电源-电弧系统稳定性优化方法

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：“电源-电弧”系统稳定有以下两个方面的含义：1）无干扰时，能在给定负载电压和焊接电流下，保证电弧的稳定燃烧，系统保持静态平衡状态。满足“电源-电弧”系统稳定性的要求是电源外特性选择的必要条件，同时所选择的外特性形状还需要满足各种焊接工艺特点对电源外特性形状的要求。图2-24 “电源-电弧”系统稳定条件表2-1 常用焊接电弧静特性与弧焊电源外特性

弧焊电源与电弧构成供电-用电系统。为了保证焊接电弧稳定燃烧和焊接参数稳定，必须保证“电源-电弧”系统的稳定。

“电源-电弧”系统稳定有以下两个方面的含义：

1）无干扰时，能在给定负载电压和焊接电流下，保证电弧的稳定燃烧，系统保持静态平衡状态。

2）当系统受到瞬时干扰，破坏了系统原有的静态平衡时，负载电压和焊接电流发生变化；当干扰消失后，系统能够自动恢复到原来的平衡状态或者达到新的平衡状态。

系统处于静态平衡就是系统有一个静态工作点，即电源外特性曲线U_y=f（I_y）与电弧静特性曲线U_f=f（I_f）的交点。图2-23a、b中电源外特性与电弧静特性均相交于A₀点，A₀是系统的一个静态工作点。在系统的工作点A₀，U_y和I_y分别等于电弧稳定时的电弧电压U_f和焊接电流I_f，即U_y=U_f，I_y=I_f。

但是在实际焊接过程中，由于操作的不稳定，工件表面的不平整，电网电压的波动等因素的影响，都会破坏系统的平衡。

如图2-23a所示，如果系统受到某种干扰以后，焊接电流减小了ΔI_f，电源工作点移至B₁，电弧的工作点移至B₂，此时，U_yB1＞U_fB2，即供大于求，这就使电流增加，从而使由于干扰引起的焊接电流偏移量ΔI_f减小，直至恢复到原来的系统平衡点A₀。同理，如果系统受到某种干扰以后，使焊接电流增加了ΔI_f，系统也能自动恢复到原来的平衡点A₀。

在图2-23b所示系统中，如果系统受到某种干扰以后，焊接电流减小了ΔI_f，使电源工作点移至B₁，电弧的工作点移至B₂，此时，U_yB1＜U_fB2，即供小于求，这就使焊接电流继续降低，最终将使电弧熄灭。

图2-23 “电源-电弧”系统稳定原理图

a）稳定系统 b）不稳定系统

可见，系统稳定的条件是特性U_y=f（I_y）与特性U_f=f（I_f）有交点，并且在交点的左边保证U_y＞U_f，在交点的右边保证U_y＜U_f。

系统稳定的条件也可以应用数学的方法来进行分析，分析的结果如图2-24所示：电弧静特性曲线在工作点的斜率（∂U_f/∂I=α_a）必须大于电源外特性曲线在工作点的斜率（∂U_y/∂I=α_p）。

系统稳定的程度可以由系统的稳定系数K_w来表示：

或者 K_w=tanα_a-tanα_p

当K_w＞0时，系统稳定。K_w越大，系统越稳定。

由此可见，当电弧的静特性曲线形状一定时，系统的稳定性取决于电源的外特性曲线形状。也就是说，要保证“电源-电弧”系统的稳定，必须根据电弧的静特性曲线形状确定合适的弧焊电源的外特性曲线形状。表2-1是常用焊接电弧的静特性与相应的弧焊电源外特性形状对照表。

弧焊电源外特性的形状不仅仅与焊接电弧的静特性形状有关，而且还与各种焊接工艺方法的特点有关。满足“电源-电弧”系统稳定性的要求是电源外特性选择的必要条件，同时所选择的外特性形状还需要满足各种焊接工艺特点对电源外特性形状的要求。例如表2-1列出的埋弧焊（SAW）、熔化极气体保护焊（GMAW）可以选用平特性也可以选用陡降特性，而最终选用哪种电源外特性与选用的具体焊接工艺特点有关。

图2-24 “电源-电弧”系统稳定条件

表2-1 常用焊接电弧静特性与弧焊电源外特性

电源-电弧系统稳定性优化方法

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