автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Многофункциональный источник питания для собственных нужд автономного транспортного средства на базе стартер-генератора с асимметричной магнитной и электрической системами

Введение Ц

1. Анализ системы источник питания и электрическая дуга

1.1. Особенности сварочного процесса и конкретизация требований к разрабатываемому источнику питания дуги зч

1.2. Анализ особенностей рабочего процесса стартер-генератора с асимметрией в генераторном режиме

1.3. Исследование возможности использования стартер-генератора в сварочном режиме

1.4. Вероятность устойчивого зажигания электрической дуги при ручной дуговой сварке плавящимся электродом на постоянном токе &&

1.5. Выводы по главе I Гу

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

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 мз

2.6. Выводы по главе 2 ^

3. Разработка источника питания сварочной дуги и ксследо-вание динамических свойств замкнутой системы регулирования 40$

3.1. Выбор структуры источника питания

3.2. Полупроводниковый регулятор напряжения и тока ^

3.3. Анализ устойчивости и качества динамических свойств системы с разработанным регулятором 42

3.4. Выводы по главе

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

Перспективные задачи по совершенствованию работы железнодорожного транспорта, особенно в области укрепления его ремонтной и строительной базы, также и в сложных условиях БАМ, ставятся нашей партией в разделе "Развитие транспорта и связи"принятых на ШТ 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 ним относятся, соответственно, мощные дизель-электрические тракторы ДЭТ - 250 и их модификации, рассчитанные для работы в особо сложных условиях прокладки БАМ [1] , передвижные зарядные электростанции ЭСБ-4 [2] , временные электростанции для энергоснабжения путевых машин и инструмента [з] , 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 сварки 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

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 такте 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. [4] . 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 [б] . 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 ОВ получает питание от регулируемого источника постоянного тока И. Обмотки ротора подключены через силовой выпрямитель В к электродам. а

ЦВ 0

30

10 X

4 1 \ \ >

V

ГОО 300 504

1.А

Рис. 2. Источник питания для дуговой сварки: а - схема, б - внешние характеристики

В 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 цепи независимой обмотки вольтамперная характеристика перемещается параллельно самой себе, а с помощью потенциометра Вп - 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 [7] /рис.4./. В них, благодаря действию поперечной реакции якоря, напряжение

X», \У

-Ьо гоа ¿>оо ¿оо 4-ао

-у

I ,Л

- О—!

Рис.3. Генератор с "продольным" комбинированным возбуждением а - схегла, б - внешние характеристики а Л \

1 \\

Оо £оо '/оа

3 Л /

Рис. 4 . Генератор с третьей щеткой а - схегла, б ~ внешние характеристики между третьей и основной щетками мало зависит от коммутации нагрузки. Регулировка режимов осуществляется реостатом Вв в цепи независимой обмотки ОВ, а расширение пределов регулирования -наличием дополнительных выводов от размагничивающей обмотки СО.

Генераторы с "поперечным" возбуждением, впервые предложенные инженером Э.Розенбергом [в] , 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 , которое обусловливает наведение э.д.с. и появление тока в короткозамкнутой цепи. Этот ток создает поперечное магнитное поле , 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 [ю^ . 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

Цв

ГОО 2и0 300 МО

11»I'Чет

2,Л

Рис. 5 , Генератор с "поперечным" возбуждением: а - схема, б - внешние характеристики и. о £0

V \ ч ^ ч ч \

ГОО ¿ш ¿00 <'<20

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. 1.1./.

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 симметричной магнитной системой не имеют. Более того, им свойственны " бпады " 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 характеристики 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 КПД , 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 I 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 ДОБ. Первая через выпрямитель В и реостат Б1 подключается к контактным кольцам генератора Г. Вторая включена в якорную цепь машины, а параллельно им через реостат Е2 подсоединяется обмотка ДОБ. Реостат К1 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 упрлвлапллл АППАРАТУРА

Рис. 7. , Классификация управляющей аппаратуры

Рис. 8 . Реостатное регулирование режимов сварки 1

ЛОВ I 1 г^г-л и я

Рис, 9 . Регулятор тока в независимой обмотке основного [п] .

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 КЦ1Г'- 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 [12]. Регулятор содержит простейшие измерительный и регулирующий органы. Первый представляет собой делитель напряжения, выполненный на резисторах И и К2. Регулирующий орган состоит из транзистора VI, база которого подключена к делителю. В коллекторной цепи триода находится обмотка независимого возбуждения 0В, шунтированная диодом 42. Особенностью схемы является питание обмотки 0В от третьей щетки. Параллельная обмотка возбуждения ПОВ совместно с обмоткой V/! дроссель-стабилизатора ДС подключаются к якорю Я

Рис. 10 . Система регулирования сварочных режимов »

Рис. И Схема с разовым управлением на одном тиристоре генератора, в силовую цепь которого введена обмотка \л/ 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 ИП, регулятор РНТ с блоком управления БУ и исполнительным органом И0, а также реостат К, регулируемый дроссель Др и сварочную аппаратуру СА [13] .

