close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C59294611

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Большенко Андрей Викторович
ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТОКА ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОГО
ОКСИДИРОВАНИЯ
Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новочеркасск 2013
1
Работа выполнена на кафедре «Электрические и электронные аппараты» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего
профессионального образования «Южно-Российский государственный технический
университет (Новочеркасский политехнический институт)».
кандидат технических наук, профессор
Гринченков Валерий Петрович
Научный руководитель
Официальные оппоненты:
Розанов Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, профессор
кафедры «Электрические и электронные аппараты» Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт»
Ковалев Олег Федорович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Информационная безопасность, телекоммуникационные системы и информатика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный
технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Ведущая организация
университета в г. Таганроге
Технологический институт Южного федерального
Защита диссертации состоится 28 июня 2013 г. в 10 час. 00 мин. на заседании
диссертационного совета Д212.304.08 при федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский
политехнический институт)» в ауд. 149 главного корпуса по адресу: 346428, г.
Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».
Автореферат разослан «27» мая 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д212.304.08
Скубиенко Сергей Витальевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Разработка новых экологически чистых технологий
нанесения высокоэффективных и надежных покрытий для защиты и упрочнения металлических изделий является сегодня одной из самых актуальных задач современной науки и техники. Это обусловлено агрессивностью применяемых технологических сред и жесткостью условий эксплуатации изделий, ведущих к повышению требований к конструкционным материалам. Одним из новых и перспективных видов
поверхностной обработки и упрочнения, главным образом, металлических материалов является микроплазменное оксидирование (МПО). Метод МПО позволяет получать многофункциональные керамикоподобные, износостойкие, коррозионностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия с уникальным
комплексом физико-химических свойств для применения в самых разных областях
техники. Физико-химические параметры покрытий, полученных методом микроплазменного оксидирования, значительно превосходят параметры покрытий, сформированных методами классического анодирования, оксидирования и др.
Типовая установка для МПО включает специализированный источник тока и
гальваническую ванну с электролитом (катод), в которую помещается детальзаготовка (анод). В работах по технологии нанесения покрытий такой технологический источник обычно определяют как регулятор тока МПО-нагрузки. Процесс
МПО инициируется подачей поляризационного напряжения от регулятора тока на
клеммы гальванической ванны. Свойства формируемых покрытий зависят от двух
основных факторов: компонентного состава электролита и электрического режима
поляризации. Как правило, компонентный состав электролита влияет на химический
состав покрытия и, тем самым, на его химические свойства (коррозионная устойчивость и др.). Электрический режим влияет на формирование физических свойств
(твердость, пористость, шероховатость и др.), обусловленных характером и интенсивностью микроплазменных разрядов. Технология МПО на сегодняшний день достаточно хорошо изучена и находит широкое применение во многих областях науки
и техники, однако теоретические представления о процессе недостаточно полны, нет
аналитического подхода к прогнозированию свойств покрытий, не отработаны механизмы получения покрытий с заданными свойствами. В разное время над этой
проблемой работали такие ученые, как А.М. Борисов, В.Н. Бориков, Б.Л. Крит,
В.Б. Людин, И.В. Суминов, А.В. Эпельфельд.
Обзор известных электрических режимов процесса МПО и регуляторов тока
для обеспечения процесса МПО показал, что существующие регуляторы тока имеют
низкие функциональные возможности и узкий диапазон регулируемых параметров,
что обусловлено использованием устаревшей элементной базы. Известные варианты
реализации регуляторов тока не позволяют обеспечить требуемый широкий набор
электрических режимов процесса МПО и, тем самым, сужают возможный набор
свойств формируемых покрытий.
Одним из наиболее перспективных направлений развития метода МПО в
настоящее время является разработка регуляторов тока, обеспечивающих широкий
набор электрических режимов процесса МПО, позволяющих формировать покрытия
3
с заданным набором физико-химических свойств. Такие режимы МПО требуют создания новых типов регуляторов тока на основе применения современной элементной базы силовой электроники и микропроцессорной техники.
Важнейшей задачей в области МПО является получение покрытий с заданными свойствами. Один из способов ее решения заключается в постоянном формировании базы данных свойств покрытий, которые включают наборы режимов проведенных процессов МПО при соответствующих составах электролитов. Используя
эту базу и применяя методы интерполяции (экстраполяции) данных, можно получить значения свойств покрытий, что дает возможность обеспечивать покрытия с
промежуточными свойствами.
Другой способ получения покрытий с заданными свойствами основан на непрерывном мониторинге параметров микроплазменной системы (величин активной
и емкостной составляющих МПО-нагрузки). Установлено, что свойства покрытия
непосредственно зависят от параметров микроплазменной системы. Следовательно,
для получения покрытия с заданными свойствами необходимо своевременно остановить процесс МПО при достижении заданных величин параметров микроплазменной системы.
Предлагаемые в диссертационной работе регуляторы тока для устройств МПО
могут стать одновременно как промышленными образцами, так и исследовательским инструментом для изучения процессов МПО и формирования базы данных
свойств покрытий.
Таким образом, задача разработки новых специализированных регуляторов
тока для устройств микроплазменного оксидирования, в которых реализованы необходимые функциональные возможности и алгоритмы управления, позволяющие получать МПО-покрытия с широким набором заданных физико-химических свойств,
является актуальной, что и определило тему диссертационной работы.
Цель работы: развитие теории и практики создания регуляторов тока для
микроплазменного оксидирования.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы
методы математического анализа, методы теории электрических цепей, численные и
аналитические методы решения систем линейных и нелинейных алгебраических
уравнений, методы математического моделирования.
Научная новизна.
