|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Чвертьхвильове електрозварювання. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / зварювальне обладнання Короткохвильовикам-радіоаматорам і всім, хто будь-коли серйозно цікавився радіозв'язком, відомо, що стоячі хвилі при великих рівнях потужності однозначне зло. Встановившись у тракті передачі ВЧ потужності, стоячі хвилі здатні наробити багато бід. Наприклад, вивести з ладу підсилювач потужності, перепалити кабель до антени, спалити антенне реле тощо. Розповім таку історію. Якось мені знадобився відрізок 75-омного коаксіального кабелю довжиною рівно 2 м. У мене зберігалася бухта кабелю одним шматком довжиною 30 м. Я відрізав потрібний шматок, обробив кінці, перевірив омметром обрив центральної жили. Вирішив, що раз шматок – з кінця бухти, він може бути обламаний. Знову відрізав потрібний шматок, обробив, перевірив – знову урвище центральної жили. Подумав, що це кабель, що був у вжитку, лежав десь в апаратній, і його могли перетоптати. Інший кінець кабелю має бути в антени, там топтати нема кому. Відрізав шматок з іншого кінця бухти. Те саме - обрив центральної жили. Терпець у мене урвався, я виніс усю бухту надвір і почав її кроїти. Розрізавши бухту на 17 шматків і не отримавши жодного придатного, вирішив іти до магазину та купувати новий кабель. Дорогою я задумався про те, як можна перепалити кабель одночасно у багатьох місцях. На постійному струмі зазвичай ланцюг перегорає в одному, слабкому місці, інші місця після цього вже не горять. Повернувшись додому з новим кабелем, я вирішив у шматках старого кабелю знімати все обплетення. Після цього через напівпрозору ізоляцію було видно потемнілі місця та обриви жили по 24 мм. Діаметр центральної жили кабелю РК-75-4-11 дорівнює 0,72 мм, щоб перепалити такий провід потрібен струм 21 А. Місця перепалів розташовувалися з певною періодичністю - трохи менше 1 м. Згодом мені вдалося з'ясувати, що пошкоджений кабель експлуатували у складі радіостанції діапазону 54 МГц. Довжина хвилі в кабелі становила 3,66 м (з урахуванням коефіцієнта укорочення 1,52). І тоді я зрозумів, що кабель було "порізано" на чвертьхвильові відрізки по 0,915 м. У літературі чіткого пояснення цього ефекту мені не вдалося знайти. І тоді я вигадав відповідну модель, яку пропоную нижче.
Вихідні причини (умовні позначення наведено на рис.1): 1) ідеальна коаксіальна лінія з рівномірним розподілом параметрів за довжиною у режимі обриву навантаження; 2) ізоляція між центральною житловою та оплеткою ідеально електрично міцна і не може бути пробита жодною напругою; 3) центральна жила має невеликий омічний опір і має здатність підвищувати опір у місці нагріву, рівномірно прогріта жила має рівномірно розподілений опір по всій довжині; 4) центральна жила може перепалюватися великим струмом у попередньо прогрітому місці, у цьому місці утворюється капсула, заповнена парами металу жили; 5) капсула в місці перепалу пробивається та іонізується підвищеною напругою, іонізація зберігається тривалий час у капсулі, а провідність у ній збільшується зі зростанням струму в іонізованому газі (дуга) та виділенням тепла. Повторні пробої відбуваються при набагато меншій напрузі, ніж первинні. На рис.1 а,б показані графіки розподілу напруги та струмів по довжині лінії в режимі крайнього неузгодженості (обрив навантаження або коротке замикання - графіки зміщені на λ/4). У цьому максимуми називаються пучностями, а нульові значення - вузлами. На рис.1,зображена ідеалізована довга коаксіальна лінія в режимі стоячої хвилі (при обриві навантаження), де пучності струму і напруги зображені у вигляді умовних позначень. Вони чергуються з періодом λ/4, починаючи з вихідного кінця, оскільки відбувається повне відбиток хвилі. Лінія запитується від генератора, узгодженого з лінією передачі потужності. У пучності струму відбувається рівномірний прогрів ділянок лінії. При цьому на цій ділянці підвищується опір і може статися оплавлення жили та утворення капсули, заповненої парами металу. Реально внаслідок нерівномірного розподілу параметрів кабелю оплавлення центральної жили неспроможна відбутися у всіх пучностях струму одночасно.
Тому введемо неоднорідність до лінії. Такою неоднорідністю може бути виробничий дефект (зменшення перерізу жили у певному місці вм'ятина, вкраплення). Отже, наприклад, у пучності за 3λ/4 від відкритого кінця лінії стався перепал (рис.2,а) і утворилася капсула, заповнена парами металу. Такий обрив лінії сприймається як розрив навантаження, пучність напруги зміщується λ/4, тобто. до місця першого обриву і робить первинний пробій (рис.2, б). Іонізація у капсулі збільшується, а опір падає внаслідок горіння дуги. Пучность напруги знову зміщується на λ/4, але в її місце зміщується пучність струму, відновлюючи провідність у проміжку, тобто. тут плазмова дуга відновлює провідність жили. Але оскільки навантажувальний кінець лінії відкритий, то хвиля, що стоїть, відновлюється в колишньому вигляді (рис.2, в). Температура у місці відновленої в такий спосіб ділянки зростає, а внаслідок теплопередачі збільшує опір жили на сусідніх ділянках. У сусідніх пучностях струму виділяється підвищене тепло, що призводить до перепалювання жили праворуч і зліва на λ/4 від місця першого ушкодження, і в ці місця зміщується пучність напруги рис.2, ст. Відбуваються первинний пробій проміжків, їх розігрів і сильна іонізація в капсулах, що утворюються. У цей час раніше запалена дуга підтримується або струмом, або напругою (поперемінно принаймні наступних пошкоджень лінії), і відбувається посилене нагрівання на сусідніх ділянках аж до оплавлення, і далі процес розвивається, як показано на рис.2, г-ж по всій довжині кабелю. Ми бачимо, що стояча хвиля енергію переносить (але не в навантаження) і виділяє її на організованих нею "навантаженнях", розташованих з кроком λ/4, у вигляді оплавлень центральної жили. Причому за порівняно малої потужності генератора в пучності виникають дуже великі значення струму і напруги. Додавання цих розщеплених величин відбувається за рахунок інерції іонізованих проміжків (іонізація в капсулах зберігається досить довго). У розглянутому вище випадку з кабелем РК-75-11 при 18 ушкодженнях із зазором у середньому 3 мм такий сумарний проміжок становив близько 50 мм.
Використовувати енергію стоячої хвилі можна, якщо винести місця утворення пучностей з передачі потужності на її кінці. Тому розглянемо чвертьхвильову лінію окремо. На рис.3,а показана така лінія, узгоджена з джерелом потужності та навантаженням. Це так званий чвертьхвильовий трансформатор лінії, який трансформує опір навантаження у вхідний опір лінії. Тепер розглянемо режими крайнього неузгодженості в рамках запропонованої раніше моделі і замінимо навантаження зварювальним ланцюгом, що складається з тримача електрода і електрода у вигляді деталі, що зварюється як ключ з іонізацією проміжку між контактами. На рис.3,б зображено випадок розриву навантаження при рознесенні електродів на відстань, при якому відбувається розрив дуги, тоді напруга на кінці електрода утворює пучність з подальшим пробоєм проміжку, розрядом пучності та утворенням хмари. На рис.3, показаний випадок замикання навантаження, при якому відбувається гасіння дуги і "залипання" електрода на деталі, що зварюється. У такому разі напруга падає до нуля (теоретично), але струм електрода досягає дуже великих значень і перепалює міст, що замикає, а надалі інтенсивно оплавляє електрод до досягнення нормального режиму. На рис.3,г показаний випадок нормального режиму, це класичний випадок передачі потужності в режимі хвилі, що біжить на узгодженому навантаженні, причому умови узгодження нам теж відомі. Відомо, що дуга горить при напрузі приблизно 20 В, а струм у ній визначається перетином електрода, що застосовується. Розділивши за законом Ома напругу на струм, отримаємо опір навантаження, яке має бути рівно хвильовому опору лінії. Слід зазначити, що для стандартних коаксіальних кабелів цей опір замало, і необхідно розробити спеціальні кабелі. Прийде збільшити перетин центральної жили кабелю, так як при струмах менше 40 А дуга горить нестійко і не створює температури, достатньої для плавлення сталі. З полегшують конструювання моментів слід зазначити такі. Чвертьхвильовий трансформатор створює майже ідеальні умови збудження і горіння дуги, еквівалентні крутопадаючій характеристиці у звичайних зварювальних трансформаторах, що реалізується зазвичай перенесенням робочої точки трансформатора на межу насичення сердечника, що надзвичайно неекономічно і створює величезні перешкоди в освітлювальній мережі (при насичені досягають сотень ампер, що виділяється теплова потужність вимірюється кіловатами). При чвертьхвильовому електрозварюванні підтримка дуги відбувається чергуванням та поєднанням всіх трьох режимів роботи чвертьхвильової лінії, оскільки живлення зварювального ланцюга від джерела потужності, швидше за все, доведеться здійснити через узгоджуючий трансформатор від генератора, що працює на підвищених частотах. Можна за допомогою такого чвертьхвильового трансформатора унеможливити режим замикання навантаження генератора, що дозволить застосувати транзисторні схеми перетворювачів. Справа в тому, що КЗ у навантаженні, включеному через чвертьхвильовий трансформатор, передається на вхід лінії у вигляді високого опору. Але при обриві зварювального ланцюга навантаження для генератора аналогічне КЗ. Але ми маємо величезний запас напруги на електродах. Цю напругу необхідно обмежити на якомусь рівні з міркувань безпеки. Обмежуючи напругу на розімкнених зварювальних електродах, ми одночасно зменшуємо пікове навантаження на генератор і можемо побудувати оптимізовану систему з потужністю всього кілька сотень ват, за ефективністю аналогічну багатокіловатному апарату в класичній реалізації. Теоретично існує можливість чвертьхвильового електрозварювання і на частоті 50 Гц, але це дуже дорого. Тому частоту слід підняти хоча б кілька мегагерц. Взагалі, чим вища частота, тим простіше і компактніше може вийти конструкція, але починає проявлятися скін-ефект, який знизить глибину зварювання, а на НВЧ це перетвориться на "генератор феєрверків". Я пропоную чвертьхвильове електрозварювання тільки для листового матеріалу, у цьому випадку воно може замінити апарати типу КЕМП. Скін-ефект корисний тим, що може очищати поверхню металу від оксидних плівок. Ця плівка зазвичай діелектрична і має кристалічну структуру, а під нею виникає область підвищеного опору для поверхневих струмів, що викликатиме місцевий прогрів під плівкою та на її межах, а різниця температур при цьому руйнуватиме структуру оксидної плівки (плівка сколюватиметься з поверхні металу), що може бути альтернативою флюсів для зварювальних електродів. Говорячи про практичну реалізацію, слід зазначити, що фізична довжина чвертьхвильової лінії в коаксіальному виконанні має значне укорочення (на відміну від звитих проводів), а зварювальні кабелі виконують роль настроювального шлейфу, що подовжує лінію так, щоб чвертьхвильовий відрізок закінчувався якраз.
У звичайному включенні коаксіальної лінії (рис.4,а) її хвильовий опір ρ дорівнює хвильовому опору кабелю Z. Хвильовий опір кабельної лінії бажано зменшувати (застосовувати, наприклад, стандартні 50-омні кабелі). Якщо підключити обплетення кабелю паралельно до центральної жили, як показано на рис.4,б, то можна зменшити опір лінії в 2 рази. Обплетення кабелю зазвичай має значний переріз по міді, що перевищує перетин центральної жили, хоча струми по них протікають однакові. Я пропоную використовувати обплетення кабелю як вторинну обмотку вихідного трансформатора генератора. Можна поєднати вихідний трансформатор генератора і чвертьхвильовий трансформатор лінії (рис.4,в), тобто можна просто намотати вторинну обмотку коаксіальним кабелем, який становить чвертьхвильову лінію. Оскільки схема рис.4, резонансна, то можна очікувати передачу енергії магнітного поля трансформатора генератора електромагнітному полю коаксіальної лінії. На рис.4,г показана схема звичайного включення чвертьхвильової лінії. Тут навантаження трансформатора по обплетенню кабелю можна отримати, застосувавши навантажувальний резистор R, а також розглянуту конструкцію раніше кабелю. Особливо зручно в цій конструкції те, що один кінець лінії заглушений, але його доведеться швидше охолоджувати. Автор: Ю.П.Саража
Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами
05.05.2024 Приміальна клавіатура Seneca
05.05.2024 Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія
04.05.2024
▪ Шимпанзе як вершина еволюції ▪ Розумний стоп-сигнал для велосипедів ▪ Вплив какао на розумову працездатність ▪ Кінцевий стереофонічний підсилювач soulution 511 ▪ Nestle збільшує споживання вітряної електроенергії
▪ Розділ сайту Електроживлення. Добірка статей ▪ стаття З'єднання кінців пневмошланга. Поради домашньому майстру ▪ стаття Складане брезентове відро. Поради туристу ▪ стаття Пожежна безпека у побуті. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Нагріємо повітря. Фізичний експеримент
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page