§8. Условия непрерывного горения дуги в плазматронах.

Непрерывное горение электрической дуги в плазматроне осуществляется с помощью специального оборудования, называемой плазменной установкой. В зависимости от решаемых технологических или других задач плазменная установка должна обеспечивать получение плазменного потока с заданными параметрами.

В комплект плазменной установки любого назначения входят: 1) плазматрон – основной рабочий инструмент технологического процесса; 2) источник питания плазматрона электрической энергией с системами регулирования режима, контроля и управления установкой; 3) системы подачи газов в плазматрон и различных материалов в рабочую зону; 4) системы охлаждения плазмотрона и источника питания.

Основное требование к плазменным установкам состоит в том, что технологический процесс с применением плазменного оборудования должен иметь явные преимущества по сравнению с существующими технологическими процессами для той же цели.

Плазматрон как основной рабочий инструмент выбирается в зависимости от вида технологического процесса. Непрерывное горение дуги в плазматроне обеспечивается с помощью электрической цепи, содержащей источник тока. В ней электрическая дуга является нагрузкой с переменным напряжением, т.е. потребителем электрической энергии. Источник и электрическая дуга совместно образуют одну систему и устойчивое горение дуги зависит от согласованности параметров источника питания и потребителя, т.е. плазматрона.

Принципиально условия устойчивости горения дуги в плазматроне могут быть сформулированы следующим образом. Допустим, что в результате каких-то причин установившийся режим уже устойчиво горящей дуги нарушен. Обозначим силу тока установившегося режима через I₀, а величину малого изменения тока через ∆I₀. Тогда I= I₀ ± ∆I₀. После изменения величины тока дуги выясним условия, при которых с течением времени ∆I₀ стремится к нулю, т.е. дуга возвращается к начальному состоянию. Такой режим горения дуги в плазматроне называется устойчивым.

Источники питания плазматронов постоянного тока весьма разнообразны по своим параметрам и характеристикам. На ранней стадии развития плазменной техники применяли стандартные источники постоянного тока, например источник питания для электродуговой сварки, отдельные выпрямительные блоки сильноточных агрегатов и др., однако особенности горения дугового разряда в плазматроне потребовали создания специальных источников электрической энергией. В настоящее время такие источники серийно выпускаются промышленностью.

Теоретическое исследование условий устойчивой работы системы, состояний из источника постоянного тока и электрической дуги, показывает, что для обеспечения устойчивого горения дугового разряда в плазматроне источник питания должен иметь падающие вольт-амперные характеристики. Так как в плазматронах с самоустанавливающейся дугой всегда реализуются падающие вольт-амперные характеристики, то наилучшей характеристикой источника тока является круто падающая (штыковая) вольт-амперная характеристика. При этом всегда обеспечивается неизменность режима по току, даже при колебаниях длины дуги в плазматроне.

Рассмотрим работу системы источника питания – электрическая дуга для случая, когда вольт-амперная характеристика источника (U_и=f(I)) падает более круто, чем соответствующая характеристика дуги (U_g=f(I)) .На рис.1 показаны графики таких характеристик.

Рис.1

Равенство U_g и U_и. Из рис.1 видно, что это условие удовлетворяется в точке пересечения характеристик, т.е. в точке А возможно устойчивое горение дуги при токе I_A.В процессе горения дуги возможны значительные флуктуации тока, например обусловленные с механизмом шунтирования.

Они вызывают соответствующие изменения параметров электрической цепи, в том числе и источника питания. Предположим, что сила тока случайно отклонилась от I_A в сторону увеличения, т.е ∆I > 0.Это обуславливает изменения U_g и U_и соответственно на ∆U_g и U_и. Поэтому напряжение источника становится меньше необходимого для горения дуги значения, источник оказывается не в состоянии поддерживать силу тока (I_A+∆I), т.е. большую, чем I_A. В результате сила тока в электрической цепи уменьшается до значения I_A. При уменьшении силы тока менее I_A требуется напряжение для горения дуги (U_A+∆U_g) становится меньше напряжения источника (U_A+∆U_и). В этом случае, как видно из рис.1, ∆U_и>∆U_g. В электрической цепи создается избыток напряжения (∆U_и−∆U_g) и сила тока возрастает до значения I_A, т.е. дуга возвращается к начальному состоянию. Таким образом, устойчивое горение дуги реализуется при значении тока I_A, а состояние, соответствующее точке А, является устойчивым.

В случае применения источника питания дуги электрической энергией с жесткой или слабо падающей вольт-амперной характеристикой, например, когда в качестве источника используется выпрямитель трехфазного переменного напряжения тока, устойчивое горение дуги можно достичь путем использования плазматрона с восходящей вольт-амперной характеристикой. При условии, когда графики характеристик источника тока и дуги пересекаются таким же образом, как это показано на рис.1. Однако создание плазматронов с восходящей характеристикой является сложной технической задачей, до сих пор не решенной в промышленном масштабе, т.е. применяемые в настоящее время электродуговые плазматроны имеют падающие вольт-амперные характеристики. Поэтому устойчивые горение дуги практически обеспечивается путем введения в электрическую цепь плазматрона дополнительного сопротивления, называемого балластным сопротивлением. В качестве такого сопротивления обычно применяются водяные реостаты. По конструкции балластный реостат представляет собой сосуд в виде труба в трубе. Наружная труба с дном является корпусом реостата. Корпус и внутренняя труба электрически изолированы друг от друга. Роль электродов выполняет (катод и анод) и образует разрыв электрической цепи, который заполняется слабым водным раствором солей (например, Na Cl) до определенного уровня. Внутренний электрод может перемещаться в осевом направлении относительного корпуса. При этом изменяется глубина погружения электрода в раствор и это влечет за собой соответствующее изменение активного сопротивления реостата.

Электрическая цепь с балластным реостатом (рис.2) является наиболее простой и универсальной системой питания плазмотронов с падающей вольт-амперной характеристикой. Она позволяет изменять электрические и технологические параметры плазмотронов в широком диапазоне значений путем изменения сопротивления реостата. В простейшем случае такая цепь содержит источник постоянного тока, балластный реостат и плазмотрон с падающей вольт-амперной характеристикой.

Закон Ома для этой цепи (рис.2) записывается в виде:

Рис.2

Где ε, r − электродвижущая сила и внутреннее сопротивление источника; R_g и R_б − сопротивление электрической дуги и реостата.

Закон Ома может быть представлен в более удобном для анализа виде

ε – rI = IR_g+IR_б,

Где (ε – rI) − напряжение на клеммах источника тока U_и ; IR_g − напряжение горения электрической дуги; U_g, IR_б − падения напряжения на балластном реостате U_б .

Типичные зависимости U_и, U_g и U_б от силы тока приведены на рис.3

Рис.3

Приведенные зависимости представляют собой законы Ома для отдельных участков электрической цепи, показанной на рис.2 участок цепи 1−2 это источник тока, где сосредоточены э. д. с. и внутреннее сопротивление источника. Сила тока на этом участке согласно закону Ома определяется уравнением:

Из этого уравнения следует

U_и = ε − rI.

Э.д.с. источника питания не зависит от силы тока, следовательно зависимость U_и = f(I) должна быть линейный выпрямитель трехфазного переменного тока, зависимость U_и = f(I) является в виде следующего уравнения:

U_и = ε – rI².

Таким образом, вольт-амперная характеристика источника тока (рис.3а) имеет нелинейно слабо падающий характер.

На участке 2 − 3 электрической цепи (рис.3в) установлен балластный реостат, который служит для регулирования тока в цепи, а следовательно, и тока дуги в плазматроне.

На участке 3− 4 электрической цепи расположен плазмотрон с падающей вольт-амперной характеристикой.

Плазматрон и балластный реостат соединены последовательно. Они в нем являются потребителями электрической энергии источника питания. Поэтому при работе плазматрона часть напряжения источника тока падает на дуге, а остальная часть напряжения – на балластном цепи будет U=U_g+U_б, и оно должно быть равно приложенному внешнему напряжению источника питания т.е. U_и=U.

На рис.4 построены графики зависимости U_g=f(I) и U_б=f(I). Из рис.4 следует, что условно устойчивости удовлетворяют точки А и В, соответствующие значениям тока дуги I_А и I_В.

Рис.4

Рассмотрим состояние системы, состоящей из источника тока, плазматрона и реостата, соответствующее точке А. В процессе горения дуги возможны флуктуации тока, обусловленные, например, явлением шунтирования. Так, при уменьшении силы тока менее I_А напряжение источника питания U_и становится меньше напряжения U, необходимого для устойчивого горения дуги. Это приводит к дальнейшему снижению тока вплоть до полного прекращения дуги. При случайном увеличении силы тока более I_А, требуемое для горения дуги напряжение убывает, поэтому в электрической цепи создается избыток напряжения. За счет этого избыточного напряжения силы тока продолжает расти до значения Iв, соответствующего точке В. При дальнейшем увеличении тока напряжение U_и для поддержания этого роста станет недостаточным и ток уменьшится до значения I_в . В случае уменьшения тока возникает избыток напряжения и ток восстанавливается до значения I_в таким образом, непрерывное горение дуги реализуется при значении силы тока I_в, а состояние, соответствующее точке А, является неустойчивым.

Недостатком рассмотренный системы питания плазматронов является то, что на балластном реостате теряется значительная (от23 до 42%) часть мощности источника тока, следовательно, снижается к.п.д. плазменной установки, что не всегда приемлемо по экономическим показателям. Поэтому для питания плазматронов конкретного технологического назначения, например плазменная резка, сварка и др., преимущественное применение получили источники постоянного тока с круто падающими вольт-амперными характеристиками. Они представляют собой выпрямители, собранные на тиристорах, с регулируемым углом открывания тиристоров относительно начала синусоиды напряжения. Тиристоры одновременно выполняют функции выпрямления и регулирования силы тока, а при введении обратных связей формируют необходимые вольт-амперные характеристики источника питания.