автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Импульсные регуляторы тока для микроплазменного оксидирования

005062106

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

г ог::: 2013

Новочеркасск 2013

005062106

Работа выполнена на кафедре «Электрические и электронные аппараты» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

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 Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге

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.

Научный руководитель

кандидат технических наук, профессор Гринченков Валерий Петрович

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.304.08

Скубиенко Сергей Витальевич

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, коррозионностой-кие, 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 деталь-заготовка (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 A.M. Борисов, В.Н. Бориков, Б.Л. Крит, В.Б. Людин, И.В. Суминов, A.B. 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

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

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, вотли-чие 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.

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

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, тиристорно-конденсаторные 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;

— 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 С1 имитируют границу раздела металл-раствор (оксидную пленку), /?2 - сопротивление электролита, Ь - индуктивность подводящих к ванне проводов и монтажа. Следует отметить наличие в эквивалентной схеме замещения индуктивности Ь, 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.

I Д1 Параметры микроплазменной системы

подвергаются изменению во времени в процессе МПО. Начальные параметры и характер изменения зависят от состава электролита. Следует отметить, что значение сопротивления электро-"Рис.1. Эквивалентная схема замещения ЛИТа Подвергается слабому изменению, ЗавиСЯ-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 к и пористость Р:

к2Р

с=-ь

где к1мк2- коэффициенты, определяемые эмпирическим путем для каждого состава электролита и режима работы.

Таким образом, непрерывное определение параметров нагрузки (экспресс-анализ) в процессе МПО позволяет производить оценку толщины и пористости и, следовательно, получать покрытия с заданными свойствами. Для реализации экс-

и„ «2

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 i(t) представлено в виде

¿(t) = (— íyCOSCüt + A2s¿n(üt)e~St + ¿y, (1)

u и

где i„ =--установившееся значение тока; и - амплитуда напряжения поляризации; а> = ~ S2 - круговая частота колебательного процесса; 8 = -

.О lyCJ

декремент затухания; Л2 = --.

со

Из выражения (1) видно, что переходный процесс имеет колебательный характер, что обусловлено наличием в эквивалентной схеме замещения МПО-нагрузки RLC 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 t1 получено аналитическое выражение тока нагрузки ¿(t) при воздействии на нее импульсом поляризующего напряжения трапециевидной формы. Эта зависимость имеет вид

ÍA30t + AwA20 + A10A40e~5t, при t < íi;

t(£) = (-Л10Л50е-^-^ + A10A60e-st + ^ , при t > tv (2)

Аго = ArS + A2(Ü; A40 = A^oú sinait — 5 cos cot) + A2(co cos cot — S sinajt);

Л50 = A^co sin co(t — tj — 8 eos co(t — tj) — Л2(5 sin cj(t — + со cos w(t - í^)); A60 = A1(co sin cot — 5 costJt) — A2 (8 sin cot + ¿o cos cot);

1 7-5-4!

A1 —--—; A2=L--.

1 R¡+R2 ¿ ü>

В общем случае характеристику i (t) можно представить в виде ¿(0 = fi.R1.R2.UC, U.tJ.

Для оценки границ применимости аналитических выражений для i(t), 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.

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 сравнительного анализа можно сделать следующий вывод: при длительности фронта нарастания напряжения более 200 не для расчета ¿(£) следует использовать выражение (2), в остальных случаях - выражение (1).

Одной из задач при разработке регуляторов тока является определение критических режимов работы силовых 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.

Табл. 1. Параметры МПО-нагрузки

Параметры Значения

Ток /, А 70

Длительность импульса £2, мке 30

Сопротивление электролита Л,, Ом 1

Емкость С, мкФ 1

Сопротивление /?2, Ом 6,4

Длительность фронта нарастания напряжения (:■,, мке 0,2

Индуктивность 1, мкГн 5

0,2 0,3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 £ьмкс

Рис.2. Зависимости нормированного скалярного произведения (1) и среднеквадратического отклонений (2) функций переходного процесса тока нагрузки и относительного отклонения времени максимального значения тока от длительности фронта поляризующего напряжения (3)

/ и--h 1 ----1

| Удельное сопротивление |

I * * ' А II / / N V»

}/ *' / | Удельная емкость |

1У /

А /| / * *—J_

о

i, А 140'

200 400 600 800 1000 t, С Рис.3. Параметры микроплазменной системы С и Я2во времени процесса МПО

i. А

- ы

! 1 \ ' -—

2 к 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1

300

а;

£,с

120'

II ;\\ { : { l

11 !\V 1 1 1

J

fjr\

; I 1 1 1

t, МКС

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 R1, R2 и С (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

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.

