автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование технологического процесса электрохимической поверхностной обработки металлов и разработка электрооборудования для этого процесса

г1

На правах рукописи

Парамонов Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭЛЖТРОХИМИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ дая ЭТОГО ПРОЦЕССА

Специальность: 05.09.Ш — Электротехнические комплексы и

системы, включая их управление ж регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном/ электротехническом университете имени: В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и тех-г . ники- РФ,, доктор технических наук, профессор Васильев АХ.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Путав ВЛЗ* кандидат технических наук доцент- Смородинов В-В.

Ведущее предприятие — Всероссийский научно-исследовательский институт токов высокой частоты им. В.П»Вологдана (ЕНИИТБЧ)

. Защита состоится 1995 V.. в /5* *час.!

на заседании диссертационного.совета К 063.36.08 -Санкт-Петербургского.государственного электротехнического университета имени В.И.Ульянова ■ Ленина по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф.. Попова, 5..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " № п ¿сй-я^яя 1995 г'.

Учёный секретарь диссертационного совета

Балабух

- I -

_ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Одним из видов поверхностной-электро-1Мической обработки /2X0/ металлов.является электрохимичес-зе травление /ЭХТ/ и электрохимическое полирование /ЭХП/ зйерхности металла .с целью.её очистки.от технологических .. сложений, .поверхностных оксидов и т.п., . а также - сглажи-ания микрорельефа поверхности. Имея ряд преимуществ по эавнению с.химическими и. механическими способами очистки и злиррвания, поверхностная, ЭХО применяется, для целей элект-.. зхимической дезактивации /ЗХДА/ реакторного и вспомогатель-зг.о оборудования атомных электростанций /АЭС/, проводимой в. зде плановых ремонтно-восстановительных или аварийных работ, также при' демонтаже оборудования АЭС снимаемых с эксплуатации..-Как один из видов дезактивации, ЗХДА интенсивно раз^ , 1®аётся как в отечественной практике, так и за рубежом, т.к. зшая задачи-связанные с комплексным*вопросом дезактивации, эвышает надёжность и экологическую чистоту работы АЭС, а акже повышает рентабельность АЭС за счёт повышения произво-иельности.работ,.за счёт более дешёвых химических веществ зставляющих электролиты /по сравнению с химическими метода-{/. и дающих более дешёвые,в последующей переработке жидкие здиоактивные отходы /ЖРО/, за счёт снижения общего количес-за ЖРО. ' ••'..:.

.. Невозможность погружения в электрохимическую ванну круп-згабаритных деталей, а также деталей действующего оборудо-тия, приводит к тому, что.значительная часть работ по ЭХДА шолняется.вневанновым способом с помощью выностных элект->дов - инструментов /ВЭИ/ питаемых электролитом и электри-!ским током от-' источника питания /ИТ/. . ..

..' Существующая в настоящее время проблема ЭХДА состоит в шышении чистоты поверхности металла, снижении вторичного £грязнения радионуклидами и уменьшении вероятности возник-)вения локализованной коррозии, при одновременном повыше-[и производительности работ. Задача усложняется возможное-

с

,ю применения лишь бграниченного числа видов электролитов, •о связано с электрохимическим процессом и с последующей феработкой ЯРО.

. ..V . - 2 - ..... . . .

Эта проблема -может.быть в определённой степени .решена при переходе от традиционных режимов электролиза на постоянном токе к электролизу на. импульсном ...знакопеременном токе /ИЗТ/. Применение ИЗТ позволяет, заметно интенсифицировать -процесс поверхностной ЭХДА'/ЭХО/ металлов, особенно при на--личин- на их поверхности технологических отложений ,. Кроме, того, использование ИЗТ позволяет унифицировать .электролиты и удешевить их за счёт перехода к более низким концентрациям и более дешёвым компонентам /например, азотной" кислоте/, при. этом удешевить переработку КРО.

-- . В традиционных.процессах ЭХТ-И ЭХП при электролизе на пс стоянном.токе, качество достигается в основном за счёт, применения специальных /для каждого металла/ электролитов. Б .. случае применения ИЗТ, качество процесса ЭХО /ЭХДА/, для раз личных.металлов в одном.электролите, может быть достигнуто з счёт программируемой формы ИЗТ.

В настоящее время развитие технологий поверхностной ЭХО., которые могли бы быть принципиально улучшены при использовании режимов нестационарного электролиза, сдерживается как из-за недостаточно разработанной теории нестационарного элек тролиза, так и из-за отсутствия Ш формирующих ИЗТ с програ

ммируемой, в широком временном диапазоне, формой. . ......

. .. Существующие. ИП для ЭХО не формируют ИЗТ с временами импульсов тока требуемыми для эффективной поверхностной .ЭХДА.. /ЭХО/, а кроме того, они имеют значительные массы.й. габариты что делает- их малопригодными для вневанновой ЭХДА, даже при использовании режимов электролиза на постоянном токе'.'. ^ . В силу, сказанного выше, задача создания переносных Щ, составляющих .основу комплекса оборудования для вневанновой поверхностной ЭХДА, формирующих как постоянный ток, так и ИЗ с программируемой формой.и о соответствующим диацазоном частот, является.актуальной.

' ; Цель .настоящей.работы состояла в разработке методики про< оптирования и. исследования, ряда ИП для. ЭХДА внёванновым.способом, 'обеспечивающих.режимы ЭХО как на постоянном токе, так и режимы ЭХО на. ИЗТ, и внедрение их в составе оборудования для ЗХДА в практику.

Для достижения указанной дели в задачи исследования входило следующее.

' I. Изучение процессов поверхностной ЭХО использующих режимы, нестационарного электролиза для определения требований к ИП по, мощности, виду внешних вольт-амперных характеристик /ВАХ/, диапазону частот формируемого ИЗТ,

2. Изучение элёктрохимии углеродных волокнистых материалов /УВМ/,-являющихся основой ВЗИ.

' 3. Изучение электрохимической системы "металл - ВЭИ" с . целью.её идентификации как нагрузкй ИП.

; 4. Разработка новых схемных, решений ИП с промежуточным преобразовательным звеном повышенной частоты /ГОПЧ/ для вне-ванновой ЭХДА.

5. Разработка методов проектирования ИП с ПЗЩ для ±>не-ванновой ЭХДА.

'■&. Разработка и'изготовление опытных образцов ИП и испытание .их на действующих.АЭС.

Методы исследований. Электрохимическая система "металл -

- ВЭИ" исследовалась феноменологически, импульсным гальваностатическим' методом, распространённым на случай ИЗТ. Резуль-*-саты эксперимента-обрабатывались графоаналитическим методом. Достоверность -результатов экспериментов и метода обработки подтверждалась исследованием тестовых, цепей и данными литературы. ИП иооладовалоя-аналитически и с помощью математик-ческой комплексной электрической и' тепловой модели. Оенов-ные метода- операторный, методы численного решения систем дифференциальных уравнений, методы математической оптимизации". Результаты теоретического анализа подтверждены экспериментальным исследованием опытных образцов, разработанных при участии автора, .....

Научная новизна.'

1. Идентифицирована электрохимическая система /ЗХС/ "металл- - ВЭИ из УВМ" как нагрузка ИП при вневанновой ЭХДА для нестационарных режимов электролиза ,.для хромистых и хромо -

- никелевых сталей и УВМ типа УЭТ-21.

2. Для случая нестационарного.электролиза на ИЗТ, введено понятие квазиустановившихся значений параметров эквива-

лентной электрической схемы /ЭЭС/ замещения ЭХС.'Разработан графоаналитический способ определения квазиустановившихся-значений параметров ЭЭС, основанный на экспериментальном исследовании .ЭХС импульсным гальвано.статическим .методом, распространённым на случай ИЗТ. Определены значения параметров

ЭЭС 'замещения ЭХС вневанновой ЭХДА......

3. Подтверждено предположение о возможности проведения -ЭХДА с использованием растворов азотной и ортофосфорной кислот низких .концентраций в условиях нестационарного электро--лиза на ИЗТ. При этом выявлена зависимость качества обработки от.формы ИЗТ.

, 4. Предложен метод расчета требуемых статических ВАХ ИП-для.вневанновой ЭХДА, основанный на данных экспериментального -исследования ЭХС, обеспечивающих заданные режимы ЭХО на постоянном токе и на ИЗТ, с учётом ограничений по электрической мощности подводимой к ВЭИ»

5. Предложен'1 две схемы построения ЖГ для .вневанновой ЭХДА /ЭХО/ формирующих на выходе, как Достоянный ток,, так и.. ИЗТ.с программируемой, в широких временных интервалах, формой.' - ..

. 6„ Предложен метод предварительного выбора параметров-элементов силоврй части последовательного тириспорного резонансного инвертора с диодами обратного тока, взятого в качестве ШШ, на основе, анализа линейной операторной модели-контура коммутации инвертора, обеспечивающий заданное изменение частоты собственных колебаний в контуре коммутации при изменении нагрузки инвертора в рабочем диапазоне»

-7'. Разработана -математическая электрическая модель Щ учитывающая реальные характеристики вентилей./нелинейность характеристик, и конечное время переключения/,.а также реальные .характеристики намагничивания ферритового сердечника силового трансформатора для чего разработан графоаналитический способ аппроксимации основной-кривой намагничивания...

