Вольт-амперные характеристики (ВАХ) дуги и источника конечной мощности представлены на рис. 12.1.

ВАХ дуги и источника пересекаются в двух характерных точках (1 и 2). Рассматриваемую характеристику можно разбить на 3 зоны :

• 0 - 1 - зона устойчивого гашения дуги,

• 1 - 2 - зона горения дуги,

• 2 вправо - зона ограничения тока.

Зажигание дуги осуществляется при токе КЗ (I_к), точка 1 соответствует неустойчивому горению дуги (I₁).

Рисунок 12.1 – Вольт-амперные характеристики дуги и источника питания

Устойчиво дуга может гореть только в точке 2 (I₂).

В точке 1 любое увеличение тока дуги увеличивается до предельного значения (I₂).

Правее точки 2 горение дуги невозможно.

На нижнем рисунке представлено распределение мощностей при горении дуги:

• Р_д - мощность горения дуги;

• Р_б - мощность, выделяемая на балластном сопротивлении, предназначенном для ограничения тока дуги;

• Р_р - запас мощности регулирования.

Рисунок 12.2 – Волольт-амперные характеристики дyги и источника при регулировании нanряжения и балластного сопротивления

Мощность электрической дуги можно регулировать тремя основными способами.

1. Изменением напряжения питающей сети ( U _и ) при постоянном балластном со противлении (R_б).

Способ представлен на верхнем рис. 12.2.

Регулирование осуществляется за счет изменения напряжения (U_и2) и тока (I₂).

Напряжение источника можно изменить переключением числа витков трансформатора или тока возбуждения гeнepaтора.

2. Изменением балластного сопротивления (R_б) при неизменном напряжении источника (U_и).

Способ представлен на нижнем рис. 12.2.

Регулирование осуществляется за счет изменения тока (I₂).

При увеличении R_б ВАХ источника становится круче, точка устойчивого горения (2') смещается влево.

Способ менее экономичен чем предыдущий, так как источник, вырабатывая постоянную мощность, избыток ее при уменьшении мощности дуги рассеивает на балластном сопротивлении.

3. Воздействием на дугу различных факторов, в результате чего изменяются условия ее горения при постоянных значениях напряжения источника и сопротивления цепи.

Такими фaктoрами могут быть: магнитное поле, давление окружающей дyгy среды, напряженность электрического поля, атмосфера газа и др.

Условием непрерывного горения дуги переменного тока является соотношение

                                     (12.1)

где  - напряжение дуги, В;

 - амплитудное значение напряжения источника, В.

Способы зажигания дуги

В промышленных установках применяются 3 способа возбуждения дугового разряда:

1.  Импульсное касание электродов. В момент касания под напряжением в переходном контакте выделяется тепловая энергия, вызывающая расплавление участка электрода. При разведении электродов мостик из расплавленного металла взрывается. Под действием электрического поля между электродами горячие участки испускают электроны, увеличивающие ионизацию пространства. Возникает цепь тока через образовавшуюся плазму.

2. Взрыв проводника - проволочки малого сечения. Применяется при неподвижных электродах. Проволочка должна взрываться при токе, близком к номинальному току дуги. Материал проволочки должен иметь высокую температуру плавления, чтобы после ее взрыва температура продуктов взрыва была близкой к температуре плазмы дуги.

3. Высокочастотный высоковольтный пробой дугового промежутка. Для цели применяется осциллятор, схема которого представлена на рис. 12.3.

Рисунок 12.3 – Принципиальная электрическая схема осциллятора

Осциллятор - это преобразователь тока промышленной частоты низкого напряжения (60 - 220 В) в ток высокой частоты (150 - 500 кГц) высокого напряжения (3-8 кВ).

В его состав входят:

- Тр.l - повышающий трансформатор с выходом 3-8 кВ,

- Р. - разрядник искровой, контурный,

- Тр.2 - высокочастотный трансформатор,

- С_к, L_к - емкость и индуктивность колебательного контура (далее – КК).

КК предназначен для выделения из широкого спектpа частот, генерируемых искровым разрядом, частоты 150 - 500 кГц, необходимой для пробоя промежутка и безопасной для человека.

- L, С - индуктивности и емкости, препятствующие по паданию в сеть высокой частоты,

- С_б - емкость, препятствующая попаданию напряжения источника питания дуги в обмотку высокочастотного трансформатора,

- R - токоограничивающее сопротивление.

Электродуговые печи (ЭДП)

ЭДП применяются в различных отраслях промышленности и разделяются на 3 класса :

- дуговые печи прямого действия (ЭДППД),

- дуговые печи косвенного действия (ЭДПКД),

- дуговые печи сопротивления (ЭДПС).

ЭДППД предназначены, в основном, для выплавки высоколегированных сортов стали.

Обычно - это трехфазные печи.

Эскиз такой печи представлен на рис. 12.4-А.

Основными элементами печи являются:

- стальной кожух (7), внутри которого находится огнеупорная футеровка (6), а сверху - свод печи (4), через который введены электроды;

- электроды (3), которые могут перемещаться вертикально с помощью механизма подъема (2).

- вспомогательные устройства, предназначенные для наклона печи, ее загрузки, выгрузки и другие.

Принцип действия состоит в следующем.

Электрическая дуга горит между электродам и нагреваемым материалом (скрапом). Под действием температуры скрап расплавляется, и жидкий металл стекает в подину. В шихте образуются колодцы, в которые опускаются электроды до тех пор, пока они не достигнут расплавленного металла на подине печи.

При повышении уровня расплавленного металла электроды автоматически поднимаются, что предотвращает короткое замыкание.

Горящая дуга не стабильна, длина ее меняется от короткого замыкания до обрыва. Причиной этого является обвал и перемещение скрапа.

Рисунок 12.4 – Эскиз ЭДП прямого (А) косвенного (Б) действия

Горящая дуга не стабильна, длина ее меняется от короткого замыкания до обрыва. Причиной этого является обвал и перемещение скрапа.

Период расплавления считается законченным, когда весь металл в ванне печи перешел в жидкое состояние.

Образующиеся шлаки всплывают на поверхность и затем удаляются.

Ванна с металлом образует естественную нулевую точку трехфазной цепи, поэтому ЭДП оказывается включенной по трехпроводной системе трехфазного тока без «нулевого провода».

ЭДПКД предназначены для переплава цветных металлов и их сплавов, выплавки некоторых сортов чугуна и никеля.

Обычно - это однофазные печи.

Эскиз такой печи представлен на нижнем рис. 12.4-Б.

Основными элементами печи являются:

- стальной кожух (6), внутри которого находится огнеупорная футеровка (5), расположенный горизонтально;

- электроды (3), расположенные по оси цилиндрической ванны, которые перемещаются с помощью механизма подачи;

- вспомогательные устройства, предназначенные для непрерывного качания печи в процессе работы, ее загрузки (выгрузки) и другие.

Принцип действия состоит в следующем.

Электрическая дуга горит между электродами, расположенными над нагреваемым материалом. Теплообмен между электрической дугой и материалом осуществляется, в основном, за счет излучения.

Выделяемая энергия поглощается материалом, что приводит к его нагреванию и расплавлению.

Печь после расплавления части шихты работает с непрерывным качанием, осуществляемым электроприводом от реверсивного двигателя. При такой работе обеспечивается более равномерный нагрев футеровки печи, что повышает срок службы. Кроме того, нагретые прямым излучением дуги части футеровки периодически омываются и охлаждаются расплавленным металлом, более холодным, чем футеровка.

Одновременно улучшается качество металла за счет его перемешивания.

Подача электродов осуществляется автоматически или вручную.

Дуговые печи с косвенным нагревом имеют небольшую емкость, до 0,5 т.

Электрооборудование дуговых печных установок.