Сварочная дуга характеристика: Характеристики сварочной дуги и их особенности

Содержание

Характеристики сварной дуги – Осварке.Нет

Вольт-амперная характеристика сварной дуги

Под понятием вольт-амперной характеристика понимают зависимость напряжения дуги от силы сварочного тока при одинаковой длине дуги.

Существует три вида вольт-амперной характеристики сварной дуги:

  • падающая — повышения силы сварочного тока на источнике питания понижает напряжение на дуги;
  • жесткая — изменение силы тока не влияет на напряжение дуги;
  • растущая — рост силы тока приводит к росту напряжения.

Для MMA сварки используется оборудование с падающей характеристикой, которая переходит к жесткой при повышении силы тока. Для механизированной сварки используется жесткая характеристика с переходом к растущей. Напряжение дуги зависит от длины дуги при одинаковой силе тока.

Температура дуги и тепловая мощность

Сварочная дуга является очень мощным источником тепловой энергии.

Тепловая мощность энергии дуги направлена на расплавление металлов. Часть энергии тратиться на нагревание окружающей среды дуги. Тепловая мощность дуги прямо зависит от силы тока и напряжения. Рассчитать мощность дуги можно по формуле:

Q=0,24×Iсв×Uд

где Q — тепловая мощность, кал/с; 0,24 — коэффициент перевода электрических единиц в тепловые.

Тепло которое передается от дуги к сварному изделию называют эффективной тепловой мощностью, которая рассчитывается по формуле:

qеф=0,24×Iсв×Uд×ηе

ηе — эффективный коэффициент полезного действия нагревания изделия дугой.

Погонная энергия сварочной дуги

Погонная энергия сварочной дуги означает количество тепла которое переноситься дугой в изделие на единицу длины шва. Погонная энергия зависит не только от тепловой мощности дуги, а и от скорости сварки. Увеличение скорости сварки снижает погонную энергию.

Таким образом можно сделать вывод, что степень нагревания сварочного соединения зависит от погонной энергии. Технология сварки некоторых металлов предполагает использование режимов с малой погонной энергией — низкая сила тока и повышенная скорость сварки. Такая технология может применяться для сварки высоколегированных сталей, чтобы не выгорали легирующие элементы.

Сварочная дуга и ее характеристики

Сварочная дуга по своей сути представляет электрический разряд в среде различных газов. Газ не является проводником электричества, однако при большой разнице потенциалов в нем образуется множество заряженных частиц: с отрицательным зарядом – свободные электроны, с положительным – ионы газа.

Сварочная дуга, состоящая из электронов, нейтральных атомов и ионов, имеет различную температуру по своей протяженности. Условно сварочную дугу можно поделить на несколько областей. Область около сварочного электрода называется катодной. Температура дуги в ней приблизительно равна 24000С. В середине столба дуги – 5500 0

С и выше. В анодной области, находящейся вблизи свариваемой поверхности, достигает 2600 0С. В результате влияния массопереноса металла электрода и теплоты дуги, температура сварочной ванны достигает 2000 0С.

Влияние различных параметров на стабильность сварочной дуги

Сварочная дуга считается стабильной в том случае, когда происходит непрерывный процесс её образования между электродом и свариваемой поверхностью деталей.

Критерии, определяющие устойчивость горения дуги.

  1. Величина сварочного тока.
  2. Полярность.
  3. Вид тока (постоянный, переменный).
  4. Частота тока.
  5. Материал электрода, включая материал обмазки.
  6. Наличие защитной среды.

Совокупность этих факторов является определяющей для стабильности сварочной дуги. Также непременным условием считается оптимальное расстояние между сварочным электродом и свариваемой поверхностью. Для ручной дуговой сварки расстояние, обеспечивающее стабильное горение дуги, принимается равным от 0,5 до 1,1 диаметра электрода.

В настоящее время применение новых инверторных источников сварочного тока дает возможность нивелировать отклонение от оптимального расстояния, благодаря механизму обратной связи. В результате этого достигаются оптимальные динамические вольтамперные характеристики, позволяющие изменять напряжение и силу тока в соответствии с длиной дуги в докритических пределах.

Зависимость качества сварного шва от длины дуги

Оптимальной для процесса сварки считается короткая дуга. При этом высока ее стабильность, меньше контакт металла с воздухом в процессе массопереноса от электрода к поверхности деталей. К тому же время прохождения через высокотемпературную область дуги невысоко и в результате этого в сварочной ванне уменьшается пористость.

При длинной дуге переносимый расплавленный металл электрода намного более подвержен отрицательному влиянию окружающей среды, происходит азотирование металла и связывание его отдельных частиц с ионами кислорода, то есть, окисление. Также нужно отметить, что длинная дуга характеризуется нестабильностью.

То есть, в процессе сварки происходит кратковременное прерывание процесса образования дуги. Это отрицательно влияет на качество сварного соединения.

Эффект магнитного дутья

Данный процесс возникает при большой величине сварочного тока, как правило, превышающей 150А. Так как при дуговой сварке образуется электромагнитное поле, то при его неравномерности образуется отклонение столба дуги. Такое отклонение называется магнитным дутьем. Оно отрицательно влияет на качество сварного соединения.

На равномерность магнитного поля влияет форма и расположение свариваемых поверхностей, место подключения контакта к деталям, наличие больших масс ферромагнетиков вблизи зоны сварки.

Снижение влияния магнитного поля на форму дуги может производиться путем переноса места контакта, компенсации несимметричности масс размещением дополнительных металлических плит. Также с этим явлением можно бороться наклоном электрода в сторону, противоположную отклонению дуги. При этом обеспечивается соосность электрода и сварочной дуги.

Что такое электрическая дуга | Температура сварочной дуги, вольт-амперная характеристика

Метод сварки используется людьми для герметичного соединения металлов уже больше века. Изучал его еще физик Вольт. Его работы были использованы в процессе создания первого сварочного аппарата. Генерируется электрический разряд в момент, когда между электродом и рабочей поверхностью образуется короткое замыкание. Подаваемая на сварочный аппарат электрическая энергия преобразуется в тепловую, в результате чего появляется ванна расплава. В таких условиях формируется на месте стыка образуется однородный металлический шов.

Со временем, детально проанализировав вольтамперные характеристики, ученые сделали сварку более совершенной. Были созданы современные устройства, которые отлично поддерживали стабильность сварочной дуги.

Что такое сварочная дуга

Генерируемая сварочным аппаратом электрическая дуга представляет собой ни что иное, как состоящий из ионизированных частиц проводник. Он существует в определенном временном промежутке благодаря тому, что поддерживается электрическим полем. Такой разряд образуется в способной к ионизации газовой среде, характеризуется непрерывной формой и высокой температурой.

В учебных пособиях по сварочному делу данное явление определяется как электрический разряд в плазме длительного характера. Плазма является смесью защитных, ионизированных атмосферных газов в сочетании с испарениями от металлов, которые образуются под воздействием высокой температуры.

Строение и температура сварочной дуги

Разогреть металл до температуры плавления за очень короткое время можно, но для этого потребуется мощная электрическая дуга. Основные ее характеристики – вольтаж, ампераж и плотность потока заряженных частиц. Как электротехническое явление дуговой столб представляет собой проводник между полярными полюсами, состоящий из газовой среды. При этом он обладает большим сопротивлением и способен светиться.

Детальный анализ построения дуги помогает разобраться с течением температурного воздействия на металл.

Сравнительно небольшая длина электрической дуг – 5 см, которые состоят из трех зон:

  • собственно, столб – это видимая светящаяся часть;
  • катодная – 1 микрон;
  • анодная – 10 микрон.

Поток свободных электронов определяет температуру сварочной дуги. Они формируются на катоде, который нагревается до 38% от температуры плазмы. В газовой среде отрицательные частички – электроны двигаются по направлению к аноду, в то время как положительные элементы направляются к катоду. Столб лишен какого-либо заряда и все время остается нейтральным.

Температура частиц внутри достигает 10 000 градусов Цельсия. Воздействуя на металл, они разогревают его до 2350 градусов. Точка входа электронов среди специалистов называется анодным пятном. По сравнению с катодным оно имеет температуру на 6% выше. Поскольку плазма генерирует ультрафиолетовые, световые и инфракрасные волны, то она находится в видимом для человека спектре. Но важно учесть, что данные волны вредны для человека: и для кожи, и для глаз.

Поэтому для сварщиков были разработаны специальные средства защиты.

Виды сварочной дуги

Классифицируется сварочная дуга по нескольким параметрам. В зависимости от пространственного положения электрода и типу тока она бывает:

  • прямого действия. Разряд располагается перпендикулярно по отношению к рабочей поверхности и параллельно относительно электрода;
  • косвенного действия. Разряд образуется между электродом, который располагается относительно рабочей поверхности под углом 40-60 градусов и самим металлом.

По составу плазменный столб делится на:

  • открытый. Образуется в атмосферных газах. Питающей средой являются компоненты, испаряемые из обмазки и заготовки;
  • закрытый. Генерируется под флюсом при условии присутствия газообразной фазы, которая получается из частиц, испаряемых от металла, электрода и компонентов флюса;
  • с подачей инертного газа или другой защитной смеси.

Сварочная дуга отличается и в зависимости от применяемого расходного материала. В работах используются электроды:

  • тугоплавкие из вольфрама;
  • графитовые или угольные;
  • стальные с обмазкой, содержащей ионизирующие включения.

В зависимости от времени воздействия принято различать дугу постоянную и импульсную.

Читайте также: Маркировка электродов для ручной дуговой сварки

Условия горения

Сварочный процесс основан на преобразовании электрической энергии в тепловую. Сварочный столб может удерживаться как угодно долго при условии быстрой ионизации газа. Свариваемые заготовки прогреваются, воздух вокруг них теплый и насыщен испаряемыми компонентами. Альтернативный метод – в рабочую зону специально подается газ, который может ионизироваться. Лучше всего ионизации поддаются частицы щелочноземельных и щелочных металлов. Они становятся активными сразу, как только начинает проходить ток.

Другое обязательное условие для поддержания сварочного столба – постоянная высокая температура на катоде. Ее значение зависит от химического состава и площади катода. Для этого требуется источник электричества. В условиях производства показатель температуры катодной области может доходить до 7 000 градусов.

Как образуется электрическая дуга

Сварочная дуга является ничем иным, как электрическим разрядом. Возникает она в случае замыкания цепи. В тот момент, когда электрод прикасается к поверхности свариваемого металла, начинает вырабатываться тепловая энергия в большом количестве. В точке соприкосновения металл начинает плавиться. Расплав притягивается к окончанию расходника, образуя тонкую шейку. Она почти что мгновенно распыляется под влиянием сильного электрического поля. В это время молекулы газа ионизируются, образуется защитное облако и обеспечивается свободное перемещение электродов.

Вид тока определяет направленность потока. Поджечь дугу можно на токе прямой и обратной полярности, переменном или постоянном. Частота, с какой дуга гаснет и разжигается напрямую зависит от выбранных сварщиком параметров тока.

Чем определяется мощность сварочной дуги

Основные факторы, оказывающие влияние на параметры мощности:

  • напряжение. Увеличение мощности сварки достигается за счет увеличения питающего напряжения. Но в сравнительно небольшом диапазоне значений. Есть определенные ограничения и по размеру расходных материалов;
  • сила тока. Прямая зависимость: чем больше показатель – тем стабильнее горит дуга;
  • величина напряжения плазмы находится в прямой зависимости от мощности.

Длиной дуги принято называть расстояние от электрода доя рабочей поверхности в момент выполнения сварочных работ. От данного показателя зависит величина продуцированного тепла.

Мощность дуги определяет скорость плавления металла. Данная характеристика имеет большое значение, поскольку от нее зависит скорость выполнения операций по соединению металлов. Силой тока меняется рабочая температура в зоне плавления. Даже длинная электрическая дуга не будет затухать при большой силе тока. Во время сварочных работ изменение настроек ампеража требуется очень редко.

Вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Выражают параметры питания. Данные позволяют определить:

  • время горения;
  • мощность дуги;
  • условия гашения.

Динамика вольтамперных показателей показывает изменение длины электрической дуги в период ее нестабильности. Статическая вольт-амперная характеристика дуги, наоборот, указывают на зависимость между напряжением и силой тока в период стабильности длины электродуги. Ее свойства выражены графиком, разделенным на три сектора:

  • падающий. В случае увеличения силы тока резко уменьшается напряжение. Связано это с образованием столба: возрастает площадь потока плазмы и изменяется показатель ее электропроводимости;
  • жесткий. Характерные особенности сектора – понижение напряжения при неизменной плотности тока. Наблюдается рост показателей силы тока в диапазоне значений 100-1000А. Прямо пропорционально увеличивается дуговой столб в диаметре. Помимо этого, изменяются анодное и катодное пятна;
  • растущий. Размер катодного пятна стабилен и зависит от диаметра электрода. При увеличении силы тока в большую сторону меняются показатели дугового столба.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) ручной дуговой сварки с неплавящимися или плавящимися электродами не доходят до третьего сектора графика, а варьируются только в первых двух. Механизированная сварка, подразумевающая использование флюсов, описывается показателями графика второго и третьего сектора. Третий сегмент в полной степени соответствует сварке плавящимся электродом в защитной среде.

В случае использования сварочного аппарата в режиме переменного тока. В каждом полупериоде на пике розжига случается возбуждение сварочной дуги. При переходах через нулевую отметку электрическая дуга затухает. Прекращается нагрев активных пятен. Ионизация газов удерживается стабильной за счет испарений активных щелочных металлов, которые присутствуют в покрытии электродов. При работе на переменном токе труднее разжечь дугу в защитной среде, нежели в случае постоянного тока.

