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无线电电子与电气工程百科全书 四分之一波电焊。 无线电电子电气工程百科全书
短波业余无线电操作员和任何对无线电通信非常感兴趣的人都知道高功率水平的驻波是一种明确的祸害。 一旦在射频功率传输路径中建立，驻波就会引起很多麻烦。 例如，禁用功率放大器、烧毁天线电缆、烧毁天线继电器等。 我给你讲一个故事。 有一次我需要一根 75 m 长的 2 欧姆同轴电缆。我将一卷 30 m 长的电缆制成一圈。我剪掉所需的一段，剪掉两端，用欧姆表检查中心芯的破损情况。 我决定，由于这块碎片来自海湾的尽头，因此可以将其折断。 他再次切掉必要的部分，将其宰杀，检查——再次检查中央核心的破损情况。 我以为那是一根用过的电缆，躺在控制室的某个地方，它可能被踩坏了。 电缆的另一端应该在天线处，那里没有人踩踏。 从海湾的另一端切下一块。 同样的事情 - 中央静脉破裂。 我的耐心耗尽了，我把整个海湾搬到院子里，开始切割。 将海湾切成 17 块后，没有收到任何好的，我决定去商店购买一根新电缆。 路上我就在想，如何才能在很多地方同时烧掉电缆。 在直流电下，电路通常会在一个最薄弱的地方烧毁，之后其他地方就不再烧毁。 带着新电缆回家后，我决定将旧电缆的整个编织层拆下来。 之后，透过半透明绝缘层可以看到变暗的地方和 24 毫米的断线。 RK-75-4-11电缆的中心线芯直径为0,72 mm；为了烧毁这样的电线，需要21 A的电流。烧伤的地方以一定的频率定位——略小于1 m。 后来，我设法发现损坏的电缆被用作 54 MHz 无线电台的一部分。 电缆中的波长为 3,66 m（考虑到 1,52 的缩短系数）。 然后我意识到电缆被“切割”成0,915 m的四分之一波长段。我在文献中找不到这种效应的明确解释。 然后我想出了一个合适的模型，我在下面提出。
初始先决条件（符号如图 1 所示）： 1) 负载断路模式下参数沿长度均匀分布的理想同轴线； 2）中心线芯和编织层之间的绝缘理想地具有很强的电强度，任何电压都不能击穿； 3)中心磁芯欧姆电阻小，并具有加热处电阻增大的能力，受热均匀的磁芯沿整个长度电阻分布均匀； 4)中心芯可以在预热的地方用高电流燃烧，在这个地方形成一个胶囊，里面充满了核心金属的蒸气； 5) 烧坏部位的胶囊因电压升高而击穿并电离，电离在胶囊内持续较长时间，并且其电导率随着电离气体（电弧）中电流的增加和热量释放而增加。 重复击穿发生在比一次击穿电压低得多的电压下。 图 1a、b 显示了极端失配模式（负载断路或短路 - 图表偏移 λ/4）下电压和电流沿线路长度的分布图。 在这种情况下，最大值称为波腹，零值称为节点。 图 1c 显示了驻波模式（负载断开时）的理想化长同轴线，其中电流和电压波腹以符号显示。 由于存在波的完全反射，它们从输出端开始以 λ/4 的周期交替。 该线路由与输电线路相匹配的发电机供电。 在电流的波腹处，线路部分发生均匀加热。 在这种情况下，该区域的电阻会增加，核心会熔化，并会形成充满金属蒸气的胶囊。 实际上，由于电缆参数分布不均匀，中心芯的熔化不可能同时发生在所有电流波腹处。
因此，我们在生产线上引入了不均匀性。 这种不均匀性可能是制造缺陷（某个位置的芯横截面减小、凹痕、夹杂物）。 因此，例如，在距线路开口端 3λ/4 的波腹处，发生燃烧（图 2a）并形成充满金属蒸气的胶囊。 线路中的这种断路被视为负载中的断路，电压的波腹移动 λ/4，即到第一次断裂的地方并进行初级击穿（图 2，b）。 胶囊内电离增加，电阻因电弧燃烧而降低。 电压波腹再次移动 λ/4，电流波腹移动到位，恢复间隙中的电导率，即在这个地方，等离子弧恢复了核心的导电性。 但由于线路的加载端是开放的，驻波恢复到原来的形式（图2，c）。 以这种方式恢复的截面处的温度升高，并且由于传热，它增加了邻近截面的铁芯的电阻。 在邻近的电流波腹处，释放的热量增加，导致铁芯从第一次损坏的地方左右各λ/4处烧毁，电压波腹向这些地方偏移（图2，c）。 在形成的胶囊中，间隙发生初步破裂、加热和强电离。 此时，先前点燃的电弧通过电流或电压维持（或者当随后的线路损坏发生时），并且邻近部分的加热增加直至熔化，然后该过程沿着电缆的整个长度发展，如图2所示，g-g。 我们看到，驻波传递能量（但不传递到负载中）并将其释放到由其组织的“负载”上，以 λ/4 的步长排列，以中心核心熔化的形式。 此外，在相对较低的发电机功率下，波腹处会出现非常大的电流和电压值。 这些分割值的添加是由于电离间隙的惯性而发生的（胶囊中的电离保留了相当长的时间）。 在上面考虑的 RK-75-11 电缆的情况下，有 18 个损坏，平均间隙为 3 毫米，这样的总间隙约为 50 毫米。
如果将波腹形成的位置从电力传输线移至其末端，则可以利用驻波的能量。 因此，我们单独考虑四分之一波长线。 图 3a 显示了一条与电源和负载相匹配的线路。 这就是所谓的四分之一波长线路变压器，它将负载阻抗变换为线路输入阻抗。 现在让我们在之前提出的模型框架内考虑极端失配模式，并用由焊钳和焊接部件形式的电极组成的焊接电路代替负载，作为触点间隙电离的关键。 图 3b 显示了负载断路的情况，当电极间隔一定距离时，电弧将在该距离处断开，然后电极末端的电压形成波腹，随后间隙击穿、波腹放电并形成电离云。 图 3c 显示了负载闭合的情况，其中电弧熄灭，电极“粘附”在正在焊接的工件上。 在这种情况下，电压下降到零（理论上），但电极电流达到非常高的值并烧坏合闸桥，然后集中熔化电极，直到达到正常模式。 图3d显示了正常模式的情况，这是匹配负载下行波模式电力传输的经典情况，并且匹配条件也是我们已知的。 已知电弧在20V左右的电压下燃烧，其中的电流由所用电极的横截面决定。 根据欧姆定律，将电压除以电流，即可得到负载电阻，该电阻应等于线路的波阻。 应该注意的是，对于标准同轴电缆，该电阻较低，需要开发特殊电缆。 有必要增加电缆中心芯的横截面，因为电流小于 40 A 时，电弧燃烧不稳定，并且不会产生足以熔化钢的温度。 在设计促进时刻时，应注意以下几点。 四分之一波变压器为起弧和燃烧创造了近乎理想的条件，相当于传统焊接变压器的陡降特性，通常通过将变压器的工作点转移到铁芯的饱和边界来实现，这是极其不经济的，并且对照明网络产生巨大的干扰（当传统CT的铁芯饱和时，初级绕组的电流脉冲达到数百安培，产生的热功率以千瓦为单位）。 对于四分之一波电焊，通过交替和组合四分之一波线的所有三种操作模式来维持电弧，因为焊接电路由电源供电，很可能必须通过以较高频率运行的发电机的匹配变压器来完成。 借助这种四分之一波变压器，可以排除关闭发电机负载的模式，这将允许使用转换器的晶体管电路。 事实是，通过四分之一波变压器连接的负载中的短路会以高电阻的形式传输到线路输入。 但当焊接电路断路时，发电机的负载就类似于短路。 但我们在电极上有巨大的电压裕度。 出于安全原因，必须将该电压限制在一定水平。 通过限制开路焊接电极上的电压，我们同时降低了发电机的峰值负载，并且可以构建功率仅为几百瓦的优化系统，其效率与经典实施中的数千瓦机器相似。 理论上，频率为50 Hz的四分之一波电焊是可能的，但实际上它非常昂贵。 因此，频率至少应提高到几兆赫兹。 一般来说，频率越高，设计可以越简单、越紧凑，但集肤效应开始出现，这会减少焊接深度，在微波炉中它会变成“烟花发生器”。 我建议仅针对板材使用四分之一波电焊，在这种情况下它可以替代 KEMP 型设备。 集肤效应非常有用，因为它能够清除金属表面的氧化膜。 这种薄膜通常是电介质，具有晶体结构，其下方有一个对表面电流电阻增大的区域，会引起薄膜下方及其边界的局部加热，温差会破坏氧化膜的结构（薄膜会从金属表面剥落），可作为焊接电极焊剂的替代品。 说到实际实施，应该注意的是，同轴版本中四分之一波长线的物理长度显着缩短（与绞合线不同），并且焊接电缆充当延长线的调谐环，使四分之一波长线段恰好在焊接电极的末端结束。
通常包含同轴线（图 4，a）时，其波阻抗 ρ 等于电缆 Z 的波阻抗。希望降低电缆线路的波阻抗（例如，使用标准 50 欧姆电缆）。 如果将电缆编织层平行连接到中心线芯，如图4，b所示，则可以将线路电阻减少2倍。 电缆编织层通常具有显着的铜横截面，超过中心芯的横截面，尽管流过它们的电流是相同的。 我建议使用电缆编织层作为发电机输出变压器的次级绕组。 可以将发电机输出变压器和四分之一波长变压器组合在线上（图4，c），即可以简单地用同轴电缆缠绕次级绕组，组成四分之一波长线路。 由于图 4c 中的电路是谐振的，因此我们可以预期发电机变压器的磁场能量将转移到同轴线的电磁场。 图 4d 显示了通常包含四分之一波长线的图。 这里，变压器在电缆编织层上的负载可以通过应用负载电阻R以及之前考虑的电缆设计来获得。 这种设计特别方便的是，线路的一端被堵塞，但很可能需要冷却。 作者：Yu.P.Sarazh
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