CC BY
242
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Melvill WS. The Use of Saturall Reactors as Discharge Devices for Pulse Generators // Proc. IEE. - 1951. - V. 98. - № 53. - P. 185.
1. Гарбер И.С. Магнитные импульсные модуляторы. - М.: Советское радио, 1964. - 159 с.
2. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. - М.: Советское радио, 1968. - 475 с.
2. Зозулев В.И., Калюжный А.А. Применение узлов магнитного сжатия в генераторах возбуждения лазеров на парах меди // Техн. електродинамка, Темат. вип.: Проблеми сучасно! елек-тротехшки. - 2002. - Ч. 6. - С. 67-70.
3. Зозулев В.И. Основные подходы к анализу и оптимальному построению компрессионных магнитно-полупроводниковых генераторов // Техн. електродинамка. Темат. вип.: Проблеми сучасно! електротехнки. - 2006. - Ч. 3. - С. 77-81.
4. Волков И.В., Зозулев В.И., Шолох Д.А. Магнитно-полупроводниковые генераторы с разнофункциональными узлами магнитной компрессии импульсов // Пр. 1н-ту електродинамь
ки НАН Укршни: Зб. наук. пр. - Kim: 1ЕД НАНУ. - 2010. -Вип. 26. - С. 79-89.
3. Важдаев В.А., Катаев И.Г. Магнитополупроводниковый формирователь импульсов с управляемым узлом сжатия // Приборы и техника эксперимента. - 1992. - № 6. - С. 128-134.
5. Русин Ю.С., Чепарухин А.М. Проектирование индуктивных элементов приборов. - Л.: Машиностроение, 1981. - 172 с.
4. Важдаев В.А., Катаев И.Г. Магнитополупроводниковый формирователь импульсов с управляемым узлом сжатия // Приборы и техника эксперимента. - 1992. - № 6. - С. 128-134.
5. Одноключовий магштно-нашвпровщниковий генератор одно-полярних шверсних iмпульсiв: пат. № 44910 Украина. Заявл. 12.01.2009; опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12.
6. Двоключовий магттно-нашвпровщниковий генератор одно-полярних шверсних iмпульсiв: пат. № 41501 Украина. Заявл. 18.12.2008; опубл. 25.05.2009, Бюл. № 10.
Поступила 01.09.2010г.
УДК 621.314
МАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ С РАСШИРЕННЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ ИХ ПРИМЕНЕНИЙ
И.В. Волков, В.И. Зозулев, А.А. Калюжный, Д.А. Шолох
Институт электродинамики НАН Украины, г. Киев E-mail: dep8ied@elan-ua.net
Представлены основные результаты исследований трех групп магнитно-полупроводниковых генераторов: однотактных однопо-лярных; двухтактных однополярных и разнополярных. Показано, что с помощью этих трех групп генераторов эффективно решается основные задачи по расширенным возможностям их применений. Достигаются: адекватность с генераторами на базе ионных коммутаторов, оцениваемой по выходным параметрам нагрузок; высокая надежность; расширенные и новые функции; соизмеримые и лучшие другие показатели.
Ключевые слова:
Магнитно-полупроводниковый генератор, магнитный генератор, узел магнитной компрессии, дроссель насыщения, коммутационный дроссель. Key words:
Semiconductor-magnetic generator, magnetic generator, magnetic compression nod, saturated reactor, switching reactor.
В современных передовых сферах науки, техники и промышленности распространены импульсные электротехнологические устройства, в которых до последнего времени применялись преимущественно тиратронные генераторы импульсов (ТГИ) и тиратронно-магнитные ГИ. Основы по магнитным ГИ были изложены еще до и в 60-х гг. прошлого столетия в [1, 2], а позднее - в ряде публикаций по магнитно-полупроводниковым ГИ (МПГ) [3-5]. МПГ в сравнении с ТГИ имеют лучшие массогаба-ритные и энергетические показатели и не менее чем на порядок больший ресурс работы, с помощью МПГ можно реализовать ряд качественно новых параметров, характеристик и функций.