8. Разработана комплексная-электрическая и тепловая численная модель ИП, позволяющая рассчитать электрические параметры- силовой части. ИП и конструктивные параметры основных электромагнитных элементов ИП, обеспечивающие оптимальные

характеристики ИГР Для? вйййййягйвбй ЭХДА /ЭХО/ как с точки, зрения массы и габа$>и¥<Й>.-?ай' й- электромагнитных процессов.

. 9. Изготовлены и'!.испахана- й»1 рще АЭС опытные образца ЙЙ' для вневанновой ЭХДА.- - -

• Основные полщёния; вынобимые' на'защиту.--. I. Метод идёйМ)зикаЦйи .3X6' "металл' - ВЭИ йй- ЗёЙ'-1' йак нагрузки ИП в уойбВнях нёстащойарно^о1 элёиадсйлз'а' йк' ИЗТ.

2. Метод: расчёта: статических- ййешнго^ характеристик ИП обеспечивающих реализацию требуемых' ток'оёен: режимов вневанновой ЭХДА на постоянном' токе- и' на ИЗТ.-... 3. Принципы опййлаййгога управления электрохимической нагрузкой при' внёванййвбй- ЭХО на' ИЗТ.

4. СхемотехнйЧёОййё; аос-троение ИП с ПЗПЧ для вневанновой ЭХДА- позволяющей- реалй&овафв- режимы ЭХО как на постоянном торе,. так. и на- ЙЗТ1.*

'5. Методика1йроектжрования переносного ИП для вневанновой ЭХДА-,. бййав&Шя" йй' оптимизации параметров комплексной. электричёскЬ$' й1 тЗДйлоеой математической модели силовой час-' ти ИП с.ПбПЧг ........

Практическая? ценность.

1. Идентифицирована ЭХО вневанновой поверхностной ЭХДА и определены значения квазиустановившихся параметров её ЭЭС замещения для режимов -нестационарного электролиза иа ИЗТ. для ряда хромистых и хромо-никелевых сталей и ВЭИ из УВМ»

2.'Определены области экспериментального поиска оптимальных параметров ИЗТ, реализующих оптимальные режимы ЭХДА хромистых и, хромо-никелевых сталей;, . ...

. 3. Метод расчета требуемых статических внешних характеристик Ж, основанный на экспериментальном исследовании ЭХС и учитывающий ограничения по подводимой к ВЭИ мощности, позволил спроектировать ИЛ обеспечивающие заданные режимы ЭХО на ИЗТ и на постоянном токе.

4. Методика проектирования ИП с использованием комплексной математической модели ИП позволяет проектировать переносные Ж для вневанновой поверхностной ЭХДА /ЭХО/ с требуемыми электрическими и массо - габаритными характеристиками.

5. Методы идентификации ЭХС вневанновой ЭХО в условиях нестационарного электролиза на ИЗТ могут быть распространены

на другие ЭХС, а методика проектирования распространяется на Ш-даш-других-электротехнологий.■

Внедрение.результатов работы. .Основные.результаты дись сертационной работы получены в ходе совместных с Всесоюзным Научно-йсследовательским и Проектно-Конструкторским Объединением Комплексной Энергетической Технологии./ВО ЕШШЭТ/ работ, проводившихся по заказам МАЭ и ВНИАЭС. Результаты данной работы внедрены в НИОКР по направлению технологии и технических средств ЭХДА ВО ВНИПИЭТ. Опытные образцы ИП дал вневанновой ЭХДА испытаны в составе комплексов оборудования для ЭХДА в ВО ВНИПИЭТ, на Кольской и Южно-Украинской АЭС.■ Годовой. экономический эффект на один ИИ составил 100 - 1БО тыс.руб. в ценах 1989 г. Акты об изготовлении опытных образцов, о внедрении основных результатов диссертационной работы и испытании ИП прилагаются к диссертации.

