Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности специальных электротехнологий сельского хозяйства 15
1.1. Классификация специальных электротехнологий 15
1.2. Влияние параметров электрического тока на процессы модификации поверхности металла 21
1.3. Полупроводниковые преобразователи напряжения для электротехнологических установок модификации поверхности металла 29
1.4. Цель и задачи исследования 48
2. Технологическая нагрузка полупроводниковых преобразователей напряжения 50
2.1. Схемы замещения и параметры нагрузки 50
2.2. Параметры электрического тока в технологических режимах 62
2.3. Способы управления током в электротехнологиях 68
2.4. Компьютерный мониторинг технологических режимов 89
2.5. Выводы по главе 92
3. Разработка унифицированных полупроводниковых преобразователей напряжения для специальных электротехнологий сельского хозяйства 94
3.1. Классификационная и функциональные схемы полупроводниковых преобразователей напряжения 94
3.2. Способы управления силовыми преобразовательными ключами 102
3.3. Выбор силовых преобразовательных ключей 114
3.4. Унифицированные узлы систем управления, автоматизации и мониторинга 120
3.5. Выводы по главе 140
4. Полупроводниковые преобразователи напряжения для гальванических электротехнологий 141
4.1. Тиристорний преобразователь постоянного напряжения с дозированной передачей энергии 141
4.2. Тиристорные преобразователи реверсивного напряжения 149
4.3. Тиристорно-транзисторные преобразователи реверсивного напряжения 171
4.4. Выводы по главе 184
5. Полупроводниковые преобразователи напряжения для электротехнологий формования металлических волокон 185
5.1. Преобразователь напряжения системы плавления 185
5.2. Преобразователи электроприводов двигателей 196
5.3. Особенности системы автоматизации и компьютерного мониторинга технологического процесса 210
5.4. Выводы по главе 218
6. Полупроводниковые преобразователи напряжения для электротехнологий микродугового оксидирования 219
6.1. Тиристорные преобразователи реверсивного напряжения с балластной емкостью 219
6.2. Тиристорные преобразователи реверсивного напряжения с дозированной передачей энергии 232
6.3. Особенности систем управления, автоматизации и компьютерного мониторинга 248
6.4. Выводы по главе 257
7. Экспериментально-производствекная апробация разработанных полупроводниковых преобразователей 258
7.1. Методика экспериментальных исследований 258
7.2. Экспериментальная апробация преобразователей 265
7.3. Экономическая эффективность и результаты производственной апробации преобразователей 281
7.4. Выводы по главе 284
Заключение 286
Список использованных источников 291
Приложение 309
- Влияние параметров электрического тока на процессы модификации поверхности металла
- Параметры электрического тока в технологических режимах
- Способы управления силовыми преобразовательными ключами
- Тиристорно-транзисторные преобразователи реверсивного напряжения
Введение к работе
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). Структу-
9 pa 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:
Выполнить анализ и дать классификацию технологий модификации поверхности металла и ППН, применяемых на предприятиях и службах сельского хозяйства.
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.
Предложить классификационную схему ППН, на основании которой разработать функциональные схемы ППН электроустановок для конкретных способов модификации поверхности металла.
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.
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.
Разработать системы автоматизации и мониторинга технологических процессов модификации поверхности металла.
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:
Классификации специальных электротехнологий и ППН для модификации поверхности металла, используемых в сельском хозяйстве;
Обоснование параметров ППН для электротехнологий модификации поверхности металла, применяемых в сельском хозяйстве;
Классификационная и функциональные схемы ППН для электротехнологий модификации поверхности металла;
Математические модели процессов управления СПК в ППН и рекомендации по выбору этих СПК;
Унифицированные узлы и блоки информационных цепей ППН, а также их систем автоматизации и мониторинга;
Схемотехнические решения энергетических цепей ППН для конкретных электротехнологий, математические модели этих цепей и расчетные соот-
ношения, системы управления и автоматизации этих ППН;
Специализированные системы автоматизации и мониторинга электротехнологий модификации поверхности металла в электролите;
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, ма-
12 тематические 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 полупроводниковых 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
13 "Русские металлические волокна" г. Москвы, 000 "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, 1993-2005 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 на-
14 именований 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.
Влияние параметров электрического тока на процессы модификации поверхности металла
Способы модификации поверхности металла в электролитах являются электрохимическими способами. Электрохимические процессы проходят при воздействии на электрохимическую систему электрического тока, который по направлению можно разделить на два основных вида - постоянный и переменный по направлению ток с постоянной составляющей или реверсивный ток. Традиционный переменный ток можно трактовать, как реверсивный ток с нулевой постоянной составляющей. В свою очередь, постоянный ток по форме делится на непрерывный и импульсный.
Особенностью протекания электрохимических реакций является то, что скорость процесса зависит от межфазной разности потенциалов, возникающей в тонком слое на границе фаз электрод-электролит. Эта разность потенциалов, называемая электродным перенапряжением или поляризацией, возникает в результате того, что поверхность электрода приобретает электрический заряд одного знака, а прилегающий к нему слой электролита - заряд противоположного знака. Такую систему электрических зарядов принято называть двойным электрическим слоем (ДЭС). Чем выше электродное перенапряжение, тем более затруднено протекание электрохимических реакций на этом электроде [16,59-61].
