Импульсные регуляторы тока для микроплазменного оксидирования

На правах рукописи

Большенко Андрей Викторович ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТОКА ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск 2013 1

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

кандидат технических наук, профессор Научный руководитель Гринченков Валерий Петрович

Официальные оппоненты:

Розанов Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электрические и электронные аппараты» Национального исследователь ского университета «Московский энергетический институт» Ковалев Олег Федорович, доктор технических наук, профессор, профессор кафед ры «Информационная безопасность, телекоммуникационные системы и информати ка» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» Ведущая организация Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге

Защита диссертации состоится 28 июня 2013 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.304.08 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в ауд. 149 главного корпуса по адресу: 346428, г.

Новочеркасск Ростовской области, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государ ственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Ново черкасский политехнический институт)».

Автореферат разослан «27» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Скубиенко Сергей Витальевич совета Д212.304.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка новых экологически чистых технологий нанесения высокоэффективных и надежных покрытий для защиты и упрочнения ме таллических изделий является сегодня одной из самых актуальных задач современ ной науки и техники. Это обусловлено агрессивностью применяемых технологиче ских сред и жесткостью условий эксплуатации изделий, ведущих к повышению тре бований к конструкционным материалам. Одним из новых и перспективных видов поверхностной обработки и упрочнения, главным образом, металлических материа лов является микроплазменное оксидирование (МПО). Метод МПО позволяет полу чать многофункциональные керамикоподобные, износостойкие, коррозионностой кие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия с уникальным комплексом физико-химических свойств для применения в самых разных областях техники. Физико-химические параметры покрытий, полученных методом микроп лазменного оксидирования, значительно превосходят параметры покрытий, сфор мированных методами классического анодирования, оксидирования и др.

Типовая установка для МПО включает специализированный источник тока и гальваническую ванну с электролитом (катод), в которую помещается деталь заготовка (анод). В работах по технологии нанесения покрытий такой технологиче ский источник обычно определяют как регулятор тока МПО-нагрузки. Процесс МПО инициируется подачей поляризационного напряжения от регулятора тока на клеммы гальванической ванны. Свойства формируемых покрытий зависят от двух основных факторов: компонентного состава электролита и электрического режима поляризации. Как правило, компонентный состав электролита влияет на химический состав покрытия и, тем самым, на его химические свойства (коррозионная устойчи вость и др.). Электрический режим влияет на формирование физических свойств (твердость, пористость, шероховатость и др.), обусловленных характером и интен сивностью микроплазменных разрядов. Технология МПО на сегодняшний день до статочно хорошо изучена и находит широкое применение во многих областях науки и техники, однако теоретические представления о процессе недостаточно полны, нет аналитического подхода к прогнозированию свойств покрытий, не отработаны ме ханизмы получения покрытий с заданными свойствами. В разное время над этой проблемой работали такие ученые, как А.М. Борисов, В.Н. Бориков, Б.Л. Крит, В.Б. Людин, И.В. Суминов, А.В. Эпельфельд.

Обзор известных электрических режимов процесса МПО и регуляторов тока для обеспечения процесса МПО показал, что существующие регуляторы тока имеют низкие функциональные возможности и узкий диапазон регулируемых параметров, что обусловлено использованием устаревшей элементной базы. Известные варианты реализации регуляторов тока не позволяют обеспечить требуемый широкий набор электрических режимов процесса МПО и, тем самым, сужают возможный набор свойств формируемых покрытий.

Одним из наиболее перспективных направлений развития метода МПО в настоящее время является разработка регуляторов тока, обеспечивающих широкий набор электрических режимов процесса МПО, позволяющих формировать покрытия с заданным набором физико-химических свойств. Такие режимы МПО требуют со здания новых типов регуляторов тока на основе применения современной элемент ной базы силовой электроники и микропроцессорной техники.

Важнейшей задачей в области МПО является получение покрытий с заданны ми свойствами. Один из способов ее решения заключается в постоянном формиро вании базы данных свойств покрытий, которые включают наборы режимов прове денных процессов МПО при соответствующих составах электролитов. Используя эту базу и применяя методы интерполяции (экстраполяции) данных, можно полу чить значения свойств покрытий, что дает возможность обеспечивать покрытия с промежуточными свойствами.

Другой способ получения покрытий с заданными свойствами основан на не прерывном мониторинге параметров микроплазменной системы (величин активной и емкостной составляющих МПО-нагрузки). Установлено, что свойства покрытия непосредственно зависят от параметров микроплазменной системы. Следовательно, для получения покрытия с заданными свойствами необходимо своевременно оста новить процесс МПО при достижении заданных величин параметров микроплаз менной системы.

Предлагаемые в диссертационной работе регуляторы тока для устройств МПО могут стать одновременно как промышленными образцами, так и исследователь ским инструментом для изучения процессов МПО и формирования базы данных свойств покрытий.

Таким образом, задача разработки новых специализированных регуляторов тока для устройств микроплазменного оксидирования, в которых реализованы необ ходимые функциональные возможности и алгоритмы управления, позволяющие по лучать МПО-покрытия с широким набором заданных физико-химических свойств, является актуальной, что и определило тему диссертационной работы.

Цель работы: развитие теории и практики создания регуляторов тока для микроплазменного оксидирования.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории электрических цепей, численные и аналитические методы решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, методы математического моделирования.

Научная новизна.

