|
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Четвертьволновая электросварка. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Сварочное оборудование Коротковолновикам-радиолюбителям и всем, кто когда-либо серьезно интересовался радиосвязью известно, что стоячие волны при больших уровнях мощности однозначное зло. Установившись в тракте передачи ВЧ мощности, стоячие волны способны натворить много бед. Например, вывести из строя усилитель мощности, пережечь кабель к антенне, сжечь антенное реле и т.п. Расскажу такую историю. Однажды мне понадобился отрезок 75-омного коаксиального кабеля длиной ровно 2 м. У меня хранилась бухта кабеля одним куском длиной 30 м. Я отрезал нужный кусок, разделал концы, проверил омметром обрыв центральной жилы. Решил, что раз кусок - с конца бухты, он может быть обломан. Снова отрезал нужный кусок, разделал, проверил - опять обрыв центральной жилы. Подумал, что это кабель, бывший в употреблении, лежал где-то в аппаратной, и его могли перетоптать. Другой конец кабеля должен быть у антенны, там топтать некому. Отрезал кусок с другого конца бухты. То же самое - обрыв центральной жилы. Терпение у меня лопнуло, я вынес всю бухту во двор и начал ее кроить. Разрезав бухту на 17 кусков и не получив ни одного годного, решил идти в магазин и покупать новый кабель. По дороге я задумался о том, как можно пережечь кабель одновременно во многих местах. На постоянном токе обычно цепь перегорает в одном, самом слабом месте, другие места после этого уже не горят. Вернувшись домой с новым кабелем, я решил в кусках старого кабеля поснимать всю оплетку. После этого через полупрозрачную изоляцию были видны потемневшие места и обрывы жилы по 24 мм. Диаметр центральной жилы кабеля РК-75-4-11 равен 0,72 мм, чтобы пережечь такой провод нужен ток 21 А. Места пережогов располагались с определенной периодичностью - чуть меньше 1 м. Позже мне удалось выяснить, что поврежденный кабель эксплуатировали в составе радиостанции диапазона 54 МГц. Длина волны в кабеле составила 3,66 м (с учетом коэффициента укорочения 1,52). И тогда я понял, что кабель был "изрезан" на четвертьволновые отрезки по 0,915 м. В литературе четкого объяснения этого эффекта мне не удалось найти. И тогда я придумал подходящую модель, которую предлагаю ниже.
Исходные предпосылки (условные обозначения приведены на рис.1): 1) идеальная коаксиальная линия с равномерным распределением параметров по длине в режиме обрыва нагрузки; 2) изоляция между центральной жилой и оплеткой идеально электрически прочная и не может быть пробита никаким напряжением; 3) центральная жила обладает небольшим омическим сопротивлением и имеет способность повышать сопротивление в месте нагрева, равномерно прогретая жила имеет равномерно распределенное сопротивление по всей длине; 4) центральная жила может пережигаться большим током в предварительно прогретом месте, в этом месте образуется капсула, заполненная парами металла жилы; 5) капсула в месте пережога пробивается и ионизируется повышенным напряжением, ионизация сохраняется длительное время в капсуле, а проводимость в ней увеличивается с ростом тока в ионизированном газе (дуга) и выделением тепла. Повторные пробои происходят при гораздо меньшем напряжении, чем первичные. На рис.1 а,б показаны графики распределения напряжений и токов по длине линии в режиме крайнего рассогласования (обрыв нагрузки или короткое замыкание - графики смещены на λ/4). При этом максимумы называются пучностями, а нулевые значения - узлами. На рис.1,в изображена идеализированная длинная коаксиальная линия в режиме стоячей волны (при обрыве нагрузки), где пучности тока и напряжения изображены в виде условных обозначений. Они чередуются с периодом λ/4, начиная от выходного конца, поскольку там происходит полное отражение волны. Линия запитывается от генератора, согласованного с линией по передаче мощности. В пучностях тока происходит равномерный прогрев участков линии. При этом на данном участке повышается сопротивление и может произойти оплавление жилы и образование капсулы, заполненной парами металла. Реально вследствие неравномерного распределения параметров кабеля оплавление центральной жилы не может произойти во всех пучностях тока одновременно.
Поэтому введем неоднородность в линию. Такой неоднородностью может быть производственный дефект (уменьшение сечения жилы в определенном месте вмятина, вкрапление). Итак, например, в пучности за 3λ/4 от открытого конца линии произошел пережог (рис.2,а) и образовалась капсула, заполненная парами металла. Такой обрыв линии воспринимается как разрыв нагрузки, пучность напряжения смещается на λ/4, т.е. к месту первого обрыва и делает первичный пробой (рис.2,б). Ионизация в капсуле увеличивается, а сопротивление падает вследствие горения дуги. Пучность напряжения снова смещается на λ/4, а на ее место смещается пучность тока, восстанавливая проводимость в промежутке, т.е. в данном месте плазменная дуга восстанавливает проводимость жилы. Но поскольку нагрузочный конец линии открыт, то стоячая волна восстанавливается в прежнем виде (рис.2,в). Температура в месте восстановленного таким образом участка растет, а вследствие теплопередачи увеличивает сопротивление жилы на соседних участках. В соседних пучностях тока выделяется повышенное тепло, что приводит к пережиганию жилы справа и слева на λ/4 от места первого повреждения, и в эти места смещается пучность напряжения рис.2,в. Происходят первичный пробой промежутков, их разогрев и сильная ионизация в образующихся капсулах. В это время ранее зажженная дуга поддерживается либо током, либо напряжением (попеременно по мере следующих повреждений линии), и происходит усиленный нагрев на соседних участках вплоть до оплавления, и далее процесс развивается, как показано на рис.2,г-ж по всей длине кабеля. Мы видим, что стоячая волна энергию переносит (но не в нагрузку) и выделяет ее на организуемых ею же "нагрузках", расположенных с шагом λ/4, в виде оплавлений центральной жилы. Причем при сравнительно малой мощности генератора в пучностях возникают весьма большие значения тока и напряжения. Сложение этих расщепленных величин происходит за счет инерции ионизированных промежутков (ионизация в капсулах сохраняется довольно долго). В рассмотренном выше случае с кабелем РК-75-11 при 18 повреждениях с зазором в среднем 3 мм такой суммарный промежуток составил около 50 мм.
Использовать энергию стоячей волны можно, если вынести места образования пучностей из линии передачи мощности на ее концы. Поэтому рассмотрим четвертьволновую линию отдельно. На рис.3,а показана такая линия, согласованная с источником мощности и нагрузкой. Это так называемый четвертьволновый трансформатор на линии, который трансформирует сопротивление нагрузки во входное сопротивление линии. Теперь рассмотрим режимы крайнего рассогласования в рамках предложенной ранее модели и заменим нагрузку сварочной цепью, состоящей из держателя электрода и электрода в виде свариваемой детали как ключ с ионизацией промежутка между контактами. На рис.3,б изображен случай разрыва нагрузки при разносе электродов на расстояние, при котором происходит разрыв дуги, тогда напряжение на конце электрода образует пучность с последующим пробоем промежутка, разрядом пучности и образованием ионизированного облака. На рис.3,в показан случай замыкания нагрузки, при котором происходит гашение дуги и "залипание" электрода на свариваемой детали. В таком случае напряжение падает до нуля (теоретически), но ток электрода достигает очень больших значений и пережигает замыкающий мост, а в дальнейшем интенсивно оплавляет электрод до достижения нормального режима. На рис.3,г показан случай нормального режима, это классический случай передачи мощности в режиме бегущей волны на согласованной нагрузке, причем условия согласования нам тоже известны. Известно, что дуга горит при напряжении примерно 20 В, а ток в ней определяется сечением применяемого электрода. Разделив по закону Ома напряжение на ток, получим сопротивление нагрузки, которое должно быть равно волновому сопротивлению линии. Следует отметить, что для стандартных коаксиальных кабелей это сопротивление мало, и необходимо разработать специальные кабели. Придется увеличить сечение центральной жилы кабеля, так как при токах менее 40 А дуга горит неустойчиво и не создает температуры, достаточной для плавления стали. Из облегчающих конструирование моментов следует отметить следующие. Четвертьволновый трансформатор создает почти идеальные условия возбуждения и горения дуги, эквивалентные крутопадающей характеристике в обычных сварочных трансформаторах, реализуемой обычно переносом рабочей точки трансформатора на границу насыщения сердечника, что чрезвычайно неэкономично и создает огромные помехи в осветительной сети (при насыщении сердечника обычного СТ импульсы тока первичной обмотки достигают сотен ампер, выделяемая