Горение дуги при питании однофазным током

При питании дуги переменным синусоидальным током условия ее горения осложняются периодическими изменениям электрических параметров источника (тока и напряжения). При переходе тока через нулевые значения в горении дуги наступают кратковременные перерывы. Вследствие этого снижаете температура остаточной плазмы в столбе дуги и температура активных пятен на электродах.

Стабильное горение дуги затрудняется также в результате изменения направления движения заряженных частиц при смене полярности.

Для повышения устойчивости горения дуги необходимо сократить время перерывов в ее горении при переходе тока через нулевые значения. Рассмотрим сварочную цепь, в которой последовательно с дугой включено активное R и индуктивное X сопротивление (рис.   18.1).

Рис. 18.1. Схема питания дуги переменным током

А. При наличии в цепи только активного сопротивления (X≈0) сдвиг фазы между током и напряжением равен нулю; (φ= 0). Согласно кривым тока  и напряжения  (рис. 18.2, а) возбуждение дуги в каждом полупериоде будет происходить при достижении источником напряжения, равного напряжению зажигания U3:

U3 = Um sin ωτ3,

где Um — амплитудное значение напряжения источника; ω — угловая частота; τ3 — время, необходимое для зажигания дуги,

ωτу= arcsin (U3/Um),   τ3 = arcsin (U3/Um)/ω

Угасание дуги будет происходить при напряжении на клеммах источника, меньшем, чем требуется для горения дуги:

Uд= Um sin (π — ωτу) = Um sin ωτу,

где τу — время  угасания дуги.

ωτу= arcsin (Uд/Um),   τу = arcsin (Uд/Um)/ω

Общее время перерыва в горении дуги Uд

где ω= 2πƒ (ƒ— частота переменного тока).

Б. При наличии в цепи активного и индуктивного сопротивления между током и напряжением  источника появляется угол сдвига фаз (φ≠0). Согласно кривым тока и напряжения (рис. 18.2, б) повторное мгновенное возбуждение дуги возможно, если при переходе тока через нулевые значения ни пряжение источника будет больше или равно напряжению зажигания:

Uи=Um sin φ≥з

При определенном значении угла сдвига фаз ср горение дуги п течение всего полу пер иода может быть непрерывным (τп = 0). Напряжение дуги можно принять практически постоянным

Um sin (ωτ + φ) = Uд + Ldi/dτ,

Где L — индуктивность цепи.

При смене полярности, в моменты перехода тока через нуль, Напряжение дуги изменяется скачкообразно.

Анализ условий горения дуги показывает, что время перерывов в ее горении может быть снижено различными путями: включением в цепь дуги индуктивного сопротивления, увеличением Напряжения холостого хода и повышением частоты переменного тока. В большинстве источников реализованы первый и второй путь. Источники питания с повышенной частотой переменного тока отличаются сложностью конструкции и широкого распространения не получили.

Наличие индуктивного сопротивления в цепи дуги обязательно для всех источников переменного тока. Для большинства сварочных цепей характерно φ= 53—57° и отношение X/R≥5.

Устойчивость горения дуги повышается с увеличением напряжения холостого хода, так как U0 = Um/√2 . Минимальное значение напряжения может быть рассчитано с достаточной для практики точностью:

U0≥(Uд/√2) √(U3/Uд)2 + π2/4

Рис. 18.2. Кривые тока и напряжения при горении дуги переменного тока (Uи — Напряжение источника; (Uд, iд — напряжение и ток дуги)

Напряжение холостого хода источника во многом зав от напряжения, необходимого для повторного возбуждения дуги U3 или так называемого пика зажигания. Даже небольшие перерывы в горении дуги приводят к резкому возрастанию пика зажигания. Особенно это проявляется в те полупериоды, когда катод располагается на свариваемом изделии. Пиковые значения напряжения возрастают при увеличении длины дуги, снижения сварочного тока, наличии в столбе дуги фторидных соединений и др. В обычных трансформаторах для дуговой сварки принимают U0/Uд = 1,8÷2,5.

С увеличением U0 снижаются технико-экономические показатели источников и возрастает опасность поражения током обслуживающего персонала. Все это обусловливает стремление к максимальному снижению напряжения холостого хода.

Устойчивость горения сварочной дуги может быть особенно высокой при наличии в сварочном контуре индуктивности (ХL)( и емкости (Хс). 

