3. Устойчивость системы "источник – дуга".

Дуговой разряд является устойчивым, если он существует непре­рывно в течение длительного времени без обрывов и коротких замыка­ний. Устойчивость зависит как от технологических, так и электрических характеристик процесса. В сварочную систему при дуговой сварке входят источник питания и сварочная дуга.

Условие принципиальной устойчивости системы "источник – дуга".

Рассмотрим электрические процессы в системе "источник – дуга" в случае малого возмущения по длине дуги ∆l_д = l_д2 – l_д1 (рис. 3.1). Система "источник – дуга", равновесна в точках А и В пе­ресечения характеристик (рис. 3.2). В этих точках наблюдается равенство токов и напряжений дуги и источника, а, следовательно, и ра­венство энергии, выделяемой источником и потребляемой дугой. Следу­ет выяснить, устойчиво ли это равновесие, например, в точке В.

Рис. 3.1. Система "источник – дуга" при малом возмущении по длине дуги.

Рис. 3.2. К оценке устойчивости системы "источник – дуга".

При резком, но малом удлинении дуги ∆l_д (рис. 3.2,а) также скач­ком увеличивается напряжение дуги в соответствии с уравнением:

∆U_д = E_ст·∆l_д,

а характеристика дуги сместится вверх на ∆U_д в положение U_д2 =f(I_д). В этот момент состояние дуги отражается точкой В₁, а источника – по-прежнему точкой В, т.е. равновесие в системе нарушилось. Как видно, напряжение дуги для этого случая U_дB1 выше, чем напряжение источ­ника U_дB. Увеличение напряжения дуги вызвано увеличением ее сопро­тивления R_д, что должно привести к снижению сварочного тока I_д.

Пренебрегая динамическими свойствами дуги и источника, можно считать что точка, соответствующая параметрам дуги, станет перемещать­ся из положения В₁ в В₂, а точка, соответствующая параметрам источ­ника, – из В в В₂ (показано стрелками). В результате система в целом приходит в новое равновесное состояние. Очевидно, что малое удлине­ние привело лишь к малым отклонениям напряжения ∆U_д и тока I_д, не нарушив характера дугового разряда. Можно доказать, что укорочение дуги система отработает так же успешно (рис. 3.2,б). Все это позволяет считать, что система в точке В устойчива. Подобным образом проанализируем процессы в точке А. После воз­мущения по длине дуги ∆l_д > 0 (рис. 3.2,а) состояние дуги будет отражаться точкой А₁, а источника – по-прежнему точкой А. Поскольку и в этом случае U_дА1 > U_иA, то ток будет снижаться, и параметры дуги изменяться по ее характеристике от точки А₁ влево, а параметры источ­ника – по его характеристике от точки А влево. Но поскольку слева от точки А характеристики не пересекаются, то снижение тока будет про­ходить до нуля, т.е. до обрыва дуги. Напротив, малое укорочение дуги (рис. 3.2,б) привело бы систему из точки А к длительному непрерывному движению с увеличением тока вплоть до прихода в рав­новесие в точке В₂. Следовательно, система в точке А неустойчива.

Энергетическая система "источник – дуга" принципиально устойчива, если в результате отработки малых возмущений она приходит в устано­вившееся состояние, характеризующееся равенством подаваемой и потребляемой энергии и малыми отклонениями тока и напряже­ния от исходного состояния.

Движение системы при отработке возмуще­ния вблизи точки В приводит ее в новое равновесное состояние В₂, а вблизи точки А не приводит. Это объясняется тем, что в отличие от точки А наклон характеристики источника в точке В круче, чем у дуги. Наклон характеристик источника и ду­ги принято оценивать величинами дифференциальных сопротивлений

R_и = dU_и/dI_и

и

R_д = dU_д/dI_д

Нетрудно доказать, что при всех сочетаниях характеристик ис­точника и дуги устойчивость обеспечивается только при выполнении неравенства R_д > R_и. Поэтому в качестве косвенного критерия принци­пиальной устойчивости системы принята разность дифференциальных сопротивлений дуги и источника, и условие устойчивости имеет вид:

k_у = R_д − R_и > 0,

где k_у – коэффициент (критерий) устойчивости.

Для повышения запаса устойчивости системы, т.е. для увеличения k_у, следует увеличивать дифференциальное сопротивление дуги R_д и уменьшать дифференциальное сопротивление источника R_и.

Система "источник − дуга" устойчива при малых возмущениях, если разность дифференциальных сопротивлений дуги и источника в точке пересечения их характеристик положительна.

Какие внешние ВАХ должны иметь источники для того, чтобы обеспечить принципиальную устойчивость при питании дуг с различным наклоном характерис-тик показывает рис. 3.3.

Рис. 3.3. Выбор ВАХ источника в зависимости от ВАХ дуги.

При использовании дуги на па­дающем участке ее характеристики (т. В), где дифференциальное сопротивление дуги отрицательно (R_д < 0), характеристика 1 источника должна быть еще более крутопадающей (R_и « 0) для получения положительного значения коэффициента устойчивости k_у = R_д − R_и > 0. На жестком участке характеристики дуги (R_д ≈ 0) в точке С характеристика источника может быть и крутой 2, и пологой 3, но непременно падающей (R_и < 0). Если дуга имеет возрастающую характеристику в точке D (R_д > 0), то для обеспечения устойчивости источник может иметь падающую 4 (R_и < 0), жесткую 5 (R_и =0) и даже пологовозрастающую 6 (R_и > 0) характеристику, если R_д > R_и.