Главная | Обратная связь

Статические характеристики источников

Внешняя статическая характеристика источникапредставляет собой зависимость U_и = f(I_д) которую в общем виде получим из анализа схемы энергетической системы «источник-дуга» (рис. 2.5,а). В ней источник имеет постоянную электродвижущую силу Е_И и внутреннее сопротивление Z_И, состоящее из активной R_И, и индуктивной Х_И составляющих (Z_И = R_И +jХ_И или Z_И = ). На внешних зажимах источника имеем напряжение (U_И, В последовательно соединенной цепи «источник-дуга» идет сварочный ток I_Д, одинаковый для дуги и источника. Нагрузкой источника является дуга с активным сопротивлением R_Д падение напряжения на ней U_Д = I_ДR_Д -

Рис. 2.5. Схема системы «источник-дуга» (а) и ее векторная диаграмма (б)

 

В соответствии со вторым правилом Кирхгофа:

Подставив (2.16) в (2.15), получим уравнение для напряжения на внешних зажимах источника:

что отвечает векторной диаграмме (рис. 2.5,6). Энергия, забираемая с внешних зажимов источника, если не учитывать потерь в проводах, полностью отдается дуге, поэтому

Источник может работать в одном из трех режимов: холостой ход, нагрузка, короткое замыкание. При холостом ходе дуга не горит, ток отсутствует (1д = 0). В этом случае напряжение источника, называемое напряжением холостого хода, имеет максимальное значение

При нагрузке по дуге и источнику идет ток I_Д, а напряжение U_Иниже, чем при холостом ходе, на величину падения напряжения внутри источника:

Соотношение (2.17) представляет собой уравнение внешней статической характеристики источника в общем виде.

При коротком замыкании U_д = 0, поэтому и напряжение источника U_И = 0. Ток короткого замыкания из (2.17)

Экспериментально внешняя характеристика источника снимается измерением напряжения U_И и тока I_Дпри неизменных значениях U_Х, R_И, Х_Ии плавном изменении сопротивления нагрузки R_Д, при этом дуга обычно имитируется линейным активным сопротивлением — балластным реостатом.

При расчетном способе построения внешней характеристики в качестве постоянных величин также принимают U_X, R_И, Х_И, а сопротивлением нагрузки R_Дзадаются в широком диапазоне от со (холостой ход) до 0 (короткое замыкание). Для расчета силы тока пользуются уравнением, полученным из векторной диаграммы (рис. 2.5,6),

а напряжение источника определяют по соотношению:

Графическое представление полученной зависимости U_и = f(I_д) и есть внешняя статическая характеристика источника (рис. 2.6). Видно, что при уменьшении сопротивления нагрузки R_Дувеличивается ток I_Ди сни­жается напряжение источника U_И. Таким образом, в общем случае внешняя статическая характеристика источника — падающая. Т. 1 характеризует режим холостого хода, т. 2 — режим нагрузки, т. 3 — режим короткого замыкания

Рис. 2.6. Внешние вольт-амперная и ватт-амперная ха рактеристики источника.

Типы внешних статических вольт-амперных характеристик современных источников чрезвычайно разнообразны (рис. 2.7), используются как жесткие, так и падающие характеристики. В общем случае эти характеристики являются нелинейными, поэтому полезно ввести понятие дифференциального сопротивления источника, соответствующего tgα_И(рис. 2.7,6):

 

У нелинейных внешних характеристик р_и — величина переменная, в этом случае ее следует отличать от внутреннего (интегрального) сопротивления Z_и. В частном случае линейной падающей характеристики (рис. 2.7,а) значения внутреннего и дифференциального сопротивлений совпадают по модулю Z_и = |ρ_и|. Стандартом ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004

принято деление характеристик на жесткие (ρ_и = +0,1...— 0,07 В/А) и падающие (ρ_и < —0,07 В/А). В обыденной практике используют также понятия возрастающей, пологопадающей и крутопадающей характеристик. Последние термины нестрогие, поэтому в сомнительных случаях приведенные названия не используют, а источники характеризуют непосредственно значениями ρ_и.

Внешняя ватт-амперная характеристика Р_и = f(I_д)(рис. 2.6), построенная при тех же условиях, что и U_и = f(I_д), показывает, как при изменении сопротивления нагрузки R_Д(и тока Iд) будет меняться полезная активная мощностьР_и, т. е. мощность, отдаваемая источником нагрузке. Из (2.19) и (2.20)

Зависимость Р_и = f(I_д) экстремальная. Максимум полезной мощности достигается при равенстве сопротивления нагрузки и источника (R_Д = Z_и). Такой режим называют согласованным. Это обстоятельство позволяет сделать более строгое разделение типов вольт-амперных характеристик. Если номинальный режим работы источника находится левее точки согласования (Z_и < R_Д), то его внешнюю характеристику называют жесткой. Падающей называют характеристику источника, у которого внутреннее сопротивление больше сопротивления нагрузки (Z_и > R_Д).

Оценим энергетическую эффективность различных источников и режимов их работы. Источник, рассчитанный для работы в согласованном режиме, наименее материалоемок, т. е. наиболее экономичен при изготовлении. Однако это не значит, что он также наиболее экономичен при эксплуатации. Для пояснения этой проблемы выведем уравнение для оценки коэффициента полезного действия источника η, который представляет собой отношение полезной мощности Р_и = I_Д ²R_Д ко всей активной мощности, потребляемой источником из сети, т. е. с учетом потерь на внутреннем активном сопротивлении источника

Тогда

Очевидно, что для повышения коэффициента полезного действия, т.е. повышения эффективности расходования энергии, следует уменьшать внутреннее сопротивление источника R_Ди увеличивать сопротивление нагрузки R_Д. Самый высокий коэффициент, близкий к 1, получается при самых малых сварочных токах, когда R_Дприближается к бесконечности. В согласованном режиме коэффициент существенно ниже. Например, для источника постоянного тока, у которого Х_и = 0, Z_и = R_И, в согласованном режиме R_Д = R_И, и поэтому коэффициент полезного действия по (2.23) составляет 0,5.

Рассмотрим также зависимость коэффициента мощности соs φ от параметров системы. Коэффициент мощности источника представляет собой отношение всей активной мощности Р_И + Р_ПОТ к полной (или ка­жущейся), в которой нужно учесть еще и реактивную мощность потерь Q_{П О Т} = I_Д ² Х_и и на индуктивном сопротивлении Х_и источника:

Это же соотношение можно получить и по векторной диаграмме (рис. 2.5,6). Из уравнения (2.24) следует, что для увеличения сое следует снижать индуктивное сопротивление источника.