1. Предложенные структурные и схемотехнические решения регуляторов то ка отличаются от известных тем, что обеспечивают биполярные импульсы тока с ре гулируемой величиной и скважностью, необходимые для проведения процесса МПО.

2. Разработанная методика определения характеристик импульсного регуля тора тока, в отличие от известных, учитывает динамические характеристики исполь зуемой элементной базы силовых электронных ключей, компонентный состав элек тролита и площадь обрабатываемой детали.

3. Разработанный способ определения параметров микроплазменной системы в режиме реального времени процесса обработки отличается от известных тем, что учитывает различную форму и длительность фронта нарастания поляризующего напряжения и позволяет производить оценку толщины и пористости покрытия без их непосредственного измерения.

4. Принципы построения и алгоритмы функционирования цифровых систем управления регуляторами тока отличаются от известных тем, что учитывается ха рактер и динамика изменения параметров МПО-нагрузки.

5. Комплексные математические модели регуляторов тока, в которых, вотли чие от известных, интегрированы модель управляемого силового модуля, модель нагрузки и система управления процессом МПО.

Обоснование и достоверность результатов подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моде лей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически-аттестованного оборудова ния для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теорети ческих и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Предложены структуры и схемотехнические решения для регуляторов тока устройств микроплазменного оксидирования, позволяющие обеспечить получение многофункциональных покрытий с заданными физико-химическими свойствами.

2. Разработаны методика, алгоритмы и программное обеспечение для опреде ления параметров микроплазменной системы в режиме реального времени при реа лизации процесса МПО.

3. Предложены рекомендации к методике проектного расчета и выбору эле ментной базы модулей регуляторов тока.

4. По результатам исследований созданы опытные образцы устройств разных исполнений, используемые в лабораторных условиях для исследования режимов и свойств МПО-покрытий.

Реализация работы. Полученные результаты работы использованы: в НИИ «Электромеханика» ЮРГТУ(НПИ) и ООО НПП «Магнетик-Дон» при создании тех нологических регуляторов тока для устройств микроплазменного оксидирования, в ООО «Микроокс» и лаборатории кафедры ХТВСОФиКХ ЮРГТУ (НПИ) при иссле довании и разработке технологий формирования многофункциональных покрытий методом МПО.

Положения, выносимые на защиту.

1. Структурные и схемотехнические решения регуляторов тока для МПО.

2. Методики определения характеристик источника тока для МПО с учетом па раметров технологического процесса.

3. Комплексные математические модели регуляторов тока для анализа процес са МПО.

4. Практические рекомендации по созданию регуляторов тока для устройств МПО.

5. Методы определения параметров МПО-нагрузки.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной рабо ты докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Ростовской области «Студенческая науч ная весна»;

на Всероссийской научно-технической конференции «Студенты, аспи ранты и молодые ученые – малому наукоемкому бизнесу – «Ползуновские гранты»;

на научных семинарах кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЮРГТУ(НПИ).

Результаты исследований диссертационной работы были использованы при вы полнении двух государственных контрактов под руководством соискателя: №П2135 «Разработка устройства для микродугового оксидирования» от 5 ноября 2009 г. и №14.740.11.0538 - «Разработка источника питания устройства для микродугового оксидирования на основе транзисторного инверторного преобразователя с корректо ром коэффициента мощности» от 1 октября 2010 г., проводимых в рамках мероприя тия 1.3.2 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кад ры инновационной России на 2009-2013 годы».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе: 5 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 3 тезиса до кладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, по лучен 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства о ре гистрации программы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и приложений. Общий объем работы 202 страницы, включая 28 страниц приложений и 123 иллюстрации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе проведен обзор и анализ научно-технических работ по разра батываемой тематике. Проведен анализ известных способов и режимов процесса МПО. Установлены наиболее перспективные решения, направленные на возмож ность получения покрытий с качественно новыми функциональными свойствами, а также возможность получения покрытий с широким диапазоном заданных свойств.

Анализ работ, направленных на исследование свойств МПО-покрытий, пока зал, что наиболее эффективные электрические режимы процесса МПО достигаются с использованием сильноточной импульсной анодно-катодной поляризации, в том числе с применением циклирования анодной и катодной поляризации с бестоковой паузой.

Свойства покрытий, полученных методом МПО, зависят от ряда параметров, основными из которых являются: состав электролита, электрический режим и мате риал заготовки. Состав электролита в большей степени влияет на химические свой ства покрытия, а электрический режим формирования МПО-покрытий в большей степени определяет физические свойства (твердость, пористость, шероховатость, износостойкость и др.).

Электрические режимы формирования МПО-покрытий определяются исполь зуемым регулятором тока. Таким образом, функциональные возможности регулято ра тока определяют набор возможных электрических режимов и, соответственно, спектр свойств формируемых покрытий. Проведена общая классификация электри ческих режимов проведения процесса МПО.

Обзор и анализ известных промышленных образцов регуляторов тока показал, что используемые в настоящее время регуляторы, входящие в состав оборудования для МПО-процесса, обладают весьма низкими функциональными возможностями, что в свою очередь ограничивает набор свойств формируемых МПО-покрытий.

Низкая функциональность используемых регуляторов тока обусловлена использо ванием устаревшей элементной базы (конденсаторные, тиристорные, тиристорно конденсаторные регуляторы тока).

Разработка регулятора тока для МПО усложняется из-за необходимости учи тывать нелинейность нагрузки, параметры которой меняются во время процесса, и постоянно контролировать ресурс электролита и его температуру. При выходе по следних за пределы допустимых значений происходит необратимое снижение каче ства покрытия, вплоть до брака.

