Е ,, (sin |3 + соз Р) Е,рез onst, т. е. п двигательный момент практически постоянной величины. Если выбрать его величину, равной моменту от трения или не.много больще, то получим вращающий момент, противоположный моменту трения и могущий поэтому компенсировать или даже перекомненсировать момент от трения.

Стационарное положение йекторов потока Ф1р„ и э.д.. EI,,,, получается при отсутствии ускоряющих или замедляющих вращающих моментов. При правильном выборе м. д. с. обмотки 3, вращающий момент, вызываемый алгебраической суммой 2р-полюсной м. д. с. якорного тока / и 2р-нолюсной м.д.с. якорного тока Л + /1,7о„ , равен 0. При правильном выборе м.д.с. обмоток 2 устранено также влияние момента от трения.

4р-нолюсные м.д.с. тока / вызывают с 4р-полюсным потоком Ф двигательную мощность, которая получается как произведение тока / на э.д.с. Кг, вызванную потоком Ф, т. е. имеет величину K2I.

При наличии 2р-нолюсной управляющей обмотки 4 (фиг. 4), обтекаемой током iy при определенном направлении ее м.д.с., переменный ток, компенсирующий эти м.д-с., имеет противоположное направление, т. е. составляет с э. д. с. Е ,, угол 90°- 3. Поэтому току Ilj соответствует генераторная мощность величины Vi iiiEi,,. sin Р.

Таким образом, при наличии перечисленных статорных обмоток получается уравнение П Р - Ка -- 0. С другой стороны, имеет место уравнение v ,„ cos (3 - Кд - lilB.

Из этих двух уравнений с помощью исключения (5 можно получить стационарную характеристику преобразователя I f(v). С помощью дополнения различных других статорных м. д. с. можно изменить структуру уравнения мощности и поэтому также форму стационарной характеристики мащины. Если, например, добавить действующую по продольной оси систему обмоток, питаемых от щеток БА и имеющих поэтому м. д. с., пропорциональную KiEi,,,,3 cos р - K2l. то у1обавляется в уравнение мощности член ztK fKiEj -K2l) sin р. Если от тех же щеток питать систему обмоток, действующих но ноперечной оси. то добавляется член ±K5(KiEjp -K2l) Eipj , cos p.

Если добавить действующую по поперечной оси систему обмоток, питаемых от управляющего тока ///, добавляется член г: ./Ei;;,,3Cos р.

В указанном уравнении мощности можно с помощью плавного изМ(ие1;ия токов iy и i-y или одного из них получить плавное изменение формы характеристики. Можно получаемый при этом диапазон регулирования сильно увеличить, если, кроме того, менять число витков обмоток. Так, например, если обмотку 3 выполнить в виде обмоток, которые можно включить параллельно или последовательно, то те же величины м. д. с. этой обмотки, т. е. и те же формы зависимости между этими м. д. с. и остальными параметрами будут соответствовать различным величинам тока нагрузки. Имеется возможность улучщить показатели мащины на основании следующих соображений.

При нагрузке поток Ф, вызываемый током /, уменьщает поток -

(см. фиг. 2) в полуполюсах П и III и увеличивает поток -,- в полуполюсах I и IV, т. е. одна часть потока Ф вытесняется из полуполюсов // и /// в полуполюсы I и IV.

Ввиду того, что той частью потока Ф, которая проходит при холостом ходе через по туполюсы П и III, индуктируется та часть рабочей э. д. с. между щетками А и Б, которая существует при холостом ходе, можно увеличить напряжение холостого хода и расчетную мощность без увеличения габаритов, если заставить поток Ф распределяться при холостом ходе так, чтобы иольщая часть его прощла через полуполюсы II и III, а меньщая - череа полуполюсы I и IV.

- 5 108886

№ 108886 - 6 -

Согласно изобретению, такое перераспределение потока Ф можно получить с помощью использования различных величин зазоров.

Допустим, например, что эффективная величина зазора (уже с учетом коэффициентов зазора и насыщения) под полуполюсами II и III уменьщается в отношении 3 ; 2, а под полуполюсами I и IV увеличивается ,в отнощении 1 : 2 (см. фиг. 4, 5, 6, 7), тогда часть магнитного потока

Ф, проходящая через нолуполюсы II и III, увеличивается от - до 3

а часть, проходящая через полуполюсы I и IV, уменьщается от Фф2

-J- ДО -. Таким образом, э.д.с. -у Е, индуктированная при холостом ходе между щетками А п Б, увеличивается до величины Е. Увеличение продольного потока полуполюсов II и III от величины -9 ДО величины Ф и одновременное уменьшенне продольного потока

полунолюсов Т IV г т ветичины

до 1зеличины -,-дает тот же эффект,

как если бы к 2р-полюсному потоку Ф добавили 4/ -полюсный ноток-т- ,

ФФ

т. е. поток Ф h Ф.1, где - является 4р-полюс; ым потоком, который совместпо с половиной -,-,- 2/;-полюснаго потока Ф индуктирует

между щетками Б и А э. д. с. Е -; l.,.v cos (3, а Фн является 4рполюсным потоком, вызванным 4/-7-полюсной обмоткой ., обтекаемой током нагрузки / и индуктируюн им э. д. с. K2l.

