Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ системы источник питания и электрическая дуга
1.1. Особенности сварочного процесса и конкретизация требований к разрабатываемому источнику питания дуги
1.2. Анализ особенностей рабочего процесса стартер-генератора с асимметрией в генераторном режиме 38
1.3. Исследование возможности использования стартер-генератора в сварочном режиме 45
1.4. Вероятность устойчивого зажигания электрической дуги при ручной дуговой сварке плавящимся электродом на постоянном токе
1.5. Выводы по главе I
2. Исследование динамических свойств системы источник питания - электрическая дуга с помощью математической модели
2.1. Математическое описание магнитных характеристик электромеханического преобразователя энергии с учетом особенностей его магнитной системы
2.2. Математическая модель электромеханического преобразователя энергии для расчета динамических свойств источника 90
2.3. Определение начальных условий для расчета переходных режимов в системе
2.4. Вычислительный алгоритм для расчета на ЦВМ динамических свойств системы источник питания - электрическая дуга
2.5. Анализ статических и динамических свойств источника на сформированной математической модели системы -
2.6. Выводы по главе 2
3. Разработка источника питания сварочной динамических свойств замкнутой системы регулирования
3.1. Выбор структуры источника питания 408
3.2. Полупроводниковый регулятор напряжения и тока
3.3. Анализ устойчивости и качества динамических свойств системы с разработанным регулятором
3.4. Выводы по главе 3
4. Анализ сварочных свойств регулируемого электромашинного источника на ЦВМ и по упрощенным зависимостям
4.1. Результаты исследований математической модели системы
4.2. Механические и электромагнитные параметры источника
4.3. Упрощенные зависимости для расчета динамических свойств системы
4.4. Сравнительный анализ технических характеристик штатного и опытного образцов источника
4.5. Выводы по главе 4
Выводы по работе
Список литературы
- Анализ особенностей рабочего процесса стартер-генератора с асимметрией в генераторном режиме
- Математическая модель электромеханического преобразователя энергии для расчета динамических свойств источника
- Выбор структуры источника питания
- Механические и электромагнитные параметры источника
Введение к работе
Перспективные задачи по совершенствованию работы железнодорожного транспорта, особенно в области укрепления ег0 ремонтной и строительной базы, также и в сложных условиях БАМ, ставятся нашей партией в разделе "Развитие транспорта и связи"принятых на ХХУІ съезде КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года". Задачи эти тем более актуальны, если учесть, что железнодорожный транспорт,обеспечивая 60% всех грузовых перевозок в СССР, является определяющим в транспортной системе страны.
Далее в основополагающих партийных документах отмечается, что "... более быстрое техническое перевооружение производства, создание и выпуск машин и оборудования, позволяющих улучшать условия труда и повышать его производительность, экономить материальные ресурсы" призвано обеспечить дальнейшее ускорение научно-технического прогресса.
Известно, что при строительстве новых железных дорог, газонефтепроводов и других объектов, сооружение которых связано с большими объемами земляных работ, а также для обеспечения электроэнергией потребителей, расположенных в стороне от линий электропередач или часто меняющих место расположения, для проведения ремонтных работ в полевых условиях и для специальных целей широко используются автономные транспортные средства. К нині относятся, соответственно, мощные дизель-электрические тракторы ДЭТ - 250 и их модификации, рассчитанные для работы в особо сложных условиях прокладки БАМ Щ , передвижные зарядные электростанции ЭСБ-4 [2J , временные электростанции для энергоснабжения путевых машин и инструмента [ЗІ , а также мощные гусеничные
тягачи и спецмашины.
Как правило, система электроснабжения современного автономного транспортного средства оснащена силовой установкой /двигателем внутреннего сгорания, дизелем или турбиной/, зачастую используемой также и для приведения в движение транспортного средства, коммутационной и пускорегулирующей аппаратурой и стартер-генератором. Последний чаще всего представляет собой электрическую машину постоянного тока смешанного возбуждения и используется для стартерного пуска первичного двигателя с последующим переводом всей системы электроснабжения в генераторный режим для питания потребителей и подзаряда батарей. А реже, при отсутствии последовательной обмотки, лишь для питания низковольтной бортовой сети транспортного средства и заряда аккумуляторных батарей.
Известно, что на транспорте,как и в других отраслях народного хозяйства, широко применяется электрическая дуговая сварка, как один из способов соединения элементов металлоконструкций. Б стационарных условиях, или при наличии железнодорожной энергосистемы для этой цели используют электроэнергию переменного тока,что существенно упрощает как технологию проведения сварочных работ,так и необходимое для этого оборудование.В полевых же условиях, например, при выполнении строительных и ремонтных работ применяют специальные сварочные агрегаты.Однако возможность размещения таких установок в составе транспортных средств,как правило,весьма ограничена.В этой связи представляется целесообразной попытка расширить функциональные возможности штатного электрооборудования транспортного средства с целью использовать его и при проведении сварочных работ, что ведет к дальнейшей унификации установленных единиц системы электроснабжения транспортного средства.При этом сохраняются преимущества ручной дуговой свар-
ки на постоянном токе от электромеханического преобразователя энергии, основными из которых являются: сравнительная простота регулировки в требуемом диапазоне рабочих режимов, хорошее качество сварного соединения, более высокая надежность первоначального и повторного зажигания дуги наряду с большей устойчивостью её горения и т.д.
Целью настоящей работы является исследование возможности расширения диапазона функционирования широко применяемого на автономных транспортных средствах электромашинного источника питания для собственных нужд на базе стартер-генератора с асимметричной магнитной и электрической системами при проведении строительных и ремонтных работ в полевых условиях.
Данную возможность использования источника еще и в свароч* ном режиме в совокупности с поддержанием положительного зарядного баланса аккумуляторных батарей предпочтительно получить без изменения электромагнитных параметров генераторов, выпускаемых крупными сериями. В противном случае это повлекло бы за собой большие материальные затраты, связанные с переоснащением производства. Вместе с тем в работе предусматривается всесторонний анализ специфики установившихся и переходных процессов в регулируемых электромашинных источниках питания на базе электромеханических преобразователей энергии с асимметричной электрической и магнитной системами при использовании их в сварочном режиме.
Изучение периодической и патентной литературы, посвященной современному состоянию технических средств и способов энергетического обеспечения сварочных работ, дает обширный материал для классификационных обобщений /рис.1./.
Известные схемы источников питания сварочной дуги по роду тока могут быть разделены на две группы - переменного и посто-
источники
ПИТАНИЯ
тока
переменный
постоянный
вид преобразования энергии
сварочный выпрямитель
сварочный преобразователь
электромашинный
электрохимический
типы преоор
&—&
азователеп
генератопы постоянного
генераторы
переменного
тока
специальные сварочные генераторы
способы
возбуждения
"поперечный"
комбинированный
Рис. I. . Классификация источников питания сварочной дуги постоянного тока
янного. Первые используются в стационарных условиях, вторые -при отсутствии силовой электросети, например, при производстве ремонтных и строительных работ в полевых условиях.
