5.4. 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 соответствии с условиями горения и может увеличиваться до тех пор, пока вольтамперная характеристика дуги и внешняя характеристика источников питания не пересекутся, т.е. ток будет стремиться к бесконечности.

Для ограничения силы тока дуги в цепь последовательно с дугой включают сопротивление (рис. 5.6). В этом случае уравнение напряжения источника конечной мощности имеет вид:

,

где – напряжение на дуге, В; – ток дуги, А; – сопротивление, Ом; – индуктивность, Гн.

Рис. 5.6. Вольт – амперная характеристика системы дуга – балластное сопротивление

Рис.5.7. Вольт – амперная характеристика дуги и источника питания

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

Правее точки А, например в точке , между вольт-амперной характеристикой дуги и внешней характеристикой питающей сети, существует подпитывающая ЭДС, которая способствует увеличению тока дуги. В точке В ЭДС равна нулю, поскольку напряжения источника и дуги одинаковы. Правее точки В в точке 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 стремится увеличивать ток до предельного значения .

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

На рис. 5.7 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 запишем в виде

,

где – сопротивление балластного сопротивления, Ом.

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

Рис. 5.8. Вольт – амперная характеристика дуги:

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

Мощность электрической дуги можно регулировать несколькими способами:

1. Изменением напряжения питающей сети при постоянном балластном сопротивлении (рис.5.8, а). Регулировка происходит за счет изменения токов I₁, I₂ и I₃ и соответственно напряжений U₁, U₂ и U₃.

2. Изменением балластного сопротивления при неизменном напряжении источника питания (рис. 5.8, б). Для осуществления этого способа регулирования необходимо иметь сопротивление с переключением ступеней.

3. Воздействием на дугу различными факторами, в результате чего изменяются условия ее горения при постоянных напряжениях источника и сопротивления в цепи: 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 производить 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.

Способы зажигания дуги. В промышленных установках применяются следующие способы возбуждения дугового разрядам импульсное касание электродов, взрыв проводника малого сечения – проволочки; высокочастотный высоковольтный пробой дугового промежутка.

Зажигание дуги импульсным пробоем дугового промежутка, находящегося под напряжением источника питания дуги, производится с помощью осциллятора. Осциллятор – то преобразователь тока промышленной частоты низкого напряжения (60-220 В) в ток высокой частоты (150-500 кГц) высокого напряжения 2000-8000 В.