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

Рис.6. Характер переходного процесса изменения ток^ нагрузки; при разных значениях площади обрабатываемой детали: 1 - 1дм ; 2 - Здм ; 3 - 5дм~; 4 - 15дм ; 5 — 25дм

Для прямоугольного импульса поляризующего напряжения установлены аналитические выражения для расчета параметров МПО-нагрузки. В качестве исходных данных используется массив измеряемых мгновенных значений переходного тока нагрузки (рис. 7). т> п1 гл- 4 Сз £"+1 По этим данным дополнительно

Рис.7. Исходные данные для определения параметров " "

МПО-нагрузки фиксируются: период колебаний Т,

значение тока В в момент времени £0 на начальном участке нарастания тока ¿({)

иустановившееся значение тока ¿у. Значения параметров нагрузки рассчитываются

по следующим формулам:

ьА,

В

/у/,2(й)2+52)

~ ^---(2 81-1У,

и

С =

1уЬ(ш2 + 52)Й2 ' — % — >

1 1-е 31т (собо)^ + —БЫШ^)

ОУ /

= 77----—-71-•

и А--51ПЫЬте

При воздействии импульсным напряжением трапецеидальной формы аналитические выражения для определения параметров МПО-нагрузки чрезвычайно громоздки, кроме того, плохо выраженная реальная колебательность переходного процесса ¿(0 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 И2, ¿и С. 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 МПО-нагрузки требуется использование АЦП с максимальным периодом квантования не более 100 не. 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 Я2, 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 увеличива-

ет влияние шума в измерительных цепях. Для минимизации погрешности, вносимой этим фактором, предложено использовать двухканальный датчик тока.

В третьей главе предложены структурные схемы и схемотехнические решения для тиристорного и транзисторного импульсных регуляторов тока, разработаны системы управления и комплексные математические модели для исследования их режимов работы.

Особенность системы регулирования тока для микроплазменного оксидирования заключается в том, что при управлении технологическим процессом необходимо обеспечить заданные параметры импульсов выходного напряжения (длительность импульсов, период следования) и поддерживать заданную величину среднего тока нагрузки посредством регулирования уровня выходного напряжения. Задачами системы регулирования являются стабилизация заданного среднего значения выходного тока за период модуляции и ограничение максимального времени выхода тока на заданное значение. Структурная схема системы регулирования 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 ин-верторный преобразователь напряжения. Для реализации обоих вариантов систем регулирования тока разработаны силовые схемы и соответствующие системы управления.

и уровня шума (в)

СУ УС РН УВ ОУ

і 1 гас

Рис.9. Обобщенная структурная схема регулятора тока МПО

Основная задача системы регулирования тиристорного источника тока заключается в стабилизации заданного среднего значения выходного тока нагрузки посредством регулирования величины выходного напряжения. Структурная схема системы 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 Нр(х), обеспечивающего апериодический переходной процесс изменения тока нагрузки:

(з)

В результате анализа установлено, что пропорциональная часть выражения (3) незначительно влияет на переходной процесс, поэтому передаточная функция регулирующего звена УКрИ может быть представлена в виде

И/рОО = Кс А

V ЗКн где Кс — --.

'рег^ТПН

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 им-

пульсы напряжения с заданными длительностями, периодом следования и амплитудой (рис 10, в), задаваемой уровнями ИРАН и ИРКН.

Инвертор

г —--

и,

ИРАН

ИРКН

ОУ

и „

и,

т

т

^пр

а) б)

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 МПО-нагрузка, коммутируемая инвертором, использование классических методик расчета элементов фильтра затруднительно. В работе предложено применить релейный способ управления транзисторным ключом и разработана методика расчета параметров /.С-фильтра, которая учитывает особенности режима работы ИРН на МПО-нагрузку.

В результате синтеза САР транзисторного регулятора тока проведено определение передаточной функции регулирующего звена 14^(5), обеспечивающего апериодический переходной процесс изменения среднего значения тока нагрузки:

= + (4)

ОУ

т Кг ■ К,

ОУ

т Кг ■ К,

ОУ

5 тКг-К,

ОУ

где Гф - постоянная времени /.С-фильтра ИРН, Тм - период следования выходных импульсов напряжения, т — постоянная времени апериодического переходного процесса изменения тока нагрузки, К5 - коэффициент пропорционального звена передаточной функции ключа ИРН, Коу - 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:

Д

Щ'

¿С7У? иЖ + Т») ¿ + ДГМ

=-—$ -1----5 + ■

1

5

тК5 тК5 т К5

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

ЖрО)

3й

где Кц

Трег^ї

Таким образом, система управления транзисторным регулятором тока также может быть реализована на базе интегрального регулирующего звена. Произведен расчет коэффициента /Си 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 ЬТ8рюе, 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, я) возникает перерегулирование токаи возможен колебательный процесс (рис. 11,6).

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

Зрн тах ■^дТрег^ТПН

а для транзисторного регулятора тока

Зрн тах

и _

д рег 5

где рн тах - максимальная удельная плотность сопротивления нагрузки в начальный момент времени; Трег - время регулирования выхода на заданное значение.

Такая модификация позволила устранить выше отмеченный недостаток, что подтверждено результатами моделирования (рис. 12).

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.

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 /?5485. 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.

Рис.13. Опытные образцы тиристорного (о) 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 Свойства покрытия

— Т Т Т I I I ' а' к' п' а' к' 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, парамет-

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 ЬТЯрке, 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 «Магнетик-Дон», НИИ «Электромеханика», ООО «Микроокс» и в учебный процесс кафедры «Электрические и электронные аппараты». Результаты работы использовались при

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 A.B., Большенко A.B., Васюков И.В., Пузин B.C. Источник питания для устройств микродугового оксидирования // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2011. - №1. - С. 69-74.

2. Гринченков В.П., Большенко A.B. 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 A.B., Бородай A.B. Износостойкость и защитные свойства композиционных покрытий, полученных микродуговым оксидированием // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2012. - №1. -С. 123-125.

4. Большенко A.B. Определение параметров процесса микроплазменного оксидирования в системе с регулятором тока // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2012. - №3. - С. 32-36.

5. Большенко A.B., Павленко A.B., Гринченков В.П., Пузин B.C. 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 /

A.B. Большенко, A.B. 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 A.B., - Опубл. 10.11.2011. Бюл. №31.

8. Расчет тиристорного контактора постоянного тока: Свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2011617182 Рос. Федерация / A.B. Большенко,

B.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 A.B., Клушин В .А. - Опубл. 10.11.2012, Бюл. №31.

Статьи, материалы конференций и другие материалы:

Ю.Павленко A.B., Большенко A.B., Ваеюков 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.

П.Павленко A.B., Большенко A.B., Ваеюков И.В. Разработка источника питания для установки микродугового оксидирования // Ползуновский альманах. -2010,-№2.-С. 249-250.

12.Большенко A.B., Ваеюков 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].

Большенко Андрей Викторович

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТОКА ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

Автореферат

Подписано в печать 24.05.2013. Формат 60><84 1/16. 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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

На правах рукописи

04201360514

Большей ко Андрей Викторович

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТОКА ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОГО

ОКСИДИРОВАНИЯ

Специальность 05.09.01 — Электромеханика и электрические аппараты

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - канд.техн.наук., профессор В.П. Гринченков

Новочеркасск-2013

Оглавление

Введение.........................................................................................................5

1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ В ОБЛАСТИ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ..................................................8

1.1 История развития исследований в области микроплазменного оксидирования......................................................................................................8

1.2 Оборудование для технологического процесса микроплазменного оксидирования....................................................................9

1.3 Электрические режимы формирования МПО-покрытий.........11

1.4 Известные решения по реализации регуляторов тока установок для МПО ........................................................................................................17

1.5 Параметры импульсных микроплазменных процессов...........34

2 КОМПЛЕКСНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ................................................39

2.1 Математическое описание МПО-нагрузки................................39

2.2 Аналитический расчет переходного процесса тока МПО-нагрузки при прямоугольной форме поляризующего напряжения...40

2.3 Аналитический расчет переходного процесса тока МПО-нагрузки при трапециевидной форме поляризующего напряжения .42

2.4 Анализ влияния параметров МПО-нагрузки и поляризующего напряжения на параметры переходного процесса.........................................45

2.5 Оценка условий применимости расчетных выражений для определения тока нагрузки...............................................................................53

2.6 Определение технических характеристик технологического регулятора тока устройств для микроплазменного оксидирования............56

2.7 Расчет технических характеристик технологического регулятора тока устройства для микроплазменного оксидирования...........60

2.8 Определение параметров МПО-нагрузки..................................63

2.8.1 Определение параметров МПО-нагрузки при прямоугольной форме поляризующего напряжения.............................................................64

2.8.2 Определение параметров МПО-нагрузки при трапецеидальной форме поляризующего напряжения.............................68

2.8.3 Оценка методической погрешности определения параметров микроплазменной системы.....................................................76

3 РАЗРАБОТКА РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ................................................85

3.1 Тиристорный преобразователь напряжения..............................86

3.2 Синтез системы управления тиристорного регулятора тока... 93

3.3 Синтез структуры тиристорного регулятора тока....................95

3.4 Моделирование тиристорного регулятора тока........................98

3.4.1 Моделирование процесса включения регулятора тока......100

3.4.2 Моделирование процесса включения при минимальной величине начального активного сопротивления......................................104

3.4.3 Моделирование процесса включения при различном начальном активном сопротивлении нагрузки........................................106

3.4.4 Моделирование процесса стабилизации тока....................109

3.5 Транзисторный регулятор тока.................................................112

3.6 Синтез системы управления транзисторного регулятора тока.... ......................................................................................................119

3.7 Синтез структуры транзисторного регулятора тока...............120

3.8 Моделирование транзисторного регулятора тока...................123

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕГУЛЯТОРОВ ТОКА ДЛЯ

МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ..............................................135

4.1 Тиристорный регулятор тока....................................................135

4.2 Транзисторный инверторный регулятор..................................140

4.3 Экспериментальные исследования тиристорного регулятора тока для МПО...................................................................................................141

4.4 Экспериментальное определение параметров микроплазменной системы.............................................................................146

4.5 Формирование покрытий с заданными свойствами...............148

Заключение.................................................................................................151

Список использованной литературы.......................................................154

Приложение А. Документы, подтверждающие внедрение разработок автора....................................................................................................................175

Приложение Б. Программы......................................................................198

Приложение Б.1. Программа комплексной модели тиристорного регулятора тока....................................................................................................199

Приложение Б.2. Программа комплексной модели транзисторного регулятора тока....................................................................................................201

Введение

Разработка новых экологически чистых технологий нанесения высокоэффективных и надежных покрытий для защиты и упрочнения металлических изделий, бесспорно, является сегодня одной из самых актуальных задач современной науки и техники в связи с ростом жесткости условий эксплуатации, агрессивности применяемых технологических сред и соответственным повышением требований к конструкционным материалам.

В зависимости от назначения покрытий используют различные способы их нанесения, такие как плазменное и газоплазменное напыление, электрофорез, анодирование, детонационный способ и др. Однако существующие методы нанесения покрытий имеют ряд технологических ограничений. К ним относятся, прежде всего, сложность оборудования, невозможность нанесения покрытий на изделия сложной формы, высокая пористость получаемых покрытий и низкая прочность сцепления с подложкой. Кроме того, практически все способы нанесения покрытий требуют тщательной предварительной обработки поверхности изделия, что существенно увеличивает время и стоимость технологического процесса.

Микроплазменное оксидирование (МПО) - сравнительно новый вид поверхностной обработки и упрочнения, главным образом, металлических материалов, берущий свое начало от традиционного анодирования, и соответственно относится к электрохимическим процессам. Микроплазменное оксидирование позволяет получать многофункциональные керамикоподобные покрытия с уникальным комплексом свойств, в том числе износостойкие, коррозионностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия.

Отличительной особенностью микроплазменного оксидирования является участие в процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов, оказывающих весьма существенное и специфическое воздействие на формирующееся покрытие, в результате которого состав и

структура получаемых оксидных слоев существенно отличаются, а свойства значительно повышаются по сравнению с обычными анодными пленками. Другими положительными отличительными чертами процесса микроплазменного оксидирования являются его экологичность, а также отсутствие необходимости тщательной предварительной подготовки поверхности в начале технологической цепочки и применения холодильного оборудования для получения относительно толстых покрытий.

Технология нанесения микроплазменных покрытий в настоящее время в целом достаточно хорошо разработана. Несмотря на это, теоретические представления о процессе еще далеки от совершенства. Известны различные виды режимов нанесения покрытий - поляризация постоянным током, импульсный режим, переменно-полярный режим и др. Форма поляризационных импульсов и другие электрические параметры при реализации того или иного режима подбираются эмпирическим путем и в большинстве случаев требуют повышенных требований к источнику питания.

Применение импульсных режимов формирования покрытия дает возможность улучшать качество микроплазменных покрытий не только на вентильных металлах, но и на меди, свинце, стали. Использование импульсного режима позволяет вести процесс микродугового оксидирования с низкими затратами энергии.

Важнейшим фактором, влияющим на протекание процесса микродугового оксидирования и, соответственно, на свойства формируемых покрытий, является изменение условий поляризации: формы и частоты следования импульсов, силы поляризующего тока, напряжения на ванне и др. На одних и тех же материалах, при использовании одинаковых электролитов, при изменении условий поляризации формируются покрытия, существенно отличающиеся по свойствам. Изменяя условия поляризации и состав электролита, можно формировать на поверхности вентильных металлов

покрытия с различной структурой, химическим составом и свойствами.

6

Обзор существующих регуляторов тока для микроплазменного оксидирования показал отсутствие источников питания, использование которых позволило бы формировать покрытия с заданным набором свойств. Имеющиеся источники питания обладают недостаточным набором регулируемых параметров выходного напряжения, что ограничивает спектр свойств формируемых покрытий имеющимися в наличии режимами работы.

Отличительной особенностью разрабатываемых источников питания является то, что входными параметрами, задающими режим работы, являются требуемые свойства покрытия (толщина, шероховатость, твердость и др.).

1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ В ОБЛАСТИ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

1.1 История развития исследований в области микроплазменного

оксидирования

Началом современного этапа исследований в области микроплазменного оксидирования и его практического применения можно считать 70-е гг. XX в., когда появилось большое количество публикаций и патентов исследователей различных школ, число которых продолжает расти и сегодня. Среди них следует особо отметить: работы американских ученых Брауна и Тран Бао Вана по осаждению в анодной искре [1-2]; новосибирских исследователей и, прежде всего, группы Г.А. Маркова по микроплазменному оксидированию и микроплазменной обработке [3-22] (работа [7] была первой в нашей стране в данной области исследований); днепропетровских ученых Л.А. Снежко и В.И. Черненко по анодно-искровому электролизу [23-36]; школы П.С. Гордиенко из Дальневосточного отделения Российской академии наук [37-48]; ученых из Московской академии нефти и газа им. И.М. Губкина, таких как, например: В.А. Федорова [49-54], Л.С. Саакиян и А.П. Ефремова [55-68] по микродуговому оксидированию, японских ученых М. Ямада и Д. Мита [49] и немецких ученых В. Крисманна и П. Кюрце по анодному оксидированию в искровом разряде [69-71]; американские патенты X. Крейга [72-73] и О. Козака [74-75], а также ряд др. работ.

Особенно много публикаций и авторских свидетельств в области МПО появилось в нашей стране в конце 80-х гг. Однако эти работы в основном носят исследовательско-прикладной характер, теоретических разработок по механизму процесса микродугового оксидирования пока явно недостаточно, не выработана даже единая терминология. В последние годы количество работ продолжает интенсивно расти, опубликован ряд монографий по данной проблематике [6, 23, 40-41], в которых развиваются теоретические основы и практика создания покрытий с заданными свойствами. На кафедре ТОМПВЭ Российского государственного технологического университета

им. К. Э. Циолковского проводятся работы по изучению процесса микродугового оксидирования и исследованию МПО-покрытий, а также создание оптимальных технологических процессов МПО для формирования покрытий различного назначения на различных сплавах. При этом особое внимание уделяется разработке технологических регуляторов тока [76-119], обеспечивающих процесс МПО. Особо следует отметить исследования, проводимые учеными Томского политехнического университета [120-125], основные результаты которых изложены в публикациях, начиная с 1996 г.

Технология МПО на сегодняшний день достаточно хорошо изучена и находит широкое применение во многих областях науки и техники, однако теоретические представления процесса недостаточно ясны, нет аналитического подхода к прогнозированию свойств покрытий, отсутствуют возможности получения покрытий с заданными свойствами.

1.2 Оборудование для технологического процесса микроплазменного оксидирования

Сущность процесса микроплазменного оксидирования заключается в высоковольтной поляризации границы раздела металл-оксид-электролит (МОЭ), в результате которой возникают микроплазменные разряды. Последние вызывают высокие локальные температуру и давление, что приводит к образованию на поверхности обрабатываемого металла его оксида.

Типовая установка для МПО (см. рисунок 1.1) включает специализированный регулятор тока и гальваническую ванну с электролитом, в которую помещается деталь-заготовка. Электрод, подключенный к гальванической ванне - катод, к обрабатываемой детали -анод. Процесс МПО инициируется подачей на клеммы гальванической ванны импульсов поляризующего напряжения.

Газ

Система вентиляции

Воздух

Вода

Регулятор тока

менником Вода

Бак с теплооб

Вода

ООО ~1)с

Вода

Гальваническая ванна

Рисунок 1.1— Структура типовой установки для МПО

Представленная структура (см. рисунок 1.1) имеет минимально необходимую комплектацию для обеспечения процесса МПО. В виду того, что процесс МПО сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, установка снабжается системой охлаждения электролита. Одним из важных требований технологического процесса МПО является необходимость перемешивания электролита, что обусловлено быстрым истощением его ресурса вблизи границы раздела металл-оксид-электролит, для чего используют мешалку или барботер. В процессе МПО происходит выделение газов, что требует применения системы вентиляции.

С точки зрения управления процессами в установках для МПО можно выделить следующие объекты: технологический регулятор тока, систему прокачки электролита, систему охлаждения, систему вентиляции.

Управление может осуществляться в ручном режиме или с помощью автоматизированной системы управления.

Процесс МПО инициализируется подачей на клеммы гальванической ванны импульсов поляризующего напряжения. Управление режимами обработки поверхности материалов осуществляется за счет изменения

параметров импульсов напряжения и тока, формируемых технологическим источником тока.

Свойства формируемых покрытий зависят от множества параметров, наиболее важными из которых являются:

- параметры используемого электрического режима;

- компонентный состав электролита;

- материал детали-заготовки;

- температура электролита.

Следует отметить, что основными факторами, которые поддаются варьированию и влияют на свойства формируемых МПО-покрытий, являются электрический режим процесса и компонентный состав электролита. Как правило, компонентный состав электролита формирует химический состав покрытия и обеспечивает тем самым его химические свойства (коррозионная устойчивость, устойчивость в агрессивных средах и др.). Электрический режим обеспечивает формирование физических свойств (твердость, пористость, шероховатость и др.), при этом, физические свойства во многом определяются характером и интенсивностью микроплазменных разрядов.

1.3 Электрические режимы формирования МПО-покрытий

Электрический режим процесса МПО определяется функциональными возможностями технологического регулятора тока. Проведенный обзор и анализ известных в настоящее время методов и способов проведения процесса МПО позволил произвести классификацию его электрических режимов (см. рисунок 1.2), которая не является всеобъемлющей, тем не менее, охватывает подавляющее большинство методов формирования микроплазменных покрытий, существующих в настоящее время.

Режим микроплазменного оксидирования

Характер поляризации

Непрерывный^

Импульсный

Полярность напряжения

Анодный

г- —>

Анодно-

катодный

Циклирование

различной полярности с бестоковой паузой

/ Изменение \

электрических

V параметров

Гальваностатический

—Гальванодинамический

- Патенциостатический

)

Ручной

- Полуавтоматический

Автоматический

- Патенциодинамический

Постоянная мощность

Падающая мощность

Рисунок 1.2 - Классификация электрических режимов процесса МПО

При поляризации границы раздела МОЭ происходит образование микроплазменных разрядов. Следует отметить, что их локализация определяется множеством факторов: толщиной покрытия, величиной напряжения (тока) поляризации, температурой электролита и др. Однозначно можно сказать, что места возникновения микроплазменных разрядов определяются локализацией участков обрабатываемой поверхности с наименьшей электроустойчивостью. Таким образом, можно сделать вывод: при увеличении уровня поляризующего напряжения увеличивается число участ