1.4.4. Динамічна вольт – амперна характеристика (ваХд) - дуги змінного струму

Динамічна ВАХ_д- дуги змінного струму являє залежність між миттєвими значеннями спаду напруги на дузі та дуговим струмом (рис.14).

Рис.14. Динамічна характеристика дуги змінного струму.

Характеристика складається з двох рознесених гілок: зростальна - bc та спадна – cd, які описують динаміку зміні дугового струму. Ступінь рознесення гілок корельовано за величиною струму – при малих струмах спостерігається їх більше роз бігання. Області оа, оd відповідають перед дуговому станові електродного проміжку.

Стійкість горіння дуги при зміні фази напруги джерела сильно залежить від швидкості зміни дугового струму у між електродному проміжку; з її зменшенням стабільність дугового розряду спадає.

2. Джерела живлення дуги. Статичні характеристики джерел

Зварювальне джерело є складовою частиною енергетичної системи джерело – дуга – (дріт) і являє регульований пристрій призначений для перетворення електричної зовнішньої енергії, що споживається цією системою, у електричну енергію дугового розряду різного виду, яка використовується у її тепловому еквіваленті для плавлення електродного та основного металу з метою формування зварного шва із заданими фізико – механічними властивостями.

Для забезпечення таких властивостей джерела живлення зварювальної дуги повинні володіти властивостями, що задовольняють задані умови горіння дуги і відповідають двом групам вимог: а) технологічні; б) техніко – економічні.

технологічні вимоги визначаються статичними і динамічними характеристиками джерела, яке навантажене на нелінійні ділянки зварювального ланцюга (дуга, зварювальна ванна).

Зварювальні джерела перетворюють зовнішню енергію споживання системи джерело –дуга – (електрод) у е.р.с. джерела, яка використовується на забезпечення роботи струму на елементах зварювального ланцюга. Регульована е.р.с. джерела обмежена двома умовами: 1. Неробочий хід джерела (U₂₀), коли струм у зварювальний ланцюг не віддається; 2. У зварювальному ланцюзі протікає струм короткого замикання (і_2кз= і_{д. кз} ), величина та час існування якого обмежені умовами граничного теплового навантаження струмопровідних елементів джерела.

Таким чином статична характеристика джерела являє собою залежність і лежить у тих самих координатах, що й ВАХ – дуги (рис. 15).

Кожна ВАХ – джерела забезпечується певним значенням його регулюючого пристрою, що дозволяє отримати сімейство таких характеристик, підтримуючих фізичні умови існування дугового розряду. Сучасні універсальні джерела дозволяють ініціювати ВАХ – джерела різного типу від наростальної до крутоспадної, а також використовуються зварювальні джерела, які не мають чітко визначеної ВАХ – джерела, їх робота у кожний момент часу існування дугового розряду характеризується динамічним опором джерела, що оптимально узгоджений з динамічним опором дуги.

Рис.15. Статичні вольт – амперні характеристики джерел живлення зварювальної дуги (ВАХ -джерела): 1. Наростальна (із зростанням струму е.р.с. джерела збільшується); 2. Жорстка (із зростанням струму е.р.с. джерела інваріантна до його зміни); 3. Пологоспадна (із зростанням струму е.р.с. джерела плавно спадає); 4, 5. Круто спадна (із зростанням струму е.р.с. джерела різко зменшується).

Таким чином для ВАХ – джерела так само є чинним розуміння диференціального опору і може бути визначена через її геометричний образ tgβ_дж кута утвореного дотичною у даній точці ВАХ – джерела та координатою струму і характеризує нахил ВАХ – джерела

(23)

задавання технологічно необхідного струму зварювання може бути забезпечене або зміною напруги неробочого ходу (U₂₀), яка має двостороннє обмеження: а) надійність запалювання дуги; б) рівень припустимої безпечної напруги (100В – джерела постійного струму, 80В – ручне дугове зварювання змінним струмом, 140В – автоматичне зварювання змінним струмом, 300В – джерела плазмового повітряного різання), або регулювання реактансу джерела Z_дж.

3. Енергетична система зварювальне джерело –дуга

3.1. Умова стійкості системи

Енергетична система джерело – дуга знаходиться у рівноважному стані та лишається незмінною у часі і просторі лише при відповідності енергії, що виробляється джерелом, до енергетичних витрат у зварювальному ланцюзі та енергетичних витрат, достатніх та необхідних, для підтримування дугового розряду з заданими фізичними параметрами, тепловий енергетичний еквівалент якого використовується для розплавлення електродного дроту або присадки і формування зварювальної ванни.

У реальних умовах зварювання зміна довжини дуги, крапле перенесення електродного металу, зміна геометрії торця електроду тощо об’єктивно призводить до енергетичного дисбалансу. Розвиток дисбалансу обмежений двома критичними умовами: 1. Зростання довжини дуги та подальший її обрив; 2. Зменшення довжини дуги та подальше коротке замикання електроду на виріб., який повинен бути компенсований джерелом за природними його характеристиками або примусово за сигналами зворотних зв’язків, або, у певних межах, саморегулюванням власне дугою.

