Способ возбуждения электрической дуги и устройства для его осуществления

Способ возбуждения электрической дуги и устройства для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам и способу возбуждения электрической дуги, и может найти применение в сварочном производстве. Для обеспечения нормального процесса возбуждения электрической дуги и варки загрязненного и окисленного металла, стали, алюминия в способе возбуждения электрической дуги после размыкания закоротки выхода источника питания к нему подают форсирующее напряжение той же полярности, но большей амплитуды. После этого на дуговой промежуток подают с задержкой по времени импульс напряжения обратной полярности по отношению к источнику питания электрической дуги, превышающий по номиналу вышеуказанное форсирующее напряжение и имеющий укороченный фронт. В устройство для возбуждения электрической дуги введены источник внутреннего форсирующего напряжения, блокировочный дроссель и элемент "длинная линия". Кроме того, усовершенствованы источник импульсов напряжения возбуждения и магнитные ключи со способом организации их управления. 5 с. и 5 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу и устройствам для питания сварочной дуги переменного тока и вспомогательной дуги плазмотрона, и может быть использовано в аппаратах, способных варить окисленный и ржавый металл, сталь, нержавеющую сталь, алюминий и другие металлы, сварка которых аппаратами переменного тока ранее считалась невозможной.

Электрическая дуга была открыта случайно Петровым, а затем Деви. Однако сущность явлений не была понята ими правильно. Даже теперь расчеты электрических цепей с отрицательным сопротивлением сложны, хотя и могут считаться освоенными для инженеров высокого уровня. Дуга имеет вольтамперную характеристику S-типа и устойчива только при питании от источника тока с индуктивным или достаточно большим активным сопротивлением. Подключение параллельно дуге (особенно при малых токах) конденсатора достаточно большой емкости с неизбежностью срывает дугу. Дуга переменного тока, открытая Яблочковым, с индуктивным ограничителем тока, мощность на котором не рассеивается, сложна в восприятии. Момент перемены знака тока с разрывом дуги исследован недостаточно. "Осциллятор", изобретенный Вологдиным в тридцатые годы, остался чисто эмпирическим изобретением, несмотря на свое широкое применение. Запуск дуги искрой с первого импульса на холодную деталь не исследован. До настоящего времени просто не было аппаратов, способных его осуществить. Некоторые положения, считавшиеся общепринятыми, оказались просто ошибочными. Так, рекомендации использовать для запуска импульсы с энергией 1 Дж и более, выглядят удивительными, если в наших аппаратах энергия импульса измеряется миллиджоулями. Можно понять это положение, если учесть, что отсутствовала электронная аппаратура, позволяющая регистрировать однократные процессы в диапазоне времени, начинающегося долями наносекунды.

Искровой разряд 1-3 мм при напряжении 5-15 кВ возникает за десятые доли наносекунды в канале шириной единицы микрон с температурой 100000 К и выше (характерный фиолетовый цвет). Давление 500 атм. Энергоемкость такой плазмы превосходит в 100 раз и более тротиловый эквивалент. Ударная волна расширяет канал со скоростью около 10 мкм в 1 нс (10000 м/с). Температура падает до 8000-6000 К, характерных для дугового разряда (белый цвет). Теплосодержание такой плазмы 3 мДж/мм³. Проводимость плазмы 1500 См/м. Теплопроводность воздуха (азота) = 0,0255 для Т = 273 К и = 0,151 для Т - 5000 К. Теплопроводность плазмы = 4 для более высоких температур, то есть превышает теплопроводность воздуха более чем на два порядка. Эти числовые данные важны для понимания статики и динамики дуги.

В стационарном (статическом) состоянии тепловыделение от тока проводимости в точности равна теплоотводу. Форма тела дуги может быть найдена совместным решением уравнений теплопроводности и электропроводности при очевидных граничных условиях. Обе они резко зависят от температуры, то есть уравнения нелинейные. Как указано выше, теплопроводность плазмы более чем на два порядка превышает теплопроводность воздуха, электропроводность плазмы приведена выше, а воздух - вообще изолятор. Аналогичная (но более простая) задача была решена в 1950 году под руководством А.Д.Сахарова (журнал "Природа" N 8, 1990, статья Ю.А.Романова "Отец советской водородной бомбы").

Поэтому описание возбуждения сварочной дуги в литературе не соответствует истине.