При изменении величин зазоров для нзбелопия возможности эксцентричности якоря из-за неодинаковых радиальных магнитных усилий под различными полуполюсамн машина выполняется с числом пар полюсов р 2.

Предмет изобретения

1.Сварочный одноякорный преобразователь переменного тока в постоянный, имеющий 2/7-полюснзю (где р - любое целое число) систему статорных обмоток возбуждения и 2/ -полюсную фазную обмотку на якоре (роторе), которые создают неизменный, по величине 2/5-полюсный результируюпдай магнитный поток возбуждения, индуктирующий в якорной обмотке Э.Д.С., зфавновешиваюп1ую напряжение еети неременного тока, н меняющий свое пололсение и пространстве при изменении угла вылета ротора, в результате чего соответственно изменяется величина напряжения постоянного тока на щетках мащины, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамических качеств машины, статорные обмотки последней образуют ломимо 2р-нолюсной также 4/ -нолюсную систему, которая создает 4р-нолюсный магннтный поток, образуе.мый целиком или частично током нагрузки и не демпфируемый 2/7-полюсными облЮтками статора, а обмотка якоря выполнена так и щетки расположены на коллекторе таким образом, чтобы в напряжении постоянного тока имелась составляющая, меняющаяся при изменении нагрузки и направленная против основной составляющей, меняющейся при изменении угла вылета ротора, для достижения быстрых изменений напряжения постоянного тока при изменении нагрузки.

2.Преобразователь по п. 1, отлнчающпйся тем, что якорь выполнен с 4р-полюсной обмоткой постоянного тока.

3.Преобразователь по нн. 1 п 2, о тл н ч а ю и с я тем, что щетки коллектора в количестве, равном 4р, расположены таким образомчтобы напряжение между соответствующими соседними щетками состояло из части, индуктированной продольной составляющей 2р-полюсного магнитного потока, и из встречно направленной части, инд3ктировапной 4р-полюсным магнитным потоком, создаваемым током нагрузки.

4.Преобразователь по п. 1, выполненный с расщепленными полюсами, отличающийся тем, что обмотки, располол енные на одной паре противоположных полуполюсов, питаются от щеток, между которыми действует напряжение постоянного тока, пропорциональное разности напряжений, индуктированных поперечной и, соответственно, продольной составляющими магнитного потока, а обмотки, расположенные на другой паре полуполюсов, питаются от щеток, между которыми действует напряжеиие, пропорциоиальное сумме указанных двух напряжений.

5.Преобразователь по п. 1, отличающийся применением на статоре обтекаемой токо.ч нагрузки 2р-полюсной обмотки, направление намагничивающей силы которой совпадает с направлением 2р-полюсной реакции якоря тока нагрузки, причем величина намагничивающей силы этой обмотки выбрана так, чтобы при изменении тока нагрузки она компенсировала разность между изменениями реакции якоря от постоянного тока и реакции якоря от переменного тока.

6.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я применением 2р-полюсной статорной обмотки, расположенной по продольной оси и обтекаемой регуоТируемым током управления.

7- Преобразователь по п. 1, отличающийся применением 2р-по.люсной статорной обмотки, расположенпой по поперечной оси и обтекаемой регулируел№1м током управления.

8.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что по продольной, либо по поиеречной оси, либо по обеил этим осям расположена 2р-полюсная обмотка, обтекаемая током нагрузки или током, зависящим от тока нагрузки.

9.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что по продольной оси, либо по поперечной оси, либо по обеим этим осям расположена 2р-полюсная обмотка, питаемая напряжением, снимаемым с рабочих щеток.

10.Преобразователь по п. 8, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования тока, иагрузки обмотки подразделены на части с тем, чтобы можно было путем переключения обМоток получать необходимую намагничивающую силу при различных величинах тока.

11.Преобразователь по п. 1 с расщепленными полюсами, отличающийся тем, что воздушные зазоры у пары соседних полуполюсов, через которые проходит одна часть продольного 2р-полюсного магнитного потока, выполнены большими, чем воздушные зазоры у другой пары соседних полуиолюсов, через которые проходит вторая часть того же потока для создания неравенства этих частей потока.

12.Преобразователь поп. 11, отличаю щ и и с я тем, что меиьшие по величине воздушные зазоры сделаны у полуполюсов, через которые проходит часть продольного 2р-полюсного магнитного потока, индуктирующая напряжение, действующее между рабочимп щетками.

13.Преобразователь по пп. 1, 11, 12, отличающийся тем, что число «р иар полюсов выбрано не меньшим двух.

7 -Л 10S885 / / , v I I i

№ 108886

/рез

Риг «

(Pus 5