2.источник питания контрольная. Электрические процессы в дуге

• Название: Электрические процессы в дуге
• Дата: 17.12.2018
• Размер: 182.17 Kb.
• Имя файла: 2.источник питания контрольная .docx
• Тип: Документы; #60716

Электрические процессы в дуге
Сварочная дуга (рис. 2.1) представляет собой мощный установившийся электрический разряд в ионизированной смеси газов и паров веществ, входящих в состав электрода, электродного покрытия и флюса. Электропроводность межэлектродного промежутка обусловлена наличием электрически заряженных частиц — электронов и ионов. Под действием напряжения источника электроны перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду.

Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в трех характерных зонах — катодной области, столбе и анодной области дуги.

Столб дуги. Заряженные частицы в столбе появляются из катодной области и возникают в нем за счет ионизации нейтральных частиц. Сварочным током считают ток проводимости, обусловленный упорядоченным движением свободных электронов и ионов. При этом электронная составляющая тока в сотни раз больше ионной. Длина столба сварочной дуги l_ст составляет 0,1…4 см, падение напряжения в столбе U_ст достигает 40 В, напряженность поля в нем _ст = U_ст / l_ст =10 - 40 В/см.

Катодная область. Катод эмитирует электроны, как за счет нагрева его поверхности (термоэлектронная эмиссия), так и за счет создания у его поверхности электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). Кроме того, электроны и ионы образуются в самой катодной зоне благодаря термической ионизации нейтрального газа. У поверхности катода создается объемный положительный заряд, вызванный высокой концентрацией положительно заряженных ионов. Протяженность катодной области очень мала и сопоставима с длиной свободного пробега иона – 1_кат = 10^-4 … I0^-5 см. Поскольку катодное падение напряжения U_кат =5…25 В реализуется на такой малой длине, градиент потенциала достигает _кат = U_кат/l_кат = 10⁵ В/см.



Рис. Моделеь
Анодная область. У поверхности анода наблюдается объемный отрицательный заряд. Протяженность анодной области сопоставима с длиной свободного пробега электрона, т.е. l_ан = 10^-3 …10^-4 см, поэтому при анодном падении напряжения U_ан = 2…10 В градиент напряжения _{ан =} U_ан/ l_ан = 10⁴ В/см, т.е. ниже, чем в катодной области. Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравнению с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба:



Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис. 2.1. Напряжение дуги складывается из падения напряжения и трех ее основных областях:



Характерным для графика является то, что в приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изменением потенциала в столбе дуги. Это объясняется различием физических процессов, протекающих в этих областях и в столбе дуга.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги. 

Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины и величины сварочного Тока, называемую вольт-амперной характеристикой сварочной дуги, можно описать уравнением

U_д + a + bL_д,

где а — сумма падений напряжения на катоде и аноде (а = U_к + U_а):

 b — удельное падение напряжения в газовом столбе, отнесенное к 1 мм  длины дуги (величина b зависит от газового состава столба дуги);

 L_д — длина дуги, мм.

При малых и сверхвысоких величинах тока U_д зависит от величины сварочного тока.

Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги показана на рис. 17. В области I увеличение тока до 80  А приводит к резкому падению напряжения дуги, которое обусловливается тем, что при маломощных дугах увеличение тока вызывает увеличение площади сечения столба дуги, а также его электропроводности. Форма статической характеристики сварочной дуги на этом участке падающая. Сварочная дуга, имеющая падающую вольт-амперную характеристику, имеет малую устойчивость. В области II (80 — 800 а) напряжение дуги почти не изменяется, ЧТО объясняется увеличением сечения столба дуги и активных пятен пропорцибнально изменению величины сварочного тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех участках дугового разряда сохраняются постоянными. В этом случае статическая характеристика сварочной дуги жесткая. Такая дуга щироко применяется в сварочной технике. При увеличении сварочного тока более 800 а (область III) напряжение дуги снова возрастает. Это объясняется увеличением плотности тока без роста катодного пятна, так как поверхность электрода уже оказывается недостаточной для размещения катодного пятна с нормальной плотностью тока. Дуга с возрастающей характеристикой широко применяется при сварке под флюсом и в защитных газах.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

Источники питания сварочной дуги должны обеспечивать легкое зажигание и стабильное (устойчивое) горение дуги в процессе сварки.
Основными техническими показателями источников питания сварочной дуги являются: внешняя характеристика, напряжение холостого хода, относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме.

§ 42. ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Внешняя характеристика источников питания (сварочного трансформатора, выпрямителя и генератора) — это зависимость напряжения на выходных зажимах от величины тока нагрузки. Зависимость между напряжением и током дуги в установившемся (статическом) режиме называется вольт-амперной характеристикой дуги.
Внешние характеристики источников питания сварочной дуги показаны на рис. 56. Внешние характеристики сварочных генераторов, показанные на рис. 56 (кривые 1 и 2), являются падающими.



Чем круче характеристика, тем лучше стабильность горения дуги, так как при крутопадающей характеристике с изменением длины сварочной дуги величина сварочного тока уменьшается незначительно. Длина дуги связана с ее напряжением: чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. При одинаковом падении напряжения (изменении длины дуги) изменение сварочного тока неодинаково при неодинаковых внешних характеристиках источника. Чем круче характеристика, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток. При изменении напряжения на величину δ при крутопадающей характеристике изменение тока равно a₁ при пологопадающей — a₂.
Для обеспечения стабильного горения дуги необходимо, чтобы характеристика сварочной дуги пересекалась с характеристикой источника питания (рис. 57).



В момент зажигания дуги (рис. 57, а) напряжение падает по кривой от точки 1 до точки 2 — до пересечения с характеристикой генератора, т.е. до положения, когда электрод отводится от поверхности основного металла. При удлинении дуги до 3 — 5 мм напряжение возрастает по кривой 2 — 3 (в точке 3 осуществляется устойчивое горение дуги). Обычно ток короткого замыкания превышает рабочий ток, но не более чем в 1,5 раза. Время восстановления напряжения после короткого замыкания до напряжения дуги не должно превышать 0,05 сек, этой величиной оцениваются динамические свойства источника.
На рис. 57,б показаны падающие характеристики 1 и 2 источника питания при жесткой характеристике дуги 3, наиболее приемлемой при ручной дуговой сварке.
Напряжение холостого хода (без нагрузки в сварочной цепи) при падающих внешних характеристиках всегда больше рабочего напряжения дуги, что способствует значительному облегчению первоначального и повторного зажигания дуги. Напряжение холостого хода не должно превышать 75 впри номинальном рабочем напряжении 30 в (повышение напряжения облегчает зажигание дуги, но одновременно увеличивается опасность поражения сварщика током). Для постоянного тока напряжение зажигания должно быть не менее 30 — 35 в, а для переменного тока 50 — 55 в. Согласно ГОСТ 7012—69 для трансформаторов, рассчитанных на сварочный ток 2000 а, напряжение холостого хода не должно превышать 80 в.