Известны источники питания электрической дуги с насыщающимся трансформатором и токоограничивающим дросселем в первичной цепи (патент СССР N 1839648, кл. B 23 K 9/00 от 21.09.90 г.). Возбуждение дуги в них производится импульсами высокого напряжения, вырабатываемыми из фронта напряжения при выходе магнитопровода из насыщения. Осциллограммы показывают, что дуга возбуждается нечетко, только от третьего-четвертого импульса из цуга импульсов, следующих через 50 мкс, происходит возбуждение.

По технической сущности наиболее близким к заявляемым изобретениям являются способ возбуждения электрической дуги, при котором перед подачей импульса возбуждения на дуговой промежуток закорачивают выход источника питания электрической дуги на время нарастания тока короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги, и устройство для возбуждения электрической дуги, содержащее источник импульсов возбуждения, держатель электрода, клемму заземления, источник питания электрической дуги, параллельно шинам которого подключены блокировочный конденсатор и ключ с пороговым элементом (см. патент РФ N 2011493, кл. B 23 K 9/06 от 27.07.1991 г.).

В известных изобретениях предлагается коротко замыкать источник питания с эквивалентным индуктивным выходным сопротивлением и выдерживать его замкнутым до нарастания тока в индуктивности до уровня, достаточного для поддержания тока дуги, затем размыкать и подавать импульс возбуждения. Практика показывает, что такие возбудители обеспечивают возбуждение сварочной дуги с первого импульса дистанционно на расстоянии 0,5-1 мм от детали.

Осциллографические наблюдения показывают, что в первые наносекунды после прохождения искры напряжение на дуговом промежутке снижается с 7-5 кВ (это и есть напряжение искры) до напряжения порядка 500-300 В, а затем за десятые доли микросекунды снижается до 150-70 В. Далее оно должно снизиться до напряжения 20 В, характерного для дуги, за время в единицы микросекунд. Однако оно сохраняется (150-70 В) на время в десятые доли миллисекунды. Если напряжение источника питания в момент возбуждения составляет 35-50 В, то напряжение на дуге уменьшает ток индуктивного источника, и возбуждение может не состояться. Причины такого поведения напряжения на дуге неизвестны. Было замечено, что это имеет место в случае загрязненной и окисленной детали. Хотя искра и возникает на расстоянии 2-3 мм от детали, дуга не загорается вплоть до касания, так как основное падение напряжения происходит в узком пробитом канале окисла с энергоемкостью порядка 10 Дж/мм³.

Техническим результатом является разработка способа и устройства, способных обеспечить нормальный процесс возбуждения дуги и варки загрязненного и окисленного металла, стали, алюминия и т.п.

Для этого в способе возбуждения электрической дуги, при котором перед подачей на дуговой промежуток импульса напряжения возбуждения закорачивают выход источника питания электрической дуги на время нарастания тока короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги, согласно изобретению после достижения тока короткого замыкания уровня стабильного тока дуги к выходу источника питания электрической дуги подают форсирующее напряжение той же полярности, превышающее напряжение источника питания, после чего на дуговой промежуток подают с задержкой по времени импульс напряжения возбуждения обратной полярности по отношению к источнику питания электрической дуги, превышающий по номиналу форсирующее напряжение и имеющий укороченную длительность фронта, при этом время задержки импульса напряжения возбуждения выбирают в диапазоне от 3 до 300 нс, а отношение времени задержки импульса напряжения возбуждения к длительности его фронта составляет 1-30, кроме того, форсирующее напряжение формируют путем трансформации энергии источника питания из закорачивающей его цепи, а импульс напряжения возбуждения формируют путем трансформации энергии источника питания из закорачивающей его цепи.

Технический результат достигается также тем, что в устройство для возбуждения электрической дуги, содержащее источник импульсов напряжения возбуждения, первую и вторую клеммы дугового промежутка, источник питания электрической дуги, параллельно которому подключены блокировочный конденсатор и ключ с пороговым элементом, согласно изобретению введены источник внутреннего форсирующего напряжения, блокировочный дроссель и элемент "длинная линия", при этом источник внутреннего форсирующего напряжения соединен согласно с источником питания электрической дуги, источник импульсов напряжения возбуждения соединен с источником питания электрической дуги встречно одним своим выводом - через блокировочный дроссель и другим - непосредственно, а через элемент "длинная линия" выводы источника импульсов напряжения возбуждения подключены к первой и второй клеммам дугового промежутка, при этом источник внутреннего форсирующего напряжения может быть выполнен в виде последовательно соединенных ключевого элемента, элементов сопротивления и индуктивности и емкостного источника напряжения.