Источники постоянного тока по виду преобразования энергии подразделяются на электрохимические, сварочные выпрямители и преобразователи, а также электромашинные. Первые, например, аккумуляторные батареи находят ограниченное применение из-за трудностей получения падающей вольтамперной характеристики, а также в связи с ограниченным запасом электроемкости и необходимостью периодического подзаряда. Вторые и третьи из-за специфических особенностей редко используются в составе передвижных сварочных агрегатов.
Злектромашинные преобразователи по способу получения сварочного тока делятся на генераторы переменного тока с выпрямителями, специальные сварочные и собственно электромеханические преобразователи энергии постоянного тока.
Первые имеют известные преимущества: меньший вес, больший к.п.д. и т.д. [4J . Но присущие им недостатки: потеря сварочных качеств на частотах вращения больших номинальных, а также элективноеть использования лишь при небольших длинах соединительных проводов и при сварке электродами со стабилизирующим покрытием являются более существенными.
Наибольшее распространение при сварке на постоянном токе получила установка, использующая индукторный генератор переменного тока обращенного типа [5J . Она предназначена для ручной дуговой сварки. Схема установки приведена на рис.2,а и включает статор С и ротор Р индукторного генератора, приводимого во вращение двигателем ПД. Обмотка возбуждения ОБ получает питание от регулируемого источника постоянного тока И. Обмотки ротора подключены через силовой выпрямитель В к электродам.
Це
300 мо
ї,*
Рис. 2. Источник питания для дуговой сварки: а - схема, б - внешние характеойстики
Б результате регулировки тока в обмотке возбуждения получается семейство статических выходных характеристик, изображенных на рис.2,б.
Особенностью устройства является получение экскаваторных внешних характеристик синхронной машины без дополнительных потерь в сварочной цепи.
Б настоящее время большое практическое применение для ручной дуговой сварки постоянным током получили генераторы постоянного тока, несмотря на наличие щеточно-коллекторного узла.
По типу возбуждения генераторы постоянного тока, как отмечалось, делятся на электромеханические преобразователи энергии с "продольным", "поперечным" и комбинированным возбуждением.
В электрических машинах с "продольным" возбуждением, предложенных в 1909 г. инженером Кремером [б] , требуемый наклон внешней характеристики обеспечивается размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения СО, включенной в цепь якоря встречно по отношению к основным независимой 0В и параллельной ПОВ обмоткам возбуждения /рис.3./. Получение выходной характеристики требуемой формы достигается при помощи реостатов в цепях обмоток возбуждения. Реостатом В_ в цепи независи-
п.
мой обмотки вольтамперная характеристика перемещается параллельно самой себе, а с помощью потенциометра В - изменяется крутизна наклона характеристики. Известны разновидности данного типа генераторов, в которых требуемая внешняя характеристика и скорость нарастания тока короткого замыкания достигаются либо включением балластного реостата непосредственно в силовую цепь, либо размещением дросселя в цепях независимой или последовательной обмоток возбуждения. Ввиду сходства свойств к данному типу машин можно отнести и генераторы с третьей щеткой [7J /рис.4./. В них, благодаря действию поперечной реакции якоря, напряжение
...——О 4-
Рио.З. Генератор с "продольнытл" комбинированным возбуждением а - схегла, б - внешние характеристики
fOO 2О0 ЗО0 J/og fffff
г»
Рис. 4 . Генератор с третьей щеткой а - схегла, 6 - внешние характеристики
между третьей и основной щетками мало зависит от коммутации нагрузки. Регулировка режимов осуществляется реостатом Вв в цепи независимой обмотки ОБ, а расширение пределов регулирования -наличием дополнительных выводов от размагничивающей обмотки СО.
Генераторы с "поперечным" возбуждением, впервые предложенные инженером Э.Розенбергом [8] , имеют две пары щеток, расположенных взаимно-перпендикулярно, причем одна из пар замкнута накоротко /рис.5./. Обмотка возбуждения СО, включенная последовательно с другой парой щеток в силовую цепь , создает продольное магнитное поле Феї , которое обусловливает наведение э.д.с. и появление тока в короткозамкнутой цепи. Этот ток создает поперечное магнитное поле 4\j, , используемое для наведения э.д.с. на зажимах генератора. Падающий участок внешней характеристики объясняется размагничивающим действием силового тока и насыщением магнитной системы машины.
На рис.6 представлена упрощенная схема генератора с двойной полюсной системой [э] . Особенность его состоит в том, что одна пара полюсов насыщена сильно, а другая - слабо, причем намагничивающая сила якоря усиливает возбуждение первых и ослабляет возбуждение вторых. Это приводит к уменьшению суммарного потока при увеличении тока якоря. Питание обмоток возбуждения осуществляется от вспомогательной щетки на коллекторе. Известны еще разновидности данного типа генератора с двойной полюсной системой и тремя щетками на якоре [І0І . На одной паре полюсов размещены две параллельные и одна последовательная обмотки возбуждения. Другая последовательная обмотка расположена на второй паре полюсов. Питание параллельных обмоток осуществляется от дополнительной щетки. Реостат в цепи параллельной обмотки предназначен для плавной регулировки внешней характеристики генератора. Дополнительный вывод позволяет при необходимости использовать
so
k.
SO
2,Л
Рис. 5 , Генератор с "поперечным" возбуждением: а - схема, б - внешние характеристики
ІВ
и.
го
foo -&у J
J,J?
Рис. 6 . Генератор с двойной полюсной системой: а - схема, б - внешние характеристики
лишь одну из последовательных обмоток. Генераторы с "продоль-ным"возбуждением выгодно отличает минимальное число щеток, а также относительная простота средств и способов регулирования внешних характеристик.
Целью настоящей работы является использование для сварки штатного стартер-генератора /типа СГ-10/, конструкция которого заметно отличается от названных/рис.I.I./
Электрические машины типа СГ-10 обладают магнитной и электрической асимметрией. Их магнитная цепь содержит основные полюса несимметричной формы и половинное количество дополнительных. Это позволяет, согласно литературным данным, при заметном уменьшении габаритов машины разместить на главных полюсах достаточно мощную параллельную и последовательную обмотки возбуждения. В действительности, как показал анализ свойств, [29] ощутимых преимуществ данные электромеханические преобразователи энергии перед машинами с ситієтричной магнитной системой не имеют. Более того, им свойственны ": спады " в их регулировочных характеристиках, затрудненная настройка коммутации, а большая магнитная взаимосвязь обмоток возбуждения приводит к снижению динамических свойств источника в сварочном режиме с характерной быстрой сменой процессов короткое замыкание - рабочий режим - холостой ход. Электрическая асимметрия выражается в том, что катушки параллельной обмотки разноименной полярности имеют разные числа витков, что обусловлено уже оговоренными затруднениями при опытной настройке машины по коммутации. В настоящее время особенности работы электромеханических преобразователей энергии данного типа проанализированы недостаточно полно, а тем более специфика их применения в сварочном режиме. Данная работа, как отмечалось, является попыткой восполнить этот пробел.