Опыт исследований МПГ показал, что построение эффективных МПГ достигается в основном за счет применения в них разнофункциональных узлов. При этом под эффективными МПГ подразу-
меваются такие, которые адекватно и лучше могут заменить генераторы, базирующиеся на ионных коммутаторах; обладают высокой надежностью за счет исключения ионных коммутаторов, неприменения полупроводниковых приборов на высоковольтной стороне МПГ и обеспечения им щадящих режимов коммутации; формируют разнообразные по форме и параметрам выходные импульсы МПГ.
В соответствии с изложенными положениями представляются следующие три группы МПГ: од-нотактные однополярные, двухтактные однопо-лярные, и разнополярные.
1. Магнитно-полупроводниковый генератор одно-полярных прямых импульсов (МПГ-1). Схема этого МПГ представлена на рис. 1, а, описана в [6]. Схема МПГ-1 отработана совместно с газоразрядной трубкой (ГРТ) до уровня ее практического приме-
Рис. 1. Схема МПГ-1 (а): ип - источник ОС-питания; 5 - однонаправленный полупроводниковый ключ; Ц - линейный зарядный дроссель; С.С5 - накопительные конденсаторы; С0 - обостряющий конденсатор; Ц.Ц - коммутационные дроссели; ГРТ - газоразрядная трубка лазера; эпюры импульсных токов в элементах МПГ-1 (б-г)
нения. Ключ £ работает в благоприятном режиме, что вместе с остальными пассивными элементами обеспечивает высокую надежность. В угоду этому свойству дроссель Ьх имеет несколько завышенный массогабаритный показатель. Остальные элементы, благодаря введению согласующих узлов (на Ц, Х5), выбраны оптимально. Это первая представляемая схема и, согласно публикациям, одна из первых схем МПГ, с помощью которой достигнута мощность излучения медного лазера на 10...15 % больше, чем при возбуждении этого же лазера ти-ратронным ГИ. В эксперименте использовалась ГРТ типа KULON ЕТ-1,5 Си, которая возбуждалась импульсами тока: /^=220...250 А, длительность импульсов тГРТ=80...90 нс. Согласование МПГ с низкоомной ГРТ достигнуто, пожалуй, единственным способом: за счет нарастающего перекрытия смежных импульсов токов - Ат2...Ат4 на рис. 1.
2. Одноключевой магнитно-полупроводниковый генератор однополярных инверсных импульсов (МПГ-2). Схема МПГ-2 представлена на рис. 2, а, имеет такие же характеристики и особенности, что и МПГ-1 (рис. 1, а). Исключение то, что магнито-провод трансформатора ТИ перемагничивается практически по полной петле гистерезиса. Описание схемы МПГ-2 дано в [7], вытекает она из схемы [5], но в схеме МПГ-2 ключ на основе ЮВТ-транзистора (1200 В, 400 А, коммутирующий ток длительностью -3 мкс) заменен на переключающий дроссель Ьъ а 2-й УМК, выполненный на со-
гласующем дросселе Ц, обеспечивает формирование импульсов тока через первичную обмотку трансформатора ТИ с оптимальной длительностью -1,2...1,5 мкс. Этим обеспечивается благоприятный режим работы ключа высокая надежность и, предположительно, меньшая стоимость в сравнении со схемой [5].
3. Двухключевой магнитно-полупроводниковый генератор однополярных инверсных импульсов (МПГ-3). Схема МПГ-3 представлена на рис. 3, а. МПГ-3 имеет такие же характеристики и особенности, что и МПГ-1 (рис. 1, а) и МПГ-2 (рис. 2, а). Исключение то, что разряд конденсатора С1 происходит через дополнительные ключ £2 и линейный дроссель Х02. Это позволяет уменьшить импульсный отбор энергии от источника иП, улучшить защитные свойства схемы и уменьшить время тю для восстановления ключа £2. Схема в большей мере соответствует принципу построения схемы [5] и описание ее дано в [8]. С помощью макета этой схемы достигнуты несколько лучшие результаты, чем для МПГ-1: /ИГРТ=240.270 А, тГРТ=70...80 нс; мощность излучения ГРТ на 15.25 % больше, чем при ее тестировании на тиратронном генераторе.
Кроме того схема МПГ-3 в экспериментах работала наиболее устойчиво.
4. Магнитно-полупроводниковый генератор однополярных перезарядно-инверсных импульсов (МПГ-4). Схема МПГ-4 представлена на рис. 4, более подробное описание ее дано в [9]. Перезарядно-компрессионный узел выполнен на элементах Ь02, £2,
С,
ип
и
а
и
а)
С\
>>
А
2 \
мкс
50 \/д ел
1
/ \
/ \
/ \
/
50 не/, юл
В)
Рис. 2. Схема МПГ-2 (а): УМК - узлы магнитной компрессии схемы рис. 2 (а); остальные обозначения соответствуют схеме рис. 2 (а и б). Эпюры импульсных токов в элементах Ц, Ц Ц - (б); реальный импульс тока, возбуждающий ГРТ - (в)
+0
га
и,
п
I
01
й С,
а
С»
>>
грт
Ц А А
Рис. 3. Схема МПГ-3 (а): Б,, Ц02 - дополнительные ключ и линейный дроссель; остальные обозначения соответствуют схеме рис. 3 (а). Эпюры импульсных токов в элементах Ц01, 102, Ц Ц (б)
Ц, УБ, С2. При заряде конденсатора С! ток через дроссель Г1 блокируется диодом УБ. По истечению времени отпирается ключ £2. Конденсатор
С1 перезаряжается по цепи: Г02, £2, Г2, щ, подзаряжая конденсатор С2 и перемагничивая дроссель Г1 через 2. После перезаряда конденсатора С! насыщается дроссель Ь1 и конденсатор С! передает накопленную энергию при токе ^ в конденсатор С2 по цепи: С2, УБ, Ц!. Далее процессы магнитной компрессии импульсов соответствуют схеме рис. !, а. Индуктивные элементы Ц, Г2, ТИ функционируют практически при полной петле перемагничива-ния их сердечников. Экспериментально подтверждено, что в результате применения перезарядно-компрессионного узла удалось уменьшить длительность разрядного тока через дроссель Г1 с 4,2...4,5 до 2,0...2,2 мкс, через дроссель Г2 -с2,0...2,4 до 1,0.1,2 мкс.
Рис. 4. Схема МПГ-4: Б2, Ц02 - дополнительные ключ и линейный дроссель; 1. - сопротивление для перемагничи-вания дросселя Ц; УМК, 1Н - узлы магнитной компрессии и нагрузка, соответствующие рис. 1 (а); УО -блокирующий диод; обозначение остальных элементов соответствуют схеме рис. 1 (а)
Элемент может быть выполнен в виде совсем небольшого дросселя и подключен к отпайке дросселя Г02. И, как видно, МПГ-4 обладает свойством инверсии полярности источника иП, что может быть важным, если нет трансформатора ТИ.
