Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
3 Лабораторная работа. Исследование характеристик электрических дуг
Цель работы: Ознакомиться с основами теория и основами закономерностями электрических дуг постоянного и переменного тока. Научиться снимать основные характеристики, обрабатывать экспериментальные результаты.
3.1 Краткие теоретические сведения
Электродуговым разрядом называется явления прохождения тока через газ или вакуум, характеризующийся высокими плотностями тока в столбе разряда, высокой температурой газа в межэлектродной промежутке и невысокими приэлектродными падениями потенциала.
В электрической дуге постоянного тока различают три область: анодную, катодную и положительный столб дуги.
Рассмотрим краткие характеристики отдельных областей электрической дуги.
Положительный столб. Одной из характеристик протекающих в дуговом столбе физических процессов является напряженность электрического поля столба дуги Е, В/см. Величина напряженности электрического поля в дуге в зависимости от условий ее горения величины тока, материала электродов колеблется в очень широких пределах от единиц до сотен вольт на сантиметр.
Вследствие его, что подвижность электронов во много раз больше подвижности ионов, плотность тока в первом приближенно можно записать следующим образом:
I - катодная область дуги; II - положительный столб;
III - анодная область дуги.
Рисунок 3.1
Подводимая к дуговому столбу энергия рассеивается за отчет теплопроводности, конвекции, светового излучения.
Уравнения закона Ома дугового столба не является линейным, поскольку в сильной мере зависит от целого ряда обстоятельств, в том числе и от плотности тока j.
Вследствие этого вольтамперная характеристика дуги E=f(J) является нелинейной и зависит от тех же факторов, что и Е.
Катодная область дуги. Для существования дуги весьма важными являются процессы, происходящие на катоде, и в прикатодной области. Катодное падение напряжения зависит от природы и состояния газа, а так же от материала электрода. Падения напряжения для различных материалов при атмосферном давлении и при условии, что окружающая среда воздух:
Fe – 12+17 В, Уголь – 9+11В при Ig =2+20А;
Al – 8+14,5 В Уголь – 6+8В при Ig=700+1200А.
Протяженность катодной области сравнима с несколькими длинами свободных пробегов ионов.
Анодная область дуги. Анодное падение напряжения возникает как следствие образования у анода отрицательного пространственного заряда за счет недостатка положительных ионов. Экспериментальные исследование анодного падения дают следующие данные: пространственная протяженность соизмерима с длиной свободного пробега электрона. Величина его для различных материалов:
Fe – 4+10В Уголь – 11+12В при Ig =2+20А;
Al – 10+11В Уголь – 2-4В при Ig =700+1200А.
Окружающая среда – воздух, давление – атмосферное.
3.1.1 Характеристики дуги постоянного тока
Электрическую дугу называют стационарной, если все характеризующее ее параметры в течение всего периода наблюдения остаются неизменными. В реальных условиях стационарную дугу наблюдать удается редко. Считают дугу стационарной, если, отклонение всех ее характерных параметров от своих средних значений находятся в достаточно узких пределах, в течение всего времени наблюдения.
Зависимость между двумя или несколькими параметрами, характеризующими дугу в стационарных режимах, называют статической характеристикой дуги. С точки зрения выбора электрооборудования для питания дуги и технологического применения дуги наиболее интересными являются следующие параметры: токIд, напряжения Uд, катодное и анодное падение потенциала Uа и Uк; напряжения и градиент столба дуги Uс,Eс; мощность дуги Pд, удельная мощность на единицу длины дуги dPд/dlд, длина дуги lд.
Устанавливаемая связь между отмеченными выше параметрами, можно получать обширную группу статических характеристик. Наибольший интерес представляют зависимости напряжения и мощности от тока и длины дуги.
Зависимости напряжения и мощности от тока используется для подбора параметров источника электропитания и балластного сопротивления, при выборе рационального режима работы установки.
Зависимости напряжения и мощности от длины дуги используется для расчетов и конструирования механизмов перемещения электронов и автоматических регуляторов электрического режима.
Характеристики дуги являются сложными функциями очень многих параметров. Они зависят от физической природы материала электродов и газа заполняющего разрядный промежуток, силы тока, наличия и величины внешних электрических и магнитных полей закона теплообмена между дугой и внешней средой и многих других факторов.
АВ – автоматический выключатель; П – переключатель; РНО – регулятор напряжения однофазный; В – выпрямитель; С – емкость, оглаживающая пульсации выпрямленного напряжения; Vист, V1 – вольтметры, измеряющие напряжения источника питания; Vд, V2 – вольтметры, измеряющие напряжение дуги; RL – индуктивное сопротивление; А – амперметр; W – ваттметр; Д – диафрагма; Э – экран.
Рисунок 3.2
Поэтому зависимости, связывающие два или три параметра, справедливы лишь в узких пределах изменения этих величины.
3.1.2 Условия существования стационарной электрической дуги
Дуга постоянного тока, имеющая падающую вольтамперную характеристику, может гореть устойчиво только, если в цепь последовательно с ней добавочное сопротивление (см.рисунок 3.2). Тогда напряжение источника является суммой падения напряжения на этом сопротивлении и дуге:
.
Стационарная дуга описывается уравнением:
Прямая () пересекает характеристику дуги в точках А и В (см.рисунок 3.3), которым соответствует токи IA и Ia. Дуга может гореть устойчиво только при токе Iв. Точка А соответствует неустойчивому режиму дуги.
