Особенности дуги на переменном токе кратко

Обновлено: 05.07.2024

По сравнению с дугой постоянного тока дуга переменного тока имеет следующие главные особенности.

Каждый полупериод, т. е. 0,01 с при f= 50 Гц, электрический ток в дуге меняет свое направление, а напряжение — полярность. Катод и анод меняются местами, и каждый полупериод дуга возбуждается вновь. Кривые тока и напряжения дуги несинусоидальны.

Повторное возбуждение дуги облегчается остаточной термоэлектронной эмиссией электродов или остаточной ионизацией дугового промежутка. Если ионизация недостаточна, то в каждом полупериоде существует пик зажигания

Фазу ■vp, при которой возбуждается дуга, можно найти из соотношения

Поскольку амплитуда напряжения источников питания Um ограничена соображениями безопасности, уменьшать ф можно только путем снижения пика зажигания U3.

Дуга переменного тока может гореть не весь полупериод, а только часть его. Время перерыва в горении дуги обычно тем больше, чем меньше время существования остаточной термоэмиссии с электродов, чем быстрее происходит распад плазмы столба, чем длиннее дуга и хуже динамические свойства источника питания.

В связи с разными условиями существования дуги на электродах (различие в работах выхода

2) катодное падение напряжения Uзначительно больше, чем и™-,

Рис. 2 46 Асимметрия токов и напряжений в дуге W — А1 (вентильный эффект)

а — схематизированная осциллограмма, б — схема питания электродов при смене полярности

3) теплоотвод в массивное алюминиевое изделие больше, чем в W-стержень.

Вентильный эффект обычно ухудшает стабильность процесса, формирование шва, чистоту поверхности, прочностные свойства соединения. Кроме того, постоянная составляющая вредно сказывается на работе сварочных трансформаторов и уменьшает катодное распыление на алюминиевом изделии. Для уменьшения постоянной составляющей включают конденсаторы, аккумуляторы или другие устройства, компенсирующие вентильный эффект.

При питании дуги переменным током полярность электрода и изделия, а также физические условия существования дуги периодически меняются 100 раз в секунду. Так как дуга является нелинейным элементом цепи, сопротивление которого зависит от величины тока, то кривые тока, и особенно напряжения, будут искажены и отличны от обычных синусоид (рис. 38).

При переходе тока через нуль в начале и конце каждого пОлупе- риода дуга гаснет и температура дугового промежутка снижается. Вследствие этого происходит деионизация дугового промежутка и уменьшение его электропроводности. Повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода может произойти только при повышенном напряжении.

Обрыв дуги переменного тока происходит при меньшей длине, чем при постоянном токе. Таким образом, дуга переменного тока менее стабильна, для работы она требует повышенного напряжения, а также сварщика высокой квалификации. Для легкого зажигания дуги переменного тока и более стабильного горения в сварочную цепь включают параллельно источнику питания осциллятор, который дает высокое напряжение и большую частоту тока. Наличие в дуге паров некоторых стабилизирующих элементов (мел, поташ, калиевая селитра и др.) с низким потенциалом ионизации улучшает условия зажигания дуги переменного тока и повышает устойчивость ее горения.Основные преимущества дуги переменного тока следующие: относительная простота и меньшая стоимость оборудования, отсутствие магнитного дутья и наличие катодного распыления оксидной пленки при аргонодуговой сварке алюминия.

Среда, в которой горит дуга, существенно влияет на ее характеристики. Для поддержания одной и той же длины дуги между вольфрамовым электродом и деталью при прочих равных условиях в случае замены аргона, например гелием, необходимо значительно повысить напряжение дуги. При сварке плавящимся электродом для поддержания одной и той же скорости подачи электродной проволоки и длины дуги при прочих равных условиях в случае замены аргона углекислым газом также необходимо значительно увеличить напряжение дуги.

.Воздействие защитных газов на дугу зависит от теплообмена между столбом дуги и газом, а интенсивность этого теплообмена — от физических свойств газа. Чем больше величина теплоемкости, теплопроводности и степень диссоциации газа, тем большее количество тепла он забирает от столба дуги. С увеличением тепловых потерь возрастает напряжение в столбе дуги. Следовательно, напряжение дуги в гелии, парах железа, углекислом газе, аргоне выше, чем в воздухе.

С увеличением напряжения на дуге растет сварочный ток и статическая характеристика дуги, горящей в среде защитных газов, становится возрастающей (см. рис. 2). Эту характеристику дуги, т. е. ее устойчивое горение, могут удовлетворить источники питания с жесткой или возрастающей внешней характеристикой. При использовании источников тока с жесткими внешними характеристиками облегчается возбуждение дуги, что важно при сварке на малых токах, и создаются наиболее благоприятные условия для устойчивого процесса сварки при изменениях длины вылета электрода.

