Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка
Рассмотрены с использованием компьютерной математической симуляции высоковольтные цепи управления током пучка сварочных пушек. Показано, что в случае применения автономного источника управляющего напряжения искровой пробой в эмиссионной системе сопровождается длительным (около 10 мс) полным открыван...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99400 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка / О.К. Назаренко, В.С. Ланбин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 26-30. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-99400 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-994002016-04-28T03:02:36Z Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка Назаренко, О.К. Ланбин, В.С. Научно-технический раздел Рассмотрены с использованием компьютерной математической симуляции высоковольтные цепи управления током пучка сварочных пушек. Показано, что в случае применения автономного источника управляющего напряжения искровой пробой в эмиссионной системе сопровождается длительным (около 10 мс) полным открыванием эмиссионной системы, что ведет к броску тока, нарушающему формирование сварного шва. При управлении током пучка с помощью автоматического смещения исключены такие опасные броски тока после искровых пробоев. High-voltage circuits for control of the welding gun beam current were studied using mathematical computer simulation. It is shown that in the case of using an independent control voltage source the spark breakdown in the emission system is accompanied by a long (about 10 ms) full opening of the emission system, this leading to a surge of current violating the weld formation. Control of the beam current using an automatic offset eliminates such dangerous current surges after spark breakdowns. 2007 Article Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка / О.К. Назаренко, В.С. Ланбин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 26-30. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99400 621.791:004.518 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Назаренко, О.К. Ланбин, В.С. Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрены с использованием компьютерной математической симуляции высоковольтные цепи управления током пучка сварочных пушек. Показано, что в случае применения автономного источника управляющего напряжения искровой пробой в эмиссионной системе сопровождается длительным (около 10 мс) полным открыванием эмиссионной системы, что ведет к броску тока, нарушающему формирование сварного шва. При управлении током пучка с помощью автоматического смещения исключены такие опасные броски тока после искровых пробоев. |
| format |
Article |
| author |
Назаренко, О.К. Ланбин, В.С. |
| author_facet |
Назаренко, О.К. Ланбин, В.С. |
| author_sort |
Назаренко, О.К. |
| title |
Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка |
| title_short |
Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка |
| title_full |
Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка |
| title_fullStr |
Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка |
| title_full_unstemmed |
Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка |
| title_sort |
исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99400 |
| citation_txt |
Исследование высоковольтных цепей управления током сварочного электронного пучка / О.К. Назаренко, В.С. Ланбин // Автоматическая сварка. — 2007. — № 5 (649). — С. 26-30. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT nazarenkook issledovanievysokovolʹtnyhcepejupravleniâtokomsvaročnogoélektronnogopučka AT lanbinvs issledovanievysokovolʹtnyhcepejupravleniâtokomsvaročnogoélektronnogopučka |
| first_indexed |
2025-07-07T07:56:40Z |
| last_indexed |
2025-07-07T07:56:40Z |
| _version_ |
1836974080707788800 |
| fulltext |
УДК 621.791:004.518
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЦЕПЕЙ УПРАВЛЕНИЯ
ТОКОМ СВАРОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
Чл.-кор. НАН Украины О. К. НАЗАРЕНКО, В. С. ЛАНБИН, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрены с использованием компьютерной математической симуляции высоковольтные цепи управления током
пучка электронов сварочных пушек. Показано, что в случае применения автономного источника управляющего
напряжения искровой пробой в эмиссионной системе сопровождается длительным (около 10 мс) полным открыванием
эмиссионной системы, что ведет к скачку тока, нарушающему формирование сварного шва. При управлении током
пучка с помощью автоматического смещения такие опасные скачки тока после искровых пробоев исключаются.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электронно-лучевая сварка, управле-
ние, ток пучка, высоковольтные цепи, эмиссионная система,
искровой пробой, переходные процессы, дефекты, фор-
мирование швов
Основным способом управления током пучка
электронов является изменение потенциала управ-
ляющего электрода эмиссионной системы свароч-
ной пушки. При этом наиболее распространены
две схемы формирования управляющего напря-
жения:
с использованием автономного источника нап-
ряжения (причем минус источника ускоряющего
напряжения подключен к катоду эмиссионной
системы);
с применением автоматического смещения [1]
(в цепь катода эмиссионной системы включена
электронная лампа с сеточным управлением [2],
а минус источника ускоряющего напряжения со-
единен с управляющим электродом эмиссионной
системы).
В стационарном режиме работы эмиссионной
системы управление током пучка электронов осу-
ществляется одинаково успешно при использо-
вании любой из указанных схем. Однако в прак-
тике применения автономного источника напря-
жения приходится сталкиваться со значительными
нарушениями формирования швов на тонколис-
товых материалах, возникающими после искро-
вых пробоев эмиссионной системы, которые соп-
ровождаются разрядом емкостей высоковольтных
цепей за доли микросекунды [3]. При этом про-
цесс сварки не прерывается, поскольку защита не
отключает источник, но в шве образуется кратер
(рис. 1) или может произойти прожог изделия.
Как показали исследования, значение энергии
пучка, необходимой для образования такого де-
фекта, составляет приблизительно 300 Дж. По-
этому образование дефекта не может быть объяс-
нено только высвобождением запасенной энергии
источника питания, поскольку ее значение сос-
тавляет менее 10 Дж [3]. Вероятность нарушения
процесса сварки увеличивается при использо-
вании сварочных пушек, перемещаемых внутри
крупногабаритных вакуумных камер, когда длина
высоковольтного кабеля достигает 50 м, а его соб-
ственная емкость — 1⋅10–8 Ф. Степень дефек-
тности швов тем выше, чем больше мощность ис-
пользуемого энергоблока сварочная пушка–источ-
ник питания. В то же время при сварке металлов
большой толщины такое нарушение практически
не влияет на формирование шва. Затронутые выше
вопросы ранее не обсуждались в технической ли-
тературе, что обусловило проведение ряда иссле-
дований, результаты которых освещены ниже. В
настоящей работе не рассматриваются переходные
процессы, которые связаны с возникновением ду-
говых разрядов в эмиссионной системе, поскольку
в современном источнике ускоряющего напряжения
эффективно предотвращается переход искровых
разрядов в дуговые [4].
Упрощенные схемы двух высоковольтных це-
пей управления током пучка — с автономным
источником управляющего напряжения (рис. 2, а)
и автоматическим смещением (рис. 2, б) — поз-
воляют рассмотреть происходящие в них пере-
ходные процессы после искрового пробоя эмис-
сионной системы.
Практически всегда искровой пробой вакуум-
ной изоляции происходит в ускоряющем проме-
жутке анод–управляющий электрод, при этом про-
бойный ток поддерживается за счет разряда рас-
© О. К. Назаренко, В. С. Ланбин, 2007
Рис. 1. Внешний вид металла шва с дефектом в виде кратера,
обусловленного кратковременным импульсом тока пучка
электронов с энергией приблизительно 300 Дж
26 5/2007
пределенной емкости кабеля C2 и суммарной ем-
кости фильтра C3, а также распределенных ем-
костей источника ускоряющего напряжения Uacc.
Во время искрового пробоя эмиссионной системы
управляющий электрод оказывается практически
накоротко соединенным с землей. Важно отме-
тить, что в случае использования источника уп-
равляющего напряжения (рис. 2, а) разряд емкости
C3 произойдет через распределенную емкость C1
кабеля и емкость фильтра C4 источника управ-
ляющего напряжения Uупр. При работе с автома-
тическим смещением (рис. 2, б) ток разряда ем-
кости C3 не проходит по цепям формирования
управляющего напряжения, при этом условия их
работы улучшаются. После разряда емкостей ис-
кровой разряд прекращается, что позволяет вос-
становиться вакуумной изоляции и зарядиться ем-
костям высоковольтных цепей за время, зави-
сящее от внутреннего сопротивления источников,
самих емкостей и параметров токоведущих цепей.
Остается неизвестным, как изменяются во вре-
мя пробоя и после него разность потенциалов уп-
равляющий электрод–катод и ток пучка.
Осуществить непосредственно с помощью
электронных устройств запись быстротекущих пе-
реходных процессов при искровом пробое эмис-
сионной системы весьма затруднительно, пос-
кольку исследуемые цепи погружены в трансфор-
маторное масло и находятся под высоким потен-
циалом. Кроме того, на сами измерительные цепи
при пробоях воздействуют мощные электромаг-
нитные помехи, существенно искажающие кар-
тину регистрируемых процессов. Поэтому нами
применено компьютерное моделирование высоко-
вольтных цепей управления сварочным током с
использованием одной из известных программ
OrCAD PCB Designer with Pspice (фирма «Cadence
Design Systems»).
При моделировании схем полагаем, что в обоих
случаях применены одинаковые высоковольтные
кабели, эмиссионные системы, а также источники
ускоряющего напряжения 60 кВ мощностью 30
кВт с внутренним сопротивлением 5 кОм. Моду-
ляционные характеристики эмиссионных систем
приведены на рис. 3, по ним можно задать зна-
чения управляющего напряжения и внутреннего
сопротивления эмиссионной системы, соответс-
твующие выбранному значению стационарного
тока пучка. Высоковольтный кабель длиной 50
м имеет три токоведущих провода для питания
катода и его подогревателя (спирали). Провода
окружены оплеткой, которая соединена с управ-
ляющим электродом пушки. Распределенная ем-
кость между проводами составляет 50 пФ/п.м, а
между оплеткой и внешним заземленным экраном
— 150 пФ/п.м. Распределенная индуктивность оп-
летки и каждого из проводов равна 1,5 мкГн/п.м,
внутреннее сопротивление источника управляю-
щего напряжения — 30 кОм.
Рис. 2. Упрощенные схемы управления током пучка электронов с использованием автономного источника управляющего
напряжения (а) и автоматического смещения (б): 1 — анод; 2 — управляющий электрод, 3 — катод; 4 — высоковольтный
кабель; 5 — источник управляющего напряжения; 6 — управляющая лампа; R1 — резистор обратной связи в цепи стабили-
зации тока пучка; R2, R3 — сопротивление плечей высоковольтного делителя напряжения; cтрелками указано основное место
искрового пробоя ускоряющего промежутка; остальные обозначения см. в тексте
Рис. 3. Модуляционные характеристики эмиссионных систем
мощностью 15 (1), 30 (2) и 60 кВт (3) при Uасс = 60 кВ
5/2007 27
Рис. 4. Графические окна компьютерного математического симулятора для анализа высоковольтных цепей управления током
пучка 60 мА с автономным источником (а) и автоматическим смещением (б)
Рис. 5. Изменение потенциалов U управляющего электрода (сплошные кривые) и катода (штрихпунктирные) после пробоя
эмиссионной системы с автономным источником управляющего напряжения: а — общая картина; б, в — растянутые шкалы
соответственно времени и потенциала
28 5/2007
На рис. 4 показаны графические окна компь-
ютерного математического симулятора высоко-
вольтных цепей управления током пучка с авто-
номным источником управляющего напряжения
(рис. 4, а) и автоматическим смещением (рис. 4,
б) при исходном стационарном токе пучка 60 мА
и других заданных выше параметрах.
Электронная проводимость сварочной пушки,
соответствующая току 60 мА, эмулируется резис-
тором с сопротивлением 1 мОм, подключенным
в цепь между землей и токоподводом к катоду.
Токоподвод к управляющему электроду соединен
с эмулятором контактора, замыкающим на 0,5 мкс
управляющий электрод на землю с задержкой
100 мкс после начала процесса эмуляции. Пред-
ставление высоковольтного кабеля в виде одной
пары сосредоточенных элементов — емкости и
индуктивности — не выявило в полной мере ре-
зонирующий характер цепи. Поэтому кабель рас-
сматривается как длинная линия и моделируется
четырьмя звеньями, причем дальнейшее увеличе-
ние количества звеньев не меняет характера пе-
реходных процессов, которые обнаруживаются
путем эмуляции.
На рис. 5 приведены временные изменения по-
тенциалов управляющего электрода и катода пос-
ле искрового пробоя эмиссионной системы с ав-
тономным источником управляющего напряже-
ния. Видно, что перед пробоем эмиссионная сис-
тема формирует пучок электронов с током 60 мА,
а управляющее напряжение составляет 1,6 кВ
(рис. 5, в). После пробоя потенциалы как управ-
ляющего электрода, так и катода становятся рав-
ными потенциалу земли (рис. 5, б), после чего
потенциал катода сразу, а потенциал управляющего
электрода с задержкой на время существования ко-
роткого замыкания (0,5 мкс) в результате затуха-
ющих автоколебаний начинают изменяться с час-
тотой около 1 мГц и амплитудой +60…–160 кВ. Ав-
токолебания прекращаются примерно через
10 мкс; общее время восстановления стационар-
ного состояния цепи составляет около 10 мс. В
течение этого времени управляющий электрод на-
ходится 3 мс под положительным потенциалом по
отношению к катоду (участок A на рис. 5, в), т. е.
эмиссионная система работает в режиме полного
отбора тока катода. В это время на изделии может
выделиться энергия пучка до 200 Дж. С момента
уравнивания потенциалов управляющего электро-
да и катода и до установления исходной стаци-
онарной разности потенциалов — 1,6 кВ (участок
B на рис. 5, в) дополнительно выделяется энергия
пучка не менее 100 Дж. Всего за период восста-
новления стационарного состояния высоковольтной
цепи на изделии выделится энергия до 300 Дж, чем
и объясняется образование в шве в виде кратера
(см. рис. 1).
При пробое вакуумного промежутка эмиссион-
ной системы, работающей в режиме автоматичес-
кого смещения, характер переходных процессов
существенно отличается от рассмотренного выше
(рис. 6):
потенциал управляющего электрода остается
отрицательным по отношению к потенциалу ка-
Рис. 6. Изменение потенциалов U управляющего электрода
(сплошные кривые) и катода (штрихпунктирные) после про-
боя эмиссионной системы с автономным смещением: а —
общая картина; б — растянутая шкала времени
5/2007 29
тода, что исключает повреждение изделия избы-
точным током;
время восстановления стационарного состоя-
ния высоковольтной цепи составляет всего 1 мс,
т. е. на порядок ниже;
амплитуда перенапряжений меньше почти на
25 %, что несколько снижает риск повреждения
элементов высоковольтных цепей.
Выводы
1. В случае применения автономного источника
управляющего напряжения искровой пробой
эмиссионной системы сварочной пушки сопро-
вождается длительным (около 10 мс) открыванием
эмиссионной системы, причем в течение 3 мс уп-
равляющий электрод находится под положитель-
ным потенциалом по отношению к катоду и эмис-
сионная система работает в режиме полного
отбора тока катода. Как следствие, уже после за-
вершения пробоя на изделие может воздейство-
вать пучок электронов, значение мощности ко-
торого существенно выше заданной, что приводит
к нарушению формирования шва.
2. При управлении током пучка с помощью
автоматического смещения потенциал управляю-
щего электрода остается отрицательным по от-
ношению к потенциалу катода, что исключает
повреждение изделия избыточным током. Время
восстановления стационарного состояния высоко-
вольтной цепи составляет только 1 мс, т. е. на
порядок меньше, чем в случае применения авто-
номного источника управляющего напряжения.
3. Результаты компьютерного моделирования
высоковольтных цепей управления сварочным то-
ком хорошо согласуются с опытом их практичес-
кого использования и убедительно свидетельст-
вуют в пользу управления током пучка с помощью
автоматического смещения.
Авторы считают своим долгом выразить призна-
тельность В. Е. Локшину и В. В. Галушке за конс-
труктивное участие в дискуссии по обсуждаемой
выше теме.
1. Бонч-Бруевич А. М. Применение электронных ламп в эк-
спериментальной физике. — М.: Гостехтеориздат, 1955.
— 654 с.
2. Pat. 24 60 424 Deutsche, H 01 J 37/24. Strahlstromsteue-
rung fur eine Elekronenstrahl-Schweissmachine / R. Mayer.
— Publ. 17.03.77.
3. Раховский В. И. Физические основы коммутации элект-
рического тока в вакууме. — М.: Наука, 1970. — 320 с.
4. Назаренко О.К., Локшин В. Е. Динамические характерис-
тики высоковольтных источников питания для электрон-
но-лучевой сварки // Автомат. сварка. — 2005. — № 1.
— С. 36–38.
High-voltage circuits for control of the welding gun beam current were studied using mathematical computer simulation.
It is shown that in the case of using an independent control voltage source the spark breakdown in the emission system
is accompanied by a long (about 10 ms) full opening of the emission system, this leading to a surge of current violating
the weld formation. Control of the beam current using an automatic offset eliminates such dangerous current surges after
spark breakdowns.
Поступила в редакцию 30.12.2005
СИ «СВАРКА И РОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Сигнальная информация (СИ) «Сварка и родственные технологии» содержит оперативную инфор-
мацию на языке оригинала и в русском переводе оглавлений научно-технических журналов, моног-
рафий, сборников, трудов конференций, названий переводов статей, перечней документов Между-
народного института сварки и других отечественных и зарубежных информационных материалов из
более чем 100 периодических изданий 52 стран мира.
Сигнальная информация (СИ) «Сварка и родственные технологии» издается научно-технической
библиотекой Института электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины с 1995 г. Периодичность 6
номеров в год. С 2005 г. СИ выпускается и рассылается в электронном варианте.
Сигнальная информация «Сварка и родственные технологии» предназначена для научных работ-
ников и инженеров, профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов свароч-
ного производства.
Местом хранения оригиналов всех изданий, представленных в выпусках СИ, является научно-тех-
ническая библиотека Института электросварки. С материалами можно ознакомиться в читальном
зале библиотеки или заказать ксерокопии отдельных статей, переводов, документов и т. п. Для заказа
определенного документа достаточно указать только регистрационный номер материала, который
находится в конце каждого описания. Например: СИ. 06.01.10.
По вопросам подписки и условиям выполнения заказов обращаться по адресу:
03680, ГСП, Киев-150, ул. Боженко, 11. Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины
Научно-техническая библиотека.
Факс: (044) 5280486; справки по телефону: 287-07-77.
E-mail: library@paton.kiev.ua
30 5/2007
|