Проведенный анализ показал, что предлагаемые образцы регуляторов тока для промышленной и исследовательской деятельности обладают рядом недостатков:

отсутствие обратной связи по лимитирующим параметрам процесса МПО (температура электролита и др.);

отсутствие возможности протоколирования параметров процесса (ток, напряжение, температура электролита и др.);

отсутствие адаптации к меняющимся параметрам микроплазменной систе мы;

отсутствие возможности прогноза для формирования покрытий с заданны ми свойствами.

Анализ электрических режимов процесса МПО позволил сформулировать функциональные требования к регулятору тока, обеспечивающему формирование покрытий с широким диапазоном заданных свойств:

обеспечение униполярных и биполярных ассиметричных импульсных вы ходных токов;

раздельное задание уровней анодного и катодного токов;

раздельное задание длительностей действия импульсов напряжения и ча стоты их следования;

обеспечение гальваностатического режима процесса;

ограничение амплитуды выходного напряжения;

контроль лимитирующих параметров процесса МПО;

контроль максимального тока нагрузки;

мониторинг и протоколирование параметров состояния процесса МПО;

определение, мониторинг и протоколирование параметров микроплазмен ной системы;

формирование базы данных свойств покрытий, используемой при создании покрытий с заданными свойствами.

Во второй главе рассмотрены вопросы по определению технических характе ристик регуляторов тока для МПО, учитывающих особенности и характер нагрузки.

Предложены методика и алгоритмы определения параметров МПО-нагрузки.

Установлено, что для разрабатываемого регулятора тока в первую очередь необходимо учитывать сложный ярко выраженным активно-емкостный характером МПО-нагрузки. Анализ исследований в области МПО позволил определить эквива лентную схему замещения МПО-нагрузки (рис.1). Несмотря на ряд допущений, определенных при ее составлении, она с достаточной степенью точности позволяет описать характер МПО-нагрузки и производить анализ переходных процессов в ней.

Параллельно соединенные сопротивление и емкость имитируют границу раз дела металл-раствор (оксидную пленку), – сопротивление электролита, – ин дуктивность подводящих к ванне проводов и монтажа. Следует отметить наличие в эквивалентной схеме замещения индуктивности, которая явным образом не явля ется элементом микроплазменной системы, но практически всегда входит в силовую цепь нагрузки регулятора тока. Наличие индуктивности приводит к снижению ско рости роста тока в начальный момент импульса напряжения поляризации нагрузки и во многом определяет характер изменения тока в переходном процессе.

Параметры микроплазменной системы подвергаются изменению во времени в процессе МПО. Начальные параметры и характер изме п нения зависят от состава электролита. Следует отметить, что значение сопротивления электро лита подвергается слабому изменению, завися Рис.1. Эквивалентная схема замещения МПО-нагрузки щему в основном от его ресурса и температуры.

Величина индуктивности определяется конструкцией источника тока и его соеди нением с гальванической ванной и не меняется в процессе МПО.

Исследования, проведенные в Томском политехническом университете, пока зывают, что параметры микроплазменной системы с достаточной степенью точно сти позволяют оценить такие важные параметры формируемого покрытия, как тол щина и пористость :

где и – коэффициенты, определяемые эмпирическим путем для каждого соста ва электролита и режима работы.

Таким образом, непрерывное определение параметров нагрузки (экспресс анализ) в процессе МПО позволяет производить оценку толщины и пористости и, следовательно, получать покрытия с заданными свойствами. Для реализации экс пресс-метода определения параметров покрытия необходимо иметь аналитическое описание переходного процесса изменения тока при воздействии на МПО-нагрузку импульсом поляризующего напряжения.

В работе операторным методом проведен анализ реакции МПО-нагрузки (пе реходного процесса изменения тока нагрузки) при воздействии на нее импульсом напряжения прямоугольной формы. Расчетное выражение для тока ( ) представле но в виде () ( ) (1) где – установившееся значение тока;

– амплитуда напряжения поляри зации;

– круговая частота колебательного процесса;

– декремент затухания;

.

Из выражения (1) видно, что переходный процесс имеет колебательный харак тер, что обусловлено наличием в эквивалентной схеме замещения МПО-нагрузки контура.

Следует отметить, что в реальных условиях скорость нарастания импульса напряжения конечна и обусловлена динамическими параметрами коммутационных элементов.

Для учета длительности фронта нарастания импульса входного напряжения получено аналитическое выражение тока нагрузки ( ) при воздействии на нее им пульсом поляризующего напряжения трапециевидной формы. Эта зависимость име ет вид п () { (2) ( ) п ( ) где ;

( ) ( ) ( ) ( );

( ( ) ( )) ( ( ) ( ));

( ) ( );

.

В общем случае характеристику ( ) можно представить в виде () ( ) Для оценки границ применимости аналитических выражений для ( ), полу ченных при воздействии импульсами напряжения прямоугольной и трапециевид ной формы, проведено моделирование переходных процессов в программе LTSpice для различных комбинаций параметров нагрузки и длительности фронта импульса напряжения. Параметры одного из вариантов МПО-нагрузки представлены в табл. 1.

