Полупроводниковые преобразователи напряжения для специальных электротехнологических установок в сельском хозяйстве

Людин, Валерий Борисович

автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Полупроводниковые преобразователи напряжения для специальных электротехнологических установок в сельском хозяйстве

доктора технических наук: Людин, Валерий Борисович
город: Москва
год: 2006
специальность ВАК РФ: 05.20.02

Диссертация по процессам и машинам агроинженерных систем на тему «Полупроводниковые преобразователи напряжения для специальных электротехнологических установок в сельском хозяйстве»

Автореферат диссертации по теме "Полупроводниковые преобразователи напряжения для специальных электротехнологических установок в сельском хозяйстве"

На правах рукописи

Людин Валерий Борисович 00306805Э

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Специальность:

05.20.02. - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2006

003068059

Работа выполнена на кафедре "Информационные и электротехнические системы и технологии" Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ) и кафедре "Технологии обработки материалов потоками высоких энергий" «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Шичков Л.П.

доктор технических наук, профессор Башилов А.М.;

доктор технических наук, профессор Герасеиков А.А.;

доктор технических наук, профессор Слепцов В.В.

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

Защита состоится 24 января 2007 г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д 220.056.03 Российского государственного аграрного заочного университета по адресу: 143900, Московская область, Балашиха 8, ул. Ю. Фучика, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного аграрного заочного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, направлять по адресу: 143900, Московская область, Балашиха 8, ул. Ю. Фучика, д. 1, ученый совет.

Автореферат разослан 2006 г.

Ученый секретарь, специализированного совета к.т.н., профессор

МоховаОЛ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В сельском хозяйстве широко используются специальные электротехнологии, связанные с модификацией поверхности металла. В частности, при ремонте сельскохозяйственного оборудования применяются электротехнологии гальванического осаждения и микродугового оксидирования поверхности металла, которые позволяют восстановить поверхность деталей и (или) повысить их ресурс. При обслуживании электрохимических аккумуляторов, широко применяемых в сельскохозяйственной технике, используются электротехнологии их заряда и регенерации. Кроме того, учитывая экологическую политику развитых стран мира целесообразно развивать собственное производство фильтров для выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. В частности, одной из электротехнологий производства металлических волокон для высокотемпературных каталитических фильтров является модификация поверхности металла методом экстракции висячей капли расплава. Использование специальных электротехнологий, продлевающих срок службы аккумуляторов или повышающих ресурс деталей сельскохозяйственной техники, также обеспечивает снижение экологического ущерба наносимого природе, из-за уменьшения необходимых объемов производства новых и утилизации отработанных аккумуляторов или деталей.

Эффективность проведения электротехнологий зависит не только от средних значений плотности технологического тока и напряжения, но и во многом от формы их импульсов. Получение требуемой формы импульсов технологического тока и напряжения позволяет повысить эффективность проведения процессов модификации поверхности металла. При этом дальнейшим направлением повышения эффективности электротехнологий является автоматическая коррекция параметров технологического режима в процессе его протекания.

Реализация эффективных режимов проведения электротехнологий достигается за счет применения соответствующих преобразователей электрической энергии - полупроводниковых преобразователей напряжения (ППН). Структура ППН и схематика его энергетических и информационных цепей во многом определяют возможности этого преобразователя и позволяют решать указанные задачи.

Вместе с тем, для повышения эффективности ППН, снижения затрат на их разработку, изготовление и эксплуатацию требуется унифицировать принципы построения ППН и схемотехнику их узлов и блоков. Исходя из вышесказанного, реализация комплексного подхода к разработке, изготовлению и эксплуатации ППН для специальных электротехнологий в сельском хозяйстве, связанных с модификацией поверхности металла, является актуальной народнохозяйственной задачей.

Целью работы является обоснование параметров, разработка теоретических и методических основ проектирования ППН для электротехнологических установок модификации поверхности металла, применяемых в сельском хозяйстве, путем разработки эффективных схемотехнических решений преобразова-

телей и методов их расчета.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ и дать классификацию технологий модификации поверхности металла и ГГПН, применяемых на предприятиях и службах сельского хозяйства.

2. Обосновать схемы замещения технологических нагрузок ППН и дать формульные оценки выбора параметров режима и разработать алгоритмы управления технологическим режимом, в результате чего обосновать выбор параметров ППН для электротехнологических способов модификации поверхности металла.

3. Предложить классификационную схему ППН, на основании которой разработать функциональные схемы ППН электроустановок для конкретных способов модификации поверхности металла.

4. Выполнить анализ функционирования и защиты силовых преобразовательных ключей (СПК) в ППН, на основании которого сформулировать расчетные соотношения и методику выбора этих СПК. Разработать унифицированные узлы систем управления, автоматизации и мониторинга ППН.

5. Разработать схемотехнические решения энергетических цепей ППН для конкретных способов модификации поверхности металла, провести математическое моделирование этих цепей и получить для них расчетные соотношения. Разработать системы управления и автоматизации этих ППН.

6. Разработать системы автоматизации и мониторинга технологических процессов модификации поверхности металла.

7. Провести цикл экспериментальных исследований для апробации эффективных технологических режимов модификации поверхности металла с использованием комплекса разработанного технологического оборудования.

8. Дать технико-экономическую оценку эффективности разработанных ППН с учетом их апробации в производственных условиях.

По результатам исследований на защиту выносятся следующие положения:

1. Классификации специальных электротехнологий и ППН для модификации поверхности металла, используемых в сельском хозяйстве;

2. Обоснование параметров ППН для электротехнологий модификации поверхности металла, применяемых в сельском хозяйстве;

3. Классификационная и функциональные схемы ППН для электротехнологий модификации поверхности металла;

4. Математические модели процессов управления СПК в ППН и рекомендации по выбору этих СПК;

5. Унифицированные узлы и блоки информационных цепей ППН, а также их систем автоматизации и мониторинга;

6. Схемотехнические решения энергетических цепей ППН для конкретных электротехнологий, математические модели этих цепей и расчетные соотношения, системы управления и автоматизации этих ППН;

7. Специализированные системы автоматизации и мониторинга электротехнологий модификации поверхности металла в электролите;

8. Результаты экспериментальной и производственной апробации ППН для электротехнологий модификации поверхности металла.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- классифицированы специальные электротехнологии и ППН для модификации поверхности металла, используемые в сельском хозяйстве;

- обоснованы схемы замещения и параметры нагрузки ППН в электротехнологиях гальванического осаждения металла, заряда и регенерации аккумуляторов, микродугового оксидирования и формирования металлических волокон методом ЭВКР;

- разработаны математическая модель процессов заряда-разряда емкости двойного электрического слоя реверсивным током при гальванической обработке металлов и методика экспресс-тестирования состояния свинцово-кислотных аккумуляторов;

- обоснованы выбор эффективных режимов и параметров для электротехнологий модификации поверхности металла, алгоритмы их проведения и выбор контролируемых технологических параметров для систем компьютерного мониторинга;

- разработаны классификационная и функциональные схемы ППН для электротехнологий модификации поверхности металла, математические модели процессов управления силовыми преобразовательными ключами энергетических цепей этих ППН, унифицированные узлы и блоки их информационных цепей и систем компьютерного мониторинга;

- разработаны схемотехнические решения энергетических цепей ППН для электротехнологий гальванического осаждения металла, заряда и регенерации аккумуляторов (подтверждено а.с. № 1700685 СССР и патентом № 2052227 РФ), МДО (подтверждено патентами № 1759041, № 2112086 РФ) и ЭВКР, математические модели этих цепей и получены соответствующие расчетные соотношения. Разработаны специализированные системы управления, автоматизации и компьютерного мониторинга этих ППН.

Практическую ценность работы представляют:

- рекомендации по выбору эффективных режимов и алгоритмов для специальных электротехнологий в сельском хозяйстве, связанных с модификацией поверхности металла обрабатываемого изделия;

- принципиально новые схемотехнические решения полупроводниковых преобразователей напряжения (подтверждено а.с. № 1700685 СССР, патентами № 1759041, № 2052227 и № 2112086 РФ), расчетные соотношения и рекомендации по выбору компонентов этих преобразователей;

- алгоритмы и программное обеспечение программно-аппаратных систем управления, автоматизации и мониторинга полупроводниковых преобразователей напряжения.

Главным практическим итогом реализации результатов диссертационной работы является разработка, внедрение и освоение выпуска полупроводнике-

вых преобразователей напряжения для специальных электроустановок различных модификаций предприятием «Прожектор» (г. Москва), внедренческими организациями НПО «Релиз» (г. Москва), «Автоматизация и внедрение» (г. Балашиха), РГАЗУ (г. Балашиха), научно-исследовательской частью МАТИ (г. Москва), московским комитетом по науке и технологиям (г. Москва).

