Меню

Что такое постоянная составляющая дуги переменного тока

Лекция 5 Устойчивость процесса электродуговой сварки

План лекции. Способы зажигания дугового разряда. Факторы, влияющие на устойчивость горения дуги. Особенности дуги переменного тока. Вентильный эффект и постоянная составляющая тока. Дуга постоянного тока, саморегулирование дуги. Сварочные дуги с неплавящимся электродом.

Устойчивость сварочной дуги определяется соотношением между током и напряжением. Графическое изображение этой зависимости (Рис.5.1) при постоянной длине дуги называется статической вольт-амперной характеристикой дуги.

Рисунок 5.1 Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ).

На графике отчетливо видны три основных участка: увеличение тока на участке I сопровождается понижением напряжения на дуге; на участке II напряжение на дуге изменяется мало; на участке III напряжение возрастает. Режимы горения сварочной дуги, соответствующие первому участку, неустойчивы при напряжениях существующих источников питания. Практически сварочная дуга будет устойчивой на втором и третьем участках ВАХ. С увеличением или уменьшением длины дуги характеристики сместятся соответственно в положение 2 и 3 (Рис. 5.1). Для электродов меньшего диаметра характеристики смещаются влево, большего диаметра — вправо.

Показанная на рис. 5.1 вольт-амперная характеристика дуги снята при постоянной длине сварочной дуги. При сварке плавящимся электродом непрерывно меняется длина дугового промежутка. В этих случаях следует пользоваться характеристиками, определяющими зависимость между напряжением и током дуги при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 5.2, кривые 1 и 2). Каждой скорости подачи соответствует определенный диапазон токов, при котором устойчиво горит сварочная дуга и плавится электрод. В этом случае при малых изменениях тока напряжение изменяется в больших пределах.

Рисунок 5.2 ВАХ дуги 1,2 при постоянной скорости подачи проволоки (характеристика устойчивой работы) и внешние характеристики источников питания 3, 4 и 5

Эту зависимость называется характеристикой устойчивой работы. Она так же, как и вольт-амперная характеристика, зависит от длины вылета электрода и скорости подачи.

Эти закономерности справедливы для постоянного и переменного тока, так как род тока не влияет на форму вольт-амперных характеристик электрической дуги. На форму характеристики влияют геометрия и материал электродов, условия охлаждения столба дуги и характер среды, в которой происходит разряд.

Устойчивость сварочной дуги и режима сварки зависят от условий существования дугового разряда и свойств, параметров источников питания и электрической цепи. Внешней характеристикой источника питания (кривая 3 на рис. 5.2) называется зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки.

Различаются следующие внешние характеристики источников питания (рис. 5.3): падающая 1, полого-падающая 6, жесткая 5, возрастающая 3 и вертикальная 2. Источник питания с той или иной внешней характеристикой выбирается в зависимости от способа сварки. Регулировочное устройство каждого источника дает ряд внешних характеристик («семейство характеристик»). Установившийся режим работы системы: «сварочная дуга — источник питания» определяется точкой пересечения А внешней характеристики источника питания (1, 2, 3, 5 или 6) и вольт-амперной характеристики 7 сварочной дуги.

Процесс сварки будет устойчив, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных значениях напряжения и тока. Как видно из рис. 4, в точках А и В пересечения внешних характеристик дуги 7 и источника питания будет иметь место равновесие по току и напряжению. Если по какой-либо причине ток в сварочной дуге, соответствующий точке А, уменьшится, напряжение ее окажется меньше установившейся величины напряжения источника питания; это приведет к увеличению

тока, т. е. к возврату в точку А.

Рисунок 5.3 Внешние характеристики источников питания 1, 2, 3, 5, 6

и вольт-амперные характеристики сварочной дуги 4, 7.

Наоборот, при случайном увеличении тока установившиеся напряжения источника питания оказываются меньше напряжения дуги; это приведет к уменьшению тока и, следовательно, к восстановлению режима горения сварочной дуги. Из аналогичных рассуждений ясно, что в точке Б сварочная дуга горит неустойчиво. Всякие случайные изменения тока развиваются до тех пор, пока он не достигнет величины, соответствующей точке устойчивого равновесия А или до обрыва дуги. При пологопадающей внешней характеристике (кривая 6) устойчивое горение дуги будет также происходить в точке А.

Саморегулирование сварочной дуги. При автоматической или полуавтоматической сварке плавящимся электродом скорость подачи его (va) равна скорости плавления. При случайном уменьшении дугового промежутка (кривая 4 на рис. 5.3) ток увеличивается и проволока начнет плавиться быстрее. В итоге дуговой промежуток постепенно увеличится и сварочная дуга достигнет первоначальной длины. То же произойдет при случайном удлинении дуги. Это явление называется саморегулированием сварочной дуги, так как восстановление исходного режима происходит без воздействия какого-либо регулятора. Саморегулирование происходит тем активнее, чем положе внешняя характеристика источника питания и больше скорость подачи электрода. Поэтому для механизированной сварки плавящимся электродом следует выбирать источники питания с пологопадающими внешними характеристиками. При сварке на постоянном токе в защитных газах, когда статическая характеристика сварочной дуги приобретает возрастающую форму, для систем саморегулирования рационально применять источники с жесткой характеристикой. Однако их напряжение холостого хода невелико и может быть даже меньше рабочего напряжения дуги, что затрудняет ее первоначальное возбуждение. В этих случаях желательно применение источников питания, у которых внешняя характеристика в рабочей части жесткая или пологовозрастающая вольт-амперная характеристика, а напряжение холостого хода несколько повышенное, как это показано пунктиром на рис. 5.3.

Сварочная дуга переменного тока требует от источников питания надёжного повторного возбуждения сварочной дуги. Это достигается правильным выбором соотношений между напряжениями холостого хода, зажигания и горения дуги и параметрами сварочной цепи. Наиболее простой способ получения устойчивой сварочной дуги — включение в сварочную цепь реактивного сопротивления. Благодаря этому, в момент повторного возбуждения дуги напряжение на дуге может резко увеличиться (Рис. 8.4) до значения напряжения зажигания (U3).

Рисунок 5.4 Осциллограмма тока и напряжения дуги при сварке переменным током.

Пунктирная кривая Uxx изображает напряжение источника питания при холостом ходе. При нагрузке, в связи с наличием реактивного сопротивления, сварочный ток отстает по времени от напряжения.

При обрыве дуги напряжение на дуговом промежутке должно подняться до величины, соответствующей мгновенному значению напряжения холостого хода источника питания. Благодаря отставанию тока от напряжения, такое напряжение оказывается достаточным для повторного возбуждения сварочной дуги (Un).

Источник

Явление электрической дуги

Электрическая дуга представляет собой электрический разряд в среде (воздух, вакуум, элегаз, трансформаторное масло) с большим током, низким напряжением, высокой температурой. Это явление как электрическое, так и тепловое.

Может возникать между двумя контактами при их размыкании.

Обратимся к ВАХ-диаграмме:

переход от тлеющего заряда к дуговому

На данном графике у нас зависимость тока от напряжения, немного не в масштабе, но так нагляднее. Значит, есть три области:

  • в первой области у нас высокое падение напряжения у катода и малые токи — это область тлеющего разряда
  • во второй области у нас падение напряжения резко снижается, а ток продолжает увеличиваться — это переходная область между тлеющим и дуговым разрядом
  • третья область характеризует дуговой разряд — малое падение напряжения и высокая плотность тока и следовательно высокая температура.

Механизм возникновения дуги может быть следующий: контакты размыкаются и между ними возникает разряд. В процессе размыкания воздух между контактами ионизируется, обретая свойства проводника, затем возникает дуга. Зажигание дуги — это процессы ионизации воздушного промежутка, гашение дуги — явления деионизации воздушного промежутка.

Явления ионизации и деионизации

В начале горения дуги преобладают процессы ионизации, когда дуга устойчива, то процессы ионизации и деионизации происходят одинаково часто, как-только процессы деионизации начинают преобладать над процессами ионизации — дуга гаснет.