Звідси при компенсації неврівноваженості системи джерелом його напруга та, відповідно, дуговий струм приймають нові значення, які відповідають умові енергетичної стабільності горіння дуги, наприклад при зміні довжини дуги. 2. компенсація неврівноваженості системи джерелом у комплексі з механізмом подавання дроту (механізовані способи зварювання у захисних газах або під шаром флюсу) – при незалежній швидкості подавання дроту проявляється ефект саморегулювання дуги або шляхом забезпечення строгої відповідності швидкості подавання дроту від вихідної напруги джерела. 3. компенсація неврівноваженості системи за рахунок створення зворотних від’ємних зв’язків системи керування вихідної напруги джерела або його реактансу з напругою дуги та струмом у зварювальному ланцюзі, що дозволяє ефективно впливати на форму та нахил ВАХ – джерела і максимально її узгоджувати з ВАХ – дуги при заданому значенні технологічно доцільного зварювального струму.

При компенсації дисбалансу не обов’язково джерело повинне відновити початкові задані енергетичні умови. Якщо новий енергетичний стан дуги задовольняє якісні показники шва, то такі властивості знов збалансованої енергетичної системи є технологічно прийнятними. Таким чином, можна завдати можливу глибину регулювальної енергетичної спроможності як власне джерела, так й додаткових із ним пристроїв.

Вплив ВАХ – дуги і ВАХ – джерела на стійкість енергетичної системи джерело дуга при відносно незначних відхиленнях напруги на дузі можна аналізувати, виходячи зі схеми заміщення (рис. 16) та наступних умов: 1. Використовується джерело постійного струму з е.р.с. Е та внутрішнім опором R₀ і вихідною напругою U; 2. Зварювальний ланцюг володіє активним опором R; 3. У зварювальний ланцюг увімкнена індуктивність L на витках, якої наводиться індуктивна е.р.с. е_L; 4. Дуговий проміжок заміщений нелінійним резистивним опором R_Д зі спадом напруги U_Д; 5. У зварювальному ланцюзі протікає струм і; 6. ВАХ – джерела та ВАХ – дуги спадні і є нелінійними залежностями напруги від струму ().

Рис. 16. Схема заміщення енергетичної системи джерело – дуга (пояснення у тексті).

Для даної схеми заміщення справедливе енергетичне рівняння

(24)

Розбудова графо – аналітичного відображення (рис. 17) вищевикладених умов та (24) демонструє наявність двох точок (А,В) енергетичного балансу системи, в яких струм і відповідає енергетично рівноважному (і = І_рВ та і = І_рА), а вихідна напруга джерела врівноважена спадом напруги на дузі і для даних точок балансу відповідно становить .

Рис. 17. Аналіз умови енергетичного балансу системи джерело – дуга: U₀ , G_Д, l_Д – відповідно напруга неробочого ходу джерела, провідність дугового проміжку, довжина дуги.

Наявність двох точок балансу та вибір найбільш стійкої із них можливий, якщо прийняти до уваги коливання довжини дуги на величину і під умовою стійкості системи розуміти її здатність підтримувати неперервний дуговий розряд.

Умова миттєвого балансу потенціалів та е.р.с. для схеми заміщення (рис.16) становить (25)

Як зазначено вище модульні величини , а ; тоді (25) має вигляд (26)

З (26) витікає, що швидкість зміни струму при коливаннях довжини дуги від початкової l_Д становить (27)

Аналіз (27) свідчить: 1. Швидкість зміни струму прямо пропорційна різниці потенціалів джерела та дуги; 2. Швидкість зміни струму зростає при збільшенні напруги джерела і зменшенні спаду напруги на дузі; 3. Швидкість зміни струму зворотно пропорційна індуктивності L; при її зростанні швидкість зміни струму спадає; 4. Енергетична система знаходиться у рівновазі коли та =0.

Для точки «В» ( рис. 17) умовою енергетичного балансу є рівноважні струм І_рВ та напруга U_рВ = U=U_д, які відповідають умові стійкого горіння дуги довжиною l_д та провідністю G_д.

При зростанні довжини дуги (l_д2≥ l_д) ВАХ – дуги зміститься вверх (рис. 6,17), що еквівалентне погіршенню її провідності (G_д2≤ G_д). Зменшення провідності викликає відповідне зменшення дугового струму (І_дВ2 ≤ І_рВ), якому буде відповідати зростання напруги дугового проміжку (U_дВ2 ≥ U_рВ). Відхилення струму та напруги у такому випадку становлять

(28)

Подальший аналіз (28) базується на наступних умовах: 1. Динамічні властивості джерела не враховуються; 2. Ефект саморегулювання не виявляється; 3. Відрізки ВАХ – джерела, між точкою рівноваги (В) та точками її втрати (тт.. В₁, В₂), можуть бути замінені прямою дотичною у точці рівноваги «В» до ВАХ – джерела і оперувати поняттями диференціального опору джерела та диференціального опору дуги (12,23).