При выборе оборудования для выполнения конкретного вида работ важно учесть, что ВАХ электрической дуги напрямую зависят от внешних вольтамперных показателей. К примеру, для ручной дуговой сварки требуется питание с падающими характеристиками вольт-ампер (повышенное напряжение на холостом ходу). При этом специалист будет иметь возможность с помощью регулятора ампеража менять длину дуги.

Сила тока при коротком замыкании во время плавления электрода на 20-50% выше показателя силы тока дуги. Выполнение работ плавящимися электродами оптимально в случае использования дуги размыкания. Для того, чтобы разжечь электродугу угольным или вольфрамовым электродом, не помешает вспомогательный разряд.

Высокие показатели силы тока при коротком замыкании могут спровоцировать прожиг заготовки. Короткое замыкание имеет место в момент, когда падает капля расплава электрода. После этого показатели резко возвращаются к исходным значениям. Возрастает ампераж до уровня тока короткого замыкания, мостик, образовавшийся между металлом и электродом быстро перегорает, и электрическая дуга снова возбуждается. Все эти изменения в столбе происходят моментально. Установка должна успеть за этот период отреагировать на изменения с тем, чтобы стабилизировать рабочие показатели.

Особенности электрической дуги

Благодаря широкому диапазону значений, электродуга совместима как с тугоплавкими, так и с привычными плавящимися электродами. Под ее воздействием металл быстро разогревается, после чего образуется ванна расплава. Преобразование электроэнергии в тепловую происходит с минимальными потерями.

По своей природе электрическая дуга сопоставима с другими видами зарядов. Ее отличительные особенности:

  • созданная плотным током высокая температура;
  • небольшое снижение катодного и анодного напряжения, которое в малой степени зависит от изначально заданного вольтажа;
  • электрическое поле между полюсами распределяется неравномерно;
  • устойчивость электрической дуги в пространстве;
  • мощность и вольтамперные характеристики саморегулируются;
  • границы электродуги четко очерчены.

Зажечь дугу можно одним из двух способом: чирканьем или коротким прикасанием.

Характеристики сварочной дуги.

СЛАЙД 30 Зависимость напряжения U на сварочной дуге от тока I называется вольтамперной характеристикой сварочной дуги.

СЛАЙД 31 Статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги имеет вид:

U

I

Характеристика дуги называется статической, потому что получена при постоянной длине дуги и относительно медленном изменении тока, настолько медленном, что физико-химические процессы в дуговом пространстве, вызванные изменением тока, успевают стабилизироваться.

СЛАЙД 30 Общее напряжение на дуге U равно сумме напряжений анодной, катодной области и столба дуги.

U=U+U+U;

С ростом тока I , F- растёт; тогда сопротивление дуги падает, уменьшается и напряжение столба U;

Напряжение катодной и анодной области постоянно и, следовательно, общее напряжение на сварочной дуге падает.

В средней части вольтамперной характеристики дуги одновременно с уменьшением напряжения столба, возрастает напряжение в катодных и анодных областях. Следовательно, общее напряжение в области II относительно стабилизируется.

В области III значение U столба стабилизируется, значения напряжений в анодных и катодных областях увеличиваются. Следовательно, общее напряжения начинает возрастать.

СЛАЙД 32 Значения тока при ручной дуговой сварке соответствует области I (падающая характеристика дуги).

Значения тока при сварке с использованием автоматической подачи проволоки соответствует области II (пологая характеристика дуги).

Значения при автоматической сварке (возрастающая характеристика) соответствуют области III вольтамперной характеристики сварочной дуги.

Тепловой и электрический баланс дуги

СЛАЙД 33 Основной характеристикой сварочной дуги как источника энергии для сварки является эффективная тепловая мощность qи. Эффективная тепловая мощность источника сварочного нагрева – это количество теплоты, введенное в металл за единицу времени и затраченное на его нагрев. Эффективная тепловая мощность является частью общей тепловой мощности дуги q, так как некоторое количество тепла дуги непроизводительно рас­ходуется на теплоотвод в металле, излучение, нагрев капель при разбрызгивании.

Отношение эффективной тепловой мощности к полной тепловой мощности источника теплоты называется эффективным коэффициентом полезного действия (к.п.д.) процесса нагрева .

СЛАЙД 34 Полную тепловую мощность сварочной дуги, т. е. количество теплоты, выделяемое дугой в единицу времени, приближенно считают равной тепловому эквиваленту ее электрической мощности q=IUд, где I – величина сварочного тока, A; Uд падение напряжения на дуге, В.

СЛАЙД 35 Соответственно, эффективная тепловая мощность определяется выражением qи=IUди.

ηu – коэффициент полезного действия сварочной дуги, показывающий какое количество электрической энергии идет на нагрев сварочного изделия.

Значение и может меняться от 0,3 до 0,95 и для различных видов сварки ориентировочно составляет: открытая угольная дуга – 0,5–0,65; дуга в аргоне – 0,5–0,6; сварка штучными покрытыми электродами – 0,7–0,85; сварка под флюсом – 0,85–0,93.

СЛАЙД 36 Количество тепла, вводимое в металл источником нагрева и отнесенное к единице длины шва, называется погонной энергией сварки. Погонная энергия (в Дж/м) равна отношению эффективной мощности источника тепла (дуги) qи к скорости перемещения дуги v.

.

При образовании сварного шва эффективная тепловая мощность дуги расходуется на расплавление основного и присадочного металла.

11

Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ)

Статическая вольт-амперная характеристика дуги – показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине. Электрическая дуга, как элемент цепи тока, обладает ярко выраженной нелинейностью, т. е. между ее током I и напряжением U нет пропорциональной связи. Зависимости U = f (I) при прочих неизменных условиях для таких элементов чаще всего изображаются в виде кривых, называемых вольт-амперными характеристиками (см. рис.).
  Если величины U измерены в состояниях устойчивого равновесия разряда при разных токах, то характеристики называются статическими. Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга.
  Построение вольт-амперных характеристик связано с большими трудностями не только из-за сложности измерения длины дуги между плавящимися электродами, но и поддержания неизменными прочих условий.

Статическая ВАХ имеет три области

  • Первая область I характеризуется резким падением напряжения U на дуге с увеличением тока сварки I. Такая характеристика называется падающей и вызвана тем, что при увеличении тока сварки происходит увеличение площади, а следовательно, и электропроводности столба дуги.
  • Во второй области II характеристики увеличения тока сварки не вызывают изменения напряжения дуги. Характеристика дуги на этом участке называется жесткой. Такое положение характеристики на этом участке 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.
  • В третьей области III с увеличением сварочного тока возрастает напряжение на дуге U. Такая характеристика называется возрастающей. 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.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой.
  При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической, так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток.

Для стабильного горения дуги необходимо, чтобы было равенство между напряжениями и токами дуги и источника питания.
  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.

В представленных на сайте сварочных агрегатах Shindaiwa предусмотрена возможность переключения типа ВАХ – СС (крутопадающая) и CV (жесткая). За счет этого агрегаты могут использоваться для многих видов сварочных работ (DGW500DM DGW400DMK DGW310MC).

Похожие статьи о сварке

Дуга сварочная характеристика — Энциклопедия по машиностроению XXL

Защита зоны дуги сварочной ванны в полуавтоматах для дуговой сварки (наплавки) в среде защитных газов плавящимся электродом осуществляется активными или инертными газами, а также их смесями [27, 29]. Полуавтоматы этой фуппы надежны в работе, просты в обслуживании, позволяют выполнять сварку в любых пространственных положениях изделия и наблюдать за дугой, имеют сравнительно невысокую стоимость. Техническая характеристика рассматриваемых полуавтоматов и серийно изготовляемого полуавтомата ПДИ-304 для импульсно-дуговой сварки приведена в табл. 1.14.  [c.64]
Многопостовой трансформатор служит для одновременного питания нескольких сварочных дуг (сварочных постов) и имеет жесткую характеристику. Для создания устойчивого горения сварочной дуги и обеспечения падающей внешней характеристики в сварочную цепь дуги включают дроссель. Для дуговой сварки сварочные трансформаторы подразделяются по конструктивным особенностям на две основные группы  [c.137]

В качестве источников сварочного тока можно применять сварочные трансформаторы, механические преобразователи тока, полупроводниковые выпрямители и сварочные агрегаты с двигателями внутреннего сгорания. Отличительной особенностью источников сварочного тока является крутопадающая характеристика, т. е. способность ограничивать величину сварочного тока до безопасного для источника тока значения при коротком замыкании сварочной дуги. Сварочные трансформаторы дают переменный ток частотой 50 Гц, остальные источники — постоянный ток.  [c.253]

Во второй области П увеличение тока не вызывает изменения напряжения дуги. Статическая характеристика сварочной дуги на этом участке называется жесткой. Постоянная величина напряжения на участке жесткой  [c.13]

В третьей области (III) с увеличением сварочного тока возрастает напряжение дуги /д. Характеристика называется возрастающей, так как плотность тока на электроде увеличивается без увеличения катодного пятна, при этом сопротивление столба дуги возрастает, а его электропроводность понижается. Приведенные на рис. 5 участки 1, 2, 3 относятся к статическим характеристикам дуг, применяемых при различных способах сварки.  [c.14]

Плавление электрода. Плавление электрода происходит главным образом за счет тепловой энергии дуги. Основной характеристикой плавления электрода являются линейная или массовая скорости плавления, измеряемые длиной или массой расплавленного электрода (проволоки) в единицу времени. Скорость плавления зависит от состава сварочной проволоки, покрытия, флюса, защитного газа, режима сварки, плотности и полярности тока, вылета электрода и ряда других факторов. Но и для одних и тех же условий сварки скорость плавления электрода не остается постоянной, а может постепенно изменяться. Поэтому на практике используют в качестве характеристики среднюю скорость плавления электрода, которая обычно определяется за некоторый произвольный, но значительно превосходящий длительность периода капельного перехода промежуток времени.  [c.68]


Физические явления, происходящие в сварочной дуге, в основном освещены в гл. П. Установлено, что напряжение дуги при неизменном токе зависит от расстояния между электродами и имеет линейный характер (см. рис. 2-1). Напряжение дуги зависит также от величины сварочного тока 1 — Эту зависимость при постоянной длине дуги принято называть вольт-амперной характеристикой дуги (см. рис.2-3). Различают три участка кривой крутопадающий, горизонтальный и возрастающий. Практическое значение имеют режимы горения дуги, соответствующие последним двум участкам. Режимы горения, соответствующие первому участку, относительно неустойчивы и поэтому трудно осуществимы при безопасных для работы напряжениях источников питания. С увеличением длины дуги расположение характеристики изменяется (рис. 8-6, кривые 5 и 6). Приведенная зависимость справедлива для сварки неплавящимся и плавящимся электродами. Однако в связи с тем, что в последнем случае металл попадает в ванну в виде отдельных капель, длина дуги непрерывно меняется, что вызывает колебания ее тока и напряжения.  [c.378]

Для регулирования процесса сварки используется микрокомпьютер, поэтому сварочный агрегат обладает высокими сварочными характеристиками. Особыми его отличиями являются быстрое зажигание, низкое разбрызгивание и надежная стабильность дуги. Сравнительная средняя продолжительность зажигания дуги для данного аппарата и обычного полуавтомата с выпрямителем приведена на рис. 4.140. Продолжительность зажигания — это промежуток времени от момента прикасания электрода к детали до момента достижения стабильного процесса сварки.  [c.269]

ЛЫ сварочного тока. Зависимость напряжения от силы тока при разной длине дуги в случае ручной дуговой сварки показана на фиг. 1, где каждая из линий, выражающих эту зависимость, носит название характеристика дуги . По характеристикам видно, что напряжение на дуге увеличивается с увеличением длины дуги и уменьшается с ростом тока до 40—50 а. Дальнейшее увеличение тока практически не влияет на характеристику дуги.  [c.12]

И устойчивом горении дуги ее характеристика смещается с положения И и занимает положение III, а напряжение возрастает до значения, указанного точкой t . Эта точка соответствует режиму устойчивого горения сварочной дуги. Ток короткого замыкания (точка 4) не должен превышать сварочный ток (точка 5) более чем в 1,5 раза / [c.18]

Питание дуги сварочным током может производиться от обычных генераторов с падающей характеристикой, предназначенных для ручной дуговой сварки или сварки под флюсом. Однако более высокую устойчивость процесса сварки, особенно при малых токах, обеспечивают генераторы с жесткой характеристикой. Поэтому при сварке тонколистовых сталей предпочтительнее применение генераторов с жесткой внешней характеристикой.[c.193]

Зависимость между напряжением и током в сварочной дуге выражается характеристикой дуги. Для устойчивого горения дуги требуется, чтобы ее характеристика пересекалась с характеристикой генератора. На рис. 23, г показана диаграмма с наложенными друг на друга характеристиками машины и дуги. 58  [c.58]

При питании сварочного поста от источника тока с жесткой или возрастающей внешней характеристикой сварочная дуга возбуждается легче, что имеет большое значение в случае сварки на малых токах. Сварочная дуга при полуавтоматической или автоматической сварке обладает свойством саморегулирования. Оно заключается в том, что если по каким-либо причинам уменьшится длина дуги, то увеличится сварочный . ток (отрезок Сг Сь на фиг. 11) и соответственно увеличится скорость плавления электродной проволоки. Но так как скорость подачи проволоки при сварке на определенном режиме всегда постоянна и с увеличением тока конец электрода начинает быстрее оплавляться, длина дуги через какой-то промежуток времени увеличится и примет свою первоначальную величину. Это свойство саморегулирования дуги проявляется более интенсивно, если дуга питается от сварочного генератора с жесткой внешней характеристикой. На фиг. 17 показано, что при жесткой внешней характеристике с уменьшением длины дуги сварочный ток увеличится больше, чем при падающей внешней характеристике. А более резкое увеличение тока вызовет более резкое увеличение скорости плавления электродной проволоки и более быстрое восстановление режима сварки.  [c.44]

