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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Viertelwellen-Elektroschweißen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Schweißgeräte Kurzwellen-Funkamateure und alle, die sich jemals ernsthaft für Funkkommunikation interessiert haben, wissen, dass stehende Wellen bei hoher Leistung eindeutig böse sind. Sobald sich stehende Wellen im HF-Leistungsübertragungspfad etabliert haben, können sie große Probleme verursachen. Beschädigen Sie beispielsweise den Leistungsverstärker, brennen Sie das Kabel zur Antenne durch, brennen Sie das Antennenrelais durch usw. Ich erzähle dir diese Geschichte. Eines Tages brauchte ich ein Stück 75-Ohm-Koaxialkabel mit einer Länge von genau 2 m. Ich habe eine Kabelrolle in einem Stück mit einer Länge von 30 m aufbewahrt. Ich habe das benötigte Stück abgeschnitten, die Enden getrennt und den Bruch im zentralen Kern mit überprüft ein Ohmmeter. Da das Stück vom Ende der Bucht stammte, kam ich zu dem Schluss, dass es abgebrochen werden könnte. Wieder schnitt ich das benötigte Stück ab, schnitt es ab, überprüfte es – wieder gab es einen Bruch im Mittelkern. Ich dachte, dass es sich um ein gebrauchtes Kabel handelte, das irgendwo im Kontrollraum lag und mit Füßen getreten werden könnte. Das andere Ende des Kabels sollte an der Antenne liegen, dort kann niemand herumtrampeln. Ich habe ein Stück vom anderen Ende der Bucht abgeschnitten. Das Gleiche – ein Bruch im zentralen Kern. Meine Geduld war am Ende, ich trug die gesamte Bucht in den Garten und begann, sie zu schneiden. Nachdem ich den Schacht in 17 Teile zerschnitten hatte und kein einziges passendes gefunden hatte, beschloss ich, in den Laden zu gehen und ein neues Kabel zu kaufen. Unterwegs habe ich darüber nachgedacht, wie es möglich ist, an vielen Stellen gleichzeitig das Kabel durchzubrennen. Bei Gleichstrom brennt der Stromkreis normalerweise an einer schwächsten Stelle durch, und danach brennen andere Stellen nicht mehr. Nachdem ich mit einem neuen Kabel nach Hause zurückgekehrt war, beschloss ich, das gesamte Geflecht von den Teilen des alten Kabels zu entfernen. Danach waren durch die lichtdurchlässige Isolierung dunkle Stellen und 24 mm lange Drahtbrüche sichtbar. Der Durchmesser des zentralen Kerns des Kabels RK-75-4-11 beträgt 0,72 mm; zum Durchbrennen eines solchen Drahtes ist ein Strom von 21 A erforderlich. Die Durchbrennstellen wurden mit einer bestimmten Häufigkeit lokalisiert – etwas weniger als 1 m. Später konnte ich herausfinden, dass das beschädigte Kabel als Teil eines 54-MHz-Radiosenders verwendet wurde. Die Wellenlänge im Kabel betrug 3,66 m (unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors von 1,52). Und dann wurde mir klar, dass das Kabel in Viertelwellenabschnitte von jeweils 0,915 m „zerschnitten“ war. Eine eindeutige Erklärung für diesen Effekt konnte ich in der Literatur nicht finden. Und dann habe ich mir ein passendes Modell ausgedacht, das ich im Folgenden vorschlage.
Ausgangsvoraussetzungen (Symbole sind in Abb. 1 dargestellt): 1) eine ideale Koaxialleitung mit einer gleichmäßigen Parameterverteilung über die Länge im Lasttrennmodus; 2) die Isolierung zwischen dem zentralen Kern und dem Geflecht ist idealerweise elektrisch stark und kann von keiner Spannung durchbrochen werden; 3) der zentrale Kern hat einen kleinen ohmschen Widerstand und kann den Widerstand an der Heizstelle erhöhen; ein gleichmäßig erhitzter Kern hat über seine gesamte Länge einen gleichmäßig verteilten Widerstand; 4) der zentrale Kern kann durch einen hohen Strom an einem vorgeheizten Ort ausgebrannt werden, an dieser Stelle entsteht eine mit Dampf gefüllte Kapsel aus dem Metall des Kerns; 5) Die Kapsel an der Stelle des Durchbrennens wird durch eine erhöhte Spannung durchbohrt und ionisiert, die Ionisierung bleibt in der Kapsel lange bestehen und die Leitfähigkeit darin steigt mit zunehmendem Strom im ionisierten Gas (Lichtbogen) und der Freisetzung von Wärme. Wiederholte Ausfälle treten bei viel niedrigerer Spannung als bei den Primärausfällen auf. Abbildung 1 a,b zeigt Diagramme der Verteilung von Spannungen und Strömen entlang der Leitungslänge im extremen Fehlanpassungsmodus (Lastunterbrechung oder Kurzschluss – die Diagramme sind um λ/4 verschoben). In diesem Fall werden die Maxima als Bäuche und Nullwerte als Knoten bezeichnet. Abbildung 1c zeigt eine idealisierte lange Koaxialleitung im Stehwellenmodus (bei Lastunterbrechung), wobei die Strom- und Spannungsbäuche als Symbole dargestellt sind. Sie wechseln sich vom Ausgangsende ausgehend mit einer Periode von λ/4 ab, da die Welle dort vollständig reflektiert wird. Die Leitung wird von einem Generator gespeist, der auf die Stromübertragungsleitung abgestimmt ist. An den Strombäuchen kommt es zu einer gleichmäßigen Erwärmung der Leitungsabschnitte. In diesem Fall erhöht sich der Widerstand in diesem Bereich und es kann zum Schmelzen des Kerns und zur Bildung einer mit Metalldampf gefüllten Kapsel kommen. In der Realität kann es aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Kabelparameter nicht in allen Strombäuchen gleichzeitig zum Schmelzen des zentralen Kerns kommen.
Deshalb führen wir Heterogenität in die Linie ein. Eine solche Heterogenität kann ein Herstellungsfehler sein (Verringerung des Kernquerschnitts an einer bestimmten Stelle, eine Delle, ein Einschluss). So kam es beispielsweise am Schwingungsbauch 3λ/4 vom offenen Ende der Leitung zu einem Durchbrennen (Abb. 2, a) und es bildete sich eine mit Metalldampf gefüllte Kapsel. Ein solcher Leitungsbruch wird als Lastbruch wahrgenommen, der Spannungsbauch verschiebt sich um λ/4, also zum Ort des ersten Bruchs und führt einen primären Zusammenbruch durch (Abb. 2, b). Die Ionisierung in der Kapsel nimmt zu und der Widerstand nimmt aufgrund der Lichtbogenbildung ab. Der Spannungsbauch wird erneut um λ/4 verschoben, und der Strombauch wird an seiner Stelle verschoben, wodurch die Leitfähigkeit in der Lücke wiederhergestellt wird, d. h. An dieser Stelle stellt der Plasmalichtbogen die Leitfähigkeit des Kerns wieder her. Da jedoch das Lastende der Leitung offen ist, wird die stehende Welle in ihrer vorherigen Form wiederhergestellt (Abb. 2, c). Die Temperatur im Bereich des so wiederhergestellten Bereichs steigt und durch die Wärmeübertragung erhöht sich der Widerstand des Kerns in benachbarten Bereichen. In benachbarten Strombäuchen wird erhöhte Wärme freigesetzt, was dazu führt, dass der Kern um λ/4 vom Ort der ersten Beschädigung nach rechts und links brennt und die Spannungsbäuche in Abb. 2, c, an diese Stellen verschoben werden. Es kommt zu einem primären Abbau der Lücken, ihrer Erwärmung und einer starken Ionisierung in den resultierenden Kapseln. Zu diesem Zeitpunkt wird der zuvor gezündete Lichtbogen entweder durch Strom oder Spannung unterstützt (abwechselnd, wenn die Leitung weiter beschädigt wird), und es kommt zu einer erhöhten Erwärmung in benachbarten Bereichen, bis es zum Schmelzen kommt, und dann entwickelt sich der Prozess, wie in Abb. 2 dargestellt, d über die gesamte Länge des Kabels. Wir sehen, dass eine stehende Welle Energie überträgt (jedoch nicht auf die Last) und diese an die von ihr organisierten „Lasten“ mit einer Stufe von λ/4 in Form eines Schmelzens des zentralen Kerns abgibt. Darüber hinaus treten bei relativ geringer Generatorleistung an den Schwingungsbäuchen sehr große Strom- und Spannungswerte auf. Die Addition dieser Teilmengen erfolgt aufgrund der Trägheit der ionisierten Lücken (die Ionisierung in den Kapseln hält über einen längeren Zeitraum an). Im oben diskutierten Fall mit dem Kabel RK-75-11 mit 18 Fehlern und einem durchschnittlichen Spalt von 3 mm betrug dieser Gesamtspalt etwa 50 mm.
Sie können die Energie einer stehenden Welle nutzen, wenn Sie die Stellen, an denen sich Schwingungsbäuche bilden, von der Stromübertragungsleitung zu ihren Enden verschieben. Daher betrachten wir die Viertelwellenlinie separat. Abbildung 3a zeigt eine solche Leitung, abgestimmt auf Stromquelle und Last. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Viertelwellentransformator auf der Leitung, der den Lastwiderstand in den Eingangswiderstand der Leitung umwandelt. Nun betrachten wir extreme Fehlanpassungsmodi im Rahmen des zuvor vorgeschlagenen Modells und ersetzen die Last durch einen Schweißkreis bestehend aus einem Elektrodenhalter und einer Elektrode in Form eines Schweißteils als Schlüssel mit Ionisierung des Spalts zwischen den Kontakten. Abbildung 3b zeigt den Fall einer Lastunterbrechung, wenn die Elektroden um einen Abstand voneinander entfernt sind, bei dem der Lichtbogen bricht, dann bildet die Spannung am Ende der Elektrode einen Schwingungsbauch, gefolgt vom Durchbruch der Lücke, der Entladung des Schwingungsbauchs und der Bildung einer ionisierten Wolke. Abbildung 3,c zeigt den Fall des Lastschlusses, bei dem der Lichtbogen erlischt und die Elektrode am zu schweißenden Teil „klebt“. In diesem Fall sinkt die Spannung (theoretisch) auf Null, aber der Elektrodenstrom erreicht sehr hohe Werte und brennt die Schließbrücke durch und schmilzt dann die Elektrode intensiv auf, bis der Normalbetrieb erreicht ist. Abbildung 3d zeigt den Fall des Normalmodus, dies ist der klassische Fall der Leistungsübertragung im Wanderwellenmodus bei angepasster Last, auch die Anpassungsbedingungen sind uns bekannt. Es ist bekannt, dass der Lichtbogen mit einer Spannung von etwa 20 V brennt und der darin enthaltene Strom durch den Querschnitt der verwendeten Elektrode bestimmt wird. Wenn wir die Spannung durch den Strom gemäß dem Ohmschen Gesetz dividieren, erhalten wir den Lastwiderstand, der gleich der charakteristischen Impedanz der Leitung sein sollte. Es ist zu beachten, dass dieser Widerstand bei Standard-Koaxialkabeln gering ist und spezielle Kabel entwickelt werden müssen. Der Querschnitt des zentralen Kabelkerns muss vergrößert werden, da der Lichtbogen bei Strömen unter 40 A instabil brennt und keine ausreichende Temperatur zum Schmelzen des Stahls erzeugt. Um die Gestaltung zu erleichtern, sollten folgende Punkte beachtet werden. Ein Viertelwellentransformator schafft nahezu ideale Bedingungen für die Anregung und das Brennen des Lichtbogens, gleichbedeutend mit der steil abfallenden Kennlinie herkömmlicher Schweißtransformatoren, die üblicherweise durch Verlagerung des Arbeitspunktes des Transformators an die Sättigungsgrenze des Kerns realisiert wird äußerst unwirtschaftlich und verursacht große Störungen im Beleuchtungsnetz (wenn der Kern eines herkömmlichen Stromwandlers gesättigt ist, erreichen Stromimpulse der Primärwicklung Hunderte von Ampere, die erzeugte Wärmeleistung wird in Kilowatt gemessen). Beim Viertelwellen-Elektroschweißen wird der Lichtbogen durch Abwechseln und Kombinieren aller drei Betriebsarten der Viertelwellenlinie aufrechterhalten, da der Schweißkreis höchstwahrscheinlich von einer Stromquelle über einen passenden Transformator von einem Generator mit Strom versorgt werden muss höhere Frequenzen. Mit einem solchen Viertelwellentransformator ist es möglich, den Kurzschlussmodus der Generatorlast zu eliminieren, was den Einsatz von Transistorwandlerschaltungen ermöglicht. Tatsache ist, dass ein Kurzschluss in einer über einen Viertelwellentransformator angeschlossenen Last in Form eines hohen Widerstands auf den Eingang der Leitung übertragen wird. Wenn jedoch der Schweißstromkreis unterbrochen wird, gleicht die Belastung des Generators einem Kurzschluss. Aber wir haben an den Elektroden eine riesige Spannungsreserve. Aus Sicherheitsgründen muss diese Spannung auf einen bestimmten Wert begrenzt werden. Durch die Begrenzung der Spannung an den offenen Schweißelektroden reduzieren wir gleichzeitig die Spitzenlast des Generators und können ein optimiertes System mit einer Leistung von nur wenigen hundert Watt aufbauen, das im Wirkungsgrad einer Multi-Kilowatt-Maschine in klassischer Ausführung ähnelt. Theoretisch ist das Viertelwellen-Elektroschweißen mit einer Frequenz von 50 Hz möglich, in der Praxis ist es jedoch sehr teuer. Daher sollte die Frequenz auf mindestens mehrere Megahertz erhöht werden. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Frequenz, desto einfacher und kompakter kann das Design sein. Es tritt jedoch ein Skin-Effekt auf, der die Schweißtiefe verringert und in der Mikrowelle zu einem „Feuerwerksgenerator“ wird. Ich empfehle das Viertelwellen-Elektroschweißen nur für Blechmaterial. In diesem Fall kann es Geräte vom Typ KEMP ersetzen. Der Skin-Effekt ist insofern nützlich, als er die Metalloberfläche von Oxidfilmen reinigen kann. Dieser Film ist normalerweise dielektrisch und hat eine kristalline Struktur. Darunter erscheint ein Bereich mit erhöhtem Widerstand gegen Oberflächenströme, der zu einer lokalen Erwärmung unter dem Film und an seinen Grenzen führt und der Temperaturunterschied die Struktur des Films zerstört Oxidfilm (der Film blättert von der Metalloberfläche ab), der eine Alternative zu Flussmitteln für Schweißelektroden sein kann. Was die praktische Umsetzung angeht, ist zu beachten, dass die physikalische Länge der Viertelwellenleitung in der Koaxialversion deutlich verkürzt ist (im Gegensatz zu verdrillten Drähten) und die Schweißkabel als Abstimmkabel fungieren, das die Leitung verlängert, so dass die Viertelwellenleitung deutlich kürzer ist als bei verdrillten Drähten. Das Wellensegment endet genau am Ende der Schweißelektrode.
Beim üblichen Anschluss einer Koaxialleitung (Abb. 4,a) ist ihr Wellenwiderstand ρ gleich dem Wellenwiderstand des Kabels Z. Es empfiehlt sich, den Wellenwiderstand der Kabelleitung zu reduzieren (z. B. Standard verwenden). 50-Ohm-Kabel). Wenn Sie das Kabelgeflecht parallel zur zentralen Ader anschließen, wie in Abb. 4b, dann können Sie den Leitungswiderstand um das Zweifache reduzieren. Das Kabelgeflecht weist in der Regel einen erheblichen Kupferquerschnitt auf, der größer ist als der Querschnitt des zentralen Kerns, obwohl die durch sie fließenden Ströme gleich sind. Ich schlage vor, das Kabelgeflecht als Sekundärwicklung des Generatorausgangstransformators zu verwenden. Sie können den Ausgangstransformator des Generators und einen Viertelwellentransformator auf der Leitung kombinieren (Abb. 4, c), das heißt, Sie können die Sekundärwicklung einfach mit einem Koaxialkabel umwickeln, das die Viertelwellenleitung bildet. Da der Schaltkreis in Abb. 4c resonant ist, können wir davon ausgehen, dass die Energie des Magnetfelds des Generatortransformators auf das elektromagnetische Feld der Koaxialleitung übertragen wird. Abbildung 4d zeigt ein Diagramm des üblichen Anschlusses einer Viertelwellenleitung. Dabei kann die Belastung des Transformators entlang der Kabellitze durch den Einsatz des Lastwiderstands R sowie durch den zuvor besprochenen Kabelaufbau ermittelt werden. Besonders praktisch an dieser Konstruktion ist, dass ein Ende der Leitung verstopft ist, dieses aber höchstwahrscheinlich gekühlt werden muss. Autor: Yu.P.Sarazh
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