При электрической сварке в защитных газах возможно применение больших величин и плотностей тока. С увеличением тока изменяется характер переноса металла — крупнокапельный переходит в струйный. Величина этого критического тока зависит от диаметра электродной проволоки. Например, при сварке в аргоне проволокой Св-1Х19Н9Т диаметром 1 мм этот ток равен 190 А, а диаметром 1 мм — 280 А.

Для получения мелкокапельного переноса металла при сварке в углекислом газе необходима плотность тока 150—220 А/мм2. Переход от крупнокапельного переноса металла к мелкокапельному и струйному объясняется действием плазменной струи, которая приобретает достаточную силу при достижении критического тока. При мелкокапельном и особенно струйном переносе металла дуга горит весьма устойчиво и качество сварки значительно повышается.

При сварке на постоянном токе в установившемся режиме все процессы в дуге протекают с определенной скоростью и горение дуги отличается высокой стабильностью.

При питании дуги переменным током полярность электрода и изделия, а также условия существования дугового разряда периодически изменяются. Так, дуга переменного тока промышленной частоты 50 Гц погасает и вновь возбуждается 100 раз в секунду, или дважды за каждый период. Поэтому особо возникает вопрос об устойчивости горения дуги переменного тока. В первую очередь, устойчивость горения такой дуги зависит от того, насколько легко происходит повторное возбуждение дуги в каждом полупериоде. Это определяется ходом физических и электрических процессов в дуговом промежутке и на электродах в отрезки времени между каждым погасанием и новым зажиганием дуги. Снижение тока сопровождается соответствующим уменьшением температуры в столбе дуги и степени ионизации дугового промежутка. При переходе тока через нуль и перемене полярности в начале и конце каждого полупериода дуга гаснет. Одновременно падает и температура активных пятен на аноде и катоде. Падение температуры несколько отстает по фазе при переходе тока через ноль, что связано с тепловой инерционностью процесса. Особенно интенсивно падает температура активного пятна, расположенного на поверхности сварочной ванны, в связи с интенсивным отводом теплоты в массу детали. В следующий за погасанием дуги момент меняется полярность напряжения на дуговом промежутке (рис. 2.4).

Одновременно изменяется и направление движения заряженных частиц в дуговом промежутке. В условиях пониженной температуры активных пятен и степени ионизации в дуговом промежутке повторное зажигание дуги в начале каждого полупериода происходит только при повышен-

Пик зажигания всегда выше напряжения дуги, соответствующего стабильному режиму ее горения. При этом величина пика зажигания несколько выше в тех случаях, когда катодное пятно находится на основном металле. Величина пика зажигания существенно влияет на устойчивость горения дуги переменного тока. Деионизация и охлаждение дугового промежутка возрастают с увеличением длины дуги, что приводит к необходимости дополнительного повышения пика зажигания и влечет снижение устойчивости дуги. Поэтому затухание и обрыв дуги переменного тока при прочих равных условиях всегда происходят при меньшей ее длине, чем для постоянного тока. При наличии в дуговом промежутке паров легкоионизующихся элементов пик зажигания уменьшается и устойчивость горения дуги переменного тока повышается.

ном напряжении между электродами, именуемым пиком зажигания или напряжением повторного зажигания дуги.

Рис. 2.4. Изменение полярности при горении дуги на переменном токе

С увеличением силы тока физические условия горения дуги улучшаются, что также приводит к снижению пика зажигания и повышению устойчивости дугового разряда. Таким образом, величина пика зажигания является важной характеристикой дуги переменного тока и оказывает существенное влияние на ее устойчивость. Чем хуже условия для повторного возбуждения дуги, тем больше разница между пиком зажигания и напряжением дуги. Чем выше пик зажигания, тем выше должно быть напряжение холостого хода источника питания дуги током. При сварке на переменном токе неплавящимся электродом, когда материал его и изделия резко различаются по своим теплофизическим свойствам, проявляется выпрямляющее действие дуги. Это характеризуется протеканием в цепи переменного тока некоторой составляющей постоянного тока, сдвигающей в определенном направлении кривые напряжения и тока от горизонтальной оси (рис. 2.5). Наличие в сварочной це
пи составляющей постоянного тока отрицательно сказывается на качестве сварного соединения и условиях процесса: уменьшается глубина проплавления, увеличивается напряжение дуги, значительно повышается температура электрода и увеличивается его расход. Поэтому приходится применять специальные меры для подавления действия постоянной составляющей.

При сварке плавящимся электродом, близким по составу к основному металлу, на режимах, обеспечивающих устойчивое горение дуги, выпрямляющее действие дуги незначительно и кривые тока и напряжения располагаются практически симметрично относительно оси абсцисс.

Рис. 2.5. Постоянная составляющая тока в сварочной цепи при горении дуги на переменном токе

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в среде (воздух, вакуум, элегаз, трансформаторное масло) с большим током, низким напряжением, высокой температурой. Это явление как электрическое, так и тепловое.

Может возникать между двумя контактами при их размыкании.

Обратимся к ВАХ-диаграмме:

На данном графике у нас зависимость тока от напряжения, немного не в масштабе, но так нагляднее. Значит, есть три области:

в первой области у нас высокое падение напряжения у катода и малые токи - это область тлеющего разряда
во второй области у нас падение напряжения резко снижается, а ток продолжает увеличиваться - это переходная область между тлеющим и дуговым разрядом
третья область характеризует дуговой разряд - малое падение напряжения и высокая плотность тока и следовательно высокая температура.

Механизм возникновения дуги может быть следующий: контакты размыкаются и между ними возникает разряд. В процессе размыкания воздух между контактами ионизируется, обретая свойства проводника, затем возникает дуга. Зажигание дуги - это процессы ионизации воздушного промежутка, гашение дуги - явления деионизации воздушного промежутка.

Явления ионизации и деионизации

В начале горения дуги преобладают процессы ионизации, когда дуга устойчива, то процессы ионизации и деионизации происходят одинаково часто, как-только процессы деионизации начинают преобладать над процессами ионизации - дуга гаснет.

термоэлектронная эмиссия - электроны отрываются от раскаленной поверхности катодного пятна;
автоэлектронная эмиссия - электроны вырываются с поверхности из-за высокой напряженности электрического поля.
ионизация толчком - электрон вылетает с достаточной скоростью и в пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате образуется электрон и ион.
термическая ионизация - основной вид ионизации, поддерживает дугу после её зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается число частиц и их скорости, что способствует активным процессам ионизации.

рекомбинация - образование нейтральных частиц из противоположно заряженных при взаимодействии
диффузия - положительно заряженные частицы отправляются “за борт”, из-за действия электрического поля дуги от середины к границе

Бывают ситуации, когда при размыкании контактов дуга не загорается, тогда говорят о безыскровом разрыве. Такое возможно при малых значениях тока и напряжения, или при отключении в момент, когда значение тока проходит через ноль.

Свойства дуги постоянного тока

Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:

Анодная и катодная области - размер=10 -4 см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=10 5 -10 6 В/см; в катодной области происходит процесс ударной ионизации из-за высокой напряженности, образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы образуют плазму дуги, которая обладает высокой проводимостью, данная область отвечает за разжигание дуги.

Ствол дуги - падение напряжения пропорционально длине дуги; плотность тока порядка 10кА на см 2 , за счет чего и температура порядка 6000К и выше. В данной области дуги происходят процессы термоионизации, данная область отвечает за поддержание горения.

ВАХ дугового разряда постоянного тока

Эта кривая соответствует кривой 3 на самом верхнем рисунке. Тут есть:

Uз - напряжение зажигания
Uг - напряжение гашения

Если ток уменьшить от Io до 0 мгновенно, то получится прямая, которая лежит снизу. Эти кривые характеризуют дуговой промежуток как проводник, показывают какое напряжение нужно приложить, чтобы создать в промежутке дугу.

Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо, чтобы процессы деионизации преобладали над процессами ионизации.

можно определить из ВАХ дуги
активное, независимо от рода тока
переменная величина
падает с ростом тока

Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.

Свойства дуги переменного тока

Особенностью дуги переменного тока является её поведение во времени. Если посмотреть на график ниже, то видно, что дуга каждый полупериод проходит через ноль.

Видно, что ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Вначале появляется ток и резко повышается напряжение до величины зажигания (Uз). Далее ток продолжает расти, а падение напряжения снижается. В точке максимального амплитудного значения тока, значение напряжения дуги минимальное. Далее ток стремится к нулю, а падение напряжения опять возрастает до значения гашения (Uг), которое соответствует моменту, когда ток переходит через ноль. Далее всё повторяется опять. Слева от временной характеристики приведена вольт-амперная характеристика.

Особенностью переменной дуги, кроме её зажигания и гашения на протяжении полупериода, является то, как ток пересекает ноль. Это происходит не по форме синусоиды, а более резко. Образуется бестоковая пауза, во время которой происходят знакомые нам процессы деионизации. То есть возрастает сопротивление дугового промежутка. И чем больше возрастет сопротивление, тем сложнее будет дуге обратно зажечься.

Если дуге дать гореть достаточно долго, то уничтожению подлежат не только контакты, но и само электрооборудование. Условия для гашения дуги заложены на стадии проектирования, постоянно внедряются новые методы борьбы с этим вредным явлением в коммутационных аппаратах.

Само по себе явление дуги не является полезным для электрооборудования, так как ведет к ухудшению эксплуатационных свойств контактов: выгорание, коррозия, механическое повреждение.

Но не всё так печально, потому что светлые умы нашли полезное применение дуговому разряду - использование в дуговой сварке, металлургии, осветительной технике, ртутных выпрямителях.

Читайте также: