Структура и свойства электрической дуги постоянного тока.

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Эл. дуга явл. одним из явлений, возникающих при прохождении Эл. тока ч/з газ, пары или вакуум. Электрический дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока в канале разряда (порядка 10³÷10⁶А\см²), высокой температурой плазмы, достигающей (4,5÷15)∙10³К и выше. В структуре дуги различаются прилегающие к электродам области катодного и анодного падения потенциала протяженностью несколько пробегов электрона, оставляющие на электродах следы, называемые электродными пятнами. Между ними располагается столб электрической дуги, который может иметь различную форму и длину от нескольких миллиметров, как при электрической сварке металлов, нескольких сантиметров, как в дуговых печах, до 6 ÷ 9 метров, как в мощных дуговых генераторах плазмы. Выделяющаяся на катоде и аноде мощность в основном определяется током дуги и достигает такой величины, когда ни один из известных материалов не может выдерживать её дольше нескольких минут и разрушается в режиме плавления или испарения. Это свойство дуги используется при плавке и сварке металлов, нанесении наметал защитных покрытий. Столб дуги имеет специфическую вольт – амперную характеристику (ВАХ), отличающуюся от ВАХ металлического проводника. ВАХ дуги – зависимость тока от напряжения, имеет падающую, горизонтальную и восходящую участки. Каждому участку соответствует определенный уровень достигаемых температур: на падающее– (4,5÷7,0)10³К, на горизонтальном–(8÷12)10³К, на восходящем – (15 ÷55)10³К. ВАХ дуги зависит от состава плазмообразующих газов и возрастает при переходе от аргона к воздуху, азоту водороду. Она также возрастает при повышении скорости обдува газами, окружающего давления и при наличии внешнего магнитного поля. При воздействии на эти факторы достигаются широчайшие возможности регулирования параметров дуги и технологических процессов Устойчивое горение дуги при плавке или сварке металлов обеспечивается специальными источниками тока, имеющими нагрузочную характеристику, согласованную с ВАХ дуги. В технологических дуговых разрядах реализуется мощность от 1кВт (сварка) до 50000кВт (дуговые печи и генераторы плазмы). Падение напр-ия м/у электродами: Uд=Ua+Uk+EL, где Ua и Uk- анодное и катодное падение потенциала, Е-напр-сть Эл. поля, L-длина дуги. Энергия дуги (внешнего источника теплоты) обусловлена мощностью, выделяющ. на приэлектродных областях: Qa=Iд(Ua+ф), Qк=Iд(Uк-ф), где Iд-ток дуги, Ua и Uk- анодное и катодное падение потенциала, ф-работа выхода электрона.

16.Что такое электролиз, в чем сущность закона Фарадея.Электрохимия изучает поведение ионов в растворах и явления на границе м/у твердым телом и раствором. Она основана на применении электролитов. Явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, а также процессы окисления или восста­новления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов, называются электроли­зом. В промышленности электролиз применяется в основном для анодного растворения металла и его катодного осаждения из рас­творов и расплавов.Вещества, у которых нормальный потенциал больше —1 по от­ношению к потенциалу нормального водородного электрода, по­лучают путем электролиза растворов (медь, цинк). Металлы с нормальным потенциалом меньше —1 получить таким способом не удается. Поэтому при их производстве применяют электролиз рас­плавов солей этих металлов (литий, калий, алюминий, магний). Количество вещества g, выделившееся на электроде при про­хождении электрического тока через раствор электролита, опреде­ляется законом Фарадея:

g = ,где а—электрохимический эквивалент, г/Кл; I — ток, А; t—вре­мя прохождения тока, с. Электрохимический эквивалент а — количество вещества, вы­делившееся из электролита при прохождении одного кулона элек­тричества. Численно он равен отношению химического эквивален­та вещества к числу Фарадея. Число Фарадея (Fф) — количество электричества, требующееся для выделения одного грамм-эквива­лента вещества [Fф=96 485 Кл/(г*экв)].

12.Виды технологических приемов при дуговой сварке металлов и применяемое оборудование. Сварка в камерах с контролируемой атмосферой применяется для соединения легкоокисляющихся металлов и их сплавов. В ка­мере можно создать атмосферу из инертных газов, что обеспечит высокое качество сварного соединения.Сварка трехфазной дугой применяется при ручном и механизи­рованном способах сварки. Сущность этого способа состоит в том, что к двум электродам, закрепленным в специальном устройстве, и к свариваемому изделию подводится переменный ток от трех­фазного источника питания. После возбуждения горит не одна дуга, как обычно, а одновременно три дуги: между каждым из электро­дов и изделием и дуга между обоими электродами. Эта дуга по отношению к свариваемому изделию является независимой и обеспечивает расплавление электродов.Сварка трехфазной дугой характеризуется высокой стабильно­стью процесса, так как дуговой промежуток всегда поддерживается в ионизированном состоянии.

При сварке неплавящимся электродом дуга горит между вольфрамовым электродом и изделием. Электрод проходит через насадок, по которому в зону сварки подается аргон. Поэтому такая сварка называется аргоновой. Диаметр вольфрамового электрода составляет 1—4 мм. Аргоновая сварка металлов толщиной 3 мм и больше успешно выполняется плавящимся электродом на авто­матах и полуавтоматах. Этот вид сварки отличается высокой производительностью, превышающей производительность сварки вольфрамовым электродом, и пригоден для сварки всех металлов, в том числе всевозможных легированных сталей, меди, никеля и их сплавов, титана, алюминия, алюминиевых и магниевых сплавов, которые свариваются без применения флюсов. Важным преиму­ществом такой сварки является то, что в процессе работы сварщик может видеть место сварки и регулировать процесс. Газоэлектрической сваркой может быть назван способ, при ко­тором теплота для плавления металла получается не только за счет дугового разряда, но и за счет химических реакций, присходящих в газовой фазе.Дуговая сварка в углекислом газе выполняется как неплавя­щимся, так и плавящимся электродом на автоматах и полуавто­матах.

14.При каком напряжении и токе производится сварка металловПо сравнению с плазмой сварочной дуги при температуре (4,5-8) 10^3 К капля металла является холодной, однако вследствие высокой концентрации электронов имеет более высокую электро­проводность и шунтирует часть столба электрической дуги. Это определяет низкое значение линейного градиента потенциала столба дуги. Вследствие малой протяженности столба дуги (4—7 мм) и низкого значения линейного градиента потенциала между приэлектродными пятнами дуги реализуется напряжение 8—12 В.- Если учесть, что в структуру напряжения дуги входят компоненты анодного и катодного падений напряжения, значения которых зависят от тока дуги, материала электродов и изменяются в узких пределах (U_а = 2ч-12 В, (U_к = 8-14 В), то напряжение на сварочной дуге составляет 18—45 В. При некотором увеличении тока напряжение, необходимое для горения дуги, снижается и ВАХ дуги приобретает падающий характер.

В области больших токов ВАХ становится жесткой и слабо-возрастающей. Так как интенсивность плавления электрода и сва­риваемого металла определяется преимущественно мощностью, выделяющейся в опорных пятнах дуги на электродах, а столб дуги выполняет в основном технологические, а не энергетические функ­ции, то главным энергетическим показателем установок дуговой сварки является значение сварочного тока, а напряжение холостого хода источника питания является производным от напряжения на дуге, обеспечивающим ее устойчивое горение. Для падающего и жесткого участков ВАХ дуги напряжение холостого хода источ­ника питания должно быть U_х= (1,4-2,2) U_д при крутопадающей внешней характеристике. Это дает напряжение 55—80 В, что и обеспечивается источниками сварочного тока. Следует отметить, что напряжение источников питания дуговой сварки безопасно для человека; это обусловило широкое развитие ручной дуговой сварки. Особеноости дуги переменного тока: Отметим, что напря­жение зажигания при переходе тока через нуль зависит от ряда факторов, в первую очередь от силы тока. С увеличением тока напряжение зажигания дуги снижается. Зависимость между напря­жением зажигания и напряжением горения дуги для сварки от­крытой дугой имеет вид Uз= (1,3 — 2,5) U_д. При сварке на больших токах под флюсом напряжения зажигания дуги почти равно на­пряжению горения.

17.Структура напряжения на электролизной ванне.Явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит тока, а также процессы окисления или восста­новления на электродах, сопровождающиеся приобретением или потерей частицами вещества электронов, называются электроли­зом.Если в электролизн. ванне процесс происходит с поглощением Эл.энергии, ванна наз-тся электролизером. Принцип. схема показана на рис.

На аноде переход металла из металлического состояния (Ме°) в ионное происходит в результате от­дачи металлов электронов Ме°— —ne>-Ме^n+ (анодное растворение), где n — число единичных зарядов. На катоде ион приобретает электро­ны и переходит в металлическое сос­тояние Ме^n+ + ne>Ме0 (катодное осаждение).

Напряжение на электролизной ванне можно представить состоя­щим из трех составляющих: напря­жение электрохимического разложе­ния вещества, приэлектродные па­дения потенциала и падение напря­жения в электролите:

U=U1+Ua+Uk+ , где U1-напр-ие электрохим. разложения в-ва, Ua,Uk- анодное и катодное падение потенциала соотв-но, I-сила тока в ванне, l-расстояние м/у электродами, - проводимость электролита. Мощность, выделяющаяся в электролизной ванне: Р_э=1(U1+Ua+Uk+ ).                 

Только часть этой мощности (IU1) идет на электрохимическое разложение вещества, остальная же мощность расходуется па нагрев электролита и транспортировку ионов через раствор.

18.В чем отличия процессов получения меди и алюминия. Целью электролиза меди является снижение cодержания примесей в черновой меди, полученной плавкой в от­ражательных печах, извлечение находящихся в ней благородных и других ценных металлов и получение чистой электролитической меди. Процесс ведут в электролизных ваннах ящичного типа. В ван­не устанавливаются литые аноды черновой меди, между которыми подвешиваются тонкие пластины чистой меди (катоды). После этого в ванну подают электролит, который представляет собой водный раствор медного купороса, подкисленный серной кислотой для уменьшения сопротивления. При пропускании через ванну постоянного электрического тока происходит растворение черновой меди анодов и осаждение чистой меди на катодах. Благородные металлы и некоторые примеси в ви­де шлама выпадают в осадок, некоторые другие примеси (никель) переходят в раствор. Процесс электролиза начинается при напряжении на ванне 0,3—0,35 В. Плотность тока ограничивается условием получения мелкозернистого, плотного и гладкого осадка катодной меди. В за­висимости от состава черновой меди плотность тока колеблется в пределах 180—270 А/м². Фактический выход по току составляет 92—98 %. Удельный расход электроэнергии составляет 200— 379 кВт-ч/т чистовой меди.При нормальном потенциале выделения металла меньше —1 В осадить его на катоде методом электролиза раствора невозможно, так как на катоде будут выделяться в ос­новном водород и содержащиеся в электролите и аноде примеси. Так как нормальный потенциал алюминия —1,67 В, то его получа­ют путем электролиза расплавленных солей. В этом случае элект­ролитом является раствор оксида алюминия Аl2О₃ в расплавлен­ном криолите (Na₃AlF6).Поскольку фторидные расплавы являются сильно агрессивны­ми средами, электролиз алюминия ведут с расходуемым угольным электродом, а внутренние поверхности ванн футеруют угольными плитами и блоками. Электролизеры для электролиза Al объединяют в серию из 160—170 шт., причем 4—5 из них резервные. При электролизе расплавов ток через ванну достигает значе­ний более 100 кА, поэтому ванны включают в серии последова­тельно без предварительного объединения в блоки. При нормальной работе напряжение на ванне составляет 4,2— 4,5 В, что достигается поддержанием заданного состава электро­лита и режимных показателей. Производство алюминия является энергоемким. Фактический расход электроэнергии на производство алюминия составляет 14 000—16 000 кВт-ч/т. Выход металла на 1 кВт-ч составляет 60— 77 г, что типично для удельного расхода электроэнергии (16 000± + 500) кВт-ч на 1 т алюминия.