Кроме того, в ключ для устройства возбуждения электрической дуги, содержащий конденсатор, насыщающийся магнитопровод с рабочей обмоткой, один вывод которой соединен с входом магнитного ключа, а другой вывод - через конденсатор с выходом, согласно изобретению введена обмотка смещения для последовательного соединения с первичной обмоткой силового трансформатора с насыщающимся магнитопроводом источника питания электрической дуги.

Кроме того, в ключ для устройства возбуждения электрической дуги, содержащий конденсатор, разрядник, насыщающийся магнитопровод трансформатора с рабочей и высоковольтной обмотками, к последней из которых подключен конденсатор и разрядник, согласно изобретению введена обмотка смещения для последовательного соединения с первичной обмоткой силового трансформатора с насыщающимся магнитопроводом источника питания электрической дуги.

Кроме того, в способе подготовки к срабатыванию ключа устройства возбуждения электрической дуги, выполненного в виде каскадной цепочки из n магнитных ключей, включающем установку магнитопровода i-го ключа в исходное состояние намагничивания, согласно изобретению для срабатывания i-го магнитного ключа подают ток смещения от (i-2)-го магнитного ключа и ток помехозащиты от (i-3)-го магнитного ключа.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет введения вышеописанных элементов и связей между ними создаются условия для возбуждения дуги, а именно: за время прохождения отрицательного импульса по "длинной линии" и дуговому промежутку в блокировочном дросселе накапливается ток с полярностью, совпадающей с полярностью будущего тока дуги, а источник внутреннего форсирующего напряжения обеспечивает значительный ток дуги, необходимый для удаления ("испарения") загрязненных или окисленных поверхностей.

Сущность изобретения для способа подготовки магнитного ключа к срабатыванию заключается в том, что на обмотку помехозащиты i-го магнитного ключа подают импульс тока ранее поступления помехи от (i-3)-го магнитного ключа и заканчивают одновременно с окончанием этой помехи.

Сравнение предлагаемых изобретений с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии критерию "новизна", а отсутствие в известных аналогах отличительных признаков говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предварительные испытания позволяют судить о возможности широкого промышленного использования.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эквивалентная схема в момент окончания прохождения искры; на фиг. 3 - форма тела дуги в момент окончания искры; на фиг. 4 - временные диаграммы для токов и напряжений дуги; на фиг. 5 - принципиальная электрическая схема первого варианта предлагаемого устройства; на фиг. 6 - устройство для возбуждения вспомогательной дуги плазмотрона; на фиг. 7 - осциллограммы работы варианта устройства, представленного на фиг. 5, и временные диаграммы стабилизации; на фиг. 8, 9 и 10 - принципиальные электрические схемы второго, третьего и четвертого вариантов предлагаемого устройства; на фиг. 11 - варианты исполнения магнитных ключей; на фиг. 12 - пятый вариант предлагаемого устройства; на фиг. 13 - принципиальная электрическая схема электронного ключа; на фиг. 14, 15 и 16 - шестой, седьмой и восьмой варианты предлагаемого устройства; на фиг 17 - принципиальная электрическая схема приставки для уменьшения сварочного тока (балластного индуктора).

Устройство (фиг. 1) содержит источник 1 импульсов напряжения возбуждения, первую и вторую клеммы 2 и 3 дугового промежутка, источник 4 питания электрической дуги, параллельно шинам 5, 6 которого подключены блокировочный конденсатор 7 и ключ 8 с пороговым элементом. Кроме того, устройство содержит источник 9 внутреннего форсирующего напряжения, блокировочный дроссель 10 и элемент 11 "длинная линия".

Выводы источника 9 внутреннего форсирующего напряжения подключены согласно к шинам 5 и 6 источника 4 питания электрической дуги, первый вывод источника 1 импульсов напряжения возбуждения соединен через блокировочный дроссель 10 встречно с первой шиной 5 источника 4 питания электрической дуги, второй вывод - со второй шиной 6 источника 4 питания электрической дуги непосредственно, а первый и второй выводы источника 1 импульсов напряжения возбуждения подключены через элемент 11 "длинная линия" к держателю электрода - первой клемме 2 и второй клемме 3 (земляной) соответственно.

Элемент 11 "длинная линия" характеризуется волновым сопротивлением 150-300 Ом и задержкой 4 нс на 1 м длины. Элемент 11 выполнен в виде сварочных кабелей.

Ключ 8 с пороговым элементом для устройства возбуждения электрической дуги может быть выполнен электронным (фиг. 13) или магнитным (фиг. 5) и содержать ключевой элемент 12 и элементы 13, 14, 15 индуктивности, сопротивления и емкости соответственно.

Источник 9 внутреннего форсирующего напряжения может содержать ключевой элемент 16 (или коммутироваться другими ключами), элементы 17 и 18 сопротивления и индуктивности соответственно и емкостной источник 19 напряжения.

Источник 1 импульсов напряжения возбуждения может содержать ключевой элемент 20 (или коммутироваться другими ключами), элемент 21 индуктивности и емкостный источник 22 напряжения обратной полярности.

Тело 23 дуги (фиг. 3) с промежутком в единицы микрон касается по кругу холодного электрода (клемма 2), где идет теплоотвод и падение напряжения 6-10 В, в средней части телo 23 дуги расширено и падение напряжения минимально. Все падение напряжения идет в узкой области окисла 24, испарившегося от искрового разряда по каналу разряда.

Принципиальная электрическая схема первого варианта предлагаемого устройства (фиг. 5) содержит источник 4 питания электрической дуги, включающий шины 25, 26 сети переменного напряжения, выключатель 27, трансформатор с насыщающим магнитопроводом 28, первичной обмоткой 29, вторичной обмоткой 30, обмоткой 31 возбуждения с активным сопротивлением 32.

Ключ 8 выполнен магнитным на насыщающемся магнитопроводе с рабочей обмоткой 33, резистором 34 и с обмоткой 35 смещения. Кроме того, ключ 8 содержит конденсатор 15, трансформатор 36 с обмотками 37 и 38, рабочей и смещения соответственно.

Функцию порогового элемента ключа 8 выполняет вольт-секундная площадь, реагирующая на интеграл напряжения.

Вспомогательная обмотка 39 трансформатора 36 с емкостным источником 19 и элементом 17 сопротивления образуют источник 9 внутреннего форсирующего напряжения.

Источник 1 импульсов напряжения возбуждения может содержать высоковольтную обмотку 40 трансформатора 36, емкостный источник 22 напряжения обратной полярности по отношению к напряжению на шинах 5, 6, ключевой элемент 20 в виде разрядника и элемент 21 индуктивности, роль которого играет индуктивность монтажного провода.

Возможен вариант выполнения блокировочного дросселя 10 в виде вторичной обмотки 41 трансформатора, имеющего первичную обмотку 42.

Устройство для возбуждения вспомогательной дуги плазмотрона (фиг. 6) содержит источник 4 питания электрической дуги (вспомогательной дуги) плазмотрона, включающий шины 25, 26 сети переменного напряжения, трансформатор с насыщающимся магнитопроводом 28, первичной обмоткой 29 и вторичной обмоткой 30 и силовой обмоткой 43 питания основной дуги плазмотрона, а также дроссель 44.

Кроме того, устройство содержит источник 1 импульсов напряжения возбуждения, ключ 8 с пороговым элементом, источник 9 внутреннего формирующего напряжения, блокировочный конденсатор 7, блокировочный дроссель 10, элемент 11 "длинной линии", первую, вторую клеммы 2 и 3 электрической дуги (вспомогательной дуги плазмотрона) и клемму 45 заземления основной дуги.

Другой вариант предлагаемого устройства, изображенный на фиг. 8, дополнительно содержит укорачивающий длительность импульса магнитный ключ, включающий насыщающийся магнитопровод 46 с обмотками 47 и 48 соответственно смещения и рабочей, и конденсатор 49.

В варианте предлагаемого устройства, изображенном на фиг. 9, ключевой элемент 12 должен быть выполнен не магнитным, преимущественно транзисторным, способным держать напряжение обеих полярностей и прерывать постоянный ток. В этом случае возможно использование индуктивного накопителя 50, подключенного через последовательную цепь из резистора 51 и конденсатора 49 к выводу обмотки 37.

В варианте предлагаемого устройства, изображенного на фиг. 10, использованы магнитный ключ с магнитопроводом 52, рабочей обмоткой 53, обмоткой 54 смещения и конденсатором 55, магнитный ключ с магнитопроводом 56, рабочей обмоткой 57, повышающей обмоткой 58, обмоткой 59 смещения и конденсатором 60, магнитный ключ с магнитопроводом 61, рабочей обмоткой 62, повышающей обмоткой 63, обмоткой 64 смещения и конденсатором 65, и магнитный ключ с магнитопроводом 66, рабочей обмоткой 67, повышающей обмоткой 68, обмоткой 69 смещения и конденсатором 22.