5. Магнитно-полупроводниковый генератор с дроссельным узлом формирования двухтактных од-нополярных импульсов (МПГ-5). Схема МПГ-5 представлена на рис. 5, а), описание ее приведено в [10]. Дроссельный узел формирования двухтакт-
ных однополярных импульсов [11] выполнен на элементах Г4 (Г'4+Г"4), Ь5 (Г'5+Г"5), С5. Инвертор ЕП через дроссель Г0 заряжает конденсатор С1. Далее с помощью УМК-1 и 2, ТИ, С3, Ь3 производится компрессия импульсов тока инвертора ЕП до импульсов тока ^ аналогично как в схеме рис. 1, а), но только в разнополярном режиме. Фазировка подмагничивания током 1П определена так, что при токе г3, насыщается дроссель Г4 и через его составляющие Г4, Г'4 формируется ток г4. При токе Инасыщается дроссель Ц пи через его составляющие Г5, Г'5 формируется ток г5. То есть в узле (Г4, Г5) в одном процессе происходит Л-выпрямление», вернее, L-однополяризация входных разнополярных импульсов тока /3 и их компрессия по длительности, в результате чего формируются двухтактные однополярные импульсы г4 и г5. По завершению ихформирования возникает отрицательные токи У и г5, которые при больших скважностях импульсов (0>20...50) имеют значение не более 2,0.3,0 % от амплитудных значений токов 14, 15.
Узел (Г4, Г5) помимо однополяризации и компрессии импульсов способен, при соответствующем изменении тока 1П, регулировать амплитуду импульсов, создавать их асимметричность, изменять их полярность, в том числе в виде разнопо-лярных пачек импульсов и выполнять другие функции. То есть существенно расширяются функциональные возможности МПГ-5, что дает право определить его также как универсальный МПГ. При этом следует особо подчеркнуть, что по сравнению с МПГ [12], где тиратрон заменен на составной ключ из ЮВТ-транзисторов в схеме МПГ-5 их заменяет всего один, «лишний» дроссель Г5. Очевидно, что надежность МПГ-5 значительно выше, стоимость, скорее всего, меньше и есть возможность дополнительно реализовать приведенные выше функциональные возможности.
6. Магнитно-полупроводниковый генератор с трансформаторным узлом формирования однотакт-ных однополярных импульсов (МПГ-6). Схема МПГ-6 представлена на рис. 6, описание ее приведено в [9]. Трансформаторный узел формирования двухтактных однополярных импульсов выполнен
Рис. 5. Схема МПГ-5 (а): ЕП - источник АС-питания; УМК-1и2 - узлы магнитной компрессии аналогично Ц, 12 (рис.1, а); 1'4, Ц" и Ц5, Ц - соответственно двухобмоточные переключающие дроссели Ц, Ц; 1П - ток подмагничивания дросселей 1_4, Ц; остальные обозначения элементов соответствуют схеме рис. 1 (а). Эпюры импульсов тока в элементах Ц3, Ц4(Ц4+ Ц4), Ц) - (б)
на элементах Ть Т2, С5. Формирование тока /3 соответствует схеме рис. 5. Фазировка тока 1П трансформаторов Ть Т2 определена так, что при токе р насыщается трансформатор Т2, а Т1 работает в линейном режиме, трансформируя в обмотку ток ¡"2(рис. 5, б). При токе А насыщается трансформатор Ть а Т2 работает в линейном режиме, трансформируя в обмотку^4ток I"4. В обоих тактах встречные токи г'"4 г и У2 насыщенных трансформаторов Т и Т2 находятся 15 соотношениях с трансформируемыми токами: I"4« г"2, г"2<< ¡"4. Поэтому без заметного ослабления трансформирующих свойств трансформаторов Т1 и Т2 в цепи "2, С5, "4 ("4, "2, С5) формируются однополярные иммпульсы в первом такте - г"2, и во втором такте - г"4, которые в одном процессе однополяризации («Т-вы-прямления») импульсов тока г3 также сжимается по их длительности. МПГ-6 имеет такие же характеристики и преимущества как МПГ-5, но имеет еще важное функциональное свойство: вторую гальваническую развязку с нагрузкой. Массогаба-ритные показатели Т1, Т2 и Ь4, Ь5 (рис. 6, а) примерно одинаковые. С помощью МПГ-5, МПГ-6 получена мощность излучения ГРТ типа KULON ЕТ-1,5 соизмеримая с полученой от достаточно отработанных МПГ-1, МПГ-3.
Рис. 6. Схема МПГ-6: в - часть МПГ-5 до конденсатора С3, Т, Т2 - переключающие трансформаторы собмотка-ми г г и г г4, \г6; остальные обозначения соответствуют схеме рис. 6 (а); ¡й2, г4 на рис. 6 (б) -трансформируемые токи в обмотках \^2,, г4
В МПГ-5 и МПГ-6 все индуктивные элементы, кроме оконечных, работают при симметричной петле перемагничивания их сердечников, для этих МПГ можно применить серийные инверторы. В экспериментах МПГ-5, МПГ-6 работали наиболее устойчиво из всех МПГ, даже при нагреве ГРТ, скорее всего, за счет их токостабилизирующих свойств.
7. Магнитно-полупроводниковый генератор одно-полярных прямых и инверсных импульсов. Схема МПГ-7 представлена на рис. 7. Структуры формирования прямых импульсов - Х01, С1, (Х03), S1, С2, Ь1, (ТИ) и инверсных импульсов - Х02, С3, "2 (Х03), S2, С4, Ь2, (ТИ) - функционируют соответственно структурам МПГ-1 (рис. 1, а) и МПГ-2 (рис. 2, а), включая обмотку (ТИ). Описание схемы дано в [13]. МПГ-7 свойственна также универсальность в формировании выходных импульсов, рассмотренная для МПГ-5 и 6, высокая надежность и преимущества перед МПГ, в котором однополяр-ные импульсы формируются на высокой стороне с помощью ЮВТ-транзисторов [10].
8. Магнитно-полупроводниковый генератор раз-нополярных импульсов (МПГ-8). Схема МПГ-8 представлена на рис. 8. На месте дросселя Ь4 схемы рис. 8 в МПГ-5 и МПГ-6 установлены соответственно дроссельный и трансформаторный узлы однополяризации разнополярных импульсов. Сравнительные экспериментальные испытания МПГ-5, МПГ-6 с МПГ-8 показали, что потребляемая мощность от сети МПГ-5 и 6 (Р5С6) и МПГ-8 (Р/) находится в соотношении Р5С6«1,03.Р8С. То есть на однополяризацию импульсов расходуется дополнительно всего ^3,0 % мощности. Функционирование схемы части О МПГ-8 соответствует схеме МПГ-5, а далее - схеме МПГ-1, но для разнопо-лярных импульсов. Потенциально МПГ-8 является наиболее простым, его все индуктивные элементы работают при симметричной петле гистерезиса, что вместе улучшает его массогабаритные и надежностные показатели. Предполагается, что главное преимущество разнополярных МПГ заключается в повышении ресурса работы ГРТ и других нагрузок, если их выполнить разнополярными.
Рис. 7. Схема МПГ-7: Е - источник АС питания; Ц01, Ц02, ¿03 -линейные дроссели; 5, 52 - ключи; Ц, 12 - согласующие дроссели; ТИ - импульсны1й трансформатор, в, 1Н - часть МПГ-1, рис. 2 (а) и его нагрузки
X
Рис. 8. Схема МПГ-8: в - часть МПГ-5до конденсатора С3; Ц, Ц иЦ - переключающие и согласующий дроссели; С3-С5, С0 - накопительные и обостряющий конденсаторы/; 1Н - комплексная нагрузка
9. Магнитно-полупроводниковый генератор пар-но-разнополярных импульсов (МПГ-9). Схема МПГ-9 представлена на рис. 9.
Фазировка тока 1П и индуктивность дросселей L4, L5 определены так, что при импульсе тока Р (или р) с длительностью т3 дроссели L4, L3 не достигают режима насыщения, конденсатор С3 передает заданную энергию в конденсаторы С4, С5. По завершению импульса тока г3" (г3") дроссель L4 насыщается, а дроссель L5 (L4) на время т3+т4 (т3+т5) остается в режиме намагничивания. При разряде конденсатора С4 (С5) через насыщенный дроссель L4 формируется положительный импульс тока г4 (г'5") на нагрузке По окончании импульса тока г5 (г'5) насыщается дроссель L5 (L4) и при разряде конденсатора С5 (С4) через насыщенный дроссель L5 (L4) на нагрузке Ян формируется отрицательный импульс тока г3 (г3). МпН-9 обладает всеми особенностями и преимуществами, что и МПГ-5, если имеется необходимость в парно-
разнополярных импульсах (ПРИ). К настоящему времени прорабатывается применение ПРИ для возбуждения ЛПМ. Причем при создании асимметрии между токами г" и г", так как установлено, что мощность излучения ГРТ возрастает, если фронт импульсов начинается в предимпульсной его отрицательной части (рис. 2, в).
В заключение по оригинальным двухтактным однополярным схемам МПГ-5-МПГ-7 можно отметить, что они обладают рядом отмеченных положительных свойств. То же относится в определенной мере к МПГ-4, МПГ-9. Этих свойств нельзя достичь в однотактных МПГ. Схемные решения этих МПГ и в большей степени их расширенные варианты содержат, по нашему убеждению, соответствующую в перспективе востребованность для импульсных лазеров, электротехнологий и других традиционных и нетрадиционных применений.
Выводы
Улучшение основных показателей МПГ дополнительно достигается путем использования в структурах МПГ разнофункциональных УМК: зарядно-стабилизирующих; перезарядных; формирующих в низковольтной или высоковольтной части МПГ двухтактные однополярные импульсы из разнополярных (дроссельного и трансформаторного типа), которые также расширяют функциональные возможности МПГ. К ним относятся: управление амплитудой импульсов, потактовые их корректировка и асимметрирование; изменение полярности импульсов, создание пакетов импульсов и др.
В дополнение к [3] предлагается классификация на примере рассмотренных МПГ.
По вырабатываемым импульсам: однотактные однополярные (МПГ-1-МПГ-4); двухтактные од-нополярные (МПГ-5-МПГ-7); разнополярные (МПГ-8), парно-разнополярные (МПГ-9).
По соотношению зарядных и формируемых импульсов: прямых (МПГ-1,5,6,8,9), инверсных (МПГ-2, 3), прямых и инверсных (МПГ-7), перезарядно-инверсных (МПГ-4) и перезарядно-прямых импульсов.
Рис. 9. Схема МПГ-9 (а): в - часть МПГ-5до конденсатора С3, рис. 7 (а); Ц...Ц - переключающие дроссели; С3...С5 - накопительные конденсаторыI; НН - нагрузка. (б, в) - эпюры/ импульсов тока 3, ц, /5 соответственно в элементах Ц-Ц
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гарбер И.С. Магнитные импульсные модуляторы. - М.: Советское радио, 1964. - 159 с.
2. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. - М.: Советское радио, 1968. - 475 с.
3. Dai Yuhang. Pulsed Power Supply Employing Magnetic Pulse Compression Technology // Proc. PEMC'98. - Prague, Czech Republic, 1998. - V. 2. - P. 2-185-2-188.
4. Важдаев В.А., Катаев И.Г. Магнитополупроводниковый формирователь импульсов с управляемым узлом сжатия // Приборы и техника эксперимента. - 1992. - № 6. - С. 128-134.
5. Nakhe S.V., Rajanikanth B.S., Bratnager R. Energy disposition studies in a copper vapour laser under different pulse excitation schemes // Measurement Science and Technology. - 2003. - № 14. - P. 608.
6. Магштно-нашвпровщниковий генератор однополярних нано-секундних iмпульсiв: пат. № 40523 Украина МПК Н03К 7/00; заявл. 28.11.2008; опубл. 10.04.2009, Бюл. № 7.
