Особенности дуги переменного тока

В отличие от дуги постоянного тока дуга переменного тока имеет меняющиеся во времени ток и напряжение: i_g = f() и U_g = f(). При этом дважды за период ток и напряжение дугового разряда проходят через нуль и меняют направление, соответственно меняется и полярность электродов. При этом каждый раз происходит погасание и вновь зажигание электродугового разряда. После угасания дуги в межэлектродном промежутке происходит два процесса: 1) деионизация промежутка (увеличение диэлектрической прочности) и 2) нарастание потенциала на электродах.

Осциллограммы тока и напряжения электрической дуги в цепи с активным и индуктивным сопротивлением показаны на рисунке. В случае цепи с чисто активным сопротивлением (рис. а) ток i_g и напряжение источника U_с совпадают по фазе. Дуга загорается при напряжении U₁ и гаснет при напряжении U₂. Температура в межэлектродном промежутке резко снижается и происходит его деионизация.

Условие зажигания дуги можно выразить соотношением

dE/d  d/d,

где dE/d - скорость нарастания диэлектрической прочности газа межэлектродного промежутка; d/d - скорость нарастания напряженности электрического поля между электродами.

После зажигания дуги происходит снижение напряжения на ней, поскольку имеет место дальнейшее увеличение тока U, следовательно, повышение температуры (падающая вольт - амперная характеристика). После прохождения тока через максимум напряжения на дуге остается практически постоянным и повышается при снижении тока перед погасанием дуги.

Рис. Осциллограммы тока и напряжения дуги в цепи с чисто активным (а) и индуктивным (б) сопротивлением

Дуга может существовать с паузой и без паузы в момент перехода тока через нулевое значение. Продолжительность паузы определяется соотношением процессов нарастания диэлектрической прочности дугового промежутка и напряженности электрического поля между электродами, а также температуры электродов, обеспечивающих эмиссию электронов.

Для облегчения зажигания и непрерывного горения дуги в цепь последовательно с ней включают индуктивность (рис. б). Анализ кривых показывает, что после снижения напряжения источника питания ниже напряжения дуги ее горение поддерживается за счет электромагнитной энергии, накопительной в индуктивности. Изменяя индуктивность, можно получить такой угол , при котором дуга будет гореть непрерывно. Это произойдет при

U_g = _msin  или  = arcsin U_g/_m,

где _m – амплитудное значение напряжения источника питания.

Учитывая, что sin  = , a cos  = (2(U_g/_m), находим

Подставив в последнее выражение U_g = _msin , получим:

U_g/_m  0,54

и cos  = 2U_g/_m  20,54 = 0,85.

Таким образом, если отношение U_g/_m становится равным или меньшим 0,54, а cos  равным или меньшим 0,85, то дуга горит непрерывно.

Если мощность дуги на тугоплавких раскаленных электродах с их высокой тепловой инерцией достаточно велика, она может гореть устойчиво и при более низких значениях индуктивности.

Если дуга горит между разно электродами, имеющими разную температуру и эмиссионные свойства, в токе дуги появляется выпрямительный эффект.

Дуга переменного тока в отличии от дуги постоянного тока имеет динамическую вольт- амперную характеристику. Форма характеристик значительно изменяется от условий горения дуги, в основном от условий ее охлаждения. На рис. даны наиболее характерные формы динамических вольтамперных характеристик дуг и осциллограммы токов и напряжений дуг в течение одного полупериода.

Рис. Формы осциллограмм и динамических характеристик дуг переменного тока

На рис. а показаны характеристика маломощной дуги переменного тока на открытом воздухе, то есть в условиях сильного охлаждения, а также осциллограмма ее тока и напряжения. При каждом прохождении тока через нуль газовый промежуток охлаждается и деионизируется; сопротивление его возрастает, возникновение тока требует повышенного напряжения – возникает пик напряжения (напряжение зажигания). По мере возрастания тока напряжение на дуге снижается и достигает минимума при максимуме тока. Снижение тока вызывает новый подъем напряжения, обычно меньший по амплитуде, чем первый (напряжение потухания дуги).

Чем больше мощность дуги, тем меньше пики зажигания и потухания, тем ближе форма напряжения к трапецеидальной, а ее вольт – амперная характеристика к ломаной линии (рис. б). Такая форма кривых напряжений и тока характерна для дуг сталеплавильных печей, горящих на металл.

Если дуга настолько хорошо теплоизолирована и мощна, что ее проводимость в течение полупериода практически не изменяется, то формы кривых тока и напряжения близки к синусоидальным, а динамическая характеристика дуги представляет собой наклонную прямую (рис. в). Близкой к синусоидальной форма кривых тока и напряжения может быть у менее мощных дуг, если в их цепи имеется значительное активное сопротивление, а также у дуг повышенной частоты, когда состояние газового промежутка не успевает измениться вслед за изменением тока.

При синусоидальной форме напряжения источника дуга может гореть непрерывно: ток плавно и без перерывов переходит через нулевое значение. Но при некоторых условиях могут возникнуть и перерывы тока при прохождении через нуль – прерывистый, и хотя и устойчивый, режим дуги. Наконец, может иметь место прерывистый неустойчивый режим, когда дуга в некоторые периоды вообще не зажигается, и, в конце концов, гаснет.

После перехода напряжения источника через нуль электроды изменяют свою полярность, и новый катод начинает испускать электроны. После этого в дуговом промежутке происходят два процесса: остывание катода, вызывающее уменьшение термоэлектронной эмиссии, и нарастание напряжения на дуговом промежутке, обуславливающее ускорение движения вылетающих из катода электронов. Это приводит к увеличению степени ионизации газа и появлению новых положительных ионов, повышающих при попадании на катод его температуру. Если второй процесс идет быстрее первого, то дуга вновь зажигается, и режим горения устойчив. Если же деионизация дугового промежутка идет быстрее, чем нарастает напряжение, то дуга окончательно погасает.