Табл. 1. Параметры МПО-нагрузки Получены зависимости нормиро Параметры Значения ванного скалярного произведения и Ток, А 70 среднеквадратическое отклонение в Длительность импульса, мкс кривых тока (рис. 2) при воздействии на Сопротивление электролита, Ом МПО-нагрузку прямоугольным и трапе Емкость, мкФ цеидальным импульсами поляризующе Сопротивление, Ом 6, го напряжения с различными фронтами Длительность фронта нарастания 0, нарастания. На этом же рисунке приве напряжения, мкс дена зависимость относительного от Индуктивность, мкГн клонения времени максимума тока нагрузки от длительности фронта нарастания выходного напряжения, которая отражает качественное изменение характера пере ходного процесса тока нагрузки.

По приведенным результатам, % 14 0, сравнительного анализа можно сделать 1 12 0, следующий вывод: при длительности 10 0, 8 0, фронта нарастания напряжения более 6 0, 200 нс для расчета ( ) следует исполь 4 0, зовать выражение (2), в остальных слу 2 0, 0 0, чаях – выражение (1).

1, мк 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0, Рис.2. Зависимости нормированного скалярного Одной из задач при разработке ре произведения (1) и среднеквадратического отклоне ний (2) функций переходного процесса тока нагруз- гуляторов тока является определение ки и относительного отклонения времени макси критических режимов работы силовых мального значения тока от длительности фронта по ляризующего напряжения (3) ключей и его технических характери стик. Для этого в диссертационной работе проведены исследования влияния пара метров МПО-нагрузки и параметров входного напряжения на характер и параметры переходного процесса изменения тока нагрузки. Для решения данной задачи были использованы результаты динамики изменения параметров нагрузки в течение вре мени процесса МПО, полученные учеными Томского политехнического универси тета (П.И. Бутягин, А.И. Мамаев).

Характеристики изменения параметров МПО-нагрузки (удельных сопротив ления и емкости) во времени процесса для одного из электролитов представлены на рис. 3. Величины активного сопротивления и емкости МПО-нагрузки рассчитыва ются исходя из площади обрабатываемой детали:

Ввиду значительного влияния используемой элементной базы на параметры входного напряжения, в частности, на его скорость нарастания, проведено исследо вание по определению зависимости амплитуды выходного тока нагрузки от времени фронта нарастания выходного напряжения (рис.4, а). Качественное влияние харак тера переходного процесса изменения тока фронта напряжения представлено на рис. 4, б.

Удельное сопротивление 2,, Ом м, мкФ м Удельная емкость 1, 200 0,, 0 200 400 600 800 Рис.3. Параметры микроплазменной системы во времени процесса МПО,А,А 140 1 100,, мк 0 5 10 15 20 25 30 35 0 100 200 300 400 а) б) Рис.4. Амплитуда тока во времени процесса (а) и переходной процесс изменения тока нагрузки (б) при раз личных фронтах выходного напряжения: 1 – 0,2мкс;

2 – 2,5мкс;

3 – 20мкс Из графиков на рис. 4 можно сделать вывод о существенном влиянии дли тельности фронта нарастания поляризующего импульса напряжения МПО-нагрузки на величину амплитуды выходного тока. Например, при использовании в качестве полупроводниковых ключей низкочастотных тиристоров, которые, как правило, имеют время отпирания 5-20 мкс, или IGBT (MOSFET) транзисторов, со временем отпирания 0,1-0,5 мкс, требования к силовым приборам по критерию максимально го тока могут отличаться в два раза.

Неотъемлемым элементом МПО-нагрузки является индуктивность подводя щих проводов и монтажа. Анализ влияния величины индуктивности на характер и параметры переходного процесса изменения тока нагрузки (рис. 5) позволяет сде лать вывод о значительном увеличении амплитудного значения тока при уменьше нии индуктивности. Увеличение индуктивности приводит к увеличению времени достижения током установившегося значения.

Как правило, параметры МПО-нагрузки и (рис. 6) подвергаются из, менению пропорционально площади обрабатываемой детали. Однако индуктив ность, входящая в эквивалентную схему замещения, не меняется. Это явление отра жается на характере и параметрах переходного процесса изменения тока нагрузки (рис.6). Увеличение площади обрабатываемой детали приводит к снижению отно шения амплитуды тока к его установившемуся значению.

На основании полученных зависимостей амплитуды тока нагрузки от пара метров входного напряжения и индуктивности монтажа в работе предложены мето дика и алгоритм определения технических характеристик регулятора тока для МПО при заданном составе электролита. Сущность алгоритма заключается в циклическом расчете переходного процесса тока с использованием выражения (2). Длительность фронта нарастания выходного напряжения определяется исходя из используемой элементной базы силовых ключей, которая выбирается на начальном этапе проекти рования регулятора тока. Проведено определение технических характеристик для регулятора тока с конкретными диапазонами параметров процесса.

,А,А 220 180 140 2,, мк 0 100 200 300 400 500 0 5 10 15 20 25 30 35 а) б) Рис.5. Амплитуда тока во времени процесса (а) и переходной процесс изменения тока нагрузки (б) при раз личных значениях индуктивности: 1 – 1мкГн;

2 – 5мкГн;

3 – 20мкГн,А,А 350 2 0, мк 70, мк 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 а) б) Рис.6. Характер переходного процесса изменения тока нагрузки при разных значениях площади обрабаты ваемой детали: 1 – 1дм2;

2 – 3дм2;

3 – 5дм2;

4 – 15дм2;

5 – 25дм Для прямоугольного импуль са поляризующего напряжения 200 ( ) установлены аналитические выра жения для расчета параметров ( 3) МПО-нагрузки. В качестве исход ных данных используется массив ( 1) ( ) измеряемых мгновенных значений ( ) ( +1 ) ( 0) переходного тока нагрузки (рис. 7).