Известные способы получения требуемой внешней характеристи-
ки источника в сварочном режиме указывают на необходимость включения в якорную цепь дополнительного балластного сопротивления, что влечет за собой значительные потери мощности установки при выполнении работ, связанных с использованием больших величин рабочих токов. Перечисленное снижает КПД агрегата и, в свою очередь, увеличивает его габариты.массу. Исходя из специфики сварочных работ, к разрабатываемому источнику предъявляются следующие требования:
обеспечение крутопадающей вольтамперной характеристики при максимальном использовании его мощности;
наличие достаточно широкого диапазона регулирования сварочных режимов;
осуществление не только плавной регулировки, но и стабилизации выбранного режима;
возможность поддержания положительного зарядного баланса батарей на малых начальных частотах вращения силовой установки;
обеспечение высокого КГЩ "., небольших габаритов и массы устройства, а также возможности дистанционного управления режимами^ диапазоне сварочных токов 90-360 А.
Б результате проведенных исследований был разработан на первом этапе электромашинный источник питания для собственных нужд транспортного средства, требуемый наклон внешней характеристики которого был реализован путем включения в силовую цепь последовательной обмотки возбуждения - как размагничивающей. Но дальнейший анализ выявил невозможность такого источника удовлетворить большинству из предъявляемых требований и показал его неудовлетворительные динамические свойства. Поэтому было предложено оборудовать установку управляющей аппаратурой.
Управляющая аппаратура для сварочных агрегатов включает в различных сочетаниях как дискретные элементы - реостаты,дроссели,
так и регуляторы, которые воздействуют на цепи силовую или возбуждения, либо на их комбинацию /рис.7./.
С помощью перечисленных средств добиваются требуемой стабилизации параметров дуги в квазиустановившихся процессах, необходимых динамических свойств системы в переходных режимах, а с точки зрения энергетической - максимального КПД установки ео всех режимах.
При использовании в качестве источника питания дуги генератора постоянного тока предпочтительно воздействие на его цепь возбуждения. Это требует меньшей мощности регулирующих элементов и, как следствие, позволяет осуществлять более простыми средствами дистанционное управление сварочным процессом. К недостаткам же варьирования параметров силовой цепи надо отнести неизбежность включения в неё элементов с большой установочной мощностью, что ведет к росту непроизводительных потерь.
Средства регулирования в цепи возбуждения включают реостаты, дроссели и регуляторы. Недостатки первых двух устройств известны - это низкий і КПД и надежность, а также дискретность регулирования и отсутствие стабилизации выбранного режима.
Примером реостатного регулирования режимов сварки может служить устройство, схема которого представлена на рис.8. Оно содержит три обмотки возбуждения: независимую ОБ, последовательную СО и дополнительную ДОВ. Первая через выпрямитель В и реостат БІ подключается к контактным кольцам генератора Г. Вторая включена в якорную цепь машины, а параллельно им через реостат Е2 подсоединяется обмотка ДОВ. Реостат KI используется для изменения величины напряжения холостого хода. Обмотка СО служит для создания падающей внешней характеристики источника. Особенностью схемы является наличие дополнительной обмотки возбуждения направление магнитного потока которой совпадает с направлением
управлпррлл
АППАРАТУРА
по характеру
воздействия
коноини-ровашюе
на день
ЕОЗбуНДеНИЯ
на силовую цепь
средства
регулирования
реостат
і дооссель
регулятор
КО'.ІОИНИ-
рованнне
по виду обратных
связей
напряжения ї
дуги
тока сватжи
комбинированные
по типу регулирую
іцих элементов
транзисторные
па їлагнитн. Усилителях
тиристор-II не
по способу
регулирования
непрерывное
импульсное
по принципу действия
а
релейное
базовое
ли;,
АИ/.-1
Рис. 7. , Классификация управляющей аппаратуры
+
Рис. 8 , Реостатное регулирование режимов сварки
| лов ! і J*^&
дс
Рис, 9 . Регулятор тока в независимой обмотке
основного [IIJ .
Обзор полупроводниковых регуляторов, применяемых для вариации тока в обмотке возбуждения электромашинных источников питания дуги, позволяет выделить основные классификационные признаки. К их числу относятся способ регулирования, принцип действия, вид обратных связей и элементная база / см. рис.7. /.
По способу регулирования различают устройства непрерывного и импульсного типов. К первому из числа приведенных в настоящем обзоре относятся регуляторы, схемы которых представлены на рис.9, 10. Остальные представляют собой регуляторы импульсного типа. Аппараты непрерывного действия отличают от схем импульсного воздействия менее высокие КПД" и выходная мощность, наряду с большей мощностью рассеяния и габаритами.
Применение полупроводниковых регуляторов в цепи возбуждения повышает надежность, позволяет снизить начальную частоту вращения генератора, при которой начинается передача энергии в нагрузку.
Специфическими требованиями к регуляторам являются повышение быстродействия системы и расширение контролируемого диапазона параметров.
Схема установки, изображенная на рис.9, является примером транзисторного регулятора в независимой обмотке возбуждения [l2j Регулятор содержит простейшие измерительный и регулирующий органы. Первый представляет собой делитель напряжения, выполненный на резисторах И и Е2. Регулирующий орган состоит из транзистора VI, база которого подключена к делителю. В коллекторной цепи триода находится обмотка независимого возбуждения ОБ, шунтированная диодом V2. Особенностью схемы является питание обмотки ОБ от третьей щетки. Параллельная обмотка возбуждения ПОВ совместно с обмоткой WI дроссель-стабилизатора ДС подключаются к якорю Я
Рис. 10 . Система регулирования сварочных режимов
Рис. II ,. Схегла с фазовш управлением на одном тиристоре
генератора, в силовую цепь которого введена обмотка w 2 того же дросселя. Последовательная обмотка СО используется для создания внешней падающей характеристики источника.
Б процессе работы величина тока в обмотке ОБ пропорциональна напряжению генератора. При зажигании дуги напряжение на якоре падает, величина тока возбуждения в независимой обмотке уменьшается. Коэффициент пропорциональности между током и напряжением устанавливается потенциометром 52. При максимальном сопротивлении потенциометра ток короткого замыкания минимален.
Параллельная обмотка ПОВ используется для самовозбуждения машины. Дроссель-стабилизатор улучшает динамические свойства генератора.
Применение регуляторов с обратными связями по напряжению или току дуги повышает стабильность сварочных систем при воздействии различных возмущающих факторов.
Схема устройства, изображенного на рис.10., включает источник постоянного тока ИИ, регулятор РНТ с блоком управления БУ и исполнительным органом ИО, а также реостат К, регулируемый дроссель Др и сварочную аппаратуру СА [із] .
Блок БУ осуществляет измерение, сравнение и усиление сигналов обратных связей по энергетическим параметрам дуги. Орган ИО регулятора воздействует на входные цепи источника, поддерживая выходное напряжение на требуемом уровне.
Реостат и дроссель служат для подстройки статических характеристик источника. Первый изменяет крутизну наклона вольтампер-ной характеристики, а второй регулирует скорость нарастания и амплитуду тока короткого замыкания.
