4 Статическая устойчивость энергетической системы дуга-источник питания

Энергетическая система находится в равновесии при условии равенства подводимой и потребляемой энергии.

Для сварочной цепи условием равновесия является выполнение равенств

U_ИП = U_Д = U_Р (4.1)

I_ИП = I_Д= I_Р

Условие равновесия может выполнятся в двух точках пересечения ВАХ дуги и источника питания а и b (рис.4.1).

Рисунок 4.1 – ВАХ дуги и источника питания

В этих точках для обеспечения горения дуги необходимо то напряжение, которое при данной силе тока дает источник питания.

Энергетическая система не может иметь двух точек устойчивого равновесия, следовательно одна из точек пересечения характеристик является точкой неустойчивого равновесия.

Состояние сварочной дуги будет устойчивым, если при случайном отклонении от установившегося состояния равновесие будет восстанавливаться.

Предположим в начальный момент t = 0 произошло отклонение тока на величину I₀. При этом в энергетической системе возникает переходной процесс, в течение которого изменяются ток и напряжение дуги и источника питания

(4.2)

Сварочная цепь всегда обладает некоторой индуктивностью L и при изменении тока в ней индуктируется ЭДС самоиндукции

(4.3)

Поэтому в переходном режиме справедливо соотношение

. (4.4)

С учетом (4.2) получим

;

(4.5)

При малых отклонениях вольт-амперные характеристики дуги и источника питания можно принять линейными. Тогда отклонения напряжений дуги и источника питания можно выразить через изменения тока следующим образом:

; (4.6)

(4.7)

Подставляя (4.6) и (4.7) в (4.5) получим уравнение переходного процесса

. (4.8)

(4.9)

где К_У – коэффициент устойчивости энергетической системы.

; (4.10)

(4.11)

Интегрируя уравнение (4.11) получаем

(4.12)

.

С учетом начального условия I(0) = I₀, получаем С = I₀, и уравнение переходного процесса имеет вид:

(4.13)

Состояние равновесия будет устойчивым, еслди возникшее отклонение с течением времени стремится к нулю

(4.14)

Условие (4.14) выполняется при

.

Так как L всегда больше нуля, то условие статической устойчивости энергетической системы дуга-источник питания

(4.15)

То есть внешняя характеристика источника питания должна быть более круто падающей (или менее возрастающей) чем ВАХ дуги в точке равновесия энергетической системы.

На рис. 4.1 это условие выполняется только в точке а.

Проведем также качественный анализ устойчивости энергетической системы в точках равновесия а и b.

Предположим, что режим сварки соответствует точке а (I_Д = I_ДУ). Если под действием внешних факторов ток увеличивается и принимает значение I_Д2, то напряжение источника питания будет меньше требуемого для горения дуги при данном токе.

U_ИП < U_Д

В соответствии с равенством (4.4) при этом должно быть Е>0, то есть требуемое напряжение дуги поддерживается за счет энергии накопленной в индуктивности. В соответствии с равенством (4.3) Е>0 при <0 (так как L всегда положительна). Следовательно сила тока начнет уменьшатся пока не достигнет точки равновесия а.

При уменьшении силы тока до значения I_Д1 напряжение источника питания будет больше напряжения дуги U_ИП>U_Д, а значит E<0 и . Сварочный ток будет увеличиваться пока не достигнет точки а. Следовательно точка а определяет устойчивое состояние энергетической системы источник питания-сварочная дуга.

В точке b при случайном увеличении тока получим U_ИП>U_Д, E<0, >0 и ток будет продолжать увеличиваться до значения, определяемого точкой а. При отклонении тока от точки b в сторону уменьшения получим U_ИП <U_Д, E>0, <0 и ток будет продолжать уменьшатся до обрыва дуги. Таким образом, в точке b режим горения дуги неустойчив.

Сравнивая вольт-амперные характеристики дуги и источника питания в точках а и b можно сделать вывод. Статическая устойчивость энергетической системы обеспечивается если ВАХ источника питания будет более круто падающей (или менее возрастающей) чем ВАХ дуги, то есть при выполнении условия (4.15)

При сварке неплавящимся электродом и при РДС R_ДИФ.Д 0 и условие устойчивости обеспечивается при падающей внешней характеристике источника питания.

При механизированной сварке R_ДИФ.Д 0 и устойчивость может быть обеспечена при падающей, пологопадающей, жесткой и даже возрастающей характеристике источника питания (но при условии > ) .