1. Предложенные структурные и схемотехнические решения регуляторов тока отличаются от известных тем, что обеспечивают биполярные импульсы тока с регулируемой величиной и скважностью, необходимые для проведения процесса
МПО.
2. Разработанная методика определения характеристик импульсного регулятора тока, в отличие от известных, учитывает динамические характеристики используемой элементной базы силовых электронных ключей, компонентный состав электролита и площадь обрабатываемой детали.
3. Разработанный способ определения параметров микроплазменной системы
в режиме реального времени процесса обработки отличается от известных тем, что
4
учитывает различную форму и длительность фронта нарастания поляризующего
напряжения и позволяет производить оценку толщины и пористости покрытия без
их непосредственного измерения.
4. Принципы построения и алгоритмы функционирования цифровых систем
управления регуляторами тока отличаются от известных тем, что учитывается характер и динамика изменения параметров МПО-нагрузки.
5. Комплексные математические модели регуляторов тока, в которых, вотличие от известных, интегрированы модель управляемого силового модуля, модель
нагрузки и система управления процессом МПО.
Обоснование и достоверность результатов подтверждаются корректностью
допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки
для их исследования, использованием метрологически-аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Предложены структуры и схемотехнические решения для регуляторов тока
устройств микроплазменного оксидирования, позволяющие обеспечить получение
многофункциональных покрытий с заданными физико-химическими свойствами.
2. Разработаны методика, алгоритмы и программное обеспечение для определения параметров микроплазменной системы в режиме реального времени при реализации процесса МПО.
3. Предложены рекомендации к методике проектного расчета и выбору элементной базы модулей регуляторов тока.
4. По результатам исследований созданы опытные образцы устройств разных
исполнений, используемые в лабораторных условиях для исследования режимов и
свойств МПО-покрытий.
Реализация работы. Полученные результаты работы использованы: в НИИ
«Электромеханика» ЮРГТУ(НПИ) и ООО НПП «Магнетик-Дон» при создании технологических регуляторов тока для устройств микроплазменного оксидирования, в
ООО «Микроокс» и лаборатории кафедры ХТВСОФиКХ ЮРГТУ (НПИ) при исследовании и разработке технологий формирования многофункциональных покрытий
методом МПО.
Положения, выносимые на защиту.
1. Структурные и схемотехнические решения регуляторов тока для МПО.
2. Методики определения характеристик источника тока для МПО с учетом параметров технологического процесса.
3. Комплексные математические модели регуляторов тока для анализа процесса МПО.
4. Практические рекомендации по созданию регуляторов тока для устройств
МПО.
5. Методы определения параметров МПО-нагрузки.
5
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях
студентов, аспирантов и молодых ученых Ростовской области «Студенческая научная весна»; на Всероссийской научно-технической конференции «Студенты, аспиранты и молодые ученые – малому наукоемкому бизнесу – «Ползуновские гранты»;
на научных семинарах кафедры «Электрические и электронные аппараты»
ЮРГТУ(НПИ).
Результаты исследований диссертационной работы были использованы при выполнении двух государственных контрактов под руководством соискателя: №П2135 «Разработка устройства для микродугового оксидирования» от 5 ноября 2009 г. и
№14.740.11.0538 - «Разработка источника питания устройства для микродугового
оксидирования на основе транзисторного инверторного преобразователя с корректором коэффициента мощности» от 1 октября 2010 г., проводимых в рамках мероприятия 1.3.2 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том
числе: 5 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 3 тезиса докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, получен 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства о регистрации программы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и приложений. Общий
объем работы 202 страницы, включая 28 страниц приложений и 123 иллюстрации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи
исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.
В первой главе проведен обзор и анализ научно-технических работ по разрабатываемой тематике. Проведен анализ известных способов и режимов процесса
МПО. Установлены наиболее перспективные решения, направленные на возможность получения покрытий с качественно новыми функциональными свойствами, а
также возможность получения покрытий с широким диапазоном заданных свойств.
Анализ работ, направленных на исследование свойств МПО-покрытий, показал, что наиболее эффективные электрические режимы процесса МПО достигаются
с использованием сильноточной импульсной анодно-катодной поляризации, в том
числе с применением циклирования анодной и катодной поляризации с бестоковой
паузой.
Свойства покрытий, полученных методом МПО, зависят от ряда параметров,
основными из которых являются: состав электролита, электрический режим и материал заготовки. Состав электролита в большей степени влияет на химические свойства покрытия, а электрический режим формирования МПО-покрытий в большей
6
степени определяет физические свойства (твердость, пористость, шероховатость,
износостойкость и др.).
Электрические режимы формирования МПО-покрытий определяются используемым регулятором тока. Таким образом, функциональные возможности регулятора тока определяют набор возможных электрических режимов и, соответственно,
спектр свойств формируемых покрытий. Проведена общая классификация электрических режимов проведения процесса МПО.
Обзор и анализ известных промышленных образцов регуляторов тока показал,
что используемые в настоящее время регуляторы, входящие в состав оборудования
для МПО-процесса, обладают весьма низкими функциональными возможностями,
что в свою очередь ограничивает набор свойств формируемых МПО-покрытий.
Низкая функциональность используемых регуляторов тока обусловлена использованием устаревшей элементной базы (конденсаторные, тиристорные, тиристорноконденсаторные регуляторы тока).
Разработка регулятора тока для МПО усложняется из-за необходимости учитывать нелинейность нагрузки, параметры которой меняются во время процесса, и
постоянно контролировать ресурс электролита и его температуру. При выходе последних за пределы допустимых значений происходит необратимое снижение качества покрытия, вплоть до брака.
Проведенный анализ показал, что предлагаемые образцы регуляторов тока для
промышленной и исследовательской деятельности обладают рядом недостатков:
 отсутствие обратной связи по лимитирующим параметрам процесса МПО
(температура электролита и др.);
 отсутствие возможности протоколирования параметров процесса (ток,
напряжение, температура электролита и др.);
 отсутствие адаптации к меняющимся параметрам микроплазменной системы;
 отсутствие возможности прогноза для формирования покрытий с заданными свойствами.
Анализ электрических режимов процесса МПО позволил сформулировать
функциональные требования к регулятору тока, обеспечивающему формирование
покрытий с широким диапазоном заданных свойств:
 обеспечение униполярных и биполярных ассиметричных импульсных выходных токов;
 раздельное задание уровней анодного и катодного токов;
 раздельное задание длительностей действия импульсов напряжения и частоты их следования;
 обеспечение гальваностатического режима процесса;
 ограничение амплитуды выходного напряжения;
 контроль лимитирующих параметров процесса МПО;
 контроль максимального тока нагрузки;
 мониторинг и протоколирование параметров состояния процесса МПО;
7
 определение, мониторинг и протоколирование параметров микроплазменной системы;
 формирование базы данных свойств покрытий, используемой при создании
покрытий с заданными свойствами.
Во второй главе рассмотрены вопросы по определению технических характеристик регуляторов тока для МПО, учитывающих особенности и характер нагрузки.
Предложены методика и алгоритмы определения параметров МПО-нагрузки.
Установлено, что для разрабатываемого регулятора тока в первую очередь
необходимо учитывать сложный ярко выраженным активно-емкостный характером
МПО-нагрузки. Анализ исследований в области МПО позволил определить эквивалентную схему замещения МПО-нагрузки (рис.1). Несмотря на ряд допущений,
определенных при ее составлении, она с достаточной степенью точности позволяет
описать характер МПО-нагрузки и производить анализ переходных процессов в ней.
Параллельно соединенные сопротивление
и емкость
имитируют границу раздела металл-раствор (оксидную пленку),
– сопротивление электролита, – индуктивность подводящих к ванне проводов и монтажа. Следует отметить наличие в
эквивалентной схеме замещения индуктивности , которая явным образом не является элементом микроплазменной системы, но практически всегда входит в силовую
цепь нагрузки регулятора тока. Наличие индуктивности приводит к снижению скорости роста тока в начальный момент импульса напряжения поляризации нагрузки и
во многом определяет характер изменения тока в переходном процессе.
Параметры микроплазменной системы
1
подвергаются изменению во времени в процессе
МПО. Начальные параметры и характер измеп
2
нения зависят от состава электролита. Следует
отметить, что значение сопротивления электролита подвергается слабому изменению, зависяРис.1. Эквивалентная схема замещения
МПО-нагрузки
щему в основном от его ресурса и температуры.
Величина индуктивности определяется конструкцией источника тока и его соединением с гальванической ванной и не меняется в процессе МПО.
Исследования, проведенные в Томском политехническом университете, показывают, что параметры микроплазменной системы с достаточной степенью точности позволяют оценить такие важные параметры формируемого покрытия, как толщина и пористость :
где
и
– коэффициенты, определяемые эмпирическим путем для каждого состава электролита и режима работы.
Таким образом, непрерывное определение параметров нагрузки (экспрессанализ) в процессе МПО позволяет производить оценку толщины и пористости и,
следовательно, получать покрытия с заданными свойствами. Для реализации экс8
пресс-метода определения параметров покрытия необходимо иметь аналитическое
описание переходного процесса изменения тока при воздействии на МПО-нагрузку
импульсом поляризующего напряжения.
В работе операторным методом проведен анализ реакции МПО-нагрузки (переходного процесса изменения тока нагрузки) при воздействии на нее импульсом
напряжения прямоугольной формы. Расчетное выражение для тока ( ) представлено в виде
( ) (
)
(1)
где
– установившееся значение тока;  – амплитуда напряжения поляри-
зации;
– круговая частота колебательного процесса;
√
–
декремент затухания;
.
Из выражения (1) видно, что переходный процесс имеет колебательный характер, что обусловлено наличием в эквивалентной схеме замещения МПО-нагрузки
контура.
Следует отметить, что в реальных условиях скорость нарастания импульса
напряжения конечна и обусловлена динамическими параметрами коммутационных
элементов.
Для учета длительности фронта нарастания импульса входного напряжения
получено аналитическое выражение тока нагрузки ( ) при воздействии на нее импульсом поляризующего напряжения трапециевидной формы. Эта зависимость имеет вид
п

( ) {
(2)
(
)
п
(
)
где
(
)
(
(
(
)
(
)
(
(
(
)
;
)
);
))
(
(
(
)
(
));
);
.
В общем случае характеристику ( ) можно представить в виде
( )
(
 )
Для оценки границ применимости аналитических выражений для ( ), полученных при воздействии импульсами напряжения прямоугольной и трапециевидной формы, проведено моделирование переходных процессов в программе LTSpice
для различных комбинаций параметров нагрузки и длительности фронта импульса
напряжения. Параметры одного из вариантов МПО-нагрузки представлены в табл. 1.
9
Табл. 1. Параметры МПО-нагрузки
Параметры
Значения
70
Ток , А
30
Длительность импульса , мкс
1
Сопротивление электролита , Ом
1
Емкость , мкФ
6,4
Сопротивление , Ом
Длительность фронта нарастания
0,2
напряжения , мкс
5
Индуктивность , мкГн
Получены зависимости нормированного скалярного произведения и
среднеквадратическое отклонение в
кривых тока (рис. 2) при воздействии на
МПО-нагрузку прямоугольным и трапецеидальным импульсами поляризующего напряжения с различными фронтами
нарастания. На этом же рисунке приведена зависимость относительного отклонения времени максимума тока нагрузки от длительности фронта нарастания
выходного напряжения, которая отражает качественное изменение характера переходного процесса тока нагрузки.

, %
По приведенным результатам
14
0,999
1
3
12
сравнительного анализа можно сделать
0,998
10
0,997
следующий вывод: при длительности
8
0,996
фронта нарастания напряжения более
6
0,995
2
4
0,994
200 нс для расчета ( ) следует исполь2
0,993
зовать выражение (2), в остальных слу0
0,992
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
1 , мк
чаях – выражение (1).
Рис.2. Зависимости нормированного скалярного
Одной из задач при разработке репроизведения (1) и среднеквадратического отклонений (2) функций переходного процесса тока нагрузгуляторов тока является определение
ки и относительного отклонения времени максикритических режимов работы силовых
мального значения тока от длительности фронта поляризующего напряжения (3)
ключей и его технических характеристик. Для этого в диссертационной работе проведены исследования влияния параметров МПО-нагрузки и параметров входного напряжения на характер и параметры
переходного процесса изменения тока нагрузки. Для решения данной задачи были
использованы результаты динамики изменения параметров нагрузки в течение времени процесса МПО, полученные учеными Томского политехнического университета (П.И. Бутягин, А.И. Мамаев).
Характеристики изменения параметров МПО-нагрузки (удельных сопротивления и емкости) во времени процесса для одного из электролитов представлены на
рис. 3. Величины активного сопротивления и емкости МПО-нагрузки рассчитываются исходя из площади обрабатываемой детали:
Ввиду значительного влияния используемой элементной базы на параметры
входного напряжения, в частности, на его скорость нарастания, проведено исследование по определению зависимости амплитуды выходного тока нагрузки от времени
фронта нарастания выходного напряжения (рис.4, а). Качественное влияние характера переходного процесса изменения тока фронта напряжения представлено на
рис. 4, б.
10
, Ом ∙ м2
2
600
Удельная емкость
1,5
400
1
200
0
0
0,5
200
400
600
800
1000
Рис.3. Параметры микроплазменной системы
,А
,А
140
140
1
100
1
2
80
40
3
20
60
200
3
60
80
100
0
100
2
0
,
во времени процесса МПО
120
120
2
2,5
, мкФ ∙ м
Удельное сопротивление
800
300
а)
400
500
,
0
0
5
10
15
20
25
б)
30
35
40
, мк
Рис.4. Амплитуда тока во времени процесса (а) и переходной процесс изменения тока нагрузки (б) при различных фронтах выходного напряжения: 1 – 0,2мкс; 2 – 2,5мкс;3 – 20мкс
Из графиков на рис. 4 можно сделать вывод о существенном влиянии длительности фронта нарастания поляризующего импульса напряжения МПО-нагрузки
на величину амплитуды выходного тока. Например, при использовании в качестве
полупроводниковых ключей низкочастотных тиристоров, которые, как правило,
имеют время отпирания 5-20 мкс, или IGBT (MOSFET) транзисторов, со временем
отпирания 0,1-0,5 мкс, требования к силовым приборам по критерию максимального тока могут отличаться в два раза.
Неотъемлемым элементом МПО-нагрузки является индуктивность подводящих проводов и монтажа. Анализ влияния величины индуктивности на характер и
параметры переходного процесса изменения тока нагрузки (рис. 5) позволяет сделать вывод о значительном увеличении амплитудного значения тока при уменьшении индуктивности. Увеличение индуктивности приводит к увеличению времени
достижения током установившегося значения.
Как правило, параметры МПО-нагрузки
,
и (рис. 6) подвергаются изменению пропорционально площади обрабатываемой детали. Однако индуктивность, входящая в эквивалентную схему замещения, не меняется. Это явление отражается на характере и параметрах переходного процесса изменения тока нагрузки
(рис.6). Увеличение площади обрабатываемой детали приводит к снижению отношения амплитуды тока к его установившемуся значению.
На основании полученных зависимостей амплитуды тока нагрузки от параметров входного напряжения и индуктивности монтажа в работе предложены методика и алгоритм определения технических характеристик регулятора тока для МПО
при заданном составе электролита. Сущность алгоритма заключается в циклическом
расчете переходного процесса тока с использованием выражения (2). Длительность
11
фронта нарастания выходного напряжения определяется исходя из используемой
элементной базы силовых ключей, которая выбирается на начальном этапе проектирования регулятора тока. Проведено определение технических характеристик для
регулятора тока с конкретными диапазонами параметров процесса.
,А
,А
220
1
200
1
180
150
2
140
100
2
100
3
50
60
0
100
200
300
400
а)
,
500
0
3
0
5
10
15
20
25
б)
30
35
, мк
40
Рис.5. Амплитуда тока во времени процесса (а) и переходной процесс изменения тока нагрузки (б) при различных значениях индуктивности: 1 – 1мкГн; 2 – 5мкГн; 3 – 20мкГн
,А
,А
350
1200
300
250
4
800
200
2
150
600
400
100
1
50
0
5
1000
3
0
10
20
30
40
50
а)
60
200
70 , мк
0
3
0
10
20
30
40
б)
50
60
70
, мк
Рис.6. Характер переходного процесса изменения
тока нагрузки при разных значениях площади обрабатываемой детали: 1 – 1дм2; 2 – 3дм2; 3 – 5дм2; 4 – 15дм2; 5 – 25дм2
Для прямоугольного импульса поляризующего напряжения
200 ( )
1
установлены аналитические выра150
жения для расчета параметров
( 3)
100
МПО-нагрузки. В качестве исходных данных используется массив
50
( 1)
( )
измеряемых мгновенных значений
( ) ( +1 )
0
( 0)
переходного тока нагрузки (рис. 7).
4e−06
00
6e−06
8e−06+1
1e−05
1 2e−062
3
1

По этим данным дополнительно
Рис.7. Исходные данные для определения параметров
МПО-нагрузки
фиксируются: период колебаний ,
значение тока
в момент времени
на начальном участке нарастания тока ( )
иустановившееся значение тока . Значения параметров нагрузки рассчитываются
по следующим формулам:

(
)


(
(
)
)
12

∙
(
)
При воздействии импульсным напряжением трапецеидальной формы аналитические выражения для определения параметров МПО-нагрузки чрезвычайно громоздки, кроме того, плохо выраженная реальная колебательность переходного процесса ( ) и его зашумленность могут затруднить расчет параметров нагрузки. В работе предложен метод, сущность которого заключается в численной вариации параметров нагрузки при аппроксимации регистрируемой характеристики тока нагрузки
функцией вида (2). Аппроксимация кривой тока производится методом покоординатного спуска при варьировании параметров , , и . Для этого проводится
предварительное определение начальных приближений параметров МПО-нагрузки
методами полиномиальной аппроксимации отдельных участков токовой характеристики, полученной экспериментально. Следует отметить, что расчет начальных приближений параметров необходимо проводить только один раз, а в последующих
итерациях использовать результаты, полученные на предыдущем шаге.
В диссертационной работе проведена оценка методической погрешности
определения параметров МПО-нагрузки посредством разработанного диагностического программного комплекса, который состоит из двух модулей. Первый производит формирование регистрируемой зависимости тока с заданными параметрами
нагрузки и измерительного устройства, второй – определение параметров нагрузки
и определение погрешностей. Исследовалось влияние параметров АЦП и зашумленность сигнала тока нагрузки на точность определения параметров МПО-нагрузки
(рис. 8).
Наибольшее влияние разрядность преобразования АЦП производит на определение параметра
(рис.8, а). При использовании АЦП разрядностью более 8 бит
наибольшая погрешность определения параметров составляет менее 0,5%. Таким
образом, для точного определения параметров МПО-нагрузки наиболее рациональным является использование АЦП с разрядностью не менее 10 бит, при этом максимальная погрешность составит менее 0,25%.
Для обеспечения точности менее 3% при определении параметров МПОнагрузки требуется использование АЦП с максимальным периодом квантования не
более 100 нс. При использовании предложенного в работе алгоритма максимальная
погрешность определения параметров МПО-нагрузки с периодом до 2 мкс составляет не более 0,05% (рис. 8, б), что говорит о его существенном преимуществе перед
известными алгоритмами.
Наиболее существенное и критичное влияние на точность определения параметров МПО-нагрузки оказывает уровень шума, наложенного на полезный сигнал
тока (рис.8, в). Прежде всего, это сказывается на определении параметра , который является основным для оценки параметров МПО-покрытий. Это обусловлено
особенностью переходного процесса изменения тока нагрузки, заключающейся в
существенной разнице в величинах амплитудного тока и его установившегося значения. Это отношение может отличаться на порядок, что приводит к значительному
снижению точности регистрации тока при квантовании уровня сигнала и увеличива13
ет влияние шума в измерительных цепях. Для минимизации погрешности, вносимой
этим фактором, предложено использовать двухканальный датчик тока.
, %
В третьей главе предложены
1
структурные схемы и схемотехни1,5
ческие решения для тиристорного
и транзисторного импульсных ре1
4
гуляторов тока, разработаны си2
0,5
стемы управления и комплексные
3
0
математические модели для иссле, з .
6
8
10
12
а)
дования их режимов работы.
, %
Особенность системы регу1
0,04
лирования тока для микроплазменного оксидирования заключается в
0,03
том, что при управлении техноло2
0,02
гическим процессом необходимо
4
обеспечить заданные параметры
0,01
3
импульсов выходного напряжения
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
, мк
(длительность импульсов, период
б)
следования) и поддерживать задан, %
ную величину среднего тока
40
нагрузки посредством регулирова2
30
ния уровня выходного напряжения.
3
Задачами системы регулирования
4
20
являются стабилизация заданного
1
10
среднего значения выходного тока
за период модуляции и ограниче0
0
2
4
6
8
10
12
14
16 ш м, %
ние максимального времени выхов)
Рис.8. Зависимости относительной погрешности измереда тока на заданное значение.
ния параметров МПО-нагрузки (1– ,2– , 3– , 4– ) от
Структурная схема системы регупериода квантования АЦП (а), квантования по уровню (б)
и уровня шума (в)
лирования тока, удовлетворяющая
представленным выше требованиям, представлена на рис. 9.
Проектируемый регулятор тока для МПО представляет собой источник биполярного импульсного напряжения, обеспечивающий широкий диапазон изменения
выходного напряжения и временных параметров импульсов, и систему управления
(СУ), обеспечивающую заданный технологический режим в объекте управления
(ОУ) (рис. 9).
Исходя из сформулированных выше функциональных требований, предложены два варианта построения и реализации технологических регуляторов тока для
МПО. В первом, в качестве силового модуля применяется трехфазный реверсивный
управляемый тиристорный выпрямительный мост, во втором – транзисторный инверторный преобразователь напряжения. Для реализации обоих вариантов систем
регулирования тока разработаны силовые схемы и соответствующие системы
управления.
2
14
Основная задача системы регулироваУВ
УС
ния тиристорного источника тока заключаСУ
РН
ОУ
ется в стабилизации заданного среднего
значения выходного тока нагрузки посредГОС
ством регулирования величины выходного
напряжения. Структурная схема системы Рис.9. Обобщенная структурная схема регулятора тока МПО
автоматического регулирования (САР) построена на принципе управления по отклонению с обратной связью.
Для синтеза системы управления регулятором тока определена структура САР
и установлены передаточные функции отдельных ее модулей. При определении передаточной функции объекта управления (нагрузки) было принято допущение ее
представления в качестве активного сопротивления, так как после заряда емкости
она не влияет на процесс стабилизации тока.
Система регулирования тока является дискретной, то есть установка заданного
значения напряжения регулятору и считывание величины тока за предыдущий период управления производятся в дискретные моменты времени (моменты естественной коммутации тиристоров). Несмотря на это, в работе предложено провести синтез САР в непрерывной области. Это допущение обусловлено тем, что опытные
данные показывают значительное превышение минимального времени регулирования (выхода на номинальный средний ток нагрузки) по сравнению с периодом модуляции выходного напряжения.
Определена передаточная функция регулирующего звена САР ( ), обеспечивающего апериодический переходной процесс изменения тока нагрузки:
м
( )
∙
(3)
О 
О 
В результате анализа установлено, что пропорциональная часть выражения (3)
незначительно влияет на переходной процесс, поэтому передаточная функция регу( ) может быть представлена в виде
лирующего звена
( )
где 
 ∙
.
Таким образом, для обеспечения требуемых параметров переходного процесса
тока нагрузки достаточно применения интегрального регулирующего звена. Проведен расчет коэффициента интегрального регулятора для критического режима работы, обеспечивающий ограничение максимального времени регулирования тока.
Задачи системы регулирования транзисторного регулятора тока аналогичны
тиристорному. Структурная схема транзисторного регулятора тока включает импульсные регуляторы анодного и катодного напряжений (ИРАН и ИРКН) и инвертор напряжения (рис. 10, а). Отличительная особенность используемой схемы инвертора напряжения от классической заключается в раздельном питании его плеч
(рис. 10, б), что позволяет формировать на выходе регулятора тока биполярные им15
пульсы напряжения с заданными длительностями, периодом следования и амплитудой (рис 10, в), задаваемой уровнями ИРАН и ИРКН.
Инвертор
ИРКН
к
ИНВЕРТОР
ИРАН
п

п
VT2
VT1
ОУ
Rн

к
к

VT4
VT3
а)
мп
к
б)
п
в)
Рис.10. Принципиальная схема инвертора напряжения транзисторного регулятора тока
Стабилизация выходного тока обеспечивается регулированием уровня выходного напряжения ИРН, который выполнен по классической схеме понижающего
преобразователя напряжения. В связи с тем, что нагрузкой ИРН является МПОнагрузка, коммутируемая инвертором, использование классических методик расчета
элементов фильтра затруднительно. В работе предложено применить релейный способ управления транзисторным ключом и разработана методика расчета параметров
LC-фильтра, которая учитывает особенности режима работы ИРН на МПОнагрузку.
В результате синтеза САР транзисторного регулятора тока проведено опреде( ), обеспечивающего апеление передаточной функции регулирующего звена
риодический переходной процесс изменения среднего значения тока нагрузки:
м
( )
(
м
)
м
(4)
∙
 ∙ О
 ∙ О
 ∙ О
 ∙ О
где
– постоянная времени LC-фильтра ИРН, м – период следования выходных
импульсов напряжения, – постоянная времени апериодического переходного процесса изменения тока нагрузки,  – коэффициент пропорционального звена передаточной функции ключа ИРН, О – коэффициент пропорционального звена передаточной функции нагрузки.
Выражение (4) можно представить в явном виде через параметры фильтра и
параметры требуемой длительности переходного процесса установки заданного
среднего значения тока нагрузки:
(
м
м)
м
( )
∙




Последнее выражение имеет достаточно сложную структуру, включающую
регулирование по первой и второй производным, пропорциональную и интегральную части. Анализ влияния отдельных слагаемых в выражении (4) на переходный
процесс регулирования тока позволил упростить передаточную функцию транзисторного регулятора и представить ее в виде
( )
где 
 ∙
.
16
Таким образом, система управления транзисторным регулятором тока также
может быть реализована на базе интегрального регулирующего звена. Произведен
расчет коэффициента  для критических параметров МПО-нагрузки. Проведенное
упрощение также обусловлено тем, что пропорциональная и дифференциальные части регулирующего звена вносят значительные искажения и пульсации при стабилизации среднего значения тока нагрузки.
Для подтверждения результатов теоретических исследований режимов работы
регуляторов тока, а также основных принципов построения алгоритмов управления
с учетом ряда принятых допущений и упрощений, разработаны их комплексные математические модели. Модели, выполненные в программе LTSpice, включают силовой модуль, систему автоматического регулирования и МПО-нагрузку в виде эквивалентной схемы замещения. Предложенные модели регуляторов тока позволяют
производить оценку параметров системы управления, а также осуществлять анализ
переходных процессов силовых электронных приборов, что значительно расширяет
ее функциональные возможности (оценка параметров ключей при их выборе, определение тепловых режимов и др.).
Моделирование процесса включения регуляторов тока проводилось для критических параметров процесса и МПО-нагрузки. Установлено, что при включении
регуляторов тока при минимальном сопротивлении нагрузки (рис. 11, а) возникает
перерегулирование токаи возможен колебательный процесс (рис. 11, б).
,А
,А
1,500
1,000
1
500
2
0
6
8
10
12
14
16
а)
18
20
22
24
26
,м
120
100
80
60
40
20
0
0
1
2
0,05
0,1
0,15
б)
0,2
0,25
,м
Рис.11. Графики мгновенного (1) и среднего (2) значений тока при включении тиристорного (а) и транзисторного (б) регуляторов тока при минимальном сопротивлении нагрузки
Для устранения данного явления предложено в состав задаваемых параметров
процесса МПО вводить площадь обрабатываемой поверхности, что сужает диапазон
изменения активного сопротивления нагрузки. В этом случае расчет коэффициента
интегрального регулирующего звена для тиристорного регулятора тока производится по формуле


а для транзисторного регулятора тока


где
– максимальная удельная плотность сопротивления нагрузки в начальный
момент времени;
– время регулирования выхода на заданное значение.
Такая модификация позволила устранить выше отмеченный недостаток, что
подтверждено результатами моделирования (рис. 12).
17
Результаты моделирования показали, что разработанные САР обеспечивают
устойчивость системы регулирования и апериодический характер переходного процесса изменения тока при включении и установившемся режиме, а следовательно,
доказали справедливость принятых допущений и упрощений. Максимальный уровень пульсаций тока нагрузки относительно заданного значения для тиристорного
регулятора тока составил 0,5% и максимальное время регулирования – 0,95 с. Для
транзисторного регулятора тока максимальный уровень пульсаций тока составил
3,53% и максимальное время регулирования – 0,97 с.
,А
,А
1000
20
800
15
1
600
10
400
1
5
200
0
2
2
5
10
15
а)
20
25
,м
0
0
0,05
0,1
б)
0,15
0,2
0,25
,м
Рис.12. Графики мгновенного (1) и среднего (2) значений тока при включении тиристорного (а) и транзисторного (б) регуляторов тока при минимальном сопротивлении нагрузки
Четвертая глава посвящена практической реализации разработанных регуляторов тока МПО и проведению экспериментальных исследований. Исследования
проводились для двух исполнений регуляторов тока: тиристорного и транзисторного
типов, включающих, кроме силовых модулей, блоки управления, датчики тока,
напряжения и температуры.
Управление, задание параметров и мониторинг процесса МПО обеспечиваются персональным компьютером, подключенным к микропроцессорному блоку
управления (МПБУ) по помехозащищенному интерфейсу RS485. Разработанное
специальное программное обеспечение МПБУ реализует алгоритм работы системы
автоматического управления регулятором тока, а также ряд дополнительных сервисных функций, обеспечивающих защитные функции и расчет ресурса электролита
на основании прошедшего количества электричества. В тиристорном регуляторе тока синхронизация моментов времени подачи управляющих импульсов напряжения
осуществляется посредством трехканального датчика нуля фазного напряжения.
Опытные образцы исполнений регуляторов тока показаны на рис. 13.
Предложенные алгоритмы управления МПО-процессом реализуют следующие
функции:
1. Задание требуемого режима процесса МПО.
2. Управление процессом МПО.
3. Мониторинг параметров процесса МПО (ток, напряжение, температура
электролита и др.).
4. Мониторинг параметров МПО-нагрузки.
5. Расчет ресурса электролита.
6. Протоколирование процесса МПО.
7. Формирование и пополнение базы данных свойств покрытий в зависимости
от электрического режима процесса МПО.
18
а)
б)
Рис.13. Опытные образцы тиристорного (а) и транзисторного (б) регуляторов тока
Разработанный комплекс программного обеспечения позволяет в режиме реального времени отслеживать такие параметры покрытия, как толщина и шероховатость, и при достижении их требуемых значений завершить процесс МПО.
Протоколирование процесса МПО дает возможность формировать информацию и устанавливать связь параметров электрического режима МПО со свойствами
формируемых покрытий. База данных имеет следующую структуру:
Состав электролита
---
Параметры режима
к
п
к
Свойства покрытия
Толщина, твердость,
пористость, ….
Использование различных методов экстраполяции накопленных данных позволяет установить перед началом процесса такой набор параметров режима МПО,
который обеспечит получение покрытия с заданными свойствами.
Экспериментальные исследования проведены в лаборатории кафедры «Химическая технология высокомолекулярных соединений, органическая, физическая и
коллоидная химия» Химико-технологического факультета Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
В результате экспериментальных исследований используемого в эксплуатации
тиристорного регулятора тока установлено, что максимальный уровень пульсаций
выходного тока нагрузки составил менее 4,85 % от заданного и максимальное время
регулирования (время выхода на заданный ток) не превышает 0,8 с. Транзисторный
регулятор тока обеспечивал 8,34 % и время регулирования – 0,75 с. Повышение
уровня пульсаций для последнего обусловлено более высоким уровнем помех сигнальных цепей измерения тока в макете регулятора.
Функциональные свойства и параметры разработанных регуляторов тока позволяют использовать их как инструмент для проведения исследований технологии
МПО, в частности, для определения оптимальных электрических режимов процесса
для получения качественно новых МПО-покрытий.
Опытная эксплуатация разработанного устройства тиристорного регулятора
тока позволила получить композиционные покрытия с высокими функциональными
свойствами (коррозионная стойкость покрытия в 10-15 раз выше аналогов, парамет19
ры износостойкости и кинетического коэффициента трения выше в несколько раз и
т.д.) и разработать технологию получения оптически черных покрытий.
В приложении приведены листинги комплексных моделей регуляторов тока
для программы LTSpice, акты внедрения и материалы, подтверждающие защиту
интеллектуальной собственности, полученной в ходе выполнения данной диссертационной работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе:
1. Предложены два варианта исполнения регуляторов тока для устройств
микроплазменного оксидирования с широким набором функций, обеспечивающих
получение покрытий с заданными свойствами за счет использования цифровой системы управления. Показано, что функциональные возможности предложенных вариантов регуляторов тока превосходят известные аналоги и обеспечивают более высокое качество и новые свойства формируемых покрытий.
2. Предложена методика проектного расчета силовых модулей регуляторов
тока и даны рекомендации по выбору полупроводниковых элементов.
3. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для определения параметров МПО-нагрузки, которые позволяют произвести оценку параметров покрытия
в режиме реального времени, непосредственно в процессе МПО.
4. Разработаны комплексные математические модели регуляторов тока и
МПО-нагрузки, позволяющие оценить и, в случае необходимости, определить требуемые значения параметров регуляторов системы управления.
5. На основе проведенных исследований созданы опытные образцы регуляторов тока. В результате экспериментальных исследований регуляторов тока установлено, что при стабилизации максимальное отклонение тока нагрузки не превышало 4,85 и 8,53% для тиристорного и транзисторного регуляторов тока соответственно. На разработанные устройства получены патент на полезную модель, патент
на изобретение и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для
ЭВМ.
6. Высокая функциональность и широкий диапазон изменения параметров
разработанных регуляторов тока позволяют использовать их в промышленном масштабе, а также в качестве инструмента для исследования технологии МПО и определения оптимальных параметров процесса для получения МПО-покрытий с качественно новыми свойствами. В процессе опытной эксплуатации разработанных регуляторов тока определены технологии получения МПО-покрытий с уникальными
свойствами, которые защищены 2 патентами на изобретение.
7. Результаты диссертационной работы внедрены в ООО НПП «МагнетикДон», НИИ «Электромеханика», ООО «Микроокс» и в учебный процесс кафедры
«Электрические и электронные аппараты». Результаты работы использовались при
20
выполнении двух НИОКР по государственным контрактам с Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Павленко А.В., Большенко А.В., Васюков И.В., Пузин В.С. Источник питания для устройств микродугового оксидирования // Изв. вузов. Сев. – Кавк. регион. Техн. науки. – 2011. – №1. – С. 69-74.
2. Гринченков В.П., Большенко А.В. Технологический источник тока для
процесса микроплазменного оксидирования // Изв. вузов. Сев. – Кавк. регион. Техн.
науки. – 2011. – №4. – С. 65-68.
3. Беспалова Ж.И., Паненко И.Н., Большенко А.В., Бородай А.В. Износостойкость и защитные свойства композиционных покрытий, полученных микродуговым оксидированием // Изв. вузов. Сев. – Кавк. регион. Техн. науки. – 2012. – №1.
– С. 123-125.
4. Большенко А.В. Определение параметров процесса микроплазменного оксидирования в системе с регулятором тока // Изв. вузов. Сев. – Кавк. регион. Техн.
науки. – 2012. – №3. – С. 32-36.
5. Большенко А.В., Павленко А.В., Гринченков В.П., Пузин В.С. Регуляторы
тока для устройств микроплазменного оксидирования // Электротехника. – 2012. –
№5. - С. 27-33.
Патенты и свидетельства:
6. Программа управления источником питания устройства для МДО: Свид-во
о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010615023 Рос. Федерация /
А.В. Большенко, А.В. Павленко. – Заявл. 15.06.2010; зарег. в Реестре программ для
ЭВМ 4.08.2010.
7. Патент на полезную модель №110090. Российская федерация МПК
C25D 11/02 (2006.01), C25D 19/00 (2006.01). Технологический источник тока для
микроплазменного оксидирования / Большенко А.В., - Опубл. 10.11.2011.
Бюл. №31.
8. Расчет тиристорного контактора постоянного тока: Свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2011617182 Рос. Федерация / А.В. Большенко,
В.П. Гинченков. – Заявл. 21.07.2011; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 15.09.2011.
9. Патент на изобретение №2446218. Российская федерация МПК CD25D
15/00 (2006.01), CD25D 11/12 (2006.01). Способ микродугового получения композиционного покрытия на алюминии и его сплавах / Беспалова Ж.И., Паненко И.Н.,
Большенко А.В., Клушин В.А. - Опубл. 10.11.2012, Бюл. № 31.
21
Статьи, материалы конференций и другие материалы:
10. Павленко А.В., Большенко А.В., Васюков И.В. Повышение коэффициента
мощности источников питания для установок микродугового оксидирования //
Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых ученых в области энергосбережения в промышленности (г. Новочеркасск, окт.
2010 г.) [Эврика 2010] / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : Лик, 2010.
- С. 117-119.
11. Павленко А.В., Большенко А.В., Васюков И.В. Разработка источника питания для установки микродугового оксидирования // Ползуновский альманах. –
2010. – №2. – С. 249-250.
12. Большенко А.В., Васюков И.В. Источники тока для установок микродугового оксидирования // Студенческая научная весна – 2010: материалы регион. науч.техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Ростовской обл./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.Новочеркасск: ЮРГТУ, 2008.- С. 187-188.
Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в
разработке математических моделей МПО-нагрузки и источников тока, структурных схем и программного обеспечения, изготовлении макета источника тока для
МПО [1-2,11-12]; подготовке экспериментальных исследований [3,9]; разработке
схем, изготовлении экспериментальных образцов источников тока для МПО и проведении экспериментальных исследований [5]; разработке структурной схемы
[7,10]; разработке алгоритма и программного обеспечения [4,6,8].
22
Большенко Андрей Викторович
ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТОКА
ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ
Автореферат
Подписано в печать 24.05.2013.
Формат 60×84 ⁄ . Бумага офсетная. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 46-501.
Отпечатано в ИД «Политехник»
346428, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166
idp-npi@mail.ru
23
24
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 125 Кб
Теги
0c59294611, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа