TO kategória:
Montáž kovových konštrukcií
Elektrický oblúk a jeho vlastnosti
Elektrický oblúk je dlhodobý elektrický výboj vyskytujúci sa v plynovej medzere medzi dvoma vodičmi - elektródou a kovom, ktorý sa zvára významným prúdom. Ionizácia vzduchovej vrstvy, ktorá neustále vzniká vplyvom rýchleho prúdenia kladných a záporných iónov a elektrónov v oblúku, vytvára potrebné podmienky pre dlhotrvajúce horenie zvárací oblúk.
Ryža. 1. Elektrický oblúk medzi kovovou elektródou a kovom, ktorý sa má zvárať: a - diagram oblúka, b - graf napätí oblúka dlhý 4 mm; 1 - elektróda, 2 - halo plameňa, 3 - oblúkový stĺpec, 4 - zváraný kov, 5 - anódový bod, 6 - roztavený bazén, 7 - kráter, 8 - katódový bod; h - hĺbka prieniku v oblúku, A - moment zapálenia oblúka, B - moment stabilného horenia
Oblúk pozostáva zo stĺpca, ktorého základňa sa nachádza v priehlbine (kráteri) vytvorenej na povrchu roztaveného bazéna. Oblúk je obklopený aureolou plameňa tvorenou parami a plynmi vychádzajúcimi zo stĺpca oblúka. Stĺpec má tvar kužeľa a je hlavnou časťou oblúka, pretože je v ňom sústredené hlavné množstvo energie zodpovedajúcej najvyššej hustote elektrického prúdu prechádzajúceho oblúkom. Horná časť kolóny, umiestnená na elektróde 1 (katóda), má malý priemer a tvorí katódový bod 8. Najväčší počet elektród emituje cez katódový bod. Základňa kužeľa stĺpa oblúka je umiestnená na zváranom kove (anóde) a tvorí bod anódy. Priemer anódového bodu pri priemerných hodnotách zvárací prúd väčší priemer katódová škvrna približne 1,5 ... 2 krát.
Na zváranie sa používa jednosmerný a striedavý prúd. Pri použití jednosmerného prúdu je mínus zdroja prúdu pripojený k elektróde (priama polarita) alebo k zváranému dielu „“ (opačná polarita). Obrátená polarita sa používa v prípadoch, keď je potrebné znížiť uvoľňovanie tepla na zváraný výrobok: pri zváraní tenkých alebo nízkotaviteľných kovov, zliatinových, nehrdzavejúcich a vysoko uhlíkových ocelí citlivých na prehriatie, ako aj pri použití určité typy elektród.
Produkuje veľké množstvo tepla a má vysokú teplotu. Súčasne elektrický oblúk vytvára veľmi koncentrované zahrievanie kovu. Preto pri zváraní zostáva kov relatívne mierne zahriaty aj vo vzdialenosti niekoľkých centimetrov od zváracieho oblúka.
Pôsobením oblúka sa kov roztaví do určitej hĺbky h, ktorá sa nazýva hĺbka prieniku alebo prieniku.
Oblúk sa vybudí, keď sa elektróda priblíži k zváranému kovu a skratuje zvárací obvod. V dôsledku vysokého odporu v mieste kontaktu elektródy s kovom sa koniec elektródy rýchlo zahreje a začne vyžarovať prúd elektrónov. Keď sa koniec elektródy rýchlo odsunie od kovu na vzdialenosť 2...4 mm, vznikne elektrický oblúk.
Napätie v oblúku, teda napätie medzi elektródou a základným kovom, závisí najmä od jeho dĺžky. Pri rovnakom prúde je napätie v krátkom oblúku nižšie ako v dlhom oblúku. Je to spôsobené tým, že pri dlhom oblúku je odpor jeho plynovej medzery väčší. Zvýšenie odporu v elektrický obvod pri konštantnom prúde vyžaduje zvýšenie napätia v obvode. Čím vyšší je odpor, tým vyššie musí byť napätie, aby obvodom prechádzal rovnaký prúd.
Oblúk medzi kovovou elektródou a kovom horí pri napätí 18 ... 28 V. Na spustenie oblúka je potrebné vyššie napätie, ako je potrebné na udržanie jeho normálneho spaľovania. Vysvetľuje sa to tým, že v počiatočnom momente ešte nie je vzduchová medzera dostatočne zahriata a je potrebné dať elektrónom vysokú rýchlosť na oddelenie molekúl a atómov vzduchu. To sa dá dosiahnuť len s vyšším napätím v momente zapálenia oblúka.
Graf zmien prúdu I v oblúku pri jeho zapálení a stabilnom spaľovaní (obr. 1, b) sa nazýva statická charakteristika oblúka a zodpovedá ustálenému spaľovaniu oblúka. Bod A charakterizuje moment zapálenia oblúka. Napätie oblúka V rýchlo klesá pozdĺž krivky AB na normálnu hodnotu zodpovedajúcu stabilnému oblúku v bode B. Ďalšie zvýšenie prúdu (vpravo od bodu B) zvyšuje zahrievanie elektródy a rýchlosť jej tavenia, ale neovplyvňuje stabilitu oblúka.
Stabilný oblúk je taký, ktorý horí rovnomerne, bez svojvoľných prestávok vyžadujúcich opätovné zapálenie. Ak oblúk horí nerovnomerne, často sa zlomí a zhasne, potom sa takýto oblúk nazýva nestabilný. Stabilita oblúka závisí od mnohých dôvodov, z ktorých hlavné sú typ prúdu, zloženie povlaku elektródy, typ elektródy, polarita a dĺžka oblúka.
Pri striedavom prúde horí oblúk menej stabilne ako pri jednosmernom prúde. Vysvetľuje to skutočnosť, že v okamihu, keď prúd n dosiahne nulu, ionizácia oblúkovej medzery sa zníži a oblúk môže zhasnúť. Na zvýšenie stability oblúka striedavého prúdu je potrebné naniesť povlaky na kovovú elektródu. Dvojice prvkov obsiahnutých v povlaku zvyšujú ionizáciu oblúkovej medzery a tým prispievajú k stabilnému horeniu oblúka pri striedavom prúde.