Блок БУ осуществляет измерение, сравнение и усиление сигналов обратных связей по энергетическим параметрам дуги. Орган И0 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.[14]. 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 временная 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 схемой В, фильтруется конденсатором С1 и поступает в цепь базы транзистора \/2, 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 тирио торного выпрямителя позволяет существенно повысить эффективность использования источника [15].

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 включение 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 [1б] .

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. [17] , д.т.н.Каспржак Г.М. [18] ,д.т.н. Рабинович И.Я. [19] , д.т.н.Токарев Б. Ф. , к.т.н. Каросас И.И. [20] , к.т.н. Лаужадис А.И. [21] , к.т.н. Артемьев В.А. [22] и др. В области формирования и исследования математических моделей электрической дуги - это работы д.т.н. Лескова Г.И. [23] , 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, 29] , 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 сварочного электромеханического преобразователя энергии частота вращения принимается постоянной;

- конструктивные особенности электромеханического преобразователя энергии постоянного тока, например, большие 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 [l7] .Для контуров возбуждения и якоря запишем следующую систему уравнений

-Ur - -врез +2й Уш, + Rfiir 4 L* - Mgr > dU M dir / 1 / ut*Rgi» + Li - Иге ^ ■ где ur,ui- значения напряжения на нагрузке и цепи возбуждения; ¿о - значения токов генератора и контура возбуждения; ef't - мгновенное значение э.д.с. вращения генератора; Мгв,Пвг- коэффициенты взаимоиндукции цепей якоря и возбуждения; Уш, - падение напряжения в щеточном контакте; полное активное сопротивление и индуктивность цепи якоря;

Rot,К<>Л- активное сопротивление обмоток якоря, последовательной, дополнительных полюсов;

Re,Lß - активное сопротивление и индуктивность цепи воз

-—çô

Up ) Ufß

P;íg« 12. Схема сварочного генергтора 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.

АВМ, 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 [22] »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 параметров. 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 [22].

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 ет].

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 регулирования 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 [19] .

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 проекти-рования-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.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика и алгоритм расчета установившихся и переходных процессов в источнике на базе СГ с асимметричной магнитной и электрической системами в режиме сварки.Предложенная математическая модель пригодна для исследования системы на АВМ при наличии регулятора и с прямоугольной формой импульсов напряжения возбуждения.Модель на ЦВМ учитывает конструкционные особенности СГ и следующие физические явления¡различное насыщение участков магнитной цепи,электромагнитные взаимосвязи в машине, реакцию якоря.Достоверность результатов расчетов на моделях подтверждена с помощью эксперимента /расхождение в динамике на ЦВМ - 9%, на АВМ - 12% /.

2. Применение регулятора позволило повысить динамические свойства системы в сварке за счет снижения пиковых значений рабочих токов и роста минимального уровня напряжения генератора.

3. Разработана методика формализации процесса формирования модели для любой физически сложной цепи машины. Построен ориентированный граф, позволяющий получить картину магнитных полей асимметричной машины.

4. Предложенная методика вероятностного анализа зажигания дуги от несварочного генератора позволяет установить границы надежного зажигания при наличии двух случайных величин: времени касания электродом изделия и полного сопротивления сварочной цепи. Показано, что коэффициент корреляции этих величин близок единице.Методика дает возможность прогнозировать пути повышения надежности анализируемого процесса.

5. Предложены упрощенные зависимости для расчета сварочных свойств системы.В результате появилась возможность экспресс-анализа свойств источника на начальной стадии проектирования и модернизации.

6. Проанализировано влияние изменения механических и электромагнитных параметров машины с асимметричной системой на её динамические свойства в сварке.Показаны пути расширения применимости источника в область малых значений сварочных токов.

7. Предложена оригинальная схема полупроводникового регулятора, позволяющая расширить диапазон сварочных токов, осуществить дистанционное управление и автоматическую стабилизацию режимов сварки с поддержанием положительного зарядного баланса батарей, а также осуществить генераторный режим и снижение частоты вращения СГ, при которых начинается передача энергии в нагрузку.

8. Исследованы причины и условия возникновения колебаний в системе, и разработаны меры по повышению её быстродействия и запаса устойчивости.

9. Использование существующих источников на базе СГ с асимметрией без конструктивной переделки является целесообразным с учетом крупносерийности выпуска и отсутствия на рабочих частотах вращения установки негативных явлений,присущих данному классу СГ.

