Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/03.0009
ELEKTRICKÝ OBLOUK A
JEHO VYUŽITÍ
Elektrický oblouk Je to vlastně nízkoteplotní plazma, které vzniká elektrickým výbojem mezi dvěma elektrodami. Výbojem se ionizuje plyn mezi elektrodami. Ionizovaný plyn je složený z iontů, elektronů a případně neutrálních atomů a molekul, který vzniká odtržením elektronů z elektronového obalu atomů plynu, či roztržením molekul (ionizací). Stupeň ionizace plazmatu (poměr počtu ionizovaných částic vůči celkovému počtu částic) je jedním z nejdůležitějších parametrů, který určuje chování plazmatu. Závisí především na teplotě. Podle stupně ionizace rozlišujeme slabě ionizované plazma a silně ionizované plazma. V slabě ionizovaném plazmatu je koncentrace nabitých částic zanedbatelně malá v porovnání s koncentrací neutrálních molekul. Naproti tomu v silně ionizovaném plazmatu převládá koncentrace nabitých částic. V plazmatu může být teplota elektronů o několik řádů vyšší než teplota kladných iontů a neutrálních molekul. Plazma obsahuje volné elektrické náboje, proto je elektricky značně vodivé. Vedení proudu zprostředkovávají elektrony, vzhledem ke své značné pohyblivosti. Napětí, které se objeví mezi kontakty (elektrodami), je způsobeno zejména úbytky napětí při přechodu z plazmatu do kontaktů: A – anoda K – katoda UA – anodový úbytek napětí UK – katodový úbytek napětí Upl – úbytek napětí na sloupci plazmy Uob – napětí na oblouku P – plazma PK – prostor katodového úbytku napětí PA – prostor anodového úbytku napětí
Prostředí oblouku je ionizováno, prostor se stává vodivým a oblouk se může trvale udržet:
A – bod stabilního hoření oblouku B – nestabilní rovnovážný stav Uob – napětí na oblouku Iob – proud oblouku
Jestliže oblouk hoří mezi kovovými kontakty, je celý jev podporován ionizací kovových par kontaktů vlivem vysoké teploty oblouku. Časté působení oblouku vede ke zničení kontaktů a mnohdy také dalších částí spínacího přístroje.
Způsoby zhášení elektrického oblouku Z výše uvedené charakteristiky je vidět, že oblouk nevznikne tehdy, leží-li jeho charakteristika nad přímkou 1. V takovém případě lze vypínat (např. při poměrně malém napětí) i značně velké proudy bez oblouku a jiskření. V silnoproudé elektrotechnice je vždy ve vypínacích obvodech obsažena indukčnost a kapacita, takže téměř vždy dochází ke vzniku oblouku.
Délka l oblouku závisí na proudu I:
Délka oblouku určuje hlavní rozměry vypínačů. Aby nedocházelo k nadměrnému poškozování kontaktů, je nutné dobu hoření oblouku zkrátit umělým zhášením. Střídavý oblouk Vypíná se snadněji než stejnosměrný, neboť při sinusovém průběhu a kmitočtu 50 Hz prochází v době jednoho kmitu dvakrát nulou, tj. stokrát za sekundu. Vypínání ztěžuje malý účiník elektrického obvodu, který prodlužuje dobu vypínání. Střídavý oblouk porušuje oba kontakty stejně – vznikají na nich důlky a perličky (je to tzv. hrubý přenos). Stejnosměrný oblouk Vypíná se obtížněji než střídavý, neboť proud časově neprochází nulou. Vypínání ztěžuje indukčnost obvodu, neboť oblouk se snaží co nejdéle udržet a tím se prodlužuje doba vypínání. Při stejnosměrném oblouku vznikají na kladném kontaktu důlky, na záporném výstupky (je to tzv. jemný přenos).
Oblouk mezi kontakty lze zhášet různými způsoby: a) Rychlým oddálením kontaktů od sebe Oblouk je rychle natažen do délky aby se přetrhl a tím zhasl. Tento způsob je využíván u většiny běžných vypínačů. b) Přetržením oblouku na více místech Tento způsob se využívá např. u stykačů. c) Vyfouknutím oblouku magnetickým polem do zhášecí komory
Tvar zhášecí komory:
Magnetické pole cívky 1 se železným jádrem 2 a pólovými nástavci 3 vhání oblouk do zhášecí komory. Mezi jejími přepážkami se oblouk roztříští a zhasne.
Využití zhášecí komory v jističi Postup oblouku mezi kontakty do zhášecí komory:
d) V olejové lázni Kontakty jsou uloženy v oleji. Teplem oblouku se olej vypařuje, tím se oblouk ochlazuje až zhasne.
e) Expanzí vody nebo oleje Při expanzi páry ve spínači klesne její tlak a tím i její teplota. Teplo odnímané oblouku způsobí jeho zhasnutí. f) Stlačeným plynem Stlačený plyn (vzduch) snižuje teplotu oblouku, rozrušuje ho mechanicky a současně oblouk vhání do zhášecí komory.
Plyn může být do oblouku vháněn a) podélně, b) příčně, c) dvoustranně.
Využití elektrického oblouku 1. Obloukové svařování Může být prováděno ručně či automaticky, stejnosměrným nebo střídavým proudem. a) Svařování uhlíkovou elektrodou Je to svařování stejnosměrným proudem, kdy elektroda méně ubývá a je menší nauhličení svaru. Teplota oblouku je až 5000 °C, napětí na oblouku je 20 až 45 V, proud 60 až 250 A (u automatů až 700 A).
Svařovat lze jen ve vodorovné poloze shora. Využívá se pro svařování tenkých a měkkých plechů ocelových i na svařování mědi a bronzů. Svařování je rychlé, ale svar je křehký.
b) Svařování kovovou (tavicí) elektrodou Je to nejpoužívanější způsob svařování. Používá jak stejnosměrný, tak střídavý proud. Parametry na oblouku jsou obdobné jako při svařování uhlíkovou elektrodou, proud bývá 40 až 400 A podle průměru elektrody u ručního svařování a několikanásobný u automatů.
Kovové elektrody se vyrábí holé, obalené, s duší a trubkové. Oplášťování, duše nebo náplň trubkové elektrody se používá proto, aby prostředí bylo vodivější,oblouk lépe hořel, tavený kov byl lépe chráněn před vzduchem, byl tekutější a aby byl svar vzhlednější. Tímto způsobem lze svařovat ve všech polohách (i nad hlavou), hodí se proto na všechny druhy svarů, hlavně při svařování měkkých ocelí.
Detaily ručního svařování:
c) Svařování v ochranném plynu Roztavený kov přecházející obloukem, kov základu i žhavý svar lze chránit před vlivem ovzduší netečným plynem, jímž obklopíme oblouk holé elektrody. Tohoto způsobu se využívá hlavně při svařování legovaných ocelí, hliníku a jeho slitin, slitin hořčíku, mědi apod. Způsoby svařování v ochranném plynu jsou různé:
Svařování odtavující elektrodou Oblouk hoří mezi tenkou holou kovovou elektrodou (drátem) a základním materiálem. Drát vystupuje z držáku určitou rychlostí a přes otvory v držáku vniká do oblouku (kolem něj) plyn. E to buď argon nebo nejčastěji CO 2.
Svařování netavící wolframovou elektrodou
Používá se jedna wolframová elektroda s držákem chlazeným vodou. Držákem se okolo elektrody přivádí plyn (argon, helium, . . ) na místo svaru. Svařovat lze stejnosměrným i střídavým proudem. Podle potřeby se odtavuje přídavný drát. Tímto způsobem lze svařovat hořčíkové slitiny, hliník, nerez ocel, měď, nikl apod.
Svařování atomické Využívá tepla mezi wolframovými elektrodami a rozkládá molekuly na atomy u plynu přiváděného do oblouku (obvykle vodík). Opětným slučováním atomů do molekul se vytvoří „plamen“, kterým se svařuje. Plyn chrání roztavený kov před vzduchem. Tímto způsobem se svařují i silně legované oceli, rychlořezné oceli, hliník a jeho slitiny, bronzy apod. d) Svařování pod tavidlem Tento způsob svařování lze použít jen u vodorovných svarů a u automatů.
1 – svařovací agregát 2 – zásobník taviva 3 – ovládací panel 4 – svařovací hlava 5 – holá kovová elektroda 6 – svařovací prášek (tavivo) 7 – svar pod vrstvou taviva 8 – posuv svařovací hlavy 9 – vodicí hrot 10 – podávací kladky 11 – rovnací kladky 12 – směr pohybu automatu 13 – svařované ocelové desky
Holá kovová elektroda 5 se odtavuje pod vrstvou svářecího prášku zakrývajícího úplně oblouk. Použitý proud bývá značný (až 2500 A). Svařují se měkké a tlusté plechy ocelové
desky pro lodě, kotle apod., ale i pancíře, nerez ocel, hliník, nikl apod. Na tenčí plechy se používá stejnosměrný, na silnější střídavý proud.
2. Řezání elektrickým obloukem Tepla elektrického oblouku lze použít i k rozdělování kovů postupným odtavováním. Řezná spára je poměrně široká a nepravidelná. Kov se pouze odtavuje (nespaluje se jako při řezání kyslíkem), a proto lze obloukem řezat i všechny neželezné kovy. Používá se ho hlavně při demontážích, odřezávání nálitků, upalování nýtových hlav apod. Uplatňuje se také řezání obloukem v argonu u hliníku.
Druhy zdrojů pro svařování a řezání Jako zdroj se mohou použít sítě, motorgenerátory, usměrňovače a transformátory. a) Svařování proudem ze sítě
Obyčejná stejnosměrná síť se přímo na svařování nehodí, jedině když se sníží síťové napětí odpory. Tím vzniknou velké ztráty a velmi malá účinnost.
Statická charakteristika při svařování ze sítě Při pracovním stavu daném např. bodem P značí IR napětí snížené odporem R, Up pracovní napětí, I pracovní proud, Ik proud nakrátko a Uo napětí sítě.
Jedinou výhodou tohoto svařování je jednoduchost. Nevýhod je však mnoho: nízká bezpečnost a účinnost, proudové rázy, velké (a proto drahé) předřadné odporníky, špatná jakost svaru. Proto se tato metoda používá jen ojediněle, např. při svařování kolejí městských drah. b) Svařovací dynama Jsou to svařovací zdroje poháněné např. elektromotorem nebo spalovacím motorem. Příklad zapojení:
Jako poháněcí elektromotor se používá stejnosměrný derivační motor nebo střídavý asynchronní motor nakrátko se spouštěčem hvězda-trojúhelník. Svařovací soustrojí bývají v jedné kostře, na společném hřídeli.
c) Svařovací usměrňovače Skládají se z trojfázového regulačního transformátoru a usměrňovače. Výhody: • nízké provozní náklady, • nemají točivé části, • malé proudové rázy, • rovnoměrně zatěžují síť, • klidný oblouk, • lepší účinnost než u ostatních zdrojů, • dobrý účiník, • dávají dobrý svar. Starší typy bývají výbojkové, novější polovodičové. Polovodičové usměrňovače bývají zapojeny v sekundárním vinutí transformátoru do Grätzova můstku. d) Svařovací transformátory Většinou jsou jednofázové vzduchové. Svařovací proud lze regulovat : • změnou (přepínáním) počtu závitů na transformátoru (stupňová regulace), • tlumivkou (stupňová regulace), • změnou vzduchové mezery v mag.obvodu nebo posouváním primárního vinutí vůči sekundárnímu (plynulá regulace), • paralelním regulačním magnetickým obvodem (plynulá regulace). Transformátory mají malé ztráty naprázdno, dobrou účinnost, ale špatný účiník. Nepotřebují téměř údržbu.
3. Obloukové pece Oblouk v elektrických pecích se napájí střídavým nebo stejnosměrným proudem. Ten přitom prochází přes plyny, které jsou za normálních podmínek nevodivé. Po ionizaci prostředí (např. vysokou teplotou) se stanou elektricky vodivými. Teplota pak dosahuje hodnot až několik tisíc kelvinů. Plyny (plazma) jsou při této teplotě vysoce vodivé. Podle způsobu hoření oblouku dělíme pece na: a) Pece s nepřímým vytápěním
Teplo se z oblouku přenáší do vsázky nepřímo (sáláním).
b) Pece s přímým vytápěním - vodivá nístěj v jednofázovém zapojení
- nevodivá nístěj
v trojfázovém zapojení
Jak je vidět z předchozích obrázků, u pecí s přímým vytápěním hoří oblouk mezi elektrodou (elektrodami) a taveninou.
c) Pece se zakrytým obloukem
V těchto pecích hoří oblouk pod vrstvou vsázky.
4. Obloukovky U obloukovek vzniká světlo zářením oblouku při atmosférickém tlaku. a) Obloukovky uhlíkové Mají buď - čistý oblouk – hoří mezi čistými uhlíky nebo - plamenný oblouk – hoří mezi napouštěnými uhlíky. Otevřený oblouk – hoří ve volném vzduchu. Dříve se používal pro promítání filmů, nyní pro vojenské a námořní světlomety. Zavřený oblouk – hoří v CO nebo ve vzduchu se spotřebovaným kyslíkem. Používal se v kopírkách a ve veřejném osvětlení. Stejnosměrný oblouk Otevřený oblouk spaluje kladnou elektrodu rychleji než zápornou, proto bývá kladný uhlík tlustší než záporný. Zcela uhoří za několik hodin. Procházející proud bývá vyšší než 100 A. Zavřený oblouk bývá obklopen vzduchotěsnou skleněnou nádobkou (jako u žárovky). Uhlíky uhořívají pomalu a vydrží i několik stovek hodin. Používají se především napouštěné uhlíky, které mají klidnější oblouk. Na kladné elektrodě je teplota asi 3700 °C. Měrný výkon oblouku je velmi velký, až 80 lm/W.
Střídavý oblouk U střídavého oblouku uhořívají oba uhlíky stejně. Při střídání kladných a záporných půlvln proud prochází nulovou hodnotou a tím dochází k rozžíhání a zhášení oblouku a v důsledku toho se oblouk ochlazuje a méně svítí. Ke zkrácení doby zhasnutí se používá tlumivka, čímž se svítivost zvětší asi o 30 %. Ale i tak je účinnost menší než u stejnosměrného proudu. Při frekvenci střídavého proudu 25 Hz oblouk nesnesitelně kmitá. Regulace obloukovek Aby oblouk vydával stabilní světlo, musí se při ubývání uhlíků udržovat stabilní vzdálenost. K tomu se využívá několik způsobů. Regulace přímá:
a) sériová b) derivační c) diferenciální
Při přímé regulaci působí elektromagnety na jádra, s nimiž jsou přímo spojeny uhlíky. U nás byl nejznámější diferenciální regulátor Křižíkův (obr. c). Ten reguluje na stálý odpor oblouku. Jsou-li uhlíky od sebe vzdáleny, působí cívka derivační, jsou-li v doteku, působí cívka sériová. Křižíkův regulátor se hodí pro stejnosměrné svislé použití s čistými uhlíky a otevřeným obloukem. Regulace nepřímá: Elektromagnety nepůsobí přímo na jádra spojená s uhlíky, ale prostřednictvím mechanismů. Elektromagnety působí na západky postrkující mechanismem, na kterém visí uhlíky.
Elektrické příslušenství obloukovek Příslušenství má za úkol nastavit podmínky pro efektivní tvorbu oblouku. U střídavého je to např. vhodná tlumivka, která sníží síťové napětí na napětí volně hořícího oblouku, tj. 30 až 55 V. U stejnosměrného např. vhodný zdroj nebo usměrňovač. Použití uhlíkových obloukovek V současné době již využití není tak časté jako v minulosti. Dříve se používaly na pouliční osvětlování nebo pro promítání filmů a podobně. V současné době se používají pro velké vojenské a námořní světlomety.
b) Obloukovky neuhlíkové Nejznámější a nejpoužívanější je obloukovka wolframová na stejnosměrný proud. Elektrody má z wolframu ve tvaru kuliček ve skleněné baňce naplněné dusíkem (podobně jako žárovka). Za studena se kuličky dotýkají, po zahřátí se vzájemně oddálí. Tím se reguluje délka oblouku. Jejich životnost je cca 300 hodin a používají se pro speciální účely v optických přístrojích a podobně.
Zdroje: Voženílek L. a kol., Základy elektrotechniky II, SNTL Praha, 1993 Desort F. a kol., Elektrická zařízení, SNTL Praha, 1976 Fischer U. a kol., Základy strojnictví, Europa Sobotáles cz., Praha 2004 Balák R., Silnoproudá zařízení, SNTL Praha, 1987 Říha J., Elektrické stroje a přístroje, SNTL Praha, 1986 Lstibůrek F., Elektrická zařízení, SNTL Praha, 1987 Archiv autora
Zpracoval ing. František Stoklasa
