Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 3, стр. 465-468

ВВЕДЕНИЕ

Исследование электрических разрядов переменного тока между твердым и жидким электродами представляют большой практический интерес. Особенностью является использование их как генераторов дуговой плазмы малой мощности, применяемых для сварки, резки и нагрева металлов. Для разработки новых технологических устройств по обработке металлов плазмой электрической дуги требуется знание ее электрических, тепловых и газодинамических характеристик. Необходимость определения и анализа параметров электрической дуги связана с тем, что в этих технологических процессах основную роль при различных процессах играют термическое и динамическое воздействие электрической дуги на твердые материалы.

На характеристики электрической дуги оказывают влияние большое число параметров. Исследования пульсаций тока и напряжения электрического разряда имеют важное значение при расчетах характеристик плазмы электрического разряда. При анализе осциллограмм колебаний напряжения и тока для разных источников плазмы показано, что в колебаниях присутствуют как низкочастотные, так и высокочастотные составляющие [1–5]. С помощью преобразования Фурье определен частотный спектр данных пульсаций [1, 2]. При понижении давления до 2 кПа наблюдается сглаживание пульсаций тока [6, 7], а также изменение характера вольт-амперных характеристик (ВАХ) при переходе от тлеющего разряда к аномально тлеющему и нормально тлеющему [8, 9].

Паровоздушные разряды переменного и постоянного тока при пониженном и атмосферном давлении можно использовать как источники низкотемпературной плазмы. Применение дуги постоянного тока до 15 А при частоте 50 Гц приведено в работе [10]. При этом источник питания обеспечивал изменение частоты разрядов от 50 до 25 импульс/с с паузами через один и два периода питающей сети, что использовалось для плазменной сварки легкоплавких сплавов. Было показано [10], что при одновременном зажигании между электродами плазмотрона дежурной дуги постоянного тока и подачи на электрод положительного относительно изделия напряжения достигается стабильность сварки даже при малых токах и качественная сварка цветных металлов малых толщин.

Несмотря на практическую ценность низкочастотных разрядов переменного тока, протекающие в них физические процессы, механизмы и характеристики остаются малоизученными как экспериментально, так и теоретически.

Целью данной работы является исследование дугового разряда переменного тока между твердым и жидким электродами при частоте 33.3 Гц и атмосферном давлении.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальная установка предназначена для исследования особенностей дуги переменного тока малой мощности между твердым и жидким электродами при низких частотах и атмосферном давлении. Блочная принципиальная схема установки, реализующей перечисленные условия, представлена на рис. 1. Установка состоит из трех основных частей: источника постоянного и переменного тока, силовой разрядной цепи дуги, электронной схемы поджига дуги в межэлектродном промежутке.

Рис. 1.

Блочная принципиальная схема дуги постоянного и переменного тока малой мощности: 1 – фазовращатель, 2 – компаратор нулевого уровня, 3 – схема пересчета, 4 – формирователь запускающих импульсов, 5 – генератор поджигающих импульсов, 6 – аналитический промежуток.

Источником питания дуги постоянного тока до 15 А является выпрямленный (вентили VD1, VD2, VD3) трехфазный ток сети переменного тока 380 В, 50 Гц. Для уменьшения пульсаций тока в разрядный контур включен индуктивно-емкостный фильтр, индуктивность L1 с железным сердечником 2000 мкГн. Поджиг дуги постоянного и переменного тока в межэлектродном промежутке производится генератором поджигающих импульсов. Снятие остаточного заряда с электродов межэлектродного промежутка после выключения источника (разрыв контактов в каждой фазе питающей сети) производится с помощью разрядного резистора R5, подключаемого параллельно межэлектродному промежутку при замыкании контактов 1–2 магнитного пускателя К1.

Источник при работе обеспечивает: высокую воспроизводимость повторной установки фазы поджига дуги из-за использования дискретных параметров фазовращателя; независимость установки фаз поджига от частоты и полярности разряда дуги, а также колебаний напряжения питающей сети в регламентируемых пределах 220 ± 11 В; изменение частоты разрядов униполярной пульсирующей дуги от 50 до 25 импульс/с с паузами через один и два периода питающей сети, что важно при сварке легкоплавких металлов.

ВАХ разряда измерялись с помощью вольтметров М367 класса точности 0.5, амперметра Ц4311 класса точности 0.5 и мультиметра MY68 класса точности 0.5. Относительные погрешности измерения напряжения разряда не превышали 1.5%. Для каждого набора значений межэлектродного расстояния и материала электродов регистрация параметров разряда проводилась не менее семи раз. Фотографирование разряда осуществлялось фотоаппаратами 10-мегапиксельным цифровым зеркальным Canon 400D, пленочным зеркальным “Зенит-120”. Видеозапись разряда велась на трехматричную 10-мегапиксельную видеокамеру JVC GZ-HD7ER.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты экспериментальных исследований дуги переменного тока малой мощности между твердым и жидким электродами при низких частотах f = 33.3 Гц и атмосферном давлении представлены на рис. 2–4.

Рис. 2.

Осциллограмма дуги переменного тока между медным электродом и технической водой при частоте разряда 33.3 Гц.

Рис. 3.

ВАХ дуги переменного тока между медным электродом и технической водой в одном полупериоде.

Рис. 4.

ВАХ разрядов между пластинчатыми металлическими электродами и технической водой при межэлектродном расстоянии 5 мм.

На рис. 2. показана осциллограмма дуги переменного тока между медным электродом и технической водой при частоте разряда f = 33.3 Гц. Особенностью данной дуги переменного тока является ее поведение с течением времени. Каждый полупериод напряжение дугового разряда проходит через нулевую точку и ток меняет направление. В связи с этим меняется и полярность электродов. Каждый раз происходит погасание и зажигание электрической дуги. При угасании дуги в межэлектродном промежутке происходят процессы деионизации и увеличения потенциала на электродах. При этом ток дуги и напряжение источника питания совпадают по фазе. Электрическая дуга при определенных условиях может существовать с паузой тока и без нее в момент перехода тока через нуль. С целью обеспечения зажигания и поддержания непрерывного горения дуги в цепь последовательно с ней включена катушка индуктивности.

На рис. 3 приведена ВАХ дуги переменного тока между медным электродом и технической водой в одном полупериоде. В момент ступенчатого уменьшения напряжения ток дуги меняется от 1.25 до 1.5 А. С дальнейшим уменьшением напряжения от 40 до 35 В ток резко возрастает от 1.5 до 3 А. С течением времени напряжение и ток дуги уменьшаются до нуля.

На рис. 4 показаны ВАХ разрядов между пластинчатыми металлическими электродами и технической водой при межэлектродном расстоянии 5 мм, ширина электродов – 25 мм, толщина – 0.7 мм. В качестве металлических электродов использовались стальные (кривая 1), латунные (2) и медные (3). Из анализа ВАХ рис. 4 следует, что напряжение горения дуги плавно уменьшается с ростом тока для различных материалов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые выявлены особенности горения дуги переменного тока малой мощности между твердым и жидким электродами при низких частотах f = 33.3 Гц и атмосферном давлении.

2. Показана динамика развития дуги переменного тока между медным электродом и технической водой в одном полупериоде.

3. Установлено влияние материала пластинчатого электрода на напряжение горения дуги переменного тока малой мощности при низких частотах.