  • термоэлектронная эмиссия — электроны отрываются от раскаленной поверхности катодного пятна;
  • автоэлектронная эмиссия — электроны вырываются с поверхности из-за высокой напряженности электрического поля.
  • ионизация толчком — электрон вылетает с достаточной скоростью и в пути сталкивается с нейтральной частицей, в результате образуется электрон и ион.
  • термическая ионизация — основной вид ионизации, поддерживает дугу после её зажигания. Температура дуги может достигать тысяч кельвинов, а в такой среде увеличивается число частиц и их скорости, что способствует активным процессам ионизации.
  • рекомбинация — образование нейтральных частиц из противоположно заряженных при взаимодействии
  • диффузия — положительно заряженные частицы отправляются “за борт”, из-за действия электрического поля дуги от середины к границе
Читайте также:  Сформулируйте правило буравчика для прямого тока

Бывают ситуации, когда при размыкании контактов дуга не загорается, тогда говорят о безыскровом разрыве. Такое возможно при малых значениях тока и напряжения, или при отключении в момент, когда значение тока проходит через ноль.

Свойства дуги постоянного тока

Дуга может возникать как при постоянном токе-напряжении, так и при переменном. Начнем рассмотрение с постоянки:

строение дуги постоянного тока

Анодная и катодная области — размер=10 -4 см; суммарное падение напряжения=15-30В; напряженность=10 5 -10 6 В/см; в катодной области происходит процесс ударной ионизации из-за высокой напряженности, образовавшиеся в результате ионизации электроны и ионы образуют плазму дуги, которая обладает высокой проводимостью, данная область отвечает за разжигание дуги.

Ствол дуги — падение напряжения пропорционально длине дуги; плотность тока порядка 10кА на см 2 , за счет чего и температура порядка 6000К и выше. В данной области дуги происходят процессы термоионизации, данная область отвечает за поддержание горения.

ВАХ дугового разряда постоянного тока

ВАХ дуги постоянного тока DC

Эта кривая соответствует кривой 3 на самом верхнем рисунке. Тут есть:

  • Uз — напряжение зажигания
  • Uг — напряжение гашения

Если ток уменьшить от Io до 0 мгновенно, то получится прямая, которая лежит снизу. Эти кривые характеризуют дуговой промежуток как проводник, показывают какое напряжение нужно приложить, чтобы создать в промежутке дугу.

Чтобы погасить дугу постоянного тока, необходимо, чтобы процессы деионизации преобладали над процессами ионизации.

  • можно определить из ВАХ дуги
  • активное, независимо от рода тока
  • переменная величина
  • падает с ростом тока

Если разорвать цепь амперметра под нагрузкой, то тоже можно увидеть дугу.

Свойства дуги переменного тока

Особенностью дуги переменного тока является её поведение во времени. Если посмотреть на график ниже, то видно, что дуга каждый полупериод проходит через ноль.

вольтамперная и временная характеристики дуги переменного тока

Видно, что ток отстает от напряжения примерно на 90 градусов. Вначале появляется ток и резко повышается напряжение до величины зажигания (Uз). Далее ток продолжает расти, а падение напряжения снижается. В точке максимального амплитудного значения тока, значение напряжения дуги минимальное. Далее ток стремится к нулю, а падение напряжения опять возрастает до значения гашения (Uг), которое соответствует моменту, когда ток переходит через ноль. Далее всё повторяется опять. Слева от временной характеристики приведена вольт-амперная характеристика.

Особенностью переменной дуги, кроме её зажигания и гашения на протяжении полупериода, является то, как ток пересекает ноль. Это происходит не по форме синусоиды, а более резко. Образуется бестоковая пауза, во время которой происходят знакомые нам процессы деионизации. То есть возрастает сопротивление дугового промежутка. И чем больше возрастет сопротивление, тем сложнее будет дуге обратно зажечься.

Если дуге дать гореть достаточно долго, то уничтожению подлежат не только контакты, но и само электрооборудование. Условия для гашения дуги заложены на стадии проектирования, постоянно внедряются новые методы борьбы с этим вредным явлением в коммутационных аппаратах.

Само по себе явление дуги не является полезным для электрооборудования, так как ведет к ухудшению эксплуатационных свойств контактов: выгорание, коррозия, механическое повреждение.

Но не всё так печально, потому что светлые умы нашли полезное применение дуговому разряду — использование в дуговой сварке, металлургии, осветительной технике, ртутных выпрямителях.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Источник

Постоянная составляющая тока.