Для получения контура обратной связи по току сварки также используют дроссель-стабилизаторы, которые в свою очередь ограничивают пики тока короткого замыкания и увеличивают величину
минимального напряжения источника при переходе к режиму холостого хода.
Дальнейшее усовершенствование сварочных регуляторов связано с применением импульсного способа регулирования, реализуемого, как правило, ключевыми элементами - транзисторами, тиристорами и магнитными усилителями.
Использование регулирующих элементов в ключевом режиме позволяет применять приборы с малыми мощностями рассеивания и габаритами, и в то же время повысить кпд и выходную мощность устройства. Учитывая специфику работы сварочного регулятора, при выборе его элементной базы преимущество перед транзисторами и магнитными усилителями отдается тиристорам. Их отличает значительно большие допустимые номинальные значения напряжений и токов, наряду с несколько меньшими мощностями, потребными для управления.
Примером такого устройства может служить установка, схема которой приведена на рис.11.[i4J. Ток в обмотке возбуждения ОБ регулируется изменением угла зажигания тиристора V6, который включен между обмоткой и источником переменного напряжения И.
Схема управления тиристором выполнена на однопереходном транзисторе V4. Задержка на включение тиристора определяется времязадающей цепочкой, содержащей конденсатор С2 и резисторы КЗ, К4. Регулирование длительности выдержки по времени осуществляется с помощью транзистора V2, который в сочетании с трансформатором тока ТТ и выпрямителем В образует измерительный орган предназначенный для контроля сварочного тока. В режиме холостого хода ток якоря отсутствует, и транзистор закрыт. При этом Еременная задержка на включение тиристора минимальна , и положительная полуволна напряжения источника И практически полностью подается на обмотку возбуждения.
При зажигании дуги во вторичной обмотке трансформатора ТТ появляется напряжение, пропорциональное току сварки. Это напряжение выпрямляется мостовой схеглой В, фильтруется конденсатором CI и поступает в цепь базы транзистора V2, который, открываясь, понижает уровень заряда конденсатора С2. При этом время заряда конденсатора увеличивается, и тиристор переходит в проводящее состояние с соответствующей задержкой. В результате ток в обмотке возбуждения уменьшается, вызывая снижение уровня напряжения на дуге. Таким образом осуществляется регулирование с использованием фазовой модуляции.
Применение в аналогичных устройствах 2хполупериодного тиристорного выпрямителя позволяет существенно повысить эффективность использования источника [іб].
По принципу действия рассмотренные выше регуляторы делятся на устройства релейного и фазового функционирования. По-видимому, нет оснований исключать возможность применения и других видов модуляции /например, широтно- , частотно- и амплитудно-импульсной/. Из приведенных дискретных систем первую отличает наличие зоны нечувствительности, а вторую - относительная сложность устройства при работе в аппаратах постоянного тока. По виду обратных связей регуляторы подразделяются на контролирующие напряжение или ток дуги, а также комбинированные. Недостатком устройств с одним каналом регулирования является, в частности, сужение возможности получения различных форм вольтампер-ной характеристики.
Элементная база, как классификационный признак, определяется типом элементов, используемых непосредственно для регулирования тока возбуждения. К ним можно отнести транзисторы, тиристоры и магнитные усилители.
Предлагаемый в работе вариант решения, использующий включе-
ниє последовательной обмотки возбуждения в якорную цепь в совокупности с применением полупроводникового регулятора напряжения и тока в цепи возбуждения в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к источникам питания сварочной дуги. Наличие у регулятора двух отрицательных обратных связей - по напряжению на выходе стартер-генератора и по току возбуждения - позволяет получить изменяемые внешние характеристики регулируемого электромашинного источника.
Основные преимущества от применения обратной связи по току возбуждения перед обычно используемой связью по току якоря проявляются при проведении сварочных работ, спецификой которых являются частые короткие замыкания якорной цепи с выходами на рабочий режим и последующими разрывами дугового промежутка. Обратная связь по возбуждению позволяет существенно повысить быстродействие системы регулирования в переходных режимах, чем достигается ограничение пиков тока короткого замыкания на уровне их номинальных значений, что в итоге ведет к повышению надежности источника и улучшению качества сварки [l6j .
Заметный вклад в совершенствование систем, содержащих электромеханические преобразователи энергии постоянного тока, в том числе и их разновидность - сварочные генераторы, а также в разработку и развитие методов анализа их статических и динамических свойств в переходных режимах принадлежит таким ученым, как д.т.н. Копылов И.П. [і7] , д.т.н.Каспржак Г.М. [їв] ,д.т.н. Рабинович И.Я. [l9J , д.т.н.Токарев Б. Ф. , к.т.н. Каросас И.И. [20] , к.т.н. Лаужадис А.И. [2l] , к.т.н. Артемьев В.А. [22] и др. Б области формирования и исследования математических моделей электрической дуги - это работы д.т.н. Лескова Г.И. [2з] , д.т.н. Фролова В.В. [24] , д.т.н. Новикова О.Я. [25] , д.т.н. Таева И.С. [2б], Майра 0. [27] . и др.
Исходной базой формирования диссертационной работы послужили монографии по электромеханическим преобразователям энергии с асимметричной магнитной системой д.т.н. Винокурова В.А. [28, 2д\ , в которых дан обстоятельный анализ особенностей динамических свойств стартер-генераторов с несимметричной магнитной цепью и представлен один из возможных путей разработки их математических моделей. Основные недостатки, присущие данному типу электрических машин, заметно проявляются в диапазоне частот вращения, в два раза превышающих рабочий, для разрабатываемого источника питания, и поэтому их негативное влияние в рассматриваемых системах незначительно.
Изучение установившихся режимов работы систем, содержащих сварочные генераторы, ведется давно. В настоящее время в связи с растущими требованиями, предъявляемыми к их динамических свойствам, проводятся углубленные исследования переходных процессов.
Применение современных вычислительных средств, включающих как цифровые, так и аналоговые ЭВМ, значительно расширяет возможности при анализе систем, содержащих сварочные электромеханические преобразователи энергии. Это выражается в более полном и быстром рассмотрении происходящих в системе явлений, а также в возможности исследования переходных процессов при дополнительных внешних возмущениях и большем количестве нелинейных зависимостей.