4e По этим данным дополнительно 0 1 2e062 6e06 8e06+1 1e 0 3 1 Рис.7. Исходные данные для определения параметров фиксируются: период колебаний, МПО-нагрузки значение тока в момент времени на начальном участке нарастания тока ( ) иустановившееся значение тока. Значения параметров нагрузки рассчитываются по следующим формулам:

( ) ( ) ( ) ( ) При воздействии импульсным напряжением трапецеидальной формы анали тические выражения для определения параметров МПО-нагрузки чрезвычайно гро моздки, кроме того, плохо выраженная реальная колебательность переходного про цесса ( ) и его зашумленность могут затруднить расчет параметров нагрузки. В ра боте предложен метод, сущность которого заключается в численной вариации пара метров нагрузки при аппроксимации регистрируемой характеристики тока нагрузки функцией вида (2). Аппроксимация кривой тока производится методом покоорди натного спуска при варьировании параметров,, и. Для этого проводится предварительное определение начальных приближений параметров МПО-нагрузки методами полиномиальной аппроксимации отдельных участков токовой характери стики, полученной экспериментально. Следует отметить, что расчет начальных при ближений параметров необходимо проводить только один раз, а в последующих итерациях использовать результаты, полученные на предыдущем шаге.

В диссертационной работе проведена оценка методической погрешности определения параметров МПО-нагрузки посредством разработанного диагностиче ского программного комплекса, который состоит из двух модулей. Первый произво дит формирование регистрируемой зависимости тока с заданными параметрами нагрузки и измерительного устройства, второй – определение параметров нагрузки и определение погрешностей. Исследовалось влияние параметров АЦП и зашум ленность сигнала тока нагрузки на точность определения параметров МПО-нагрузки (рис. 8).

Наибольшее влияние разрядность преобразования АЦП производит на опре деление параметра (рис.8, а). При использовании АЦП разрядностью более 8 бит наибольшая погрешность определения параметров составляет менее 0,5%. Таким образом, для точного определения параметров МПО-нагрузки наиболее рациональ ным является использование АЦП с разрядностью не менее 10 бит, при этом макси мальная погрешность составит менее 0,25%.

Для обеспечения точности менее 3% при определении параметров МПО нагрузки требуется использование АЦП с максимальным периодом квантования не более 100 нс. При использовании предложенного в работе алгоритма максимальная погрешность определения параметров МПО-нагрузки с периодом до 2 мкс составля ет не более 0,05% (рис. 8, б), что говорит о его существенном преимуществе перед известными алгоритмами.

Наиболее существенное и критичное влияние на точность определения пара метров МПО-нагрузки оказывает уровень шума, наложенного на полезный сигнал тока (рис.8, в). Прежде всего, это сказывается на определении параметра, кото рый является основным для оценки параметров МПО-покрытий. Это обусловлено особенностью переходного процесса изменения тока нагрузки, заключающейся в существенной разнице в величинах амплитудного тока и его установившегося зна чения. Это отношение может отличаться на порядок, что приводит к значительному снижению точности регистрации тока при квантовании уровня сигнала и увеличива ет влияние шума в измерительных цепях. Для минимизации погрешности, вносимой этим фактором, предложено использовать двухканальный датчик тока.

, % В третьей главе предложены структурные схемы и схемотехни ческие решения для тиристорного 1, и транзисторного импульсных ре гуляторов тока, разработаны си 0, стемы управления и комплексные математические модели для иссле, з.

6 8 10 дования их режимов работы.

а), % Особенность системы регу лирования тока для микроплазмен 0, ного оксидирования заключается в 0, том, что при управлении техноло гическим процессом необходимо 0, обеспечить заданные параметры 0, импульсов выходного напряжения (длительность импульсов, период, мк 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1, б) следования) и поддерживать задан, % ную величину среднего тока нагрузки посредством регулирова ния уровня выходного напряжения.

Задачами системы регулирования 3 являются стабилизация заданного среднего значения выходного тока за период модуляции и ограниче 16 ш м, % ние максимального времени выхо 0 2 4 6 8 10 12 в) да тока на заданное значение.

Рис.8. Зависимости относительной погрешности измере ния параметров МПО-нагрузки (1–,2–, 3–, 4– ) от Структурная схема системы регу периода квантования АЦП (а), квантования по уровню (б) и уровня шума (в) лирования тока, удовлетворяющая представленным выше требованиям, представлена на рис. 9.

Проектируемый регулятор тока для МПО представляет собой источник бипо лярного импульсного напряжения, обеспечивающий широкий диапазон изменения выходного напряжения и временных параметров импульсов, и систему управления (СУ), обеспечивающую заданный технологический режим в объекте управления (ОУ) (рис. 9).

Исходя из сформулированных выше функциональных требований, предложе ны два варианта построения и реализации технологических регуляторов тока для МПО. В первом, в качестве силового модуля применяется трехфазный реверсивный управляемый тиристорный выпрямительный мост, во втором – транзисторный ин верторный преобразователь напряжения. Для реализации обоих вариантов систем регулирования тока разработаны силовые схемы и соответствующие системы управления.