Тоді, наприклад, для точки В₂ відповідні значення напруги джерела і дуги при зміні величини дугового струму на величину будуть становити

(29)

У комплексі (29) невідомим є величина струму відхилення , як реакція на вихід системи джерело – дуга з енергетичної рівноваги. Для визначення закону зміни величини слід скористатися (26) та умовою рівноваги у точці В, коли і зазначити, що швидкість зміни дугового струму буде становити (30)

В умовах енергетичної рівноваги і відповідно (26,29,30), звідки

(31)

Оскільки індуктивність зварювального ланцюга визначається лише його геометрією і не залежить від дугового струму, вираз є узагальненим диференціальним опором власне системи джерело – дуга , то вираз (31) може бути спрощений до вигляду (32)

Розв’язок (32) становить (33)

З умови (33) витікає, що згасання величини відхилення струму виконується, якщо , тобто диференціальний опір системи повинен бути не від’ємним.

тоді, прийнятої для прикладу, точки В₂ енергетичного розбалансу системи джерело – дуга розкриття (32) та (33) має графічне рішення (рис. 18) і становить

, (34)

де .

При ≥ 0 прирощення струму → 0 система джерело – дуга врівноважується у новому енергетично стабільному стані з показниками: (рис.18).

Якщо ≤ 0 досягнення нової енергетичної рівноваги не можливе: тут мають місце два граничні варіанти розвитку процесу дестабілізації – обривання дуги або перехід до режиму короткого замикання (рис. 17, розвиток процесу дестабілізації для точки В₁).

Так, повертаючись до прикладу точки В₂ при t→, прирощена частина струму , що у координатах біжучого часу становить

, (35)

де , а зміна дугового струму у часі поновлення нового енергетичного балансу становить

, = ΔІ_пер (36)

Рис.18. Перехідний процес зміни енергетичного стану системи джерело – дуга.

Оскільки індуктивність та час завжди мають позитивне значення, то забезпечення умови нового енергетичного балансу, коли відхилення струму ΔІ не перевищує обумовленого ΔІ₀, відповідного досягненню нової точки рівноваги, знак диференціального опору системи визначатиме або досягнення енергетичного балансу, або процес зміни струму стане незворотним (в залежності від відхилення можливі як обрив дуги, так й режим короткого замикання).

Сам процес, якщо ≥0, характеризується біжучою величиною відхилення перехідного струму ΔІ_пер при даному значенні відхилення напруги.

З (35,36) та рис.18 витікає, що математичним строгим виразом графічного рішення стабілізації енергетичної системи джерело –дуга на новому рівні буде не від’ємне значення диференціального опору системи, який на практиці трактують як коефіцієнт стійкості системи джерело –дуга при дії на неї зовнішніх чинників без наявності в системі зворотних коректуючи зв’язків

(37)

Швидкість згасання струму розбалансу при переході системи у точку нової енергетичної рівноваги (рис. 18, точка В₂) залежить від абсолютного значення коефіцієнта стійкості та величини струму розбалансу

(38)

У фізичному сенсі розуміння впливу коефіцієнту стійкості за (38) наступне: в умовах енергетичного балансу, коли напруга на дузі відповідає напрузі рівноваги системи , яка в свою чергу забезпечена вихідною е.р.с джерела на рівні , при будь якому відхиленні зварювального струму дуги на величину виникає е.р.с. самоіндукції е_L у індуктивності L (зварювальний ланцюг). Така е.р.с е_L складається з е.р.с. джерела, що призводить до зростання різниці потенціалів у дуговому проміжку. Останнє викликає зростання напруженості електричного поля у між електродному проміжку і струм зросте (повернеться) до значення рівноважного; горіння дуги лишається стійким.

Графічним образом коефіцієнта стійкості є різниця тангенсів кутів, утворених дотичними у досліджуваній точці до осі абсцис (вектор струму)

(39)

Якщо вищевикладене застосувати для аналізу енергетичного балансу системи у точці А (рис.17) то виявляється, що диференціальні опори дуги та джерела від’ємні

(40)

(перевірте за графічним образом побудовою тангенсів кутів між дотичними для відповідних ВАХ та віссю струму). Для розглянутої точки умова стійкості від’ємна і система джерело – дуга знаходиться у квазістабільному положенні: при зростанні струму останній буде збільшуватися до тих пір, доки не прийме значення стійкого балансу, при якому потенціали джерела та дуги не зрівняються. Якщо струм зменшиться від точки квазібалансу на величину , то процес його збігання буде протікати до тих пір, доки напруженості електричного поля дуги (обумовленої, з рештою рівних умов, величиною е.р.с. джерела) буде недостатньо для існування дугового розряду (обрив дуги).

Розглянуті процеси переходу системи джерело – дуга у новий врівноважений енергетичний стан розповсюджуються на будь яку ділянку перетину ВАХ – джерела та відповідно ВАХ – дуги (рис. 19).

Рис. 19. Точки енергетичної стабільності системи джерело –дуга, у яких виконується умова ≥ 0: 1…6 – різні види ВАХ – джерела, які забезпечують умову не від’ємності диференціального опору системи.