CC BY
138
УДК 621.314.58
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВ МИКРОДУГОВОГО
ОКСИДИРОВАНИЯ
© 2011 г. А.В. Павленко, А.В. Большенко, B.C. Пузин, И.В. Васюков
Южно-Российский государственный South-Russian State Technical
технический университет (Новочеркасский University (Novocherkassk
политехнический институт) Polytechnic Institute)
Рассмотрены вопросы проектирования источника питания для устройств микродугового оксидирования. Предложены структура и принципиальная схема источника с микропроцессорным управлением, разработано программное обеспечение. Выполнено математическое моделирование силовой части, позволившее установить критические режимы работы устройства. Проведены испытания опытного образца источника питания, подтвердившие соответствие устройства заданным параметрам и характеристикам.
Ключевые слова: микродуговое оксидирование; источник питания; силовая электроника; микроконтроллерная система управления.
The questions of supply equipment designing for micro-arc oxide coating devices are considered. The structure and the wiring diagram of this supply equipment with microprocessor control are proposed. The software was designed. Mathematic simulation of strength part allowing determining a critical operation of device was made. The tests of the supply equipment test model was carried out which confirmed correspondence of device to required parameters and characteristics.
Keywords: Micro-arc oxidation; power supply; power electronics; microcontroller control system.
Микродуговое оксидирование (МДО) — новый вид поверхностной обработки и упрочнения металлических материалов, который позволяет получать многофункциональные керамикоподоб-ные покрытия с уникальным комплексом свойств, в том числе износостойкие, коррозион-ностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия [1].
В настоящее время технологии микродугового оксидирования находятся на стадии становления. Ведутся работы как по изучению теоретических вопросов этого явления, так и по совершенствованию технологических методов и средств для повышения их эффективности и расширения номенклатуры обрабатываемых сплавов: апробации новых электролитов, выбору оптимальных режимов, а также созданию новых технологических источников питания, позволяющих их реа-лизовывать [2, 3].
Источник питания устройства для микродугового оксидирования, называемый также технологическим источником тока (ТИТ), должен обеспечивать в широких пределах варьирование электрофизическими параметрами процесса, ко-
торые в свою очередь определяют свойства и качество получаемого покрытия. Важной особенностью источника питания устройства для микродугового оксидирования является обеспечение асимметричного выходного тока с возможностью регулирования среднего значения тока анодной и катодной составляющих и их временных параметров [1].
Любой ТИТ МДО можно структурно представить в виде силовой части и блока управления. По способу реализации силового блока источники питания можно разбить на следующие группы: трансформаторные, позволяющие повысить выходное напряжение, при этом, посредством силовых вентилей, производится регулировка выходного напряжения в заданном диапазоне; конденсаторные, повышающие выходное напряжение за счет вентильных свойств нагрузки; тиристорные, позволяющие производить плавное регулирование выходного тока.
Недостатком трансформаторных схем являются большие массогабаритные показатели. Конденсаторные схемы обладают узким диапазоном регулирования выходного тока нагрузки. Тиристорные
схемы позволяют производить регулирование выходного тока в широком диапазоне, но наличие естественной коммутации ограничивает диапазон регулирования временных интервалов действия составляющих тока.
Работы, проводимые на кафедре «Химическая технология высокомолекулярных соединений, органическая, физическая и коллоидная химия» ЮРГТУ (НПИ), позволили сформулировать технические требования к источнику питания: диапазон регулируемого значения выходного тока: (0...50,0) А; выходное напряжение: (0...600) В; наличие асимметричного выходного тока; погрешность стабилизации тока не более 5 %; независимая регулировка анодной и катодной составляющих асимметричного тока [4].
На кафедре «Электрические и электронные аппараты» ЮРГТУ (НПИ) предложена конструкция источника питания устройства для микродугового оксидирования (рис. 1), которая состоит из следующих элементов: силового преобразователя и датчиков нуля, блока драйверов, микропроцессорной системы управления [5]. Особенностью конструкции является применение микропроцессорной системы управления, реализующей заданные алгоритмы управления силовым преобразователем для
обеспечения требуемых режимов работы, обеспечивающей связь с компьютером и взаимодействие с пользователем.
Силовая часть источника питания выполнена по схеме трехфазного реверсивного управляемого мостового выпрямителя с естественной коммутацией. Блок драйверов предназначен для формирования изолированных сигналов управления тиристорами и включает в себя 6 однотипных драйверов. Блок датчиков нуля, состоящий из трех одинаковых датчиков, включенных по схеме треугольника, предназначен для синхронизации работы системы управления с периодом сетевого напряжения.
Структурная схема системы управления представлена на рис. 2 и включает в себя: микроконтроллер, блок питания, выходной буфер, датчик тока нагрузки и модуль приемопередатчика RS232. Здесь блок питания обеспечивает питание системы управления и блока драйверов. Выходной буфер обеспечивает защиту от непреднамеренной подачи сигналов управления одновременно на оба выпрямительных моста. Датчик тока реализует обратную связь по току для микроконтроллера. Модуль RS232 осуществляет гальваническую развязку канала передачи данных между компьютером и источником питания.
Силобой преобразователь
J
Рис. 1. Структурная схема источника тока для установки микродугового оксидирования
Сеть питания
ПЭВМ
Блок питания Микроконтроллер Буфер Силовой модуль
Модуль Датчик
RS-232 тока
Рис. 2. Структурная схема системы управления
Микропроцессорная система управления реализует систему автоматической стабилизации значения выходного тока нагрузки посредством пропорционально-интегрального регулятора (рис. 3):
Ф(Г) = Ф(Г -1) + Кс г^) + Т-} г« ^,
i о
где ЗУ — задающее устройство, в качестве которого выступает ПЭВМ; АР — автоматический регулятор (микроконтроллер); ТП — тиристорный преобразователь (силовой модуль источника питания); ОУ — объект управления (нагрузка — гальваническая ванна); ДТ — датчик тока, реализующий обратную связь; 1з (^) — заданное среднее значение выходного тока; 1д(^) — измеренное текущее среднее значение выходного тока;
) — среднее значение выходного тока; г(^) — ошибка регулирования; ф(0 — угол отпирания тиристоров преобразователя; и (0 — выходное напряжение тиристорного преобразователя.
ЗУ
рдС )
АР
9(t)
ТП
и (t)
ОУ
I д^ )
ДТ
IH(t)
Рис. 3. Структурная схема одноконтурной системы стабилизации выходного тока нагрузки источника питания
Для определения критических режимов работы устройства выполнено математическое моделирование силовой части источника питания и системы управления с учетом характера нагрузки (гальванической ванны — перехода металл— оксид—электролит) при использовании пакета прикладных программ LTspice IV. Результаты моделирования представлены на рис. 4.
Анализ полученных данных позволил сделать следующие выводы. За счет емкостной составляющей нагрузки амплитуда тока через тиристор имеет пики в момент коммутации, превышающие среднее значение тока в нагрузке в 5 раз. В момент естественной коммутации происходит затягивание спада напряжения на нагрузке, что приводит к увеличению среднего значения выходного напряжения на 5 %. При этом амплитуда тока нагрузки превышает среднее значение в 5 раз, что приводит к уменьшению коэффициента мощности. Анализ кривых фазных напряжений показывает, что происходит искажение синусоиды сетевого напряжения. Исследование зависимости мощности, выделяемой на тиристоре, показывает, что в моменты коммутации пиковая мощность достигает нескольких киловатт. Это обусловливает
целесообразность применения демпфирующих ЯС или ЯСВ цепочек.
Рис. 4. Временные диаграммы моделирования силовой части источника питания (а — выходной ток нагрузки; б — выходное напряжение при 10 различных углах отпирания в диапазоне 60—120 °; в — выходное напряжение при 10 различных углах отпирания в диапазоне 0—60 )
Рис. 5. Макет источника питания для микродугового оксидирования
С учетом результатов математического моделирования изготовлен макет источника питания (см. рис. 5) и проведены его экспериментальные испытания (рис. 6) в составе устройства для микродугового оксидирования. Технические характеристики источника питания, определенные в ходе экспериментальных испытаний, приведены в таблице.
На рис. 6 приведены отдельные диаграммы результатов экспериментальных исследований (осциллограммы тока нагрузки), анализ которых по-
зволил определить требуемую точность регулирования среднего значения выходного тока нагрузки в пределах 5 %.
Для задания режима работы источника питания разработано программное обеспечение (рабочее окно программы приведено на рис. 7), которое позволяет выполнить настройку параметров процесса оксидирования, производить его мониторинг, протоколирование, просмотр и анализ данных, характеризующих процесс.
25K&/J
h f\
х \ [:
\ \ : X -
\ L- \
12.0e I0WS
MAIN П1 ms
CHI EDGE I СНЗ — 1U
Vavg
1: l@4mU 2: chan off
Frequency
1:297. 6Hz 2: chan off
Duty Cycle
1: 29.23* 2: chan off
RiseTime 1:30. 56US 2: chan off
BmRIN Bilms
Я
CHI EDGE . СНЗ — 1U
Vmax
l:344mU 2:chan off
Vavg
1:104mU 2:chan off
Frequency
1:301. 6Hz 2:chan off
Duly Cycle
1: 30.00* 2:chan off
RiseTime
1:55.65us 2:chan off
CH4 —500mU
MAIN Ulms
ICHI EDGE S СНЗ — 1U
Vavg
l:194mU 2: chan off
Frequency
1:301. 2Hz 2: chan off
Duty Cycle
1: 44.46* 2: chan off
RiseTime
1:50.77us
2: chan off_
<20Hz BöHIN H
С H 4 — 5ййг,,|,| Иен! — lÛQruU Г: H 2 — 1U
£5К :h
V- N Ii
\ \
\ \ \
х :
\ J L х
я ш 2. BE 10гчь ■ ■ ■
Vavg
l:201mU 2: chan off
Frequency
1:299.8Hz 2: chan off
Duty Cycle
1: 44.85* 2: chan off
RiseTime
1:50.34us 2: chan off
Зйй.025Hz CH4 — 500mU
Рис. 6. Временные диаграммы тока нагрузки (поддержание среднего значения тока нагрузки:
а, б - 10 А; в, г - 20 А)
Технические параметры источника питания устройства для микродугового оксидирования
Параметр Значение
Напряжение питания трехфазное 380В, 50Гц
Максимальная выходная мощность 30 кВт
Максимальный выходной ток 50 А
Максимальное выходное напряжение 540 В
Пределы временных интервалов анодного и катодного токов в режиме АПКП 0,0033-3,3с
Наличие защиты от тока перегрузки и короткого замыкания Да
Диапазон установки величины тока в однополярном режиме: 0-30А (шаг 0,1А), время цикла 0,0033 с-1000 мин. с шагом 1с
Диапазон установки величины тока в повторно-кратковременном режиме 0-50 А (шаг 0,1А), время цикла 0,0033 с-1000 мин. с шагом 1с
Программное обеспечение имеет органы задания параметров процесса, управления (запуск, остановка и т.д.), графическое поле для визуализации процесса и просмотра результатов процесса оксидирования в автономном режиме.
Литература
1. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) / И. В. Суминов, А. В. Эпель-фельд , В. Б. Людин, Б. Л. Крит, А. М. Борисов. М., 2005.
Рис. 7. Рабочее окно управляющей программы
Макет источника питания передан на кафедру «Химическая технология высокомолекулярных соединений, органическая, физическая и коллоидная химия» ЮРГТУ (НПИ), где его опытная эксплуатация позволила провести исследования технологического процесса микродугового оксидирования [6] и установить, что для улучшения свойств покрытий необходимо реализовать ряд новых функций источника питания, таких как: плавная регулировка амплитуды выходного напряжения (тока), задание формы и времени нарастания (спада) выходного напряжения (тока).
В настоящее время ведутся работы по созданию источника питания устройства для микродугового оксидирования на основе транзисторного инвертор-ного преобразователя с корректором коэффициента мощности, который позволит в полной мере реализовать требуемые функциональные возможности.
Статъя подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательской работы (государственный контракт № П2135 от 5 ноября 2009 г.) в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
2. Томашев Н. Д. , Тюкина М. Н. , Заливалов Ф. П. Толстослойное анодирование алюминия и его сплавов. М, 1968. 156 с.
3. Гордиенко П. С. Руднев В. С. Электрохимическое формирование покрытий на алюминии и его сплавах при потенциалах искрения и пробоя. Владивосток, 1999. 232 с.
4. Разработка технологии и аппарата для микродугового оксидирования вентильных металлов: отчет о НИОКР (закл.)/ ООО «Микроокс». Новочеркасск, 2010. № ГР 01200955691. 97 с.
5. Разработка устройства для микродугового оксидирования вентильных металлов: отчет о НИОКР (1 этап) / ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск, 2009. №01200963913 от 01.12.2009.
6. Применение метода микродугового оксидирования для получения композиционных покрытий / Ж. И. Беспалова, И. Н. Паненко, В. А. Клушин, В. Н. Селиванов // Студенческая научная весна-2010: материалы регион. науч-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск, 2010.С. 468.
Поступила в редакцию
6 сентября 2010 г.
Павленко Александр Валентинович — д-р техн. наук, профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-51-13, 8(8635)25-52-64. E-mail: [email protected]
Большенко Андрей Викторович — инженер-программист, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: [email protected]
Пузин Владимир Сергеевич — канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: [email protected]
Васюков Иван Владимирович — аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: [email protected]
Pavlenko Aleksandr Valentinovich — Doctor of Technical Sciences, professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Те1 8(8635)25-51-13, 8(8635)25-52-64. E-mail: [email protected]
Bolshenko Andrey Viktorovich — programming engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Тек 8(8635)25-16-84. E-mail: [email protected]
Puzin Vladimir Sergeevich — Candidate of Technical Sciences, assistant professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Те1 8(8635)25-16-84. E-mail: [email protected]
Vasukov Ivan Vladimirovich — post-graduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Те!. 8(8635)25-16-84. E-mail: [email protected]