10. Сравнительный анализ технических характеристик штатного и опытного образцов источника показал расширение функциональной оснащенности последнего, уменьшение потерь мощности в сварочной цепи в диапазоне токов 90-360 А,снижение в 1,5 раза объемных и в 3 раза массовых показателей регулирующей, аппаратуры за счет отказа от использования балластного реостата в сварочной цепи.

11. Результаты исследований, проведенных при непосредственном участии автора,использованы П0"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.

1. Трактор ДЭТ-250 и его модификации•Под ред.А.С.Пмсаревс-кого.Изд.2-е, перераб. и доп. М.,"Машиностроение",1975, 424 стр. с ил.

2. Алексеев А.П., Чекменев Е.Е. Передвижные электростанции. М., Воениздат, 1974, 336 стр. с ил.

3. Виноградов IG.К. и др. Энергетические установки на транспортном строительстве.Изд.3-е, перераб. и доп. М., "Транспорт", 1980, 224 стр. с ил.

4. Панфилов H.A., Диржис С.А.-А. Выбор параметров вентильных сварочных генераторов."Сб.трудов Всесоюзного заочного политехнического ин-та", 1970, вып.66, стр.51-57.

5. Stenley Т. Arc welder and combined auxiliary power unit and method of arc welding. Pat.USA N 3.829.652, cl.H02 k , 17/42, 1974

6. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для вузов. Изд.2-е перераб. и доп., "Энергия", 1974, 840 стр. с ил.

7. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины.

8. В 2-х ч., ч.1 Машины постоянного тока. Трансформаторы. Учебник для вузов. Изд.3-е перераб. и доп. I., "Энергия", 1973, '544 стр. с ил.

9. Петров Г.И. Электрические машины Ч.З.Коллекторные машины постоянного и переменного тока. Изд.2-е перераб. и доп., М., "Энергия", 1968, 224 стр. с ил.

10. Иванов-Смоленекий A.B. Электрические машины. Учебник для вузов. М., "Энергия", 1980, 928 стр. с ил.

11. Ю.Каспржак Г.М. и др. Сварочный генератор. Авторское свид-во СССР .№230.948, "Бюллетень изобретений", 1969, !Ь 35.1..Антонов М.В. и др. Самовозбуждающийся сварочный генератор Авторское свид-во СССР 240 898, Бюллетень изобретений,1969,МЗ

12. Радин C.E. и др. Сварочный генератор смешанного возбуждения. Авторское свид-во СССР № 228 833, Бюллетень изобретений, 1968, № 32.

13. Шеронов Е.А. и др. Многопостовая система для электродуговой сварки. Авторское свид-во СССР № 460 957, Бюллетень изобретений, 1975, №7.

14. Perfectionnements aux dispositifs de reglage automatique pour generatorices electriques de soudage a l'arc et enaloques. Pat. France, n 1.483-855, kl.B23K, 1967.

15. Carrol J.E., Golonka X.A. Electric arc welding supply. Pat. USA, N 3-505-587, cl.H02p, 9/14, I97o.

16. Заломов Б.A., Мелешкин В.H. Генератор постоянного тока. Авторское свид-во СССР № 715 249, Бюллетень изобретений, 1980, № 6.

17. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энергии. М., "Энергия", 1973, 400 стр. с ил.

18. Рабинович И.Я. Оборудование для дуговой электрической сварки. Источники питания дуги. М., Машгиз, 1958, 250 стр. с ил.

19. Исследование динамики генераторов для ручной дуговой сварки и основы выбора их параметров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.техн.наук, Каросас И.И., М., ВЗПЭИ, 1968, 20 стр.

20. Лаужадис А.И. Особенности сварки покрытыми электродамии динамические свойства источника питания. Автоматическая сварка, 1973, В 7, стр.20-23.

21. Исследование переходных процессов генераторов постоянного тока на ЭВМ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук, Артемьев В.А., МЭИ, 1972, 21 стр.

22. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М., "Машиностроение", 1970, 335 стр. с ил.

23. Фролов В.В.Теоретические основы сварки. Учебное пособие для студентов вузов. М., "Высшая школа", 1970, 592 стр. с ил.

24. Новиков О.Я. Устойчивость сварочной дуги. Л., "Энергия", 1978, 160 стр. с ил.

25. Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория. М., "Энергия", 1977, 272 стр. с ил.

26. Кауг 0. Beitrage zur Theorie des statischen und dynamischen Lichtbogeus. "Arch. f.Elektr., Bd. 38, 1943, HI2, 588.

27. Винокуров В.А. и др. Авиационные электрические машины. Под. ред. д.т.н. Винокурова В.А., М., Изд-ео ВВИА, 1972, 601 стр. с ил.

