Caracteristica statica a arcului electric de curent continuu

Caracteristica statica a arcului electric de curent continuu

Distributia tensiunii in arc are forma din figura 2.2, tensiunea arcului fiind alcatuita din caderile de tensiune pe cele trei zone ale sale:

U_a = U_k + U_an +U_c          (2.3)

Parametrii ce determina comportarea arcului de sudare sunt curentul ce trece prin arc (I_a), tensiunea arcului (U_a) si lungimea arcului(l_a). Caracteristica arcului va fi definita prin relatia:

f(U_a, I_a, l_a) = 0                        (2.4)

si se numeste caracteristica statica a arcului electric.

Pentru a simplifica reprezentarea si interpretarea acestei functii se pastreaza unul din parametri, fie intensitatea curentului I_a, fie lungimea arcului l_a, la valori constante, obtinandu-se caracteristicile:

U_a = f₁(l_a) l_a I_a = ct., respectiv                              (2.5)

U_a = f₂(I_a) l_a l_a = ct.        (2.6)

In mod obisnuit, caracteristica arcului se reprezinta sub forma unei familii de curbe

U_a = f(I_a)                                 (2.7)

luandu-se drept parametru variabil lungimea arcului l_a.

Deoarece tensiunea are trei componente, pentru a se determina caracteristica arcului, se va considera modul in care variaza cu intensitatea curentului fiecare componenta din relatia (2.3).

Caderea de tensiune pe zona catodica U_k nu depinde practic de valoarea curentului, intr-un domeniu larg de variatie a curentului, de la 100 A in sus. Cercetarile au demonstrat ca, la curenti mici, suprafetele petelor catodice si anodice cresc proportional cu intensitatea curentului, densitatea de curent ramanand constanta. Se considera ca intensitatea campului electric in zonele electrozilor, precum si tensiunile U_k si U_an sunt practic independente de valoarea curentului. La valori mari ale curentului, cand pata catodica acopera intreaga suprafata transversala a electrodului, caderea de tensiune creste intr-o oarecare masura, deoarece cresterea curentului se face pe seama cresterii densitatii de curent (cazul sudarii automate).

Valoarea tensiunii U_k depinde de materialul electrodului si de mediul in care are loc descarcarea. O importanta mare o are prezenta in amestecul de gaze a unor elemente avide de electroni, ce captureaza cu usurinta electronii, formand ioni negativi. Astfel de elemente sunt halogenii (F₂, Cl₂, Br₂, I₂), precum si oxigenul, azotul, etc. Prezenta fluorului conduce la absorbirea intensa a electronilor emisi de catod, reducand numarul electronilor liberi din spatiul catodic si ridicand caderea de tensiune U_k cu (89)V.

Caderea de tensiune anodica U_an nu depinde de valoarea curentului, ci doar in mica masura de materialul electrozilor si de mediul in care are loc descarcarea. Pentru un arc in vapori de fier: U_an = (23)V.

Caderea de tensiune in coloana arcului U_c poate fi exprimata prin relatia:

U_c =I_aR_ca (2.8)

unde R_ca este rezistenta echivalenta a coloanei arcului electric. Asa cum se va arata ulterior, R_ca are un caracter neliniar.

Deoarece E_c = ct. (2.2), se poate determina caderea de tensiune in coloana arcului:

U_c = E_c.l_a,                                            (2.9)

unde intensitatea campului electric E_c se poate exprima ca fiind egala cu raportul dintre densitatea de curent J_c si conductibilitatea electrica a coloanei arcului (l_c

                 (2.10)

deci:

                               (2.11)

rezultand astfel ca:

                  (2.12)

La valori mici ale curentului, aria sectiunii coloanei arcului S_c va depinde de dimensiunile petelor active. Cu cresterea curentului, creste suprafata petelor active, deci si diametrul coloanei arcului, astfel incat valoarea lui R_ca va scadea mai rapid decat creste Ia, obtinandu-se o diminuare a valorii U_c. Cand una dintre petele active va acoperi intreaga sectiune a electrodului, cresterea in continuare a lui S_c devine imposibila, caderile de tensiune pe catod si anod devin aproximativ constante, iar R_ca va avea o valoare aproximativ constanta.

In aceste conditii se poate scrie:

U_k + U_an = a = ct. = U_ap si deci

U_a = a + I_a.R_ca

sau:

U_a = a + E_c.l_a                          (2.13)

unde U_ap reprezinta tensiunea de aprindere a arcului si depinde de diametrul electrodului, natura invelisului si a gazului in care arde arcul.

Forma generala a caracteristicii statice a arcului electric este prezentata in figura 2.3, in care se observa trei zone distincte:

Figura 2.3. Caracteristica statica a arcului electric.

I - zona curentilor mici, in care tensiunea in arc scade odata cu cresterea curentului, deoarece creste sectiunea coloanei arcului. Crescand sectiunea coloanei arcului, precum si temperatura acesteia, va creste conductibilitatea l_c, prin ionizarea mai buna a gazului;

II - zona in care caderile de tensiune U_k, U_an si U_c devin practic independente de variatia curentului. Caracteristica este practic rigida, aceasta fiind zona cu larga aplicare in tehnica sudarii;

III - zona in care S_c si A_c devin practic constante, ajungand la valorile maxime, iar U_a va incepe sa creasca cu curentul, respectand aproximativ legea lui Ohm.

Figura 2.4. Caracteristica dinamica a arcului electric.

Caracteristica statica este determinata prin variatii lente ale curentului si tensiunii. Daca se mareste rapid curentul de la I₁ la I₂ (fig. 2.4) se constata ca in locul tensiunii indicate de caracteristica statica este necesara o tensiune mai mare (curba 2), datorita inertiei fenomenelor termice si de ionizare si invers daca se micsoreaza curentul de la I₂ la I₁, tensiunea va fi indicata de curba 3.

Bucla care se formeaza poarta numele de caracteristica dinamica a arcului electric.