Устойчивость и регулирование параметров электрической дуги

Для обеспечения длительного устойчивого горения электрической дуги необходимо согласовать ее характеристику с характеристикой источника питания. Если дуга питается от источника бесконечной мощности, ток дуги устанавливается в соответствие с условиями горения и может увеличиваться до тех пор, пока вольтамперная характеристика дуги и внешняя характеристика источника питания не пересекутся, то есть ток будет стремиться к бесконечности.

Для ограничения силы тока дуги в цепь последовательно с дугой включают сопротивление (см. рис.). В этом случае уравнение напряжения источника конечной мощности имеет вид

_ист = _g + I_gR + L ,

где _g – напряжение на дуге, В; I_g – ток дуги, А; R – сопротивление, Ом; L – индуктивность, Гн.

Прямая линия (_ист - I_gR) пересекает вольт – амперную характеристику в точках А и В. Этим точкам соответствуют точки I_А и I_В. Рассматриваемую Характеристику можно разбить на 3 зоны. Зона левее точки А – зона устойчивого гашения дуги; между точками А и В – зона горения дуги и правее точки В – зона ограничения тока. Дуга может гореть устойчиво лишь при токе I_В, точка А соответствует неустойчивому горению дуги; I_к – точка короткого замыкания цепи.

При пробое межэлектродного промежутка и загорании дуги по цепи проходит электрический ток. Правее точки А, например в точке В, между вольт – амперной характеристикой питающей сети существует подпитывающая ЭДС, которая способствует увеличению тока дуги. В точке В ЭДС равна 0, поскольку напряжение источника и дуги одинаковы. Правее точки В в точке В горение дуги невозможно, так как напряжение на ее электродах должно быть больше, чем может дать цепь при этом токе. В точке А случайному увеличению тока соответствует положительное значение ЭДС, которая и стремиться увеличить ток до предельного значения I_В.

Рис. Вольт – амперная характеристика дуги – балластное сопротивление – источник питания

Рис. Вольт – амперная характеристика дуги и источника питания

Выделяющаяся в дуге мощность определяется величиной тока и напряжением. Энергия, которая потребляется от источника питания, расходуется на покрытие энергии, выделяющейся в дуге, и энергии, рассеивающейся в балластном сопротивлении цепи дуги.

На рис. показаны вольт – амперная характеристика дуги и внешняя характеристика источника питания с включенным последовательно между ним и дугой балластным сопротивлением.

В точке В баланс энергии источника запишется в виде

_истI_g = _gI_g + I_g²R_б,

где R_б – балластное сопротивление, Ом.

Из рис. видно, что левее точки В это соотношение не выдерживается, поскольку появляется еще одна составляющая Р_р – запас мощности регулирования, которая и обуславливает горение дуги в точке В.

Мощность электрической дуги можно регулировать несколькими способами:

1. Изменением напряжения питающей сети при постоянном балластном напряжении (рис. а). Регулировка происходит за счет изменения токов I₁, I₂, I₃ и соответственно напряжений ₁, ₂, ₃. Для осуществления этого метода напряжение источника питания можно изменять, например, за счет переключения витков трансформатора либо изменяя сопротивление в цепи возбуждения генератора.

2. Изменением балластного сопротивления при неизменном напряжения источника питания (рис. б). Для осуществления этого способа регулирования необходимо иметь сопротивление с переключением ступеней. По сравнению с первым этот метод менее экономичен, поскольку источник вырабатывает постоянную мощность и при уменьшении мощности дуги избыток энергии рассеивается на балластном сопротивлении.

Рис. Вольт – амперная характеристика дуги:

а – при изменении напряжения источника питания; б – при изменении балластного сопротивления

3. Воздействием на дугу различными факторами, в результате чего изменяются условия ее горения при постоянных напряжениях источника и сопротивления в цепи. Среди факторов, воздействующих на дугу, отметим такие, как наложение на дуговой разряд магнитного поля, поток газа, изменение давления среды и самой среды, в которой горит дуга, а также изменение длины дугового столба.

При питании дуги от индивидуальных источников энергии создание падающей характеристики цепи и регулирование мощности дуги необходимо проводить на стороне переменного тока включением дросселей с регулируемым индуктивным сопротивлением или изменяемой индуктивностью трансформаторов, входящих в источник питания. Это позволяет повысить КПД системы источник питания – электрическая дуга и увеличить крутизну характеристики питающей цепи.

Более крутые или вертикальные характеристики источников сварочного тока позволяют точнее поддерживать заданное значение тока дуги независимо от изменения условий горения дуги. С этой целью разработаны специальные источники питания дуги – параметрические источники тока, тиристорные преобразователи.