4. Условия устойчивости горения разряда

Как следует из уравнения (6), при горении тлеющего разряда часть напряжения источника тока падает в трубке U_Р, остальное напряжение на балластном сопротивлении U_Б. Полное падение напряжения в электрической цепи будет U = U_Р + U_Б, и оно должно быть равно приложенному внешнему напряжению источника тока U_ист, т.е.

Рис.8.

U_ип = U_Р + U_Б. (12)

На рисунке 8 построены графики зависимости U_Б = f₁ (I), U_Р = f₂ (I), U_ИП = f₃ (I), U = f (I). Как видно из рисунка, условию (8) удовлетворяют точки А и В, соответствующие I_A и I_B.

Рассмотрим состояние, соответствующее точке А. В процессе горения разряда возможны значительные флуктуации тока, обусловленные эмиссией заряженных частиц на катоде. Так, при уменьшении силы тока менее I_A напряжение источника тока U_ИП становится меньше напряжения U, необходимого для устойчивого горения ТР. Это приводит к дальнейшему снижению тока вплоть до полного прекращения горения. И наоборот, при случайном увеличении силы тока более I_А, требуемое для горения ТР напряжение убывает, поэтому в электрической цепи создается избыток напряжения. За счет этого избыточного напряжения сила тока продолжает расти до значения I_B, соответствующего точке В. При дальнейшем увеличении тока напряжение U_ип для поддержания этого роста станет недостаточным и ток уменьшится до значения I_B. В случае уменьшения тока возникает избыток напряжения и ток восстанавливается до значения I_B. Таким образом, непрерывное горение ТР реализуется при значении силы тока I_B, а состояние, соответствующее точке А, является неустойчивым.

Недостатком рассмотренной системы питания плазмотронов ТР является то, что на балластном сопротивлении теряется значительная (от 23% до 42%) часть мощности источника тока, следовательно, снижается к.п.д. установки, что не всегда приемлемо по экономическим показателям. Поэтому для питания плазмотронов ТР конкретного технологического назначения (лазеры) преимущественное применение получили источники постоянного тока с круто падающими вольтамперными характеристиками. Они представляют собой выпрямители, собранные на тиристорах, с регулируемым углом открывания тиристоров относительно начала синусоиды напряжения. Тиристоры одновременно выполняют функции выпрямления и регулирования силы тока, а при введении обратных связей формируют необходимые вольтамперные характеристики источника питания. Условия непрерывности горения ТР в плазмотроне реализуется при U_ИП = U_Р и не отличаются от вышеописанного случая.

Конструкции дуговых плазмотронов.

Плазмотроны отличаются технологическими возможностями и насыщенностью техническими решениями. Факторы, влияющие на конструктивные особенности плазмотронов, можно представить в виде разветвленной схемы (Рис. 1).

Рис. 1. Факторы влияющие на конструкцию плазмотронов

В общем виде, основными элементами дуговых плазмотронов являются: 1) электрододержатель с электродом,

2) камера для плазмообразования,

3) плазмообразующее сопло, формирующее сжатую дугу или плазменную струю,

4) изолятор, разделяющий электродный узел от плазмообразующего сопла,

5) вспомогательные системы, обеспечивающие подачу плазмообразующего, фокусирующего и защитного газов, а также охлаждающей жидкости.

При разработке плазмотронов должны учитываться не только факторы, приведенные на схеме (Рис. 1), но и целый ряд других, таких как мощность (или максимальный ток), надежность, срок службы отдельных элементов, способы токоподвода, способы возбуждения сжатой дуги, воспроизводимость и управляемость параметрами сжатой дуги или плазменной струи и др.

Общими требованиями при конструировании плазмотронов являются:

1) достаточная мощность и широкий диапазон регулирования параметров ТП;

2) создание оптимальных характеристик сжатой дуги и обеспечение их постоянства в процессе работы;

3) обеспечение многократного, стабильного возбуждения сжатой дуги (плазменной струи);

4) надежность и значительный ресурс работы отдельных элементов плазмотрона;

5) простота конструкции, обслуживания и эксплуатации;

6) минимальные габариты и масса, обеспечивающие возможность обратботки труднодоступных мест изделия;

7) возможность восстановления плазмотронов при отработке ими ресурса или аварийном выходе из строя.