Dĺžka oblúka je určená vzdialenosťou medzi koncom elektródy a povrchom roztaveného kovu zváraného diela. Typicky by normálna dĺžka oblúka nemala presiahnuť 3...4 mm pre oceľovú elektródu. Takýto oblúk sa nazýva krátky. Krátky oblúk horí stabilne a zabezpečuje normálny priebeh zváracieho procesu. Oblúk dlhší ako 6 mm sa nazýva dlhý. S ním proces tavenia kovu elektródy prebieha nerovnomerne. V tomto prípade môžu byť kvapky kovu prúdiace z konca elektródy vo väčšej miere oxidované kyslíkom a obohatené vzdušným dusíkom. Uložený kov sa ukáže ako porézny, šev má nerovný povrch a oblúk horí nestabilne. Pri dlhom oblúku klesá produktivita zvárania, zvyšuje sa rozstrekovanie kovu a zvyšuje sa počet miest, kde nedochádza k prieniku alebo neúplnému taveniu naneseného kovu so základným kovom.
Prenos kovu elektródy do produktu počas zvárania spotrebným elektrickým oblúkom je zložitý proces. Po zapálení oblúka (poloha /) sa na povrchu konca elektródy vytvorí vrstva roztaveného kovu, ktorá sa vplyvom gravitácie a povrchového napätia zhromažďuje do kvapky (poloha //). Kvapky môžu dosiahnuť veľké veľkosti a prekryť stĺpec oblúka (poloha III), čím na krátky čas vytvoria skrat vo zváracom obvode, po ktorom sa vzniknutý most z tekutého kovu preruší, oblúk sa opäť objaví a proces tvorby kvapiek sa opakuje.
Veľkosť a počet kvapiek prechádzajúcich oblúkom za jednotku času závisí od polarity a sily prúdu, chemického zloženia a fyzikálneho stavu kovu elektródy, zloženia povlaku a množstva ďalších podmienok. Veľké kvapky, dosahujúce 3...4 mm, sa zvyčajne tvoria pri zváraní neobalenými elektródami, malé kvapky (do 0,1 mm) - pri zváraní obalenými elektródami a vysokým prúdom. Proces jemných kvapiek zaisťuje stabilné spaľovanie oblúka a uprednostňuje podmienky na prenos roztaveného kovu elektródy v oblúku.
Ryža. 2. Schéma prenosu kovu z elektródy na zváraný kov
Ryža. 3. Vychýlenie elektrického oblúka magnetickými poľami (a-g)
Gravitácia môže pomôcť alebo brániť prenosu kvapiek v oblúku. Pri stropnom a čiastočne zvislom zváraní pôsobí gravitácia kvapky proti jej prenosu na výrobok. Ale vďaka sile povrchového napätia sa bazén tekutého kovu pri zváraní v stropnej a zvislej polohe zabraňuje vytekaniu.
Pri prechode elektrického prúdu cez prvky zváracieho okruhu vrátane zváraného výrobku vzniká magnetické pole, ktorého sila závisí od sily zváracieho prúdu. Plynový stĺp elektrického oblúka je pružný vodič elektrického prúdu, takže je vystavený výslednému magnetickému poľu, ktoré sa vytvára vo zváracom obvode. IN normálnych podmienkach Plynový stĺpec oblúka, ktorý otvorene horí v atmosfére, je umiestnený symetricky k osi elektródy. Pod vplyvom elektromagnetických síl sa oblúk odchyľuje od osi elektródy v priečnom alebo pozdĺžnom smere, čo je vzhľadovo podobné premiestneniu otvoreného plameňa pod silnými prúdmi vzduchu. Tento jav sa nazýva magnetický výbuch.
pristúpenie Zvárací drôt v tesnej blízkosti oblúka výrazne znižuje jeho vychýlenie, pretože vlastné kruhové magnetické pole prúdu pôsobí rovnomerne na stĺpec oblúka. Prívod prúdu do výrobku vo vzdialenosti od Oblúka povedie k jeho vychýleniu v dôsledku kondenzácie elektrických vedení kruhového magnetického poľa zo strany prúdového vodiča.
Pokiaľ ide o charakteristiky voltaického oblúka, stojí za zmienku, že má nižšie napätie ako doutnavý výboj a spolieha sa na termionické žiarenie elektrónov z elektród, ktoré podporujú oblúk. V anglicky hovoriacich krajinách je tento výraz považovaný za archaický a zastaraný.
Techniky potlačenia oblúka možno použiť na zníženie trvania alebo pravdepodobnosti vzniku oblúka.
Koncom 19. storočia bol elektrický oblúk široko používaný na verejné osvetlenie. Niektoré elektrické oblúky nízky tlak sa používajú v mnohých aplikáciách. Napríklad na osvetlenie, ktoré používajú žiarivky, ortuťové, sodíkové a halogenidové výbojky. xenón oblúkové lampy používané pre filmové projektory.
Otvorenie elektrického oblúka
Predpokladá sa, že tento jav prvýkrát opísal Sir Humphry Davy v článku z roku 1801 publikovanom v časopise William Nicholson's Journal of Natural Philosophy, Chemistry and Arts. Fenomén, ktorý opísal Davy, však nebol elektrický oblúk, ale iba iskra. Neskorší výskumníci napísali: „Toto zjavne nie je opis oblúka, ale iskry. Podstatou prvej je, že musí byť súvislá a jej póly sa po jej vzniku nesmú dotýkať. Iskra, ktorú vytvoril Sir Humphry Davy, zjavne nebola súvislá, a hoci zostala nabitá ešte nejaký čas po kontakte s atómami uhlíka, pravdepodobne nebolo potrebné žiadne oblúkové spojenie na jej klasifikáciu ako voltaická.
V tom istom roku Davy verejne demonštroval tento efekt pred Kráľovskou spoločnosťou tým, že prešiel elektrickým prúdom cez dve dotýkajúce sa uhlíkové tyče a potom ich odtiahol na krátku vzdialenosť. Demonštrácia ukázala „slabý“ oblúk, ktorý sa sotva dal rozlíšiť od trvalej iskry, medzi hrotmi dreveného uhlia. Vedecká komunita mu poskytla viac výkonná batéria 1000 platní a v roku 1808 demonštroval výskyt voltaického oblúka vo veľkom meradle. Jemu sa pripisuje aj jej pomenovanie anglický jazyk(elektrický oblúk). Nazval to oblúk, pretože má tvar stúpajúceho oblúka, keď sa vzdialenosť medzi elektródami priblíži. Je to spôsobené vodivými vlastnosťami horúceho plynu.