28. Винокуров В.А. Характеристики и пути совершенствования авиационных генераторов в связи с увеличением высоты и скорости полета. М., Изд-во ВВИА, 1963, 188 стр. с ил.

29. Копылов И.П. и др. Оптимизация переходных процессов в сварочных генераторах постоянного тока. "Электричество", 1975, № 3, стр.20-24.

30. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для .дуговой и шлаковой сварки. М., "Машиностроение", 1966, 360 стр. с ил.

31. Amsink R. Verfahren zur Ermittlung der das Ausschaltverhalten bestimmenden Lichtbogenkenngrö en.

32. Slectrotechn. 1977, A98, N 8, с. 5бб-5б7.

33. S3.Агеев И.З. Распределение магнитных потоков и коммутирующее поле в машинах с полным и половинным числом добавочных полюсов. "Электричество", I960, № 3, стр.38-43.

34. Зб.Лаужадис A.M. Влияние статических и динамических свойств источника питания на условия возбуждения дуги при сварке покрытыми электродами. Автоматическая сварка, 1975, № 8, стр.20 -22.

35. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Изд. 4-е, доп. Учеб. пособие для вузов. М., "Высш. школа", 1972, 368 стр. с ил.

36. Разработка методов расчета на ЦВМ и исследование установившихся и переходных режимов машин постоянного тока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. Киселев В.И. М., МЭИ, 1978, 20 стр.

37. Винокуров В.А., Заломов В.А. Математическая модель срартер-генератора с асимметричной магнитной системой. Тр. ин-тов инж. ж.-д. трансп., ШИТ, 1981, вып.704, стр.75-81.

38. ЗЭ.Дезоер Ч.А., Ку Э.С. Основы теории цепей. Пер. с англ. Под ред. В.А.Смирнова. М., Связь, 1977, 286 стр.

39. Филиппов Е. Нелинейная электротехника. Пер. с нем. Под ред. А.Б.Тимофеева. Изд.2-е, перераб. и доп. М., "Энергия", 1976, 496 стр. с ил.

40. Иванов-Смоленекий A.B., Дулышн А.И. Исследование магнитных проводимостей и индуктивностей обмоток электрическихмашин и аппаратов методом моделирования на электропроводной бумаге. "Изв.вузов СССР Электромеханика", 1963, № 10, стр. 21-26.

41. Заломов Б.А. и др. Расчет переходных процессов стартер-генератора. "Электропривод и автоматизация в машиностроении", Межвузовский сборник научных трудов, ВЗМИ, М., 1981, стр. 9296.

42. Заломов В.А., Мелешкин В.Н.Разработка сварочного источника для транспортного средства. Рукопись деп. в ДНИИТЭИ, № 860/78.

43. Справочник сварщика. Под ред.В.В. Степанова. Изд. 3-е. М., "Машиностроение", 1975, 520 стр.

44. Банников С.П. Электрооборудование автомобилей. М., Транспорт, 1970, 288 стр. с ил.

45. Заломов В.А. Разработка и исследование электромашинного источника питания сварочной дуги для путевых машин. ПИИИнформ-тяжмаш, $ 58113, 1981.

46. Журавлев А.Н., Мазель К.Б. Преобразователи постоянного напряжения на транзисторах. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., "Энергия", 1974, 88 стр. с ил.

47. Лабунцов В.А. и др. Автономные тиристорные инверторы. М.-Л., "Энергия", 1967, 123 стр. с ил.

48. Заломов В.А. Импульсный преобразователь постоянного тока на тиристорах. Рукопись деп. в ЦНИИТЭИ, }Ь 1379/81.

49. Архангельский E.A. и др. Моделирование на аналоговых вычислительных машинах. JI., "Энергия", 1972, 208 стр. с ил.

50. Заломов Б.А.Моделирование на АБМ динамических характеристик системы электроснабжения транспортного средства. Тр. ин-тов инж.ж.-д. трансп., МИМТ, 1980, вып.665, стр.155-160.

51. Дунаевский и др. Моделирование элементов электромеханических систем. Изд.2-е, М., "Энергия", 1971, 288 стр. с ил.

52. Бесекерский В.А.,Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. Изд.3-е»исправленное, М., Наука, 1975, 768 стр. с ил.

53. Каросас И.И.Даужадис А.И. Влияние конструктивных особенностей машинных источников питания дуги на производительность труда при сварке. В сб."Пути повышения производительности труда в сварочном производстве" М., МДНТП, 1971, стр.50-58.

54. Заломов В.А. Упрощенная методика расчета динамических свойств системы электроснабжения транспортного средства. Тр. ин-тов инж. ж.-д. трансп., МИИТ, 1983, вып.697, стр.119-123.