Апробация работы.. Основные теоретические положения и практические результаты работы докладывались обсуждались на: межреспубликанской конференции "Методы и. оредотра управления технологическими процессами", Саранск, 15 - 17 мая, 1989 г., Мордовский Государственный Университет; научно-техническом семинаре "Источники питания электротехнологических установок", Санкт-Петербург, 26 - 27 мая, 1991 г., ДЩГЙ;

всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники", Киев, 16 - 20 оенгября, 1991 г., Институт Электродинамики АН УССР; научно-технических конференциях. профессорско-преквдавательокого состава1 ЛЭТИ им'.. В.И'.УлЕянова (Ленина) в 1987 - 1994 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства, 6 статей и 2 работы - тезисы к докладам.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти,глав, заключения, двух приложений, списка литературы, включающего 212 наименований. Основная часть работы изложена на 160 страницах машинописного текста. Работа содержит 10 таблйц, '55 рисунков.-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель и задачи, связанные с её достижением, перечне-

- 7 -

лены основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены особенности поверхностной вневанновой ЗХДА металлов. Показана эффективность метода ЗХДА и показаны преимущества вневаннового способа его выполнения по сравнению с ванновыми.способами„ ЭХДА вневанновым способом-проводится при плотностях тока 1-5 А/см^, что легко достикимо при данном способе и обеспечивает высокую производительность работ.

Наиболее.предпочтительными электролитами для вневанновой ЭХДА являются растворы неорганических кислот низкой концентрации /10 - 15 % об./, например, ортофосфорной или, как более перспективной, азотной.

На примере рассмотрения электрохимических процессов, происходящих в поверхностном слое технологических отложений на хромистых и хромо-никелевых сталях при электролизе на ИЗТ, показана возможность управления электрохимическим процессом растворения, что даёт преимущества по сравнению с режимами ЭХО на постоянном токе, т»к. при периодической смене знака' поляризующего напряжения происходит периодическое обогащение поверхности растворяющегося металла реакционноспособннми соединениями, которые, при последующей смене знака поляризующего напряжения, растворяются с наибольшей скоростью» Меняя форму'ИЗТ, можно управлять электродными процессами при растворении. В настоящее- время из-за недостаточно развитой теории нестационарного электролиза параметры ИЗТ подбираются экспериментально. Литературные данные и проведенные эксперименты показывают, что частотный диапазон ИЗТ,.реализующих оптимальные для конкретных условий ранимы ЭХО, достаточно широк, от единиц Гц до 2кГц, при различном соотношении длительностей, ,а также плотностей токов, импульсов положи- . тельной и отрицательной полярности. Поэтому для реализации процессов ЗХДА /ЭХО/ на ИЗТ, необходимо иметь'ИСТ форглпру-. ющий как постоянный ток, так и ЙЗГ.с программируемой, в широких временных интервалах, формой.

.Далее рассмотрены различные виды ВЭИ для вневанновой ЭХО. ВЭИ для ЭХДА изготовляются о рабочим телом из углеродных волокнистых материалов /УВМ/Г например из углеродной тесьмы типа УЭТ-21. Геометрическая площадь В6Й - 20 - 40 см2»

- 8 - -

Для идентификации ЭХС "металл - ВЭИ" как нагрузки ИП, произведен анализ свойств УВМ, которые втой или иной мере определяют электрохимические процессы как в рабочем теле ВЭИ, так й в ЭХС в целом.- Анализ многообразных.физических, химических и электрохимических свойств УВМ показывает следующее. .УвМ обладают сложной внутренней структурой, образованной углеродом различных форм гибридизации' и, как следствие, обладают смешанным механизмом проводимости.. УВМ имеют порис-. тую' структуру,, для которой характерны микропоры с эквивалентным радиусом / Г / в пределах 10 А < Г 15 X и субмикропор! 1,1 < Г< ю X, площадь поверхности которых может составлять 1-10 м2/г. Микропористое и субмикропористое строение УВМ приводит к тому, что становится не ясным вопрос о фазности границы УВМ - электролит, вопрос о строении двойного электрического слоя и вопрос об истинной поверхности электрода из. УВМ, которая зависит как от самой структуры, так и от степе-, ни заполнения микропор электролитом при атмосферном давлении, Неизвестность микрокинетических констант для УШ, сложный механизм проводимости УБМ, нестационарность процессов на ВЭИ и ряд других факторов не позволяет использовать существующую - теорию жидкостных пористых электродов.

Указанные выше факторы заставляют подходить к идентифи-, кадии ЭХС "металл - ВЭИ" с феноменологических позиций, исследуя ЭХС экспериментально»

Во второй главе представлен метод экспериментального исследования ЭХС вневанновой ЭХО, результаты экспериментов,-, метод обработки экспериментальных данных и идентифицирована ЭЭС замещения ЭХС »'По результатам исследования дан метод расчёта требуемых статических внешних характеристик ИП, обеспечивающих реализацию требуемых режимов ЭХО для ВЭИ заданной геометрической площади как на постоянном токе, так и на ИЗТ. При этом учитывался и тепловой режим работы ВЭИ-

При выборе ЭЭС замещения по феноменологическому поведению ЗХС, учитывались условия математической разрешимости ЭЭС при исследовании ЭХС' как двухполюсника.и общепринятые представления о процессах на электродах ЗХС.