При увеличении тока (I>Iв) противо-э.д.с будет отрицательна и – тоже отрицательно, т.е. ток начнет уменьшаться до первоначального значения Iв. Если ток станет меньше, чем Iв, то положительна и ток вновь увеличится на значения Iв т.е. точка В соответствует устойчивому горению дуги.
В точке А случайному увеличению тока соответствует положительное значение противо-э.д.с. Следовательно, ток будет и дальше возрастать до значения Iв, при котором наступит устойчивое состояние. Если же ток станет меньше IА, то противо-э.д.с. примет отрицательное значение и ток уменьшится до нуля – дуга погаснет.
При изменении сопротивление R прямая будет вращаться вокруг точки С – при увеличении сопротивления по часовой стрелке и при уменьшении сопротивления против часовой стрелки. При этом точка В будет перемещаться влево или вправо на характеристику дуги. Следовательно, изменяя сопротивление Rможно изменять и устойчивое значение тока дуги. Когда прямая будет касательной к вольтамперной характеристике дуги (точка В), произойдет гашение дуги (Uд0).
Если изменяется напряжение источника (рисунок 3.4), то прямая при неизменном Rперемещается параллельно самой себе и можно изменять ток устойчивого горения дуги. Наконец, изменение длины дуги вызывает переход на другую ее характеристику, расположенную выше или ниже прежней. При этом ток дуги изменяется в значительных пределах и для восстановления его первоначального значения необходимо изменить либо напряжение источника, либо сопротивление.
3.1.2 Особенности дуги переменного тока
По сравнению с дугой постоянного тока дуга переменного тока имеет ряд особенностей. В частности ток дуги дважды за период проходит через нуль. При этом, если электрическая дуга питается от синусоидального источника напряжения, форма кривой тока искажается, и возможно появление пауз.
Для облегчения зажигания дуги необходимо существовать сдвиг фазы между током и напряжением в цепи дуги, чтобы изменение направления тока происходило при высоком действующем значении напряжения.
Общепринятым способом повышения стабильности дуги переменного тока является включение в цепь последовательно с дугой индуктивного сопротивления – катушек со стальным сердечником (дросселей). В этом случае между напряжением и током дуги создается сдвиг по фазе.
Угол сдвига фаз должен быть таким, чтобы в момент нарастания тока в новом полупериоде напряжение источника было достаточным для зажигания дуги.
Включение в цепь переменного тока дросселей используется также для регулирования тока изменением величины индуктивного сопротивления. Индуктивное сопротивление в цепи переменного тока:
где f – частота источника питания;
L – индуктивность катушки.
Следовательно, для создания падающей характеристики источника питания путем изменения XLнеобходимо либо повышение частоты тока, либо введения индуктивности. Последняя является наиболее целесообразным.
Для однофазной цепи (см.рисунок 3.5) содержащей постоянные пассивные элементы: активное сопротивление Rk, индуктивность Lk, получающей электропитание от синусоидального источника напряжения при включении в цепь дуга с идеализированной характеристикой (т.е. величина напряжения дуги не зависит от величины тока; по направлению же напряжение совпадает током).
.
При отсутствии тока в цепи напряжение дуги равно нулю. Появление непрерывного или прерывного режима протекания тока и продолжительность паузы тока зависит от двух безразмерных параметров:
3.2 Описание лабораторной установки
Установка питается от сети переменного тока 220 В. Электрическая схема установки приведена на рисунке 3.2 с помощью автотрансформатора – АТ можно изменять напряжение от 0 до 200 В, номинальный ток автотрансформаторов равен 40 А. Последовательно с дугой включено активное сопротивление R и индуктивная катушка L. Величину активного и индуктивного сопротивления можно изменит путем переключения соответствующих отводов.
Электрическая дуга возбуждается между угольными электродами 15 мм внутри металлического корпуса.
Привод перемещения электродов ручной, вольтметры V1 и V2, измеряющие напряжения источника и дуги, и обмотка напряжения ваттметра включена непосредственно в цепь. Амперметр и токовая обмотка ваттметра включена через трансформатор тока с коэффициентом трансформации ктр=50/5.
|
I |
17 |
15 |
10 |
|
U |
125 |
130 |
130 |
Рисунок 4.1 – Вольт-амперная характеристика
|
I |
14 |
16 |
17 |
|
U |
125 |
110 |
110 |
Рисунок 4.2 – Вольт-амперная характеристика
|
I |
15 |
10 |
16 |
|
U |
130 |
130 |
130 |
Рисунок 4.3 – Вольт-амперная характеристика при индуктивном сопротивлении
3.5 Контрольные вопросы
3.5.1 Формы электрических разрядов в газе.
3.5.2 Дуговой электрический разряд. Его свойства.
3.5.3 Характеристики катодной, анодной областей и столба электрической дуги постоянного тока.
3.5.4 Статические вольтамперные характеристики дугового разряда постоянного тока.
3.5.5 Условия устойчивого горения электрической дуги.
3.5.6 Способы стабилизации опорного пятна.
3.5.7 Особенности горения дуги переменного тока (по осциллограмму)
3.5.8 Способы повышения устойчивости горения дуги переменного тока.
3.5.9 Способы регулирования тока дуги переменного тока.