Кроме того, использован зарядный магнитный ключ с рабочей обмоткой 70 и обмоткой 71 смещения, а также контур смещения с резистором 34, дросселем 72 фильтра и обмотками 73-77 смещения с принадлежностью их к соответствующим вышеупомянутым магнитным ключам.

В нижней части фиг. 10 представлен вариант контура смещения без включения его в схему, где элемент 78 представляет не резистор 34, а сопротивление замкнутого проводника, проходящего через дроссель 72 фильтра, упомянутые обмотки 73-77 смещения и виток 79 на магнитопроводе 46.

На фиг. 11 представлены различные варианты соединения магнитных ключей и диаграммы их работы, поясняющие их работу.

На фиг. 12 изображен вариант включения предлагаемого устройства.

Электронный ключ (фиг. 13) содержит выпрямительный мост на диодах 80-83, входная диагональ которого подключена к шинам 5, 6 источника питания, к которым подключен варистор 84. В выходную диагональ вышеупомянутого моста включена последовательная цепь из К-Э перехода транзистора 85, резистор 86, эмиттерная обмотка 87 базового трансформатора 88 и эмиттерная обмотка 89 ускоряющего трансформатора 90.

К эмиттер-базовой цепи транзистора 85 подключены базовая обмотка 91 базового трансформатора 88, резистор 92 и последовательная цепь из диодов 93, 94 и базовой обмотки 95 ускоряющего трансформатора 90. К базе транзистора 85 подключен обратный диод 96, а также пороговый элемент на тиристоре 97, конденсаторе 98 и цепи резисторов 99-102. Кроме того, в схеме использован защитный конденсатор 103.

Представленный на фиг. 14 вариант предлагаемого устройства требует использования электронного ключа.

Представленный на фиг. 15 вариант предлагаемого устройства также требует использования электронного ключа с индуктивным накопителем 104, отделенными от трансформатора с магнитным сердечником 36 последовательной цепью на резисторе 105 и конденсаторе 106.

Представленный на фиг. 16 вариант предлагаемого устройства требует использования электронного ключа, индуктивного накопителя 104, укорачивающих магнитных ключей, что позволяет избежать использования разрядника.

На фиг. 17 показан вариант предлагаемого устройства с использованием приставки для сварки малым током.

Приставка содержит дроссель 107 с обмоткой 108, параллельно которой включены защитный конденсатор 109 и последовательная цепь из резистора 110 и конденсатора 111, и клеммы 112-115.

Для правильного понимания сущности предлагаемого способа приведем наше понимание процесса возбуждения дуги. Прохождение искры создает канал шириной в единицы микрон, устойчивый в продольном направлении. Поступающий в канал ток равномерно ионизирует его и расширяет, причем проводимость равна 1500 См/м, а энергоемкость 3 мДж/мм³. Затем поведение канала определяется теплопроводом к "холодным" электроду и детали (так как 1500 К "холодны" к 8000 К). Канал разбухает в середине, падение напряжения и тепловыделение уменьшается, пока теплоотвод в точности не сравняется с тепловыделением. В литературе это трактуется как "контракция" (сжатие) дуги у электродов. Расчеты показывают, что у электрода образуется пятно с диаметром, пропорциональным току - (плоская часть плазмы на фиг. 3 вверху). Падение напряжения на пятне составляет 8-10 В в диапазоне токов, и это падение на плазме, а не на контакте. Ориентировочно диаметр пятна составляет 0,1-0,2 мм для тока 1 А. Обратим внимание, что весь объем плазмы на фиг. 3 менее 1 мм, то есть там всего 5 мДж энергии. Куб 1х1х1 мм при = 1500 См/м имеет проводимость 1,5 См, или падение 5 В имеет место при токе 7,5 А в остальные 2 х 8 В вблизи контактов.

Реальные же падения оказываются гораздо больше на загрязненных и окисленных деталях. Предположительно это вызвано огромной теплоемкостью испарения окисла, равной 10 Дж/мм³, то есть в 3000 раз больше теплоемкости плазмы. Тогда показанное на фиг. 3 отверстие в окисле, пробитое искровым разрядом, 0,1 х 0,1 х 0,1 мм имеет проводимость 0,15 См, то есть 50 В при токе 7,5 А и 200 В при токе 30 А, то есть именно оно определяет падение напряжения на дуге.