тепловая мощность измеряется киловаттами). При четвертьволновой электросварке поддержание дуги происходит чередованием и сочетанием всех трех режимов работы четвертьволновой линии, поскольку питание сварочной цепи от источника мощности, скорее всего, придется осуществить через согласующий трансформатор от генератора, работающего на повышенных частотах. Можно с помощью такого четвертьволнового трансформатора исключить режим замыкания нагрузки генератора, что позволит применить транзисторные схемы преобразователей. Дело в том, что КЗ в нагрузке, включенной через четвертьволновый трансформатор, передается на вход линии в виде высокого сопротивления. Но при обрыве сварочной цепи нагрузка для генератора аналогична КЗ. Но мы имеем огромный запас по напряжению на электродах. Это напряжение необходимо ограничить на каком-то уровне по соображениям безопасности. Ограничивая напряжение на разомкнутых сварочных электродах, мы одновременно уменьшаем пиковую нагрузку на генератор и можем построить оптимизированную систему с мощностью всего в несколько сотен ватт, по эффективности аналогичную многокиловаттному аппарату в классической реализации. Теоретически существует возможность четвертьволновой электросварки и на частоте 50 Гц, но практически это очень дорого. Поэтому частоту следует поднять хотя бы до нескольких мегагерц. Вообще, чем выше частота, тем проще и компактнее может получиться конструкция, но начинает проявляться скин-эффект, который снизит глубину сварки, а на СВЧ это превратится в "генератор фейерверков". Я предлагаю четвертьволновую электросварку только для листового материала, в этом случае она может заменить аппараты типа КЭМП. Скин-эффект полезен тем, что способен очищать поверхность металла от оксидных пленок. Эта пленка обычно диэлектрическая и имеет кристаллическую структуру, а под ней возникает область повышенного сопротивления для поверхностных токов, что будет вызывать местный прогрев под пленкой и на ее границах, а разность температур при этом разрушать структуру оксидной пленки (пленка будет скалываться с поверхности металла), что может быть альтернативой флюсам для сварочных электродов. Говоря о практической реализации, следует отметить, что физическая длина четвертьволновой линии в коаксиальном исполнении имеет значительное укорочение (в отличие от свитых проводов), а сварочные кабели выполняют роль настроечного шлейфа, удлиняющего линию так, чтобы четвертьволновой отрезок заканчивался как раз на конце сварочного электрода.
В обычном включении коаксиальной линии (рис.4,а) ее волновое сопротивление ρ равно волновому сопротивлению кабеля Z. Волновое сопротивление кабельной линии желательно уменьшать (применять, например, стандартные 50-омные кабели). Если подключить оплетку кабеля параллельно центральной жиле, как показано на рис.4,б, то можно уменьшить сопротивление линии в 2 раза. Оплетка кабеля обычно имеет значительное сечение по меди, превышающее сечение центральной жилы, хотя токи по ним протекают одинаковые. Я предлагаю использовать оплетку кабеля в качестве вторичной обмотки выходного трансформатора генератора. Можно совместить выходной трансформатор генератора и четвертьволновой трансформатор на линии (рис.4,в), т.е можно просто намотать вторичную обмотку коаксиальным кабелем, который составляет четвертьволновую линию. Поскольку схема рис.4,в резонансная, то можно ожидать передачу энергии магнитного поля трансформатора генератора электромагнитному полю коаксиальной линии. На рис.4,г показана схема обычного включения четвертьволновой линии. Здесь нагрузку трансформатора по оплетке кабеля можно получить, применив нагрузочный резистор R, а также рассмотренную ранее конструкцию кабеля. Особенно удобно в этой конструкции то, что один конец линии заглушен, но его придется, скорее всего, охлаждать. Автор: Ю.П.Саража
Экраны влияют на детей неравномерно в разном возрасте
01.08.2026 Умные жилеты, спасающие от жары
01.08.2026 Летающие ветротурбины 3 МВт вышли в серию
31.07.2026
▪ Морская вода заменит в аккумуляторах тяжелые металлы ▪ Новый чипсет для аудиоусилителей класса D ▪ Новый IEEE 802.15.4 трансивер CC2520 для сетей ZigBee
▪ раздел сайта Детская научная лаборатория. Подборка статей ▪ статья Тимирязев Климент Аркадьевич. Знаменитые афоризмы ▪ статья Работа на ножевых фальцевочных машинах. Типовая инструкция по охране труда ▪ статья Позывные любительских радиостанций. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники ▪ статья УКВ конвертер на 144 МГц. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте
www.diagram.com.ua |
Смотрите другие статьи раздела 
Последние новости науки и техники, новинки электроники: