Электротехника в сварке

Основы электричества

Электрический ток в металлических проводниках представляет собой направленное движение свободных электронов вдоль проводника, включенного в электрическую цепь. Движение электронов в электрической цепи происходит благодаря разности потенциалов на зажимах источника (т.е. его выходного напряжения).

Электрический ток может существовать только в замкнутой электрической цепи, которая должна состоять из:

- источника тока (аккумулятор, генератор, …);
- потребителя (лампа накаливания, нагревательные приборы, сварочная дуга и т.д.);
- проводников, соединяющих источник питания с потребителем электрической энергии.

Электрический ток обычно обозначается латинской прописной или строчной буквой I (i).

Единица измерения силы электрического тока – ампер (обозначается А).

Сила тока измеряется при помощи амперметра, который включается в разрыв электрической цепи.

В отличие от электрического тока, напряжение на зажимах источника питания или элементах цепи существует независимо от того, замкнута электрическая цепь или нет.

Напряжение обычно обозначается латинской прописной или строчной буквой U (u).

Единица измерения величины напряжения – вольт (обозначается В).

Величина напряжения измеряется при помощи вольтметра, который подключается параллельно к участку электрической цепи, на котором производится измерение.

Провода и токоприемники, включенные в электрическую цепь, оказывают сопротивление прохождению тока.

Электрическое сопротивление обычно обозначается латинской прописной буквой R.

Единица измерения сопротивления электрической цепи – ом (обозначается Ом).

Величина электрического сопротивления измеряется омметром, который подключается к концам измеряемого участка цепи, при этом по измеряемому участку цепи не должен протекать ток.

Электрическая цепь может быть составлена так, что начало одного сопротивления соединяется с концом другого. Такое соединение называется последовательным.

В электрической цепи с последовательным подключением сопротивлений (потребителей), существуют следующие зависимости.

Общее сопротивление такой цепи равно сумме всех этих отдельных сопротивлений:

R = R₁ + R₂ + R₃

Так как ток проходит последовательно одно за другим все сопротивления, его величина на всех участках цепи одинакова.

Сумма падений напряжений на всех участках электрической цепи равна напряжению на клеммах источника:

Uист = Uab + Ucd

Величина падения напряжения на отдельном участке электрической цепи равна произведению величины тока в цепи на электрическое сопротивление этого участка.

Если в электрической цепи с одной стороны соединены все начала сопротивлений, а с другой – все их концы, то такое соединение называется параллельным.

Общее сопротивление такой цепи меньше сопротивления любой из составляющих ее ветвей.

Для цепи с двумя параллельно подключенными сопротивлениями общее сопротивление вычисляется по формуле:

R=R1 * R2 / (R1 + R2)

Каждое дополнительное сопротивление при параллельном подключении снижает общее сопротивление такой цепи. В балластном реостате используется схема параллельного подключения сопротивлений. Поэтому при включении каждого дополнительного "ножа" общее сопротивление балластного реостата снижается, а ток в цепи возрастает.

На участке цепи с параллельным подключением ток разветвляется, проходя одновременно по всем сопротивлениям:

i = i₁ + i₂ + i₃

Все сопротивления параллельной цепи находятся под одинаковым напряжением:

Uab = U₁ = U₂ = U₃

Постоянный ток

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

Постоянный электрический ток протекает по замкнутой цепи всегда только в одном направлении.

Условно принято:

- внутри источника постоянного тока ток направлен от зажима со знаком минус (–) к зажиму со знаком (+);
- во внешней цепи ток направлен от плюса к минусу.

Постоянный ток получают при помощи аккумуляторов, генераторов, выпрямителей.

В соответствии с законом Ома для цепи постоянного тока: сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R:

I = U / R

Таким образом:

- если напряжение в цепи увеличится (уменьшится) в несколько раз, а сопротивление останется неизменным, то во столько же раз увеличится (уменьшится) сила тока;
- если сопротивление в цепи увеличится (уменьшится) в несколько раз, то при постоянном напряжении во столько же раз уменьшится (увеличится) сила тока.

Переменный ток

Переменный ток меняет направление протекания по замкнутой цепи с определенной периодичностью. Переменный электрический ток получают при помощи генераторов переменного тока. Основными параметрами, характеризующими переменный ток являются:

- период - время, за которое происходит полный цикл изменений переменного тока по величине и направлению; измеряется в миллисекундах;
- частота - число периодов, совершаемых переменным током в одну секунду; измеряется в герцах (Гц);
- амплитуда тока - максимальное значение тока в течение периода, независимо от направления тока; измеряется в амперах (А)
- эффективное значение тока - величина переменного тока, при котором на определенном активном сопротивлении выделяется столько же тепла, как и при такой же величине постоянного тока; измеряется в амперах (А)

В Украине и странах СНГ все электростанции вырабатывают переменный ток стандартной частоты - 50 Гц. Такой переменный ток называют током промышленной частоты.

Трехфазный переменный ток

В промышленности, как правило, используется трехфазный переменный ток. Такой ток получают при помощи трехфазных генераторов переменного тока. Упрощенное устройство трехфазного генератора показано на рисунке ниже.

Фазы трехфазного тока принято обозначать тремя первыми буквами латинского алфавита: A, B и C.

Схематично рисунок выше можно представить так:

В трехфазных цепях переменного тока провода, отмеченные цифрами 1, 2 и 3, объединяют в один провод, называемый нулевым или нейтральным.

В полном виде схема питающей сети трехфазного тока и ее параметры представлены ниже.

Как это видно из рисунка, показанного выше, ротор во время вращения наводит электродвижущую силу (ЭДС) сначала в катушке фазы А, затем в катушке фазы В, а затем в катушке фазы С. Таким образом кривые напряжения на выходных клеммах этих катушек как бы сдвинуты между собой на угол 120º.

Электрическое сопротивление проводников

Сопротивление проводника зависит:

- от длины проводника – с увеличением длины проводника его электрическое сопротивление возрастает;
- от площади поперечного сечения проводника – с уменьшением площади поперечного сечения сопротивление увеличивается;
- от температуры проводника – с увеличением температуры сопротивление увеличивается;
- от коэффициента удельного сопротивления материала проводника.

Чем больше сопротивление проводника прохождению электрического тока, тем больше энергии теряют свободные электроны, и тем сильнее нагревается проводник (которым обычно является электрический провод).

Для каждой площади сечения провода существует допустимая величина тока. Если сила тока окажется больше этой величины, то провода могут нагреться до высокой температуры, что, в свою очередь, может вызвать воспламенение изоляционного покрытия.

Максимальные допустимые значения силы тока для различных сечений медных изолированных сварочных проводов приведены ниже в таблице:

Запомните! Величина тока в амперах (I), приходящаяся на один квадратный миллиметр площади поперечного сечения провода (S), называется плотностью тока (j):

j (А/мм²) = I (А) / S (мм²)

Энергия и мощность электрического тока

Электрический ток, протекая по проводникам, совершает работу, которая оценивается путем вычисления энергии электрического тока (Q), которая была при этом потрачена. Она равна произведению силы тока (I) на напряжение (U) и на время (t), в течение которого проходит ток:

Q = I * U * t

Способность тока совершать работу оценивается мощностью, которая является энергией, получаемой приемником или отдаваемой источником тока в единицу времени (в 1 секунду) и вычисляется как произведение силы тока (I) на напряжение (U):

P = I * U

Единица измерения мощности ватт (Вт) - работа, совершаемая в электрической цепи при силе тока 1 А и напряжении 1 В в течение 1 с.

В технике мощность измеряется более крупными единицами: киловаттами (кВт) и мегаваттами (МВт): 1 кВт = 1 000 Вт; 1 МВт = 1 000 000 Вт.

Электрическая проводимость веществ

По способности проводить ток твердые вещества делятся на:

- проводники;
- изоляторы;
- полупроводники.

Газы, в том числе и воздух при обычных условиях не проводят электрический ток. Газы становятся проводниками электрического тока в том случае, если они ионизированы. Одним из видов прохождения электрического тока через газ является электрический разряд, т.е. электрическая дуга, которая используется при электродуговой сварке.