Возбуждение дуги по предлагаемому способу (см. фиг. 1) начинается с замыкания 8 ключа и выдержки его в течение времени, когда ток в индуктивности источника 4 питания нарастает до расчетного тока удержания дуги. Таким образом производят закорачивание выхода источника 4 питания электрической дуги на время нарастания тока короткого замыкания до уровня стабильного тока дуги.

Затем после размыкания закоротки выхода (клеммы 5, 6) источника 4 питания электрической дуги к нему подают форсирующее напряжение той же полярности, но превышающее его значение.

После этого на дуговой промежуток (к держателю 2 электрода и земляной клемме 3) подают с задержкой по времени импульс напряжения возбуждения обратной полярности по отношению к источнику 4 питания электрической дуги, превышающей по номиналу вышеуказанное форсирующее напряжение и имеющей укороченную длительность фронта.

Время задержки вышеуказанного импульса напряжения возбуждения должно быть в диапазоне от 3 до 300 нс, что определено экспериментально.

Причем отношение времени задержки вышеуказанного импульса возбуждения к длительности его фронта должно быть в диапазоне 1-30.

При этом форсирующее напряжение формируют путем трансформации энергии источника 4 питания из закорачивающей его цепи. Импульс напряжения возбуждения также формируют путем трансформации энергии источника 4 питания из цепи его закоротки.

Работа устройства, представленного на фиг. 1 происходит следующим образом.

Источник 4 питания в момент возбуждения дуги представляет собой источник ЭДС "e" с эквивалентной выходной индуктивностью (например, вторичная обмотка сварочного трансформатора), а его выходные клеммы 5 и 6 должны быть шунтированы блокировочным конденсатором 7, предохраняющим изоляцию трансформатора от действия высоковольтного запускающего импульса.

При достижении мгновенного значения напряжения источника 4 питания порогового уровня ключ 8 замыкается, в индуктивности источника 4 питания начинается нарастание тока. К моменту, когда ток достигает уровня, достаточного для поддержания дуги, замыкается ключ 16 источника 9 с источником 19 напряжения той же полярности, что и у источника 4, а возбуждающий импульс имеет напряжение источника 22 обратной полярности к напряжению источника 4, причем импульсный дроссель 10 принципиально не насыщается.

Импульс возбуждения обратной полярности (пусть для определенности отрицательной) поступает на выход устройства, и по элементу 11 "длинная линия" распространяется к держателю электрода - клемме 2. Отрицательное напряжение, например 7,5 кВ, приложено к правому концу индуктивности блокировочного дросселя 10, пусть его индуктивность равна 5 мкГн. Тогда в нем нарастает ток слева направо по 1,5 А каждую наносекунду. Достигнув конца элемента 11 "длинная линия", импульс отражается, удваивается по напряжению. Пусть при этом дуговой промежуток пробивается искровым разрядом. Ток искры при этом отрицательный. Замыкание искровым разрядом отражается и возвращается к началу элемента 11 "длинная линия", и после нескольких затухающих циркуляций в цепи дросселя 10, элемента 11 и дугового промежутка устанавливается ток, совпадающий с будущим током дуги. Можно видеть, что ток составляет 20-30 А. Образуется тело дуги, показанное на фиг. 3. Далее процесс может быть проиллюстрирован эквивалентной схемой на фиг. 2. На ней показаны напряжения и направления токов. Эта схема описывается системой дифференциальных уравнений i_д = i - i_ком + i_пом i_пом = (U_пом - U_уз)/R_пом u_д = U_д/2 + i_д/Y где U_д - установившееся напряжение на дуге при "средних" токах, например U_д = 20 В; а - коэффициент при толщине окисла 0,1 мм, его энергоемкости 10 Дж/мм³ и проводимости плазмы 1500 См/м, а = 15; Y - проводимость плазмы в канале в окисле, См; Обозначения элементов, токов и напряжений приведены на фиг. 2. Для примера примем L = 60010^-6 Гн, L_ком = 7010^-6 Гн, L_ДИ = 510^-6 Гн, C_ком = 14010^-6 Ф, C_пом = 2,010^-6 Ф, R_пом = 10 Ом, e = 50 В.

Начальные условия i_д (0)= 30 А, Y (0)= 0,10 См, i(0)= 7 А, i_ком (0)=7 A, u_ком (0)=60 В, u_пом (0) = 120 В.

На фиг. 4 приведено решение уравнений при указанных параметрах. Можно видеть, что вначале напряжения дуги составляет 300 В, и ток поддерживается током индуктивности L_ДИ. Он совпадает по направлению с будущим током дуги именно потому, что полярность импульса возбуждения обратная к напряжению источника питания. Если бы было наоборот, то ток дуги должен был бы пройти через нуль, что замедлило бы установление нужной проводимости и могло вызвать разрыв дуги, то есть запуск не мог состояться. Важным является то, что L_ДИ выполнен ненасыщающимся при возбуждении (при работе дуги ток составляет сотни ампер, и насыщение неизбежно), магнитопровод 41 должен быть выполнен с воздушным зазором. Расчеты вариантов по приведенной системе уравнений позволяют найти оптимальную величину L_ДИ. Как указано выше, "накопление" тока зависит от времени поддержания высокого напряжения, пока импульс пройдет по линии и возвратится отраженным.

Затем ток дуги из области десятков ампер переходит в единицы и поддерживается током помогающей цепочки. За это время происходит "перехват" тока i, вначале целиком уходящего через индуктивность коммутирующего ключа L_ком. Решения системы уравнений при различных параметрах элементов эквивалентной схемы и начальных условиях показывают направление усилий для создания устройства по предлагаемому способу.

На фиг. 5 показана принципиальная электрическая схема первого варианта предложенного устройства, предназначенного для работы с трансформатором с насыщающимся магнитопроводом 28. Дроссель в первичной цепи и трансформатор с первичной обмоткой (она же обмотка дросселя) - совмещены. Магнитопровод дросселя и трансформатора, то есть совмещенный, не насыщается. Магнитопровод, на котором расположена вторичная обмотка трансформатора, имеет меньшее сечение и насыщается на холостом ходу. На магнитопроводе 28 имеются обмотки 29, 30, 31, соответственно первичная, вторичная и возбуждения, намотанная со стороны вторичной обмотки 30. Как было приведено в примере расчета возбуждения, емкость коммутирующего конденсатора была 140 мкФ, что неконструктивно. При использовании обмотки возбуждения происходит трансформация емкости, в данном случае она уменьшается до 2-5 мкФ. Но появляется добавочная индуктивность в цепи коммутирующего ключа из-за неполной связи обмоток 31 и 30. С целью уменьшения этой индуктивности обмотка 31 возбуждения включается последовательно согласно со вторичной обмоткой 30, то есть имеет место автотрансформаторное включение.

В качестве ключевого элемента 12 (на фиг. 1) в данном устройстве используется магнитный ключ, имеющий обмотки 35 и 33 смещения и рабочую соответственно. В эту цепь последовательно включается первичная обмотка 37 высоковольтного трансформатора 36, имеющего обмотку смещения 38 и вторичную обмотку 40. Параллельно этой обмотке включен емкостный источник 22 напряжения в виде конденсатора, а в качестве ключевого элемента 20 возбуждения использован разрядник. Помогающий резистор элемента 17 сопротивления и помогающий конденсатор емкостного источника 19 включены на вспомогательную обмотку 39 высоковольтного трансформатора 36.

Для работы возбудителя с магнитными ключами важным является их синхронизация для точного включения в соответствии со способом. Эта синхронизация достигается обмотками 35, 38 смещения, включенными последовательно в цепь первичной обмотки 29. Из-за насыщения трансформатора на холостом ходу в его первичной обмотке 29 проходят значительные токи (до половины амплитуды рабочих токов), которые устанавливают магнитный ключ и трансформатор 36 в состояние индукции готовности к работе.

На фиг. 7 показаны экспериментальные осциллограммы работы возбудителя на холостом ходу. Синхронизация выполнена по началу синусоидального напряжения сети. Для ориентировки на осциллограмме нанесено виртуальное напряжение. Ток магнитного ключа измеряется трансформатором тока, включенным последовательно с резистором 34 (фиг. 5). За время насыщения силового трансформатора ток смещения успокаивает колебания в цепи магнитного ключа. Напряжение u₀(t) близко к нулю, когда начинается выход трансформатора из насыщения. Напряжение u₁(t) на первичной обмотке трансформатора к этому моменту близко к нулю. Ток магнитного ключа также нулевой. Напряжение u₀(t) приложено к рабочей обмотке 33 магнитного ключа, и происходит движение индукции в его магнитопроводе от -B_s до +B_s. При насыщении магнитный ключ коротко замыкается согласно способу, через обмотку возбуждения это передается на вторичную обмотку. Ток i(t) заряжает коммутирующий конденсатор 15, отчего напряжение u₀(t) растет, а через обмотку 40 заряжает конденсатор емкостного источника 22. При достижении напряжения уровня срабатывания разрядника высоковольтный импульс подается на выход аппарата, причем с отрицательной полярностью согласно способу. Одновременно разряд вызывает скачок напряжения на обмотке 37, вырабатывая положительное помогающее напряжение согласно способу. Возбуждение дуги описано ранее. На фиг. 5 показан вариант применения импульсного трансформатора с первичной обмоткой 42 вместо дросселя.

Возбуждение дуги происходит с холостого хода. Если же дуга горела, затем ток переходит через нуль, и необходимо снова возобновить дугу, то имеет место режим стабилизации, который, вообще говоря, отличается от возбуждения. Отличие заключается в том, что при стабилизации дуги напряжение u₀(t) следует не от нулевого уровня, а от отрицательного напряжения горения дуги. Расчетные временные диаграммы стабилизации показаны справа на фиг. 7. Можно видеть, что напряжение u₀(t) отстает от напряжения u₂(t) на разряднике (или же напряжение на разряднике его опережает), разряд происходит в момент, когда напряжение u₀(t) не достигло нужного уровня 40-60 В, и стабилизации дуги не происходит. Устройство опять переходит в режим XX, и возбуждение будет только в следующем полупериоде. При сварке это выражается в "просечках" - провалах на осциллограммах тока сварочной дуги, разбрызгивании металла.

На диаграммах показан процесс стабилизации при наличии резистора 34 в коммутирующей цепи (сопротивление приведено к цепи вторичной обмотки). При этом скорость нарастания напряжения на разряднике замедляется, и разряд происходит в нужный момент. Существует оптимальная величина этого сопротивления. Кроме того, при нулевом или слишком малом сопротивлении переходные процессы не успевают закончиться к моменту выхода трансформатора из насыщения. На фиг. 7 справа показаны расчетные диаграммы напряжения u₂(t) при нулевом сопротивлении и при r = 3 Ом, и ток i_ком(t) ключа (приведенный ко вторичной цепи) при r = 0 и при r = 3 Ом.

Этот вариант возбудителя вполне надежен в работе, хотя трансформатор получается с числом витков во вторичной обмотке 40 порядка 12000-4000. С целью уменьшения габаритов трансформатора и замедления срабатывания разрядника вводится укорачивающий длительность импульса магнитный ключ с обмоткой 47 смещения и рабочей обмоткой 48 и укорачивающий конденсатор 49, представленные на фиг. 8. Направления обмоток показаны общепринятыми знаками. Необходимо иметь в виду, что укорачивающий ключ в данном включении изменяет полярность импульса, поэтому помогающая обмотка 37 и первичная обмотка 40 имеют обратную полярность включения. Емкость укорачивающего конденсатора 49 может быть выбрана так, что витки первичной обмотки 40 и обмотки 37 равны, а так как в этом случае напряжения оказываются в одинаковой фазе, это может быть одна обмотка, что и сделано на фиг. 8.

У этого варианта возбудителя, несмотря на введение еще одного магнитного ключа, получаются более приемлемые конструктивные параметры. Витки трансформатора снижаются до 3000-1500, объем стали - вчетверо. Задержка срабатывания укорачивающего магнитного ключа облегчает стабилизацию, но резистор 34 полезен. Обратим внимание, что в этих двух вариантах возбудителя, после того как ток коммутирующего ключа "перехвачен" и стал нулевым, магнитный ключ автоматически размыкается, что благоприятствует запуску. Через некоторое время следует обратное срабатывание его, но ток его направлен в дугу, то есть это не мешает запуску. Заметим также, что нужные смещающие токи получаются в обмотках смещения при использовании насыщающегося трансформатора. Магнитные ключи реагируют не на амплитуду напряжения, как обычные пороговые устройства, а на интеграл напряжения на фронте выходящего из насыщения сердечника трансформатора.

Энергия для импульса возбуждения в этих возбудителях получается из части энергии коммутирующего конденсатора. Магнитный ключ в принципе не может коммутировать постоянную составляющую напряжения, в этих схемах цепи магнитных ключей отделены конденсаторами.

Вариант устройства по фиг. 9 использует индуктивный накопитель энергии. В этом случае ключевой элемент 12 должен иметь способность удерживать постоянную составляющую напряжения, то есть это должен быть электронный ключ. Такой возбудитель способен работать как с насыщающимся трансформатором, так и с обычным сварочным трансформатором. Поэтому все необходимые смещения должны вырабатываться внутри схемы. Ключевой элемент 12 с пороговым устройством срабатывает при достижении напряжения источника 4 заданного уровня, происходит замыкание его индуктивности через индуктивный н