Основная задача системы регулирова ния тиристорного источника тока заключа- УВ УС СУ РН ОУ ется в стабилизации заданного среднего значения выходного тока нагрузки посред ГОС ством регулирования величины выходного напряжения. Структурная схема системы Рис.9. Обобщенная структурная схема регуля тора тока МПО автоматического регулирования (САР) по строена на принципе управления по отклонению с обратной связью.

Для синтеза системы управления регулятором тока определена структура САР и установлены передаточные функции отдельных ее модулей. При определении пе редаточной функции объекта управления (нагрузки) было принято допущение ее представления в качестве активного сопротивления, так как после заряда емкости она не влияет на процесс стабилизации тока.

Система регулирования тока является дискретной, то есть установка заданного значения напряжения регулятору и считывание величины тока за предыдущий пе риод управления производятся в дискретные моменты времени (моменты естествен ной коммутации тиристоров). Несмотря на это, в работе предложено провести син тез САР в непрерывной области. Это допущение обусловлено тем, что опытные данные показывают значительное превышение минимального времени регулирова ния (выхода на номинальный средний ток нагрузки) по сравнению с периодом мо дуляции выходного напряжения.

Определена передаточная функция регулирующего звена САР ( ), обеспе чивающего апериодический переходной процесс изменения тока нагруз ки:

м () (3) О О В результате анализа установлено, что пропорциональная часть выражения (3) незначительно влияет на переходной процесс, поэтому передаточная функция регу лирующего звена ( ) может быть представлена в виде () где.

Таким образом, для обеспечения требуемых параметров переходного процесса тока нагрузки достаточно применения интегрального регулирующего звена. Прове ден расчет коэффициента интегрального регулятора для критического режима рабо ты, обеспечивающий ограничение максимального времени регулирования тока.

Задачи системы регулирования транзисторного регулятора тока аналогичны тиристорному. Структурная схема транзисторного регулятора тока включает им пульсные регуляторы анодного и катодного напряжений (ИРАН и ИРКН) и инвер тор напряжения (рис. 10, а). Отличительная особенность используемой схемы ин вертора напряжения от классической заключается в раздельном питании его плеч (рис. 10, б), что позволяет формировать на выходе регулятора тока биполярные им пульсы напряжения с заданными длительностями, периодом следования и амплиту дой (рис 10, в), задаваемой уровнями ИРАН и ИРКН.

Инвертор п мп ИРАН к п VT ИНВЕРТОР VT Rн ОУ к к VT VT ИРКН к п а) б) в) Рис.10. Принципиальная схема инвертора напряжения транзисторного регулятора тока Стабилизация выходного тока обеспечивается регулированием уровня выход ного напряжения ИРН, который выполнен по классической схеме понижающего преобразователя напряжения. В связи с тем, что нагрузкой ИРН является МПО нагрузка, коммутируемая инвертором, использование классических методик расчета элементов фильтра затруднительно. В работе предложено применить релейный спо соб управления транзисторным ключом и разработана методика расчета параметров LC-фильтра, которая учитывает особенности режима работы ИРН на МПО нагрузку.

В результате синтеза САР транзисторного регулятора тока проведено опреде ление передаточной функции регулирующего звена ( ), обеспечивающего апе риодический переходной процесс изменения среднего значения тока нагрузки:

( ) м м м () (4) О О О О где – постоянная времени LC-фильтра ИРН, м – период следования выходных импульсов напряжения, – постоянная времени апериодического переходного про цесса изменения тока нагрузки, – коэффициент пропорционального звена переда точной функции ключа ИРН, О – коэффициент пропорционального звена переда точной функции нагрузки.

Выражение (4) можно представить в явном виде через параметры фильтра и параметры требуемой длительности переходного процесса установки заданного среднего значения тока нагрузки:

( м) м м () Последнее выражение имеет достаточно сложную структуру, включающую регулирование по первой и второй производным, пропорциональную и интеграль ную части. Анализ влияния отдельных слагаемых в выражении (4) на переходный процесс регулирования тока позволил упростить передаточную функцию транзи сторного регулятора и представить ее в виде () где.

Таким образом, система управления транзисторным регулятором тока также может быть реализована на базе интегрального регулирующего звена. Произведен расчет коэффициента для критических параметров МПО-нагрузки. Проведенное упрощение также обусловлено тем, что пропорциональная и дифференциальные ча сти регулирующего звена вносят значительные искажения и пульсации при стабили зации среднего значения тока нагрузки.

Для подтверждения результатов теоретических исследований режимов работы регуляторов тока, а также основных принципов построения алгоритмов управления с учетом ряда принятых допущений и упрощений, разработаны их комплексные ма тематические модели. Модели, выполненные в программе LTSpice, включают сило вой модуль, систему автоматического регулирования и МПО-нагрузку в виде экви валентной схемы замещения. Предложенные модели регуляторов тока позволяют производить оценку параметров системы управления, а также осуществлять анализ переходных процессов силовых электронных приборов, что значительно расширяет ее функциональные возможности (оценка параметров ключей при их выборе, опре деление тепловых режимов и др.).

Моделирование процесса включения регуляторов тока проводилось для кри тических параметров процесса и МПО-нагрузки. Установлено, что при включении регуляторов тока при минимальном сопротивлении нагрузки (рис. 11, а) возникает перерегулирование токаи возможен колебательный процесс (рис. 11, б).