В установившемся (статическом) режиме устойчивость горения дуги определяется видом и соответствием статических характеристик источника питания и сварочной дуги. Статическая характеристика дуги (см.  [c.13]

Сварочные генераторы и трансформаторы должны обладать хорошими динамическими свойствами, т. е. мгновенно реагировать на изменение вольт-амперной характеристики сварочной дуги. Падающая характеристика в сварочных генераторах обеспечивается воздействием магнитного поля якоря на магнитное поле полюсов генератора, а в сварочных трансформаторах — последовательным включением индуктивного сопротивления — дросселя (рис. 156, а).  [c.263]

Зависимость напряжения дуги от тока в сварочной цепи при условии постоянной длины дуги называют статической вольт-амперной характеристикой дуги. Такая характеристика представлена на рис. 2.3.  [c.27]

Требования к статической устойчивости системы источник питания — сварочная дуга. Зависимость между напряжением дуги [/j,, необходимым для поддержания устойчивого горения дуги, и током дуги /д называется статической вольт-амперной характеристикой дуги.  [c.124]

Таблица 2i. Характеристики наиболее распространенных типов сварочных преобразователен для питания дуги постоянным током
Для обеспечения устойчивости горения дуги с возрастающей характеристикой применяют источники сварочного тока с жесткой или возрастающей характеристикой (сварка в защитных газах плавящимся электродом и автоматическая под флюсом током повышенной плотности).[c.188]

Вольт-амперной характеристикой ВАХ дуги называется заг симость напряжения дуги от сварочного тока (рис. 28). ВАХ име  [c.56]

Тепловая мощность дуги. Основной характеристикой хварочной дуги как источника энергии для сварки является эффективная тепловая мощность Эффективная тепловая мощность источника сварочного нагрева — это количество теплоты, введенное в металл за единицу времени и затраченное на его нагрев. Эффективная тепловая мощность является частью общей тепловой мощности дуги д, так как некоторое количество тепла дуги непроизводительно расходуется на теплоотвод в металле, излучение, нагрев капель при разбрызгивании.  [c.11]

Генератор с независимой о б о т и о н в о а б у ж д е-н и я и размагничивающем последовательной обмоткой (рис. 18, а). Независимая обмотка /, питающаяся от сети переменного тока через селеновый выпрямитель, создает магннт1 ый поток, индуктирующий на щетках генератора напряжение, необходимое для возбуждения дуги. Падающую характеристику создает размагничивающая обмотка 2, поток которой направлен встречно потоку обмотки 1. Регулирование сварочного тока производится переключением числа витков последовательной обмотки клемма а — диапазон больших токов, клемма б — диапазон малых токов. В пределах каждого диапазона сварочным ток плавно регулируется реостатом Я.  [c.73]

МС-160, с помощью которого через винтовую пару и цангодержатель неп.чавящийся электрод может перемещаться по вертикальной оси в небольших пределах, стабилизируя напряжение дуги. Сварочные горелки, двигаясь по изделию, перемещают ползуны, предназначенные для газовой защиты зоны дуги. Ползуны представляют собой гибкое соединение отдельных секций и могут принимать конфигурацию стыка свариваемых деталей. Контроль за перемещением сварочной горелки по стыку осуществляется угольным датчиком, выход которого подключен к системе управления СУ-132 или аналогичного типа. Техническая характеристика автомата АД-143 приведена в табл. 21,  [c.157]

Теоретически схема (рис. 2.1) считается схемой силового трансформатора, у которого магнитное рассеивание минимально, — в идеале его внешняя характеристика должна устремляться в сторону жесткой. Однако, как многие уже успели испытать на практике, в реальной жизни нет ничего идеального. На самом деле такие трансформаторы обладают нормальными сварочными характеристиками, даже если они выполнены на компактных магнитопроводах с плотно сидящими обдютками, то и при этом не приходится прибегать к ка-ким-либо дополнительным средствам улучшения горения дуги. Подтверждение тому — тысячи изготовленных и успешно эксплуатируемых самодельных конструкций, выполненных по подобной схеме. Кроме того, эта схема может обеспечить наивысший КПД, а значит, максимальную выходную мощность сварки. Тем более что характеристику вполне можно подправить сразу же в процессе изготовления, увеличив магнитное рассеивание путем добавления воздушных зазоров между слоями обмоток.  [c. 47]

Зависимость между напряжением и током в самой сварочной дуге выражается характеристикой дуги. Для устойчивого горения дуги ее характеристика должна пересекаться с характеристикой генератора. На рис. 137, г показана диаграмма с на-ложенны.ми друг на друга характеристиками генератора и дуги. Характеристика генератора в этом случае создает условия для устойчивого горения дуги при зажигании дуги электрод касается металла и напряжение дуги от начальной величины в точке I изменяется по кривой 1—2 до точки 2 пересечения с характеристикой генератора. Точка 2 соответствует началу отвода электрода от ванны. При отводе электрода дуга удлиняется и напряжение в ней возрастает по кривой 2—3 до точки 3 пересечения с характеристикой  [c.310]

Зависимость паиряжоиия источ1[ика питания от силы тока нагрузки называется внешней характеристикой источника питания. Рассмотрим условия устойчивого состояния системы (устойчивого горения сварочной дуги).  [c. 125]

Фактически величины dL ldI и dUJdl — динамические сопротивления сварочной дуги и источника питания при данной величине тока дуги /д у. Коэффициент — динамическое сопротивление всей энергетической системы источник питания — сварочная дуга в данном режиме работы. Таким образом, устойчивое горение дуги определяется только общим динамическим сопротивлением системы источник питания — дуга. Если оно положительно — режим устойчив. При нормальных сварочных режимах (сила тока дуги 100—800 А) dUp /dl 0. Это свойственно источникам с падающей внешней характеристикой (рис. 71, б), жесткой или даже возрастающей, но при условии, что dUJdl [c.126]

При сварке алюминиевых сплавов больших толщин и с высокой производительностью применяют трехфазную дугу и неплавнщиеся вольфрамовые электроды. Источники питания для такого вида сварки также имеют падающие внен1пие характеристики и позволяют регулировать режим с помощью переключателя ступеней или подмагничиваемых шунтов. Здесь также необходима компенсация постоянной составляющей путем включения батареи конденсаторов в сварочную цепь. Как правило, схему источника питания комплектуют осциллятором и системой заварки кратера.  [c.150]

Релшмом сварки называют совокупность основных характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получение сварных швов заданных раз.меров, формы и качества. При ручной дуговой сварке это диаметр электрода, сила сварочного тока, напряжение дуги, площадь поперечного сочения шва, выполняемого за один проход дуги, число проходов, род тока, полярность и др.  [c.180]

Электрические свойства дуги описываются статической вольт-амперной характеристикой, представляющей собой зависимость между напряжением и током дуги в состоянии устойчивого горения (рис. 5.3, а). Характеристика состоит из трех участков / — характеристика падающая, II — жесткая, /// — возрастающая. Самое широкое примеиеиие нашла дуга с жесткой н возрастающей характеристиками. Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет огра1П1ченное применение. В последнем случае для поддержания горения дуги необходимо постоянное включение в сварочную цепь осциллятора. Каждому участку характеристики дуги соответствует определенный характер переноса расплавленного электродного металла S сварочную ванну / и // — крупнокапельный, III — мелко-капельный или струйный.  [c.186]

Источники тока для питания сварочной дуги должны иметь специальную внешнюю характеристику. Внешней характеристикой источника называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характеристики могут быть следуюш,их основных видов падаю1цая /, полого-падаюш,ая 2, жесткая 3 и возрастающая 4 (рис. 5.4, а). Источник тока выбирают в зависимости от вольт-амиериой характеристики дуги, соответствующей принятому способу сварки.  [c.187]

Для питания дуги с жесткой характеристикой применяют источники с падающей или пологопадающей внешней характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом). Режим горения дуги определяется точкой пересечения характеристик дуги 6 и источника тока / (рис. 5.4, б). Точка С соответствует режиму устойчивого горения дуги, точка А — режиму холостого хода в работе источника тока в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Режим холостого хода характеризуется повышенным напряжением (60—80 В). Точка D соответствует режиму короткого замыкаиия при зажигании дуги и ее замыкании каплями жидкого электродного металла. Короткое замыкание характеризуется малым напряжением, стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током.  [c.187]

Источники сварочного тока с падающей характеристикой необходимы для облегчения зажигания дуги за счет повышенного иаиря-жеиия холостого хода, обеспечения устойчивого горения дуги и практически постоянной проплавляющей способности дуги, так как колебания ее длины и напряжения (особенно значительные при ручной сварке) не приводят к значительным изменениям сварочного  [c.187]

Внешняя характеристика йсточыи питания и вольт-ампериая характер стика дуги. Источники тока для пиния сварочной дуги должны иметь с циальную сварочную внешнюю харак ристику. Внешней характеристикой г точника питания называется зави мость между напряжением на его выл ных клеммах и током в сварочной це Внешние характеристики (рис. 27) л гут быть следующих основных видов -крутопадающая /, пологопадающая 2, жесткая 3, возрастающая  [c.56]


Вольт амперная характеристика сварочной дуги

Соответствие выбранного источника питания

Вольтамперная характеристика дугиВнешняя вольтамперная характеристика источника питания
КрутопадающаяПологопадающаяЖесткаяВозрастающая
Падающаясоответствуетсоответствуетне соответствуетне соответствует
Жесткаясоответствуетсоответствуетне соответствуетне соответствует
Возрастающаяне соответствуетне соответствуетсоответствуетсоответствует

Статической вольтамперной характеристикой дуги называют зависимость электрического напряжения от тока при постоянной длине дуги.

Напряжение дуги при малых плотностях тока в электроде падает при увеличении тока (падающая статическая характеристика), далее при увеличении плотности тока в определенном интервале остается практически постоянным (жесткая характеристика), а затем увеличивается с ростом тока в дуге (возрастающая характеристика).

Падение напряжения с ростом тока наблюдается только при малых токах (порядка до 50 А) и может быть отнесено за счет улучшения условий термической ионизации. После возбуждения дуги возникает большее число носителей заряда, проводимость столба дуги увеличивается и ток возрастает при уменьшении напряжения.

Дальнейшее увеличение тока приводит к росту поперечного сечения столба дуги без изменения его проводимости, поэтому напряжение на дуге остается практически постоянным.

Внешней вольтамперной характеристикой источника питания дуги называется зависимость напряжения источника питания (Uип) от величины сварочного тока (Iсв).

Источники питания дуги имеют следующие виды внешних характеристик: крутопадающую, пологопадающую, жесткую и возрастающую. Крутопадающая характеристика применяется для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, пологопадающая и особенно жесткая – для механизированной сварки плавящимся электродом с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки в зону дуги, возрастающая – для механизированной сварки под флюсом.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8589 – | 7406 – или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Для того чтобы разобраться в работе сварочного инвертора затронем немного тему возникновения сварочной дуги. Рассмотрим вольт – амперную характеристику электрической дуги, возникающей при сварке (далее ВАХ).

Ниже показана вольт – амперная характеристика дуги в общем виде:

Как мы можем наблюдать из графика при малых токах, до 80 А, характеристика имеет падающий характер. Этим свойством необходимо пользоваться, потому что, если посмотреть на график, чем выше напряжение, прикладываемое к искровому промежутку, тем легче будет возникать электрическая дуга. Это значит, что дуга загорится от меньшего значения тока, чем на прямолинейном участке ВАХ. Как раз с целью облегчения зажигания дуги в сварочных инверторах применяют осцилляторы и прочие устройства, повышающие напряжения сварочных аппаратов. Для сварочных аппаратов инверторного типа стандартное напряжение колеблется, как правило, в промежутке от 70 В до 95 В и зависят от вольтдобавочной конструкции.

Приблизительный график ВАХ инвертора должен выглядеть примерно так:

Стабильный поджиг, а также поддерживание стабильного горение электрической дуги обеспечивает высокое напряжение холостого хода (ХХ). При обеспечении такой ВАХ легко поджигаются и хорошо горят электроды всех марок, также электроды для сварки цветных металлов, нержавейки и чугуна. Конечно выше показанная идеализированная ВАХ, но нужно стремится к получению именно такой характеристики. Мы рассмотрели участок только до 100 А, но главное на этом участке добиться значения ВАХ похожей на характеристику сварочной дуги, так как от этого зависит устойчивость дуги и качество сварочного шва. В итоге можно сформулировать первое требование к работе сварочного инвертора – это крутопадающая ВАХ. Если это условие не выполнено, то сварочный аппарат с достойными параметрами не получится.

Теперь рассмотрим участок от 80 А до 800 А. На этом участке дуга будет являться стабилизатором напряжения. Этот участок является наиболее подходящем для переноса расплавленного металла к свариваемому изделию. На данном участке напряжение дуги не зависит от тока, а зависит от ее длины.

Величину данного напряжения можно вычислить по формуле:

Где: UД – напряжение, В;

а – коэффициент, он постоянен и выражает сумму падений напряжений на катоде и аноде и не зависим от длины дуги, В;

b –напряжение среднее на единицу длины, В/мм;

L – длина дуги, мм;

Для стальных электродов коэффициенты а и b можно принять а=10 В, b=2 В/мм, соответственно напряжение для дуги длиной L=4 мм будет равно:

При атмосферном давлении и при сварке металлическим электродом будет гореть устойчиво при напряжении 18 – 28 В. Это и будет вторым требованием к нормальной работе сварочного инвертора. Итак, во всем рабочем диапазоне от 80 А до максимального значения тока, рабочее напряжение не должно уменьшатся менее 18 В, а чтоб поддержать гарантированно стабильную работу не ниже чем 22 – 24 В.

Рассмотрим третий участок кривой работы сварочного инвертора. Этот отрезок очень важен для обеспечения бесперебойной работы инвертора, ограничения тока КЗ, безопасной работы силовых ключей и так далее. В разных конструкциях преобразовательных устройств он может формироваться по разному. В инверторах с ШИМ модуляцией, ограничения тока силовой цепи реализовывают через обратную связь (ОС). В качестве датчика ОС применяют трансформатор тока. При достижении максимального тока импульс с трансформатора тока поступает на вход блока ограничения тока (БОТ), который выдает команду на прерывание импульсов силовых ключей.

На осциллограмме это будет выглядеть как уменьшение скважности импульсов (длительность импульса в открытом состоянии уменьшится), что приведет к уменьшению напряжения, но ток будет расти. Крутизна такого участка будет зависеть от быстроты реакции контроллера на изменения в нагрузке. Для резонансных инверторов этот участок ВАХ имеет более пологий наклон. Это зависит от добротности L – C цепочки – чем она выше, тем более крутой угол наклона кривой. Поэтому при правильной настройке сварочного аппарата можно обойтись без токовой ОС. Как видим резонансные преобразователи не боятся режима КЗ. И это будет третье требование к сварочным инверторам.

Также нужно обратить внимание на такие виды защит как:

  • Безопасность сварщика. Он не должен попасть под опасное для жизни напряжение;
  • Защита от длительного КЗ и перегрева силовых частей инвертора;
  • Защиту от попадания влаги и пыли в устройство;
  • Система стабилизации горения дуги и поджига;

Зависимость напряжения дуги при постоянной ее длине от силы сварочного тока называется ее волып-ампер- ной характеристикой.

В вольт-амперной характеристике различают три области (рис. 5.13). Область / – это область малых токов (

Рис. 5.13. Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Ей соответствует падающая характеристика, поскольку с увеличением тока увеличивается объем разогретого газа (увеличивается площадь сечения столба дуги) и степень его ионизации, электрическая проводимость дуги при этом возрастает, а сопротивление столба дуги уменьшается. В результате падает нужное для поддержания дугового разряда напряжение. Сварочная дуга, имеющая падающую вольт-ам- перную характеристику, обладает малой устойчивостью.

В области II при дальнейшем увеличении тока столб дуги несколько сжимается и объем газа, участвующего в переносе зарядов, уменьшается. Это приводит к уменьшению скорости образования заряженных частиц. Напряжение дуги становится мало зависящим от тока, а вольт- амперная характеристика – жесткая.

Падающая и жесткая характеристики соответствуют ручной дуговой сварке покрытыми электродами и сварке неплавящимся электродом в защитных газах.

Область III – это область больших токов, и степень ионизации здесь очень высока. С увеличением силы тока происходит интенсивное сжатие столба дуги, его напряжение увеличивается, а вольт-амперная характеристика становится возрастающей. Такая характеристика соответствует дуговой сварке под флюсом и сварке в защитных газах тонкой проволокой токами большой плотности.

Зависимость напряжения в сварочной дуге от ее длины описывается уравнением

где а – сумма напряжений на аноде и катоде, В; Ъ – падение напряжения в столбе дуги на 1 мм ее длины, В/мм; 1А длина дуги, мм.

С увеличением длины дуги ее напряжение увеличивается, и кривая вольт-амперной характеристики дуги поднимается выше, сохраняя свою форму.

Характеристики источника питания

— TWI

Основная цель источника питания для дуговой сварки — подавать регулируемый сварочный ток при напряжении, требуемом для процесса сварки. К процессам дуговой сварки предъявляются различные требования в отношении средств управления, необходимых для обеспечения требуемых условий сварки, которые, в свою очередь, влияют на конструкцию источника питания. Чтобы понять, как требования процессов влияют на конструкцию источника питания, необходимо понимать взаимодействие источника питания и характеристик дуги.

Если построить график зависимости напряжения сварочной дуги при различной длине дуги от сварочного тока, то получатся кривые, показанные на рис. 1. Наибольшее напряжение — это напряжение холостого хода источника питания. После зажигания дуги напряжение быстро падает, поскольку газы в дуговом промежутке становятся ионизированными и электрически проводящими, электрод нагревается и размер столба дуги увеличивается. Сварочный ток увеличивается по мере падения напряжения до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой соотношение напряжение / ток становится линейным и начинает соответствовать закону Ома.Из рисунка 1 важно отметить, что по мере изменения длины дуги изменяются и напряжение, и сварочный ток — более длинная дуга дает более высокое напряжение, но с соответствующим падением сварочного тока и наоборот. Эта характеристика сварочной дуги влияет на конструкцию источника питания, поскольку большие изменения сварочного тока при ручной металлической дуге (MMA) и сварке TIG нежелательны, но необходимы для процессов сварки MIG / MAG и порошковой дугой.

Поэтому источники питания

MMA, TIG и дуговой сварки под флюсом разработаны с так называемой статической характеристикой падающего выхода или постоянного тока, источники питания MIG / MAG и FCAW с плоской статической характеристикой или статической характеристикой постоянного напряжения.На большинстве источников питания наклон характеристики можно изменить, чтобы сгладить или сделать более крутыми кривые, показанные на рис. 2 и 3

На рис. 2 показаны статические характеристики падающего или постоянного тока источника питания, такие как те, которые используются для процесса MMA или TIG, наложенные на кривые характеристики дуги. При ручной сварке длина дуги постоянно меняется, так как сварщик не может поддерживать постоянную длину дуги. При использовании источника постоянного тока, когда длина дуги изменяется из-за того, что сварщик манипулирует сварочной горелкой, происходит лишь небольшое изменение сварочного тока — чем круче кривая, тем меньше изменение тока, поэтому не будет скачков тока и достигается стабильное состояние сварки. Поскольку в первую очередь сварочный ток определяет такие характеристики, как проплавление и расход электрода, это означает, что длина дуги менее критична, что упрощает задачу сварщика по достижению прочных бездефектных сварных швов. Обычно изменение на ± 5 В приводит к изменению примерно на ± 8 А при сварочном токе 150 А.

В некоторых ситуациях — например, при сварке в верхнем положении или когда сварщик сталкивается с переменными корневыми зазорами — это преимущество, если сварщик имеет гораздо больший контроль над скоростью наплавки, позволяя ему изменять скорость, изменяя длину дуги. .В такой ситуации будет полезна более плоская характеристика источника питания.

Сварка под флюсом также использует источник питания с падающей характеристикой, в котором сварочный ток и скорость подачи электрода согласованы со скоростью, с которой проволока плавится и переносится через дугу в сварочную ванну — «скорость выгорания». Это согласование параметров осуществляется системой мониторинга, которая использует напряжение дуги для управления скоростью подачи электрода — если длина дуги / напряжение увеличивается, скорость подачи проволоки увеличивается для восстановления равновесия. Характеристика источника питания с постоянным напряжением проиллюстрирована на рис. 3. Это показывает, что по мере изменения длины дуги и, следовательно, напряжения, происходит большое изменение сварочного тока — по мере того, как дуга удлиняется, сварочный ток падает, поскольку дуга укорачивает ток. увеличивается.

В источниках питания MIG / MAG и FCAW сварочный ток регулируется скоростью подачи проволоки, сварочный ток определяет скорость, с которой сварочная проволока плавится и передается через дугу в сварочную ванну — «прогорание» ставка.Следовательно, по мере уменьшения тока скорость выгорания также падает, меньше проволоки плавится и кончик проволоки приближается к сварочной ванне. При этом уменьшается напряжение, увеличивается сварочный ток и, следовательно, скорость выгорания. Поскольку скорость подачи проволоки постоянна, возникает избыток выгорания при подаче проволоки, так что желаемая длина дуги, напряжение и ток восстанавливаются. Также происходит обратное: сокращение длины дуги вызывает снижение напряжения, ток увеличивается, скорость догорания увеличивается, в результате чего дуга удлиняется, напряжение увеличивается, а сварочный ток падает до тех пор, пока не будут установлены предварительно заданные условия сварки. восстановлены.Опять же, типичное значение изменения сварочного тока для источника питания постоянного напряжения будет в диапазоне ± 40 ампер при изменении длины дуги на ± 5 вольт. Эта функция дает нам так называемую «саморегулирующуюся дугу», при которой изменения длины дуги, напряжения и тока автоматически возвращаются к требуемым значениям, обеспечивая стабильные условия сварки. Это несколько упрощает задачу сварщика по сравнению со сваркой MMA или TIG. Хотя в принципе возможно использовать источник питания с характеристикой постоянного напряжения для сварки MMA, сварщику гораздо труднее оценить скорость выгорания, чем длину дуги, поэтому возникает нестабильность дуги, и метод не применим на практике.

Помимо этого контроля напряжения сварочной дуги важна скорость, с которой источник питания реагирует на короткое замыкание — это известно как динамическая характеристика источника питания. Короткие замыкания возникают при зажигании дуги и при сварке MIG / MAG при переносе погружением. Когда напряжение падает до нуля, при коротком замыкании увеличивается ток. Если это увеличение тока происходит быстро и неконтролируемо, то наконечник электрода перегорает, как электрический предохранитель, что приводит к чрезмерному разбрызгиванию — слишком медленный подъем, и электрод может врезаться в сварочную ванну и погасить дугу.Это не слишком важно при использовании процесса MMA, поскольку максимальный ток при нулевом напряжении контролируется наклоном статической характеристической кривой, и сварщик может легко установить дуговый зазор. Однако это важно в процессе MIG / MAG, где используется источник питания с плоской статической характеристикой, и ток может возрасти до чрезвычайно высокого значения, в частности, при сварке в режиме погружения или короткого замыкания.

Таким образом, в электрическую цепь источника питания вводится электрический компонент, называемый индуктором.Это устройство противодействует изменениям сварочного тока и, следовательно, снижает скорость увеличения тока во время короткого замыкания. Индуктивность является переменной и может регулироваться для обеспечения стабильного состояния, как показано на рис. 4. Индуктивность в сварочной цепи также приводит к меньшему количеству коротких замыканий в секунду и увеличению времени горения дуги — это дает более гладкий сварной шов лучшей формы. Однако слишком большая индуктивность может привести к такому медленному нарастанию сварочного тока, что у дуги будет недостаточно времени для восстановления и расплавления кончика проволоки, так что сварочная проволока затем попадет в сварочную ванну.Индуктивность во время переноса распылением также способствует лучшему и менее резкому зажиганию дуги.

Эту статью написал Джин Мазерс.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА

Электрическая дуга — это форма самоподдерживающегося газового разряда, т. Е. Разряда, который не требует внешнего источника ионизации газа для непрерывного горения. Электрическая дуга горит между двумя электродами: положительным (анод) и отрицательным (катод). Если электрическая дуга подается от источника питания переменного тока с заданной частотой, то катод и анод заменяют друг друга с той же частотой. Термин «дуга» связан с тем, что достаточно длинный разряд между горизонтальными электродами имеет форму дуги, вызванную свободноконвективным вертикальным движением газа. Длинную электрическую дугу можно разделить на три области: проводящий столб, свойства которого на некоторой длине, за исключением электродов, не зависят от физических явлений около электродов; и две области около электродов, а именно прианодная и прикатодная области. В приэлектродных областях обычно происходит заметное увеличение напряженности электрического поля по сравнению со столбом электрической дуги.Падения напряжения в этих областях называются катодными и анодными падениями напряжения. Их значения обычно не превышают 10 вольт.

В столбе электрической дуги газ нагревается до высокой температуры, и его электропроводность связана в основном с процессами термической ионизации. При давлениях выше атмосферного газ в столбе электрической дуги обычно находится в состоянии локального термодинамического равновесия.

Электрическая дуга, которая горит в большом объеме газа и не подвержена влиянию внешних факторов (например,(например, потоком газа или приложенным магнитным полем) называется дугой свободного горения. Такая дуга обычно быстро и беспорядочно перемещается и меняет свою форму. В специальных устройствах, в частности в плазмотронах, можно иметь стационарную электрическую дугу (например, дугу, горящую в узком цилиндрическом изолирующем канале) или организовать ее движение упорядоченным образом. Такие электрические дуги называются стабилизированными дугами.

Зависимость напряжения электрической дуги от ее тока называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).ВАХ классифицируются на статические ВАХ, которые основаны на стационарных значениях тока и напряжения, и на динамические ВАХ, которые связывают соответствующие мгновенные значения.

ВАХ большинства электрических дуг постоянного тока (DC) такова, что рост тока приводит к снижению напряжения (характеристика спада, см. Рис. 1, кривая 1) или к постоянному напряжению (независимая характеристика). Таким образом, электрическая дуга не подчиняется закону Ома и представляет собой нелинейный элемент электрической цепи.Чтобы поддерживать стабильное горение электрической дуги, дополнительный резистор подключается последовательно с дугой для увеличения наклона собственной ВАХ источника питания (см. Рисунок 1: кривая 2 — ВАХ источника питания без резистора; кривая 3 — ВАХ источника питания. источник питания с резистором). Точка A соответствует нестабильному горению электрической дуги, поскольку при случайном увеличении тока I a на величину ΔI возникает положительная разность потенциалов ΔV, которая вызывает дальнейшее увеличение тока до достижения точки B.Это соответствует стабильному горению дуги при токе I b . Дополнительный резистор существенно снижает энергоэффективность электродугового устройства. Чтобы избежать этого недостатка, иногда используются специальные источники питания. Некоторые стабилизированные электрические дуги имеют повышающуюся ВАХ; в этом случае можно существенно уменьшить величину резистора или полностью удалить его из цепи питания.

Рисунок 1. Вольт-амперные характеристики электрических дуг (1 — «падающая» характеристика, 2 — ВАХ для источника питания без резистора, 3 — ВАХ с резистором).