При   XL > Хс   Uи = Um sin (ωτ + φ).   При XL< Xc Uи= Um sin (ωτ + φ).

Чем больше Uc, тем при меньшем значении Uи = Um sin φ дуга возбуждается после перехода iд через нуль.

Наличие в цепи дуги переменного тока наряду с индуктивностью еще и емкости (при их вполне определенных значениях) позволяет существенно снизить необходимое напряжение холостого хода источника.

Различие в теплофизических свойствах электрода и свариваемого изделия приводит к тому, что напряжение, необходимое для горения дуги в одном полупериоде, значительно отличается от напряжения горения в другом полупериоде. Нарушается симметрия полупериодов относительно нулевого значения. Это обусловливает появление в цепи дуги постоянной составляющей тока (рис. 18.3). Большая ее величина образуете при сварке алюминия и его сплавов вольфрамовым электродом. В полупериодах, когда катодное пятно располагается на вольфрамовом электроде (прямая полярность), благодаря мощной термоэлектронной эмиссии катода создаются благоприятны условия для возбуждения и горения дуги при низком напряжении. В полупериодах, когда катодное пятно находится на свариваемом изделии из алюминия (обратная полярность), термоэлектронная эмиссия затруднена (холодный катод).

 

Рис. 18.3. Образование постоянной составляющей при горении дуги между вольфрамовым электродом и изделием из алюминия (Iд — постоянная составляющая тока)

Для возбуждения дуги Требуются высокие пиковые значения напряжения, и горение дуги происходит при более высоком напряжении, чем в предыдущих полупериодах. При сварке на небольших токах возбуждение дуги в полупериоды обратной полярности вообще может не произойти. В этом случае дуга становится выпрямительным вентилем. Стабильность ее горения резко ухудшается.

При наличии постоянной составляющей Iд увеличивается сопротивление магнитопровода трансформатора. В результате этого понижается мощность, отдаваемая дуге, и коэффициент мощности источника.

При уменьшении тока в полупериоды обратной полярности млтрудняется катодная очистка свариваемых кромок и поверхности ванны от оксидных пленок. Это приводит к ухудшению формирования шва и снижению его свойств.

Источники питания дуги переменным током для сварки алюминия, его сплавов и некоторых других металлов вольфрамовым электродом должны иметь устройства, облегчающие возбуждение дуги в полупериоды обратной Клярности, и устройства для частичного или полного подавления постоянной Составляющей.

Основное назначение стабилизаторов дуги или импульсных возбудителей Включается в подаче на дугу стабилизирующих импульсов при прохождении тока через нуль. Подача импульсов обычно необходима только в полупериоды обратной полярности. Благодаря этому не только повышается стабильность горения дуги, но и сохраняются высокие значения тока, необходимые для катодной очистки свариваемых кромок и поверхности ванны.

На электрической схеме стабилизатора дуги (рис. 18.4) конденсатор С через выпрямитель В заряжается от повышающего трансформатора Т небольшой мощности. В моменты перехода тока через нуль в полупериоды обратной полярности включается коммутирующий элемент КЭ и конденсатор разряжается на дугу. Подбором значений С и R можно получать импульсы требуемой формы и продолжительности. Стабилизаторы дуги, применяемые в источниках, подают импульс напряжения 250-300 В.

Стабилизаторы дуги можно применять и в обычных источниках переменного тки. При этом целесообразна подача синхронизированных импульсов в оба полупериода при изменении полярности. Применение устройств, стабилизирующих дугу, позволяет снизить на 25—40 % напряжение холостого хода источника. Однако в трансформаторах для дуговой сварки общего назначения подобного устройства пока не применяют, по-видимому, из-за неизбежного их усложнении Стабилизаторы подключают к дуге параллельно основному источнику.

В источниках для дуговой сварки применяют несколько способов полного или частичного подавления постоянной составляющей тока (включением в цепь дуги батареи конденсаторов, полупроводникового выпрямителя и других устройств).

Рис. 18.4. Принципиальная электрическая схема стабилизатора дуги



 
 
Добавить предприятие
 


 
 
 
 
 
 
 
Тел.: (8552) 39-71-29
промышленные предприятия Условия использования материалов сайта Политика конфиденциальности
 
Создание сайта Вебцентр