Исследования систем, оснащенных сварочными преобразователями, содержат характерные особенности и проводятся, как правило , при следующих основных допущениях[ 20] :
с учетом шихтованности магнитопроводов полюсов пренебре-гается действием вихревых токов по продольной и поперечной осям;
вследствие больших маховых масс силового двигателя и сва-
2:
рочного электромеханического преобразователя энергии частота вращения принимается постоянной;
- конструктивные особенности электромеханического преобразователя энергии постоянного тока, например, больше воздушные зазоры под дополнительными полюсами, а также малая роль цепи возбуждения в энергетическом балансе силовой сети позволяет учитывать коэффициенты взаимоиндукции обмоток дополнительных полюсов и возбуждения в отношении якорной односторонними;
Наложение допущений упрощает задачу исследования динамических свойств системы, но точное её решение в общем виде с учетом нелинейных зависимостей затруднено. Исходя из вышеизложенных допущений и с учетом постоянства частоты вращения якоря в переходных режимах математическое описание процессов в сварочном генераторе /рис.12./ упрощается [і7] .Для контуров возбуждения и якоря запишем следующую систему уравнений
-иг --Єрез, +2& Уш, + R*ir + L* gf - ngr - >
. dU м dlr '
тдеиг,щ- значения напряжения на нагрузке и цепи возбуждения; 1т, it - значения токов генератора и контура возбуждения; ef't - мгновенное значение э.д.с. вращения генератора; ІІгв.Мвг- коэффициенты взаимоиндукции цепей якоря и
возбуждения; * Уш, - падение напряжения в щеточном контакте; К*=&>1+йхЧА4 полное активное сопротивление и индуктивность цепи якоря; Ro*('*<>*,КоЛ- активное сопротивление обмоток якоря, последовательной, дополнительных полюсов; Rg,L$ - активное сопротивление и индуктивность цепи воз-
/
и
\s-
Ряс. 12. Схема сваоочпого генстзгтора
буждения; р - оператор дифференцирования по времени.
Установлено, что наиболее информативными показателями сварочных свойств генераторов являются показатели переходных процессов, отображающие возмущение в процессе сварки. Таковыми в режиме неустановившегося короткого замыкания являются минимальное напряжение восстановления генератора, а также пиковые значения и крутизна фронта тока сварочной цепи.
Приведенная модель получила дальнейшее развитие в работе [SO] . Предлагаемый подход при расчете переходных процессов в сварочных генераторах позволяет учитывать насыщение магнитной системы, нелинейные электромагнитные взаимосвязи между обмотками, а также поперечную реакцию якоря.
Вопросы проектирования серийных электрических машин и анализа отдельных режимов работы электромеханических преобразователей энергии предпочтительно проводить с помощью ЦВМ.
ЛВМ, как правило, используются при исследовании переходных и установившихся режимов по уравнениям динамики или схем замещения. Аналоговое моделирование отличает простота и наглядность, удобство проверки правильности набора, а также возможность перестановки и замены требуемых звеньев. Разработанные модели генератора [22J достаточно универсальны, так как позволяют учесть суммарное действие намагничивающих сил по продольной оси и размагничивающее действие поперечной реакции якоря , а также изменение частоты вращения машины. Алгоритм исследования позволяет с высокой точностью изучать статические и динамические свойства генераторов.
Решение системы дифференциальных уравнений для конкретного сварочного электромеханического преобразователя энергии проводят с учетом среднеинтегральных значений его электромагнитных пара-
метров. Величины коэффициентов постоянны и выбираются новыми при смене режима. Это тем более оправдано при исследовании натурного образца электромеханического преобразователя энергии. Метод применим для оценки качества переходных процессов в системе. А при условии малого диапазона изменения электромагнитных параметров и в сварочных электромеханических преобразователях энергии с несимметричными обмотками возбуждения, расположенными на одном полюсе, и при наличии обмотки размагничивающей - точность расчета повышается [22І.
Точность результатов исследования математических моделей с переменными коэффициентами выше, но их структура получается более громоздкой. Поэтому для повышения точности исследований без заметного усложнения модели используют комбинированную аналоговую модель со среднеинтегральными значениями электромагнитных параметров и с учетом кривой намагничивания.
Применимость методик ограничивается представлением процессов, происходящих в плазме дуги, с помощью переменного линейного сопротивления, что соответствует происходящим в системе явлениям лишь в установившемся режиме, не позволяя исследовать её свойства в окрестностях точки устойчивого равновесия.
В настоящее время для управления процессом ручной дуговой сварки плавящимся электродом широко применяют различные системы автоматического регулирования. Они включают источник питания, регулятор режимов, электрическую дугу и подразделяются по технологическим свойствам, видам сварки и типам свариваемого изделия
[зі].
Специфичность требований к сварочным системам выдвигает задачу анализа как статических, так и динамических свойств систем регулирования с целью получения требуемого качества переходных процессов. Большинство сварочных систем автоматического регули-
рования работает на измерении отклонения регулируемой величины от заданной.
Оценка статических и динамических свойств системы ведется на основании обобщенной структуры систем автоматического регулирования. Б первом случае вычисляется статический коэффициент усиления системы для всех реально возможных возмущений, определяется статическая ошибка, во втором - устанавливается с какой скоростью и рассогласованием отрабатываются реальные возмущения. Выбор корректирующего звена происходит по наибольшей постоянной времени системы, а сложность блоков цепи обратной связи зависит от структуры исходной схемы и требований к синтезируемой.
Устойчивость является основной динамической характеристикой систем автоматического регулирования. В зависимости от значений корней характеристического уравнения система может быть устойчива или содержать автоколебания [l9j .
Заданное качество переходных процессов обеспечивается соответствующим выбором параметров сварочной цепи и автоматического регулятора. Применение регуляторов позволяет повысить качество переходных процессов, так как скорость саморегулирования системы источник-дуга с плавящимся электродом всегда меньше, чем при автоматическом регулировании.
Возможности перечисленных подходов расчетом поведения системы лишь режимом малых отклонений ограничивает линеаризация процессов при описании отдельных звеньев системы, а также принятые допущения.
В работе, исходя из специфики поставленной задачи, т.е. расширения функциональных возможностей системы электроснабжения автономного транспортного средства, содержащей электромеханический преобразователь энергии с асимметричной магнитной и электрической цепями, с целью использования ее в качестве источника
питания сварочной дуги, предлагается применить метод анализа, включающий исследования на АВМ комбинированной модели системы с целью выбора структуры полупроводникового регулятора вида и глубины обратных связей системы. С помощью ЦВМ необходимо проанализировать более полную математическую модель для возможно более точного расчета статических и динамических свойств системы в требуемых режимах. Применение упрощенной методики позволит проводить инженерные расчеты-на стадиях модернизации и проектирования -электромагнитных параметров электромеханических преобразователей энергии. Экспериментальные исследования натурного образца позволят определить сварочные свойства исходной системы и оценить удовлетворительность качеств модернизированной, а также установить соответствие предлагаемых математических моделей реальной установке.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы.
Во введении представлен обзор современного состояния вопроса с учетом специфики поставленной задачи. Это позволило конкретизировать требования к источникам питания для ручной дуговой сварки на постоянном токе с последующей их классификацией по ряду определяющих признаков, подробно рассмотреть принципы построения и виды регулирующей аппаратуры с обоснованием их классификации, а также с учетом специфики задачи; проанализировать существующие методы расчета установившихся и переходных режимов в системах, содержащих электромеханические преобразователи энергии постоянного тока, в том числе и сварочные,и предложить решение, включающее исследование математической модели источника на ЭВМ, а также применение упрощенной методики для инженерных расчетов.
