Вольтамперная характеристика плазмотрона

Важной электрической характеристикой дугового разряда является вольтамперная характеристика (ВАХ), т.е. зависимость напряжения горения дуги U_А от силы тока J. На вид ВАХ U_А = f(J) существенное влияние оказывают давление в разрядной трубке, расход и свойства плазмообразующего газа, форма и размеры дугового канала плазмотрона. Поэтому зависимость U_А = f(J) является не только характеристикой дуги, но и плазмотрона в целом.

Для однокамерных плазмотронов с вихревой подачей плазмообразующего газа зависимость U_А = f(J) приближенно записывается в виде:

,

где G – массовый расход плазмообразующего газа; d - диаметр разрядной камеры канала плазмотрона; р - давление газа в канале; k₁, ₁, ₂, ₃, ₄ – постоянные конкретных конструкций плазмотронов.

В зависимости от значений J, G, d, p – вольтамперная характеристика плазмотрона может быть падающей или восходящей, т.е. с увеличением силы тока, напряжение горения дуги может уменьшаться или увеличиваться. Получение восходящей ВАХ требует сильного обжатия дуги потоком плазмообразующего газа или стенками канала. Практически почти всегда формируются падающие вольтамперные характеристики плазмотронов. Поэтому непрерывное горение дуги в плазмотронах организуется применением источника тока с круто падающей и регулируемой внешней характеристикой или путем введения в электрическую цепь дуги балластного реостата (балластного сопротивления).

Электрическая цепь с балластным сопротивлением (рисунок 1) является наиболее простой и универсальной системой питания плазмотронов. Она позволяет изменять энергетические и эксплуатационные параметры плазмотронов в широком диапазоне значений, является удобным средством для изучения устойчивой работы системы, состоящей из источника постоянного тока, балластного реостата R_Б и плазмотрона.

Рис.1.

К – катод, А – анод, ВК – вихревая камера с тангенциальной подачей рабочего газа, G – расход газа, РК – разрядная камера, СП - струя плазмы, Н₂О – охлаждающая элементы плазмотрона вода, ИП – источник питания плазмотрона, А – амперметр и V₁ и V₂ - вольтметры.

Закон Она для электрической цепи питания плазмотрона записывается в виде

, (1)

где и r - электродвижущая сила и внутреннее сопротивление источника; R_Б и R_Д – сопротивление балластного реостата и электрической дуги.

Уравнение (1) может быть представлено в более удобном для анализа виде:

. (2)

Здесь - напряжение источника тока U_ИП; JR_Б = U_Б - падение напряжения на балластном сопротивлении R_Б; JR_Д = U_Д - напряжение горения электрической дуги.

Типичные зависимости U_ИП, U_Б, U_Д от силы тока J приведены на рисунке 2.

Приведенные зависимости представляют собой законы Ома для отдельных участков электрической цепи, показанной на рисунке 1. Участок 1-2 составляет источник тока, где сосредоточена э.д.с. цепи. Сила тока на этом участке согласно закону Ома определяется уравнением

(3)

Рис. 2.

Из уравнения (3) следует

. (4)

Э.д.с. источника тока не зависит от силы тока, следовательно, зависимость U_ИП = f(J) является линейной. Однако в нашем случае, когда в качестве источника используется выпрямитель трехфазного переменного тока, зависимость U_ИП = f(J) является более сложной. В первом приближении можно принять в виде

. (5)

Таким образом, ВАХ источника тока (рис.2а) имеет нелинейный падающий характер.

На участке 2-3 электрической цепи установлен балластный реостат, который служит для регулирования тока в цепи.

По конструкции балластный реостат представляет собой сосуд, наполненный слабым водным раствором солей (например, NaCl). К сосуду на шарнире с рукояткой прикреплен стальной лист. При вращении рукоятки изменяется глубина погружения листа и это влечет за собой соответствующее изменение сопротивления. Так как R_Б является чисто активным сопротивлением, то зависимость U_Б = f(J) имеет линейный характер (рис.2б).

На участке 4 - 5 (рис.1) расположен плазмотрон.

Физика формирования падающей вольтамперной характеристики дуги U_Д = f(J) (рис.2в) может быть представлена следующим образом. Электрическая дуга - это самоподдерживающийся разряд, способный обеспечивать протекание неограниченно больших токов за счет своих внутренних процессов. С физической точки зрения можно выделить внутренние процессы, происходящие на катоде, аноде и в пространстве между ними. Соответственно различают три характерные области падения потенциала по длине дугового разряда.

Непосредственно к катоду прилегает область катодного падения потенциала U_K, которая характеризуется напряженностью электрического поля 10⁶ - 10⁷В/м. Вследствие малой протяженности l_K (порядка средней длины свободного пробега электронов) падение потенциала в ней равно потенциалу ионизации молекул рабочего газа.

К положительному электроду примыкает область анодного падания потенциала U_А. Протяженность области l_А порядка нескольких длин свободного пробега электронов. Значение U_А составляет несколько вольт.

Приэлектродные области разряда соединяются однородным по структуре проводящим каналом, который называется положительным столбом электрической дуги. Для всех видов электрических разрядов положительный столб характеризуется относительно низкой и приблизительно постоянной напряженностью электрического поля по длине канала. Поэтому напряжение горения дуги в первом приближении может быть определено уравнением

U_Д = U_K + U_А + E l_ПС, (6)

где Е и l_ПС - напряженность электрического поля и длина положительного столба дуги.

Уравнение (6) c учетом закона Ома принимает вид

, (7)

где и S - электропроводность и площадь поперечного сечения положительного столба разрядной камеры (РК).

Для дуги, стабилизированной потоком газа, сумма (U_K + U_А) и l_ПС слабо зависят от тока, поэтому вид вольтамперной характеристики в основном определяется зависимостью и S от J.

При увеличении силы тока диаметр столба и температура газа возрастают. Газ становится электропроводным при температуре около 5000К. В дальнейшем его электропроводность резко возрастает. Начиная с температуры 10 000К, электропроводность газа растет при увеличении температуры в меньшей степени. Из приведенных формул и графиков следует, что с ростом силы тока напряжение горения дуги уменьшается, т.е. формируется падающая ВАХ. При дальнейшем увеличении J рост диаметра положительного столба ограничивается стенками канала плазмотрона и потоком газа. Поэтому ври высоких значениях плотности тока создаются условия для формирования восходящей вольтамперной характеристики плазмотрона.