Главная | Обратная связь

Вольт-амперная характеристика электродуговых плазматронов.

Принцип работы плазматронов основан на преобразовании энергии электромагнитного поля в другие виды энергии путем использования электрических разрядов. Наибольшее распространение нашли плазмотроны, в которых нагрев газа до состояния плазмы осуществляется электрическим дуговым разрядом и они называются электродуговыми плазмотронами.

Важной электрической характеристикой дугового разряда является вольт-амперная характеристика, то есть зависимость напряжения дуги от силы тока . На формирование вида вольт-амперной характеристики существенное влияние оказывает давление, расход и свойства плазмообразующего газа, форма и размеры дуговой камеры плазмотрона. Поэтому зависимость является не только характеристикой электрической дуги, но и плазмотрона в целом.

Для однокамерных плазмотронов постоянного тока с вихревой стабилизацией дуги зависимость с погрешностью записывается в виде эмпирической формулы:

,

где 𝐽 - сила тока дуги; 𝐺 – массовый расход плазмообразующего газа через дуговую камеру; 𝑑 – диаметр дуговой камеры; 𝑝 – давление газа в плазмотроне; 𝑘, α, β, γ, δ – постоянные для геометрически подобных плазматронов.

В зависимости от значений 𝐽, 𝐺, 𝑑, 𝑝 вольт-амперная характеристика плазматрона может быть падающей или восходящей, то есть с увеличением силы тока напряжение горения дуги может уменьшаться или увеличиваться. Получение восходящей характеристики требует сильного обжатия (охлаждения наружной поверхности) дуги потоком плазмообразующего газа, что реализуется при большом расходе или при обжатии дуги стенками дуговой камеры, что возможно при интенсивном охлаждении стенок плазмотрона. В реальных конструкциях всегда формируются падающие вольт-амперные характеристики плазмотронов.

Физика формирования падающей вольт-амперной характеристики дуги в плазмотроне может быть представлена следующим образом. При горении дуги в открытом пространстве между двумя электродами реализуется так называемая открытая (свободная) дуга. Длина такой дуги, и её диаметр и конфигурация зависят от свойств газовой среды и силы тока. В частности с ростом тока диаметр дуги увеличивается свободно, ибо нет ограничивающих факторов в радиальном направлении. В плазмотронах дуга функционирует в ограниченном объёме, то есть между стенками рабочей камеры и в потоке плазмообразующего газа. Такая дуга называется стабилизированной, её диаметр зависит от геометрии рабочей камеры, силы тока и расхода газа через плазмотрон. При очень малых расходах газа влиянием потока на диаметр дуги можно пренебречь. В этом случае дуга стабилизируется стенкой и принимает форму канала.

r

На рис. 1 показана электрическая дуга 1, стабилизированная стенкой цилиндрического канала 2. Она называется цилиндрической дуги и является простейшей с точки зрения описания структуры дугового разряда.

Рис. 1 Структура цилиндрической дуги.

Как видно из рис. 1, дуга располагается между катодом К и анодом А. За исключением при катодных областей она имеет форму цилиндра и параметры дуги, например такие как температура, концентрации заряженных и нейтральных частиц плазмы, в этой части дуги вдоль оси Z остаются постоянными. Однако в сечении дуги, то есть в радиальном направлении , температура и состав и состав плазмы значительно изменяются.

В приэлектродных областях дуга сужается, и в этих пределах свойства дуги резко отличаются от свойств цилиндрической части. Поэтому в соответствии с геометрией дуги можно выделить физические процессы, происходящие на катоде, аноде и в пространстве между ними. Из распределения потенциала вдоль оси дуги также видны три её характерные области.

Непосредственно к катоду прилегает область катодного падения потенциала , которая характеризуется напряженностью электрического поля . Вследствие такой протяженности (порядка средней длины свободного пробега электронов) падение потенциала в ней невелико и находится между потенциалами ионизации паров материала катода и атомов газа, в котором поддерживается горение дуги.

К положительному электроду примыкает область анодного падения потенциала . Протяженность области порядка нескольких длин свободного пробега электронов. Падение потенциала в ней составляет несколько вольт.

Приэлектродные области соединяются однородным по структуре проводящим каналом, который называется положительным столбом электрической дуги. В отличие от остальных частей дугового разряда, которые имеют конкретные размеры, зависящие от природы газа, его давления и силы разрядного тока, длина положительного столба определяется расстоянием между электродами, то есть может изменяться в очень широких пределах. Для всех видов электрических разрядов положительный столб характеризуется относительно низкой и приблизительно постоянной напряжённостью электрического поля по длине разряда. Поэтому напряжение горения дуги в первом приближении может быть определено уравнением

, (1)

Где E и - напряженность электрического поля и длина положительного столба дугового разряда.

Уравнение (1) с учётом закона Ома принимает вид

, (2)

где δ и 𝑆- удельная электропроводность и площадь поперечного сечения положительного столба дуги.

Рассмотрим характер зависимости от тока дуги каждой величины, уходящей в уравнение (2) , с учётом общеизвестной экспериментально установленного факта, состоящего в том, что при увеличении силы тока диаметр столба дуги и температура плазмообразующего газа возрастают.

Катодное и анодное падения потенциала имеют примерно одинаковый порядок значения (∼10В) и их сумма слабо зависит от тока дуги (при токах более 50А). Кроме того, для длинных дуг, которые используются в плазмотронах (длина дуги меняется от долей метра до нескольких метров), сумма катодного и анодного падений потенциала мала по сравнению с падением потенциала в положительном столбе дуги. Таким образом, вид вольт-амперной характеристики в основном определяется сопротивлением положительного столба дуги, то есть величиной уравнения (2).

Характер зависимости удельной электропроводности δ плазмообразующих газов рассмотрим на примере азотной плазмы. На рис. 2 показаны графики такой зависимости с учётом давления газа.

Сименс

 

 

Рис. 2 Зависимость электропроводности азота от температуры и давления.

Как видно, газ становится электропроводным при температуре около 5000К, в дальнейшем росте температуры электропроводность резко возрастает. Начиная с температуры порядка 10000К, электропроводность растёт в меньшей степени.

Таким образом, с ростом тока дуги электропроводность δ увеличивается, поперечное сечение 𝑆 положительного столба возрастает, а омическое сопротивление дуги, то есть величина , уменьшается. Поэтому при горении стабилизированной дуги в потоке газа всегда реализуется падающая вольт-амперная характеристика.