Эксперименты показывают, что поведение дуги переменного тока вблизи моментов изменения направления дугового тока (или полярности дугового напряжения) существенно зависит от свойств материала электродов и условий в дуговом промежутке. При этом поведение дуги в эти моменты на тугоплавком и легкоплавком электродах совершенно различно и зависит от направления изменения тока (рис. 1.4).

Это хорошо прослеживаются в дуге переменного тока при сварке вольфрамовым электродом в аргоне изделий из алюминиевых сплавов. Характерной особенностью такой дуги является высокий пик напряжения повторного зажигания при переходе с прямой полярности (катод – вольфрамовый электрод) на обратную (катод – алюминиевое изделие) и незначительный пик этого напряжения при переходе с обратной полярности на прямую. Качественно это хорошо объясняется термоэмиссионной теорией неплавящегося катода и теорией автоэлектронной эмиссии из алюминиевого катода.

При переходе с обратной полярности на прямую разогретый в предыдущем полупериоде вольфрамовый электрод энергично эмитирует электроны. Ток эмиссии определяется только температурой электрода, которая из-за малой теплопроводности вольфрама не успевает заметно измениться. Поэтому ток в дуге возникает при сколь угодно малом восстанавливающемся напряжении и растет вместе с ростом напряжения. Наблюдающийся при этом небольшой пик напряжения зажигания обусловлен падающей характеристикой дуги при малых токах. Напряжение горения дуги в течение всего полупериода невелико.

Рис. 1.4. Напряжение на дуге при сварке переменным током вольфрамовым электродом алюминиевых сплавов.

Различие физических свойств электрода и изделия при сварке вольфрамовым электродом алюминиевых сплавов приводит к тому, что напряжение на дуге в одном полупериоде резко отличается от напряжения в другом полупериоде. Температура торца электрода в несколько раз выше температуры ванны с расплавленным алюминием.

Из-за того, что напряжение горения дуги в разных полупериодах существенно различаются, в сварочной цепи возникает постоянная составляющая тока. Постоянная составляющая тока при сварке на переменном токе отрицательно сказывается на работе источника питания, намагничивая трансформатор, и снижает качество сварного соединения.

1. Включение в сварочную цепь емкости (конденсатора).

2. Включение диодно-тиристорной цепочки.

Включение последовательно в сварочную цепь конденсатора приводит к уничтожению постоянной составляющей т.к. конденсатор не проводит постоянный ток. По такой схеме выполнены отечественные установки УДАР-300 и УДАР-500. Недостатком такого способа борьбы с постоянной составляющей является большие габариты и вес конденсаторной батареи и соответственно всей установки.

Включение диодно-тиристорной ячейки показано на рис. 1.5. Диод (см. рис. 1.6 – а) – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении. Прибор состоит из двух электродов – катода «К» и анода «А». Диод пропускает ток в том случае, когда его анод положителен, а катод отрицателен. Если полярность на электродах противоположна (на катоде «+», а на аноде «-«), то диод закрыт и электрический ток не проходит. Тиристор (см. рис. 1.6 – б) отличается от диода наличием еще одного электрода – управляющего (УЭ). В отличие от диода тиристор пропускает ток, когда его анод положителен, катод отрицателен и на его управляющем электроде подан управляющий сигнал. Причем, управляющий сигнал может быть кратковременным (импульсным), достаточным для времени открывания тиристора (тира – дверь по-гречески). Тиристор остается открытым и после исчезновения управляющего сигнала. Закрывается он сменой полярности напряжения анод – катод, т.е. при подаче на анод отрицательного напряжения, а на катод – положительного.

Таким образом, при отрицательной полярности на изделии (обратная полярность) вся полуволна синусообразного напряжения подается на дуговой

Рис. 1.5. Включение диодно-тиристорной ячейки в сварочную цепь для подавления постоянной составляющей при сварке переменным током. 1 – выключатель; 2 – сварочный трансформатор; 3 – неплавящийся электрод; 4 – изделие; 5 – диод; 6 – тиристор.

Рис. 1.6. Изображение диода –А и тиристора – Б на принципиальных электрических схемах.

Рис. 1.7. Кривые напряжений на дуге и управляющего сигнала при включении диодно-тиристорной ячейки для подавления постоянной составляющей в сварочной цепи.

промежуток через диод 5 (рис.1.5). При положительной полярности на изделии (прямая полярность) на дуговой промежуток подается только часть синусоиды (рис. 1.7), начиная с момента подачи управляющего сигнала на тиристор 6.

Читайте также:  Сила тока в резисторе равномерно возрастает

Следовательно, при прямой полярности на дуговой промежуток подается пониженное напряжение, величина которого регулируется моментом подачи управляющего импульса. Угол, отсчитываемый от момента перехода синусоиды через нуль до момента подачи управляющего импульса на тиристор, называется углом управления тиристора. Таким образом, изменяя угол управления тиристором можно регулировать величину напряжения на дуговом промежутке при положительной полярности на изделии, выравнивая тем самым токи в обеих полуволнах напряжения на дуге. Импульс на управляющий электрод и момент его подачи формируется специальной электронной схемой.

Такой способ борьбы с постоянной составляющей применен в отечественных установках для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов УДГ – 301 и УДГ – 501.

Необходимо отметить, что повторное напряжение зажигания дуги при переходе тока через нуль с прямой полярности на обратную составляет несколько сотен вольт, которого явно не обеспечивает сварочный трансформатор. Поэтому в рассматриваемых установках применяют специальные устройства, подающие на дугу в этот момент короткие высоковольтные (до 600 В) импульсы, называемые стабилизирующими. Стабилизирующие импульсы помогают возбудиться дуге при смене полярности с прямой на обратную.

Трехфазная сварочная дуга.

Сварка трехфазной дугой проводится двумя электродами, причем две фазы подключаются к электродам, а третья к сварочному изделию, причем все три дуги горят в общем плавильном пространстве.

Последовательность и длительность горения каждой из этих дуг зависит от последовательности чередования фаз и параметров сварочной цепи (рис.1.8).

Рис.1.8. Трехфазная дуга, а – схема сварки; б – схема горения дуги через –каждые 1/6 периода; в – кривые токов и напряжений дуг; г – кривые линейных токов.

В каждый момент времени может гореть не более двух дуг. Это объясняется тем, что на торцах электродов не могут одновременно существовать анодное и катодное пятна.

Важнейшей технологической особенностью трехфазной сварочной дуги является возможность регулирования распределения мощности и теплоты, расходуемой на плавление электродов и основного металла. Это

достигается за счет изменения соотношения между токами напряжениями отдельных дуг.

Режимы трехфазной дуги и ее технологические возможности характеризуются соотношениями между действующими значениями токов и напряжений:

Изменяя эти коэффициенты, можно существенно регулировать глубину проплавления основного металла и скорости плавления электродов. В пределе можно вообще исключить плавление основного металла.

В трехфазной сварочной дуге в любой момент времени горит, по крайней мере, одна дуга, вследствие чего ее устойчивость выше, чем однофазной дуги. Здесь значительно облегчены условия повторных возбуждений, т.к. непрерывно сохраняется достаточно высокая температура активных пятен и дуговой промежуток всегда ионизирован.

Сжатая дуга.

В последние годы получают развитие методы повышения температуры дугового разряда за счет принудительного сжатия столба дуги, которое производится в плазменных горелках или плазмотронах. С помощью этих устройств можно получить температуры, достигающие 30000 0 С. Наиболее распространенный способ сжатия состоит в том, что диаметр столба дуги

ограничивают специальным соплом (рис.1.9).

Защитный газ, подаваемый внутрь горелки, вытекая через сопло, сжимает столб дуги, изолируя его от стенок, и выносит нагретые до высоких температур газы (плазму) за пределы горелки. Этот газ называется плазмообразующим. Чтобы сопло не плавилось, его выполняют из материала с высокой теплопроводностью (чаще всего из меди) и охлаждают проточной водой. В горелках типа анод – сопло (рис.1.9,б) дуга горит внутри замкнутой камеры, и образующаяся плазма выдувается из сопла (плазменная сварка косвенной дугой).

При горении дуги в узком водоохлаждаемом сопле наружные слои газа, соприкасающиеся со стенками сопла, имеют более низкую температуру, чем центральные слои. В результате проводимость наружных слоев гораздо ниже,

чем центральных, что приводит к увеличению плотности тока в центральной части плазменной струи. В свою очередь, это приводит к повышению температуры.

Степень ионизации газа в центральной части сопла при сильном сжатии дуги приближается к единице. Поэтому столб дуги как элемент электрической цепи по своим свойствам приближается к линейному сопротивлению, вольтамперная характеристика его имеет возрастающий характер.

В качестве плазмообразующего газа используются как инертные газы (аргон, гелий, азот) так и кислородсодержащие смеси (сжатый воздух).

Рис.1.9. Схемы плазмотронов, а – с изолированным соплом; б – сопло-анод; 1

— электрод; 2 – токоподводящий мундштук; 3 – сопло; 4 – плазменная струя; 5 – изделие.

В реальных условиях сварки или резки длина разрядного промежутка может изменяться в широких пределах. Поэтому применяются источники с крутопадающими характеристиками. В связи с высоким значением напряженности электрического поля в сжатой дуге требуются специальные источники питания с повышенным напряжением (до 500 В). Для первоначального возбуждения дуги в плазмотронах используются высоковольтные разряды высокой частоты (от осцилляторов), либо вспомогательные маломощные дуги, горящие между электродом и соплом горелки (дежурная дуга).

Прокрутить вверх

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.).

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Источник



Способ для измерения постоянной составляющей переменного тока и устройство для его осуществления

Определение постоянного тока

В идеальном случае постоянный ток не меняет своего значения и направления со временем. В действительности постоянный ток не является постоянной величиной в выпрямительных устройствах, так как он содержит переменную составляющую (пульсации).

Форма составляющих постоянного тока

В гальванических элементах постоянный ток тоже не постоянен, его значение уменьшается на нагрузке с течением времени, таким образом, постоянный ток является условным определением и при его использовании, изменениями постоянной величины пренебрегают.

мощность трехфазного тока мощность тока мощность постоянного тока

Литература и документация

Литература

  • Справочник по радиоэлектронным устройствам
    : В 2-х т.; Под ред. Д. П. Линде — М.: Энергия, 1978
  • Шульц Ю. Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков: Справочник: Пер. с нем. М.:Энергоатомиздат, 1989

Нормативно-техническая документация

  • ГОСТ 16465-70 Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения (недоступная ссылка)
  • ГОСТ 23875-88 Качество электрической энергии. Термины и определения
  • ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения

Постоянная составляющая тока (DС)

DC — это Direct Current в переводе как постоянный ток. Графически в форме тока можно увидеть его изменения во времени или пульсации. Такие пульсации возникают в форме постоянного тока в выпрямителях с фильтрами, где используются небольшие емкости. В выпрямительных устройствах без использования емкостей пульсация может быть большой.

Пульсирующий ток на выходе выпрямителя без емкостей иногда называют импульсным током. На графике пульсирующего тока отображены постоянная составляющая DC (прямая линия) и переменная AC (пульсации). Постоянная составляющая тока определяется как среднее значение тока в течение периода.

AVG — это среднее значение постоянного тока. Переменную составляющую AC можно рассматривать как изменение постоянного тока относительно средней величины . Пульсацию формы постоянного тока определяют по формуле.

Где Iac – среднее значение переменной составляющей AC, Idc — постоянная составляющая тока.

Всё вышесказанное также относится и к постоянному напряжению.

Электрификация железных дорог на переменном токе


Российский пассажирский электровоз переменного тока ЭП1П, выпускается на Новочеркасском электровозостроительном заводе.
В России и в республиках бывшего СССР около половины всех железных дорог электрифицировано на однофазном переменном токе частотой 50 Гц. Напряжение

25 кВ (обычно до 27,5 кВ, с учётом потерь)

Читайте также:  Тренди тік ток 2021

подаётся на контактный провод, вторым (обратным) проводом служат рельсы. Также проводится электрификация по системе
2 × 25 кВ(два по двадцать пять киловольт)
, когда на отдельный питающий провод подаётся напряжение

50 кВ
(обычно до 55 кВ, с учётом потерь)
, а на контактный провод от автотрансформаторов подаётся половинное напряжение от 50 кВ
(то есть 25 кВ)
. Электровозы и электропоезда переменного тока при работе на участках 2 × 25 кВ в переделке не нуждаются.

Проводится политика на дальнейшее расширение полигона тяги переменного тока как за счёт вновь электрифицируемых участков, так и за счёт перевода некоторых линий с постоянного тока на переменный ток. Переведены в 1990-е — 2000-е годы:

— на Восточно-Сибирской железной дороге: участок Слюдянка — Иркутск — Зима; — на Октябрьской железной дороге: участок Лоухи — Мурманск; — на Приволжской железной дороге: Саратовский и Волгоградский железнодорожные узлы; — на Северо-Кавказской железной дороге: участки Минеральные Воды — Кисловодск и Бештау — Железноводск.

Следует отметить, что также выпускаются двухсистемные электровозы, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (см. ВЛ61Д, ВЛ82 и ВЛ82М, ЭП10, ЭП20).

Параметры постоянного тока и напряжения

Интенсивность электрического тока выражается в количестве зарядов перемещенных за промежуток времени через поперечное сечение проводника. Одним из важных параметров постоянного тока является величина тока, которая измеряется в Амперах. Интенсивность тока в 1 Ампер заключается в перемещении заряда один Кулон в течение 1 секунды.

Напряжение постоянного тока измеряется в Вольтах. Напряжение постоянного тока представляет собой разность потенциалов между двумя точками одной электрической цепи. Также важным параметром для постоянного напряжения является размах пульсации и коэффициент пульсации. Размах пульсации представляет собой разность между максимальной величиной пульсации и минимальной.

А коэффициент пульсации выражается в отношении действующей величины переменной составляющей (AC) тока к постоянному значению составляющей (DC). Также важным параметром постоянного тока является мощность P. Мощность постоянного тока можно характеризовать его работой за определенный промежуток времени. Мощность измеряется в Ваттах и определяется по формуле:

Согласно этой формуле одинаковую мощность можно получить при разных токах и напряжениях.

Среднеквадратическое значение прямоугольного сигнала, имеющего только положительную полярность Синусоидальные колебания переменного тока Нулевой сдвиг фаз Постоянная составляющая сигнала, прямоугольной формы Сдвиг фаз равен 45 градусов Сдвиг фаз 90 градусов Среднеквадратичное значение синусоидального сигнала Сравнение среднеквадратических значений прямоугольного и синусоидального сигналов

Физические свойства апериодической составляющей

Подобное состояние тока возникает в момент короткого замыкания. Его продолжительность и характеристики могут быть разными, в зависимости от многих факторов. Например, при наличии у двигателя демпферной обмотки, апериодическая составляющая тока короткого замыкания будет ниже, чем при ее отсутствии. Вначале возникает сверхпереходный ток, который вначале становится просто переходным, и лишь потом он начинает затухать.

Во время двухфазного замыкания, в статоре не появляются скачкообразные изменения тока. В подобных ситуациях, на холостом ходе возникает апериодическая составляющая, параметры которой совпадают с начальной величиной переменной компоненты. Поскольку ток КЗ внутри статора является однофазным, в отдельных случаях появление апериодической компоненты полностью исключается. В двигателях асинхронного типа этот показатель не учитывается, поскольку данные процессы очень быстро затухают. Он не принимается во внимание даже при расчетных вычислениях ударных токов КЗ.

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания

В общем и целом, величина данных компонентов будет отличаться для каждой фазы. Ее начальные параметры будут зависеть от момента появления КЗ. На графиках она представляет собой сплошную кривую линию, поскольку все начальные амплитуды других составляющих будут ей равны, но направлены в обратную сторону.

Наличие апериодической составляющей устанавливается при расхождении контактов. Для ее оценки существует специальный параметр, представляющий собой соотношение между ней и периодической амплитудой в момент размыкания контактов. Время затухания составляет примерно 0,1-0,2 с и сопровождается значительным выделением тепла. Под действием высокой температуры заметно нагреваются токоведущие части и вся аппаратура в целом, несмотря на столь короткий промежуток времени.

Как вычислить апериодическую компоненту

Первоначальная величина апериодической части в модульном выражении определяется как разница между мгновенным показателем периодической части в начале КЗ и величиной тока непосредственно перед замыканием. То есть, апериодическая составляющая с максимальным первоначальным значением, сравняется с амплитудными параметрами периодической части тока при появлении КЗ. Это утверждение определяет формула: ia0 = √2Iп0, действующая при условии сниженной активной доли сопротивления в точке КЗ относительно индуктивной составляющей.

Кроме того, перед началом замыкания в расчетной точке не должно быть нагрузки, а напряжение какой-либо фазы к этому времени проходит по нулевому проводнику. Если же перечисленные требования не будут выполнены, то апериодическая часть в первоначальной стадии снизит свои показатели по отношению к амплитуде периодической составляющей.

Для того чтобы выполнить расчет апериодической составляющей тока короткого замыкания в любое произвольное время, заранее прорабатывается вариант замещения. Согласно первоначальной расчетной схеме, все составные элементы учитываются в качестве активных и индуктивных сопротивлений. Учет синхронных генераторов и компенсаторов, асинхронных и синхронных электродвигателей проводится путем перевода их в категорию индуктивных сопротивлений с обратной последовательностью. Обязательно учитываются сопротивления обмоток статора постоянному току с рабочей температурой установленной нормы.

Когда в изначальной схеме расчетов присутствуют лишь компоненты, соединенные последовательно, в этом случае величина апериодической доли в любой момент времени определяется формулой 1, в которой Та является постоянной величиной, определяющей время затухания данной части. В свою очередь, Та можно вычислить по формуле 2, в которой Xэк и Rэк будут индуктивной и активной составляющими, а ωсинх является синхронной угловой частотой сетевого напряжения. Если же при расчетах необходимо учесть величину генераторного тока непосредственно перед коротким замыканием, тогда уже используется формула 3.

Полный ток при наступлении КЗ

Сама по себе апериодическая компонента не может быть рассмотрена, поскольку она является одной из составных частей тока короткого замыкания. В электрической сети присутствуют сопротивления индуктивного характера, не дающие току мгновенно изменяться в момент появления КЗ. Рост нагрузочного тока проистекает не скачкообразно, а согласно определенных законов, предполагающих переходный период от нормального к аварийному значению. Расчетно-аналитическая работа значительно упрощается, когда ток КЗ во время перехода рассматривается как две составные части – апериодическая и периодическая.

Апериодическая часть представляет собой составную часть тока ia с неизменной величиной. Она появляется непосредственно в момент КЗ и в кратчайший срок падает до нулевой отметки.

Периодическая часть тока КЗ Iпm получила название начальной, поскольку по времени она появляется в самом начале процесса. Данный показатель используется для того чтобы выбрать наиболее подходящую уставку или проверить чувствительность релейной защиты. Этот ток известен еще и как сверхпереходный, поскольку его определение осуществляется с помощью сверхпереходных сопротивлений, вводимых в схему замещения. Периодический ток считается установившимся, когда затухает апериодическая часть и заканчивается сам переходный процесс.

Апериодическая составляющая тока короткого замыкания

Следовательно, полный ток короткого замыкания будет составлять сумму обоих частей – апериодической и периодической во весь период перехода состояний. В определенный момент полный ток за кратчайшее время принимает максимальное значение. Подобное состояние известно под названием ударного тока КЗ, определяемого при проверках электродинамической устойчивости установок и оборудования.

Выбор начального или сверхпереходного тока для проведения расчетов определяет скорое угасание апериодической части, которое происходит раньше, чем срабатывает защита. При этом периодическая составляющая остается неизменной.

Электрические сети, подключенные к генераторным установкам или энергетической системе с ограниченной мощностью, отличаются значительным изменением напряжения при появлении КЗ. В связи с этим, токи, начальный и установившийся, не будут равны между собой. Для того чтобы сделать расчет релейной защиты, можно воспользоваться показателями изначального тока. В этом случае погрешность будет незначительной в сравнении с установившимся током, подверженным воздействию различных факторов. Прежде всего, это увеличенное сопротивление в поврежденной точке, нагрузочные токи и прочие параметры, которые чаще всего не учитываются при выполнении расчетов.

Источник