5.3. Особенности дуги переменного тока

В отличие от дуги постоянного тока дуга переменного тока имеет меняющиеся во времени ток и напряжение: и . 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 происходят два процесса: деионизация промежутка (увеличение его диэлектрической прочности) и нарастание потенциала на электродах.

Осциллограммы тока и напряжения электрической дуги в цепи с активным сопротивлением показаны на рис. 5.4, а. При этом сила тока дуги и напряжение источника питания совпадают по фазе. Как следует из рисунка, дуга загорается при напряжении и гаснет при напряжении . Температура в межэлектродном промежутке резко снижается и происходит его деионизация.

Рис. 5.4. Осциллограммы тока и напряжения дуги в цепи с чисто активным (а) и индуктивным (б) сопротивлением

После изменения полярности электродов напряжение между ними начинает увеличиваться: при напряжении u₁ и при условии, что оно больше, чем необходимое для преодоления диэлектрической прочности остаточной плазмы, вновь возникает электрическая дуга, в которой ток течет в обратном направлении. Условие зажигания дуги можно выразить соотношением

,

где – скорость нарастания диэлектрической прочности газа межэлектродного промежутка; – скорость нарастания напряженности электрического поля между электродами.

Поскольку дуга дважды за период гаснет и загорается, кривая напряжения имеет пики зажигания и угасания. После зажигания дуги происходит снижение напряжения на ней, поскольку имеет место дальнейшее увеличение тока (по синусоиде) и следовательно, повышение температуры (падающая вольт-амперная характеристика). После прохождения тока через максимум напряжение на дуге остается практически постоянным и повышается при снижении тока перед погасанием дуги.

Дуга может существовать с паузой тока 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. 5.4, б).

Анализ кривых показывает, то после снижения напряжения источника питания ниже напряжения дуги ее горение поддерживается за счет электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности. Изменяя индуктивность, можно получить такой угол φ, при котором дуга будет гореть непрерывно. Это произойдет при

= sinφ или φ = arcsin / , (5.10)

где – амплитудное значение напряжения источника питания.

Учитывая, что sinφ= , а cosφ , (5.11)

находим

sinφ .

Подставив (5.10) в (5.11), получим:

0,54 и

сosφ = 0,54=0,85.

Таким образом, если отношение становится равным или меньшим 0,54, а cosφ 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 разнотипными электродами, имеющими разную температуру и эмиссионные свойства, в токе дуги появляется выпрямительный эффект (например, когда дуга горит между угольным и медным водоохлаждаемыми электродами), что вызывает дополнительные потери в источниках питания дуговых установок переменного тока, и влияет на их рабочие характеристики.

Дуга переменного тока в отличие от дуги постоянного тока имеет динамическую вольт-амперную характеристику, которая может быть построена по осциллограммам напряжения и тока (рис.5.5).

Рис. 5.5. Динамическая вольт-амперная характеристика дуги переменного тока

Она представляет собой изменение напряжения дуги в зависимости от силы тока в течение полного периода изменения тока.

Вольт-амперная динамическая характеристика в сильной мере зависит от значения , а также от частоты переменного тока. Если состояние дуги во время изменения силы тока не меняется, то дуга ведет себя как проводник с омическим сопротивлением и ей соответствует безгистерезисная характеристика (рис. 5.5, б).

Гистерезисный характер зависимости (рис. 5.5, а) объясняется термической инерционностью плазмы дуги. Верхняя ветвь петли соответствует началу полупериода, когда происходит рост тока и разогрев плазмы, нижняя - второй половине полупериода, когда уменьшающийся ток проходит в плазме, объем которой соответствует ранее протекавшему максимальному току.