Свойства и характеристики электрической дуги

Электрическая дуга – это устойчивый самостоятельный разряд в газах или парах металла, характеризующийся большой плотностью тока, низким падением напряжения на катоде и высокой температурой канала разряда. В ЭТУ возбуждение дуги обычно происходит в момент первоначального касания электродов, к которым подведено напряжение, и при этом во время короткого замыкания электроды разогреваются. При отводе электродов за счёт термоэлектронной ионизации газа образуется канал разряда, представляющий собой сильно ионизированную смесь газов, паров материала анода и катода. Возникающая дуга по своей длине неоднородна и включает три последовательных участка: 1) прикатодный (-); 2) основной столб; 3) прианодный участок (+).

Рис. 4.1. Электрическая дуга (а) постоянного тока и распределение напряжения (б) на ее элементах:

1 – анодный кратер; 2 – столб дуги; 3 – светящаяся оболочка; 4 – катодное пятно.

Длина прикатодного участка составляет около 10^-6 м, напряженность электрического поля в этом месте дуги равна Е =10⁷…10⁸ В/м, а катодное падение напряжения – 10…20 В (в зависимости от рода тока, материала электрода, состояния газа). Температура прикатодного участка составляет Т_катода=2500…2800 К. Длина же анодного участка более 10^-6 м, анодное падение напряжения равно U_а =2…6 В, а температура на участке достигает Т_анода=2700…4500 К.

В основном столбе дуги напряженность электрического поля Е = 1500…5000 В/м, температура Т_столба=6000…12000 К, а концентрация ионов в этом месте составляет 10²⁴ 1/м³, т.е. можно заключить, что столб дуги представляет собой плазму с очень высокой плотностью.

Горение дуги сопровождается следующими физическими эффектами:

- большим выделением теплоты на электродах, которые используются в работе электродуговых печей прямого нагрева и при электродуговой сварке;

- мощным лучистым потоком в оптическом диапазоне спектра электромагнитных колебаний, что находит применение в электродуговых печах косвенного нагрева и в газоразрядных источниках оптического излучения.

Электрическая дуга, как потребитель электрической энергии, достаточно полно характеризуется статической вольтамперной характеристикой (ВАХ) U_д =¦(I_д), которую можно разбить на область малых токов (до 80…100 А) - I, средних (100…800 А) - II и больших (свыше 800 А) - III (рис. 4.2).

В I области ВАХ имеет падающий вид. Это объясняется тем, что с увеличением тока дуги I_д площадь поперечного сечения и удельное электрическое сопротивление дуги r_д увеличивается быстрее чем ток. При этом плотность тока j и напряжённость электрического поля Е уменьшаются.

Во II области напряжение на дуге практически не зависит от силы тока, так как площадь поперечного сечения столба увеличивается пропорционально току.

В III области при больших значениях токов возрастание силы тока не сопровождается пропорциональным ростом катодного пятна. ВАХ дуги получается возрастающей.

Рис. 4.2. Статическая вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока

Связь общего падения напряжения U_д на дуге с падением напряжения на отдельных ее участках в области малых токов устанавливает формула Г. Айртон:

, (4.1)

где α - суммарное анодно-катодное падение напряжения, В; β - градиент потенциала в столбе дуги, В/м; l — длина дуги, м; γ и δ - мощности, затрачиваемые на вырывание электронов из катодного пятна, Вт/А, и на продвижение электронов в межэлектродном промежутке на единицу расстояния, Вт/(А∙м); I_д - сила тока дуги, А.

В формуле (4.1) одно из слагаемых – падение напряжения (γ+δl)/I_д, зависит от силы тока, что соответствует падающему характеру ВАХ. Для средних токов это слагаемое мало:

. (6.2)

Окружающая среда, в которой дуга горит, влияет на форму статической ВАХ. Так, в инертных газах даже при небольших токах характеристика дуги возрастающая. Ее применяют при сварке в среде защитных газов, плазменно-дуговых процессах.

Рассмотренные явления происходят в электрической дуге как постоянного, так и переменного тока. Статическая ВАХ на переменном токе соответствует действующим значениям тока и напряжения. При этом катодная и анодная области дуги меняются местами в зависимости от полярности приложенного напряжения. На рисунке 4.3,а показано изменение тока и напряжения при отсутствии индуктивности в цепи дуги. При напряжении источника питания u_ист меньше напряжения зажигания дуги U_з она не может загореться. В обычной атмосфере напряжение U_з для стальных электродов составляет 30...35 В, а для угольных – 45...55 В. Через промежуток времени τ₁ напряжение источника увеличивается до U₃, дуга зажигается, и по ней протекает ток i_l. Достигнув амплитудного значения U_m, напряжение источника уменьшается и становится через промежуток времени τ₂ меньше напряжения U_п погасания дуги, она гаснет, и ток через нее прекращается. На отрезке времени τ₃+τ₁ дуга не горит, а затем происходят повторное ее зажигание, горение и погасание в отрицательной полуволне питающего напряжения.

Для маломощных дуг напряжение U_п погасания несколько меньше напряжения U₃ зажигания. При силе тока дуги более 100 А напряжение U_n мало отличается от U₃ и напряжение U_д горения практически не зависит от тока дуги, т.е. U₃ @ U_n = U_д (рис. 4.3,б).

При включении индуктивности последовательно с дугой сдвигается ток относительно напряжения на время φ (рис. 4.3,в). Изменяя значение индуктивности, можно получить такой сдвиг фаз, что при уменьшении напряжения источника ниже напряжения горения дуги ЭДС самоиндукции, суммирующаяся с напряжением источника, обеспечит напряжение, достаточное для поддержания горения дуги до тех пор, пока ток не перейдет через нулевое значение. В этот момент напряжение источника будет иметь другой знак и увеличится до значения, достаточного для зажигания дуги, т.е. ток в дуге возникает без всякого перерыва. При малом значении индуктивности появляются перерывы в горении дуги, и кривая тока существенно искажается.

Рис. 4.3. Изменение тока i_д и напряжения u_д в контуре маломощных (а) и мощных (б) дуг с активным сопротивлением, и с индуктивным (в) сопротивлением

В сварочной технике электрическую дугу принято классифицировать по роду среды, в которой происходит разряд:

- открытая, горящая в воздухе, парах металла, и т.п.;

- закрытая, горящая под флюсом в парах металла и флюса;

- защищённая, горящая в защитных газах (аргон, гелий, двуокись углерода).

Следует отметить, что ВАХ открытой дуги имеет падающий характер, а закрытой и защищённой – возрастающий.

Источники питания для электродуговой сварки выбирают по следующим параметрам:

- роду тока;

- напряжению холостого хода;

- внешней характеристике;

- способам регулирования сварочного тока.

В дуге переменного тока устойчивость снижается из-за угасания её при каждом переходе тока через ноль. Поэтому горение дуги является прерывистым и неустойчивым. Статические ВАХ на переменном и постоянном токе совпадают. Напряжение зажигания дуги постоянного тока составляет 30…40 В, а переменного – 50…55 В. Напряжение холостого хода источника должно быть больше напряжения зажигания на 10…50 В.

Дуга и источник питания образуют систему, которая находится в устойчивом равновесии, если при падающей ВАХ дуги внешняя характеристика источника будет более крутопадающей. Устойчивость дуги с возрастающей ВАХ обеспечивается, если внешняя характеристика источника менее возрастающая. Регулирование сварочного тока необходимо при сваривании деталей различной толщины. В качестве источников питания дуги применяют сварочные трансформаторы, генераторы постоянного тока (преобразователи), полупроводниковые выпрямители.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: