Спосіб збудження електричної дуги, пристрій для його здійснення, ключ для пристрою збудження електричної дуги ( варіанти) та спосіб підготовки до спрацювання ключа для пристрою збудження електричної дуги

1 Спосіб збудження елеісгричної дуги, при якому перед подачею на дуговий проміжок імпульсу напруги збудження закорочують вихід джерела живлення електричної дуги на час наростання струму короткого замикання до рівня стабільного струму дуги, який відрізняється тим, що після досягнення струмом короткого замикання рівня стабільного струму дуги до виходу джерела живлення електричної дуги подають форсуючу напругу тієї ж полярності, що перевищує напругу джерела живлення, після чого на дуговий проміжок подають із затримкою у часі імпульс напруги збудження зворотної полярності стосовно джерела живлення електричної дуги, який перевищує за номіналом форсуючу напругу і має укорочену тривалість фронту 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що час затримки імпульсу напруги збудження обирають в діапазоні від 3 до 300 нсек 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що відношення часу затримки імпульсу напруги збудження до тривалості його фронту складає 1 -ЗО 4 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що форсуючу напругу формують шляхом трансформації енергії джерела живлення з ланцюга, що її закорочує 5 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що імпульс напруги збудження формують шляхом трансформації енергії джерела живлення з ланцюга, що його закорочує 6 Пристрій для збудження електричної дуги, що містить джерело імпульсів напруги збудження, першу і другу клеми дугового проміжку, джерело живлення електричної дуги, паралельно якому 2 підключені блокувальний конденсатор і ключ з пороговим елементом, який відрізняється тим, що в нього введені джерело внутрішньої форсуючої напруги, блокувальний дросель і елемент "довга ЛІНІЯ", при цьому джерело внутрішньої форсуючої напруги з'єднане згідно з джерелом живлення електричної дуги, джерело імпульсів напруги збудження з'єднане з джерелом живлення електричної дуги зустрічно одним своїм виводом - через блокувальний дросель, а другим - безпосередньо, і через елемент "довга ЛІНІЯ" ВИВОДИ джерела ім пульсів напруги збудження підключені до першої та другої клем дугового проміжку 7 Пристрій за п 6, який відрізняється тим, що джерело внутрішньої форсуючої напруги виконане у вигляді послідовно з'єднаних ключового елемента, елементів опору та індуктивності і ємнісного джерела напруги 8 Ключ для пристрою збудження електричної дуги, що містить конденсатор, магнітопровід, що насичується, з робочою обмоткою, один вивід якої з'єднаний з входом магнітного ключа, а другий вивід - через конденсатор з виходом, який відрізняється тим, що введена обмотка зміщення для послідовного з'єднання з первинною обмоткою силового трансформатора з магнітопроводом, що насичується, джерела живлення електричної дуги 9 Ключ для пристрою збудження електричної дуги, що містить конденсатор, розрядник, магнітопровід, що насичується, трансформатора з робочою і високовольтною обмотками, до останньої з яких підключений конденсатор і розрядник, який відрізняється тим, що введена обмотка зміщення для послідовного з'єднання з первинною обмоткою силового трансформатора з магнітопроводом, що насичується, джерела живлення електричної дуги 10 Спосіб підготовки до спрацьовування ключа пристрою збудження електричної дуги, виконаного у вигляді каскадного ланцюжка з п магнітних ключів, що включає встановлення магнітопроводу і-го ключа у вихідний стан намагнічування, який відрізняється тим, що для спрацьовування і-го магнітного ключа подають струм зміщення від (і-2)-го магнітного ключа і струм перешкодозахисту від (і3)-го магнітного ключа О со 00 сч ю 52839 Винаходи стосуються галузі електротехніки, а точніше, способу та пристроїв для живлення зварювальної дуги перемінного струму і допоміжної дуги плазмотрона, і може застосовуватися в апаратах, здатних зварювати окислений та заржавілий метал, сталь, нержавіючу сталь, алюміній й ІНШІ метали, зварювання яких апаратами перемінного струму раніше вважалося неможливим Електрична дуга була відкрита випадково Петровим, а потім Деві Проте сутність явищ не була зрозуміла ними вірно Навіть зараз розрахунки електричних ланцюгів з негативним опором складні, хоча й можуть вважатися освоєними для інженерів високого рівня Дуга має вольтамперну характеристику S-типу і стійка тільки при живленні від джерела струму з індуктивним або достатньо великим активним опором Підключення паралельно дузі (особливо при малих струмах) конденсатора досить великої ємності неминуче зриває дугу Дуга змінного струму, відкрита Яблочковим, з індуктивним обмежувачем струму, потужність на якому не розсіюється, складна щодо сприймання Момент зміни знака струму з розривом дуги досліджений недостатньо "Осцилятор", винайдений Вологдіним у тридцяті роки, залишився чисто емпіричним винаходом, незважаючи на своє широке застосування Запуск дуги іскрою з першого імпульсу на холодну деталь не досліджений До цього часу просто не було апаратів, здатних його здійснити Деякі положення, що вважалися загальноприйнятими, виявилися просто помилковими Так, рекомендації використовувати для запуску імпульси з енергією 1Дж і більше, здаються дивними, якщо в наших апаратах енергія імпульсу вимірюється міліджоулями Можна зрозуміти це положення, якщо врахувати, що була відсутня електронна апаратура, яка дозволяє реєструвати однократні процеси в діапазоні часу, що розпочинається частками наносекунди Іскровий розряд 1 - Змм при напрузі 5 - 15кВ виникає за десяті частки наносекунди в каналі шириною одиниці мікрон з температурою 100000К і вище (характерний фіолетовий колір) Тиск 500атм Енергоємність такої плазми перевершує у 100 разів і більше тротиловий еквівалент Ударна хвиля розширює канал зі швидкістю біля Юмкм у наносекунду (10000м/с) Температура спадає до 8 - 6 тис К, характерних для дугового розряду (білий колір) Тепловміст такої плазми ЗмДж/мм3 Провідність плазми 1500Сим/м Теплопровідність повітря (азоту) X = 0,0255 для Т = 273К і X = 0,151 для Т = 5000К Теплопровідність плазми X = 4 для більш високих температур, тобто перевищує теплопровідність повітря більше, ніж на два порядки Ці числові дані важливі для розуміння статики та динаміки дуги У стаціонарному (статичному) стані тепловиділення від струму провідності точно дорівнює тепловідводу Форма тіла дуги може бути винайдена спільним розв'язанням рівнянь теплопровідності та електропровідності за очевидних граничних умов Обидві вони різко залежать від температури, тобто рівняння є нелінійними Як зазначено вище, теплопровідність плазми більше, ніж на два порядки перевищує теплопровідність повітря, електропровідність плазми наведена вище, а повітря взагалі є ізолятором Аналогічна (але більш проста) задача була розв'язана у 1950 році під керівництвом А Д Сахарова (журнал "Природа", № 8,1990 р, стаття ЮА Романова "Отец советской водородной бомбы") Тому описання збудження зварювальної дуги в літературі не відповідають ДІЙСНОСТІ ВІДОМІ джерела живлення електричної дуги з трансформатором, що насичується, і струмообмежувальним дроселем в первинному ланцюзі (SU №1839648, 21 09 9 0 р ) Збудження дуги в них здійснюється імпульсами високої напруги, що виробляються з фронту напруги при виході магнітопроводу з насичення Осцилограми показують, що дуга збуджується не чітко, тільки від третього-четвертого імпульсу з цугу імпульсів, що виникають через 50мкс, відбувається збудження Відомо спосіб збудження електричної дуги, при якому перед подачею імпульсу збудження на дуговий проміжок закорочують вихід джерела живлення електричної дуги на час наростання струму короткого замикання до рівня стабільного струму дуги, і пристрій для збудження електричної дуги, що містить джерело імпульсів збудження, тримач електрода, клему заземлення, джерело живлення електричної дуги, паралельно шинам якого підключені блокувальний конденсатор і ключ з пороговим елементом (RU № 2011493, 27 07 1991 р ) У відомих винаходах пропонується коротко замикати джерело живлення з еквівалентним індуктивним вихідним опором і витримувати його замкненим до наростання струму в індуктивності до рівня, достатнього для підтримання струму дуги, потім розмикати і подавати імпульс збудження Практика свідчить, що такі збуджувачі забезпечують збудження зварювальної дуги з першого імпульсу дистанційно, на відстані 0,5 -1 мм від деталі Осцилографічні спостереження показують, що у перші наносекунди після проходження іскри напруга на дуговому проміжку знижується з 7 - 5кВ (це і є напруга іскри) до напруги порядку 500 300В, а потім за десяті частки мікросекунди знижується до 150 - 70В Далі вона повинна знизитися до напруги 20В, характерної для дуги, за час в одиниці мікросекунд Проте вона зберігає 150 70В на час у десяті частки мілісекунди Якщо напруга джерела живлення в момент збудження становить 35 - 50В, то напруга на дузі зменшує струм індуктивного джерела і збудження може не відбутися Причини такого поводження напруги на дузі невідомі Було підмічено, що це має місце у випадку забрудненої та окисленої деталі Хоча іскра й виникає на відстані 2 - Змм від деталі, дуга не спалахує, доки не станеться торкання, тому що основний спад напруги відбувається у вузькому пробитому каналі окислу з енергоємністю порядку 10Дж/мм3 В основу винаходу покладена задача 52839 розробки способу і пристрою, здатних забезпечити нормальний процес збудження дуги і зварювання забрудненого та окисленого металу, сталі, алюмінію і т п Ця задача вирішується тим, що у способі збудження електричної дуги, при якому перед подачею на дуговий проміжок імпульсу напруги збудження закорочують вихід джерела живлення електричної дуги на час наростання струму короткого замикання до рівня стабільного струму дуги, ВІДПОВІДНО до винаходу, після досягнення струму короткого замикання рівня стабільного струму дуги до виходу джерела живлення електричної дуги подають форсуючу напругу такої ж полярності, що перевищує напругу джерела живлення, після чого на дуговий проміжок подають із затримкою у часі імпульс напруги збудження зворотної полярності стосовно джерела живлення - електричної дуги, який перевищує за номіналом форсуючу напругу та має укорочену тривалість фронту, при цьому час затримки імпульсу напруги збудження обирають в діапазоні від 3 до ЗООнсек, а відношення часу затримки імпульсу напруги збудження до тривалості його фронту складає 1 - ЗО, крім того, форсуючу напругу формують шляхом трансформації енергії джерела живлення з ланцюга, який и закорочує, а імпульс напруги збудження формують шляхом трансформації енергії джерела живлення з ланцюга, який його закорочує Поставлена задача вирішується також тим, що в пристрій для збудження електричної дуги, який містить джерело імпульсів напруги збудження, першу і другу клеми дугового проміжку, джерело живлення електричної дуги, паралельно якому підключені блокувальний конденсатор і ключ з пороговим елементом, ВІДПОВІДНО до винаходу, уведені джерело внутрішньої форсуючої напруги, блокувальний дросель і елемент "довга ЛІНІЯ", при цьому джерело внутрішньої форсуючої напруги з'єднане згідно з джерелом живлення електричної дуги, джерело імпульсів напруги збудження з'єднане з джерелом живлення електричної дуги зустрічно одним своїм виводом - через блокувальний дросель, а другим - безпосередньо, і через елемент "довга ЛІНІЯ" ВИВОДИ джерела імпульсів напруги збудження підключені до першої і другої клем дугового проміжку, при цьому джерело внутрішньої форсуючої напруги може бути виконане у вигляді послідовно з'єднаних ключового елемента, елементів опору та індуктивності і ємнісного джерела напруги Крім того, для підсилення ефекту в ключ для пристрою збудження електричної дуги, що містить конденсатор, насичуваний магнітопровід з робочою обмоткою, один вивід якої з'єднаний з входом магнітного ключа, а інший вивід - через конденсатор з виходом, ВІДПОВІДНО до винаходу, введена обмотка зміщення для послідовного з'єднання з первинною обмоткою силового трансформатора з насичуваним магнітопроводом джерела живлення електричної дуги Крім того, в одному з варіантів в ключ для пристрою збудження електричної дуги, що містить конденсатор, розрядник, насичуваний магнітопровід трансформатора з робочою і високовольтною обмотками, до останньої з яких підключений кон денсатор і розрядник, ВІДПОВІДНО до винаходу, введена обмотка зміщення для послідовного з'єднання з первинною обмоткою силового трансформатора з насичуваним магнітопроводом джерела живлення електричної дуги Крім того, переважно у способі підготовки до спрацьовування ключа пристрою збудження електричної дуги, виконаного у вигляді каскадного ланцюжка з n-магнітних ключів, що включає встановлення магнітопроводу і-го ключа у вихідний стан намагнічування, ВІДПОВІДНО ДО винаходу, для спрацьовування і-го магнітного ключа подають струм зміщення від (і-2)-го магнітного ключа і струм перешкодозахисту від (і-З)-го магнітного ключа Суть винаходу полягає у тому, що за рахунок уведення вищеописаних елементів і зв'язків МІЖ ними створюються умови для збудження дуги, а саме за час проходження негативного імпульсу довгою ЛІНІЄЮ і дуговим проміжком у блокувальному дроселі накопичується струм з полярністю, що збігається з полярністю майбутнього струму дуги, а джерело внутрішньої форсуючої напруги забезпечує значний струм дуги, необхідний для видалення ("випаровування") забруднених або окислених поверхонь Суть винаходу для способу підготовки магнітного ключа до спрацьовування полягає утому, що на обмотку перешкодозахисту і-го магнітного ключа подають імпульс струму раніше надходження перешкоди від (і-З)-го магнітного ключа і закінчують одночасно із закінченням цієї перешкоди Надалі винахід пояснюється описом прикладів його здійснення і кресленнями, що додаються На фіг 1 подана функціональна схема запропонованого пристрою, на фіг 2 - еквівалентна схема в момент закінчення проходження іскри, на фіг 3 - форма тіла дуги в момент закінчення іскри, на фіг 4 - часові діаграми для струмів і напруг Дуги, на фіг 5 - принципова електрична схема першого варіанта запропонованого пристрою, на фіг 6 - пристрій для збудження допоміжної дуги плазмотрона, на фіг 7 - осцилограми роботи варіанта пристрою, поданого на фіг 5, і часові діаграми стабілізації, на фіг 8, 9 і 10 - принципові електричні схеми другого, третього і четвертого варіантів запропонованого пристрою, на фіг 11 - варіанти виконання магнітних ключів, на фіг 12 - п'ятий варіант запропонованого пристрою, на фіг 13 - принципова електрична схема електронного ключа, на фіг 14, 15 і 16 - шостий, сьомий і восьмий варіанти запропонованого пристрою, на фіг 17 - принципова електрична схема приставки для зменшення зварювального струму (баластового індуктора) Пристрій (фиг 1) містить джерело 1 імпульсів напруги збудження, першу і другу клеми 2 і 3 дугового проміжку, джерело 4 живлення електричної 52839 дуги, паралельно шинам 5, 6 якого підключені блокувальний конденсатор 7 і ключ 8 з пороговим елементом Крім того, пристрій містить джерело 9 внутрішньої форсуючої напруги, блокувальний дросель 10 і елемент 11 "довга ЛІНІЯ" Виводи джерела 9 внутрішньої форсуючої напруги підключені згідно до шин 5 і 6 джерела 4 живлення електричної дуги, перший вивід джерела 1 імпульсів напруги збудження з'єднаний через блокувальний дросель 10 зустрічно з першою шиною 5 джерела 4 живлення електричної дуги, другий вивід - з другою шиною 6 джерела 4 живлення електричної дуги безпосередньо, а перший і другий виводи джерела 1 імпульсів напруги збудження підключені через елемент 11 "довга ЛІНІЯ" ДО тримача електрода - першої клеми 2 і другої клеми З (земляної), ВІДПОВІДНО Елемент 11 "довга ЛІНІЯ" характеризується хвильовим опором 150 - ЗОООм і затримкою 4нс на 1 метр довжини Елемент 11 виконаний у вигляді зварювальних кабелів Ключ 8 з пороговим елементом для пристрою збудження електричної дуги може бути виконаний електронним (фіг 13) або магнітним (фіг 5) і містити ключовий елемент 12 та елементи 13, 14, 15 індуктивності, опору і ємності, ВІДПОВІДНО Джерело 9 внутрішньої форсуючої напруги може містити ключовий елемент 16 (або комутуватися іншими ключами), елементи 17 і 18 опору та індуктивності, ВІДПОВІДНО, і ємнісне джерело 19 напруги Джерело 1 імпульсів напруги збудження може містити ключовий елемент 20 (або комутуватися іншими ключами), елемент 21 індуктивності і ємнісне джерело 22 напруги, зворотної полярності Тіло 23 дуги (фіг 3) з проміжком в одиниці мікрон торкається по колу холодного електрода (клема 2), де йде тепловідвід і спад напруги 6 - 10В, в середній частині тіла 23 дуги розширене і спад напруги мінімальний Увесь спад напруги йде у вузькій ДІЛЯНЦІ окислу 24, що випарився від іскрового розряду по каналу розряду Принципова електрична схема першого варіанта запропонованого пристрою (фіг 5) містить джерело 4 живлення електричної дуги, що включає шини 25, 26 мережі змінної напруги, вимикач 27, трансформатор з насичувальним магнітопроводом 28, первинною обмоткою 29, вторинною обмоткою ЗО, обмоткою 31 збудження з активним опором 32 Ключ 8 виконаний магнітним на магнітопроводі, що насичується, з робочою обмоткою 33, резистором 34 і з обмоткою 35 зміщення Крім того, ключ 8 містить конденсатор 15, трансформатор 36 з обмотками 37 і 38, робочою і зміщення, ВІДПОВІДНО Функцію порогового елемента ключа 8 виконує вольтсекундна площа, що реагує на інтеграл напруги Допоміжна обмотка 39 трансформатора 36 з ємнісним джерелом 19 і елементом 17 опору утворюють джерело 9 внутрішньої форсуючої напруги Джерело 1 імпульсів напруги збудження може містити високовольтну обмотку 40 трансформатора 36, ємнісне джерело 22 напруги зворотної полярності стосовно напруги на шинах 5, 6, ключо 8 вий елемент 20 у вигляді розрядника і елемент 21 індуктивності, роль якого виконує індуктивність монтажного проводу Можливий варіант виконання блокувального дроселя 10 у вигляді вторинної обмотки 41 трансформатора, що має первинну обмотку 42 Пристрій для збудження допоміжної дуги плазмотрона (фіг 6) містить джерело 4 живлення електричної дуги (допоміжної дуги) плазмотрона, що включає шини 25, 26 мережі змінної напруги, трансформатор з магнітопроводом 28, що насичується, первинною обмоткою 29 і вторинною обмоткою ЗО та силовою обмоткою 43 живлення основної дуги плазмотрона, а також дросель 44 Крім того, пристрій містить джерело 1 імпульсів напруги збудження, ключ 8 з пороговим елементом, джерело 9 внутрішньої формуючої напруги, блокувальний конденсатор 7, блокувальний дросель 10, елемент 11 "довгої лінії", першу, другу клеми 2 і 3 електричної дуги (допоміжної дуги плазмотрона) і клему 45 заземлення основної дуги Інший варіант запропонованого пристрою, зображений на фіг 8, додатково містить магнітний ключ, що укорочує тривалість імпульсу, включаючий магнітопровід 46, що насичується, з обмотками 47 і 48, ВІДПОВІДНО, зміщення та робочою, і конденсатор 49 У варіанті запропонованого пристрою, зображеного на фіг 9, ключовий елемент 12 повинен бути виконаний немагнітним, переважно транзисторним, здатним тримати напругу обох полярностей і переривати постійний струм У цьому випадку можливе використання індуктивного нагромаджувача 50, підключеного через послідовний ланцюг з резистора 51 і конденсатора 49 до виводу обмотки 37 У варіанті запропонованого пристрою, зображеного на фіг 10, використані магнітний ключ з магнітопроводом 52, робочою обмоткою 53, обмоткою 54 зміщення і конденсатором 55, магнітний ключ з магнітопроводом 56, робочою обмоткою 57, підвищувальною обмоткою 58, обмоткою 59 зміщення і конденсатором 60, магнітний ключ з магнітопроводом 6 1 , робочою обмоткою 62, підвищувальною обмоткою 63, обмоткою 64 зміщення і конденсатором 65, і магнітний ключ з магнітопроводом 66, робочою обмоткою 67, підвищувальною обмоткою 68, обмоткою 69 зміщення і конденсатором 22 Крім того, використаний зарядний магнітний ключ з робочою обмоткою 70 і обмоткою 71 зміщення, а також контур зміщення з резистором 34, дроселем 72 фільтра і обмотками 73 - 77 зміщення з належністю їх до ВІДПОВІДНИХ вищезазначених магнітних ключів У нижній частині фіг 10 поданий варіант контуру зміщення без включення його в схему, де елемент 78 являє собою не резистор 34, а опір замкнутого провідника, що проходить через дросель 72 фільтра, зазначені обмотки 73 - 77 зміщення і виток 79 на магнітопроводі 46 На фіг 11 подані різні варіанти з'єднання магнітних ключів і діаграми, що пояснюють їх роботу На фіг 12 зображений варіант вмикання запропонованого пристрою Електронний ключ (фіг 13) містить випрямний 52839 міст на діодах 80 - 83, вхідна діагональ якого підключена до шин 5, 6 джерела живлення, до яких підключений варистор 84 У вихідну діагональ вищезазначеного моста включений послідовний ланцюг з К-Е переходу транзистора 85, резистор 86, емітерна обмотка 87 базового трансформатора 88 і емітерна обмотка 89 прискорювального трансформатора 90 До емітер-базового ланцюга транзистора 85 підключені базова обмотка 91 базового трансформатора 88, резистор 92 і послідовний ланцюг з ДІОДІВ 93, 94 та базової обмотки 95 прискорювального трансформатора 90 До бази транзистора 85 підключений зворотний діод 96, а також пороговий елемент на тиристорі 97, конденсаторі 98 і ланцюзі резисторів 9 9 - 1 0 2 Крім того, у схемі використаний захисний конденсатор 103 Поданий на фіг 14 варіант запропонованого пристрою вимагає використання електронного ключа Поданий на фіг 15 варіант запропонованого пристрою також вимагає використання електронного ключа з індуктивним нагромаджувачем 104, відокремлених від трансформатора з магнітним осердям 36 послідовним ланцюгом на резисторі 105 і конденсаторі 106 Поданий на фіг 16 варіант запропонованого пристрою вимагає використання електронного ключа, індуктивного нагромаджувача 104, укорочувальних магнітних ключів, що дозволяє уникнути використання розрядника На фіг 17 показано варіант запропонованого пристрою з використанням приставки для зварювання малим струмом Приставка містить дросель 107 з обмоткою 108, паралельно якій включені захисний конденсатор 109 і послідовний ланцюг з резистора 110 та конденсатора 111, і клеми 112-115 Для правильного розуміння суті запропонованого способу наведемо наше розуміння процесу збудження дуги Проходження іскри створює канал шириною в одиниці мікрон, стійкий у поздовжньому напрямку Струм, що надходить в канал, рівномірно іонізує його і розширює, причому провідність дорівнює 1500Сим/м, а енергоємність - ЗмДж/мм3 Потім поведінка каналу визначається теплопроведенням до "холодних" електрода та деталі (тому що 1500К "холодні" ДО 8000К) Канал розбухає у середині, спад напруги і тепловиділення зменшуються, доки тепловідведення точно не зрівняється з тепловиділенням В літературі це трактується як "контракція" (стиск) дуги у електродів Розрахунки показують, що у електрода утворюється пляма з діаметром, пропорційним струму (плоска частина плазми на фіг 3 угорі) Спад напруги на плямі складає 8 - 10В в діапазоні струмів, і це - спад на плазмі, а не на контакті Орієнтовно діаметр плями складає 0,1 - 0,2мм для струму 1А Зауважимо, що увесь об'єм плазми на фіг 3 менше 1мм3, тобто там усього 5мДж енергії Куб 1 х 1 х 1мм при = 1500Сим/м має провідність 1,5Сим, або спад 5В має місце при струмі 7,5А, в решту 2 х 8В поблизу контактів Реальні ж спади виявляються набагато більші на забруднених і окислених деталях Здогадно, це викликане величезною теплоємністю випарову 10 вання окислу, що дорівнює 10Дж/мм , тобто у 3000 разів більше за теплоємність плазми Тоді показаний на фіг 3 отвір в окислі, пробитий іскровим розрядом, 0,1 х 0,1 х 0,1мм, має провідність 0,15Сим, тобто 50В при струмі 7,5А і 200В при струмі ЗОА, тобто саме він зумовлює спад напруги на дузі Збудження дуги за способом, що пропонується (див фіг 1), розпочинається із замикання ключа 8 і витримки його протягом часу, коли струм в індуктивності джерела 4 живлення наростає до розрахункового струму удержання дуги Таким чином, здійснюють закорочування виходу джерела 4 живлення електричної дуги на час наростання струму короткого замикання до рівня стабільного струму дуги Потім ПІСЛЯ розмикання закоротки виходу (клеми 5, 6) джерела 4 живлення електричної дуги до нього подають форсуючу напругу тієї ж полярності, але перевищуючу його значення Після ЦЬОГО на дуговий проміжок (до тримача клеми 2 електрода та земляної клеми 3) подають із затримкою у часі імпульс напруги збудження зворотної полярності стосовно джерела 4 живлення електричної дуги, що перевищує за номіналом вищевказану форсуючу напругу і має укорочену тривалість фронту Час затримки вищевказаного імпульсу напруги збудження повинен бути в діапазоні від 3 до ЗООнсек, що визначено експериментально Причому відношення часу затримки вищевказаного імпульсу збудження до тривалості його фронту повинне бути в діапазоні 1 - ЗО При цьому форсуючу напругу формують шляхом трансформації енергії джерела 4 живлення із ланцюга, який її закорочує Імпульс напруги збудження також формують шляхом трансформації енергії джерела 4 живлення з ланцюга його закоротки Пристрій працює наступним чином Джерело 4 живлення (фиг 1) у момент збудження дуги являє собою джерело ЕДС "є" з еквівалентною вихідною індуктивністю (наприклад, вторинна обмотка зварювального трансформатора), а його ВИХІДНІ клеми 5 і 6 повинні бути шунтовані блокувальним конденсатором 7, що захищає ІЗОЛЯЦІЮ трансформатора від дії високовольтного запускного імпульсу При досягненні миттєвого значення напруги джерела 4 живлення порогового рівня ключ 8 замикається, в індуктивності джерела 4 живлення розпочинається наростання струму До моменту, коли струм досягає рівня, достатнього для підтримання дуги, замикається ключ 16 джерела 9 з джерелом 19 напруги тієї ж полярності, що й у джерела 4, а збуджувальний імпульс має напругу джерела 22 зворотної полярності до напруги джерела 4, причому імпульсний дросель 10 принципово не насичується Імпульс збудження зворотної полярності (припустімо, для виразності - негативної) надходить на вихід пристрою і через елемент 11 "довга ЛІНІЯ" поширюється до тримача електрода - клеми 2 Негативна напруга, наприклад, 7,5кВ, прикладена до правого кінця індуктивності блокувального дроселя 10, припустімо, його індуктивність дорівнює 5мкГн Тоді В ньому наростає струм зліва направо 12 11 52839 по 1,5А кожної не Досягнувши кінця елемента 11 пристрою за способом, що пропонується "довга ЛІНІЯ", імпульс відбивається, подвоюється На фіг 5 показано принципову електричну за напругою Припустімо, при цьому дуговий просхему першого варіанта запропонованого приміжок пробивається іскровим розрядом Струм строю, призначеного для роботи з трансформатоіскри при цьому негативний Замикання іскровим ром з магнітопроводом 28, що насичується Дророзрядом відбивається і повертається до початку сель у первинному ланцюзі і трансформатор з елемента 11 "довга ЛІНІЯ", І ПІСЛЯ декількох загапервинною обмоткою (вона ж обмотка дроселя) саючих циркуляцій в ланцюзі дроселя 10, елеменсполучені Магнітопровід дроселя та трансформата 11 і дугового проміжку встановлюється струм, тора, тобто суміщений, не насичується Магнітощо збігається з майбутнім струмом дуги Можна провід, на якому розташована вторинна обмотка бачити, що струм складає 20 - ЗОА Утворюється трансформатора, має менший переріз і насичуєтьтіло дуги, показане на фіг 3 Далі процес може ся на холостому ході На магнітопроводі 28 є оббути ілюстрований еквівалентною схемою на фіг 2 мотки 29, ЗО, 31, ВІДПОВІДНО, первинна, вторинна і На ній показані напруги і напрямки струмів Ця збудження, намотані з боку вторинної обмотки ЗО схема описується системою диференціальних рівЯк було наведено у прикладі розрахунку збудженнянь ня, ємність комутувального конденсатора була 140мкф, що є неконструктивним При використанні \О — І - Ікон •*• Іпом обмотки збудження відбувається трансформація Іпом ~ (UnoM ' Uy )/K|-|0M ~ ємності, у даному випадку вона зменшується до 2 ид = Ud/2 + id/Y - 5мкф Але з'являється додаткова індуктивність в 2 a Y/a t = a • ia /Y ланцюзі комутувального ключа через неповний a i/a t = (e - uy3)/L зв'язок обмоток 31 і ЗО 3 метою зменшення цієї а Ікон/а I — ( U y - U K O H J ' L K O H індуктивності обмотка 31 збудження вмикається a 15/5 t = (UKOH - Іпом • RnoH - U 5)/І_ і послідовно ВІДПОВІДНО до вторинної обмотки ЗО, тобто має місце автотрансформаторне увімкнена и он/а t — IKOIVWOM ня a UnoiVa t — іпом'^пом, де Ua - усталена напруга на дузі при "середЯк ключовий елемент 12 (на фіг1) у даному ніх" струмах, наприклад, Іід = 20В, пристрої використовується магнітний ключ, що має а - коефіцієнт, при товщині окислу 0,1мм, його обмотки 35 і 33, зміщення і робочу, ВІДПОВІДНО В енергоємності 10Дж/мм3 і провідності плазми цей ланцюг послідовно включається первинна 1500Сим/м а = 15, обмотка 37 високовольтного трансформатора 36, Y - провідність плазми у каналі в окислі, Сим що має обмотку зміщення 38 і вторинну обмотку Позначення елементів, струмів і напруг наве40 Паралельно цій обмотці включене ємнісне дені на фіг 2 Для прикладу візьмемо L = 600 • 10 джерело 22 напруги у вигляді конденсатора, а як 6 Гн, Цом = 70 • 10 6 Гн, Ц - 5 • 10 6 Гн, Ском - 140 • 10 ключовий елемент 20 збудження використаний 6 Ф, Спом - 2,0 • 10 6 Ф, Rn0M= 10Ом, є = 50В розрядник Допоміжний резистор елемента 17 опору і допоміжний конденсатор ємнісного джереПочаткові умови \д (0) = ЗОА, Y (0) = О.ЮСим, ла 19 включені на допоміжну обмотку 39 високоі(0) = 7 А , іком (0) = 7 А , UKOM (0) = 6 0 В , и ПО м (0) = 1 2 0 В вольтного трансформатора 36 На фіг 4 наведене розв'язання рівнянь при зазначених параметрах Можна бачити, що спочатку Для роботи збуджувача з магнітними ключами напруга дуги складає 300В і струм підтримується важливим є їх синхронізація для точного включенструмом індуктивності Ці ВІН збігається за напряня ВІДПОВІДНО до способу Ця синхронізація досямком з майбутнім струмом дуги саме тому, що гається обмотками 35, 38 зміщення, включеними полярність імпульсу збудження зворотна до напрупослідовно в ланцюг первинної обмотки 29 Через ги джерела живлення Якби було навпаки, то насичення трансформатора на холостому ході в струм дуги повинен був би пройти через нуль, що його первинній обмотці 29 проходять значні струуповільнило б встановлення потрібної провідності і ми (до половини амплітуди робочих струмів), які могло б викликати розрив дуги, тобто запуск не міг встановлюють магнітний ключ і трансформатор 36 відбутися Важливим є те, що Ц виконаний ненау стан індукції готовності до роботи сичувальним при збудженні (при роботі дуги струм На фіг 7 показані експериментальні осцилогскладає сотні ампер і насичення неминуче), магнірами роботи збуджувача на холостому ході Синтопровід 41 повинен бути виконаний з повітряним хронізація виконана за початком синусоїдальної зазором Розрахунки варіантів за наведеною сиснапруги мережі Для орієнтування на осцилограмі темою рівнянь дозволяють знайти оптимальну нанесена віртуальна напруга Струм магнітного величину Ці ЯК зазначено вище, "накопичення" ключа вимірюється трансформатором струму, струму залежить від часу підтримання високої навключеним послідовно з резистором 34 (фіг 5) За пруги, поки імпульс пройде по лінії й повернеться час насичення силового трансформатора струм відбитий зміщення заспокоює коливання в ланцюзі магнітного ключа Напруга uo(t) близька до нуля, коли Потім струм дуги з діапазону десятків ампер починається вихід трансформатора з насичення переходить в одиниці і підтримується струмом Напруга u-i(t) на первинній обмотці трансформатодопоміжного ланцюжка За цей час відбувається ра до цього моменту близька до нуля Струм маг"перехоплення" струму і, який спочатку цілком винітного ключа також нульовий Напруга uo(t) приходить через індуктивність комутувального ключа кладена до робочої обмотки 33 магнітного ключа і Ці Розв'язання системи рівнянь при різних паравідбувається рух індукції в його магнітопроводі від метрах елементів еквівалентної схеми та початко-Bs до +BS При насиченні магнітний ключ коротко вих умовах показує напрям зусиль для створення 3 3 Д К 14 13 52839 замикається ВІДПОВІДНО ДО способу, через обмотку введення ще одного магнітного ключа, одержузбудження це передається на вторинну обмотку ються більш прийнятні конструктивні параметри Струм i(t) заряджає комутувальний конденсатор Витки трансформатора зменшуються до 3000 15, внаслідок чого напруга uo(t) зростає, і через 1500, об'єм сталі - учетверо Затримка спрацьовуобмотку 40 заряджає конденсатор ємнісного джевання укорочувального магнітного ключа полегшує рела 22 При досягненні напруги рівня спрацьовустабілізацію, але резистор 34 корисний Зауваживання розрядника високовольтний імпульс подамо, що у цих двох варіантах збуджувача після тоється на вихід апарата, причому з негативною го, як струм комутувального ключа "перехоплений" полярністю, ВІДПОВІДНО до способу Одночасно і став нульовим, магнітний ключ автоматично розрозряд викликає стрибок напруги на обмотці 37, микається, що сприяє запуску Через деякий час виробляючи позитивну допоміжну напругу, ВІДПОвідбувається зворотне спрацьовування його, але ВІДНО до способу Збудження дуги описане раніше струм його спрямований в дугу, тобто це не заваНа фіг 5 показаний варіант застосування імпульсдить запуску Зазначимо також, що потрібні змішуного трансформатора з первинною обмоткою 42 вальні струми утворюються в обмотках зміщення замість дроселя при використанні трансформатора, який насичується Магнітні ключі реагують не на амплітуду Збудження дуги відбувається з холостого хонапруги, як звичайні порогові пристрої, а на інтегду Якщо ж дуга горіла, потім струм переходить рал напруги на фронті осердя трансформатора, через нуль і потрібно знов відновити дугу, то має що виходить з насичення місце режим стабілізації, який загалом відрізняється від збудження ВІДМІННІСТЬ полягає у тому, Енергія для імпульсу збудження в цих збуджущо при стабілізації дуги напруга uo(t) йде не від вачах утворюється з частини енергії комутувальнульового рівня, а від негативної напруги горіння ного конденсатора Магнітний ключ в принципі не дуги може комутувати постійну складову напруги, у цих схемах ланцюги магнітних ключів відокремлені Розрахункові часові діаграми стабілізації покаконденсаторами зані праворуч на фіг 7 Можна бачити, що напруга uo(t) відстає від напруги U2(t) на розряднику (або ж Варіант пристрою за фіг 9 використовує індукнапруга на розряднику її випереджає), розряд відтивний нагромаджувач енергії У цьому випадку бувається у момент, коли напруга uo(t) не досягла ключовий елемент 12 повинен мати здатність потрібного рівня 40 - 60В, і стабілізація дуги не утримувати постійну складову напруги, тобто це відбувається Пристрій знову переходить в режим має бути електронний ключ Такий збуджувач здаXX, і збудження буде тільки в наступному напівпетний працювати як з трансформатором, що насирюді При зварюванні це виявляється у "просічках" чується, так й зі звичайним зварювальним транс- провалах на осцилограмах струму зварювальної форматором Тому всі необхідні зміщення повинні дуги, розбризкуванні металу вироблятися всередині схеми Ключовий елемент 12 з пороговим пристроєм спрацьовує при досягНа діаграмах показаний процес стабілізації ненні напруги джерела 4 заданого рівня, відбувапри наявності резистора 34 в комутувальному лається замикання його індуктивності через індуктинцюзі (опір зведений до ланцюга вторинної обмотвний нагромаджувач 50 ки) При цьому швидкість наростання напруги на розряднику уповільнюється і розряд відбувається Після досягнення струму ключового елемента в потрібний момент Існує оптимальна величина 12 заданого рівня відбувається його розмикання цього опору Крім того, при нульовому або занадто (докладно це буде описане далі), струм індуктивмалому опорі перехідні процеси не встигають заності нагромаджувача 50 через роздільний конкінчитися до моменту виходу трансформатора з денсатор 49 і струмообмежувальний резистор 51 насичення На фіг 7 праворуч показані розрахуннадходить на первинну обмотку 37 трансформакові діаграми напруги U2(t) при нульовому опорі та тора Наявність ємності джерела 22 обмежує зроспри г = 3 Ома і струм іКом00 ключа (зведений до тання напруги, прикладеної до ключового елеменвторинного ланцюга) при г = 0 та при г = 3 Ома та (для виразності, вона обирається 400 - 600В за якістю транзисторів) Цей варіант збуджувача цілком надійний в роботі, хоча трансформатор виходить з числом витРозрядник спрацьовує при досягненні заданоків у вторинній обмотці 40 порядку 12000 - 4000 З го рівня напруги, імпульс збудження подається на метою зменшення габаритів трансформатора і блокувальний дросель 10 з негативною полярнісуповільнення спрацьовування розрядника ввотю, ВІДПОВІДНО до способу диться укорочуючий тривалість імпульсу магнітний Струм індуктивності не може припинитися ключ з обмоткою 47 зміщення та робочою обмотстрибком Але він може переключитися стрибком з кою 48 і укорочувальний конденсатор 49, подані на одного ланцюга в інший У даному випадку іКОн фіг 8 Напрямки обмоток показані загальноприйняприпиняється за десяті частки мікросекунди і тими знаками Слід мати на увазі, що укорочуваструм індуктивності нагромаджувача 50 стрибком льний ключ у даному вмиканні змінює полярність переходить в первинну обмотку 37 трансформатоімпульсу, тому допоміжна обмотка 37 і первинна ра Але залишається струм 6 індуктивності джереобмотка 40 мають зворотну полярність вмикання ла 4 Він стрибком переходить з ключового елемеЄмність укорочувального конденсатора 49 може нта 12 в ланцюг джерела 9 Так виробляється бути обрана так, що витки первинної обмотки 40 і форсуюча напруга Можна бачити, що у цій схемі обмотки 37 рівні, а позаяк у цьому випадку напруги відсутня індуктивність комутувального ключа в опиняються в однаковій фазі, то це може бути одланцюзі наростаючого струму дуги Це полегшує на обмотка, що й показано на фіг 8 запуск У цього варіанта збуджувача, незважаючи на Для збудження іскри і дуги використовуються 15 імпульси з наносекундними фронтами Щоб висока напруга не могла проникнути на зварювальний трансформатор, вона блокується індуктивністю блокувального дроселя 10 і ємністю блокувального конденсатора 7 Ці імпульси виробляються розрядником Експериментально спостерігалися "просічки" (пропускання) імпульсів, в апаратах використовуються декілька розрядників, включених паралельно В принципі потрібне укорочення імпульсів може бути одержане і за допомогою магнітних ключів (Км), але теорія Км усе ще недостатня для їх практичного використання у збуджувачах Тому наведемо одержані результати На фіг 11а показані два типа магнітних ключів Км "П"-типу, або Км типу "А", і Км "Т"-типу, або Км типу "Б", в загальноприйнятій термінології Через те що вони зображені на фігурі, вони можуть включатися каскадно (за прийнятим в електроніці звичаєм вважаємо, що енергія поширюється зліва направо) На фіг11ж,з наведені реальні гістерезисні цикли магнітних матеріалів, використовуваних в Км Нагадаємо, що при нульовій напрузі Н (нульовій сумі струмів в усіх витках) індукція В(0) може перебувати в будь-якій точці всередині петлі гістерезису Це докорінно відрізняється від стану звичайної електричної схеми, де перед початком процесу, якщо пауза тривала досить довго, то напруга на конденсаторах нульова, струми в індуктивностях нульові, розсіювана на резисторах потужність нульова Це випливає із закону збереження енергії, тому що ненульова потужність означає безперервний приплив енергії Але ненульова індукція в магнітопроводі може бути при нульовій енергії, і тому вона можлива Крім того, у ланцюжках Км спостерігаються явища, аналогічні тим, що вивчаються у новому розділі математики, відомому як "теорія катастроф" При цьому з рівних початкових умов (причин) випливають нерівні наслідки, тобто "безпричинні явища" Прикладом може служити об'єкт, що називається "атрактором", або рух рідини в турбулентному режимі Саме тому погода в принципі не може бути прогнозована на тривалий період, і справа не в недосконалості комп'ютерів У ланцюжках Км це виражається в неперіодичних перехідних процесах у кожному напівперюді живильної напруги мережі, у стрибкоподібній "ЗМІНІ МОД коливань", у змінах часу появи імпульсів збудження і навіть його знака Це робить роботу збуджувача нестабільною, і тому питанням зміщення має бути приділена найпильніша увага Роботу Км можна зрозуміти на прикладі ланцюжка Км типу "А" на фіг 116 Припустімо, спочатку всі магнітопроводи зміщені в положення -Bs ЗОВНІШНІМ джерелом На перший ліворуч конденсатор подається східець напруги Перший ліворуч Км рухається від -Bs до +BS Коли його вольтсекундна площа вичерпується, магнітна проникність магнітопроводу спадає (у фериті від 1,2 до 2,0 від проникності вакууму - це більше одиниці, тому що площа перерізу витка обмотки більше площі магнітопроводу, в пермалої та аморфній сталі - аналогічно, в електротехнічній сталі залишається проникність від 20 до 3 в залежності від глибини насичення та якості відпалу сталі) Індук 52839 16 тивність насиченого першого Км виявляється включеною послідовно в ланцюг з першим і другим конденсаторами, причому у цей момент напруга ui на першому конденсаторі максимальна, a U на 2 другому конденсаторі дорівнює нулю В ланцюзі проходить струм у вигляді половини синусоїди, напруга ui спадає до нуля, напруга U зростає до 2 максимальної, струм "силкується стати" негативним, але це означає, що до першого Км прикладена зворотна напруга, яку він може утримувати у міру своєї вольтсекундної площі На фіг 11 в можна бачити, що з'являється напруга ui на другому Км, далі відбувається такий самий процес, кожний Км укорочує тривалість імпульсу, залишаючи амплітуду напруги і, отже, збільшуючи струм На фіг 11г показано ланцюжок Км типу "Б" При надходженні напруги u через конденсатор попереднього Км відбувається трансформація струму в конденсатор С-і, причому струм через Км 2 насичує його і підтримує у насиченому стані увесь час зарядного струму Сі У цей час Км 1 працює трансформатором, індукція рухається від Bs до +BS При досягненні насичення відбувається перетворення Км 1 в малу індуктивність, заряджений Сі перезаряджається зворотним струмом до зворотної напруги, тобто має місце подвійний перепад амплітуди напруги При цьому Км 2 виходить з насичення, конденсатори Сі і C-z стають включеними послідовно, на C-z утворюється половина подвійного перепаду напруги, тобто