Для электрических дуг переменного тока (AC) зависимость тока от времени в течение каждого полупериода близка к синусоидальной; Зависимость напряжение-время обычно имеет форму, близкую к прямоугольной, с характерным резким пиком напряжения в точке возникновения (так называемый пик зажигания). Динамическая ВАХ переменного тока имеет форму петли, которая указывает на явление гистерезиса, вызванное тепловой инерцией столба электрической дуги. ВАХ, построенная по действующим значениям тока и напряжения, имеет ту же форму, что и дуга постоянного тока при тех же условиях.Поэтому для стабильного горения дуги переменного тока в цепь последовательно с дугой подключают индукционную катушку (реже используется резистор). Преимущество индукционной катушки перед резистором состоит в том, что катушка имеет низкое сопротивление и, следовательно, не влияет на эффективность электродугового устройства. С другой стороны, это приводит к значительному снижению коэффициента мощности.

Электрическая дуга — мощный высококонцентрированный источник тепла и света. Эти свойства электрической дуги определяют основные области ее применения.Электрические дуги широко используются в различных сварочных аппаратах, в дуговых сталеплавильных печах и плазмотронах. Источники дугового света используются в различных осветительных приборах (например, в прожекторах). В кинопроекционной технике используются ксеноновые дуговые лампы высокого давления . Спектр света ксеноновой электрической дуги близок к солнечному, поэтому такие лампы обеспечивают «белый» свет и правильную цветопередачу.

Количество просмотров: 26241 Статья добавлена: 2 февраля 2011 г. Последнее изменение статьи: 10 февраля 2011 г. © Авторские права 2010-2021 К началу

Энергии | Бесплатный полнотекстовый | Характеристики напряжения и тока дуги при постоянном токе низкого напряжения

Рисунок 1. Коммутационное устройство для эксперимента; ( a ) состояние ВКЛ, ( b ) состояние ВЫКЛ.

Рисунок 1. Коммутационное устройство для эксперимента; ( a ) состояние ВКЛ, ( b ) состояние ВЫКЛ.

Рисунок 2. Схема эксперимента с дугой постоянного тока (DC).

Рисунок 2. Схема эксперимента с дугой постоянного тока (DC).

Рисунок 3. Расстояние между электродами.

Рисунок 3. Расстояние между электродами.

Рисунок 4. Источник напряжения.

Рисунок 4. Источник напряжения.

Рисунок 5. Экспериментальные формы сигналов.

Рисунок 5. Экспериментальные формы сигналов.

Рисунок 6. Напряжение дуги между электродами.

Рисунок 6. Напряжение дуги между электродами.

Рисунок 7. Ток дуги.

Рисунок 8. Характеристики порогового напряжения зажигания дуги в виде напряжения источника и тока нагрузки.

Рисунок 8. Характеристики порогового напряжения зажигания дуги в виде напряжения источника и тока нагрузки.

Рисунок 9. Характеристики порогового тока зажигания дуги в виде напряжения источника и тока нагрузки.

Рисунок 9. Характеристики порогового тока зажигания дуги в виде напряжения источника и тока нагрузки.

Рисунок 10. Цепь постоянного тока в пределах длительности дуги.

Рисунок 10. Цепь постоянного тока в пределах длительности дуги.

Рисунок 11. График зависимости между сопротивлением дуги, напряжением источника, током дуги и сопротивлением нагрузки.

Рисунок 11. График зависимости между сопротивлением дуги, напряжением источника, током дуги и сопротивлением нагрузки.

Рисунок 12. Связь сопротивления дуги и тока дуги с параметром изменения напряжения источника.

Рисунок 12. Связь сопротивления дуги и тока дуги с параметром изменения напряжения источника.

Рисунок 13. Результаты экспериментов по сопротивлению дуги и току дуги (изменение напряжения источника).

Рисунок 13. Результаты экспериментов по сопротивлению дуги и току дуги (изменение напряжения источника).

Рисунок 14. Связь сопротивления дуги и тока дуги с параметром изменения тока нагрузки.

Рисунок 14. Связь сопротивления дуги и тока дуги с параметром изменения тока нагрузки.

Рисунок 15. Результаты экспериментов по сопротивлению дуги и току дуги (изменение тока нагрузки).

Рисунок 15. Результаты экспериментов по сопротивлению дуги и току дуги (изменение тока нагрузки).

Рисунок 16. График отношений parc, rarc, iarc.

Рисунок 16. График отношений parc, rarc, iarc.

Рисунок 17. Мощность между электродами при 200 В / 5 А.

Рисунок 17. Мощность между электродами при 200 В / 5 А.

Рисунок 18. 200 В / 5 График экспериментальных результатов (мощность дуги, напряжение дуги, ток дуги, сопротивление дуги).

Рисунок 18. 200 В / 5 График экспериментальных результатов (мощность дуги, напряжение дуги, ток дуги, сопротивление дуги).

Таблица 1. Условия эксперимента.

Таблица 1. Условия эксперимента.

Условия эксперимента
1 Состояние цепи: резистивная нагрузка
DC 50 В, 1/2 A
DC 100 V, 0.5 / 1/2 / 3/4/5 A
200 В пост. Тока, 0,5 / 1 / 1,5 / 2 / 2,5 / 5/10 A
400 В пост. Тока, 1/5/10 A
2 Разделение Скорость: 150 мм / с
3 Число операций: 3 раза при каждом условии

Таблица 2. Результаты экспериментов по пороговому напряжению зажигания дуги.

Таблица 2. Результаты экспериментов по пороговому напряжению зажигания дуги.

9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9,845 9022 9022 9022 9,62 9022 9022 9022 9,62 90221
VS (напряжение источника) (В) IL (ток нагрузки) (A) Vth (varc (t1)) (пороговое напряжение возникновения дуги) (В)
50 1 9,56
50 2 9,77
100 0. 5 9,92
100 1 9,55
100 2 9,60
100 3
100 5 9,60
200 0,5 10,28
200 1 9,80
200 1 10,09
200 2 9,78
200 2,5 9,63
200 5
300 10 9,76
400 1 10,40
400 5 9,65
10,23

Таблица 3. Результаты экспериментов по току порога зажигания дуги.

Таблица 3. Результаты экспериментов по току порога зажигания дуги.

10022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 902205 200 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 902210
VS (напряжение источника) (В) IL (ток нагрузки) (A) Ith (iarc (t0) −iarc (t1)) (пороговый ток возникновения дуги) (A)
50 1 0,18
50 2 0.36
100 0,5 0,05
100 1 0,10
100 2 0,18
4 0,37
100 5 0,42
200 0,5 0,03
200 1
200 1,5 0,07
200 2 0,10
200 2,5 0,11
10 0,42
300 10 0,25
400 1 0,03
400 5 0
400 10 0,24

Таблица 4. tmax (время при максимальной мощности дуги) при Pmax (максимальная мощность дуги) и текст (время гашения дуги) взаимосвязь.

Таблица 4. tmax (время при максимальной мощности дуги) при Pmax (максимальная мощность дуги) и текст (время гашения дуги) взаимосвязь.

1 9022 1 9022 9022 1
Напряжение источника VS (В) IL Ток нагрузки (A) text Время гашения дуги (с) tmax Время при Pmax (с) tmax / text
50 0.0056 0,0048 0,86
50 2 0,0094 0,0072 0,77
100 0,5 0,0113 0,0147 0,0112 0,76
100 2 0,0275 0,0206 0,75
100 3 0. 0389 0,0245 0,63
100 4 0,0437 0,0267 0,61
100 5 20022 0,0502 9022 9022 0,0266 0,0229 0,86
200 1 0,0488 0,0432 0,89
200 1. 5 0,0618 0,0538 0,87
200 2 0,0739 0,0598 0,81
200 2,5 5 0,0982 0,0862 0,88
200 10 0,1150 0,0968 0,84
300 101725 0,1557 0,90
400 1 0,0901 0,0854 0,95
400 5 0,122 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 9022 0,1430 0,1230 0,86
Среднее значение tmax / tn 0,80

Какие физические признаки характерны для ожогов электрической дугой?

  • Раббан Дж., Адлер Дж., Розен К., Блер Дж., Шеридан Р. Электротравма от третьих рельсов метро: серьезная травма, связанная с контактом промежуточного напряжения. Бернс . 1997 23 сентября (6): 515-8. [Медлайн].

  • Spies C, Trohman RG. Описательный обзор: поражение электрическим током и опасные для жизни поражения электрическим током. Энн Интерн Мед. 2006 г., 3 октября. 145 (7): 531-7. [Медлайн].

  • Koumbourlis AC. Электрические травмы. Crit Care Med . 2002, 30 ноября (11 приложение): S424-30. [Медлайн].

  • Цена Т, Купер М.А. Электрические и световые травмы. Маркс Дж., Хокбергер Р. , Уоллс Р. Экстренная медицина Розена . 5-е изд. Мосби; 2002. Том 3: 2010-2020.

  • Рай Дж, Йешке М.Г., Барроу Р.Э., Херндон Д.Н. Электрические травмы: обзор за 30 лет. J Травма . 1999 Май. 46 (5): 933-6. [Медлайн].

  • Казини В. Случаи смерти рабочих от удара электрическим током: Краткое изложение результатов наблюдения и расследований NIOSH. Министерство здравоохранения и социальных служб (NIOSH) . Май 1998.

  • Луз Д.П., Миллан Л.С., Алесси М.С. и др. Электрические ожоги: ретроспективный анализ за 5-летний период. Бернс . 2009 ноябрь 35 (7): 1015-9. [Медлайн].

  • Феррейро И., Мелендес Дж., Регаладо Дж., Бежар Ф. Дж., Габилондо Ф. Дж.Факторы, влияющие на последствия поражения электрическим током высоким напряжением. Бернс . 1998 24 ноября (7): 649-53. [Медлайн].

  • Kopp J, Loos B, Spilker G, Horch RE. Корреляция между уровнем креатининкиназы сыворотки и степенью повреждения мышц при электрических ожогах. Бернс . 2004 30 ноября (7): 680-3. [Медлайн].

  • Хассманн Дж., Кукан Дж. О., Рассел Р. К., Брэдли Т., Замбони, Вашингтон. Электрические травмы — заболеваемость, исход и обоснование лечения. Бернс . 1995 21 ноября (7): 530-5. [Медлайн].

  • Kym D, Seo DK, Hur GY, Lee JW. Эпидемиология электротравмы: различия между электротравмами низкого и высокого напряжения в течение 7-летнего периода исследования в Южной Корее. Scand J Surg . 2014 7 мая. [Medline].

  • Baker MD, Chiaviello C. Бытовые электрические травмы у детей. Эпидемиология и определение опасностей, которых можно избежать. Ам Дж. Дис Детский .1989, январь, 143 (1): 59-62. [Медлайн].

  • Раббан Дж. Т., Блэр Дж. А., Розен К. Л., Адлер Дж. Н., Шеридан Р. Л.. Механизмы детской электротравмы. Новое значение для безопасности продукции и предотвращения травм. Arch Pediatr Adolesc Med . 1997 Июль 151 (7): 696-700. [Медлайн].

  • Томас СС. Электрический ожог рта: все еще ищу ответ. Бернс . 1996 22 марта (2): 137-40. [Медлайн].

  • Ордог Дж. Дж., Вассербергер Дж., Шлатер Т., Баласубраманиум С.Электронный пистолет (электрошокер) травмы. Энн Эмерг Мед . 1987 16 января (1): 73-8. [Медлайн].

  • Sloane CM, Chan TC, Levine SD, Dunford JV, Neuman T., Vilke GM. Измерение сывороточного тропонина I у субъектов, подвергшихся воздействию Taser X-26. J Emerg Med . 2008 июл. 35 (1): 29-32. [Медлайн].

  • Cevik C, Otahbachi M, Miller E, Bagdure S, Nugent KM. Острая стрессовая кардиомиопатия и летальные исходы, связанные с электронным оружием. Инт Дж. Кардиол .2009 6 марта. 132 (3): 312-7. [Медлайн].

  • Бозман В.П., Хауда В.Е. 2-й, Хек Дж. Дж., Грэм Д. Д. мл., Мартин Б. П., Уинслоу Дж. Э. Профиль безопасности и травм наведенного электрического оружия, используемого сотрудниками правоохранительных органов против подозреваемых в совершении преступлений Энн Эмерг Мед . 2009 апр. 53 (4): 480-9. [Медлайн].

  • Строте Дж., Уолш М., Ангелидис М., Баста А., Хатсон Х.Р. Применение электрического оружия правоохранительными органами: оценка безопасности и травм. J Травма . 2010 май. 68 (5): 1239-46. [Медлайн].

  • Кролл М.В., Лаккиредди Д.Р., Стоун-младший, Лусери, РМ. Электронные устройства управления TASER и остановки сердца: случайное или причинное ?. Тираж . 2014, 7 января. 129 (1): 93-100. [Медлайн].

  • Зиппес DP.Электронные устройства управления TASER могут вызвать остановку сердца у людей. Тираж . 2014 7 января. 129 (1): 101-11. [Медлайн].

  • Jensen PJ, Thomsen PE, Bagger JP, Nørgaard A, Baandrup U. Электрическая травма, вызывающая желудочковые аритмии. Br Сердце J . 1987 Mar.57 (3): 279-83. [Медлайн]. [Полный текст].

  • Дауэс Д. М., Хо Д.Д., Рирдон Р.Ф., Майнер-младший. Эхокардиографическая оценка размещения зонда TASER X26 в груди людей-добровольцев. Am J Emerg Med . 2010, 28 января (1): 49-55. [Медлайн].

  • Claudet I., Marechal C, Debuisson C, Salanne S. [Риск аритмии и бытового поражения электрическим током при низком напряжении]. Арх Педиатр . 2010 апр. 17 (4): 343-9. [Медлайн].

  • Джейкоб С., Белли Э.В. Тромбоз и расслоение коронарной артерии, вызванное электрическим током. Энн Торак Хирургия . 2019 Февраль 107 (2): e105-e106. [Медлайн].

  • Handa A, Tendolkar MS, Singh S, Gupta PN.Электрическая травма: необычная причина пневмоторакса и обзор литературы. BMJ Case Rep . 2019 26 августа 12 (8): [Medline].

  • Ян Л., Цуй Ц., Дин Х, Фань Дж, Дун З. Отсроченный инфаркт мозжечка после легкой травмы электрическим током. Am J Emerg Med . 2018 декабря 36 (12): 2337.e3-2337.e5. [Медлайн].

  • Saffle JR, Crandall A, Warden GD. Катаракта: длительное осложнение электротравмы. J Травма .1985 25 января (1): 17-21. [Медлайн].

  • Haberal MA. Одиннадцатилетний обзор ожоговых травм. J Средство от ожогов Rehabil . 1995 Янв-Фев. 16 (1): 43-8. [Медлайн].

  • Розен К.Л., Адлер Дж. Н., Раббан Дж. Т. и др. Ранние предикторы миоглобинурии и острой почечной недостаточности после поражения электрическим током. J Emerg Med . 1999 сентябрь-октябрь. 17 (5): 783-9. [Медлайн].

  • Гилле Дж., Шмидт Т., Драгу А., Эмих Д., Гильберт-Кариус П., Кремер Т. и др.Электрическая травма — двойной центр анализа характеристик пациента, терапевтических особенностей и предикторов исхода. Scand J Trauma Resusc Emerg Med . 2018 31 мая. 26 (1): 43. [Медлайн].

  • Bailey B, Gaudreault P, Thivierge RL. Кардиологический мониторинг пациентов из группы высокого риска после электротравмы: проспективное многоцентровое исследование. Emerg Med J . 2007 май. 24 (5): 348-52. [Медлайн]. [Полный текст].

  • Доллери В. К доказательной медицине неотложной помощи: лучшие СТАВКИ из Королевского лазарета Манчестера.Управление бытовой электротравмой. Дж. Скорейшая медицинская помощь . 1998 Июль 15 (4): 228. [Медлайн]. [Полный текст].

  • Чен Э.Х., Сарин А. Требуется ли детям оценка ЭКГ и стационарная телеметрия после домашнего электрического воздействия ?. Энн Эмерг Мед . 2007 Январь 49 (1): 64-7. [Медлайн].

  • Bracken TD, Kavet R, Patterson RM, Fordyce TA. Интегрированная матрица воздействия на рабочем месте для электрических воздействий на коммунальных работников. Дж. Оккуп Энерджи Хиг .2009 6 августа (8): 499-509. [Медлайн].

  • Браун CV, Ри П., Чан Л., Эванс К., Деметриадес Д., Велмахос ГК. Профилактика почечной недостаточности у пациентов с рабдомиолизом: имеют ли значение бикарбонат и маннитол ?. J Травма . 2004 июн. 56 (6): 1191-6. [Медлайн].

  • Nielsen JS, Sally M, Mullins RJ, Slater M, Groat T, Gao X и др. Возвращение к лечению травматического рабдомиолиза бикарбонатами и маннитом. Am J Surg .2017 Январь 213 (1): 73-79. [Медлайн].

  • Электрическая дуга — свойства дуги — газ, ионы, электроны и ток

    Электрическая дуга была впервые обнаружена в 1808 году британским химиком Хамфри Дэви. Он увидел яркое светящееся пламя, когда два стержня из углерода , , проводящие ток, были разделены, и конвекционный поток горячего газа отклонил его в форме дуги. Типичные характеристики дуги включают относительно низкий градиент потенциала между электродами (менее нескольких десятков вольт) и высокую плотность тока (от 0.От 1 до тысяч ампер или выше). В проводящем канале присутствуют высокие температуры газа (несколько тысяч или десятков тысяч градусов Кельвина), особенно при высоких давлениях газа. Испарение электродов также является обычным явлением, и газ содержит молекулы материала электродов. В некоторых случаях может быть слышен шипящий звук, заставляющий дугу «петь». Градиент потенциала между электродами неоднороден. В большинстве случаев можно различить три различных участка: область, близкую к положительному электроду, называемую катодным падением ; область вблизи отрицательного электрода или анодный подъем ; и тело основной дуги.Внутри корпуса дуги существует равномерный градиент напряжения. Эта область электрически нейтральна, где кумулятивная ионизация приводит к тому, что количество положительных ионов равно количеству электронов или отрицательных ионов. Ионизация происходит в основном из-за возбуждения молекул и повышения температуры.

    Область катодного падения составляет около 0,01 мм с разностью потенциалов менее 10 вольт. Часто на катоде достигается термоэлектронная эмиссия. Электроды в этом случае сделаны из преломляющих материалов, таких как вольфрам и углерод, и область содержит избыток положительных ионов и большой электрический ток .На катоде происходит переход от металлического проводника, в котором ток переносится электронами, к газу, в котором проводимость осуществляется как электронами, так и отрицательными ионами, и положительными ионами. Газообразные положительные ионы могут свободно достигать катода и образовывать потенциальный барьер. Электроны, вылетающие из катода, должны преодолеть этот барьер, чтобы войти в газ.

    На аноде происходит переход от газа, в котором и электроны, и положительные ионы проводят ток, к металлическому проводнику, в котором ток переносится только электронами.За некоторыми исключениями, положительные ионы не попадают в газ из металла . Электроны ускоряются по направлению к аноду и обеспечивают за счет ионизации запас ионов для колонки. Электронный ток может разогреть анод до высокой температуры, что сделает его термоэлектронным эмиттером, но испускаемые электроны возвращаются к аноду, внося свой вклад в большой отрицательный объемный заряд вокруг него. Оплавление электродов и введение их паров в газ увеличивает давление в их окрестностях.


    Дуговая сварка постоянным током: Maine Welding Company

    Источник питания — это сердце всего процесса дуговой сварки. Два основных типа источников питания выражаются их вольт-амперными выходными характеристиками. В этом параграфе рассматривается машина постоянного тока. Другой источник питания, машина постоянного напряжения, обсуждается в параграфе 10-3. Кривая статической выходной характеристики, полученная обоими источниками, показана на рисунке 10-1. Характеристическая кривая сварочного аппарата получается путем измерения и построения графика выходного напряжения и выходного тока при статической загрузке аппарата.

    а. Обычная машина известна как машина с постоянным током (CC) или с переменным напряжением. Аппарат CC имеет характеристическую падающую вольт-амперную кривую (рис. 10-1) и много лет используется для дуговой сварки защищенного металла. Аппарат для дуговой сварки на постоянном токе имеет средства регулирования тока дуги. Он также имеет статическую вольтамперную кривую, которая дает относительно постоянный выходной ток. Напряжение дуги при заданном сварочном токе зависит от скорости подачи плавящегося электрода в дугу.Когда используется неплавящийся электрод, напряжение дуги зависит от расстояния от электрода до изделия. Аппарат для дуговой сварки постоянным током обычно используется в сварочных процессах, в которых используются электроды, удерживаемые вручную, плавящиеся электроды с непрерывной подачей или неплавящиеся электроды. Если длина дуги изменяется из-за внешних воздействий и возникают незначительные изменения напряжения дуги, сварочный ток остается постоянным.

    г. Источник питания обычного или постоянного тока (CC) может иметь выход постоянного или переменного тока.Он используется для дуговой сварки в среде защитного металла, дуговой сварки и строжки углем, дуговой сварки газом вольфрамом и плазменной дуговой сварки. Он используется для приварки шпилек и может использоваться для процессов непрерывной проволоки, когда используются относительно большие электродные проволоки.

    г. Есть две системы управления для сварочных аппаратов с постоянным током: аппарат с одним управлением и аппарат с двойным управлением.

    (1) Машина с одним управлением имеет одну регулировку, которая изменяет выходной ток с минимального на максимальный, который обычно больше, чем номинальная мощность машины.Характеристическая вольт-амперная кривая показана на рисунке 10-2. Заштрихованная область — это нормальный диапазон напряжения дуги. Регулируя текущий контроль, можно получить большое количество выходных кривых. Пунктирными линиями показаны промежуточные регулировки машины. Для кранов или съемных машин количество крышек будет соответствовать количеству доступных смесителей или вставных комбинаций. Большинство трансформаторных и трансформаторно-выпрямительных аппаратов — это сварочные аппараты с одним управлением.

    (2) Машины с двойным управлением имеют регуляторы тока и напряжения.У них есть две регулировки: одна для управления грубым током, а другая — для точного регулирования тока, которая также действует как регулировка напряжения холостого хода. Генераторные сварочные аппараты обычно имеют двойное управление. Они предлагают сварщику максимальную гибкость для различных сварочных требований. Эти машины по своей сути имеют контроль наклона. Наклон характеристической кривой может быть изменен с пологого на крутой в соответствии с требованиями сварки. На рис. 10-3 показаны некоторые из различных кривых, которые можно получить.Остальные кривые получены при промежуточных настройках напряжения холостого хода. Наклон изменяется путем изменения напряжения холостого хода с помощью ручки регулировки точного тока. Грубая настройка устанавливает выходной ток машины ступенчато от минимального до максимального тока. Регулятор точного тока изменяет напряжение холостого хода примерно с 55 до 85 вольт. Однако при сварке эта регулировка не влияет на напряжение дуги. Напряжение на дуге регулируется сварщиком путем изменения длины сварочной дуги.Напряжение холостого хода влияет на возможность зажигания дуги. Если напряжение холостого хода намного ниже 60 вольт, дугу сложно зажечь.

    (a) Различные наклоны, возможные для машины с двойным управлением, имеют важное влияние на сварочные характеристики дуги. Длина дуги может варьироваться в зависимости от техники сварки. Короткая дуга имеет более низкое напряжение, а длинная — более высокое. При короткой дуге (более низкое напряжение) источник питания вырабатывает больший ток, а при более длинной дуге (более высокое напряжение) источник питания обеспечивает меньший сварочный ток.Это показано на рисунке 10-4, на котором показаны три кривые дуги и две характеристические кривые сварочного аппарата с двойным управлением. Три дуговые кривые предназначены для длинной дуги, нормальной дуги, а нижняя кривая — для короткой дуги. Пересечение кривой дуги и характеристической кривой сварочного аппарата называется рабочей точкой. Рабочая точка постоянно меняется во время сварки. Во время сварки и без изменения управления на аппарате сварщик может удлинять или укорачивать дугу и изменять напряжение дуги с 35 до 25 вольт.При одинаковых настройках машины короткая дуга (более низкое напряжение) является сильноточной. И наоборот, длинная дуга (высокое напряжение) — это дуга с меньшим током. Это позволяет сварщику контролировать размер лужи расплава во время сварки. Когда сварщик намеренно и ненадолго удлиняет дугу, сила тока уменьшается, дуга расширяется, и лужа замерзает быстрее. Количество расплавленного металла уменьшается, что обеспечивает контроль, необходимый для работы вне рабочего места. Этот тип управления встроен в обычные машины постоянного тока, одно- или двойное управление, переменного или постоянного тока.

    (b) С помощью аппарата с двойным управлением сварщик может настроить аппарат для большего или меньшего изменения тока при заданном изменении напряжения дуги. Обе кривые на рисунке 10-4 получены на машине с двойным управлением путем регулировки ручки точного управления. Верхняя кривая показывает напряжение холостого хода 80 вольт, а нижняя кривая показывает напряжение холостого хода 60 вольт. При любой настройке соотношение напряжения и тока останется на той же кривой или линии. Рассмотрим сначала кривую холостого хода 80 В, которая дает более крутой наклон.Когда дуга длинная с 35 вольт и сокращается до 25 вольт, ток увеличивается. Это делается без прикосновения к системе управления машиной. Сварщик манипулирует дугой. При более пологой кривой холостого хода 60 вольт, когда дуга сокращается с 35 вольт до 25 вольт, сварочный ток увеличивается почти вдвое больше, чем при следовании кривой холостого хода 80 вольт. Более пологая кривая наклона обеспечивает дугу копания, при которой одинаковое изменение напряжения дуги вызывает большее изменение тока дуги. Кривая с более крутым наклоном имеет меньшее изменение тока при таком же изменении длины дуги и обеспечивает более мягкую дугу. Между кривыми напряжения холостого хода 80 и 60 имеется множество характеристических кривых, каждая из которых допускает различное изменение тока для одного и того же изменения напряжения дуги. В этом заключается преимущество сварочного аппарата с двойным управлением по сравнению со сварочным аппаратом с одним управлением, поскольку наклон кривой в диапазоне напряжения дуги можно регулировать только на аппарате с двойным управлением. Сварочный генератор с двойным управлением является наиболее гибким из всех типов источников сварочного тока, так как он позволяет сварщику переключаться на более сильноточную дугу для глубокого проплавления или на более низкую и менее проникающую дугу путем изменения длины дуги. .Эта способность управлять током дуги в довольно широком диапазоне чрезвычайно полезна при сварке труб. d. Выпрямительный сварочный аппарат, технически известный как трансформатор-выпрямитель, вырабатывает постоянный ток для сварки. Эти машины, по сути, являются машинами с одним управлением и имеют статическую кривую выходной характеристики вольт-ампер, аналогичную показанной на

    рисунок 10-4 выше. Эти аппараты, хотя и не такие гибкие, как двигатель-генератор с двойным управлением, могут использоваться для всех типов дуговой сварки защищенным металлом, где требуется постоянный ток.Наклон вольт-амперной кривой в диапазоне сварки обычно находится посередине между максимумом и минимумом для аппарата с двойным управлением. E. Переменный ток для сварки обычно вырабатывается сварочным аппаратом трансформаторного типа, хотя сварочные машины с генератором переменного тока с приводом от двигателя доступны для портативного использования. Статическая вольт-амперная характеристика источника переменного тока такая же, как показано на рисунке 10-4 выше. Некоторые источники сварочного тока с трансформатором имеют ручки точной и грубой регулировки, но это не машины с двойным управлением, если только напряжение холостого хода не изменяется заметно. Разница между сваркой на переменном и постоянном токе заключается в том, что напряжение и ток проходят через ноль 100 или 120 раз в секунду, в зависимости от частоты сети или при каждом изменении направления тока. Реактивное сопротивление, разработанное в машине, вызывает фазовый сдвиг между напряжением и током, так что они не проходят через ноль одновременно. Когда ток проходит через ноль, дуга гаснет, но из-за разницы фаз присутствует напряжение, которое помогает быстро восстановить дугу.Степень ионизации дуги влияет на напряжение, необходимое для восстановления дуги, и на общую стабильность дуги. Стабилизаторы дуги (ионизаторы) включены в покрытия электродов, предназначенных для сварки на переменном токе, чтобы обеспечить стабильную дугу.