,А,А 1,500 1,000 2,м,м 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0, 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 а) б) Рис.11. Графики мгновенного (1) и среднего (2) значений тока при включении тиристорного (а) и транзи сторного (б) регуляторов тока при минимальном сопротивлении нагрузки Для устранения данного явления предложено в состав задаваемых параметров процесса МПО вводить площадь обрабатываемой поверхности, что сужает диапазон изменения активного сопротивления нагрузки. В этом случае расчет коэффициента интегрального регулирующего звена для тиристорного регулятора тока производит ся по формуле а для транзисторного регулятора тока где – максимальная удельная плотность сопротивления нагрузки в начальный момент времени;

– время регулирования выхода на заданное значение.

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

Результаты моделирования показали, что разработанные САР обеспечивают устойчивость системы регулирования и апериодический характер переходного про цесса изменения тока при включении и установившемся режиме, а следовательно, доказали справедливость принятых допущений и упрощений. Максимальный уро вень пульсаций тока нагрузки относительно заданного значения для тиристорного регулятора тока составил 0,5% и максимальное время регулирования – 0,95 с. Для транзисторного регулятора тока максимальный уровень пульсаций тока составил 3,53% и максимальное время регулирования – 0,97 с.

,А,А 1000 0,м,м 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0, 5 10 15 20 а) б) Рис.12. Графики мгновенного (1) и среднего (2) значений тока при включении тиристорного (а) и транзи сторного (б) регуляторов тока при минимальном сопротивлении нагрузки Четвертая глава посвящена практической реализации разработанных регуля торов тока МПО и проведению экспериментальных исследований. Исследования проводились для двух исполнений регуляторов тока: тиристорного и транзисторного типов, включающих, кроме силовых модулей, блоки управления, датчики тока, напряжения и температуры.

Управление, задание параметров и мониторинг процесса МПО обеспечивают ся персональным компьютером, подключенным к микропроцессорному блоку управления (МПБУ) по помехозащищенному интерфейсу RS485. Разработанное специальное программное обеспечение МПБУ реализует алгоритм работы системы автоматического управления регулятором тока, а также ряд дополнительных сер висных функций, обеспечивающих защитные функции и расчет ресурса электролита на основании прошедшего количества электричества. В тиристорном регуляторе то ка синхронизация моментов времени подачи управляющих импульсов напряжения осуществляется посредством трехканального датчика нуля фазного напряжения.

Опытные образцы исполнений регуляторов тока показаны на рис. 13.

Предложенные алгоритмы управления МПО-процессом реализуют следующие функции:

1. Задание требуемого режима процесса МПО.

2. Управление процессом МПО.

3. Мониторинг параметров процесса МПО (ток, напряжение, температура электролита и др.).

4. Мониторинг параметров МПО-нагрузки.

5. Расчет ресурса электролита.

6. Протоколирование процесса МПО.

7. Формирование и пополнение базы данных свойств покрытий в зависимости от электрического режима процесса МПО.

а) б) Рис.13. Опытные образцы тиристорного (а) и транзисторного (б) регуляторов тока Разработанный комплекс программного обеспечения позволяет в режиме ре ального времени отслеживать такие параметры покрытия, как толщина и шерохова тость, и при достижении их требуемых значений завершить процесс МПО.

Протоколирование процесса МПО дает возможность формировать информа цию и устанавливать связь параметров электрического режима МПО со свойствами формируемых покрытий. База данных имеет следующую структуру:

Состав электролита Параметры режима Свойства покрытия Толщина, твердость, --- к п к пористость, ….

Использование различных методов экстраполяции накопленных данных поз воляет установить перед началом процесса такой набор параметров режима МПО, который обеспечит получение покрытия с заданными свойствами.

Экспериментальные исследования проведены в лаборатории кафедры «Хими ческая технология высокомолекулярных соединений, органическая, физическая и коллоидная химия» Химико-технологического факультета Южно-Российского госу дарственного технического университета (Новочеркасского политехнического ин ститута).

В результате экспериментальных исследований используемого в эксплуатации тиристорного регулятора тока установлено, что максимальный уровень пульсаций выходного тока нагрузки составил менее 4,85 % от заданного и максимальное время регулирования (время выхода на заданный ток) не превышает 0,8 с. Транзисторный регулятор тока обеспечивал 8,34 % и время регулирования – 0,75 с. Повышение уровня пульсаций для последнего обусловлено более высоким уровнем помех сиг нальных цепей измерения тока в макете регулятора.

Функциональные свойства и параметры разработанных регуляторов тока поз воляют использовать их как инструмент для проведения исследований технологии МПО, в частности, для определения оптимальных электрических режимов процесса для получения качественно новых МПО-покрытий.

Опытная эксплуатация разработанного устройства тиристорного регулятора тока позволила получить композиционные покрытия с высокими функциональными свойствами (коррозионная стойкость покрытия в 10-15 раз выше аналогов, парамет ры износостойкости и кинетического коэффициента трения выше в несколько раз и т.д.) и разработать технологию получения оптически черных покрытий.

В приложении приведены листинги комплексных моделей регуляторов тока для программы LTSpice, акты внедрения и материалы, подтверждающие защиту интеллектуальной собственности, полученной в ходе выполнения данной диссерта ционной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссерта ционной работе:

1. Предложены два варианта исполнения регуляторов тока для устройств микроплазменного оксидирования с широким набором функций, обеспечивающих получение покрытий с заданными свойствами за счет использования цифровой си стемы управления. Показано, что функциональные возможности предложенных ва риантов регуляторов тока превосходят известные аналоги и обеспечивают более вы сокое качество и новые свойства формируемых покрытий.

2. Предложена методика проектного расчета силовых модулей регуляторов тока и даны рекомендации по выбору полупроводниковых элементов.

3. Разработаны алгоритм и программное обеспечение для определения пара метров МПО-нагрузки, которые позволяют произвести оценку параметров покрытия в режиме реального времени, непосредственно в процессе МПО.

4. Разработаны комплексные математические модели регуляторов тока и МПО-нагрузки, позволяющие оценить и, в случае необходимости, определить тре буемые значения параметров регуляторов системы управления.

5. На основе проведенных исследований созданы опытные образцы регуля торов тока. В результате экспериментальных исследований регуляторов тока уста новлено, что при стабилизации максимальное отклонение тока нагрузки не превы шало 4,85 и 8,53% для тиристорного и транзисторного регуляторов тока соответ ственно. На разработанные устройства получены патент на полезную модель, патент на изобретение и 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

6. Высокая функциональность и широкий диапазон изменения параметров разработанных регуляторов тока позволяют использовать их в промышленном мас штабе, а также в качестве инструмента для исследования технологии МПО и опре деления оптимальных параметров процесса для получения МПО-покрытий с каче ственно новыми свойствами. В процессе опытной эксплуатации разработанных ре гуляторов тока определены технологии получения МПО-покрытий с уникальными свойствами, которые защищены 2 патентами на изобретение.

7. Результаты диссертационной работы внедрены в ООО НПП «Магнетик Дон», НИИ «Электромеханика», ООО «Микроокс» и в учебный процесс кафедры «Электрические и электронные аппараты». Результаты работы использовались при выполнении двух НИОКР по государственным контрактам с Министерством обра зования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Павленко А.В., Большенко А.В., Васюков И.В., Пузин В.С. Источник пи тания для устройств микродугового оксидирования // Изв. вузов. Сев. – Кавк. реги он. Техн. науки. – 2011. – №1. – С. 69-74.

2. Гринченков В.П., Большенко А.В. Технологический источник тока для процесса микроплазменного оксидирования // Изв. вузов. Сев. – Кавк. регион. Техн.

науки. – 2011. – №4. – С. 65-68.

3. Беспалова Ж.И., Паненко И.Н., Большенко А.В., Бородай А.В. Износо стойкость и защитные свойства композиционных покрытий, полученных микроду говым оксидированием // Изв. вузов. Сев. – Кавк. регион. Техн. науки. – 2012. – №1.

– С. 123-125.

4. Большенко А.В. Определение параметров процесса микроплазменного ок сидирования в системе с регулятором тока // Изв. вузов. Сев. – Кавк. регион. Техн.

науки. – 2012. – №3. – С. 32-36.

5. Большенко А.В., Павленко А.В., Гринченков В.П., Пузин В.С. Регуляторы тока для устройств микроплазменного оксидирования // Электротехника. – 2012. – №5. - С. 27-33.

Патенты и свидетельства:

6. Программа управления источником питания устройства для МДО: Свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010615023 Рос. Федерация / А.В. Большенко, А.В. Павленко. – Заявл. 15.06.2010;

зарег. в Реестре программ для ЭВМ 4.08.2010.

7. Патент на полезную модель №110090. Российская федерация МПК C25D 11/02 (2006.01), C25D 19/00 (2006.01). Технологический источник тока для микроплазменного оксидирования / Большенко А.В., - Опубл. 10.11.2011.

Бюл. №31.

8. Расчет тиристорного контактора постоянного тока: Свид-во о гос. реги страции программы для ЭВМ № 2011617182 Рос. Федерация / А.В. Большенко, В.П. Гинченков. – Заявл. 21.07.2011;

зарег. в Реестре программ для ЭВМ 15.09.2011.

9. Патент на изобретение №2446218. Российская федерация МПК CD25D 15/00 (2006.01), CD25D 11/12 (2006.01). Способ микродугового получения компози ционного покрытия на алюминии и его сплавах / Беспалова Ж.И., Паненко И.Н., Большенко А.В., Клушин В.А. - Опубл. 10.11.2012, Бюл. № 31.

Статьи, материалы конференций и другие материалы:

10. Павленко А.В., Большенко А.В., Васюков И.В. Повышение коэффициента мощности источников питания для установок микродугового оксидирования // Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и моло дых ученых в области энергосбережения в промышленности (г. Новочеркасск, окт.

2010 г.) [Эврика 2010] / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : Лик, 2010.

- С. 117-119.

11. Павленко А.В., Большенко А.В., Васюков И.В. Разработка источника пи тания для установки микродугового оксидирования // Ползуновский альманах. – 2010. – №2. – С. 249-250.

12. Большенко А.В., Васюков И.В. Источники тока для установок микродуго вого оксидирования // Студенческая научная весна – 2010: материалы регион. науч. техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Ростовской обл./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2008.- С. 187-188.

Вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в разработке математических моделей МПО-нагрузки и источников тока, структур ных схем и программного обеспечения, изготовлении макета источника тока для МПО [1-2,11-12];

подготовке экспериментальных исследований [3,9];

разработке схем, изготовлении экспериментальных образцов источников тока для МПО и про ведении экспериментальных исследований [5];

разработке структурной схемы [7,10];

разработке алгоритма и программного обеспечения [4,6,8].

Большенко Андрей Викторович ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ТОКА ДЛЯ МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ Автореферат Подписано в печать 24.05.2013.

Формат 6084. Бумага офсетная. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 46-501.