Источники питания для плазменных процессов. Часть 1

Плазма - это газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, общий заряд которых равен нулю, т. е. это четвертое состояние вещества. Для плазменной обработки металлов используется концентрированный источник нагрева - плазменная (сжатая) дуга или плазменная струя.

Устройство, обеспечивающее формирование таких источников тепла, называют плазмотроном, или плазменной горелкой. Несмотря на разнообразие конструкций плазмотронов, принцип действия их одинаков. Он основан на принудительном охлаждении и сжатии дуги соплом и потоком газа или жидкости.

Применяют два типа плазмотронов: с дугой прямого действия и с дугой косвенного действия. В обоих типах одним из электродов служит тугоплавкий стержень (в большинстве случаев вольфрамовый или гафниевый и подоб.

В плазмотронах с дугой прямого действия анодом является обрабатываемое изделие, сопло же электрически нейтрально и служит для сжатия и стабилизации столба дуги. Газ (плазмообразующий), поступающий в плазмотрон, через его корпус, а входит через канал сопла, нагревается и ионизируется. Наружный слой остается относительно холодным и образует электрическую и тепловую изоляцию между потоком плазмы и каналом сопла. Этим сопло предохраняется от разрушения. Кроме того, наружный слой газа охлаждает столб дуги, что приводит к его сжатию. Такой источник нагрева получил название сжатой дуги прямого действия, имеющей высокую температуру. Температура столба дуги (20000ºС) и кинетическая энергия плазмы используются для резки и сварки.

В плазмотронах с дугой косвенного действия дуга возбуждается между электродом и соплом (а не изделием). Анодное пятно обычно располагается на внутренней стенке канала сопла и перемещается по ней.

Плазмообразующий газ, проходя через столб дуги, нагревается, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде струи. Такой источник нагрева получил название плазменной струи.

В плазмотронах с дугой косвенного действия тепловая энергия передается от дуги к изделию лишь струей плазмы, нагреваемой в столбе. Такой источник нагрева применяется для обработки неэлектропроводных материалов, при металлизации.

В плазмотронах с дугой прямого действия в обрабатываемое изделие вводится еще тепло за счет электронного потока. КПД сжатой дуги выше, чем КПД плазменной струи.

Возбуждение дуги между электродом и изделием через канал сопла затруднено. Поэтому сначала возбуждается вспомогательная дуга между электродом и соплом; дуга питается от того же источника через токоограничительное сопротивление. После того как факел этой дуги коснется изделия, зажигается основная дуга. Подача плазмообразующего газа в плазмотрон может выполняться аксиально (осевая подача) - газ идет вдоль электрода, или тангенциально (вихревая подача) - газ двигается по спирали, омывая столб дуги вихревым потоком, независимо от типа плазмотрона.

Источники питания для плазменных процессов. Часть 2

С точки зрения стабильности горения дуги и стабильности технологического процесса оптимальными внешними характеристиками источников являются крутопадающие (даже вертикальные). При сварке и наплавке плазмотроны удовлетворительно работают от стандартных сварочных источников питания с падающими характеристиками.

При включении мощных плазмотронов (например, при резке больших толщин) ток должен нарастать до рабочего значения плавно или ступенчато. Плавное нарастание тока можно осуществить при использовании специальных источников тока или генераторов. Применяя выпрямители или трансформаторы, целесообразно выполнять автоматическое ступенчатое нарастание тока с помощью переключаемых сопротивлений.

Кроме специальных, источники питания плазмотронов должны отвечать ряду общих требований: иметь возможно минимальный вес и габариты, высокие КПД.

При отсутствии специальных источников плазменную установку можно укомплектовать стандартными источниками питания для дуговой сварки: трансформаторами, выпрямителями, генераторами. При этом необходимо соблюдать ряд требований.

Следует подбирать однотипные источники питания с падающими характеристиками. Поскольку их номинальный ток рассчитан на продолжительность работы (ПР) не более 65 %, то при длительной работе ток нагрузки необходимо уменьшить.

Нормальное рабочее напряжение плазмотрона превышает напряжение источника, поэтому возникает необходимость в последовательном соединении двух или трех однотипных источников. При сварке сжатой дугой в аргоне можно обойтись одним источником.

Для обеспечения нормальной работы плазмотрона в дополнение к стандартным источникам должна быть смонтирована схема управления, включающая вспомогательные блоки: зажигания дуги, защиты плазмотрона, подачи газа и т. п.

При использовании, например, трансформаторов типа СТШ-500 они соединяются в трехфазную схему с выпрямительным мостом на кремниевых вентилях.

Из специальных мощных источников питания сжатой дуги следует отметить выпрямитель ИПГ-500, выпрямитель ИПР-12/600, входящие в комплект установок плазменной сварки, резки и наплавки.

Выпрямители ИПГ-500 и ИПР-120/600 выполнены по схеме с дросселями насыщения. Дроссель насыщения ИПР-120/600 имеет внутреннюю обратную связь, а ИПГ-500 без нее. Схема ИПР-120/600 более совершенная, благодаря применению дополнительных обратных связей (положительной по напряжению и отрицательной по току), внешние характеристики выпрямителя отличаются высокой крутизной, неизменной в широком интервале рабочих токов и напряжений.

Выпрямитель ИПГ-500 по сравнению с ИПР-120/600 имеет более простую схему и обладает меньшей инерционностью.

Для питания установок плазменного напыления и наплавки типа УПУ-3 и подобных разработан и серийно выпускается выпрямитель ИПН-160/600.

В качестве источников питания при сварке сжатой дугой используются типовые источники питания, применяемые при дуговой сварке. Например, в комплект установки для сварки, наплавки УПНС-304 входит выпрямитель ВД-306.