7. Одноключовий магнггно-нашвпровщниковий генератор однополярних шверсних iмпульсiв: пат. № 44910 Украина. Заявл. 12.01.2009; опубл. 25.06.2009, Бюл. № 12.
8. Двоключовий магштно-нашвпровщниковий генератор однополярних шверсних iмпульсiв: пат. № 41501 Украина. Заявл. 18.12.2008; опубл. 25.05.2009, Бюл. № 10.
9. Волков И.В., Зозулев В.И., Шолох Д.А. Магнитно-полупроводниковые генераторы с разнофункциональными узлами магнитной компрессии импульсов. // Препринт 1н-ту електро-динамки НАН Укра'ши: Зб. наук. пр. - Кйв: 1ЕД НАНУ, 2010. - Вип. 26. - С. 79-89.
10. Магштно-нашвпровщниковий генератор з дросельним вузлом формування двотактних однополярних iмпульсiв: пат. № 51753 Украина. Заявл. 01.03.2010; опубл. 26.07.2010, Бюл. №14.
11. Магштний вузол формування двотактних однополярних ш-пульив: пат. № 6627A, Украина, МПК. Заявл. 18.09.2003; опубл. 15.04.2004, Бюл. № 4.
12. Малашин М.В., Мошкунов С.И., Хомич В.Ю. Система накачки лазера на парах меди на основе составного твердотельного коммутатора // Лазеры на парах металлов: Тез. докл. Симпозиума (ЛПМ-2010). - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2010. -С. 64.
13. Магштно-нашвпровщниковий генератор двотактних однополярних iмпульсiв: пат. № 46235 Украина. Заявл. 17.03.2009; опубл. 10.12.2009, Бюл. № 23.
Поступила 01.09.2010г.
УДК 621.791
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВАРКИ В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ ДУГИ
А.Ф. Князьков, О.С. Бирюкова
Томский политехнический университет E-mail: bos1983@tpu.ru; kaf@tpu.ru
Рассмотрен процесс формирования импульсов сварочного тока, обеспечивающих устойчивое горение дуги в динамическом режиме. Разработано устройство с формирующим элементом, выполненным на базе искусственной формирующей линии. Проведены исследования при сварке неплавящимся электродом в среде аргона. Показаны преимущества сварного соединения при сварке дугой, горящей вдинамическом режиме.
Ключевые слова:
Сварочная дуга, динамический режим горения, искусственная формирующая линия. Key words:
Dynamic mode of burning, welding arc, artificial forming line.
Перспективным направлением совершенствования сварочных систем питания является создание устройства, обеспечивающего концентрированный ввод тепловой энергии в свариваемое изделие за счет импульсного питания дуги. Выделяют динамический режим горения дуги между неплавя-щимся электродом и изделием с гарантированным качеством сварного шва во всех пространственных положениях. Динамический режим горения дуги достигается при длительности импульсов менее 450...500 мкс [1] вследствие отставания перехода дуги к статическому состоянию из-за быстрого изменения значения тока и напряжения. Быстрое изменение тока приводит к возникновению динамических «всплесков» напряжения [3]. Существование «всплесков» объясняется несоответствием термической эмиссии электронов с катода текущему
значению тока вследствие тепловой инерции. Недостаток термической эмиссии восполняется автоэлектронной эмиссией, что обеспечивает рост напряжения дуги. При этом наблюдается контраги-рование столба дуги и уменьшение размеров анодного пятна на изделии, что увеличивает глубину проплавления [1].
Одним из вариантов устройства для импульсного питания сварочной дуги является применение искусственной формирующей линии (ИФЛ), состоящей из ЬС ячеек [4].
На рис. 1 представлена схема устройства для формирования импульсов сварочного тока. Устройство состоит из трехфазного выпрямителя В, обладающего жесткой внешней вольтамперной характеристикой и регулируемым напряжением холостого хода. К выходным клеммам для умень-