В работе принята ЭЭС представленная на рис. I.

. Электрод I .' (металл)

Электрод 2-*4 (7Ш) 1

Рис. I» Эквивалентная схема замещения ЭХС Еа рис.1 обозначено: У И), - сум-

марная плотность тока ЭХС, плотности токов электродов I и 2, фарадеевские и ёмкостные эквивалентные.составляющие плотностей токов электродов; Ян, Я/г, - эквивалентные сопротивления, а С/, С2 - эквивалентные ёмкости электродов ЭХС;

УФ, У} к}, ¥¿(1), и с! - падения напряжения на ЭХС, электродах, слое, электролита.. Параметры ЭЭС.замещения ЭХС - удельные. .

-.: При поляризации ЭХС в режиме- ИЗТ на электродах реализу- . •ются меняющие друг-друга нестационарные состояния, отве-чающие-импульсаМ тока обеих полярностей и паузам между ними, причём, тле. эти состояния^периодически воспроизводятся, то систему в целом можно рассматривать как квазистационарную, а составляющие- ЭЭС - имеющие квазиустановившжеся значения. Тогда для схемы рис.1 электрические процессы в ЭХС могут быть описаны системой уравнений:

ъ\ь)= Уф] + сЫУ«/о!* УгШ= Сг^сг/сН:

Исследуя ЭХС и-электроды I и 2 как двухполюсники, определялись квазиустановивпщеся параметры ЭЭС. Для исследования ЭХС - использовался импульсный гальваностатичеекий метод распространённый на случай ИЗТ. Поляризация ЭХС осуществлялась е помощью специально разработанного источника импульсного тока. Измерения потенциалов электродов производились с по мощьй платинового щупа соединённого с электродом сравнения.

- 10 -

Зависимости ^/¡^ идля различных электродов, электролитов и режимов фиксировались, а затем 'обрабатывались графоаналитическим методом, основанным на экспоненциальной ал-, прокспмации этих зависимостей и на соотношениях системы (I).

Метод определения параметров ЭЗС замещения ЭХС для случая нестационарного электролиза опубликован в [I]*. .

Исследованию были подвергнуты ЗХС "металл - УВ!.Г и "УБМ -

- УВМ"'. В качестве металлических электродов были взяты хромистые и хромой-никелевые стали типа 4X13, 14X17, 12Х18Н10Т дг т.п., а также сталь Ст.З, титан, алюминий и др. В качестве электролитов брались водные растворы 2М Н3 РО^ и Ш НА/03

Эксперименты показали', что квазиустановившиеся параметры ЭЗС металлических электродов в той или иной мере зависят от вида металла, знака поляризации, параметров ИЗТ, Я меньшей степени - от вида электролита. Для электродов из хромистых и хромо-никелевых сталей значения параметров ЭЭС на участке ИЗТ анодной поляризации находились в пределах:

= 0,1-0,3 Ом см2,13,2 = 0,.3-0,5 Ом см2, С4 = 20 -

- 70 мкФ/см2 ; на участке ИЗТ катодной поляризации - =. = 0,8-1,2 Ом см2, = 0,3-0,6 Ом см2, Су = 60-80 мкФ/см2.

Для электррдов из УЕМ наблюдается симметрия статических характеристик при анодной и катодной поляризации, независимость параметров ЭЭС от знака поляризации и временных параметров ИЗТ, но при этом существует некоторая зависимость параметров ЭЭС от плотности тока. Для электродов из УЕМ: = = 1,6-2,8 Ом см , = 1,6-2,0 Ом см , Сг = 8000 -

- 10000 мкФ/см®. Вопросы связанные с поляризацией электродов в ЭХС "металл - УВМ'" изложены в [2].

Сформулирован критерий, позволяющий осуществлять экспе-. риментальный поиск оптимальных, с точки зрения качества, режимов ЭХО на ИЗТ, а также управлять процессами в ЭХС путём изменения параметров ИЗТ. В качестве такого критерия взята зависимость отношения расчётных установившихся амплитуд поляризации электрода из металла при анодном и катодном импульсах ИЗТ от- отношения длительностей этих импульсов при постоянной частоте ИЗТ. Предложен метод расчёта требуемых ВАХ Ш обеспечивающих заданные режимы ЭХО.