Разработанные модификации ППН, начиная с 1988 г., успешно эксплуатируются на научно-производственных и производственных предприятиях сельского хозяйства и др. отраслей народного хозяйства: Митрофановским авторемзаводом Кантемировского ПО "Промавторемонт" Воронежского областного объединения "Сельхозтехника", Красногвардейским мясоперерабатывающем заводе г. Москвы, автодормехбазой Перовского района г. Москвы, НПО "Мосрентген", ХФК "АКРИХИН" г. Старая Купавна Московской обл., ЗАО "Русские металлические волокна" г. Москвы, ООО "Сталь ФМ" г. Москвы. Отдельные разработки ППН внедрены в учебные процессы РГАЗУ и МАТИ.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждена экспериментальными данными, результатами многолетней производственной эксплуатации разработанных полупроводниковых преобразователей напряжения, а также данными, полученными путем сопоставления их с известными проверенными результатами.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на международных, всесоюзных и российских совещаниях, конференциях и конгрессах: 1-м конгрессе «Защита-92», г. Москва, 1992 г.; Российских научно-технических конференциях "Новые материалы и технологии", г. Москва, 19932005 г.г.; И-ом международном аэрокосмическом конгрессе, г. Москва, 1997; Международных конференциях "Взаимодействие ионов с поверхностью" г. Москва, 1999-2003 г.г.; Международных конференциях «Энергосбережение в сельском хозяйстве» г. Москва, 2000-2003 г.г,; Всероссийских научных конференциях "Быстрозакаленные материалы и покрытия", г. Москва, 2002-2005 г.г. Кроме того, результаты исследований докладывались на конференциях в РГАЗУ, ВИЭСХ, МГАУ, МАТИ и РХТУ.

Выполнение работы проводилось в рамках тематики госбюджетных и хоздоговорных НИР с РГАЗУ и МАТИ 1988-2006 г.г., грантов правительства Москвы 2002-2005 г.г., проектов с горнометаллургическим институтом (Китай, Пекин, 1998 г.), университетом высоких технологий (Турция, Гебзе, 2005 г.) и фирмой «Boeing» (США, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, в том числе одна монография, одно учебное пособие, одно авторское свидетельство СССР и три патента РФ, десять статей в журналах, внесенных в соответствующий список ВАК, в которых отражены результаты исследований.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка литературных источников из 219 наименований и 9 приложений. Основной материал диссертации изложен на 309 стр. машинописного текста и содержит 160 рисунков и 14 таблиц. Вспомогательный материал (Приложение) изложен на 104 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу особенностей специальных электротехнологий сельского хозяйства. В ходе анализа выделена группа специальных электротехнологий, связанных с процессами модификации поверхности металла. К ней отнесены электротехнологии гальванического осаждения металла (ГОМ), включающие железнение, цинкование, хромирование и др., заряда и регенерации аккумуляторов (ЗРА), микродугового оксидирования (МДО) и формирования поверхности металла методом экстракции висячей капли его расплава (ЭВКР).

На основании результатов исследований, выполненных И.Ф. Бородиным, А.Н. Батищевым, Л.П. Шичковым, А.Г. Здроком, В.М. Юдиным, A.B. Эпель-фельдом, Б.С. Митиным, М.М. Серовым, В.П. Косовым, О.П. Моховой, Ю.А. Кузнецовым и др., выявлены эффективные технологические режимы процессов модификации поверхности металла и способы управления параметрами электрического тока в этих режимах.

Для электротехнологии местного железнения деталей в горячих электролитах выбран способ управления тепловым режимом гальванической ванны за счет изменения коэффициента формы электрического тока. Этот способ позволяет отказаться от дополнительных систем нагрева электролита.

На эффективность электротехнологий модификации поверхности металла в значительной мере влияет вид электрического тока (постоянный или реверсивный), форма и частота следования его импульсов. Реверсивный ток - эго знакопеременный ток с постоянной составляющей. Традиционный переменный ток можно трактовать, как реверсивный ток с нулевой постоянной составляющей. Использование реверсивного тока обеспечивает наибольшую эффективность процессов модификации поверхности металла в жидких электролитах.

Из-за особенностей воздействия на технологические процессы и особенностей ППН технологических источников питания, применяемых при обработке металла, частота следования импульсов технологического тока может быть разделена на три диапазона: низкочастотный (НЧ) - меньше 1/3 частоты тока в промышленной сети, среднечастогный (СЧ) - не менее 1/3, но не более 3 значений частоты тока в промышленной сети и диапазон повышенной частоты (ГТЧ) - более 3 значений частоты в промышленной сети.

Для электротехнологий гальванического осаждения металла, заряда и регенерации аккумуляторов и микродугового оксидирования показана эффективность обработки технологическими токами с частотами следования импульсов, находящихся в СЧ и ПЧ диапазонах.

В электроустановках модификации поверхности металла энергетические ППН используются в качестве технологических источников питания, преобразователей приводов двигателей, а также регуляторов мощности систем термостабилизации электролита или плавления заготовок.

Структура ППН содержит энергетические и информационные цепи В энергетических цепях осуществляются процессы преобразования электриче-

ской энергии питающей электросети в вид электрической энергии, необходимый для воздействия на нагрузку преобразователя. В ППН это преобразование выполняется за счет использования СГЖ - силовых диодов, тиристоров и транзисторов. Во многом возможности ППН ограничены особенностями функционирования его энергетических цепей. Информационные цепи предназначены для управления и защиты СПК, а также для решения задач автоматизации ППН и управления объектом в целом.

Систематизация ППН (рис. 1), полученная в результате анализа их энергетических цепей, основывается на следующих признаках: вид электрического тока, структура энергетических цепей, тип передачи энергии.

Структура энергетических цепей ППН зависит от количества звеньев преобразования. Если звено одно, то преобразование прямое, а если их несколько, то преобразование осуществляется с промежуточными звеньями. Имеется три типа промежуточных звеньев: переменного тока, постоянного тока и высокочастотное (ВЧ) звено постоянного тока.

Передача электрической энергии в силовых цепях ППН может осуществ-

ППН

4- .1

Прямое преобразование Преобразование с промежуточными звеньями

1 1 1 1

Непосредственная передача энергии Дозированная передача энергии Звено переменного тока Звено постоянного тока ВЧ звено

I

1 г 1 г 1 г 1 г Непре- » 1' V V V Импульс- Т ,г V ,г нч ЧГ 1 Г 1 Г 1 г сч 1 г 1 г пч

рывный ный

4 4 4 * А

Постоянный ток Реверсивный ток

1 1

Электротехнологическая нагрузка

Рис. 1. Классификация энергетических цепей ППН.

ляться непосредственно от их входа к выходу или через накопление и возврат энергии емкостными или индуктивными промежуточными накопительными элементами. Первый тип передачи определен как непосредственный, а второй как дозированный.

Работоспособность энергетических цепей ППН обеспечивается за счет реализации в системах управления СПК требуемых алгоритмов их функционирования и регулирования тока. Алгоритмы функционирования СПК определяют интервалы времени за период преобразования выходного тока, в течение которых данные СПК могут быть открыты, а алгоритмы регулирования тока через СПК - тип системы управления: импульсно-фазового (СИФУ), синхронного импульсно-широтного (СИШУ) или асинхронного широтно-импульсного (ШИМ).

Во второй главе выполнен анализ характера нагрузки ППН в технологических процессах модификации поверхности металла. В результате этого установлено, что для НЧ и СЧ диапазонов реверсивного тока нагрузка ППН в процессах ГОМ имеет активно-емкостной характер, в процессах ЗРА - активно-емкостной с противо-ЭДС, в процессах МДО — активный с порогом проводимости, а в процессах ЭВКР - активный. Индуктивность нагрузки в этих электротехнологиях не превышает 100 мкГн, что существенно сказывается на процессах в ППН исключительно на реверсивном токе ПЧ.

Учитывая, что в процессах ГОМ и ЗРА емкость двойного электрического слоя (ДЭС) может изменяться в широких пределах, предлагается анализ функционирования ППН выполнять для случаев обрыва и кроткого замыкания этой емкости. Наличие порога проводимости нагрузки в процессах МДО можно рассматривать как влияние эквивалентной противо-ЭДС, при этом ток через нагрузку в интервале напряжений от нуля до значения противо-ЭДС отсутствует. Bern ильный характер нагрузки в процессах МДО определяется в наличии противо-ЭДС при анодной поляризации нагрузки и ее отсутствии при катодной.

В целом, при анализе работы ППН реверсивного НЧ и СЧ тока для электротехнологий модификации поверхности металла следует полагать активный характер нагрузки с противо-ЭДС, а для ПЧ тока - активно-индуктивный с противо-ЭДС.

Для электротехнологий ГОМ и ЗРА предложен выбор длительностей импульсов (рис. 2) прямого (tn) и обратного (t0) токов через гальваническую нагрузку из условия полного заряда-разряда емкости ДЭС (Спн)- Заряд емкости ДЭС происходит под воздействием импульсов прямого тока (1п), а разряд - в течение бестоковой паузы или под воздействием импульсов обратного тока (10) на активное сопротивление RnH.

Показана эффективность деполяризации емкости ДЭС обратными импульсами реверсивного тока при соотношении длительностей прямого и обратного импульсов и периоде следования (Тр):

о о

(2)

где т„„ = Кп„ • Спн - постоянная времени цепи поляризации, с.

Для повышения эффективности технологий ГОМ и ЗРА предложено проводить электрохимические процессы реверсивным СЧ током с модуляцией импульсами реверсивного НЧ тока, период и длительность которых определяется (1) и (2) соответственно. Имеется возможность автоматической корректировки периода следования импульсов реверсивного НЧ тока в технологическом процессе по стабилизации амплитуды напряжения на емкости ДЭС.

Для электротехнологий ЗРА выбраны способы ускоренного и ступенчатого заряда. Показано, что ускоренный заряд протекает при неизменной плотности тока через площадь электрода аккумулятора, покрытую солевым осадком. Ступенчатый заряд проходит при возрастающей плотности тока заряда, наибольшее значение которой вплоть до последней ступени ограничено значением, связанным с напряжением перехода между ступенями заряда. Фактически при этом способе заряда имеется корректирующая технологический процесс обратная связь по состоянию аккумулятора. Ускоренный заряд сопровождается 5-10 % недозарядом аккумулятора, а ступенчатый заряд — 2-5 % перезарядом. В целом, эти два способа заряда являются взаимодополняющими.

Для свинцово-кислотных аккумуляторов разработана методика экспресс-тестирования их исходного состояния, позволяющая на основе экспресс-тестов установить правильный способ и режим заряда или регенерации тестируемого аккумулятора.

На основании опубликованных данных и проведенных теоретических

б)

-о-

а)

Рис. 2. Схема замещения (а) нагрузки при ГОМ и ЗРА и процессы перезаряда емкости ДЭС (6) реверсивным током.

исследований разработаны алгоритмы управления параметрами электрического тока в электротехнологиях ЗРА, ГОМ и МДО.

Для электротехнологии ЭВКР показана необходимость стабилизации мощности нагревателя вакуумной плавильной печи. Предложено управлять скоростью подачи заготовок в зону плавления по длительности контакта между каплей расплава заготовки и диском-экстрактором с периодической коррекцией процесса управления по форме этой капли.

Для технологических процессов модификации поверхности металла выявлены параметры, подлежащие компьютерному мониторингу.

Третья глава посвящена вопросам разработки ППН для специальных электротехнологий. Для этих ППН предложена классификационная схема (рис. 3), позволяющая унифицировать их архитектуру.

Преобразование электрического тока сети в требуемый для технологической нагрузки электрический ток осуществляется в энергетических цепях ППН, в составе которых функционируют СПК и силовые электромеханические ключи (СЭК). Последние используются для коммутации силовых цепей. Управление силовыми ключами и их защита от аварийных режимов осуществляется соответствующей системой управления ППН.

Для контроля и управления параметрами электрического тока в силовых цепях ППН устанавливаются датчики, образующие измерительные цепи. Сигналы от датчиков и задатчиков поступают в систему управления и автоматизации ППН и систему мониторинга параметров технологического процесса. В зависимости от количества и объема, обрабатываемых данных, они могут функционировать раздельно или объединяться в единую систему. При раздельной

к ПК

Рис.3. Классификационная схема ППН установок длп модификации поверхности металла.

работе этих систем предусмотрена возможность обмена информацией между ними. Предусмотрена возможность интеграции систем управления отдельных ППН в информационную сеть.

На основе классификационной схемы ППН были разработаны функциональные схемы ППН технологических источников питания для электротехнологий ГОМ, ЗРА, МДО и ЭКВР. В составе этих схем имеются энергетические цепи формирования реверсивного тока, состоящие из управляемого выпрямителя и инвертора. Системы управления ППН охвачены обратными связями по току и напряжению в нагрузке, а для ППН электротехнологий ГОМ, ЗРА и МДО введена обратная связь по температуре электролита в гальванической ячейке. В ППН электротехнологии ГОМ предусмотрен контур регулирования температуры электролита за счет изменения коэффициента формы тока через нагрузку.

С целью повышения надежности функционирования ППН предлагается в их энергетических цепях использовать тиристорные СПК с естественной коммутацией, а если она невозможна, то - транзисторные СПК.

В преобразователь-и ных цепях с нагрузкой,

содержащей ЭДС, управление тиристорными СПК предлагается осуществлять от СИФУ, синхронизированной разностью напряжения ип на входе плеча выпрямителя

(и/или инвертора) и ЭДС нагрузки Е„ (рис. 4). Это приводит к непрерывности по напряжению управления процесса регулирования СПК и минимизации бестоковых пауз между импульсами

прямого и обратного токов Средние значения токов через тиристоры выпрямителя (1ува) и инвертора (1„иа) составляют:

Рис. 4. Синхронизация СИФУ выпрямителя (интервал ДУ и инвертора (интервал А(„)

с/„

с/.

2-лг-Д .Е

■ [зш((//„) + 5т(©„ - а) - ■ {у/к + ©„ - а)}; (3)

где ит - амплитуда напряжения на входе плеча преобразования, В; 11„ - активное сопротивление нагрузки преобразователя, Ом; Е„ - ЭДС нагрузки, В, а -угол управления тиристором, рад; 0О = агссо5(Ев/ит) - угол, при котором совпадает мгновенное значение напряжения питания плеча преобразования и зна-

чение ЭДС нагрузки, рад; У[/к - угол, при котором тиристор выпрямителя закрывается, рад:

к<Рп

0О при 0О<

при 0О >

2

Др,

(5)

2 ' " 2 где Дфп - сдвиг фаз между напряжениями питания плечей преобразования.

Рис. 5. Зависимости коэффициента К„в от соотношений ЭДС нагрузки и амплитуды напряжения питания на входе выпрямителя и инвертора.

Из зависимостей (3)-(5) рассчитаны регулировочные характеристики тиристоров выпрямителя и инвертора, а также зависимости (рис. 5) коэффициента (К„в) отношения средних значений токов через СГЖ инвертора и выпрямителя от Ен/и,п при сс=0.

Если в инверторе применен транзисторный СПК, оснащенный СИШУ, то среднее значение тока через

этот СПК:

=

-Лт--фи. 0 + )-со8(^, - /?)]

2-я-Я.. и_ '

(б)

где Р - угол, в течение которого открыт СПК, рад; - угол запирания СПК, рад.

Были также получены выражения для средних значений токов через транзисторные СПК выпрямителя и инвертора, оснащенные ШИМ.

В работе приведены рекомендации по выбору СПК и цепей их защиты. Допустимое напряжение (идоп) СПК в закрытом состоянии:

ид0„>Кт-ит; (7)

+ (8) где К„, — повышающий коэффициент; 5+и - предельно допустимое превышение напряжения питания преобразовательного звена; Кзп - коэффициент запаса на действие коммутационных перенапряжений в сети электропитания; Ксн - коэф-

фициент, определяемый схематикой преобразовательного звена.

Повышающий коэффициент К„п для тиристорных СПК, применяемых в нулевых выпрямителях или инверторах, составляет 4,4 , а в мостовых - 2,2.

Выбор СПК по среднему значению тока осуществляется в соответствии с формулой:

Кл

К,

(9)

уфк ' Ро '

где 1У - номинальный средний ток СПК, А; 1с - среднее значение тока через СПК, А; Кф - коэффициент формы тока через СПК; Кфк = 1,57- коэффициент формы тока вентильного СПК для классификационной схемы; |3о=0,3...1 - коэффициент, учитывающий условия охлаждения СПК.

Далее в третьей главе разработаны унифицированные узлы систем управления, автоматизации и мониторинга ППН для электротехнологий модификации поверхности металла электролите, а именно аналоговая и анапогово-цифровая аппаратные СИФУ, программно-аппаратная СИФУ, блок электронной защиты СПК, блок управления и защиты МОБРЕТ и ЮВТ транзисторов, микроконтроллерная система управления ППН, счетчик ампер-часов (А-ч) и реле завершения технологического процесса. Для упрощения процесса составления программ к унифицированной микроконтроллерной системе управления был разработан язык программирования процедур релейно-контактной логики.

В четвертой главе рассмотрены особенности функционирования, обоснованы параметры и разработаны ППН для электротехнологий ГОМ и ЗРА.

Для заряда исправных аккумуляторных батарей (АБ) и "прожига" корот-

козамыкающих перемычек внутри дефектных АБ разработан ППН постоянного тока с дозированной передачей энергии (рис. 6). Преобразование электрической энергии в этом ППН осуществляется в два такта. В первом такте (при положительной полуволне сетевого напряжения) емкостного нако-

~11п

Рис. 6. ППН постоянного тока с дозированной передачей энергии.

1 =

питель С заряжается через диоды УБ1, УЭ2 и нагрузку Лн, Ен. В течение второго такта (при отрицательной полуволне сетевого напряжения) осуществляется разряд накопительного конденсатора С через открытый тиристор УБ1 и диод УОЗ в нагрузку Ян, Ен-

Среднее значение тока через нагрузку преобразователя составляет:

2-Кфс-Хс> <10>

где ип - действующие значение напряжения на входе преобразователя, В; КфС=1,11 - коэффициент формы синусоидального тока; Хс - емкостное сопротивление накопительного конденсатора, Ом; ф - сдвиг фаз в цепи преобразования, рад.

Для заряда и регенерации стартерных АБ реверсивным СЧ током разработан однофазный тиристорный преобразователь. Управляемые выпрямитель (У81, УБЗ) и инвертор (УБ2, УБ4) в этом преобразователе (рис. 7) выполнены по двухфазным нулевым схемам. При работе выпрямителя на нагрузку с ЭДС

за счет последней

У51 удз

ш

Т1

~ип О

Iй,

рип

СП

А А

К

Р112 ■

У32

УЭ4

А Л

КМ11

(Зн Ен

©

имеются интервалы времени в каждом полупериоде сетевого напряжения, когда тиристоры УБ1 и УБЗ гарантированно заперты. Коммутация СПК УБ2 и УБ4 инвертора осуществляется в течение этих интервалов времени, что позволяет полностью исключить "прорыв" преобразователя в режим короткого замыкания.

При нулевых углах управления тиристорами выпрямителя и инвертора средние значения прямого (1пр0, А) и обратного (1Об0, А) токов на выходе преобразователя составляют:

0>637 Г ГГТа ¿7 17 ______Г Ен

(П)

Рис.7. Энергетические цепи однофазного реверсивного преобразователя напряжения.

Я,

■ [р-и'-Е] -Ен ■ агссо5(-А-г)].

^об О ~

0,637 •£„

■ агсзт(-

1,41 -и

(12)

1,41 -и

где и - действующее напряжение питания преобразователя (напряжение вторичной полуобмотки силового трансформатора), В.

Для реализации электротехнологий ЗРА и ГОМ разработан трехфазный

VS3

КМ1 1

Рис. 8. Энергетические цепи трехфазного реверсивного тиристорного ГШН.

тиристорный реверсивный СЧ преобразователь напряжения (рис. 8), новизна и полезность которого подтверждена авторским свидетельством на изобретение № 1700685 (СССР). Выпрямитель (У81, УБ2) преобразователя выполнен по трехфазной нулевой схеме, у которой из фазы "с" исключен СПК. Напряжения питания плеч этого выпрямителя сдвинуты по фазе относительно друг друга (Афп) на 120° (двухфазный режим работы, (381 - в положении "1") или на 60° (трехфазный режим работы, (281 - в положении "2"). Инвертор выполнен на тиристоре УБЗ. Канал СИФУ тиристора инвертора синхронизирован отрицательными полуволнами отстающей (от той в которой установлен тиристор) фазы питающего напряжения. Данное' решение позволяет выделить интервал не

менее я для формирования импульсов обратного тока без угрозы "прорыва" преобразователя.

В двухфазном режиме функционирования ГШН наибольшее значение среднего прямого тока на выходе преобразователя описывается выражением (11), а обратного следующим выражением:

0Д59[£„ • (агсзш(1 лЕ\г ) +1,047) + Е] -0,705■ V ]. (13)

Iоба ~'

R.

1,41-С/

В трехфазном режиме функционирования ППН: °'318[0,705 • U + -U2-Е2н -Еи ■ (arccos(

^прО ~

т =

1об О

л*

0,159,

R.

1,41 U

-) +0,524)}; (14)

[Е, • (arcsin(—)+ 2,094) + -U'-E] + 0,705• U ]. (i5)

1,41 С/

Для электротехнологий ГОМ и ЗРА разработан тиристорно-транзисторный реверсивный СЧ ППН (рис. 9) с питанием от однофазной или трехфазной сети с напряжением 18-26 В. Импульсы прямого тока формируются двухфазным нулевым тиристорным выпрямителем (У81, У82), а обратного тока - однофазным транзисторным инвертором (VII).

Наибольшие значения среднего обратного тока для однофазного и трех-

фазного режимов функционирования 111 1Н описываются выражениями (16) и (17), соответственно:

/ °'45'U + °'5'Е*

06 Я.

(16)

_ 0,113 •£/ +0,167

d1

A1

Рис. 9 Функциональная схема тиристорно-траюисторного НИН.

(17)

Для электротехнологий ЗРА разработан реверсивный ти-ристорно-транзисторный ППН (рис. 10), позволяющий формировать реверсивный СЧ ток с "узкими" импульсами обратного тока. Характерной особенностью данного ППН является отсутствие бестоковой паузы между импульсами обратного и прямого токов, что позволяет эффективно использовать сглаживающий дроссель Ldl в этих ППН. Новизна и полезность этого решения подтверждена патентом № 2052227 РФ.

Наибольшее значение среднего обратного тока для ППН:

0,9 +

—. (18)

На базе рассмотренных ППН разработаны модификации для заряда и регенерации стартерных и тяговых свинцово-кислотных АБ и электротехнологий местного железнения в горячих электролитах. Часть модификаций оснащена унифицированными микроконтроллерными системами управления. Для этих модификаций ППН разработаны управляющие алгоритмы и соответствующее программное обеспечение.

Пятая глава посвящена особенностям разработки ППН для электротехнологии ЭВКР.

В энергетических цепях ППН системы плавления (рис. 11) использован однофазный тиристорный регулятор переменного напряжения VS1 и VS2, нагрузкой которого является резистивный нагреватель ЕК1. Для стабилизации выходной мощности система управления ППН (А1) охвачена обратными связями по току (RS1) и напряжению (TV1).

10б =

Рис. 10. Функциональная схема ППН с "узким" обратным импульсом.

Выделяемая в нагрузке ППН мощность (Рна, Вт) составляет: в и2 ж-а зт(2-а).

(19)

Обычно в цепях обратной связи по току и напряжению измеряются средние значения этих параметров. Для расчета мощности в нагрузке по средним значениям тока (1С) А) и напряжения (11с, В) выполнена аппроксимация зависи-

Рис. 11. Энергетические цепи ППН системы плавления.

мости (19), имеющая погрешность не более ± 3,3 %:

0,105" <20)

Разработаны микроконтроллерная система управления ППН системы плавления и оконечное устройство, необходимое для формирования управляющих сигналов силовыми тиристорами ППН.

Для приводов шаговых двигателей (ШД) и низковольтных двигателей постоянного тока (ДПТ) малой мощности, используемых в системах подачи заготовок и смотки готового волокна, разработаны реверсивные ППН. Эти ППН выполнены на силовых полевых MOSFET транзисторах, управление которыми осуществляется микроконтроллерной системой управления. Предусмотрена интеграция ППН приводов двигателей в информационную сеть RS-485.

Разработанные ППН используются в составе двухсекционной установки ЭВКР. Каждая секция предназначена для одновременной переработки от одной до трех заготовок модифицируемого металла. Для функционирования каждой секции используются следующие исполнительные механизмы (рис. 12): нагреватель системы плавления (ЕК1 или ЕК2), три ШД (М1-МЗ или М4-М6) приводов механизма подачи заготовок в зону плавления, ДПТ (М8 или М9) привода устройства смотки волокна. Асинхронный двигатель (АД) М7 приводит в движение диск-экстрактор (шпиндель), являющимся общим для двух секций.

Для автоматизации процессов управления установкой ЭВКР была разработана система (рис. 12), объединяющая ППН управления исполнительными механизмами каждой секции и элементы контроля состояния установки в целом. Система автоматизации состоит из двух идентичных каналов для обслуживания секций, ПК А13, концентратора сети EtherNet А22, ППН Al7 АД привода шпинделя, вакуумметра А18. В процессе работы система автоматизации не изменяет скорость вращения шпинделя, заданную оператором установки. Интеграция ППН электропривода шпинделя и вакуумметра в систему автоматизации необходима для сбора и систематизации данных о технологическом процессе ЭВКР.

В каждом канале системы автоматизации управление ШД (М1-МЗ или М4-М6) и осуществляется от трех соответствующих ППН (А1-АЗ или А6-А8), работающих под управлением пультового контроллера (All или А12). Обмен информацией между преобразователями и пультовым контроллером осуществляется по локальной сети стандарта RS-485. К этой же сети подключены ППН (А4 или А5), обеспечивающий электропитание нагревателя (ЕК1 или ЕК2) системы плавления заготовок, и ППН (А 16 или А19) ДПТ привода устройства смотки волокна. В последнем установлен датчик угловой скорости вращения (Al4 или А15).

Для получения информации о состоянии капли расплава заготовок в каждом канале системы управления используется цифровая приемно-преобразующая оптическая камера (А9 или А10). Управление камерой и декодирование информации осуществляется в специальном программном модуле,

Рис. 12. Функциональная схема системы автоматизации электроустановки ЭВКР.

функционирующем на ПК А13. Данные от этого программного модуля поступают на драйвер системы автоматизации.

В преобразователях электроприводов заготовок измеряется длительность электрического контакта в системе заготовка-капля-шпиндель. Измеренные параметры передаются по локальной сети в пультовой контроллер, туда же поступают данные от оптической системы распознавания состояния капли. В соответствии с этими параметрами в пультовом контроллере формируются команды управления исполнительными механизмами.

Для системы автоматизации были обоснованы параметры и разработаны вспомогательные устройства: пульт управления, датчик угловой скорости, драйвер согласования информационных сетей. Все эти устройства построены на основе АУР£-микроконтроллеров. Совместно с фирмой "ВидеоТест" (Санкт-Петербург) разработал полный комплекс программного обеспечения для доос-нащения ПК системы автоматизации.

Для всех разработанных микроконтроллерных средств управления и автоматизации разработаны управляющие алгоритмы и программы.

В шестой главе рассмотрены вопросы разработки ППН для электротехнологий МДО. Такие ППН в подавляющем большинстве выполняются по схемам с ограничителями тока (балластные конденсаторы) или по схемам с дозированной передачей энергии (емкостные накопители энергии).

Предложен реверсивный тиристорный ППН с балластной емкостью (С1), позволяющий регулировать напряжения на фронтах выходных импульсов напряжения ив (рис. 13). Регулирование обеспечивается включением тиристора для катодных импульсов напряжения и УБ2 - для анодных импульсов, в моменты достижения напряжением иу требуемых значений напряжения (икф, иаф) на фронтах этих импульсов.

В результате математического моделирования процессов в ППН для полностью открытых СПК и УБ2 получено выражение, позволяющие рассчитать с погрешностью, не превышающей ±4,5 %, плотность среднего значения тока]нс (А/дм2) через обрабатываемую поверхность металла:

и

1-0,35- —

•Л

(21)

где ип - действующие значение напряжения питания преобразователя, В; ир — напряжение зажигания микродугового разряда - МДР (300-550 В); ф - сдвиг фаз в цепи преобразования (57°...89,8°); 1Ю = ип-со-Суд/КфС - плотность тока при ко-

а)

Рис. 13. Энергетические цепи (а) и эпюры напряжения (б) для реверсивного гиря-сторного ППН с балластной емкостью (СУ - система управления).

роткозамкнутой нагрузке, А/дм2; со - циклическая частота в сети электропитания ППН, рад/с; Суд - приведенная к одному дециметру обрабатываемой поверхности емкость силового конденсатора, Ф/дм2.

Установлено, что в рабочих диапазонах изменения параметров МДО-нагрузки Е1 уменьшение средней плотности тока через нее, из-за регулирования напряжения на фронтах анодных импульсов в ППН с балластной емкостью, составляет не более 11%. Регулирование напряжения на фронтах импульсов позволяет управлять действующим значением тока через МДО-нагрузку при практически неизменном его среднем значении.

Разработан реверсивный тиристорный ППН с балластной емкостью (С1) и шунтированием МДО-нагрузки (рис. 14). За счет шунтирования осуществляется регулирование соотношения анодного и катодного токов через МДО-нагрузку Е1. В этом ППН тиристоры УБ1 и У82 открыты только в течение коротких интервалов времени, необходимых для перезаряда балластной емкости. Система управления (СУ) ППН генерирует импульсы открытия тиристоров на спадах импульсов напряжения ин в моменты совпадения этого напряжения с заданными значениями иас;(для анодных импульсов) или икс (для катодных).

Предложено в цепях защиты СПК ППН с шунтированием нагрузки (рис. 14) использовать токоограничивающий дроссель 1Л, с индуктивностью не менее 25 мкГн. В этом случае, приведенное к одному дециметру обрабатываемой поверхности наибольшее действующие значение тока через СПК А/дм2) составляет:

Л

_30*х К

(22)

где а0 =

1

■Шс

- циклическая частота свободных колебаний в цепи, рад/с: Ь -

индуктивность токоограничивающего дросселя, Гн; С - емкость балластного конденсатора, Ф.

С1

и,1 ин

и<

А1

-С

СУ

УБ2

$ 4

ин

Е1

а)

Рис. 14. Энергетические цепи (а) и эпюры напряжения и тока (б) для ППН с балластной емкостью и шунтированием МДО-нагрузки

Двухплечевой ППН с дозированной передачей энергии (рис. 15) обеспечивает независимое формирование анодного и катодного импульсов поляризующего напряжения и тем самым позволяет регулировать соотношение токов Ik/Ia в интервале от нуля до бесконечности. Энергетические цепи ППН содержат анодное (Cl, VD1, VS1) и катодное (С2, VD2, VS2) плечи формирования выходных импульсов. Система управления СПК ППН позволяет формировать импульсы напряжения на выходе ППН с частотой следования равной или в три раза меньшей частоты питающей сети (50 и ~17 Гц). Новизна и полезность технического решения двухплечевого IlliH подтверждена патентом 1759041 РФ.

Трехплечевой реверсивный ППН (рис. 16) формирует за счет конденсатора С2 анодный и катодный базовые импульсы напряжения, на которые могут накладываться, соответственно, анодный (формируемый плечом Cl, VS1, VS2) и катодный (формируемый плечом СЗ, VS3, VS4) инициирующие поляризующие импульсы. Возможность наложения этих импульсов позволяет помимо управления в процессе оксидирования соотношением катодного и анодного токов проводить МДО-обработку широкого класса сплавов (получен патент

№2112086 РФ).

Рис. 15. Энср1етическне цепи двухплечевого ППН с дозированной передачей энергии.

\

С2

СЗ

С1

'vUn

VS1

х

VS2

W-

Е1

VS3

VS4

Рис. 16. Энергетические цепи трехплечевого ППН с дозированной передачей энергии.

Для всех рассмотренных в шестой главе ППН получены аналитические или графические зависимости для определения наибольших средних значений плотности тока через МДО-нагрузку и регулировочные характеристики СПК этих ППН. Кроме того, определены наибольшие действующие значения токов, протекающих через данные СПК.

Учитывая сходную схематику контуров преобразования конденсаторных ППН,

предложено создавать их на основе унифицированных секций, содержащих коммутируемую силовыми электромеханическими ключами батарею конденсаторов и два тиристора с цепями защиты. При разработке системы управления такой секцией ППН была использована унифицированная микроконтроллерная система управления, для которой были разработаны управляющий алгоритм и соответствующие программное обеспечение.

Разработана также система компьютерного мониторинга МДО-процессов, позволяющая измерять мгновенные значения напряжения и тока через МДО-нагрузку. Для ПК, входящего в систему мониторинга, разработано программное обеспечение, включающие программы "MDO-monitor" и "VAX".

Седьмая глава посвящена экспериментально-производственной апробации разработанных преобразователей напряжения.

В ходе первого этапа экспериментальных исследований оценивалась эффективность разработанных ППН и алгоритмов управления для электротехнологий ГОМ на примере электротехнологии местного железнения в горячем электролите. В результате, расхождения между заданными и фактическими микротвердостями и толщинами сформированных покрытий в подавляющем большинстве случаев не превысили +6 %.

Особо следует отметить, что разработанные алгоритмы функционирования ППН позволили скомпенсировать негативное влияние отклонения температуры электролита выше установленных методическими рекомендациями пределов на микротвердость и толщину формируемых покрытий. Кроме того, в этих экспериментальных исследованиях сопоставлялись различные законы регулирования температуры электролита, реализованные программно в соответствующем контуре регулирования ППН. Из полученных данных следует, что наилучшим является пропорционально-интегральный закон регулирования температуры электролита.

На втором этапе экспериментальных исследований оценивалась эффективность разработанных ППН и алгоритмов управления для электротехнологий ЗРА на примере электротехнологии заряда и электрической регенерации стар-терных свинцово-кислотных аккумуляторов. В ходе этих исследований показана эффективность процессов ЗРА на комбинированном реверсивном токе с периодом следования импульсов высокочастотной составляющей 10 мс и низкочастотной - 0,5^5 с.

В результате оценки эффективности алгоритма автоматического выбора периода следования низкочастотной составляющей реверсивного тока по полному перезаряду емкости ДЭС установлено, что у 25 из 26 АБ наблюдалось превышение отдаваемой электрохимической емкости над номинальной. При этом у исправных АБ это превышение составило 13-34 %, а у восстановленных -1-9%.

Далее были выполнен экспериментальный поиск наилучшего соотношения прямой и обратной составляющих реверсивного комбинированного тока, в ходе которого установлено, что это соотношение составило 10:1 для исправных АБ и 3:1 - для необратимо сульфатированных.

В результате ускоренных испытаний АБ установлено, что их срок службы увеличивается в 1,5-2 раза при регулярном заряде реверсивным током с оптимальными параметрами по сравнению с традиционно применяемым зарядом постоянным током. Кроме того, показана возможность "прожига" короткоза-мыкающих перемычек в дефектных аккумуляторах при использовании Ш1Н постоянного тока с дозированной передачей энергии.

При экспериментальной апробации трехплечевого ППН реверсивного тока с дозированной передачей энергии и системы компьютерного мониторинга для электротехнологий МДО выявлены особенности характеристик системы металл-оксид-электролит (МОЭ) для различных стадий обработки. В ходе этих исследований осуществлялся компьютерный мониторинг мгновенных значений тока и напряжения на технологической нагрузке. На основание этих данных были построены динамические вольт-амперные характеристики (ВАХ) системы МОЭ и рассчитаны ее основные параметры. В результате этих исследований установлено, что на формовочных кривых дифференциального сопротивления электроразрядных процессов в системе МОЭ на стадии микродугового разряда можно выделить три этапа, четко связанных с изменением характера МДР от нормального тлеющего, через контрагированный - к аномальному тлеющему.

Также было исследовано влияние режимов МДО-обработки на физико-механические характеристики формируемых покрытий. В результате установлено, что толщина сформованных покрытий в анодно-катодном режиме незначительно зависит от плотности тока формовки при неизменном количестве электричества, прошедшего через электролит. Однако плотность тока оказывает влияние на микротвердость и сквозную пористость.

Экспериментальная апробация ППН технологических источников питания для электротехнологий модификации поверхности металла в электролитах доказала высокую эффективность этих ППН и реализуемых с их помощью технологических режимов обработки.

В результате выполнения работ по теме исследования создано и внедрено в производство 15 модификаций ППН для электротехнологий модификации поверхности металла. На основании опыта многолетней эксплуатации разработанных ППН можно судить об их высокой надежности - среднее количество отказов в год на один ППН не превысило 0,25.

Общий экономический эффект от внедрения ППН, подтвержденный актами внедрения, в денежной оценке на январь 2006 г. превысил 9,8 млн. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертационная работа представляет собой первое систематизированное исследование, связанное с обоснованием параметров и разработкой полупроводниковых преобразователей напряжения для прогрессивных электротехнологий модификации поверхности металла, применяемых или пер-

спективных для применения в сельском хозяйстве.

В работе изложен комплекс теоретико-экспериментальных исследований технологических процессов модификации поверхности металла и ППН для этих электротехнологий, включающий в себя обоснование выбора параметров электрического тока через технологическую нагрузку, алгоритмов и режимов управления технологическими параметрами, разработку энергетической и информационной частей преобразователей и систем программного и аппаратного управления ими, выбор принципов и законов управления, создание соответствующих математических моделей и расчетных методик, а также производственную апробацию ППН и последующее их внедрение. Этот комплекс позволил обосновать параметры и разработать научные основы проектирования ППН и создать на основе оригинальных технических решений, защищенных авторским свидетельством на изобретение и тремя патентами. Принципиально новые эффективные технические средства как самих ППН, так и электроустановок, в которых они применяются, позволяют обеспечить их изготовление и внедрение на целом ряде производств.

В результате проведенных исследований осуществлено комплексное решение важной научно-технической проблемы создания для сельского хозяйства высокоэффективных полупроводниковых преобразователей напряжения электроустановок для модификации поверхности металла, позволяющих существенно уменьшить материальные, энергетические и трудовые затраты на производство единицы продукции.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проведенный анализ специальных электротехнологий, применяемых в сельском хозяйстве и перспективных для него, позволил выявить и сгруппировать прогрессивные электротехнологии связанные с модификацией поверхности металла обрабатываемого изделия - технологии гальванического осаждения металла, заряда и регенерации аккумуляторов, микродугового оксидирования и формирования металлических волокон методом экстракции висячей капли расплава. Предложена классификация этих электротехнологий по назначению, типу и рабочей среде.

2. Предложены классификации ППН, используемых в электротехнологиях модификации поверхности металла, по назначению и структуре энергетических цепей, позволяющие определить необходимый для осуществления этих технологий состав ППН и унифицировать структуры этих ППН.

3. Для обоснования параметров ППН предложены схемы замещения технологических нагрузок в процессах модификации поверхности металла и определены их параметры. Установлено, что при частотах реверсивного тока на выходе ППН менее 300 Гц технологическая нагрузка в процессах гальванического осаждения металла имеет активно-емкостной характер, в процессах заряда и регенерации аккумуляторов - активно-емкостной с противо-ЭДС, в процессах микродугового оксидирования - активный с порогом проводимости, а в процессах экстракции висячей капли расплава - активный. Индуктивность нагруз-

ки предложено учитывать, только если частота реверсивного тока на выходе ППН превышает 300 Гц.

4. Для ППН электротехнологий модификации поверхности металла установлены диапазоны изменения параметров выходного тока и напряжения, обоснованы эффективные технологические режимы и предложены алгоритмы управления ими. Реализация этих режимов и алгоритмов в ППН позволила при гальваническом осаждении металла уменьшить расхождения между прогнозируемыми и получаемыми свойствами покрытий до 6 %. При заряде и регенерации аккумуляторов уменьшить до 1,5-6 ч продолжительность их полного заряда, до 1,4 раза повысить исходную электрохимическую емкость и до 1,5 раз увеличить срок службы этих аккумуляторов. При микродуговом оксидировании достичь обрабатываемости "трудно-зажигаемых" сплавов, и для всех рассматриваемых технологий - сократить количество брака в среднем на 50%.

5. Предложена классификационная блок-схема ППН для электротехнологий модификации поверхности металла, унифицирующая их структуру, что создало основу для проектирования этих ППН. На базе классификационной блок-схемы разработаны функциональные схемы ППН для электротехнологий гальванического осаждения металла, заряда и регенерации аккумуляторов, микродугового оксидирования и формирования металлических волокон методом экстракции висячей капли расплава. Эти схемы позволяют реализовать в преобразователях обоснованные в работе режимы и алгоритмы управления этими электротехнологиями.

6. Для цепей формирования импульсов реверсивного тока получены расчетные соотношения для средних и действующих значений тока и регулировочные характеристики их СПК, также разработана методика выбора параметров этих СПК и элементов их защиты, что позволило обобщить научные основы проектирования энергетических цепей ППН для электротехнологий модификации поверхности металла.

7. Разработаны унифицированные аппаратные и программно-аппаратные модификации систем управления и защиты СПК ППН, средства автоматизации и компьютерного мониторинга, позволяющие унифицировать проектирование информационных цепей ППН, и тем самым сократить сроки проектирования преобразователей, снизить среднее количество их отказов до 0,25 в год на один ППН и уменьшить продолжительность возможного ремонта.

8. Для конкретных электротехнологий модификации поверхности металла и условий эксплуатации ППН разработаны специализированные схемотехнические решения их энергетических цепей и выполнено математическое моделирование, в результате которого получены необходимые расчетные соотношения. На базе унифицированных узлов и блоков разработаны системы управления и автоматизации этих ППН. В результате был разработан комплекс ППН для сельского хозяйства, состоящий из 15 модификаций, с помощью которого реализуются рациональные технологические режимы.

9. Разработана система автоматизации и компьютерного мониторинга двухсекционной установки ЭВКР, объединяющая микроконтроллерные систе-

мы управления ГОШ, систему оптического распознавания состояния капли, ПК и микроконтроллеры пульта управления. Эта система позволяет проводить технологический процесс в автоматическом режиме и, тем самым, повысить стабильность параметров формуемого металлического волокна и до трех раз увеличить срок службы графитовых нагревателей плавильной электропечи установки ЭВКР.

10. В ходе экспериментального исследования эффективности комплекса разработанного технологического оборудования для реализации режимов местного железнения в горячем электролите установлено, что способ управления температурой электролита за счет принудительного изменения формы технологического тока при пропорционально-интегральном законе регулирования позволяет поддерживать требуемую для железнения температуру электролита с отклонениями не более ±5 "С, что позволяет отказаться от дополнительных автономных систем подогрева электролита. Реализованный в ППН режим позволяет формировать покрытия при отклонении их свойств от задаваемых не более ±6 %.

11. При экспериментальных исследованиях эффективности комплекса разработанного технологического оборудования для электротехнологии заряда стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей реверсивным током установлено, что при регулярном их заряде комбинированным реверсивным током с оптимизированными характеристиками импульсов до 40 % повышается электрохимическая емкость и до 1,5 раз - долговечность этих батарей по сравнению с традиционным зарядом постоянным током.

12. С использованием разработанного комплекса программно-аппаратных средств для электроустановок МДО выполнены экспериментальные исследования электрических характеристик системы металл-оксид-электролит и влияния параметров анодно-катодного режима формирования МДО-покрытий на их физико-механические характеристики. В ходе этих исследований впервые установлена эволюция характеристик электрохимических и электроразрядных процессов для различных режимов МДО-обработки типовых алюминиевых, магниевых и титановых сплавов. Установлена взаимосвязь между режимами формовки и свойствами МДО-покрытий, что позволило уменьшить отклонение сформированных покрытий от задаваемых до ± 15 %.

14 В 1988-2006 годах в процессе выполнения исследований были разработаны, созданы, апробированы и внедрены в производство 15 модификаций ППН для специальных электротехнологий сельского хозяйства, причем отдельные модификации были внедрены сериями до 8 экземпляров, что подтверждено 11 актами внедрения в производственный и учебный процессы. Общий экономический эффект (в пересчете на январь 2006 г.) от внедрения ППН составил 9,8 млн. руб/год при среднем количестве отказов 0,25 на один ППН в год.

Из 70 публикаций по содержанию диссертации ее основные положения изложены в следующих работах:

1. A.c. № 1700685 СССР. Устройство для зарядки аккумуляторных батарей асимметричным током. / Л.П. Шичков, В.Б Людин, О.П. Мохова; опубл. в Бюл. № 47.1991.

2. Шичков Л.П., Людин В Б. Ускоренный заряд стартерных аккумуляторных батарей //«Электромеханические и электротехнологические системы и управление ими в АПК»: Сб.научныхтрудов-М.:ВСХИЗО, 1992-С. 126-136.

3. Пат. № 1759041 РФ (C25D 11/02). Устройство для микродугового оксидирования металлов и сплавов /И. Залялетдинов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, Л.П. Шичков, Ю.Б. Пазухин, Б.В. Харитонов; зарег. 01.05.1992.

4. Шичков Л.П., Людин В.Б. Электрическая регенерация свинцово-кислотных аккумуляторов //«ВСХИЗО - АПК»: Сб. научных трудов - М.:ВСХИЗО, 1994 - С. 182-184.

5. Людин В.Б. Экспресс-диагностика состояния стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов //«ВСХИЗО - АПК»: Сб. научных трудов - М..-ВСХИЗО, 1994 - С. 189190.

6. Пат. № 2052227 РФ (6 H02J 7/10). Источник для заряда аккумуляторной батареи периодическим током с обратным импульсом /Л.П. Шичков, В.Б Людин; зарег 10.01.1996.

7. Влияние параметров анодно-катодного микродугового оксидирования на свойства получаемых покрытий /A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, О Н. Дунькин, С.В.Семенов //Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского. Вып. 1 (73). М.: Изд-во "ЛАТМЭС", 1998, С. 121-126.

8. Разработка технологических режимов для получения тонких МДО-покрытий повышенной твердости /A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, О.Н. Дуиькин, C.B. Семенов //Научные труды МАТИ им К.Э. Циолковского. Вып. 1 (73). М.: Изд-во "ЛАТМЭС", 1998, С. 66-71.

9. Пат. № 2112086 РФ (C25D 11/00). Способ нанесения электролитического покрытия на поверхности металлов и сплавов и электролитическое покрытие /A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, Б.Л. Крит, И.В. Суминов, A.M. Борисов; опубл. Бюл. № 15.1998.

10. Синтез керамикоподобных покрытий при плазменно-электролитической обработке вентильных металлов /И.В. Суминов, A.M. Борисов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, Е.А Романовский, О.В. Беспалова, B.C. Куликаускас, О.Н. Дунькин, C.B. Семенов //Известия РАН. Серия Физическая, 2000, Т.64, № 4, С. 766-769.

11. Характер разряда в системе металл-оксид-электролит при микродуговом оксидировании на переменном токе /A.B. Эпельфельд, В.Б.Людин, О.Н. Дунькин, О.С. Невская //Известия РАН. Серия Физическая, 2000, Т.64, № 4, С. 761-765.

12. Совместный анализ формовочных кривых и динамических вольт-амперных характеристик при микродуговом оксидировании /И.В. Суминов, Л.П. Шичков, В.Б. Людин, A.M. Борисов, A.B. Эпельфельд, О.Н. Дунькин //Сб. "Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования" - Новомосковск, 2000. - С. 30-36.

13. Влияние наполнения покрытий, получаемых микродуговым оксидированием, на их защитные свойства /И.В. Суминов, A.M. Борисов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, Н.В. Титова, В В. Железное //Сб. "Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования" - Новомосковск, 2000. - С. 69-72.

14. О механизме формирования переходного слоя покрытий, получаемых микродуговым оксидированием /A.M. Борисов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, В.П. Мичурина, C.B. Семенов //Сб. "Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования". Новомосковск, 2000. - С. 73-77

15. Людин В.Б. Автоматизированный источник реверсивного тока для регенерации аккумуляторных батарей //РГАЗУ - Агропромышленному комплексу: Сборник научных трудов, ч. 2 - Москва, 2000. - С. 231 -233.

16. Технология микродугового оксидирования. Часть 1 /И.В. Суминов, A.B. Эпель-фельд, В.Б. Людин, A.M. Борисов, Б.Л. Крит //Научные труды МАШ им. К.Э. Циолковского. Выпуск 3 (75). М.: "ЛАТМЭС", 2000, С. 148-156.

17. Влияние параметров режимов микродугового оксидирования на свойства покрытий, формируемых на алюминиевых сплавах /А.П. Ефремов, И.В. Суминов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, Б.Л. Крит, О.Н. Дунькин, C.B. Семенов //Физика и химия обработки материалов, 2000, № 2, С. 49-53.

18. Шичков Л.П., Людин В.Б., Эпельфельд A.B. Энергосберегающая гальванотехнология нанесения МДО-покрытий / Труды 2-й Международной научно-технической конференции «Энергосбережение в сельском хозяйстве». Часть 1,- М.: ВИЭСХ, 2000, С. 459-466.

19. Микродуговое оксидирование (обзор) /И.В. Суминов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, A.M. Борисов, Б.Л. Криг// Приборы, 2001, № 9, С. 13-23,2001, № ю, С. 26-36.

20. Технология микродутового оксидирования. Часть 2 /И.В. Суминов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, A.M. Борисов, Б.Л. Крит //Научные труды МАТИ им. К Э. Циолковского. Выпуск 4 (76). М.: "ЛАТМЭС", 2001,- С. 185-192.

21. Разработка методики определения сквозной пористости МДО-покрытия /A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, C.B., Семенов, О.Н. Дунькин //Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского. Выпуск 4 (76). М.:"ЛАТМЭС", 2001.- С. 137-140.

22. Электрические характеристики системы металл-оксид-электролит в анодном и анодно-катодном режимах микродугового оксидирования / В.Б Людин, A.B. Эпельфельд, A.B. Сандрыкин, О.Н. Дунькин //Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского Выпуск 4 (76). М.: "ЛАТМЭС", 2001,- С 141-145.

23. Людин В.Б. Структуры силовых преобразователей гальванических установок ремонтных предприятий АПК // Инженерный факультет - агропромышленному комплексу. Сборник научных трудов. М.: РГАЗУ,- 2001,- С. 191-192.

24. Эволюция динамических ВАХ разряда в системе металл-оксид-электролит /A.M. Борисов, А.П. Ефремов, Е.А. Кулешов, Б.Л. Крит, В.Б. Людин, В.И. Михеев, В.А. Половцев, В.М. Светлаков, И.В. Суминов, A.B. Эпельфельд //Известия РАН. Серия Физическая,- 2002,- Т.66,- № 8 - С. 1185-1189.