26.Физические основы нагрева проводящих материалов в переменном магнитном поле.Индукционный нагрев является результатом поглощения веществом энергии магнитного поля, преобразования её внутри вещества в энергию движущихся носителей зарядов, нагревающих вещество по закону Джоуля – Ленца. Индукционный нагрев обладает достоинствами – высокая скорость нагрева, пропорциональная вводимой мощности, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для расплавления металлов и получения плазмы. При индукционном нагреве отсутствует электрическая связь нагреваемого тела с источником электрической энергии. Для передачи энергии от источника питания в нагреваемое тело используется переменное магнитное поле, создаваемое индуктором в виде, например, катушки, состоящей из нескольких витков хорошего проводника, внутрь которой помещается нагреваемое тело. При подключении индуктора к источнику питания переменного тока протекающий по виткам индуктора ток производит магнитное поле, которое проникает в вещество и наводит в пересекаемом поле пространстве ЭДС, вызывающую возникновение электрического тока, нагревающего тело по закону Джоуля – Ленца. Индуктор по отношению к нагреваемому телу является первичной обмоткой трансформатора, в котором роль вторичной обмотки играет нагреваемое тело, создающее один короткозамкнутый виток. Переменный магнитный поток Φ, создаваемый индуктором и пропорциональный числу витков индуктора W и величине протекающего по нему тока I, создаёт в нагреваемом теле ЭДС                                       ,которая вызывает электрический ток, нагревающий тело по закону Джоуля – Ленца. Величины ЭДС и тока в нагреваемом теле измерять не представляется возможным, а из энергетического баланса известно, что выходящий из индуктора магнитный поток встречает на своём пути поверхность нагреваемого тела, в которой сразу же начинается выделение тепловой энергии. По мере продвижения магнитного потока в глубину тела в процесс проведения тока включаются более глубокие слои, а наведённый в теле ток создаёт встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего поля. Поэтому индукционный нагрев по своей природе является поверхностным, глубина проникновения поля и соответственно глубина прогрева уменьшаются при повышении частоты тока индуктора. Мощность, выделяющаяся в нагреваемом теле, определяется через значение мощности, выделяющейся в металлическом цилиндре на 1м его длины

kВт\ см²,

Здесь I_w – ток и число витков индуктора, μ и ρ – магнитная проницаемость и удельное сопротивление нагреваемого материала, ƒ – частота тока, F – коэффициент согласования размера и формы индуктора с нагреваемым телом

27. Как регулируется глубина прогрева металла при индукционном нагреве.При индукционном нагреве отсутствует электрическая связь нагреваемого тела с источником электрической энергии. Для передачи энергии от источника питания в нагреваемое тело используется переменное магнитное поле, создаваемое индуктором в виде, например, катушки, состоящей из нескольких витков хорошего проводника, внутрь которой помещается нагреваемое тело. При подключении индуктора к источнику питания переменного тока протекающий по виткам индуктора ток производит магнитное поле, которое проникает в вещество и наводит в пересекаемом поле пространстве ЭДС, вызывающую возникновение электрического тока, нагревающего тело по закону Джоуля – Ленца. Индуктор по отношению к нагреваемому телу является первичной обмоткой трансформатора, в котором роль вторичной обмотки играет нагреваемое тело, создающее один короткозамкнутый виток. Переменный магнитный поток Φ, создаваемый индуктором и пропорциональный числу витков индуктора W и величине протекающего по нему тока I, создаёт в нагреваемом теле ЭДС                                       ,которая вызывает электрический ток, нагревающий тело по закону Джоуля – Ленца. Величины ЭДС и тока в нагреваемом теле измерять не представляется возможным, а из энергетического баланса известно, что выходящий из индуктора магнитный поток встречает на своём пути поверхность нагреваемого тела, в которой сразу же начинается выделение тепловой энергии. По мере продвижения магнитного потока в глубину тела в процесс проведения тока включаются более глубокие слои, а наведённый в теле ток создаёт встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего поля. Поэтому индукционный нагрев по своей природе является поверхностным, глубина проникновения поля и соответственно глубина прогрева уменьшаются при повышении частоты тока индуктора. Мощность, выделяющаяся в нагреваемом теле, определяется через значение мощности, выделяющейся в металлическом цилиндре на 1м его длины

kВт\ cм², Здесь I_w – ток и число витков индуктора,      μ и ρ – магнитная проницаемость и удельное сопротивление нагреваемого материала, ƒ – частота тока, F – коэффициент согласования размера и формы индуктора с нагреваемым телом.

В слое нагреваемого металлического тела толщиной Δ выделяется 86,4% энергии, развиваемой индуктором

 .Отсюда следует, что глубина нагрева увеличивается с ростом удельного сопротивления и уменьшением магнитной проницаемости нагреваемого тела и частоты тока. Индукционный нагрев особенно эффективен при нагреве до точки Кюри ферромагнитных материалов, имеющих высокое удельное сопротивление магнитную проницаемость. При достижении точки Кюри (температура 973 - 1043ºС) магнитная проницаемость резко снижается до 1, интенсивность нагрева снижается с одновременным увеличением глубины нагрева. Частота тока, применяемая для нагрева тел различных размеров, находится в пределах от 50 Гц  до 10000Гц.

1-струя плазмы, 2-дуга, 3- катод, 4- разрезаемый металл, 5- источник питания, 6- сопротивление, ограничивающее ток дежурной дуги.

Схема резки металлов плазменной дугой.

Режущий плазмотрон с газовой стабилизацией дуги имеет стержневой вольфрамовый (или циркониевый) электрод 3, соосно расположенный в полости сопла 2. Стабилизирующий газ подается между ними и обеспечивает проникновение плазмы в глубину металла. При включении установки существует такая последовательность операций: включается подача воды, охлаж­дающей сопло и электрод, устанавливается необходимый расход газа; поджигается дежурная дуга, ток которой ограничивается сопротивлением 6, и возникает факел плазмы. При касании де­журным факелом кромки металла возникает цепь силовой плаз­менной дуги и начинается интенсивный процесс резки. При слу­чайных погасаниях режущей дуги дежурная дуга восстанавливает процесс. В состав электрооборудования плазменных технологических установок ( ПТУ), кроме собственно генератора плазмы, входят полупроводниковые источники питания, выпрямители, системы высоковольтного старта дугового разряда, автоматизированные систем подачи компонентов процесса, охлаждающей воды, измерения и анализа параметров процесса, вывода готового продукта. Плазменные установки обслуживаются компьютерными комплексами. Электроснабжение плазменных электротехнологических установок производится от специальных трансформаторных подстанций, входящих, как правило, в сферу деятельности персонала, работающего на ПТУ, что учитывается при их подготовке.

39.Схема источников питания установок индукционного нагрева на ср. и выс. частотах Широкое внедрение современной электротехнологии в

промышленность невозможно без создания специализированных источников

питания. Приспособление известных устройств преобразовательной техники

не позволяет реализовать все преимущества новых технологических

процессов, ограничивает их производительность. Только комплексное

решение вопросов разработки, технологической части и ИП с учётом их

взаимного влияния позволяет создавать ЭТУ повышенной

производительности, надёжности и с улучшенными технико-

экономическими показателями. Преобразователь повышенной частоты для электротехнологических установок состоит из двух основных узлов: выпрямителя и однофазного автономного инвертора. Промежуточное звено постоянного тока включает сглаживающий фильтр, который часто является элементом схемы инвертора. Различают преобразователи с явно выраженным и скрытым звеном постоянного тока. В первых, получивших преобладающее применение, одна группа вентилей используется только для выпрямления тока, а другая - только для инвертирования. При скрытом звене постоянного тока одни и те же вентили служат одновременно как для выпрямления, так и для инвертирования. Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) со скрытым звеном постоянного тока применяются значительно реже. Для питания индукционных установок для термобработки дёталей часто используют электромашинные преобразователи частоты – приводной двигатель синхронного или асинхронного типа и генератор средней частоты индукторного типа. Двигатели питаются от трехфазной сети с частотой 50 Гц, напряжением 380, 660, 3000, 6000 и 10000 В. Машинные преобразователи мощностью 12-500 кВт типов ВПЧ и ОПЧ выпускаются однокорпусными вертикального исполнения, а типов ОПЧ мощностью 1500 и 2500 кВт - двухкорпусными горизонтального исполнения. В отличие от машинных генераторов тиристорный преобразователь частоты имеет ряд преимуществ: значительно меньшую массу на единицу мощности, лучшую работоспособность при частичных и полных нагрузках; возможность плавного изменения частоты в зависимости от режима плавки или нагрева.

7.Особенности электрической дуги переменного тока. В отличие от дуги пост. тоа дуга перемен. тока имеет меняющиеся во времени ток и напр-ие: i=f(t), u=f(t). При этом дважды за период ток и напр-ие дугового разряда проходит ч/з нуль и меняют направление, соответственно меняется и полярность электродов. при этом каждый раз происходит погасание и вновь зажигание электродугового разряда. после угасания дуги м межэлектродном промежутке происходит два процесса6 деионизация промежутка (увеличение его д/э прочности) и нарастание потенциала на электродах. осциллограммы тока и напр-ия Эл.дуги в цепи с акт. сопр-ием показаны на рис.

При этом сила тока дуги iд и напр-ие источника питания uи совпадают по фазе. как следует из рис. дуга загорается при напр-ии u1 и гаснет при напр-ии u2. Темпир-ра в межэлектродном промежутке резко сниж-тся и происх. его доенизация.

 После измен-ия полярности электродов напр-ие м/у ними нач. увелич.: при напр-ии u1 и при условии, что оно больше, чем необходимое для преодоления д/э прочности остаточной плазмы, вновь возник. Эл.дуга, в кот. ток течет в обратном направлении. условие зажигания дуги можно выразить выражением : dE/dt<<dU/dt, где dE/dt – скорость нарастания д/э прочности газа, dU/dt – скорость нарастания напряженности Эл.поля м/у электродами. Поскольку дуга дважды за период гаснет и загорается, кривая напряжения имеет пики зажигания и угасания. После зажигания дуги происходит снижение напряжения на ней, поскольку имеет место дальнейшее увеличение тока (по синусоиде) и, следова­тельно, повышение температуры (падающая вольт-амперная харак­теристика). После прохождения тока через максимум напряжение на дуге остается практически постоянным и повышается при сни­жении тока перед погасанием дуги. Дуга может существовать с паузой тока и без паузы в момент перехода тока через нулевое значение. Продолжительность паузы опред. соотношением процессов нарастания д/э прочности дугового промежутка и напряженности Эл. поля м/у электродами, а также темп-ры электродов, обеспечивающих эмиссию электронов.Для облегчения зажигания и непрерывного горения дуги в цепь последовательно с ней включают индуктивность. Если дуга горит между разнотипными электродами, имеющи­ми разную температуру и эмиссионные свойства, в токе дуги появ-ляется_выпрямительнын эффект. Дуга переменного тока в отличие от дуги постоянного тока име­ет динамическую вольт-амперную характеристику, которая может быть построена по осциллограммам напряжения и тока (рис.5.13).Она представляет собой изменение напряжения дуги в зависи­мости от силы тока в течение полного периода изменения  тока. ВА динамич/ хар-ка в сильной мере зависит от значения di/dt, а также от частоты переменного тока. Если состояние дуги во время изменения силы тока не меняется, то leuf ведет себя как проводник с омическим сопротивлением и ей соответствует безгистерезиспая характеристика (рис. 5.13,6).

Познавательные статьи:



Техника нижней прямой подачи мяча

Комплекс физических упражнений для развития мышц плечевого пояса

Стандарт Порядок надевания противочумного костюма

Общеразвивающие упражнения без предметов