В третьей главе сформулированы требования к ИСТ для - вне-ванновой ЭХДА, произведён обзор существующих ИП для ЭХО ж классифицированы схемные решения:, положенные в основу существующих Щ для ЭХО, обосновано наиболее целесообразное . схемное построение ИИ. Предложено две: схемы ИП .защищённыв авторскими свидетельствами на изобретение [ 3,4] .

Обзор существующих ИП производился на периодическим изданиям и современным монографиям, посвященным оборудованию, для- электрохимических производств, а также па патентной литературе в классах С25Д 12/2 / ИП для электротехнологии/ ж В23Й,К,Р / ИП для дуговой сварщ / в силу сходства ряда характеристик Щ для дуговой сварки и вневанновой ЭХДА* / . , Основные недостатки- существующих ИП для ЭХО о течет зрения требований вневанновой ЭХДА связаны, о тем, что преобразование электрической энергии в них осуществляется на частоте промышленной сет. -Наиболее перспективный способ построения 'установок для вневанновой ЭХДА /ЭХО/ - построение их на. основе промежуточного преобразователя электрической энергия на повышенной частоте. Достоинства злектротехнологических установок с промежуточным преобразовательным звеном повшен-г' ной частоты /ПЗПЧ/ для вневанновой ЭХДА освещены в [7 - 10];

Для- опытных образцов ИП принята схема [4]'. В качестве ПЗПЧ' взят: тиристорннй моотовой последовательный резонансный' инвертор с диодами обратного., тока и;магнитосвязанными коммутирующими индуктивностями /А»с.Ш71270,СССР,Н02М 7/523 /.

. . В ИП применён частотно-импульоннй способ регулирования. Т.к. при' вневанновой ЭХДА в процессе работы, нагрузка ИП меняется, будет меняться и частота собственных колебаний инвертора. Поэтому сформулированы ограничения на диапазон, допустимых изменений собственной частоты во всём диапазоне рабочих нагрузок'. Максимальное значение собственной частоты определяется частотными свойствами тиристоров,, минимально'е -- необходимым качеством воспроизведения требуемой- формы импульса ЙЗТ минимальной длительности. Эти•ограничения учитываются при выборе параметров колебательной системы инвертора.

Тиристоры выходного реверсивного выпрямителя ИП синхро-низирсзаны с моментами включения тиристоров инвертора.

_____ ______ - 12 - . ' . •

'. .В четвёртой главе произведён анализ .электромагнитных процессов в .силовой схеме, ИП .о помощью математической электрик ческой модели.. Цель исследования - выбор параметров.колебательной. системы- последовательного-резонансного инвертора, -обеспечивающих заданные электрические характеристики Ж, а .. также ,. -исследование переходных процессов при управлении, процессами в электрохимической нагрузке. Математическая модель -учитывает реальные , характеристики намагничивания магнитопро-вода силового трансформатора,- температурную зависимость характеристик намагничивания материала магнитопровода, нелинейность ВАХ силовых вентилей и. реальные процессы коммутации-фоков через1 силовые вентили. Необходимость разработки достаточно, точной математической. электрической модели при проек-. тирсшании ШГ для вневанновой ЭХДА вызвана слоеным характером нагрузки % импульсными' режимами работы Ш при формировании ., ИВЕ.. Щ)бДБармллвный1 выбор параметров колебательной, системы инвертора-. ааудесиалявзмйс помощью линейной операторной модели контура коммутаций! инвертора. . . . . .

Основу математической: тлели-. ИП составляет ЭЭС замещения-контура коммутации' ттт^чщй /%то.2/, в которой использована Т-образная схема замещения. сзкавогс трансформатора» При' её . построений рассмотрены условия' приведения схемы инвертора с магнитосвязанными'коммутирующими индуктивностями к данной

... мутации . ...

■ На рис.2 обозначено: С1— коммутирующая ёмкость; Йу — эквивалентное сопротивление цепи первичной обмотки силового : трансформатора; ЬI - суша индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора и коммутирующих индуктивностей; /»2

г;, индуктивность -намагничивания трансформатор И-} - хзрсве--Йецная индуктивность; вторичной обмошвд;; —• приведенное. 'Сопротивление цепи вторичной обмотка; ОЗЖ - .электрохимическая нагрузка со своими приведенными параметрам^ »Г3 -

- контурные токи. ....... * ■

. . Для предварительного-выбора параметров контура коммута-^ ции строится его. операторная модель на основе.ЭЗС рис.2» Нагрузка полагается активной* На линейной операторной модели -производится анализ колебательных процессов в инверторе, для -чего-исследуется изменение значений дискриминанта характеристического -уравнения операторного изображения тока1^/р)и час« *оты собственных колебаний в контуре коммутации: от следующих его параметров: Г/..., ¿у , , К у , при изменении сопротивления нагрузки, от короткого, замыкания до практически хсь-лостого-хода.. Параметрыаконтура коммутации выбираются таким., образом, чтобы-обеспечить желаемое, изменение собственной,частоты контура при изменении -нагрузки-в рабочем диапазоне»..

.....Дифференциальные .уравнения, электрической модели состав^ '

лены в базисе контурных токов / Х4 ,1% ,Гз /ж преобразованы к форме Коши» Решение уравнений- производится численным методом, используя формулы,Рунге — Кутта четвёртого порядка в модификации Гилла, для .чего применены программы Я К й-5 ц . .библиотеки стандартных программ на языке: ФОРТРАН. Модель ^содержит две. системы дифференциальных уравнений - ..

- основную и вырожденную. Основная система служит для описания процессов.во время колебательного процесса в контуре коммутации.инвертора, вырожденная --при бестоковой пдузе. Переход от одной системы уравнений к другой осуществляется, путём изменения значений'коэффициентов систем с помощью логического, переключающего .параметра.. Учёт реального характера процессов^коммутации осуществляется путём использования переключающих функций для изменения -значений переключающего параметра. Учёт реальных процессов намагничивания в трансформаторе производится с помощью аналитической зависимости -

, полученной предложенным,в работе графоаналитиче^ ским способом аппроксимации.основной кривой намагничивания материала магнитопровода. Осяовные положения математической электрической' модели ИП опубликованы в [б].

- 14 -

В пятой главе рассматривается метод оптимального проектирования ИИ для вневанновой ЭХДА с помощью комплексной математической электрической и тепловой модели ЙП. Необходимость разработки такой модели вызвана тем, что электрические параметры элементов силовой часта ИП /главным образом индуктивных/, их тепловой режим, а также масса и габариты, взаимосвязаны. Поэтому задача оптимального проектирования, имеющая целью минимизацию массы и габаритов ИП при безусловном выполнения требований к электрическим характеристикам, не' может быть решена'без оптимизации единой комплексной модели.

Электрическая модель рассматривалась выше. Строгая тепловая модель Ш, имеющая в своей оонове два уравнения теплопроводности и: уравнение непрерывности теплового потока, приводит, к оистеме многомерных нестационарных уравнений теплопроводности для'элементов и уравнению баланса энергий для охлаждающего теллоноситедя. Реализация такой полной тепловой " модели, на этапе проектирования крайне затруднительна из-за .. недостатка информации. Поэтому предлагаемся подход к построй ению тепловой модели, в которой рассматриваются среднеобвёв*-. ные и среднеповерхностные температуры тел и ореднерасходные. температуры теплоносителя. Основанием длй такого подхода является то, что особенности внутренней отруктуры элементов учитываются через их интегральные характеристики, а также • то, что для элементов входящих в состав ИП практически-вое-внутренние тепловые сопротивления значительно меньше внешних. ¡В интегральной тепловой модели произведено упрощение форм 'элементов с сохранением их интегральных характеристик . и'приняты допущения, а именно, элементы считаются квазиоднородными, тепловые воздействия считаются стационарными, справедлив принцип "местного влияния" и имеет место идеальное' перемешивание теплоносителя, . .

Для построения тепловой модели выделяются "основные" элементы, которые в значительной.степени влияют на массу и габариты, а также на электрические процессы в ИП и на нагрев которых можно влиять путём изменения их конструкции и уело-' .вий охлаждения. Интегральные характеристики "основных" элементов, параметры электрических процессов и условий охлаждения входят в целевую функцию, которая связывает электричес-

- 15- ,

кую и- тепловую модели в комплексную модель, Оптишйация пат-раме трав комплексной математической' модели осуществляется путём минимизации значения целевой функции, которая в данном случае имеет вид:;

S = ^ Qt/Qo+ Ус С/Са +y?(F-Fa)/Fo +

где. Qo t Со » F0 < cLo - начальный знач.ения массы трансформатора,-ёмкости: коммутирующего, конденсатора,- частоты- собственных колебаний, контура-коммутации: инвертора, коэффициента теплоотдачи конвекцией; Qj ,С , F соответствующие текущие значения ; У^, , & , Чр , У* - весовые, коэффициенты.:

.. Для минимизаций- .значения целевой функции используется метод- Нелдера - Мида.

-Результатами прохождения алгоритма комплексной модели являются.:

- переходные.-электрические процессы- в силовой части. Ш и нагрузке при: оптимизированных значениях электрических параметров; .'

- оптимизированные параметры, элементов электрической силовой схемы. Ж;

- конструктивные, параметры.силового- трансформатора, схематическое; его. изображение .со. схемой укладки обмоток; ,

--ряд.других.данных. - Основные, положения метода оптимального ; проектирования с помощью-комплексной.модели изложены в [б]..

В заключении-приведены основные результаты:-диссертации.

В Приложении I- привёдены.выражения для составляющих.тока, в электрохишческой .системе, вневанновой' ЭХДА.при поляризации- её-, импульсным знакопеременным-напряжением. . .

В Приложении! 2 - представлены .акты.о внедрении результа- ' тов диссертации И об изготовлении, опытных образцов Ж.

Сшсок работ, опубликованных по теме диссертации.

X. Балуков' Р.В.,Кошелев П.А..Парамонов C.B. К вопросу об определении' параметров электрических схем замещения электрохимических ячеек при импульсном электролизе//Депонирован-ные научные работы: Ежемесячный библиографический укаэатель-- - M.:BffifflTK,IS92.- J," 220 - Деп.17.06.92. ,Ш960 - В92.

. ______ . . ..-..16.-,. . .... . .

2. Балуков. F.B. Дошелев H.A..Парамонов C.B.K вопросу о. поляризации электродов в .системе.."металл. ~ углеродное ролок-но"//Депонированные .'-научные. работы; Ежемесячный -библиографический указатель.^ ИС - М.:ШНИЖ,1Э92.- Е250 -

- Деп»17*06.92., M96I - В92. , ; . . L

-- Ef.-Ä.c.№ 1291321- -СССР-.. -МЮ1 Б23К <3/10.- Источник сварочного тока/ С.В'ДарамоновД.Й'.Закс, Б.А.Каганский и др.- Б.1Ш? 7,1987. . ■ . ,

......4". A.c.I 1690980- СССР ,.- МКл В23К 3/02. Устройство,для

электрохимической обработки.металлов/ С»ВШарамонов,Р.В.Балуков, С. В „Бондарев и. др..- Б.И.1 42,1991. . - . . -.5. Синтез оптимальных сигналов, управления инверторным звеном в установках электрохимической обработки металлов/ / С.А.Ермолин,И»А.Кошелев,С.ВЛарамонов и др.//Изв'.ЛЭТИ>. '

Сб.ньуч. тр.- Л.:ЛЭТЙ,1990.-Вшг.424.-С.62 67...... 1

. .6» Оптимальное проектирование .элементов промежуточного инверторного -звена для ¿¡гсаяорок. дуговой сварки/ПД^Копта^ев, С.В'Дарамонов.С.В.Бондарев.и др..//йзв.ЛЭЖ:Сб.науч.. тр.J

- Л.:ЛЭТЙ,1988.^ВШ1.401..-С.120 - 124.-' '

- . 7. -Разработка оборудования для электрохимической.дезак-тивации безванновым методом/Г. А»Захарчуо,П'.А.Кошелев,С. В.Парамонов и др.//Методы .и средства управления технологически-, ми процессами:Тез.докл.межреспубл.науч.- техн.конф.^Саранск, 15 -.17мая,1989г.- Саранск:Мордовский.Гос .Ун-т,1989.-С.36.

.8.-Разработка.малогабаритной технологической установки для. электрохимической -обработки,. металлов безванновым мето-. дом/П.А.Кошелев,С.В.Парамонов,С„А.Ермолин//Автоматазирован-ные.электротехнологические-установки и системы:Межвуз-сб. науч.'тр.- Чебоксары:Чувашский Гос,.Ун-т,1989.-С'.8- 13. .

9. Источники пи таь£ия .электротехнологических установок; Методические.рекомендации. Под общ, ред... В.М.0пре/0.А.Гера-сёв,С.А.Герасёв,С.В.Парамонов и др. - С.-Пб.:ЛШП,199Г.- \

- 32 с;..... , , .

10. Парамонов С.В'. Источник питания для поверхностной электрохимической обработки металлов знакопеременным импульсным током//Проблемы.преобразовательной техники:Тез. докл

Y Всесоюзн. науч.- -техн.. конф.,Киев,16 - 20 сентября, 1991г.- Киев:Нн-т Электродинамики АН УССРД991.-С.26 - 27. *

Подл'..к печати.20-02.95..Формат 60x84 1/16.Офсетная печать. Печ-.л'... 1,0;-згч.-изд'.л,-1,0. Тцраж.100. экз'.. Зак.№~22

.Ротапринт'МГЦ ТТоликом" 197376, Санкт-ГГетербург, ул. Проф.Попова,5