одинарний перепад зворотного знака (для кращого уявлення роботи Км типу "Б" корисно уявити обмотки увімкненими згідно, як це показано на фіг 11г, і витки рівними, тоді ці обмотки можуть бути з'єднані і трансформатор перетворюється в дросель, всі конденсатори стають рівними і з'єднаними в послідовний ланцюг) Можна бачити, що Км типу "Б" дозволяють змінити полярність і здійснювати трансформацію, тобто переходити від порівняно низьких напруг до високих, що буде використане надалі Зауважимо, що напруга їй на Км 1 являє собою ряд косинусоїд з напівперюдами, що зменшуються, від спрацьовування кожного наступного Км із зміною знака напруги (можна показати, що ВІДМІННІСТЬ коефіцієнтів трансформації в ланцюзі Км від одиниці не змінює напругу їй) Зазначимо, що напруга на виході Км типу "А" знак не змінює і "дриблінгу" там немає Це важливе для збудження дуги, як буде показано далі Вважається, що наприкінці ланцюжка Км є навантаження у вигляді резистора або іскрового проміжку, де й поглинається енергія імпульсу У цьому випадку в ланцюжку Км типу "А" усі конденсатори стають розрядженими, а усі магнітопроводи знаходяться у стані +BS В ланцюжку Км типу "Б" останній імпульс "дриблінгу" має нульову напругу Далі йде новий напівперюд напруги мережі з установкою зміщення Однак, може бути, що наприкінці ланцюжка Км немає навантаження (не було іскри), або є КЗ чи XX У цьому випадку має місце відбиття імпульсу вліво за схемою, причому мають місце різні варіанти Наприклад, у ланцюжку Км типу "А" (фіг 116) останній Км 4 робить "дриблінг" між останнім конденсатором С4, у Км 3 ліворуч знаходиться нульо 17 ва напруга, праворуч переміжні нуль і повна позитивна амплітуда, поки ця позитивна напруга за площею не перевищить вольтсекундну площу Км З, який спрацьовує (причому всі зауваження щодо "атрактора" мають дію), імпульс поширюється ліворуч Простіше проходить процес в ланцюжку Км типу "А", якщо на виході КЗ У цьому випадку позитивна напруга на останньому конденсаторі "перевертається", тобто стає негативною, і весь ланцюжок Км типу "А", що перебувають у стані +BS, передає цей імпульс ліворуч, причому час відповідає не часу витримки Км, а часу їх перемикання Це виявляється утому, що при осцилографуванні струму, наприклад, Км 1, після імпульсу струму відразу ж з'являється другий імпульс струму дещо меншої амплітуди (через втрати) Якщо має місце процес у ланцюжку типу "Б" і на виході має місце КЗ, то справа наліво поширюється імпульс зворотної полярності, тобто має місце двократний струм Км Якщо ж на виході XX, то спочатку виникає проблема, як конденсатор зарядиться при XX Якщо для цього вжито заходів, то потім, при спрацьовуванні останнього Км, процес наче закінчується і імпульс назад взагалі не поширюється Зміщення струму для правильної роботи Км з урахуванням того, що характеристики магнітних матеріалів можуть бути такими, як показані на фіг 11, тобто можливі ППГ (з прямокутною петлею гістерезису) або ближче до ЛІНІЙНИХ (ферити) показані на фіг 11 Розгляд роботи Км зручно розпочати з останнього за часом етапу, просуваючись потім за часом до більш ранніх етапів При цьому тривалість кожного попереднього етапу зростає пропорційно укороченню кожного Км Етап " 1 " - перемикання Насичений Км являє собою індуктивність, включену між двома рівними ємностями, одна з яких заряджена, друга - при нульовій напрузі, тобто ємність контуру дорівнює половині ємності конденсатора (у Км типу "Б" мається на увазі "зведена ємність") Етап "2" - інтегрування або витримка Для Км типу "Б" його можна назвати "заряд" або "трансформація" Якщо Км типу "Б" має рівні згідно включені обмотки або якщо це Км типу "А", то вони поводяться як дросель, струм якого є струмом намагнічування ВІДПОВІДНО ДО ЙОГО кривої намагнічування Якщо ж Км являє собою тип "Б" з розділеними обмотками, то в них течуть трансформовані струми у протилежних напрямках На цьому етапі індукція йде від -В до +В, далі - етап"1" Етап "З" має місце тільки для Км типу "Б" Його можна назвати "передвстановлення" або "зміщення" На цьому етапі конденсатор попереднього Км заряджається через даний Км струмом перемикання попереднього Км Це сприятливе для даного Км, тому що цей струм зміщує його у стан готовності до етапу "2", тобто у -В У Км типу "А" цей етап відсутній, тому необхідно вживати заходів для потрібного зміщення Етап "4" може бути названий етапом "перешкодочутливості" Припустімо, є ланцюжок Км типу "Б" з одиничними коефіцієнтами трансформації Тоді конденсатори з'єднані послідовно й у них має місце "дриблінг" з періодами, що зменшуються 52839 18 Якщо струм даного Км на етапі "З" є сприятливим для нього, то струм на попередньому етапі дає зворотне зміщення (хоча амплітуди попередніх струмів зменшуються пропорційно збільшенню їхніх періодів) Необхідно вжити заходів для не допущення перешкод Хоча на етапі "З" даний Км буде зміщений у потрібному напрямку, ми маємо справу не з пасивним RC-ланцюжком, а з нелінійними індуктивностями, зв'язаними ємностями Зміщення магнітопроводу у даному напрямку пропорційне вольтсекундній площі прикладеної до обмотки напруги Для одержання кінцевої площі при кінцевому часі зміщення потрібна відмінна від нуля напруга Але ця напруга опиняється на конденсаторах Це - енергія, причому - загублена Саме по собі це допустиме, тому що енергія залежить від квадрата напруги і може бути незначною, але ці незначні напруги протягом тривалого часу рухають ІНШІ Км у різних непередбачених напрямках, система зв'язаних Км перетворюється в типовий "атрактор" з непередбачуваним поводженням Тому повинні бути організовані струми зміщення з мінімальною можливою швидкістю наростання Наведемо числовий приклад для типового ланцюжка Км Припустімо, три останніх Км - феритові, мають укорочення по п'ять разів, попередні - сталеві, з укороченням "10" і "20" Струм останнього Км становить 200А при 7000В за час 23нс, напруженість 35000А/м (корисно порівняти параметри Км з відомими параметрами транзисторних або тиристорних ключів) У попередньому етапі напруженість 7000А/М, на етапі "З" - 1400А/М, на етапі "4" 140А/м Звернувшись до характеристик магнітних матеріалів на фіг 11, можна побачити масштаб неприємностей на етапі "4" і величини зміщень, необхідних для їх запобігання У варіанті пристрою збудження з магнітними ключами організований такий порядок зміщення на даний Км заводиться струм зміщення від передпопереднього Км, який готує його до етапу "2" (інтегрування), і від передпередпопереднього Км заводиться струм перешкодозахисту з ВІДПОВІДНОЮ полярністю, який готує його до етапу "З" (зміщення) і захищає його на етапі "4" (перешкодочутливості) Це показано на фіг 116 для ланцюжка Км типу "А", на фіг 11г для ланцюжка Км типу "Б" і на фіг 11 є для ланцюжка Км типів "Б", "Б", "А", "Б" У випадку, якщо попередній Км є типу "Б", то він сам дає струм "зміщення", тому ще спеціально заводити зміщення немає потреби, хоча й не завадить При числовому розрахунку струмів зміщення може бути прийняте вірне рішення Останній Км у ланцюжку, що має вихід на ВИХІДНІ клеми зварювального апарата та на зварювальні кабелі, має особливий режим роботи Якщо це Км типу "Б", то через нього і навантаження повинен проходити струм "заряду" на його етапі "2" і струм "зміщення" на його етапі "З" Але на виході є зварювальні кабелі з незначною ємністю та індуктивність імпульсного дроселя з відносно великою індуктивністю Необхідно забезпечити шляхи для проходження цих струмів Для цього необхідно використовувати додатковий Кмзар (зарядний ключ) з ВІДПОВІДНИМ зміщенням Більш докладно це буде описане на прикладі конкретного виконан 19 ня збуджувача ВІДПОВІДНО ДО запропонованого способу на ланцюжок РпонСпон повинна бути подана допоміжна напруга за допомогою допоміжного ключа У збуджувачі на Км з цією метою пропонується використовувати напругу на одному з Км ланцюжка типу "Б", у якого час інтегрування (етап "2") більше, а час перемикання (етап "1") менше, ніж постійна часу допоміжного ланцюжка Полярність допоміжного імпульсу повинна бути ВІДПОВІДНОЮ способові, і його амплітуда може бути розрахована відомими методами На обраному Км типу "Б" може бути зроблена додаткова обмотка допоміжної напруги Як зазначено вище, на Км типу "Б" після закінчення етапу " 1 " ("перемикання") настає знакозмінний "дриблінг" (фіг11д), що закінчується нульовою напругою у випадку повного виходу енергії ланцюжка Км в навантаження Тоді на допоміжному конденсаторі залишається допоміжна напруга, до якої він зарядився на етапі "2" його Км Вона буде сприяти збудженню На фіг 11 є показано варіант одержання допоміжної напруги з Км типу "А" з часами етапів " 1 " і "2", як зазначено вище Певною перевагою у цьому випадку є відсутність "дриблінгу" на Км типу "А" Як видно з опису роботи Км типу "А" або Км типу "Б" з рівними обмотками, включеними згідно (дросель), істотний струм протікає тільки на етапі " 1 " Це дозволяє зарядити С і зберігати заряд на ньому до закінчення всіх процесів в Км аж до початку нового циклу На фіг 1 їй показане з'єднання допоміжного конденсатора з одним заземленим кінцем (що потрібне для правильної роботи допоміжного ланцюга), включеним в послідовний ланцюг з Км типу "А" і його навантаженням - Км типу "Б" У Км типу "А" на етапі "2" відсутній струм заряду, тому через нього буде проходити тільки струм заряду попереднього Км типу "Б", який значно менший, тому що більш розтягнутий за часом Він проходить через ємності та R і виходить в ланцюг джерела зварювального струму На фіг 11 к показано варіант включення допоміжного ланцюга в ланцюг Км типу "Б" дросельного типу Часто такий варіант виявляється зручним через необхідну полярність імпульсів на Км Час спрацьовування Км 4 у цьому конкретному випадку становить біля 0,8мкс, тобто допоміжний струм утримується достатній час після запуску, а обнуління настає тільки через сотні мікросекунд у наступному циклі зміщення Як описано вище, струми у цих етапах роботи Км є знакозмінними і, отже, проходять через нульове значення Але при нульовому значенні струмів істотним стає форма петлі гістерезису, тому що ферит "сповзає" до -В Щоб не допускати появи "атрактора", необхідно мати зміщення не менше певної величини (фіг 11ж,з) На фіг 10 наведено схему збуджувача за способом, що пропонується, виконану цілком на Км, без розрядника Збуджувач призначений для роботи з силовим трансформатором, що насичується, який має значний струм XX та достатньо крутий фронт виходу з насичення Перші три Км виконані зі сталі і мають синхронізуючий струм зміщення, як і збуджувач на фіг 8, але замість ви 52839 20 соковольтного трансформатора імпульсу збудження включений Км 3 типу "А" Параметри його обираються такими, що він насичується на рівні, який відповідає рівню спрацьовування розрядника на фіг 7 (див осцилограми) Струм н на фіг 10 є струмом i(t) на фіг 7 Можна бачити, що струм досягає максимуму, потім зменшується, і збудження відбувається при струмі 2/3 - 3/4 від максимуму (це обирається при встановленні зміною числа витків Км 2) Час цього струму складає 700мкс для даного прикладу, час спрацьовування ланцюжка Км до моменту збудження дуги складає 50 - ЗОмкс, тобто за цей час цей струм можна вважати незмінним Послідовно в ланцюг цього струму включений ланцюжок з двох паралельних відгалужень, в одному з яких знаходиться індуктивність дроселя 72І_ф, що не насичується, з послідовними обмотками зміщення на всіх Км, починаючи з Км 3, і також КмЗЭр, а в другому резистор 78 фільтра Рф, так що постійна часу І_ф/Рф є сумірною з тривалістю струму н Тоді струм в індуктивності дроселя 72 до моменту збудження буде близький до струму н, а потім він збережеться на час спрацьовування решти Км і збудження дуги RC-ланцюг з резистора 17 і конденсатора 19 включений на вхід Км 3, як це описано раніше Наведені також полярності імпульсів на входах Км При спрацьовуванні Км на витках зміщення виникають імпульси, які щораз збільшують струм зміщення наступних Км Можна бачити, що на Км 6 напруга на витках зміщення складає половину від повної напруги Км, тобто 4кВ і більше Це є незручним щодо ізоляції обмотки Нижче на фіг 10 наведений варіант зміщення від напруги на Км 2 Ця напруга ui(t) (фіг 7) стає нульовою і навіть змінює знак у момент спрацьовування Км 2, тобто вона ніби не придатна для створення струму зміщення Але через включення індуктивності дроселя 72 постійна часу стає достатньою для збереження накопиченого струму У цьому варіанті достатньо одного витка зміщення, що пронизує Км 2 і далі, проблема з високими напругами відпадає Елемент 78 опору - це опір самого проводу, обраного ВІДПОВІДНО На фіг 12 подано п'ятий варіант запропонованого пристрою, призначений для роботи трансформатора з насиченням Загальний ланцюг зміщення від Км 2 на Км 3, 4, 5, 6, і Км виконаний у вигляді одного витка, як у попередньому збуджувачі Зміщення від струмів н, І2, із, І4 компенсує дії цих струмів на етапах перешкодочутливості кожного з Км Допоміжна напруга виробляється на конденсаторі 19, послідовно включеному в ланцюг Км 4 типу "Б" Час наростання допоміжної напруги становить біля однієї мікросекунди, за цей час не відбудеться розряд допоміжного ланцюга Також не відбудеться ВІДТІК допоміжного струму в індуктивність комутувального ланцюга (див фіг 2) У той же час струм заряду ємності третього ключа Км 3 при спрацьовуванні Км 2, що проходить через Км 4 і резистор 17, виявляється незначним, тобто постійна часу допоміжного ланцюга повинна розташовуватися між часом спрацьовування Км 4 і часом накопичення Км 3, тобто в значно більш 21 52839 широкому інтервалі, ніж у попередніх схемах, що полегшує реалізацію допоміжного ланцюга На даному прикладі збуджувача зручно розглянути роботу зарядного магнітного ключа Кмзар Він виконаний на фериті значно менших розмірів, ніж блокувальний дросель 10 Це пов'язане з тим, що при наносекундних часах вже істотно відчувається вплив магнітної в'язкості, і чим менший об'єм магнітопроводу, тим менші втрати Можна бачити, що для Км "перешкодостворюючим" є струм и, а "змішувальним" - струм is Хоча Кмзар зміщений загальним струмом витка у правильному напрямку, числовий розрахунок показує, що струм перешкоди ПОТребуЄ НЄ Менше 2 - З ВИТКІВ ВІД СТруму І4 для його компенсації Він утримується у стані "-В" на етапі "перешкодочутливості" загальним струмом зміщення і струмом и, потім продовжує утримуватися у цьому стані більш значним струмом етапу "зміщення" від струму is, конденсатор 22 при цьому заряджається, а потім при етапі "перемикання" для Км 6 негативний імпульс подається на дросель Юта вихід лінії Як випливає з опису роботи магнітних ключів Км, поріг їх включення визначається не рівнем напруги, а и інтегралом, і за своєю природою Км не може тримати постійну напругу Тому у ланцюзі Км обов'язково повинна бути послідовна ємність, що блокує постійну напругу Всі запропоновані вище збуджувачі з Км призначені для роботи з трансформаторами, що насичуються Крім того, через те що трансформатори на різні зварювальні струми мають різну індуктивність, то виходить різний час процесів, і тому для кожного типу трансформаторів на різний зварювальний струм повинен бути збуджувач з різними параметрами Км Для роботи з трансформаторами різного типу більш зручний електронний ключ, здатний розмикатися і блокувати постійну напругу На фіг 13 показана схема ключового елемента 12, що відповідає вимогам, відзначеним в описі пристрою за фіг 9 Робота ключового елемента 12 відбувається наступним чином При надходженні напруги будьякої полярності на шини 5 - 6 у ВИХІДНІЙ діагоналі моста полярність позитивна Спочатку транзистор 85 і тиристор 97 закриті У міру зростання напруги від джерела 4 живлення напруга на опорному резисторі 102 зростає і досягає порога спрацьовування тиристора 97 (0,5 - 0,6В) Струм цього ланцюжка - порядку міліампера, він недостатній для відкриття транзистора 85, замкненого резистором 92 Але через конденсатор 98 струм тиристора 97 буде значно більший і обмежується резистором 100 Цей струм відкриває транзистор 85, відбувається регенеративний процес у базовому трансформаторі 88 і потім струм із силового ланцюга буде трансформуватися в базовий ланцюг транзистора 85, підтримуючи його у відкритому стані Якщо джерело має індуктивний опір (зварювальний трансформатор), то струм в ньому наростає поступово за час у сотні мікросекунд Напруга на базі транзистора 85 стосовно збірної точки фіксується ланцюжком обмежувальних ДІОДІВ 9 3 - 9 4 У міру зростання струму збільшується спад напруги на струмообмежувальному резисторі 86, що підводить транзистор 85 до замикання Транзистор 22 85 виходить з насичення, відбувається регенеративний процес Для прискорення замикання служить прискорювальний трансформатор 90 з дуже малими витками та з мінімальною індуктивністю розсіювання Струм в індуктивності не може зупинитися стрибком, він підвищує напругу на зовнішньому конденсаторі за межами схеми ключового елемента 12 (див фіг 9), відбувається коливальний процес у зовнішньому ланцюзі Захисний конденсатор 103 частково обмежує перенапруги на транзисторі 85, так само як і варистор 84, але його роль не тільки у цьому Він не дозволяє упасти напрузі та струму тиристора 97, так що струм тиристора 97 підтримується, хоча й досить малий, тому що увесь ланцюжок резисторів його обмежує, а конденсатор 98 розряджений За час дії прямого струму ключового елемента 12 на базовому трансформаторі 88 з розрізаним магнітопроводом 85 накопичується індуктивний струм, і через те що емітерний ланцюг транзистора 85 закритий, то цей струм негативної полярності (тобто закриваючий для транзистора п-р-п типу) йде через зворотний діод 96 Наприклад, якщо емітерний струм був 5А, базовий струм був 2,5А, то індуктивний струм може бути обраний 1А, і в базу залишається 1,5А, чого цілком достатньо При такому закриваючому струмі струм тиристора 97 не може відкрити транзистор 85 удруге Тиристор 97 так і залишається відкритим міліамперним струмом до закінчення напівперюду, доки струм не спаде нижче струму утримання тиристора 97 з ланцюжком резисторів 9 9 - 1 0 2 (може бути зроблений порядку 0,5м) Потім тиристор 97 закривається і залишається закритим решту напівперюду, що залишилася, і наступне відкриття буде у новому напівперюді при новому наростанні напруги джерела 4 до порогової Зауважимо, що закриваючий струм транзистора 85 триває приблизно подвійний час від його відкриття, тому що зворотна напруга на зворотному ДІОДІ 96 приблизно удвічі менша за пряму напругу на двох діодах 93, 94 Таким чином, виконуються вимоги, що ставляться до ключового елемента 12 спрацьовування при рівні напруги, встановлюваної за допомогою резистора 102, відпускання при встановленні максимального струму, яке регулюються резистором 86, блокування другого спрацьовування за напівперюд Якщо з якоїсь причини струм транзистора 85 наростає недостатньо швидко (при великій індуктивності зовнішнього ланцюга), то базовий трансформатор 88 вичерпує свою вольтсекундну площу, насичується і розмикає ключовий елемент 12 Це однобічне насичення умовно показане на схемі у загальноприйнятих позначеннях Звичайно ж цей трансформатор розрахований на увесь діапазон роботи збуджувача від трансформаторів з різним робочим струмом і, тому, з різною індуктивністю Наприклад, можлива робота збуджувача в діапазоні зварювальних струмів 300 - ЗОА без переналаштовування Завважимо, що час замикання транзисторного ключа становить декілька сотень мікросекунд, в залежності від індуктивності зварювального трансформатора У цей час напруга на колекторі близька до нуля, напруга на резисторному ланцюжку та на конденсаторі 98 нульова, тиристор 97 23 неминуче закривається Далі відбувається стрибок напруги до декількох сотень вольт, тиристор 97 відкривається, але транзистор 85 у цей час закритий амперним струмом і відкриття тиристора 97 його не відкриває Коли ж амперні струми закриття закінчуються, високовольтні перехідні процеси давно закінчилися і тиристор 97 залишається відкритим в режимі міліамперних струмів, не здатних викликати повторне спрацьовування транзистора 85 На фіг 14 показана схема збуджувача, в якій зміщення забезпечується застосуванням трансформатора високовольтного імпульсу з розрізним магнітопроводом, який сам є індуктивним нагромаджувачем Це удвічі зменшує перепад індукції, тобто вимагає подвійного числа витків, але дозволяє використовувати збуджувач без зміщення, тобто він може бути використаний для будь-якого трансформатора, який не обов'язково насичується Робота збуджувача відбувається аналогічно до описаного На фіг 15 показана схема збуджувача, в якій зміщення забезпечується від струму н індуктивного нагромаджувача 104 Струм з обмотки зміщення трансформується в первинну обмотку і заряджає роздільний конденсатор 106 так, що насичення забезпечується при будь-якому початковому значенні індукції Для цього звичайно достатньо 1/10 числа витків обмотки зміщення від витків обмотки 37 На фіг 16 показана схема збуджувача з електронним ключовим елементом 12 з магнітними ключами без використання розрядника Електронний ключовий елемент 12 дає таке укорочення тривалості фронту, що Км 2 не потрібний, ланцюжок Км починається відразу з Км 3 Зміщення Км З забезпечується струмом н, як це описано вище для зміщення трансформатора Крім того, струм н використовується для захисту на етапі перешкодочутливості Км 5, як це описано раніше Км 6 має зміщення від струму із, а Кмзар - від струму ц, як це описано раніше Є спільний ланцюг зміщення від струму н дроселя 72 фільтра і опору резистора 34 фільтра, як це описано раніше для магнітних ключів Звернемо увагу на Км 4 з розділеними обмотками Вони використовуються для зміни полярності (знака), але через те що вони гальванічно можуть бути роз'єднані, то частину схеми можна поміщати стосовно нульової шини, а частину стосовно верхньої шини, як це зручніше Імпульс збудження з Км 6 подається стосовно верхньої шини Це дещо змінює співвідношення при запуску, але незначно, тому що напруга на блокувальному конденсаторі 7 змінюється струмом заряду індуктивності джерела 4 Нагадаємо, що час заряду є часом проходження негативного імпульсу збудження через елемент 11 "довга ЛІНІЯ" зварювальних кабелів і повернення, тобто складає десятки наносекунд При збудженні іскри і дуги час 52839 24 спаду струму індуктивності від десятків ампер складає десяті частки мікросекунди, і за цей час конденсатор 7 заряджається на сотні вольт Тому можна вважати, що підключення ланцюга імпульсу збудження стосовно земляної шини або верхньої шини однакове і його можна обирати з міркувань конструктивної зручності Апарати зі збуджувачем за способом, що пропонується, мають таке легке збудження дуги і таку стабілізацію, що проблема вибору зварювального струму постає зовсім в іншому СВІТЛІ Зварник не відчуває зміни зварювального струму, наприклад, у півтора рази Більш того, можна зварювати метал 0,8мм при струмі дуги 200А, якщо зварник дуже швидко перериває цей струм Однак для зварювання особливо тонких деталей доцільно мати струми порядку 50 - 20А В принципі таке регулювання можливе при використанні рухомого магнітного шунта При цьому індуктивність змінюється обернено пропорційно струму Це створює проблеми для магнітних ключів (для Км 1 і Км 2) Збуджувачі з електронним ключем працюють у більш широкому діапазоні індуктивностей Проте корисним виявляється збуджувач з додатковою баластовою індуктивністю, показаний на фіг 17 Баластовий дросель 107 з обмоткою 108 на сталі з повітряним зазором звичайного типу шунтований конденсатором 109 передачі імпульсу збудження і підтримуючим ланцюжком RC з резистора 110 і конденсатора 114 може бути в діапазоні від часток нанофаради до одиниць мікрофарад, підтримуючий ланцюжок, наприклад, 10,0мкФ і 20Ом Він підтримує струм дуги, доки дросель 107 набирає струм у декілька ампер, достатній для горіння дуги Потім струм досягає 50 - 20А, для якого і призначений баласт Дросель 107 може бути на один струм, або мати відводи, або мати плавне регулювання рухом котушок або зміною магнітного зазору Для зменшення габаритів і ваги дроселя пропонується виконати його таким, що насичується Наприклад, якщо сам зварювальний трансформатор розрахований на струм 200А, а вольтсекундна площа дроселя узята 0,65 від прикладеної напруги, то струм після його насичення (ефективне значення) складає всього 0,2 від струму джерела, тобто 40А для наведеного прикладу На фоні "плавного струму" 20А виникає імпульс струму з ефективним значенням 40А Такі імпульси навіть сприяють поліпшенню якості зварювання, як відомо, а дросель з насиченням виявляється на 35% легше Практика свідчить про можливість мати стійку дугу при струмах у частки ампера Як можна бачити з описання збуджувачів вище, баластовий дросель не впливає на їх роботу як при електронних, так і магнітних ключах Викладені переваги запропонованих способу і пристроїв його здійснення забезпечують їм можливість широкого використання в апаратах, здатних зварювати окислений та заржавілий метал, сталь, нержавіючу сталь й ІНШІ метали 25 52839 Фіг. З 26 27 52839 28 zoo m- і нкс О, 0А io OS II і s Т / 36 Фіг. 5 t 10 so 29 52839 ЗО Т ТМ< .. н * І Рівень спрацьовування--I "ТІАх Н52оБ J 100 \SOZ00250Z№$S0400 O Фіг. 7 52839 31 25 И ФІГ. 9 32 52839 33 34 U50 ) b ° J s № іIS 7$ 74 7£ 76 77 A • X к V О 5 6 5± Щ E V I 73 73 74 75 * 71 Фіг. 10 2 2 ^T ^ : 8 «i?l 6 ! \• 6 r v 5 2 7 76 V 52839 35 36 « \zs3A/M 53 5 ? Фіг. 11 52839 37 73 73 74 7S 76 77 в и * X * Фіг. 13 38 39 52839 Фіг. 17 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 40