Первый раздел диссертации содержит анализ переходных про-
цессов в электромашинном источнике на базе стартер-генератора СГ-10 с учетом асимметрии его электрической и магнитной цепей с целью исследования его статических и динамических свойств, характерных для сварки в переходных режимах, а также обоснованный выбор соответствующих путей и средств улучшения сварочных качеств источника. Здесь же по предложенной методике проведен вероятностный анализ надежности начального и повторного зажигания дуги от электромашинного источника на базе несварочного электромеханического преобразователя энергии постоянного тока, содержащий сравнительно большой объем статистической совокупности случайных величин и учитывающий основные факторы, присущие процессу сварки.
Во второй главе сформирована математическая модель источника, учитывающая присущие стартер-генератору конструктивные особенности, различное насыщение отдельных участков магнитной цепи, нелинейные электромагнитные связи между обмотками, коммутационную и поперечную реакции якоря. Специфика разработки включает применение абстрактной концепции и использование ориентированных графов, что позволило формализовать процесс конструирования модели любой физически сложной цепи электрической машины. Направленный граф дает возможность наглядно представить картину магнитных полей, что особенно важно для генераторов с асимметричной магнитной системой.
Третья глава посвящена разработке и анализу системы регулирования электромашинного источника собственных нужд транспортного средства, которая позволила создать регулируемый электромашинный источник, удовлетворяющий большинству требований, предъявляемых к источнику питания дуги, а также заметно повысить динамические свойства системы электроснабжения при использовании её в сварочном режиме при соответствующем снижении
номенклатуры применяемых устройств. Здесь же представлена аналоговая модель разработанной систеглы автоматического регулирования, содержащая математическое описание комбинированной модели стартер-генератора, схемы полупроводникового регулятора напряжения и тока,модели дуги на базе оператора Майра и выбора с её помощью типа стабилизирующего устройства, вида обратных связей, повышение запаса устойчивости и быстродействия системы в целом.
В четвертой главе на базе сформированной цифровой модели источника показаны её возможности при расчете статических и динамических свойств системы в сварочных режимах, выборе требуемых электромагнитных и механических параметров генератора с целью расширения диапазона эксплуатации: установки. Разработана упрощенная методика определения динамических свойств регулируемого электромашинного источника, которая, благодаря своей обоснованности и точности, может быть рекомендована на стадии проектирования или модернизации источников питания собственных нужд транспортного средства. Приведен сравнительный анализ технических характеристик штатного и опытного'образцов источника.
Основные результаты работы опубликованы в восьми статьях и одном авторском свидетельстве. Материалы диссертации доложены и обсуждены на одной Всесоюзной и двух отраслевых конференциях, а также трех научно-технических семинарах.
Результаты исследований, проведенных при непосредственном участии автора, использованы п/о "Трансмаш" при изготовлении образцов регулируемого источника на базе СГ-10. Материалы о внедрении результатов исследований при проектировании перспективных систем электроснабжения АТС и об использовании методики анализа динамических свойств систем, содержащих СГ с асимметрией, указаны в решении специализированного совета.
5 і
Анализ особенностей рабочего процесса стартер-генератора с асимметрией в генераторном режиме
Дроссель-стабилизатор улучшает динамические свойства генератора. Применение регуляторов с обратными связями по напряжению или току дуги повышает стабильность сварочных систем при воздействии различных возмущающих факторов. Схема устройства, изображенного на рис.10., включает источник постоянного тока ИИ, регулятор РНТ с блоком управления БУ и исполнительным органом ИО, а также реостат К, регулируемый дроссель Др и сварочную аппаратуру СА [із] . Блок БУ осуществляет измерение, сравнение и усиление сигналов обратных связей по энергетическим параметрам дуги. Орган ИО регулятора воздействует на входные цепи источника, поддерживая выходное напряжение на требуемом уровне. Реостат и дроссель служат для подстройки статических характеристик источника. Первый изменяет крутизну наклона вольтампер-ной характеристики, а второй регулирует скорость нарастания и амплитуду тока короткого замыкания. Для получения контура обратной связи по току сварки также используют дроссель-стабилизаторы, которые в свою очередь ограничивают пики тока короткого замыкания и увеличивают величину минимального напряжения источника при переходе к режиму холостого хода. Дальнейшее усовершенствование сварочных регуляторов связано с применением импульсного способа регулирования, реализуемого, как правило, ключевыми элементами - транзисторами, тиристорами и магнитными усилителями. Использование регулирующих элементов в ключевом режиме позволяет применять приборы с малыми мощностями рассеивания и габаритами, и в то же время повысить кпд и выходную мощность устройства. Учитывая специфику работы сварочного регулятора, при выборе его элементной базы преимущество перед транзисторами и магнитными усилителями отдается тиристорам. Их отличает значительно большие допустимые номинальные значения напряжений и токов, наряду с несколько меньшими мощностями, потребными для управления.
Примером такого устройства может служить установка, схема которой приведена на рис.11.[i4J. Ток в обмотке возбуждения ОБ регулируется изменением угла зажигания тиристора V6, который включен между обмоткой и источником переменного напряжения И.
Схема управления тиристором выполнена на однопереходном транзисторе V4. Задержка на включение тиристора определяется времязадающей цепочкой, содержащей конденсатор С2 и резисторы КЗ, К4. Регулирование длительности выдержки по времени осуществляется с помощью транзистора V2, который в сочетании с трансформатором тока ТТ и выпрямителем В образует измерительный орган предназначенный для контроля сварочного тока. В режиме холостого хода ток якоря отсутствует, и транзистор закрыт. При этом Еременная задержка на включение тиристора минимальна , и положительная полуволна напряжения источника И практически полностью подается на обмотку возбуждения.
При зажигании дуги во вторичной обмотке трансформатора ТТ появляется напряжение, пропорциональное току сварки. Это напряжение выпрямляется мостовой схеглой В, фильтруется конденсатором CI и поступает в цепь базы транзистора V2, который, открываясь, понижает уровень заряда конденсатора С2. При этом время заряда конденсатора увеличивается, и тиристор переходит в проводящее состояние с соответствующей задержкой. В результате ток в обмотке возбуждения уменьшается, вызывая снижение уровня напряжения на дуге. Таким образом осуществляется регулирование с использованием фазовой модуляции.
Применение в аналогичных устройствах 2хполупериодного тиристорного выпрямителя позволяет существенно повысить эффективность использования источника [іб].
По принципу действия рассмотренные выше регуляторы делятся на устройства релейного и фазового функционирования. По-видимому, нет оснований исключать возможность применения и других видов модуляции /например, широтно- , частотно- и амплитудно-импульсной/. Из приведенных дискретных систем первую отличает наличие зоны нечувствительности, а вторую - относительная сложность устройства при работе в аппаратах постоянного тока. По виду обратных связей регуляторы подразделяются на контролирующие напряжение или ток дуги, а также комбинированные. Недостатком устройств с одним каналом регулирования является, в частности, сужение возможности получения различных форм вольтампер-ной характеристики.
Элементная база, как классификационный признак, определяется типом элементов, используемых непосредственно для регулирования тока возбуждения. К ним можно отнести транзисторы, тиристоры и магнитные усилители.
Предлагаемый в работе вариант решения, использующий включе ниє последовательной обмотки возбуждения в якорную цепь в совокупности с применением полупроводникового регулятора напряжения и тока в цепи возбуждения в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к источникам питания сварочной дуги. Наличие у регулятора двух отрицательных обратных связей - по напряжению на выходе стартер-генератора и по току возбуждения - позволяет получить изменяемые внешние характеристики регулируемого электромашинного источника.
Основные преимущества от применения обратной связи по току возбуждения перед обычно используемой связью по току якоря проявляются при проведении сварочных работ, спецификой которых являются частые короткие замыкания якорной цепи с выходами на рабочий режим и последующими разрывами дугового промежутка. Обратная связь по возбуждению позволяет существенно повысить быстродействие системы регулирования в переходных режимах, чем достигается ограничение пиков тока короткого замыкания на уровне их номинальных значений, что в итоге ведет к повышению надежности источника и улучшению качества сварки [l6j .
Математическая модель электромеханического преобразователя энергии для расчета динамических свойств источника
Из числа возможных вариантов схемных решений для разработки источника питания сварочной дуги постоянного тока при использовании не специального электромеханического преобразователя энергии, а также с учетом оснащенности системы электроснабжения конкретного класса автономных транспортных средств, целесообразными представляются следующие схемы.
В первом случае питание электрической дуги осуществляется от аккумуляторных батарей, соединенных, с целью получения необходимого уровня напряжения и запаса по мощности, последовательно-параллельно или непосредственно от выходной клеммы "ЯС" генератора; установка оборудуется реостатом R или полупроводниковым ключом К со схемой управления в силовой цепи для вариации величин рабочего тока.
Наряду с таким положительным свойством системы, как возможность непосредственного регулирования сварочного тока, ей присущи и существенные недостатки - наличие регулирующих элементов в цепи с дугой, дискретность выбора рабочих токов, необходимость сравнительно высокой квалификации операторов-сварщиков из-за отсутствия автоматической стабилизации сварочного режима, а также ограниченная энергоемкость источника и усложненность условий зажигания дуги из-за невысокого уровня выходного напряжения.
Регулировка внешних характеристик генераторов, используемых в сварке, производится как в силовой, так и в слаботочных цепях.
На рис. 3.1 представлена существующая схема для проведения сварочных работ на автономных транспортных средствах и семейство её внешних статических характеристик. Крутизна и корректировка внешней характеристики задаются балластным реостатом СБ, включенным в якорную цепь, а требуемое напряжение холостого хода устанавливается с помощью реостата КС в цепи независимой обмотки возбуждения. Перевод системы электроснабжения транспортного средства в режим сварки осуществляется с помощью блока переключений ЕП, а регулировка режимов - с пульта ПС. Достоинствами данного схемного решения являются простота и хорошая эластичность электрической дуги. Вместе с тем устройство обладает серьезными недостатками, такими, например, как низкие КПД и надежность, ступенчатое регулирование и отсутствие автоматической стабилизации выбранного режима работ, необходимость дополнительного источника для питания независимой обмотки возбуждения, а также большие габариты и масса.
Общими недостатками схем с реостатом в цепи возбуждения являются дискретность регулирования, низкая надежность и рост величины минимальной частоты вращения генератора, при которой начинается передача энергии в нагрузку. От указанных недостатков свободны регулирующие устройства, использующие в цепи возбуждения полупроводниковые управляемые элементы -транзисторы и тиристоры.
Полупроводниковый регулятор, включенный в цепь независимой обмотки возбуждения, позволяет формировать требуемые внешние характеристики источника. Для этой цели в нем предусмотрена возможность использования двух отрицательных обратных связей - по напряжению на выходе генератора и по току сварки. Первая служит для ограничения уровня напряжения в режиме холостого хода, а вторая - для стабилизации тока сварки.
Наряду с известными достоинствами схеме присущи и такие недостатки, как сложность конструкции датчика тока в силовой цепи и, в основном, низкие динамические свойства, что сказывается в первую очередь на стабильности горения .дуги, степени разбрызгивания электродного металла и может вызвать кратковременные, но заметные броски тока при замыкании разрядного промежутка. Это приводит к возникновению динамического удара в машине. Применение возбудителя для питания цепи возбуждения удорожает схему, а использование для этих целей штатных аккумуляторных батарей исключается из-за отсутствия схемы подзаряда в режиме сварки.
Предлагаемый вариант решения, использующий включение последовательной обмотки возбуждения Б якорную цепь Б совокупности с применением сварочного комплекта, в большей мере удовлетворяет требованиям, предъявляемым к источникам питания сварочной дуги. Использование одной из обмоток возбуждения в качестве противокомпаундной обеспечивает необходимый наклон падающего участка внешней характеристики генератора.
Выбор структуры источника питания
Уравнения /3.I/-/3.3/ описывают процессы непосредственно в электромеханическом преобразователе. Стартер представляет собой сложную взаимосвязанную систему как энергетических, так и механических", термических и других параметров. В рассматриваемом случае расчеты упрощаются,так как частота вращения якоря машины при сварке постоянна, а температура окружающей среды для всех, элементов одинакова. Данная интерпретация уравнений электрической машины получит обоснование в нижеизложенном.
Зависимости /3.1/,/3.2/ являются уравнениями равновесия токов для цепей возбуждения и якоря, а с помощью полинома /3.3/ производится учет насыщения магнитной системы преобразователя ЭШЭ. Здесь: Мд , UQ - прямой и обратный коэффициенты взаимоиндукции; ег - мгновенное значение э.д.с. вращения; о , /3 , у - постоянные для данного типа машины, а электромагнитные параметры известны или сняты экспериментально.
Полупроводниковый регулятор напряжения и тока представлен согласно функциональной схеме /рис. 3.4/. Выражения /3.4/,/.5/ являются передаточными функциями измерительного органа и звена с внутренней обратной связью, а уравнение /3.6/ описывает импульсы на выходе регулятора возбуждения. Здесь Тио , TQC и TVD - постоянные времени измерительного органа, цепочки обрат-ной связи и усилителя рассогласования; М - постоянная амплитуда выходного импульса; к - коэффициент[ 40 J . , где sat - функция насыщения; k и я - постоянные; Т - интервал времени.
Работа регулятора тока возбуждения основана на принципе широтно-импульсного модулирования. Выходным сигналом является напряжение возбуждения источника. Он представляет собой импульсы прямоугольной формы с постоянной амплитудой и переменной длительностью.
Электрическая сварочная дуга в общем случае является сложным элементом цепи. Её можно описать как четырехполюсник, осуществляющий связь между электрическими и газодинамическими параметрами разряда.
Для разумного упрощения реальных процессов принимаем следующие допущения. Во-первых, исследуем лишь энергетическую устойчивость дуги, считая её стабилизированной в физическом пространстве и, во-вторых, рассматриваем разряд на базе двухполюсника, учитывая газодинамические явления в плазме с помощью коэффициентов.
В результате приходим к одномерному оператору Майра [25] . Он удобен при моделировании, так как не содержит в явном виде время и расположен в плоскости энергетических координат. Для повышения точности исследований в области больших значений токов сварки оператор Майра представим выражением /3.7/.Данный вопрос более подробно рассмотрен в пункте I.I. настоящей работы.
Выбор аналогового моделирования системы перед аналитическим исследованием и анализом на ЦВМ обусловлен его возможностями более простыми и наглядными средствами прийти к решению, что важно при наличии в системе нелинейных элементов/ШИМ/, необходимости изменения части её параметров и других осложняющих расчеты факторов.
Моделирование на АВМ выполнено на основе структурной модели, которая удобна для проверки правильности набора отдельных элементов, при этом сохраняется структура исследуемого объекта, возможен выбор обратных связей, необходимых для получения определенного качества переходных процессов и несложны её упрощения исключением звеньев с малыми параметрами [5l] .
Для выявления причин возникновения устойчивых автоколебаний в системе при переводе её в генераторный режим и нахождения средств, их устраняющих, структурная модель для упрощения формируется без уравнений дуги / рис.3.5. /. Напряжение аккумуляторной батареи и эталонный уровень в измерительном органе регулятора заводятся в схему от посторонних источников. Машинный масштаб времени модели выбран из условий разрешающей способности АВМ.
Динамические свойства стартера в установившихся и переходных режимах определяются, как правило, его электромагнитными параметрами, которые для данной системы имеют следующие значения: цепи возбуждения Ецв = 4,3 Ом, L = 0,7 Гн, к = 0,24, Т = 0,167 с и якоря 1? = 0,02 0м, Ьвд = 0,1 мГн, Кда = 45, Тда = 0,0071 с, а также коэффициентом наведения э.д.с. в обмотке якоря машины к = 1 ... 10, определяемым по характеристике намагничивания машины [52] . Этот коэффициент сделан переменным для возможности имитации изменения частот вращения генератора. И, наконец, для согласования напряжения батареи - U а(5 » подводимого от внешнего источника, введен постоянный коэффициент каб = 0,012./машинный /.
В свою очередь измерительный орган И0 полупроводникового регулятора напряжения и тока на модели реализован с помощью двух измерительных делителей по цепям возбуждения к = 0,25, Тто = 0,0225 с- и якоря к . = 0,25, Т_ = 0,01125 с, логичес-кой схемы МИ, схемой сравнения с эталонным уровнем U 0 и усиления выделенной ошибки регулирования ксс = -32, Тсс=0,03с, Т - = 0,3 о. Особенностью модели регулятора РНТ является то, что его нелинейная частв НЧ, включающая широтно-импульсный модулятор, автономный инвертор и регулятор возбуждения без ущерба для точности представлены стандартными схемами генератора пилообразного напряжения ПК и модулятора М с соответствующими коэффициентами усиления [53] .
Известно, что для получения в системе регулирования требуемых качественных показателей применяются демпфирующие звенья [54] . Поэтому в схему сравнения и усиления выделенной ошибки была введена местная гибкая отрицательная обратная связь, представляющая собой пассивное интегрирующее звено.
Механические и электромагнитные параметры источника
Исходя из требования получения удовлетворительных сварочных свойств системы электроснабжения транспортного средства, предлагаются варианты модернизации, включающие подбор её оптимальных механических и электромагнитных параметров. К ним относятся выбор частот вращения электромеханического преобразователя энергии и чисел витков его обмоток, а также создание внешних устройств, позволяющих варьировать параметры цепей сварки и регулировки режимов.
В соответствии с целью исследования наш анализ предусматривает, прежде всего, выбор оптимальной частоты вращения электромеханического преобразователя энергии.
При необходимости снижения минимальных значений сварочных токов, для расширения диапазона применяемости источника, ниже показаны пути решения этой задачи посредством оптимизации чисел витков размагничивающей обмотки и величин сопротивлений балластного реостата.
Анализ семейства регулировочных характеристик системы электроснабжения транспортного средства /рис.4.8./, полученных экспериментальным путем /сплошные линии/ и с помощью расчета на ЦВМ /пунктир/, показал возможность заметного расширения диапазона эксплуатации регулируемого электромашинного источника / см.рис.4.8,б/ в области больших значений сварочных токов, благодаря наличию повышающего автономного инвертора напряжения в схеме полупроводникового регулятора режимов.
При выборе оптимальных частот вращения предпочтение отда ётся средним значениям. Объясняется это тем, что при приближении к нижней границе частот появляется необходимость увеличивать ток цепи возбуждения для поддержания требуемого режима работ. Среди прочих негативных явлений это ведет к возрастанию значений относительного пика сварочного тока.
В статике указанное вызывает уменьшение крутизны внешней статической характеристики источника, а в переходных процессах - снижение значений напряжений в режиме холостого хода приводит к уменьшению величин напряжения на расходящихся электродах и к соответствующему возрастанию динамических пиков рабочих токов.
Анализ показывает, что рассмотренное в целом ведет к ухудшению динамических свойств источника, так как, с одной стороны, снижается надежность первоначального и повторного зажигания дуги, а, с другой - растет разбрызгивание электродного металла и ухудшается эластичность дугового шнура.
Рост величины верхнего предела частот вращения электромеханического преобразователя энергии ограничен допустимыми значениями в режиме холостого хода при стартерном пуске первичного двигателя.
К позитивным моментам, с точки зрения статических и динамических свойств системы, относится рост крутизны внешней статической характеристики источника, что повышает надежность зажигания дуги в целом, при постоянстве потерь электродного металла.
Основными негативными явлениями следует признать снижение общего к.п.д. и надежности установки из-за более, чем полуторо-кратного превышения получаемой величины напряжения холостого хода над номинальной, т.е. потребной для надежного осуществления процесса образования дугового разряда, а также наличие предельного режима работы механической системы преобразователя. Особенностями электромеханических преобразователей энергии с асимметричной магнитной и электрической системами являются заметная зависимость их статических и динамических свойств от числа витков размагничивающей обмотки. Это видно из рассчитанных на ЦВМ зависимостей, представленных на рис.4.9.
Так в статике вариация чисел витков последовательной обмотки ведет к пропорциональному изменению крутизны внешней статической характеристики источника.
В переходных режимах анализ свойств системы проводился в диапазоне изменения чисел витков последовательной обмотки от пяти до одного. Относительная величина напряжения на разрывающихся контактах /см.рис.4.9. - Ґ,2 иЗ /в начале монотонно уменьшается, благодаря снижению напряжения разрыва, зависящего от относительной величины взаимоиндукции обмоток дополнительных полюсов и возбуждения, а затем стабилизируется, благодаря приближению чисел витков к своему минимально-предельному значению. При этом величина напряжения холостого хода источника питания в процессе исследования сохранялась почти постоянной.
Относительная величина динамического пика тока сварки /см. рис. 4.9.-1,2 и 3/в указанном диапазоне в начале заметно возрастает, а затем уменьшается. Описанный характер зависимостей обусловлен различным убыванием пиковых и установившихся значений рабочего тока системы.
Анализ подтверждает известное положение [20] , что при необходимости нижний предел сварочного тока в преобразователях с асимметричной магнитной системой может быть снижен без ухудшения динамических свойств источника с помощью вариации чисел витков секционированной размагничивающей обмотки.
