Энергетические критерии устойчивости

Общепринятый критерий статической устойчивости, определяемый выражением (1.17), не учитывает различия вольт-амперных характеристик трансформатора в режимах источника напряжения и источника тока, а также существенного различия вольт-амперных характеристик дуги на участках с приблизительно постоянным и возрастающим напряжением. На рис. 1.10 приведены типичные сочетания вольт-амперных характеристик источников и дуги, удовле­творяющие указанному критерию, и дающие в установившемся режиме одинаковые значения тока и напряжения дуги.

(1.17)

На практике приходится считаться с рядом дополнительных требований, главными из которых являются:

§ Обеспечение достаточной эластичности дуги при сварке штуч­ными электродами

§ Обеспечение эффекта саморегулирования дуги при механизиро­ванной сварке плавящимся электродом в среде защитных газов с постоянной скоростью подачи

§ Обеспечение устойчивости процесса сварки при колебаниях на­пряжения в питающей сети

Рис. 1.10 Типовые сочетания вольт-амперных характеристик источ­ников сварочного тока и дуги: 1,2- участки дуги с постоянным (1) и возрастающим (2) напряжением; 3, 4 - характеристики источника напряжения (3) и источника тока (4)

В этих случаях недостаточно использовать только критерий устойчивости (1.25). Значительно более показательным и эффективным является исследование системы "источник питания - сварочная дуга" с помощью энергетических критериев.

Рассмотрим процессы, происходящие при сварке штучным электродом ( U_Д = const ) при питании дуги от источника напряжения (рис. 1.11-а) и источника тока (рис.1.11-б).

Рис. 1.11. Энергетические характеристики системы "дуга - источ­ник напряжения (а) и тока (б)" при ручной дуговой сварке

Изменения мощности дуги на рабочих участках (ток сварки больше тока зажигания) описываются линейными зависимостями:

Р_Д = U_ДI_Д = const. (1.18)

При номинальном напряжении питания источника устойчивому статическому равновесию соответствуют токи I₂ и I₃, в то время как ток I₁, имеющий место при увеличении длины дуги даёт точку неустойчивого равновесия. Любое дальнейшее увеличение длины дуги приводит к тому, что характеристики дуги и источника не будут пересекаться, следовательно, дуга оборвется. Кроме того, уменьшение мощности дуги приводит к ухудшению условий зажигания. Уменьшение длины дуги приводит к увеличению тока до I₃ Условие статической устойчивости при этом выполняется, но увеличение мощности дуги при одновременном уменьшении её охлаждаемой поверхности (которая примерно пропорциональна длине) приводит к ускорению переноса металла, перегреву изделия и ухудшению качества сварки. При снижении напряжения мощность уменьшается в квадратичной зависимости, а характеристики изме­няются, причём даже небольшое удлинение дуги приводит к потере устойчивости. Гораздо более благоприятные условия для сварки обеспечиваются в том случае, если трансформатор работает в режиме источника тока (рис. 1.11-б). При тех же параметрах дуги и таких же изменениях напряжения статическая устойчивость обеспечивается в любой точке. Кроме того, благоприятен и характер изменения мощности. При увеличений длины дуги ток уменьшается до I₁, но мощность дуги возрастает, обеспечивая лучшие условия повторных зажиганий и меньшую вероятность погасания. Охлаждаемая поверхность дуги увеличивается, и избыток тепла отводится в окружающую среду. При уменьшении длины дуги ток возрастает до значения I₁и происходят обратные явления. В результате эффективная тепловая мощность дуги остаётся приблизительно постоянной, что способствует более высокому качеству сварных соединений. Таким образом, при сварке штучными электродами трансформатор должен обладать свойствами источника тока.

Рассмотрим теперь явления, происходящие при механизированной сварке плавящимся электродом. В этом случае дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику, следовательно, её мощность будет нелинейно возрастать. При работе трансформатора в режиме источника тока условие статической устойчивости (1.17) выполняется для всех указанных токов (рис. 1.12.-а), однако, саморегулирование дуги отсутствует. Действительно, при случайном увеличении длины дуги ток eё уменьшается с I₁до I₂, но мощность возрастает. Электрод начинает плавиться быстрее, значит, при постоянной скорости подачи длина дуги не восстанавливается. При случайном уменьшении длины дуги процесс развивается аналогично, но в противоположном направлении, следовательно, саморегулирование сварочной дуги отсутствует.

Рис. 1.12. Энергетические характеристики системы "дуга -источник тока (а) и напряжения (б) при механизированной сварке плавящимся электродом

Иной характер носят процессы, происходящие при питании дуги от источника напряжения (рис. 1.12.-б). Случайное удлинение дуги приводит к уменьшению не только тока, но и мощности. При постоянной скорости подачи скорость плавления электрода снижается, вылет его увеличивается, и длина дуги восстанавливается. Аналогичным образом можно показать, что длина дуги восстановится и после случайного её уменьшения. Снижение питающего напряжения в определенных пределах не нарушает стабильности процесса, хотя ток сварки и мощность дуги при этом уменьшаются. Таким образом, при механизированной сварке плавящимся электродом саморегулирование дуги достигается в том случае, если трансформатор обладает свойствами источника напряжения.

Наиболее удобным критерием оценки режима работы источника является первая производная мощности по току (1.19), которая в системе физических единиц принимает следующий вид:

(1.19)

Общий характер этой зависимости показан на рис. 1.13

Рис. 1.13. Определение режима работы трансформатора по энергетическому критерию

Общие энергетические критерии устойчивости можно сформулировать следующим образом.

§ На участке вольт-амперной характеристики с примерно постоянным напряжением (зона ручной дуговой сварки) режим работы будет устойчивым, если при возмущающих воз действиях мощность источника изменяется менее интенсивно, чем мощность дуги, а приращения их различны по знаку

§ На участке вольт-амперной характеристики дуги с возрастающим напряжением (зона механизированной сварки плавящимся электродом) режим будет устойчив, если при возмущающих воздействиях мощность источника изменяется менее интенсивно, чем мощность дуги, а приращения этих мощностей одинаковы по знаку.

В аналитической форме критерий устойчивости для зоны ручной дуговой сварки записывается в виде следующей системы:

, (1.20)

а для зоны механизированной сварки плавящимся электродом:

(1.21)

Сточки зрения оптимального использования трансформатора рабочие режимы должны выбираться таким образом, чтобы мощность дуги в установившемся режиме была близка к максимальной мощности. трансформатора. Выполнение этого условия особенно важно для ручной дуговой сварки, поскольку в противном случае режим работы будет близок к короткому замыканию, что не допустимо с точки зрения нагрева и энергетических показателей.

Поиск по сайту: