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無線電子工学および電気工学の百科事典 XNUMX/XNUMX波長電気溶接。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
短波無線のアマチュアや無線通信に真剣に興味を持ったことのある人なら誰でも、高出力レベルの定在波が明らかに悪であることを知っています。 定在波が RF 電力伝送経路に確立されると、多くの問題を引き起こす可能性があります。 たとえば、パワーアンプの損傷、アンテナへのケーブルの焼損、アンテナリレーの焼損などです。 この話をします。 ある日、長さちょうど 75 m の 2 オームの同軸ケーブルが必要になりました。ケーブルのコイルを長さ 30 m の 17 本にまとめて保管しました。必要な部分を切り取り、端を分離し、中心コアの断線をチェックしました。抵抗計。 湾の端からのものなので折れる可能性があると判断しました。 もう一度必要な部分を切り取り、切り取り、確認しました - 再び中央の芯に破損がありました。 これは機器室のどこかに転がっている使用済みのケーブルで、踏みつけられたのではないかと思いました。 ケーブルのもう一方の端はアンテナにあるはずです。そこを踏みつける人はいません。 湾の反対側から一部を切り取りました。 同じこと - 中心コアの破損。 私の忍耐力も限界に達し、湾全体を庭に運び込み、切り始めました。 ベイを XNUMX 個に分割しましたが、適切なものが XNUMX つも見つからなかったので、店に行って新しいケーブルを購入することにしました。 途中、どのようにして同時に多くの場所のケーブルが焼き切れる可能性があるのかを考えました。 直流電流では、通常、回路は最も弱い 24 つの場所で焼き切れ、その後他の場所は燃えなくなります。 新しいケーブルを持って家に帰ったので、古いケーブルの部分から編組全体を取り除くことにしました。 この後、半透明の絶縁体を通して、黒ずんだ領域と 75 mm の断線が見えました。 RK-4-11-0,72 ケーブルの中心コアの直径は 21 mm であり、このようなワイヤを焼損するには 1 A の電流が必要です。焼損箇所は特定の頻度 (XNUMX よりわずかに小さい) で特定されました。メートル。 その後、損傷したケーブルは 54 MHz のラジオ局の一部として使用されていたことがわかりました。 ケーブル内の波長は 3,66 m でした (短縮係数 1,52 を考慮)。 そして、ケーブルがそれぞれ 0,915 m の XNUMX 分の XNUMX 波長のセクションに「切断」されていることに気づきましたが、この影響についての明確な説明は文献には見つかりませんでした。 そして、以下に提案する適切なモデルを思いつきました。
初期の前提条件 (シンボルは図 1 に示されています): 1) ロードブレークモードで長さに沿ってパラメータが均一に分布する理想的な同軸線。 2) 中心コアと編組の間の絶縁は理想的には電気的に強く、いかなる電圧によっても破壊されません。 3) 中心コアのオーム抵抗は小さく、加熱部位の抵抗を増加させる能力があります。均一に加熱されたコアは、その全長に沿って抵抗が均一に分布しています。 4) 中心コアは予熱された場所で大電流によって焼き切れる可能性があり、この場所ではコアの金属からの蒸気で満たされたカプセルが形成されます。 5) 電圧の上昇によってバーンアウト部位のカプセルが貫通されイオン化され、カプセル内でイオン化が長時間持続し、イオン化ガス (アーク) 内の電流の増加と熱の放出に伴ってカプセル内の導電率が増加します。 繰り返しの故障は、最初の故障よりもはるかに低い電圧で発生します。 図1a、bは、極端な不整合モード（負荷破壊または短絡、グラフはλ/4だけシフト）における線路の長さに沿った電圧と電流の分布のグラフを示しています。 この場合、最大値は腹と呼ばれ、ゼロ値はノードと呼ばれます。 図1cは、定在波モード(負荷遮断時)の理想的な長い同軸線路を示しており、電流と電圧の波腹がシンボルとして示されています。 波はそこで完全に反射されるため、出力端から開始して λ/4 の周期で交互になります。 送電線には、送電線に適合する発電機によって電力が供給されます。 現在の波腹では、ラインセクションの均一な加熱が発生します。 この場合、この領域の抵抗が増加し、コアの溶融が発生し、金属蒸気で満たされたカプセルが形成される可能性があります。 実際には、ケーブルパラメータの不均一な分布により、中心コアの溶融が現在のすべての波腹で同時に起こることはありません。
したがって、ラインに異質性を導入します。 このような不均一性は、製造上の欠陥（特定の場所でのコアの断面の減少、へこみ、介在物）である可能性があります。 したがって、たとえば線路の開放端から 3λ/4 の波腹で焼損が発生し (図 2、a)、金属蒸気で満たされたカプセルが形成されました。 このような断線は負荷断線として認識され、電圧の波腹が λ/4 だけシフトされます。 最初のブレークの場所まで移動し、一次ブレークダウンを行います (図 2、b)。 カプセル内のイオン化が増加し、アーク放電により抵抗が減少します。 電圧の腹は再び λ/4 だけシフトされ、電流の腹はその場所にシフトされ、ギャップ内の導電性が回復します。 この場所では、プラズマ アークがコアの導電性を回復します。 しかし、線路の負荷端は開いているため、定在波は以前の形に戻ります (図 2、c)。 このようにして復元された領域の温度が上昇し、熱伝達により隣接領域のコアの抵抗が増加します。 隣接する電流の腹では、放出される熱の増加により、最初の損傷の場所から左右に λ/4 だけコアが燃焼し、電圧の腹が図 2 のこれらの場所に移動します。 c. ギャップの一次破壊、ギャップの加熱、および結果として生じるカプセル内での強力なイオン化が発生します。 このとき、以前に点灯したアークは電流または電圧のいずれかによってサポートされ（ラインがさらに損傷すると交互に）、溶融が発生するまで隣接領域で加熱が増加し、その後、図2dに示すようにプロセスが進行します。ケーブル全長に沿って。 定在波がエネルギーを（負荷には転送しないが）伝達し、中心コアの溶融の形で、λ/4 のステップで配置された、それが組織する「負荷」に放出することがわかります。 さらに、発電機の出力が比較的低い場合、腹では非常に大きな値の電流と電圧が発生します。 これらの分割量の追加は、イオン化ギャップの慣性によって発生します (カプセル内のイオン化は非常に長時間持続します)。 RK-75-11 ケーブルを使用した上記のケースでは、平均ギャップが 18 mm の障害が 3 個あり、この合計ギャップは約 50 mm でした。
送電線の腹となる場所を送電線の端まで移動させると定在波のエネルギーを利用できます。 したがって、3/XNUMX波長線については分けて考えます。 図 XNUMXa は、電源と負荷に整合したこのようなラインを示しています。 これは、回線上のいわゆる XNUMX 分の XNUMX 波長変圧器で、負荷抵抗を回線の入力抵抗に変換します。 ここで、以前に提案したモデルの枠組み内で極端な不整合モードを考慮し、負荷を、電極ホルダーと、接点間のギャップのイオン化をキーとして溶接部品の形をした電極で構成される溶接回路に置き換えます。 図 3b は、アークが切断される距離だけ電極が離れている場合の負荷切断の場合を示しています。その後、電極の端の電圧が腹を形成し、続いてギャップの破壊、腹の放電、および放電が発生します。イオン化した雲のこと。 図 3 の c は、アークが消えて電極が溶接される部品に「くっつく」負荷閉鎖の場合を示しています。 この場合、電圧は（理論上）ゼロに低下しますが、電極電流は非常に高い値に達し、閉じているブリッジを焼き尽くし、通常の動作が達成されるまで電極を集中的に溶かします。 図 3d は通常モードのケースを示しています。これは、整合負荷での進行波モードでの電力伝送の典型的なケースであり、整合条件も既知です。 アークは約 20 V の電圧で燃焼し、アークに流れる電流は使用される電極の断面積によって決まることが知られています。 オームの法則に従って電圧を電流で割ると負荷抵抗が得られ、これはラインの特性インピーダンスに等しくなければなりません。 標準的な同軸ケーブルの場合、この抵抗は低いため、特別なケーブルを設計する必要があることに注意してください。 40 A 未満の電流ではアークの燃焼が不安定になり、鋼を溶かすのに十分な温度が得られないため、ケーブルの中心コアの断面積を増やす必要があります。 設計を容易にするために以下の点に注意してください。 XNUMX/XNUMX 波長変圧器は、アークの励起と燃焼にほぼ理想的な条件を作り出します。これは、従来の溶接変圧器の急峻な降下特性と同等であり、これは通常、変圧器の動作点をコアの飽和境界に移すことによって実現されます。これは非常に不経済であり、照明ネットワークに多大な干渉を引き起こします（従来の CT のコアが飽和すると、一次巻線の電流パルスは数百アンペアに達し、生成される熱電力はキロワット単位で測定されます）。 XNUMX/XNUMX 波長電気溶接では、XNUMX/XNUMX 波長ラインの XNUMX つの動作モードをすべて交互に組み合わせることによってアークが維持されます。これは、溶接回路が XNUMX/XNUMX 波長で動作する発電機からの整合変圧器を介して電源から電力を供給される必要があるためです。より高い周波数。 このような XNUMX 分の XNUMX 波長変圧器を使用すると、発電機負荷の短絡モードを排除することができ、トランジスタ コンバータ回路の使用が可能になります。 実際のところ、XNUMX/XNUMX波長変圧器を介して接続された負荷の短絡は、高抵抗の形で線路の入力に伝達されます。 しかし、溶接回路が壊れた場合、発電機への負荷は短絡と同様になります。 しかし、電極には膨大な電圧が蓄えられています。 安全上の理由から、この電圧はあるレベルに制限する必要があります。 開放溶接電極の電圧を制限することで、同時に発電機のピーク負荷を低減し、従来の実装における数キロワットの機械と効率が同等の、わずか数百ワットの電力で最適化されたシステムを構築できます。 理論的には、50 Hz の周波数で XNUMX 分の XNUMX 波長の電気溶接を使用することは可能ですが、実際には非常に高価です。 したがって、周波数を少なくとも数メガヘルツまで高める必要があります。 一般に、周波数が高くなるほど、設計はよりシンプルでコンパクトになりますが、表皮効果が現れ始め、溶接の深さが浅くなり、電子レンジでは「花火発生器」に変わります。 シート材料のみに XNUMX/XNUMX 波長電気溶接をお勧めします。この場合、KEMP タイプの装置を置き換えることができます。 表皮効果は、金属表面の酸化膜を除去できるという点で役立ちます。 この膜は通常誘電体で結晶構造を持ち、その下には表面電流に対する抵抗が増加した領域が現れ、膜の下とその境界で局所的な加熱が発生し、温度差により膜の構造が破壊されます。酸化皮膜（金属表面から皮膜が剥がれます）。溶接電極用のフラックスの代替品として使用できます。 実際の実装について言えば、同軸バージョンの XNUMX 分の XNUMX 波長ラインの物理的な長さは大幅に短縮され (ツイスト ワイヤとは異なり)、溶接ケーブルはラインを延長する同調ケーブルとして機能するため、XNUMX/XNUMX 波長ラインが XNUMX 分の XNUMX になるように機能することに注意してください。波形セグメントは溶接電極の端で正確に終了します。
同軸線路の通常の接続 (図 4、a) では、その特性インピーダンス ρ はケーブル Z の特性インピーダンスに等しくなります。ケーブル線路の特性インピーダンスを下げることをお勧めします (たとえば、標準のケーブルを使用します)。 50Ωケーブル）。 図4bに示すように、ケーブル編組を中心コアに平行に接続すると、線路抵抗を2倍に減らすことができます。 ケーブル編組は通常、中心コアの断面積を超える大きな銅断面積を持っていますが、そこを流れる電流は同じです。 発電機出力トランスの二次巻線としてケーブル編組を使用することをお勧めします。 発電機の出力変圧器と 4/4 波長変圧器をライン上で組み合わせることができます (図 XNUMX、c)。つまり、XNUMX 次巻線を同軸ケーブルで巻くだけで、XNUMX/XNUMX 波長ラインを構成できます。 図XNUMXcの回路は共振しているため、発電機変圧器の磁場のエネルギーが同軸線の電磁場に伝達されることが期待できます。 図 4d は、XNUMX/XNUMX 波長線路の通常の接続を示す図です。 ここで、ケーブル編組に沿った変圧器の負荷は、前述のケーブル設計と同様に、負荷抵抗器 R を使用して取得できます。 この設計で特に便利なのは、ラインの一端がプラグされているものの、冷却する必要がある可能性が高いことです。 著者: Yu.P.Sarazh
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