Ako sa objavil voltaický oblúk? Prvý súvislý oblúk bol nezávisle pozorovaný v roku 1802 a opísaný v roku 1803 ako „špeciálna kvapalina s elektrickými vlastnosťami“ ruským vedcom Vasilijom Petrovom, ktorý experimentoval s medeno-zinkovou batériou pozostávajúcou zo 4200 diskov.
Ďalšie štúdium
Koncom devätnásteho storočia bol elektrický oblúk široko používaný na verejné osvetlenie. Sklon elektrického oblúka blikať a syčať bol vážny problém. V roku 1895 Hertha Marx Ayrton napísala sériu článkov o elektrine, kde vysvetlila, že elektrický oblúk bol výsledkom kontaktu kyslíka s uhlíkovými tyčami používanými na vytvorenie oblúka.
V roku 1899 bola prvou ženou, ktorá čítala svoje vlastné noviny pred Institution of Electrical Engineers (IEE). Jej správa mala názov „Mechanizmus elektrického oblúka“. Krátko nato bola Ayrton zvolená za prvú členku Institution of Electrical Engineers. Ďalšia žena bola prijatá do ústavu v roku 1958. Ayrton požiadala o prečítanie článku pred Kráľovskou spoločnosťou, ale kvôli svojmu pohlaviu jej to nebolo dovolené a Mechanizmus elektrického oblúka namiesto nej prečítal John Perry v roku 1901.
Popis
Elektrický oblúk je typ s najvyššou hustotou prúdu. Maximálne množstvo prúdu prenášaného oblúkom je obmedzené iba vonkajším prostredím a nie samotným oblúkom.
Oblúk medzi dvoma elektródami môže byť iniciovaný ionizáciou a žeravým výbojom, keď sa zvýši prúd cez elektródy. Prierazné napätie medzi elektródami je kombinovanou funkciou tlaku, vzdialenosti medzi elektródami a typu plynu obklopujúceho elektródy. Keď sa začne oblúk, jeho svorkové napätie je oveľa nižšie ako pri žeravom výboji a prúd je vyšší. Oblúk v plynoch blízkych atmosférickému tlaku je charakterizovaný viditeľným svetlom, vysoká hustota prúd a vysoká teplota. Líši sa od žeravého výboja približne rovnakými efektívnymi teplotami elektrónov aj kladných iónov a v žeravom výboji majú ióny oveľa nižšiu termálna energia než elektróny.
Pri zváraní
Predĺžený oblúk môže byť iniciovaný dvoma elektródami, ktoré sú na začiatku v kontakte a počas experimentu sú oddelené. Táto akcia môže iniciovať oblúk bez vysokonapäťového žeravého výboja. Toto je spôsob, akým zvárač začne zvárať spoj okamžitým dotykom zváracej elektródy na predmet.
Ďalším príkladom je oddelenie elektrických kontaktov na spínačoch, relé alebo ističoch. Vysokoenergetické obvody môžu vyžadovať potlačenie oblúka, aby sa zabránilo poškodeniu kontaktov.
Voltaický oblúk: charakteristiky
Elektrický odpor pozdĺž nepretržitého oblúka vytvára teplo, ktoré ionizuje viac molekúl plynu (pričom stupeň ionizácie je určený teplotou) a podľa tejto postupnosti sa plyn postupne mení na tepelnú plazmu, ktorá je v tepelnej rovnováhe, pretože teplota je rozložená relatívne rovnomerne. všetky atómy, molekuly, ióny a elektróny. Energia prenášaná elektrónmi sa rýchlo rozptýli s ťažšími časticami v dôsledku elastických zrážok v dôsledku ich vysokej mobility a veľké čísla.
Prúd v oblúku je udržiavaný termionickou a poľnou emisiou elektrónov na katóde. Prúd môže byť sústredený do veľmi malého horúceho bodu na katóde - rádovo milión ampérov na štvorcový centimeter. Na rozdiel od žeravého výboja má oblúk jemnú štruktúru, pretože kladný stĺpec je dosť jasný a siaha takmer k elektródam na oboch koncoch. Katódový pokles a anódový pokles o niekoľko voltov sa vyskytujú v rámci zlomku milimetra každej elektródy. Kladný stĺpec má nižší gradient napätia a môže chýbať vo veľmi krátkych oblúkoch.
Nízkofrekvenčný oblúk
Nízkofrekvenčný (menej ako 100 Hz) striedavý oblúk pripomína jednosmerný oblúk. Pri každom cykle sa oblúk iniciuje prerušením a elektródy prepínajú úlohy, keď prúd mení smer. Keď sa frekvencia prúdu zvyšuje, nie je dostatok času na ionizáciu pri divergencii každého polcyklu a na udržanie oblúka už nie je potrebné prerušenie - charakteristiky napätia a prúdu sa stávajú ohmickejšími.
Miesto medzi ostatnými fyzikálnymi javmi
Rôzne tvary elektrické oblúky sú vznikajúce vlastnosti nelineárnych prúdových vzorov a elektrické pole. Oblúk vzniká v plynom naplnenom priestore medzi dvoma vodivými elektródami (často volfrámovými alebo uhlíkovými), čo vedie k veľmi vysokým teplotám schopným roztaviť alebo odpariť väčšinu materiálov. Elektrický oblúk je nepretržitý výboj, zatiaľ čo podobný výboj elektrickej iskry je okamžitý. Voltický oblúk sa môže vyskytnúť buď v obvodoch jednosmerného prúdu alebo v obvodoch striedavého prúdu. V druhom prípade môže znova zasiahnuť každú polovicu cyklu súčasnej generácie. Elektrický oblúk sa líši od žeravého výboja v tom, že hustota prúdu je pomerne vysoká a pokles napätia vo vnútri oblúka je nízky. Na katóde môže prúdová hustota dosiahnuť jeden megaampér na štvorcový centimeter.
Deštruktívny potenciál
Elektrický oblúk má nelineárny vzťah medzi prúdom a napätím. Po vytvorení oblúka (buď postupom od žeravého výboja alebo okamžitým dotykom elektród a ich oddelením) má zvýšenie prúdu za následok nižšie napätie medzi svorkami oblúka. Tento negatívny odporový efekt vyžaduje, aby bola do obvodu umiestnená určitá kladná forma impedancie (ako elektrický predradník), aby sa udržal stabilný oblúk. Táto vlastnosť je dôvodom, prečo sú nekontrolované elektrické oblúky v prístroji také deštruktívne, pretože po ich vzniku bude oblúk spotrebúvať stále viac prúdu zo zdroja. DC napätie kým sa zariadenie nezničí.
Praktické využitie
IN priemyselnom meradle na zváranie sa používajú elektrické oblúky, plazmové rezanie, mechanické spracovanie elektrickým výbojom, ako oblúková lampa vo filmových projektoroch a v osvetlení. Elektrické oblúkové pece sa používajú na výrobu ocele a iných látok. Karbid vápnika sa získava týmto spôsobom, pretože na dosiahnutie endotermickej reakcie (pri teplotách 2500 °C) je potrebné veľké množstvo energie.
Uhlíkové oblúkové svetlá boli prvé elektrické svetlá. Používali sa na pouličné lampy v 19. storočí a na špecializované zariadenia, ako sú reflektory, až do druhej svetovej vojny. Dnes sa nízkotlakové elektrické oblúky používajú v mnohých oblastiach. Na osvetlenie sa používajú napríklad žiarivky, ortuťové výbojky, sodíkové výbojky a halogenidové výbojky, zatiaľ čo xenónové oblúkové výbojky sa používajú pre filmové projektory.
Základom výbušných rozbušiek je vytvorenie intenzívneho elektrického oblúka, podobného malému oblúkovému záblesku. Keď vedci zistili, čo je elektrický oblúk a ako sa dá použiť, množstvo svetových zbraní bolo doplnené účinnými výbušninami.
Hlavnou zostávajúcou aplikáciou je vysoké napätie Spínací prístroj pre prenosové siete. Moderné zariadenia Používa sa tiež fluorid sírový pod vysokým tlakom.
Záver
Napriek frekvencii popálenín voltaickým oblúkom sa považuje za veľmi užitočný fyzikálny jav, stále široko používaný v priemysle, výrobe a tvorbe dekoratívnych predmetov. Má svoju vlastnú estetiku a jej obraz sa často objavuje v sci-fi filmoch. Poranenie elektrickým oblúkom nie je smrteľné.
Elektrický oblúk (voltaický oblúk, oblúkový výboj) - fyzikálny jav, jeden z typov elektrického výboja v plyne.
Oblúková štruktúra
Elektrický oblúk pozostáva z katódových a anódových oblastí, oblúkového stĺpca a prechodových oblastí. Hrúbka anódovej oblasti je 0,001 mm, katódová oblasť je asi 0,0001 mm.
Teplota v anodickej oblasti pri zváraní spotrebnou elektródou je asi 2500 ... 4000 ° C, teplota v stĺpci oblúka je od 7 000 do 18 000 ° C, v oblasti katódy - 9 000 - 12 000 ° C.
Stĺpec oblúka je elektricky neutrálny. V ktorejkoľvek z jeho sekcií je rovnaký počet nabitých častíc s opačným znamienkom. Pokles napätia v stĺpci oblúka je úmerný jeho dĺžke.
Zváracie oblúky sú klasifikované podľa:
- Materiály elektród - s tavnou a nekonzumovateľnou elektródou;
- Stupne kompresie stĺpca - voľný a stlačený oblúk;
- Podľa použitého prúdu - DC oblúk a AC oblúk;
- Podľa polarity jednosmerného elektrického prúdu - priama polarita ("-" na elektróde, "+" - na výrobku) a opačná polarita;
- Pri použití striedavého prúdu - jednofázové a trojfázové oblúky.
Samoregulácia oblúka pri elektrickom zváraní
Keď dôjde k externej kompenzácii - zmeny sieťového napätia, rýchlosti podávania drôtu atď. - dôjde k poruche v ustálenej rovnováhe medzi rýchlosťou podávania a rýchlosťou tavenia. Keď sa dĺžka oblúka v obvode zväčšuje, zvárací prúd a rýchlosť tavenia elektródového drôtu sa zmenšujú a rýchlosť podávania, pričom zostáva konštantná, sa stáva väčšou ako rýchlosť tavenia, čo vedie k obnoveniu dĺžky oblúka. Keď sa dĺžka oblúka zmenšuje, rýchlosť tavenia drôtu je väčšia ako rýchlosť podávania, čo vedie k obnoveniu normálnej dĺžky oblúka.
Účinnosť procesu samoregulácie oblúka je výrazne ovplyvnená tvarom prúdovo-napäťovej charakteristiky zdroja energie. Vysoká rýchlosť kolísania dĺžky oblúka sa spracováva automaticky s pevnými I-V charakteristikami obvodu.
Boj s elektrickým oblúkom
V mnohých zariadeniach je jav elektrického oblúka škodlivý. Ide predovšetkým o kontaktné spínacie zariadenia používané v napájaní a elektrických pohonoch: vysokonapäťové spínače, ističe, stýkače, sekcionálne izolátory na kontaktnej sieti elektrifikovaných železnice a mestskej elektrickej dopravy. Keď sú záťaže odpojené vyššie uvedenými zariadeniami, medzi otváracími kontaktmi vznikne oblúk.
Mechanizmus vzniku oblúka v v tomto prípadeĎalšie:
- Zníženie kontaktného tlaku - počet kontaktných bodov klesá, odpor v kontaktnej jednotke sa zvyšuje;
- Začiatok kontaktnej divergencie - tvorba „mostíkov“ z roztaveného kovu kontaktov (v posledných kontaktných bodoch);
- Roztrhnutie a vyparenie „mostov“ z roztaveného kovu;
- Tvorba elektrického oblúka v kovových parách (čo prispieva k väčšej ionizácii kontaktnej medzery a ťažkostiam pri hasení oblúka);
- Stabilné horenie oblúka s rýchlym vyhorením kontaktov.
Aby sa minimalizovalo poškodenie kontaktov, je potrebné oblúk v čo najkratšom čase uhasiť a vynaložiť maximálne úsilie na to, aby oblúk nezostal na jednom mieste (pri pohybe oblúka sa teplo uvoľnené v ňom rovnomerne rozloží po telese kontaktu ).
Na splnenie vyššie uvedených požiadaviek sa používajú nasledujúce metódy riadenia oblúka:
- chladenie oblúka prúdom chladiaceho média - kvapaliny (olejový spínač); plyn - (vzduchový istič, istič autoplynu, olejový istič, istič plynu SF6) a prúd chladiaceho média môže prechádzať pozdĺž hriadeľa oblúka (pozdĺžne zhášanie) aj naprieč (priečne zhášanie); niekedy sa používa pozdĺžne priečne tlmenie;
- využitie schopnosti vákua zhášať oblúk - je známe, že pri znížení tlaku plynov obklopujúcich spínané kontakty na určitú hodnotu vákuový istič vedie k efektívnemu zhášaniu oblúka (v dôsledku absencie nosičov pre tvorba oblúka).
- použitie kontaktného materiálu odolnejšieho voči oblúku;
- použitie kontaktného materiálu s vyšším ionizačným potenciálom;
- použitie mriežok na zhášanie oblúka (istič, elektromagnetický spínač). Princíp použitia zhášania oblúka na mriežkach je založený na využití efektu blízkokatódového úbytku oblúka (väčšina úbytku napätia v oblúku je úbytok napätia na katóde; zhášacia mriežka oblúka je vlastne séria sériové kontakty pre oblúk, ktorý sa tam dostane).
- použitie
1. Podmienky vzniku a horenia oblúka
Otvorenie elektrického obvodu, keď je v ňom prúd, je sprevádzané elektrickým výbojom medzi kontaktmi. Ak v odpojenom obvode sú prúd a napätie medzi kontaktmi väčšie ako kritické pre dané podmienky, potom a oblúk, ktorého doba horenia závisí od parametrov obvodu a podmienok deionizácie oblúkovej medzery. Vytvorenie oblúka pri otvorení medených kontaktov je možné už pri prúde 0,4-0,5 A a napätí 15 V.
Ryža. 1. Umiestnenie napätia U(a) a napätia v stacionárnom jednosmernom oblúkuE(b).
V oblúku sa rozlišuje blízko-katódový priestor, oblúkový hriadeľ a blízko-anódový priestor (obr. 1). Všetok stres je rozdelený medzi tieto oblasti U do, U SD, U A. Pokles napätia na katóde v jednosmernom oblúku je 10-20 V a dĺžka tohto úseku je 10-4-10-5 cm, takže v blízkosti katódy je pozorovaná vysoká intenzita elektrického poľa (105-106 V/cm). . Pri takýchto vysokých napätiach dochádza k nárazovej ionizácii. Jeho podstata spočíva v tom, že elektróny vytrhnuté z katódy silami elektrického poľa (emisia poľa) alebo vplyvom zahrievania katódy (termionická emisia) sú urýchlené do elektrické pole a keď narazia na neutrálny atóm, dajú mu svoju kinetickú energiu. Ak táto energia stačí na odstránenie jedného elektrónu z obalu neutrálneho atómu, dôjde k ionizácii. Výsledné voľné elektróny a ióny tvoria plazmu valca oblúka.
Ryža. 2. .
Vodivosť plazmy sa približuje vodivosti kovov [ pri= 2500 1/(Ohm×cm)]/ V hlavni oblúka prechádza veľký prúd a vzniká vysoká teplota. Prúdová hustota môže dosiahnuť 10 000 A/cm2 alebo viac a teplota sa môže pohybovať od 6 000 K pri atmosférickom tlaku do 18 000 K alebo viac pri zvýšených tlakoch.
Vysoké teploty v hlavni oblúka vedú k intenzívnej tepelnej ionizácii, ktorá zachováva vysokú vodivosť plazmy.
Tepelná ionizácia je proces tvorby iónov v dôsledku kolízie molekúl a atómov s vysokou kinetickou energiou pri vysoké rýchlosti ich pohyby.
Čím väčší je prúd v oblúku, tým menší je jeho odpor, a preto je na spálenie oblúka potrebné menšie napätie, to znamená, že je ťažšie uhasiť oblúk vysokým prúdom.
So striedavým napájacím napätím u cd sa mení sínusovo, mení sa aj prúd v obvode i(obr. 2) a prúd zaostáva za napätím približne o 90°. Oblúkové napätie u d, horiace medzi kontaktmi spínača, prerušovane. Pri nízkych prúdoch sa napätie zvyšuje na hodnotu u h (napätie zapaľovania), potom pri zvyšovaní prúdu v oblúku a zvyšovaní tepelnej ionizácie napätie klesá. Na konci polcyklu, keď sa prúd blíži k nule, oblúk zhasne pri zhášacom napätí u d V ďalšom polcykle sa jav opakuje, ak sa neprijmú opatrenia na deionizáciu medzery.
Ak je oblúk zhasnutý jedným alebo druhým spôsobom, potom sa napätie medzi kontaktmi spínača musí obnoviť na napájacie napätie - u vz (obr. 2, bod A). Keďže však obvod obsahuje indukčné, aktívne a kapacitné odpory, dochádza k prechodnému procesu, objavujú sa kolísania napätia (obr. 2), ktorých amplitúda U in,max môže výrazne prekročiť normálne napätie. Pre spínacie zariadenia je dôležité, ako rýchlo sa obnoví napätie v sekcii AB. Stručne povedané, oblúkový výboj je iniciovaný nárazovou ionizáciou a emisiou elektrónov z katódy a po zapálení je oblúk udržiavaný tepelnou ionizáciou vo valcovom oblúku.
V spínacích zariadeniach je potrebné nielen otvoriť kontakty, ale aj uhasiť oblúk, ktorý medzi nimi vzniká.
V obvodoch striedavého prúdu prechádza prúd v oblúku každú polperiódu nulou (obr. 2), v týchto momentoch oblúk samovoľne zhasne, ale v ďalšom polcykle môže opäť vzniknúť. Ako ukazujú oscilogramy, prúd v oblúku sa blíži k nule o niečo skôr ako prirodzený prechod cez nulu (obr. 3, A). Vysvetľuje to skutočnosť, že keď sa prúd zníži, energia dodávaná do oblúka sa zníži, preto sa teplota oblúka zníži a tepelná ionizácia sa zastaví. Trvanie mŕtveho času t n je malé (od desiatok do niekoľkých stoviek mikrosekúnd), ale hrá dôležitú úlohu pri zhášaní oblúka. Ak v mŕtvom čase kontakty otvoríte a dostatočnou rýchlosťou ich od seba vzdialite na takú vzdialenosť, aby nedošlo k elektrickému výpadku, obvod sa veľmi rýchlo vypne.
Počas mŕtvej pauzy intenzita ionizácie výrazne klesá, pretože nedochádza k tepelnej ionizácii. V spínacích zariadeniach sa okrem toho vykonávajú umelé opatrenia na ochladenie priestoru oblúka a zníženie počtu nabitých častíc. Tieto deionizačné procesy vedú k postupnému zvyšovaniu elektrickej pevnosti medzery u pr (obr. 3, b).
Prudký nárast elektrickej pevnosti medzery po prechode prúdu cez nulu nastáva hlavne v dôsledku zvýšenia pevnosti blízkeho katódového priestoru (v striedavých obvodoch 150-250V). Súčasne sa zvyšuje zotavovacie napätie u V. Ak kedykoľvek u pr > u medzera nebude prerazená, po prechode prúdu nulou sa oblúk opäť nerozsvieti. Ak v určitom okamihu u pr = u c, potom sa oblúk znovu zapáli v medzere.
Ryža. 3. :
A– zhasnutie oblúka, keď prúd prirodzene prechádza nulou; b– zvýšenie elektrickej pevnosti oblúkovej medzery, keď prúd prechádza nulou
Úlohou uhasenia oblúka teda je vytvoriť také podmienky, aby elektrická pevnosť medzery medzi kontaktmi u bolo medzi nimi väčšie napätie u V.
Proces zvyšovania napätia medzi kontaktmi vypínaného zariadenia môže mať rôzny charakter v závislosti od parametrov spínaného obvodu. Ak je obvod s prevahou aktívneho odporu vypnutý, potom sa napätie obnoví podľa aperiodického zákona; ak v obvode prevláda indukčná reaktancia, tak vznikajú kmity, ktorých frekvencie závisia od pomeru kapacity a indukčnosti obvodu. Oscilačný proces vedie k značným rýchlostiam obnovy napätia a tým väčšia je rýchlosť du V/ dt, tým je pravdepodobnejšie, že sa medzera rozpadne a oblúk sa znova zapáli. Na uľahčenie podmienok na zhasnutie oblúka sa do odpojeného prúdového obvodu zavedú aktívne odpory, potom bude charakter obnovy napätia aperiodický (obr. 3, Obr. b).
3. Spôsoby hasenia oblúkov v spínacích zariadeniach do 1000IN
V spínacích zariadeniach do 1 kV sa široko používajú tieto metódy zhášania oblúka:
Predĺženie oblúka s rýchlou divergenciou kontaktov.
Čím dlhší je oblúk, tým väčšie napätie je potrebné na jeho existenciu. Ak je napätie zdroja nižšie, oblúk zhasne.
Rozdelenie dlhého oblúka na niekoľko krátkych (obr. 4, A).
Ako je znázornené na obr. 1 je napätie oblúka súčtom katódového napätia U k a anóda U a poklesy napätia a napätie hriadeľa oblúka U SD:
U d= U k+ U a+ U sd= U e+ U SD.
Ak sa dlhý oblúk, ktorý vznikne pri otvorení kontaktov, vtiahne do mriežky na zhášanie oblúka vyrobenej z kovových dosiek, potom sa rozdelí na N krátke oblúky. Každý krátky oblúk bude mať vlastnú katódu a poklesy anódového napätia U e. Oblúk zhasne, ak:
U n U uh,
Kde U- sieťové napätie; U e - súčet poklesov katódového a anódového napätia (20-25 V v jednosmernom oblúku).
Oblúk AC možno rozdeliť aj na N krátke oblúky. V okamihu, keď prúd prechádza cez nulu, priestor blízko katódy okamžite získa elektrickú silu 150-250 V.
Oblúk zhasne, ak
Zhášanie oblúka v úzkych štrbinách.
Ak horí oblúk v úzkej medzere tvorenej materiálom odolným voči oblúku, potom v dôsledku kontaktu so studenými povrchmi dochádza k intenzívnemu ochladzovaniu a difúzii nabitých častíc v životné prostredie. To vedie k rýchlej deionizácii a zhasnutiu oblúka.
Ryža. 4.
A– rozdelenie dlhého oblúka na krátke; b– vtiahnutie oblúka do úzkej štrbiny v zhášacej komore oblúka; V– rotácia oblúka v magnetickom poli; G– zhasnutie oblúka v oleji: 1 – pevný kontakt; 2 – oblúkový kmeň; 3 – vodíkový plášť; 4 – plynová zóna; 5 – zóna olejových pár; 6 – pohyblivý kontakt
Pohyb oblúka v magnetickom poli.
Elektrický oblúk možno považovať za vodič prenášajúci prúd. Ak je oblúk v magnetickom poli, pôsobí naň sila určená pravidlom ľavej ruky. Ak vytvoríte magnetické pole nasmerované kolmo na os oblúka, dostane translačný pohyb a bude vtiahnuté do štrbiny zhášacej komory (obr. 4, b).
V radiálnom magnetickom poli bude oblúk prijímať rotačný pohyb(obr. 4, V). Môže sa vytvoriť magnetické pole permanentné magnety, špeciálne cievky alebo samotný obvod živých častí. Rýchla rotácia a pohyb oblúka prispieva k jeho ochladzovaniu a deionizácii.
Posledné dva spôsoby zhášania oblúka (v úzkych štrbinách a v magnetickom poli) sa používajú aj pri odpájaní zariadení s napätím nad 1 kV.
4. Hlavné spôsoby hasenia oblúka v zariadeniach nad 1kV.
V spínacích zariadeniach nad 1 kV sa používajú metódy 2 a 3 opísané v odsekoch. 1.3. a široko používané sú aj tieto metódy hasenia oblúka:
1. Zánik oblúka v rope .
Ak sú kontakty odpojovacieho zariadenia umiestnené v oleji, potom oblúk vznikajúci pri otváraní vedie k intenzívnej tvorbe plynu a odparovaniu oleja (obr. 4, G). Okolo oblúka sa vytvorí plynová bublina pozostávajúca hlavne z vodíka (70-80%); rýchlym rozkladom oleja dochádza k zvýšeniu tlaku v bubline, čo prispieva k jej lepšiemu chladeniu a deionizácii. Vodík má vysoké vlastnosti zhášania oblúka. Pri priamom kontakte s hriadeľom oblúka prispieva k jeho deionizácii. Vo vnútri plynovej bubliny je nepretržitý pohyb plynu a olejových pár. Zhášanie oblúka v oleji je široko používané v ističoch.
2. Plyn-vzduch fúkanie .
Chladenie oblúka sa zlepší, ak sa vytvorí usmernený pohyb plynov - tryskanie. Fúkanie pozdĺž alebo cez oblúk (obr. 5) podporuje prenikanie častíc plynu do jeho hlavne, intenzívnu difúziu a chladenie oblúka. Plyn vzniká pri rozklade ropy oblúkom (olejové spínače) alebo pevnými plynotvornými materiálmi (výbuch autoplynu). Efektívnejšie je fúkať studeným neionizovaným vzduchom zo špeciálnych tlakových fliaš (vzduchových spínačov).
3. Prerušenie viacnásobného prúdu .
Vypnutie veľkých prúdov pri vysokých napätiach je ťažké. Vysvetľuje sa to tým, že keď veľké hodnoty S pridanou energiou a regeneračným napätím sa deionizácia oblúkovej medzery stáva komplikovanejšou. Preto sa vo vysokonapäťových ističoch používa viacnásobné prerušenie oblúka v každej fáze (obr. 6). Takéto spínače majú niekoľko hasiacich zariadení navrhnutých pre časť menovitej hodnoty. 
priadza. Počet prerušení na fázu závisí od typu spínača a jeho napätia. V ističoch 500-750 kV môže byť 12 prerušení alebo viac. Na uľahčenie zhášania oblúka musí byť obnovovacie napätie rovnomerne rozdelené medzi prerušenia. Na obr. Obrázok 6 schematicky znázorňuje olejový spínač s dvomi prerušeniami na fázu.
Keď sa odpojí jednofázový skrat, obnovovacie napätie sa rozdelí medzi prerušenia takto:
U 1/U 2 = (C 1+C 2)/C 1
Kde U 1 ,U 2 - napätia aplikované na prvé a druhé prerušenie; S 1 – kapacita medzi kontaktmi týchto medzier; C 2 – kapacita kontaktného systému vzhľadom na zem.
Ryža. 6. Rozloženie napätia pri prerušení spínača: a – rozloženie napätia pri prerušení spínača oleja; b – kapacitné rozdeľovače napätia; c – aktívne deličy napätia.
Pretože S 2 je oveľa viac C 1, potom napätie U 1 > U 2, a preto budú hasiace zariadenia fungovať za iných podmienok. Na vyrovnanie napätia sú paralelne s hlavnými kontaktmi ističa (MC) zapojené kapacity alebo aktívne odpory (obr. 16, Obr. b, V). Hodnoty kapacít a aktívnych odporov skratu sú zvolené tak, aby bolo napätie na prestávkach rozložené rovnomerne. V spínačoch s odpormi bočníka je po zhasnutí oblúka medzi hlavnými obvodmi sprievodný prúd, limitovaný hodnotou odpormi, prerušený pomocnými kontaktmi (AC).
Odpory bočníkov znižujú rýchlosť nárastu zotavovacieho napätia, čo uľahčuje uhasenie oblúka.
4. Zhasnutie oblúka vo vákuu .
Vysoko riedky plyn (10-6-10-8 N/cm2) má elektrickú pevnosť niekoľkonásobne väčšiu ako plyn pri atmosférickom tlaku. Ak sa kontakty otvoria vo vákuu, potom sa ihneď po prvom prechode prúdu v oblúku cez nulu obnoví sila medzery a oblúk sa znova nerozsvieti.
5. Zhasnutie oblúka v plynoch vysoký tlak .
Vzduch pri tlaku 2 MPa alebo viac má vysokú elektrickú pevnosť. To umožňuje vytvoriť pomerne kompaktné zariadenia na hasenie oblúka v atmosfére stlačeného vzduchu. Použitie plynov s vysokou pevnosťou, ako je fluorid sírový SF6 (plyn SF6), je ešte efektívnejšie. Plyn SF6 má nielen väčšiu elektrickú pevnosť ako vzduch a vodík, ale aj lepšie vlastnosti zhášania oblúka aj pri atmosférickom tlaku.
Princíp zvárania elektrickým oblúkom je založený na využití teploty elektrického výboja, ktorý vzniká medzi zváracou elektródou a kovovým obrobkom.
Oblúkový výboj sa vytvára v dôsledku elektrického rozpadu vzduchovej medzery. Keď dôjde k tomuto javu, molekuly plynu sa ionizujú, zvýši sa jeho teplota a elektrická vodivosť a prejde do plazmového stavu.
Horenie zváracieho oblúka je sprevádzané uvoľnením veľká kvantita svetelná a najmä tepelná energia, v dôsledku čoho prudko stúpa teplota a dochádza k lokálnemu taveniu obrobku. Toto je zváranie.
Počas prevádzky, aby sa spustil oblúkový výboj, sa obrobok krátko dotkne elektródy, to znamená skrat nasleduje prerušenie kovového kontaktu a vytvorenie požadovanej vzduchovej medzery. Týmto spôsobom sa zvolí optimálna dĺžka zváracieho oblúka.
Pri veľmi krátkom výboji sa elektróda môže prilepiť na obrobok, dochádza k príliš intenzívnemu taveniu, čo môže viesť k tvorbe priehybov. Dlhý oblúk je charakterizovaný nestabilitou spaľovania a nedostatočne vysokou teplotou v zóne zvárania.
Nestabilitu a viditeľné ohýbanie tvaru zváracieho oblúka možno často pozorovať pri prevádzke priemyselných zváracích jednotiek s pomerne masívnymi časťami. Tento jav sa nazýva magnetické fúkanie.
Jeho podstata spočíva v tom, že prúd zváracieho oblúka vytvára určité magnetické pole, s ktorým interaguje magnetické pole, vytvorený prúdom pretekajúcim cez masívny obrobok.
To znamená, že vychýlenie oblúka je spôsobené magnetickými silami. Proces sa nazýva fúkanie, pretože oblúk je vychýlený, akoby pod vplyvom vetra.
Neexistujú žiadne radikálne spôsoby boja proti tomuto javu. Na zníženie vplyvu magnetického výbuchu sa používa zváranie skráteným oblúkom a elektróda je tiež umiestnená pod určitým uhlom.
Spaľovacie médium
Existuje niekoľko rôznych technológií zvárania, ktoré využívajú výboje elektrického oblúka, líšia sa vlastnosťami a parametrami. Elektrický zvárací oblúk má tieto typy:
- OTVORENÉ. Výboj sa vyskytuje priamo v atmosfére;
- ZATVORENÉ. Vysoká teplota vznikajúca pri spaľovaní spôsobuje hojné uvoľňovanie plynov z horiaceho taviva. Tavidlo je obsiahnuté v povlaku zváracích elektród;
- v prostredí ochranného plynu. Pri tejto možnosti sa do zváracej zóny privádza plyn, najčastejšie hélium, argón alebo oxid uhličitý.
Ochrana zóny zvárania je nevyhnutná, aby sa zabránilo aktívnej oxidácii roztaveného kovu pod vplyvom vzdušného kyslíka.
Vrstva oxidu zabraňuje vytvoreniu súvislého zvar kov v mieste spojenia sa stáva poréznym, čo vedie k zníženiu pevnosti a tesnosti spoja.
Samotný oblúk je do určitej miery schopný vytvárať mikroklímu v spaľovacej zóne v dôsledku vytvorenia oblasti vysoký krvný tlak, zabraňujúce prúdeniu atmosférického vzduchu.
Použitie taviva umožňuje aktívnejšie vytláčanie vzduchu zo zóny zvárania. Použitie ochranných plynov dodávaných pod tlakom tento problém takmer úplne rieši.
Trvanie vybíjania
Okrem kritérií ochrany sa oblúkový výboj klasifikuje podľa trvania. Existujú procesy, pri ktorých dochádza k spaľovaniu oblúka v pulznom režime.
V takýchto zariadeniach sa zváranie vykonáva v krátkych dávkach. Počas prepuknutia sa teplota podarí zvýšiť na hodnotu dostatočnú na lokálne topenie malá plocha, v ktorom vzniká bodové spojenie.
Väčšina používaných zváracích technológií využíva pomerne dlhú dobu horenia oblúka. Počas procesu zvárania sa elektróda neustále pohybuje pozdĺž spájaných okrajov.
región zvýšená teplota, vytvára, sa pohybuje po elektróde. Po presťahovaní zváracia elektróda V dôsledku toho sa znižuje výboj oblúka, teplota prechádzanej oblasti, dochádza ku kryštalizácii zvarového kúpeľa a vytváraniu pevného zvaru.
Štruktúra oblúkového výboja
Oblasť výboja oblúka je konvenčne rozdelená na tri časti. Oblasti bezprostredne susediace s pólmi (anóda a katóda) sa nazývajú anóda a katóda.
Centrálna časť oblúkového výboja, ktorá sa nachádza medzi oblasťou anódy a katódy, sa nazýva oblúkový stĺp. Teplota v zóne zváracieho oblúka môže dosiahnuť niekoľko tisíc stupňov (až 7000 °C).
Aj keď sa teplo úplne neprenesie na kov, stačí ho roztaviť. Teplota topenia ocele je teda pre porovnanie 1300-1500 °C.
Na zabezpečenie stabilného spaľovania oblúkového výboja je potrebné nasledujúcich podmienok: prítomnosť prúdu rádovo 10 ampérov (toto je minimálna hodnota, maximum môže dosiahnuť 1 000 ampérov), pri zachovaní napätia oblúka od 15 do 40 voltov.
K tomuto poklesu napätia dochádza pri oblúkovom výboji. Rozloženie napätia v zónach oblúka je nerovnomerné. Väčšina aplikovaného poklesu napätia sa vyskytuje v anodických a katódových zónach.
Experimentálne sa zistilo, že pri , je najväčší pokles napätia pozorovaný v katódovej zóne. V rovnakej časti oblúka je pozorovaný najvyšší teplotný gradient.
Preto pri výbere polarity zváracieho procesu je katóda pripojená k elektróde, keď chcú dosiahnuť najväčšie roztavenie, čím sa zvýši jej teplota. Naopak, pre hlbší prienik do obrobku je k nemu pripevnená katóda. Najmenšia časť napätia klesá v stĺpci oblúka.
Pri zváraní netaviteľnou elektródou je pokles napätia na katóde menší ako anodický, to znamená, že zóna vysokej teploty je posunutá smerom k anóde.
Preto je pri tejto technológii obrobok spojený s anódou, čo zaisťuje dobrý ohrev a ochranu nespotrebovateľnej elektródy pred nadmernou teplotou.
Teplotné zóny
Je potrebné poznamenať, že pri akomkoľvek druhu zvárania, a to spotrebnými aj nespotrebovateľnými elektródami, má stĺpec oblúka (jeho stred) najviac vysoká teplota- asi 5000-7000 °C a niekedy aj vyššie.
Zóny s najnižšou teplotou sa nachádzajú v jednej z nich aktívne oblasti katódové alebo anódové. V týchto zónach sa môže uvoľniť 60-70% tepla oblúka.
Okrem intenzívneho zvyšovania teploty obrobku a zváracej elektródy výboj vyžaruje infračervené a ultrafialové vlny, ktoré môžu mať škodlivý vplyv na telo zvárača. To si vyžaduje použitie ochranných opatrení.
Pokiaľ ide o zváranie striedavým prúdom, pojem polarity tam neexistuje, pretože poloha anódy a katódy sa mení pri priemyselnej frekvencii 50 vibrácií za sekundu.
Oblúk v tomto procese je menej stabilný v porovnaní s jednosmerným prúdom, jeho teplota kolíše. Medzi výhody zváracích procesov pomocou striedavého prúdu patrí jednoduchšie a lacnejšie vybavenie a dokonca takmer úplná absencia takého javu, akým je magnetický výbuch, ktorý je uvedený vyššie.
Voltampérové charakteristiky
V grafe je znázornená závislosť napätia zdroja od zváracieho prúdu, nazývaná prúdovo-napäťové charakteristiky zváracieho procesu.
Červené krivky zobrazujú zmenu napätia medzi elektródou a obrobkom vo fázach budenia zváracieho oblúka a jeho stabilného horenia. Počiatočné body kriviek zodpovedajú napätiu nečinný pohyb Zdroj.
V momente, keď zvárač iniciuje výboj oblúka, napätie prudko klesá až do doby, kedy sa stabilizujú parametre oblúka a ustáli sa hodnota zváracieho prúdu v závislosti od priemeru použitej elektródy, výkonu zdroja a nastavenej dĺžka oblúka.
S nástupom tohto obdobia sa napätie a teplota oblúka stabilizujú a celý proces sa stáva stabilným.