    ф. Сварочный аппарат постоянного тока может использоваться для некоторых автоматических сварочных процессов. Механизм подачи проволоки и управление должны дублировать движения сварщика, чтобы запустить и поддерживать дугу. Это требует сложной системы с обратной связью по напряжению дуги для компенсации изменений длины дуги. Источники питания постоянного тока редко используются для сварки электродной проволокой очень малых размеров.

    г. Машины для дуговой сварки были разработаны с истинными вольт-амперными статическими характеристиками постоянного тока в диапазоне напряжения дуги, как показано на рисунке 10-5. Сварщик, использующий этот тип аппарата, практически не может контролировать сварочный ток путем укорачивания или удлинения дуги, поскольку сварочный ток остается неизменным независимо от того, короткая или длинная дуга. Это большое преимущество для газо-вольфрамового тока за счет укорачивания или удлинения дуги, поскольку сварочный ток остается неизменным независимо от того, короткая или длинная дуга.Это большое преимущество для дуговой сварки вольфрамовым электродом в газе, поскольку длина рабочей дуги вольфрамовой дуги ограничена. При дуговой сварке защитным металлом для обеспечения контроля сварочной ванны необходимо иметь возможность изменять уровень тока во время сварки. Это делается с помощью аппарата, который можно запрограммировать на периодическое переключение с высокого тока (HC) на низкий (LC), известного как импульсная сварка. При сварке импульсным током существует два уровня тока: большой ток и слабый ток, иногда называемый фоновым током.При программировании схемы управления выход машины постоянно переключается с высокого на низкий ток, как показано на рисунке 10-6. Уровень высокого и низкого тока регулируется. Кроме того, регулируется длительность импульсов высокого и низкого тока. Это дает сварщику необходимый контроль над дугой и сварочной лужей. Сварка импульсным током полезна для дуговой сварки труб с защитным металлом при использовании определенных типов электродов. Импульсная дуга очень полезна при сварке газо-вольфрамовой дугой.


    Экспериментальное исследование тепловых характеристик и теплового эффекта дугового короткого замыкания от медного сердечника при пожарах электропроводки в жилых помещениях

    Реферат

    Характеристики последовательного дугового короткого замыкания постоянного тока, включая электрические и тепловые параметры, были исследованы на имитаторе дугового замыкания, чтобы предоставить справочные материалы для многопараметрического метода обнаружения электрического пожара. Были проведены испытания поведения дугового короткого замыкания при трех различных начальных напряжениях цепи, сопротивлениях и дуговых разрядниках соответственно.Интерпретировано влияние условий цепи на динамическое изображение дуги, напряжение, ток или мощность. Также были исследованы повышения температуры поверхности электродов и окружающего воздуха. Результаты показали, что, во-первых, в различных условиях наблюдались существенные вариации структуры дуги и светоизлучения. Из-за чрезвычайно высокой температуры дуги был обнаружен тонкий внешний горящий слой пара, генерируемый электродами оранжевого цвета. Во-вторых, с увеличением межэлектродного зазора при разряде мощность дуги, как было показано, имеет немонотонную зависимость от длины дуги при постоянном начальном напряжении и сопротивлении цепи.Наконец, повышение температуры поверхности электрода, вызванное теплопередачей от дуги, оказалось нечувствительным с увеличением длины дуги из-за особого механизма теплопередачи. Кроме того, температура окружающего воздуха имела большой градиент в радиальном направлении дуги.

    Образец цитирования: Du J-H, Tu R, Zeng Y, Pan L, Zhang R-C (2017) Экспериментальное исследование тепловых характеристик и теплового эффекта дугового замыкания от медного сердечника при пожарах в электропроводке в жилых помещениях. PLoS ONE 12 (8): e0182811.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0182811

    Редактор: Славиша Йованович, Universite de Lorraine, Франция

    Поступила: 17 февраля 2017 г .; Принято: 25 июля 2017 г .; Опубликовано: 10 августа 2017 г.

    Авторские права: © 2017 Du et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

    Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе и его файлах с вспомогательной информацией.

    Финансирование: Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (№ 51506059), Ведущим проектом научно-технического плана провинции Фуцзянь (№ 2017Y0064), Проектом Цюаньчжоу SSP (№ 2016E13), Программой содействия молодежи и преподаватель средних лет по науке и технологиям Университета Хуацяо (№ ZQN-PY403) и Фонд научных исследований Университета Хуацяо (№14BS305 и № 16BS801). Авторы с благодарностью признают всю эту поддержку.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

    Введение

    Дуговое замыкание — это своего рода непреднамеренное возникновение дуги в электрических цепях, которое, как считается, вызвано неплотным соединением, нарушением изоляции или старением цепи и т. Д. [1–5]. Как постоянное тепловыделение и световой разряд электричества, дуговое замыкание может стать причиной возгорания.В 2006 году официальный отчет Управления пожарной безопасности США (USFA) показал, что дуговое замыкание уже стало одной из основных причин электрических пожаров в Америке [6]. До сих пор дуговое замыкание является не только проблемой пожарной безопасности дома, но и огромной угрозой для электроприборов, используемых в специальных областях для населения, таких как электростанции, воздушные и космические корабли [7–8].

    Пожары, вызванные дуговым замыканием, обычно начинаются от воспламенения горючих материалов поблизости, особенно изоляционного материала электрического провода, изготовленного e.например, полиэтилен (PE), поливинилхлорид (PVC) или акрилонитрилбутадиенстирол (ABS). Когда образуется дуга, тепло не локализуется в точке повреждения, а передается всей цепи через внутренний металлический сердечник и изоляцию электрического провода [9–11]. Если изоляция была предварительно нагрета до более чем 300 ° C в результате накопления тепла от дугового или джоулева нагрева, воспламенение может даже произойти с образованием пламени [9].

    Чтобы предотвратить возникновение электрических пожаров, многие предыдущие исследования были сосредоточены на методе обнаружения дугового замыкания. Учитывая форму дуги, дуговое замыкание может быть либо последовательным дуговым замыканием, либо параллельным дуговым замыканием в целом [3], с другой стороны, дуговым замыканием постоянного тока (DC) или переменным током (AC ) дуговые замыкания, которые сильно различаются по электрическим характеристикам. Благодаря своевременному мониторингу состояния цепи, были разработаны, например, прерыватели цепи дугового замыкания (AFCI) и детекторы дугового замыкания (AFD). в [4, 8, 12–15], и было доказано, что они эффективны для предотвращения потенциального электрического пожара.Однако, поскольку большинство существующих методов и критериев обнаружения дуги были основаны на изменении электрических параметров цепи (на которые влияют типы формы дуги, нагрузки схемы и т. Д.), По-прежнему трудно предоставить общий метод обнаружения, подходящий для всех видов дуговые замыкания, чтобы избежать ложной тревоги или полного отказа от срабатывания сигнализации

    Ожидаемые электрические характеристики, тепловые характеристики, включая, например, температуру, излучение и термографию, считались еще одной важной категорией параметров для электрического обнаружения пожара [16–18]. Поскольку увеличение теплопередачи дугой, возникновение пожара, вызванного дуговым замыканием, является относительно особенным по сравнению с другими пожарами. Можно было ожидать, что обнаружение, объединяющее электрические и тепловые характеристики, будет более эффективным методом обнаружения дугового замыкания.

    В данном исследовании изменение электрических и тепловых характеристик дугового замыкания на ранней стадии было исследовано с помощью имитатора дугового замыкания. Последовательные дуговые замыкания постоянного тока различной формы и интенсивности были выбраны для обеспечения хорошей стабильности и повторяемости.Феноменологический анализ изображений дуги, изменений тока и напряжения дуги, повышения температуры электрода и окружающего воздуха на основе экспериментальных данных был предоставлен, чтобы дать вдохновение для предотвращения или раннего обнаружения электрического возгорания при дуговом замыкании.

    Методы

    Платформа имитатора дугового замыкания

    Эксперименты по тепловому поведению дугового замыкания проводились с использованием имитатора дугового замыкания постоянного тока, как показано на рис. 1. Основная схема, состоящая из источника питания постоянного тока, матрицы резисторов и имитатора дугового замыкания, показана на рис. (В).Источник питания постоянного тока (ETS-1000X10 от Ametek, Америка) может обеспечивать переменное напряжение постоянного тока U с максимумом 1000 В и погрешностью в пределах 0,2%. Матрица резисторов состояла из нескольких гофрированных резисторов большой мощности (с электрическим сопротивлением 20 Ом и максимальной мощностью 2000 Вт, от GEE Electronics, Китай) путем последовательного соединения. Общее сопротивление R можно было изменить, изменив количество гофрированных резисторов (например, R было отрегулировано на 40 Ом, 60 Ом и 80 Ом во время испытаний, соответственно).Датчик тока на эффекте Холла (CHB25-NP от Sensor Electronics, Китай) использовался для измерения изменения тока I в цепи с максимальным значением 25 А и погрешностью в пределах 0,8%. Ток I и напряжение дуги U и были зарегистрированы осциллографом (DPO4010B-L от Tektronix, Америка) онлайн. Для получения качественных данных частота дискретизации была выбрана равной 100 Гц.

    Более подробная схема имитатора дугового замыкания показана на рис. 1 (C).Этот симулятор был разработан на основе стандарта UL1699B [19]. При правильном напряжении на клеммах и межэлектродном зазоре дуга могла возникнуть между парой коаксиальных медных электродов A (анод) и B (катод), которые были установлены в изоляционных основаниях соответственно. Разрядные наконечники электродов A и B при испытаниях имеют коническую и плоскую форму соответственно. Учитывая, что зазор между электродами должен быть регулируемым, изоляционное основание электрода А было закреплено на стальном скользящем блоке, который мог совершать только одномерное движение в направлении, параллельном двум электродам.Скорость движения и расстояние электрода A от B, то есть длина межэлектродного зазора (или дугового промежутка при разрядке) L , контролировалась с помощью программируемого шагового двигателя, который мог привести скользящий блок вперед или назад точно в соответствии с стержень винтовой конструкции. Кроме того, существует другой способ выполнить точную настройку зазора L вручную, используя ручку регулировки расстояния за шаговым двигателем.

    Для лучшего наблюдения дуги в мелком масштабе цифровая камера с большим увеличением (TD-208A от Taida Instruments, Китай) с частотой 30 кадров в секунду и максимальной скоростью увеличения 620 была установлена ​​прямо над межэлектродным зазором для записи формы дуги от вид сверху.Другое использование этой камеры заключалось в том, чтобы подтвердить или помочь скорректировать расстояние зазора, контролируемое шаговым двигателем. Для наблюдения за горением дуги сбоку использовалась высокоскоростная камера (Phantom Miro M110 от Vision Research, Америка) с максимальной скоростью 1630 кадров в секунду. Как показано на рис. 2, температуры были измерены решеткой термопар (T1-T8) с каждым диаметром 0,5 мм и погрешностью в пределах 0,75%. T1-T4 были закреплены на поверхности электрода A, которая показывала температуру поверхности с положением S (расстояние от кончика электрода A) 1 см, 2. 5 см, 4,5 см и 6,5 см. T5-T8 показал повышение температуры окружающего воздуха при дуговом нагреве в положении S ’(расстояние от края электрода B) на 1 мм, 1 см, 2 см и 3 см соответственно. Любое торговое наименование, упомянутое выше, используется только в описательных целях.

    Методика эксперимента

    В настоящих экспериментах учитывались влияния напряжения цепи, сопротивления и дугового промежутка на характеристики дуги. Как показано в Таблице 1, тесты были разработаны для изучения поведения дуги разной интенсивности или формы.Электроды A и B закорачивали вместе в начале каждого теста. Когда схема была под напряжением, электрод A должен был перемещаться назад шаговым двигателем точно за 8 секунд для получения заданного дугового промежутка. Продолжительность каждого испытания или время разряда дуги устанавливали равной 50 секундам, чтобы предотвратить перегрев и плавление электродов потоком высокотемпературной плазмы дуги. По сравнению с очень ограниченным временем испытания в стандарте UL1699B, здесь было использовано относительно «долгое» время разряда, чтобы отразить процесс теплопередачи через дуговое замыкание. Электрод A должен быть быстро перемещен вперед, чтобы повторно подключить электрод B после этого, чтобы погасить дугу (испытание остановлено). Из-за высокой температуры дуги на поверхности электрода наблюдался некоторый черный остаток, при этом экспериментальный процесс приписывался окислению электродного материала, который должен был очищаться наждачной бумагой перед каждым испытанием. Кроме того, все тесты были повторены для обеспечения воспроизводимости результатов в пределах допустимого диапазона ошибок.

    Результаты и обсуждение

    Характеристики изображения дуги

    В качестве важных визуальных характеристик характеристики динамического изображения дуги, включая цвет, геометрию, мерцание и т. Д., Могут предоставить значимую информацию для видеообнаружения пожара.Типичные изображения дуги (вид сверху цифровой камерой с большим увеличением) с зазорами между электродами L = 2, 4, 6 мм под схемой U = 150, 200 В и R = 40, 60, 80 Ом показаны на Рис. 3. Для состояния цепи U, = 150 В, R = 80 Ом и L = 6 мм, дуга гаснет во время роста, поскольку было доказано, что существует нижний предел напряжения или тока дуги для поддержания плазменный поток. С увеличением зазоров дуги свет дуги вокруг зоны сердечника превратился из белого в синий, что связано с испусканием потока высокотемпературной дуги плазмы.Светящаяся пламяподобная зона, излучающая оранжевый свет, образовалась на внешнем слое. Считалось, что этот слой является зоной реакции для паров металла и примесных веществ, образующихся на электроде при высокой температуре дуги, и был более очевиден при более высоком напряжении, как показано на рис. 3 (B). Напротив, влияние напряжения в цепи на форму зоны сердечника дуги казалось не очевидным на рис. 3 (A) и 3 (B).

    Поскольку поток дуги быстро мерцал, для более глубокого наблюдения была использована высокоскоростная камера.На рис. 4 приведены высокоскоростные изображения вида спереди дуг с зазорами L = 2, 4, 6 мм и состояния цепи U, = 200 В, R = 40 Ом. Из-за эффекта плавучести, вызванного увлечением окружающего воздуха, вызванным горячей дугой, дуга не имела правильной цилиндрической формы при виде спереди, а больше напоминала дугообразную форму. Плазма бочкообразной формы с оранжевым светом на внешнем слое была очень четкой и увеличивалась с увеличением дугового промежутка. Правые части рисунков 4 (A) –4 (C) указывают на особое явление при горении дуги, т.е.е. брызги металла, вызванные разрывом пузыря расплавленного металла. Учитывая, что температура плавления материала электрода Cu составляет ~ 1356 К, это неудивительно для металлических брызг, поскольку обычно предполагается, что температура дуги намного превышает 5000 К [3].

    Изменение характеристических параметров дуги

    Дуга или дуговое замыкание могут привести к изменению как электрических, так и тепловых параметров. На примере условий L = 2 мм, U = 200 В и R = 40 Ом, типичные изменения измеренных основных характеристических параметров, включая напряжение дуги, ток дуги, температуру вдоль поверхности электрода и окружающий воздух температуры представлены на рис.5.Чтобы устранить помехи из-за высокочастотного шумового сигнала в цепи, для обоих рисунков 5 (A) и 5 ​​(B) был принят метод цифровой фильтрации. Во-первых, поскольку вольт-амперная характеристика дуги в некоторой степени похожа на резистор, след скачка напряжения дуги U a после роста дуги можно найти на рис. 5 (A). U a поддерживает почти постоянную и стабильную работу, когда дуговый зазор достигает заданного значения. Между тем, ток дуги, равный току в цепи I , показывает ступенчатое уменьшение, как показано на рис. 5 (B).Во-вторых, повышение температуры вдоль поверхности электрода, измеренное решеткой термопар T1-T4, показано на рис. 5 (C). Поверхностные температуры T1-T4 постепенно увеличивались в основном из-за передачи теплопроводности от дуги к электроду, а температура T4 (ближайшая точка измерения поверхности к дуге), несомненно, увеличивалась бы намного быстрее. Когда электрод A перемещали к электроду B за время = 50 с, чтобы погасить дугу в конце испытания, температура впоследствии показала тенденцию к снижению. Температуры окружающей среды от T5-T8 показаны на рис. 5 (D).Температурная кривая T5 показывает явное колебание с максимальным значением ~ 1500 K, что вызвано «прямым нагревом» (скажем, T5 контактировал с дугой непосредственно с перерывами из-за мерцания дугового потока) внешнего слоя дуги с высокой температурой. На T6 также влиял мерцающий поток горячего газа, вызванный дуговым потоком. С уменьшением конвекционной теплопередачи температура окружающего воздуха быстро снижалась в радиальном направлении, как показано T7-T8.

    Рис. 5.

    Изменение характерных параметров при росте дуги: напряжение дуги (а), ток дуги (б), температура вдоль электрода (в) и температура окружающего воздуха (г) при условии L = 2 мм, U = 200 В и R = 40 Ом.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0182811.g005

    Оценка дугового джоулева нагрева

    Джоулева мощность нагрева от дугового потока, которая почти определяется напряжением дуги U a и током I , является одной из важных причин электрических пожаров. Приборы U, , , , , и I, в установившейся стадии дуги для каждого испытания показаны на рисунках 6 и 7 соответственно.

    Для лучшего выражения влияния дуги на изменение тока на рис. 8 подробно показано уменьшение тока в цепи, определяемое как Δ I = I 0 I a , где I 0 — начальный ток в цепи без возникновения дуги, а I a — измеренный ток дуги в установившейся стадии. Эти тенденции можно интерпретировать следующим образом: (1) где отношения U a vs. U и U a в сравнении с R уже были получены, как показано на рис. 6. Фактически результаты, рассчитанные по формуле (1), близки к результатам, измеренным на рис. 8. Более того, эквивалент Сопротивление дуги, определяемое как, показано на рис. 9. Была обнаружена приблизительно линейная зависимость R a от L , что было интересно, но не удивительно, если объединить уравнение и взаимосвязи U a vs. R на рис. 6.

    Основываясь на измеренных выше электрических параметрах, эквивалентная мощность нагрева в Джоулях суммирована на рис. 10 с помощью упрощенного уравнения P a = U a I a . Следует отметить, что с увеличением дугового промежутка L эквивалентная мощность P a будет иметь асимптотическую тенденцию или даже тенденцию к уменьшению (например,g., U = 150 В) для некоторых больших L и условий малого тока, как показано под U = 150 В на рис.10 (B) и 10 (C), из-за нестабильного состояния перед гашением дугового разрядника ограничение.

    Повышение температуры поверхности электрода и окружающего воздуха

    Повышение температуры было вызвано тепловыделением (джоулевым нагревом) дуги за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Для поверхности электрода, удаленной от корня дуги, дуговой промежуток L имеет очень ограниченное влияние на распределение температуры, показанное на Фиг.11.Объяснение этих результатов заключается в том, что, во-первых, теплопроводность, передаваемая электроду, в первую очередь зависит от температуры дуги в полярной зоне, которая не так чувствительна к дуговому промежутку. Во-вторых, Рис. 10 показал, что влияние дугового промежутка на увеличение эквивалентной мощности находится в пределах примерно 25% для разницы между L = 6 мм и L = 2 мм (для всех испытаний), и значительная часть мощность должна передаваться в окружающий воздух конвекцией и излучением дуги в зазоре, что ограничивает изменение теплопередачи на электрод.Поскольку такая же тенденция изменения температуры на рис. 11, сравнение в заданное время будет проводиться, как показано ниже.

    Учитывая, что процедура тушения началась в момент времени = 50 с, для сравнения выбрано распределение температуры вдоль поверхности электрода в момент времени = 50 секунд, измеренное T1-T4 при условии U = 200 и 150 В, как на рисунках 12 и 13. Температура подъем относительно положения измерения S показывает приблизительно экспоненциальное уменьшение. Данные условия U = 200 В на Фиг.12 снова нанесены на график на Фиг.13 для сравнения в тренде с использованием серых блоков, которые показывают контур данных на Фиг.12.Он показывает, что увеличенное напряжение U приведет к полному увеличению температуры электрода. Причина в том, что увеличение эквивалентной мощности, вызванное увеличением напряжения U (со 150 В до 200 В), составляет примерно 30–50%, что намного больше, чем влияние дугового разрядника L с 2 мм до 6 мм, упомянутого ранее. . Влияние U на P a показывает увеличение с увеличением сопротивления R , то есть разница в распределении температуры для U = 150 В и U = 200 В при R = 80 Ом больше, чем R = 40 Ом, как показано на Рис.13.Это явление хорошо согласуется с разницей мощности дуги на рис. 10.

    Температуры окружающего воздуха в радиальном направлении (время = 50 с) для T7-T8 показаны на рис. 14. Данные для T5-T6 не используются, учитывая неупорядоченные колебания, появившиеся на рис. 5. Температура увеличивается на T7 и T8 составляет относительно небольшая из-за удаленности от дугового потока. В отличие от результатов измерения температуры поверхности, показанных на рис. 11, влияние дугового промежутка на градиент температуры окружающей среды на рис. 14 является более значительным.Это подтвердило описание того, что значительная часть тепла, выделяемого из потока дуги, была в форме тепла конвекции и излучения, которое пропорционально эквивалентной мощности, а также является преобладающей теплопередачей в окружающий воздух.

    Выводы

    Эксперименты по характеристикам последовательного дугового замыкания на постоянном токе, включая электрические и тепловые параметры, были проведены в различных условиях на основе платформы моделирования дугового замыкания. Основные выводы таковы:

    1. Для характеристик динамического изображения дуги в процессе разряда наблюдались две зоны.Внутренняя зона, называемая ядром высокотемпературного плазменного потока, излучала свет более синего цвета с увеличением длины дуги по сравнению с исходным белым цветом. Было показано, что тонкий внешний слой с оранжевым светом является реакционной зоной для пара, генерируемого электродами, который стал заметным с увеличением мощности дуги.
    2. Напряжение дуги U a и падение тока Δ I , два ключевых параметра для оценки изменения мощности дуги P a или джоулева нагрева, показали положительную связь с увеличением дугового промежутка. L , напряжение цепи U или сопротивление R .В то время как P показали немонотонную тенденцию с L . Это было вызвано правилом развития дугового потока, которое сначала усиливалось, затем нестабильно и, наконец, гаснуло с увеличением дугового промежутка.
    3. Было предложено, чтобы на повышение температуры поверхности электрода влияла теплопроводность от мощности дуги. P a . Влияние дугового промежутка L на повышение температуры электрода не было очевидным, что объяснялось ограниченным увеличением P a и теплопроводностью с L .Кроме того, тепловыделение в окружающую среду быстро снижается из-за небольшой плотности и объема дуги, что приводит к большому градиенту температуры в радиальном направлении дуги.

    Вклад авторов

    1. Концептуализация: JHD RT RCZ.
    2. Обработка данных: JHD RT.
    3. Формальный анализ: JHD RT.
    4. Получение финансирования: JHD RT YZ.
    5. Методология: JHD RT YZ LP.
    6. Администрация проекта: РТ.
    7. Написание — черновик: JHD RT.
    8. Написание — просмотр и редактирование: RT.

    Ссылки

    1. 1. Ереанс Р.А., Керкхофф Т. Анализ электрического пожара (1-е издание), Charles C Thomas Publisher Ltd; 1995.
    2. 2. Холл JR. Отчет об обзоре проблемы пожара в США за 1994 год, Национальная ассоциация противопожарной защиты, Куинси, Массачусетс, США; 1996.
    3. 3. Джордж Г.Д., Скотт Г.В.Прерыватель цепи дугового замыкания: новый продукт. IEEE Trans. Ind. Appl. 1998; 34: 928–933.
    4. 4. Рестрепо СЕ. Методы обнаружения и распознавания дугового замыкания, Труды 53-й конференции IEEE Holm по электрическим контактам. 2007; 53: 115–122.
    5. 5. Shea JJ. Выявление причин определенных типов электрических возгораний в жилых цепях. Fire Mater. 2011; 35: 19–42.
    6. 6. Пожарная служба США.О цепи безопасности: Информационный бюллетень по предотвращению пожаров в доме. USFA, США; 2006.
    7. 7. Ян К.Г., Хао З.Г., Чжан С., Чжан Б.Х., Чжэн Т. Численные методы анализа деформации и разрыва бака силового трансформатора из-за внутренних дуговых замыканий. PLoS ONE. 2015; 10 (7): e0133851. pmid: 26230392
    8. 8. Джонсон Дж., Пал Б., Любке С., Пьер Т. Тестирование фотоэлектрических детекторов дуги постоянного тока в национальных лабораториях Сандиа. Труды 37-й конференции IEEE Photovoltaic Specialists Conference.2011; 37: 3614–3619.
    9. 9. Бабраускас В. Как неисправности электропроводки приводят к возгоранию конструкции? Proc. Огонь. Mater. Конф. 2001; 52: 39–45.
    10. 10. Xie QY, Zhang HP, Tong L. Экспериментальное исследование огнезащитных свойств оболочки из ПВХ для старых и новых кабелей. J. Hazard. Mater. 2010; 179: 373–381. pmid: 20359822
    11. 11. Courty L, Garo JP. Внешний нагрев электрических кабелей и исследование самовоспламенения. J. Hazard. Mater.2017; 321: 528–536. pmid: 27676079
    12. 12. Грегори Г.Д., Вонг К., Дворжак Р. Подробнее о прерывателях цепи от дугового замыкания. IEEE Trans. Ind. Appl. 2004; 40: 1006–1011.
    13. 13. Найду М., Шёпф Т.Дж., Гопалакришнан С. Схема обнаружения дугового замыкания для автомобильных сетей постоянного тока на 42 В с использованием токового шунта. IEEE Tran. Мощность Электр. 2006; 21: 633–639.
    14. 14. Ван С.Ч., Ву СиДжей, Ван Й.Дж. Обнаружение дугового короткого замыкания в силовых цепях низкого напряжения во временной и частотной области.IEEE Trans. Ind. Appl. 2012; 6: 324–331.
    15. 15. Lezama J et al. Встроенная система обнаружения дуги переменного тока по межпериодной корреляции тока. Электр. Power Syst. Res. 2015; 129: 227–234.
    16. 16. Челик Т., Демирель Х. Обнаружение пожара в видеопоследовательностях с использованием общей цветовой модели. Пожарная безопасность J. 2009; 44: 147–158.
    17. 17. Ху Л.Х., Чжан Ю.С., Йошиока К., Идзумо Х., Фудзита О. Пламя распространяется по электрическому проводу с металлическим сердечником с высокой теплопроводностью под разными углами наклона.Proc. Гореть. Inst. 2015; 35: 2607–2614.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *