4.2.2. Реактивні елементи у ланцюзі дуги змінного струму

Надійне горіння дуги змінного струму при зварюванні плавким електродом може бути забезпечене конструктивним рішенням джерела, наприклад фазове зміщення між вихідною напругою та струмом за рахунок індуктивності. Проте, як наведене вище, застосування індуктивності має обмеження як з боку досягнення високих динамічних властивостей джерела, так й технологічних вимог до зварювання (розбризкування і крапле перенесення металу).

На відміну від традиційних джерел у джерелах з реактивними елементами у зварювальному ланцюзі послідовно із індуктивністю передбачене увімкнення ємності, що дозволяє ефективно вплинути на ВАХ – джерела (рис.34). Це дозволяє використати більші значення індуктивності без зміни загального реактивного опору та формувати сімейство крутоспадних, положисто спадних характеристик з чітко вираженою ділянкою, а з стандартної жорсткої характеристики формувати сідло подібну ВАХ – джерела з одночасним підвищенням його динамічних властивостей.

Останнє базується на принципі енергетичної взаємодії між індуктивністю L та ємністю С і компенсацією реактивних складових у зварювальному нелінійному за опорами ланцюзі (активні опорами через їх не значущість можна нехтувати).

Тоді умова горіння дуги для такої схеми становить

(71)

де та С – індуктивність і послідовно з’єднана із нею ємність.

Знак кута фазового зміщення φ позитивний при Х_L ˃ Х_C та від’ємний при Х_L ≤ Х_C. Фазове зміщення буде відсутнім якщо Х_L = Х_C, Х_L , Х_C – відповідно реактивні індуктивний та ємнісний опори.

На стадії усталеного горіння дуги протягом півперіоду струм дуги змінюється за законом ; звідки відповідно (71)

(72)

Рис.34. Схема електрична принципова навантаження зварювального джерела з жорсткою ВАХ на зварювальну дугу через реактивні елементи у зварювальному ланцюзі: е₂ ,е_2р, е_L – е.р.с. відповідно вторинної обмотки, розсіяння вторинної обмотки, індуктивності; R R₂ – активні опори відповідно обмотки дроселя (індуктивності), вторинної обмотки джерела; U_R U₁ U₂ U_С U_д спад напруги відповідно на обмотці дроселя, на вході джерела (напруга живлення), на виході джерела, на ємності та дузі.

Після згасання дуги у між електродному проміжку протікає перед дуговий струм і_П, мірою якого є швидкість зміни . Якщо ємність є достатньо значною, то за час згасання дуги не відбувається повного розрядження конденсатора і тоді в інтервалі часу згасання – поновне збудження дуги напруга на дуговому проміжку буде становити

(73)

Тоді для умов співвідношення реактансів індуктивності та ємності чинне

(74)

У випадку використання типового зварювального ланцюга (ємність відсутня) у момент переходу фази дугового струму через нуль напруга на дуговому проміжку в інтервалі часу згасання та поновного відновлення дуги становить

, (75)

а при t=0 (76)

З (73-76) витікає, що при наявності у зварювальному ланцюзі реактивних елементів за рахунок меншої ємності можна збільшити напругу між електродами у процесі поновного збудження дуги до заданої величини незалежно від знаку кута φ.

Проте слід враховувати, що на процес поновного відновлення дуги впливає швидкість зростання напруги на дуговому проміжку , яка збільшується із зростанням індуктивності та зменшується із збільшенням динамічної індуктивності , пов’язаної із часом насичення магнітопроводу дроселя з певного магніточутливого матеріалу і габаритів.

Оскільки при наявності у зварювальному ланцюзі ємності можна встановити більшу індуктивність, то виникають умови для зростання швидкості дугової напруги та поновлення дугового розряду при переході зварювального струму через фазовий нуль.

Найбільш оптимальним слід вважати використання ємності у зварювальному ланцюзі, коли виконується умова резонансу () (74), а ємність повністю використовується для підтримування та формування дугового розряду (рис.35).

Так у циклі згасання – відновлення дугового розряду фазовий кут φ не є постійним при згасанні (t₁≤ t₀ ) – зменшується, прагнучи до нуля, при поновному збудженні дуги (t₂≥ t₀) сягає свого максимуму, що відповідає амплітудному значенню струму.

Рис. 35. Осцилограми напруги та струму для умов резонансу у зварювальному ланцюгу (довжина дуги не змінна, електрод вугільний): U_L , U ,U_С, U_д – відповідно напруга на індуктивності, джерела, ємності, дуги; І- струм у ланцюгу; t₁, t₂ – відповідно моменти припинення дугового розряду та розряду ємності для поновлення дуги (пунктир).

В умовах резонансу напруга перевищує напругу неробочого ходу в 2…3 рази, що дозволяє зменшити навантаження від джерела на мережу живлення та поліпшити безпеку зварника при роботах в особливих умовах. Пік напруги дуги в момент її поновлення забезпечує стійкість процесу розвитку дугового розряду і горіння дуги, покращуються технологічні показники процесу (зменшується розбризкування металу, коефіцієнт розплавлення зростає у 1,2…1,8 рази).