3.3. Принципиальная устойчивость системы «источник-дуга»

Дуговой разряд называется устойчивым, если он существует непре­рывно в течение длительного времени без обрывов и коротких замыка­ний. Поэтому в качестве непосредственного критерия для оценки устой­чивости можно принять частоту обрывов дуги или количество обрывов при полном расплавлении одного электрода. Устойчивость зависит как от технологических, так и электрических характеристик процесса.

Понятие принципиальной устойчивости поясним на основе анали­за электрических процессов в системе «источник—дуга» в случае малого возмущения по длине дуги l_д = l_д2 – l_д1 (рис. 3.3). Рассмотрим процес­сы при сварке неплавящимся электродом от источника постоянного тока без обратных связей с индуктивностью L в цепи. Это облегчает анализ, поскольку при сварке неплавящимся электродом отсутствуют саморегу­лирование по плавлению электрода и капельный перенос. Будем также пренебрегать динамическими свойствами дуги и источника, что позволя­ет при анализе электрических процессов воспользоваться статическими характеристиками дуги U_д = f (I_д) и источника U_И = f(I_d) (рис. 3.4, а). Система «источник-дуга» равновесна в точках А и В пересечения харак­теристик. Действительно, в этих точках наблюдается равенство токов и напряжений дуги и источника, а следовательно, и равенство энергии, вы­деляемой источником и потребляемой дугой. Следует выяснить, устойчи­во ли это равновесие, например, в точке В.

При резком, но малом удлинении дуги l_д (рис. 3.4, а) также скачком увеличится напряжение дуги в соответствии с уравнением:

а характеристика дуги сместится вверх на U_д в положение U_д2 ⁼ f(I_d). В этот момент состояние дуги отражается точкой В₁, а источника — по-прежнему точкой В, т. е. равновесие в системе нарушилось. Как видно, напряжение дуги U_dB1 для этого случая выше, чем напряжение источника U_иB. Увеличение напряжения дуги вызвано увеличением ее сопротивле­ния R_д, что должно привести к снижению сварочного тока I_д.

Рис. 3.3. Система «источник- дуга» при малом возмущении по длине дуги

Рис. 3.4. К оценке устойчивости при малом возму­щении по длине дуги: а — l_д > 0; б — l_д < 0

Пренебрегая динамическими свойствами дуги и источника, можно считать, что точка, соответствующая параметрам дуги, станет переме­щаться из положения B₁в В₂, а точка, соответствующая параметрам ис­точника, — из В в В₂ (показано стрелками). В результате система в целом приходит в новое равновесное состояние в положении В₂. Очевидно, что малое удлинение дуги l_д > 0 привело лишь к малым отклонениям напря­жения U_д и тока I_д, не нарушив характера дугового разряда. Можно доказать, что укорочение дуги l_д < 0 система отработает так же успешно (рис. 3.4, б). Все это позволяет считать, что система в точке В устойчива.

Подобным образом проанализируем процессы в точке А. После воз­мущения по длине дуги l_д > 0 (рис. 3.4, а) состояние дуги будет отра­жаться точкой A₁, а источника — по-прежнему точкой А. Поскольку и в этом случае U_dА1> U_иА, то ток будет снижаться, и параметры дуги будут изменяться по ее характеристике от точки A₁ влево, а параметры источ­ника — по его характеристике от точки А влево. Но поскольку слева от точки А характеристики не пересекаются, то снижение тока будет прохо­дить до нуля, т. е. до обрыва дуги. С другой стороны, малое укорочение дуги l_д < 0 (рис. 3.4, б) привело бы систему из точки А к длительному непрерывному движению с увеличением тока вплоть до прихода в равно­весие в точке В₂. Следовательно, система в точке А неустойчива.

Сформулируем понятие принципиальной устойчивости энергетиче­ской системы «источник питания - дуга».

Система «источник—дуга» принципиально устойчива, если в резуль­тате отработки малых возмущений она приходит в установившееся со­стояние, характеризующееся равенством подаваемой и потребляемой энергии и малыми отклонениями тока и напряжения от исходного со­стояния.

С помощью рис. 3.4 попытаемся выяснить причину наличия устой­чивости системы в точке В и отсутствия устойчивости в точке А. Очевидно, она заключается в том, что движение системы при отработке возмущения вблизи точки В всегда приводит ее в новое равновесное состояние В₂, а вблизи точки А не приводит. А это в свою очередь объясняется тем, что в отличие от точки А наклон характеристики источника в точке В круче, чем у дуги. Как известно, наклон характеристик источника и дуги приня­то оценивать величиной дифференциальных сопротивлений _и = dU_И/dI_д и _д = dU_д/dI_д.

Нетрудно доказать, что устойчивость дуги обеспечивается только при выполнении не­равенства _д > _и. Поэтому в качестве косвенного критерия принципи­альной устойчивости системы принята разность дифференциальных со­противлений дуги и источника, и условие устойчивости имеет вид

k_у= _д – _и > 0,

где k_y — коэффициент (критерий) устойчивости.

Для повышения запаса устойчивости системы, т. е. для увеличения k_y, следует увеличивать дифференциальное сопротивление дуги _д и уменьшать дифференциальное сопротивление источника _и.

Система «источник—дуга» устойчива при малых возмущениях, если разность дифференциальных сопротивлений дуги и источника в точке пересечения их характеристик положительна.

Пример оценки принципиальной устойчивости приведен на рис. 3.5. Покажем, какие внешние характеристики должны иметь ис­точники для того, чтобы обеспечить принципиальную устойчивость при питании дуг с различным наклоном характеристик. При использовании дуги на падающем участке ее характеристики в точке В, где дифференци­альное сопротивление дуги отрицательно (_д < 0), характеристика источника 1 должна быть еще более крутопадающей (_и << 0) для получения положительного значения коэффициента устойчивости k_y.

Рис. 3.5. К выбору характеристики ис­точника в зависимости от характеристики дуги

При использовании дуги на жестком участке ее характеристики (_д  0) в точке С характеристика источника может быть и крутой 2, и пологой 3, но непременно падающей (_и < 0).

Если дуга имеет возрастающую характеристику в точке D (_д > 0), то для обеспечения устойчивости источник может иметь падающую 4 (_и < 0), жесткую 5 (_и = 0) и даже пологовозрастающую 6 (_и > 0) ха­рактеристику, если _д > _и. Наибольшим запасом устойчивости в точке D обладает, естественно, система с источником, имеющим характеристику 4, поскольку при этом k_y максимальный.