25 Особенности характера изменения динамических ВАХ системы металл-оксид-электролит при микродуговом оксидировании сплавов на основе алюминия, магния и титана /А.П.Ефремов, В.Б. Людин, A.B. Эпельфельд, О Н. Дунькин, A.B. Сандрыкин // Труды НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева. Серия: "Инженерная механика, материаловедение и надежность оборудования"/ РХТУ им Д.И. Менделеева, Новомосковский институт. Новомосковск, 2002. Вып. №4(7) - С. 7-13.

26. Людин В.Б. Автоматизированная установка для обработки материалов методом микродугового оксидирования // Всероссийская научная конференция "Быстрозака-ленные материалы и покрытия" : сб. научных трудов.// М.: "МАТИ"-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002-с. 110-116.

27. Людин В.Б. Программно-аппаратная система управления для установки измерения напряжения пробоя диэлектриков // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве: Труды 3-ей Межд. конф. (14-15 мая 2003 г., Москва, ГНУ ВИЭСХ). Часть 2. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. - С. 330-334.

28. Людин В.Б. Управляемый преобразователь для обработки деталей микродуговым оксидированием //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2003, № 2.

С. 24-26.

29. Система цифрового управления и мониторинга установок плазменно-электролитической обработки /И.В. Суминов, В,Б. Людин, A.B. Эпельфельд, A.M. Борисов, Б.Л. Крит, О.Н. Дунькин // Приборы, 2003, № 4 С. 30-44, № 5 С. 27-41, № 6 С. 35-45.

30. Прибор для диагностики работоспособности электролитов для плазменно-электролитической обработки /И.В. Суминов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, H.A. Гребе-нюк // Приборы, 2003, № 7 С. 42-46.

31. Особенности эволюции динамических ВАХ системы металл-оксид-электролит при микродуговом оксидировании различных вентильных сплавов /А.П. Ефремов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, О.Н. Дунькин, A.B. Сандрыкин // Материалы 16-й межд. конф. «Взаимодействие ионов с поверхностью». М. 2003. С. 358-361.

32. Шичков Л.П., Людин В.Б. Электротехнологические установки заряда аккумуляторов. - М: РГАЗУ, 2003. - 88 с.

33. Людин В.Б., Эпельфельд A.B. Статические и динамические ВАХ разряда при формировании покрытий микродуговым оксидированием // "Быстрозакаленные материалы и покрытия": Сб. докладов. - Изд. центр «МАТИ»-РГТУ, 2003. - С. 155-161.

34. Людин В.Б., Эпельфельд A.B., Желтухин Р.В. Разработка системы цифрового управления и мониторинга для МДО легких вентильных сплавов // "Быстрозакаленные материалы и покрытия": Сб. докладов. -Изд. центр «МАТИ»-РГТУ, 2003. - С. 162-167.

35. Шичков Л.П., Людин В.Б. Микроконтроллерная система управления приводами шаговых двигателей // Автоматизация сельскохозяйственного производства: Сб. докл. межд. конф. Часть 2. -М.: Известия, 2004. - С. 436-443.

36. Людин В.Б., Серов М.М. Система контроля и управления процессом получения волокон нержавеющих сталей методом ЭВКР //Доклады 3-ей Всероссийской научно-технич. конф. "Быстрозакаленные материалы и покрытия" - М.: МАТИ, 2004 - С. 28-32.

37. Исследование процесса формирования электроизоляционных МДО-покрытий на алюминиевых сплавах /В.Б. Людин, A.B. Рыбалко, К.А. Смоктий, И.В. Суминов, A.B. Эпельфельд // 4-я Всероссийская научно-технич. конф. "Быстрозакаленные материалы и покрытия" - М.: МАТИ, 2005 - С. 163-166.

38. Шичков Л.П., Людин В.Б. Ускоренный заряд тяговых аккумуляторов // Сельский механизатор, № 9, 2005. - С.34,35.

39. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) /И.В. Суминов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, A.M. Борисов, Б.Л. Крит. - М.: ЭКОМЕТ, 2005. -368 с.

Подписано в печать 08.11.2006 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 2,0 пл. Заказ Тираж 100 экз.

Издательство РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Людин, Валерий Борисович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

1.1. Классификация специальных электротехнологий

1.2. Влияние параметров электрического тока на процессы модификации поверхности металла

1.3. Полупроводниковые преобразователи напряжения для электротехнологических установок модификации поверхности металла

1.4. Цель и задачи исследования

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

2.1. Схемы замещения и параметры нагрузки

2.2. Параметры электрического тока в технологических режимах

2.3. Способы управления током в электротехнологиях

2.4. Компьютерный мониторинг технологических режимов

2.5. Выводы по главе

3. РАЗРАБОТКА УНИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

3.1. Классификационная и функциональные схемы полупроводниковых преобразователей напряжения

3.2. Способы управления силовыми преобразовательными ключами

3.3. Выбор силовых преобразовательных ключей

3.4. Унифицированные узлы систем управления, автоматизации и мониторинга

3.5. Выводы по главе

4. ПОЛУПРОВОДНЖОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ

4.1. Тиристорный преобразователь постоянного напряжения с дозированной передачей энергии

4.2. Тиристорные преобразователи реверсивного напряжения

4.3. Тиристорно-транзисторные преобразователи реверсивного напряжения

4.4. Выводы по главе

5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ ФОРМОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

5.1. Преобразователь напряжения системы плавления

5.2. Преобразователи электроприводов двигателей

5.3. Особенности системы автоматизации и компьютерного мониторинга технологического процесса

5.4. Выводы по главе

6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

6.1. Тиристорные преобразователи реверсивного напряжения с балластной емкостью

6.2. Тиристорные преобразователи реверсивного напряжения с дозированной передачей энергии

6.3. Особенности систем управления, автоматизации и компьютерного мониторинга

6.4. Выводы по главе

7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ АПРОБАЦИЯ

РАЗРАБОТАННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

7.1. Методика экспериментальных исследований

7.2. Экспериментальная апробация преобразователей

7.3. Экономическая эффективность и результаты производственной апробации преобразователей

7.4. Выводы по главе

Введение 2006 год, диссертация по процессам и машинам агроинженерных систем, Людин, Валерий Борисович

В сельском хозяйстве широко используются специальные электротехнологии, связанные с модификацией поверхности металла. В частности, при ремонте сельскохозяйственного оборудования применяются электротехнологии гальванического осаждения и микродугового оксидирования поверхности металла, которые позволяют восстановить поверхность деталей и (или) повысить их ресурс. При обслуживании электрохимических аккумуляторов, широко применяемых в сельскохозяйственной технике, используются электротехнологии их заряда и регенерации. Кроме того, учитывая экологическую политику развитых стран мира целесообразно развивать собственное производство фильтров для выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В частности, одной из электротехнологий производства металлических волокон для высокотемпературных каталитических фильтров является модификация поверхности металла методом экстракции висячей капли расплава (ЭВКР). Использование специальных электротехнологий, продлевающих срок службы аккумуляторов или повышающих ресурс деталей сельскохозяйственной техники, также обеспечивает снижение экологического ущерба наносимого природе, из-за уменьшения необходимых объемов производства новых и утилизации отработанных аккумуляторов или деталей.

Эффективность проведения электротехнологий зависит не только от средних значений плотности технологического тока и напряжения, но и во многом от формы их импульсов. Получение требуемой формы импульсов технологического тока и напряжения позволяет повысить эффективность проведения процессов модификации поверхности металла. При этом дальнейшим направлением повышения эффективности электротехнологий является автоматическая коррекция параметров технологического режима в процессе его протекания.

Реализация эффективных режимов проведения электротехнологий достигается за счет применения соответствующих преобразователей электрической энергии - полупроводниковых преобразователей напряжения (ППН). Структура ППН и схематика его энергетических и информационных цепей во многом определяют возможности этого преобразователя и позволяют решать указанные задачи.

Вместе с тем, для повышения эффективности ППН, снижения затрат на их разработку, изготовление и эксплуатацию требуется унифицировать принципы построения ППН и схемотехнику их узлов и блоков. Исходя из вышесказанного, реализация комплексного подхода к разработке, изготовлению и эксплуатации ППН для специальных электротехнологий в сельском хозяйстве, связанных с модификацией поверхности металла, является актуальной народнохозяйственной задачей.

Целью работы является обоснование параметров, разработка теоретических и методических основ проектирования ППН для электротехнологических установок модификации поверхности металла, применяемых в сельском хозяйстве, путем разработки эффективных схемотехнических решений преобразователей и методов их расчета.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ и дать классификацию технологий модификации поверхности металла и ППН, применяемых на предприятиях и службах сельского хозяйства.