Статическая вольт амперная характеристика: Статическая вольт-амперная характеристика дуги – Вольт-амперная характеристика — Википедия — НПФ Техсервис — Техническое оборудование общепромышленного и нефтепромыслового назначения

Содержание

Статическая вольт-амперная характеристика дуги

Статическая ВАХ дуги

При различных величинах скорости сварки, в зависимости от напряжения зависимость сварочного тока будет различной.

1 область: — РДС

2 область: — сварка под слоем флюса

3 область: — сварке в среде защитных газов

Такие плотности тока характерны для определенных видов сварки. Чем больше температура катодного пятна, тем больше электронов и больше сварочный ток.

Когда увеличиваем ток, температура пятна растет. Количество электронов тоже резко возрастает и проводимость столба дуги растет быстрее, чем падение напряжения.

При дальнейшем увеличении тока в области 1, растет и площадь пятна катода.

Во 2 области вся площадь торца превращается в катодное пятно. Увеличение тока возможно только за счет увеличения температуры катода, проводимость растет пропорционально току, напряжение постоянно.

В 3 области при сварке в среде углекислого газа вынуждены применять сварочную проволоку значительно меньшего сечения, чем при сварке под флюсом, т.к. горелку сварщик держит в руках.

Металл закипает, повышение температуры на торце электрода невозможно, вся площадь занята площадью катода. Увеличить количество электронов за счет повышение температуры катода невозможно.

Чтобы возрастало количество энергии в дуге, возрастает падение напряжения и автоэлектронная эмиссия преволирует над термоэлектронной за счет увеличения напряжения на дуге.

В связи с наличием 3-х областей статической характеристик дуги и их соответствия определенным способам сварка каждому из этих способов необходимо формировать специальную характеристику источника питания для того чтобы дуга горела стабильно и условия возбуждения были доступны.

Статическая устойчивость системы
«источник питания-сварочная дуга»

В устойчивом состоянии дуговой разряд происходит непрерывно в течении заданного периода времени при заданном токе и напряжении дуги.

Устойчивость горения и стабильность режима сварки зависит как от физико-химических условий существования дугового разряда, так и от свойств и параметров источника питания.

Рассмотрим влияние свойств и параметров источника питания на устойчивость дуги и определим требования к характеристикам источника питания с учетом свойств дуги.

Для случая когда в системе « ИП-дуга» происходит незначительное отклонение от состояния равновесия.

Для анализа примем, что источник питания обладает электромагнитной инерцией, обусловленной только индуктивностью сварочной цепи и не будем учитывать явление саморегулирования дуги с плавящимся электродом.

Запишем для этой схемы динамическое уравнение равновесия. Источник питания является генератором энергии, которая расходуется на горение дуги и плавления металла.

(1)

Так как в процессе горения дуги сварочный ток меняется от величины короткого замыкания до рабочего и даже более меньших значений, то на индуктивность сварочной цепи будет падение напряжения.

Допустим , что в момент времени t=0 произойдет отклонение тока от рабочего:

и величина тока станет равной

— текущее отклонение величины сварочного тока , которая является функцией времени.

Подставим в уравнение (1) текущее отклонение тока, тогда

, (2)

Из графика видно. что уравнение (1) можно записать

, (3)

,
Выражение (3) подставим в формулу (2)

С учетом, что в левой и правой части уравнения сократятся значение получим в левой части:

Перенесем все в левую часть и получим:

Обозначим выражение в скобках

— коэффициент устойчивости системы

(5)

Это нелинейное уравнение при условии, что рассматриваем очень небольшое изменение и на этом участке функции линейные, тогда корнями уравнения являются:

, тогда

Это требование является абсолютным, но не достаточным.

Выражение графически определяется как касательная к графику функции, проведенной через точку пересечения.

Абсолютные значения равны тангенсу угла наклона касательной

Представим себе что функция и и на рассматриваемом очень малом отрезке, эти функции линейны

Источник напряжения – источник питания ИП (U)

Источник питания выдает напряжения на величину большую, чем нужное необходимое для горения дуги:

, где R – сопротивление дуги

Из-за разницы в напряжении, ток в системе будет прирастать на и это будет до тех пор, пока разница между напряжениями не выравнивается и система не придет в исходное состояние.

Допустим, что ток в дуге возрос и стал

В этом случае источник питания выдает напряжение меньше, чем нужно для поддержания горения дуги

дуге не хватает напряжения и она начинает угасать, т.е. ток дуги изменяется в сторону уменьшения и это будет пока , т.е. пока система не придет в точку А0.

Поэтому инженеры для РДС проектируют источники питания именно с характеристикой падающей формы.

Если рассмотрим т. А1- в случае уменьшения величины тока Ш источник питания будет выдавать напряжения, меньше. чем нужно для поддержания горения дуги.

В случае увеличения тока относительно т. А1, он будет возрастать. пока система не придет в точку А0.

Условие является абсолютным для всех способов сварки и областей статической характеристики дуги, но не достаточным.

Также по теме:

Дуга переменного тока. Горение дуги на переменном токе.

Режимы работы источника питания. Режимы ИП для РДС.

Вольт-амперная характеристика — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Пример ВАХ для полупроводникового диода c p-n переходом. Зелёная область — прямая ветвь ВАХ (слева — участок обратного напряжения, справа — участок прямого тока), голубая область — область допустимых напряжений на обратной ветви ВАХ, розовая область — обратный лавинный пробой p-n перехода. Масштабы по оси тока для прямого и обратного тока разные.

Пример 4 различных ВАХ

Пример сток-затворной ВАХ (слева) и семейство стоковых ВАХ (справа) полевого транзистора с затвором в виде p-n перехода и каналом n-типа

Вольт-ампе́рная характери́стика (ВАХ) — зависимость тока, протекающего через двухполюсник, от напряжения на этом двухполюснике. Описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Также ВАХ называют функцию, выражающую (описывающую) эту зависимость и график этой функции.

Обычно рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности β=UI⋅dIdU{\displaystyle \beta ={\frac {U}{I}}\cdot {\frac {dI}{dU}}}), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию (описывающуюся законом Ома) и потому тривиальна.

Примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.

Для трёхполюсных элементов с управляющим электродом (таких, как транзистор, тиристор или электровакуумный триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при заданном токе или напряжении на третьем управляющем электроде элемента.

Необходимо отметить, что в реальной схеме, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для данного устройства рабочая точка на ВАХ может пробегать по траекториям, отклоняющимся от ВАХ, измеренной на постоянном токе или низких частотах. Обычно такое отклонение связано с присущими инерционными свойствами прибора или ёмкостью и индуктивностью присоединённой к прибору цепи или паразитными ёмкостью и индуктивностью.

Форма ВАХ полупроводниковых приборов зависит от температуры его полупроводниковой структуры, например, от температуры p-n перехода. Для полупроводниковых диодов с p-n переходом при увеличении температуры угол наклона прямой и обратной ветвей ВАХ увеличивается.

При последовательном или параллельном включении двух или нескольких двухполюсников вид ВАХ результирующего двухполюсника изменяется.

При параллельном соединении двух двухполюсников, напряжения на обоих приборах равны и при этом общий ток равен сумме токов, при последовательном — токи через каждый прибор равны, а общее напряжение на такой цепи равно сумме напряжений на элементах.

2.1.2. Вольт-амперная характеристика дуги (вах)

Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характеристика называется волтамперной. Имеет место статическая вольт-амперная характеристика и динамическая вольт-амперная характеристика.

С ростом тока i увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных

частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги

. Напряжение на дуге равно

Зависимость напряжения на дуге от тока при медленном его изменении называется статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.

а) Статическая вольт-амперная характеристика

где:

— напряжение на дуге;

— сумма околоэлектродного падений напряжений;

— напряженность поля в столбе дуги;

l — длина дуги.

Величина l зависит от тока и условий, в которых горит дуга. Статические вольт-амперные характеристики дуги имеют вид:

Рис. 1.

Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольт-амперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Е и поднимается вольт-амперная характеристика. Охлаждение дуги существенно влияет на эту характеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрастать мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольт-амперная характеристика поднимается. Этим широко пользуются в дугогасительных устройствах аппаратов.

ВАХ дуги (рис.1) приведена для небольших плотностей токов (до 100 А/мм²). При дальнейшем увеличении тока ВАХ становится горизонтальной. Если продолжить увеличение тока – напряжение начнет увеличиваться.

б) Динамическая вольт-амперная характеристика дуги.

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой.

При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В на рис. 2), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении — ниже, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С на рис.2).

Рис.2

Динамическая характеристика в значительной степени определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бесконечно малое по сравнению с тепловой постоянной времени дуги, то в течение времени спада тока до нуля сопротивление дуги остается постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой проходящей из точки 2 в начало координат (прямая Д), т.е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

В реальном аппарате после размыкания контактов расстояние между ними меняется и дуга имеет переменную длину. В этом случае процесс отключения можно представить следующим образом.

Разобьем путь, который проходит контакт, на участки и нанесем статические вольт-амперные характеристики, соответствующие концу каждого участка (рис. 3). Если индуктивность цепи мала, то по мере увеличения длины дуги ток будет быстро принимать значения, соответствующие точке пересечения статических характеристик с прямой . В точке0 ток достигнет критического значения. При дальнейшем увеличении длины дуги наступят условия для гашения.

Рис. 3

Длина дуги, при которой статическая характеристика касается прямой , называется критической длиной дуги. После точкиО ток быстро уменьшается до нуля, дута гаснет.

В цепи с большой индуктивностью спадание тока из-за большой величины индуктивности замедляется; вольт-амперная характеристика дуги сразу же после расхождения контактов поднимается выше прямой . В момент гашения дуги возможны большие перенапряжения.

При отключении активной нагрузки гашение происходит быстро, никаких перенапряжений не происходит.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Внешняя характеристика источника питания

Статическая характеристика дуги – это зависимость напряжения дуги от тока U_д = f(I_cв) при постоянной её длине (l_д= сonst).

Многочисленными исследованиями было установлено, что, хотя и есть отличия для различных дуг (несущественных), общим для всех дуг является то, что зависимость для дуги U_д = f(I_cв), – т.е. статическая характеристика дуги, – является нелинейной (рис. 1). Это отличает дугу от других потребителей энергии, например, резистора, который обладает линейной характеристикой (зависимость U = f(I)в соответствии с законом Ома линейна). Это связано с другим механизмом электропроводности в дуге, чем в металлах.

Лесков Г. И., например (см. рис.1.), показал, что характеристика U_д = f(I_cв) зависит от диаметра электрода. Однако, если перестроить этот график так, чтобы по оси абсцисс отложить значение плотности тока в электроде: j=I_св/(πd²/4),

(где d – диаметр электрода), тогда зависимостьU_д = f(j) для всех значений диаметра электрода одна и та же. По данным других исследователей для других дуг (сварка в СО₂, Ar и т.д.) имеет место аналогичная зависимость U_д = f(j) (см. рис. 2).

Вольт амперная статическая характеристика для всех дуг является U-образной. Такая форма характеристики дуги обусловлена, в основном, явлениями в столбе дуги и связана с размерами диаметра дуги (столба её), температуры и проводимости.

На участке I – падающая статическая характеристика дуги – по мере роста тока (точнее j). Темп роста числа носителей электричества в дуге опережает темп роста тока (интенсивнее возрастает). На участке II с ростом I_cв(j) пропорционально росту Iувеличивается проводимость дуги. На участке III – возрастающая статическая характеристика дуги – дуга ведёт себя как обычный резистивный элемент. Это связано с тем, что на участке III число носителей электричества не возрастает, т.е. образовались все возможные носители электричества и для увеличения тока (I) необходимо увеличивать энергию электрического поля между электродами, т.е. увеличивать напряжение дуги.

Статическую вольтамперную характеристику дуги снимают при установившемся горении дуги (длительном горении при заданных параметрах режима) при постоянной её длине. Строят характеристику по точкам, фиксируя значения I_cв, U_д (изменяя I_cвза счет регулировки источника питания). Вольтамперная характеристика дуги характеризует энергетические потребности дуги. На единицу тока в области I – уменьшается, в II – const, в III – растут.

Внешняя характеристика источника питания дуги (тоже вольтамперная) снимается при изменении активного или индуктивного сопротивления нагрузки, включаемой вместо дуги. При этом измеряют напряжение на клеммах источника питания и ток в сварочной цепи. Внешние характеристики источников питания дуги могут быть возрастающими, жесткими, пологопадающими, крутопадающими и вертикальными (рис.3). Внешние характеристики источников питания дуги отражают энергетические возможности источников. При жесткой внешней характеристике эти возможности ограничиваются только расчётными параметрами сварочной цепи. При падающей внешней характеристике эти возможности источника с ростом I сначала возрастают, а при дальнейшем росте I снижаются.

Дополнительный материал Вольт-амперная характеристика дуги

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги

Статическая ВАХ дуги показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине.

Характеристика имеет три области

I. Падающая. Характеризуется резким падением напряжения Uд на дуге с увеличением тока сварки Iсв. Вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а, следовательно, и электропроводности столба дуги.

II. Жесткая. Увеличение тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Это происходит за счет увеличения сечения столба дуги, анодного и катодного пятен пропорционально величине сварочного тока. При этом плотность тока и падение напряжения на протяжении всего участка не зависят от изменения тока и остаются почти постоянными.

III. Возрастающая. С увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге Uд. При работе на этой характеристике плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом возрастает сопротивление столба дуги, и напряжение на дуге увеличивается.

Род тока при сварке — постоянный или переменный, полярность на постоянном токе может быть прямой (минус от источника на электроде), или обратной (минус от источника присоединяется к детали).

Ток обратной полярности применяют при сварке тонкого металла легкоплавких сплавов, легированных, специальных и высокоуглеродистых сталей, чувствительных к перегреву, при полуавтоматической сварке арматуры и металлоконструкций легированной проволокой сплошного сечения, при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием.

При сварке на переменном токе полярность электродов и условия существования дуги периодически изменяются в соответствии с частотой тока.

В каждом полупериоде ток и напряжение меняют полярности при переходе синусоиды через нулевое значение. Дуга при этом угасает, температура активных пятен и дугового промежутка снижается. Повторное зажигание дуги в новом полупериоде происходит при повышенном напряжении — пике зажигания, которое выше напряжения на дуге.

Для повышения устойчивости дуги переменного тока добавляют в покрытия электродов и сварочные флюсы такие материалы, как мел, мрамор, полевой шпат и др., содержащие калий, натрий, кальций и другие элементы.

Газы, вводимые в зону горения дуги для защиты расплавленного металла, оказывают влияние на зажигание дуги переменного тока. При сварке с инертными газами (гелий, аргон) зажигание дуги затруднено, но возбужденная дуга горит устойчиво.

При сварке вольфрамовым электродом в среде аргона происходит испарение частиц металла с поверхности сварочной ванны и ближайших холодных зон, вместе с которыми удаляются и окисные пленки, что улучшает условия сварки и качество шва.

Углекислый газ при сварке на переменном токе действует отрицательно, поэтому сварка в углекислом газе применяется преимущественно на постоянном токе обратной полярности.

Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольт-амперные характеристики, которые могут быть падающими, жесткими и возрастающими.

Возрастающая Жесткая Падающая

Для стабильного горения дуги необходимо, чтобы было равенство между напряжениями и токами дуги (Uд, Iд) и источника питания (Uп, Iп).

Источники питания с падающей и жесткой характеристиками применяют при ручной дуговой сварке, с возрастающей характеристикой — при полуавтоматической сварке, с жесткой и возрастающей — при автоматической сварке под флюсом и для наплавки.

Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда источник питания сварочной дуги поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.

Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической ВАХ сварочной дуги на статическую ВАХ источника питания (называемую также внешней характеристикой источника питания).

Ручная электросварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. При этом дуга должна гореть устойчиво, а ток дуги не должен сильно изменяться. Также часто требуется увеличить длину дуги, поэтому дуга должна иметь достаточный запас эластичности при удлинении, т. е. не обрываться.

Статическая характеристика сварочной дуги при ручной сварке обычно является жесткой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней характеристики источника питания.

При прочих равных условиях эластичность дуги тем выше, а отклонение тока дуги тем меньше, чем больше наклон внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной электросварки применяются источники питания с падающими внешними характеристиками. Это дает возможность сварщику удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать длину дуги без чрезмерного увеличения тока.

Также обеспечиваются высокая устойчивость горения дуги и ее эластичность, стабильный режим сварки, надежное первоначальное и повторное зажигание дуги благодаря повышенному напряжению холостого хода, ограниченный ток короткого замыкания.

Ограничение этого тока имеет большое значение, так как при ручной дуговой сварке происходит переход капли расплавленного металла электрода на изделие, и при этом возможно короткое замыкание.

При больших значениях тока короткого замыкания происходят прожоги металла, прилипание электрода, осыпание покрытия электрода и разбрызгивание расплавленного металла. Обычно значение тока короткого замыкания больше тока дуги в 1,2 — 1,5 раз.

Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток, пределы регулирования сварочного тока.

Напряжение холостого хода источника сварочного тока — напряжение на его зажимах при отсутствии дуги, номинальный сварочный ток — допустимый по условиям нагрева источника питания ток при номинальном напряжении на дуге.

В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависимости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги — характера переноса электродного металла в сварочную ванну.

При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги, происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.

Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.

Вольт-амперная характеристика дуги (вах) — КиберПедия

С ростом тока iувеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированныхчастицв разряде и падает электрическое сопротивление дуги . Напряжение на дуге равно .

а) Статическая вольт-амперная характеристика

где:

— напряжение на дуге;

— сумма околоэлектродного падений напряжений;

— напряженность поля в столбе дуги;

l — длина дуги.

Рис. 1.

б) Динамическая вольт-амперная характеристика дуги.

Рис.2

Рис. 3

При отключении активной нагрузки гашение происходит быстро, никаких перенапряжений не происходит.

3.Практические задания.

Задача

Билет №14

Вольт-амперная характеристика дуги | svarnoy.info

В установившейся сварочной дуге различают три зоны: катодную, анодную и столба дуги. Катодная зона глубиной около 10^-5 см, так называемое катодное пятно, расположена на торце катода. Отсюда вылетает поток свободных электронов, ионизирующих дуговой промежуток. Плотность тока на катодном пятне достигает 60…70 А/мм2. К катоду устремляются потоки положительных ионов, которые бомбардируют его и отдают свою энергию, нагревая его до температуры 2500…3000°С.

Анодная зона, называемая анодным пятном, расположена на торце анода. К анодному пятну устремляются и отдают свою энергию потоки электронов, накаляя его до температуры 2500…4000°С. Столб дуги, расположенный между катодной и анодной зонами, состоит из раскаленных и ионизированных частиц. Температура в этой зоне достигает 6000…7000°С в зависимости от плотности сварочного тока.

В начальный момент для возбуждения дуги необходимо несколько большее напряжение, чем при ее последующем горении. Это объясняется тем, что при возбуждении дуги воздушный зазор недостаточно нагрет, степень ионизации невысокая и необходимо напряжение, способное сообщить свободным электронам такую энергию, чтобы при их столкновении с атомами газового промежутка могла произойти ионизация. Увеличение концентрации свободных электронов в объеме дуги приводит к интенсивной ионизации дугового промежутка, а отсюда к повышению его электропроводности. Вследствие этого напряжение падает до значения, необходимого для устойчивого горения дуги.

Зависимость напряжения дуги от тока и сварочной цепи называют статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Вольт-амперная характеристика дуги

Вольт-амперная характеристика дуги (см. рис. а) имеет три области: падающую 1, жесткую 2 и возрастающую 3. В области 1 (до 100 А) с увеличением тока напряжение значительно уменьшается. Это происходит в связи с тем, что при повышении тока увеличивается поперечное сечение, а следовательно, и проводимость столба дуги. В области 2 (100… 1000 А) при увеличении тока напряжение сохраняется постоянным, так как сечение столба дуги и площади анодного и катодного пятен увеличиваются пропорционально току. Область характеризуется постоянством плотности тока. В области 3 напряжение возрастает вследствие того, что увеличение плотности тока выше определенного значения не сопровождается увеличением катодного пятна ввиду ограниченности сечения электрода. Дуга области 1 горит неустойчиво и поэтому имеет ограниченное применение. Дуга области 2 горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки.

Вольт-амперная характеристика дуги при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали (см. рис. б) представлена в виде кривых а (длина дуги 2 мм) и б (длина дуги 4 мм). Кривые в (длина дуги 2 мм) и г (длина дуги 4 мм) относятся к автоматической сварке под флюсом при высоких плотностях тока.

Статическая вольт амперная характеристика: Статическая вольт-амперная характеристика дуги – Вольт-амперная характеристика — Википедия