Наибольшая поляризация электрода проявляется при протекании через него постоянного тока. Для уменьшения поляризации электрода в электрохимическом процессе в ряде случаев применяют постоянный импульсный ток, при котором импульсы чередуются с бестоковыми паузами. В течение бестоковой паузы происходит саморазряд емкости ДЭС на поляризационное сопротивление и тем самым осуществляется деполяризация обрабатываемого электрода [56,62,63].
Учитывая, что удельная емкость ДЭС электрода может составлять до 5-Ю Ф/м , то для ее саморазряда необходимы длительные бестоковые паузы, при которых не происходит фарадеевского массопереноса. Это в свою очередь увеличивает продолжительность электрохимического процесса по сравнению с обработкой на постоянном непрерывном токе, но уменьшает расходуемую на процесс мощность электрического тока [56,63,64].
Полная или частичная деполяризация электродов при импульсном постоянном токе происходит на частотах следования импульсов менее чем 1/3 от частоты f„ тока в промышленной сети. Такой ток можно трактовать, как импульсный постоянный низкочастотный (НЧ) ток. Действие на электрохимическую систему импульсных постоянных токов с более высокой частотой аналогично постоянному непрерывному току, за исключением повышенных тепловых потерь в электрохимической нагрузке [56,65].
При модификации поверхности электрода реверсивным током он подвергается периодической поляризации во время действия импульсов прямого тока и деполяризации (разряд емкости ДЭС) во время действия импульсов обратного (разрядного) тока. В целом, это приводит к уменьшению поляризационного перенапряжения электрода и, как следствие, позволяет интенсифицировать процесс заряда за счет увеличения по сравнению с постоянным током предельной силы тока заряда [56,59,64]. Изменяя коэффициент формы электрического тока при неизменном среднем значении можно управлять температурой электролита в ванне [22,66]. Массоперенос m (кг) в фарадеевских процессах зависит от количества электричества прошедшего через обрабатываемый электрод [59-61]: где кээ - электрохимический эквивалент вещества, кг/Кл; 2Ф - количество электричества, прошедшее через электрод за время процесса, Кл; 1С - среднее значение тока за период изменения мгновенного значения тока, прошедшего через электрод, A; t„ - продолжительность процесса, с; t - время, с. Протекание электрического тока через активную нагрузку сопряжено с вы делением тепловой энергии, что приводит к изменению температуры электролита [22]: где f - температура электролита, С; fcp - температура окружающей или охлаждающей электролит среды, С; Wm - энергия тепловых потерь выделяемая на электрохимической нагрузке, Дж. Значение энергии тепловых потерь [62]: "где RH - активное сопротивление электрохимической нагрузки, Ом; 7- действующее значение тока за период изменения мгновенного значения тока, А. Коэффициент формы тока [67]: где Кф - коэффициент формы тока; і - мгновенное значение тока, А; Т - период следования импульсов тока, с; t - время, с. Для общности расчета коэффициента формы тока профессором Л.П. Шич-ковым предложена эмпирическая формула [66]: где Кф0 - аппроксимирующий коэффициент, равный 1 для прямоугольной формы импульсов тока, 1,11 - синусоидальной формы и 1,16 - треугольной; tu - длительность импульса тока, с. Управление коэффициентом формы тока, протекающего через электрохимическую нагрузку, предлагается осуществлять с помощью последовательно включенного с нагрузкой дросселя переменной индуктивности [68]. На скорость и характер протекания электрохимических процессов в значительной мере влияют вид электрического тока, его плотность, форма и частота следования импульсов, а также способ управления средним значением силы тока [56-61]. Технологии ГОМ проводятся на постоянном и реверсивном видах электрического тока при гальваностатическом способе регулирования тока. Кроме того, в отдельных технологиях используется программное управление параметрами электрического режима, то есть изменение значения задаваемого параметра электрического тока в течение процесса [9-11,13,16-25,27,35,38-40]. На предприятиях АПК широко используется электротехнология железне-ния, которая проводится в холодных и горячих электролитах. Железнение в горячем электролите характеризуется температурой электролита 60-90, позволяющей проводить процесс при плотностях тока до 60 А/дм с высокой производительно-стьюгГТри электролизе в холодных "электролитах допускается использование малых плотностей тока, поэтому они малопроизводительны и применение холодных электролитов для восстановления изношенных деталей ограничено [16,22]. При железнении допустимая плотность тока зависит от квадрата температуры электролита [69]: rpfijKdon - допустимая катодная плотность тока, А/дм ; а - постоянная, определяющая значение плотности тока при низкой температуре электролита. Значение ее зависит от типа электролита и колеблется от 0,1 до 0,5 А/дм ; Ъ - коэффициент пропорциональности, равный 0,0005 до 0,005; t - температура электролита от 18 до 100 С. Железнение проводится на постоянном и реверсивном токах, причем использование последнего позволяет повысить в 2,0...2,5 раза производительность процесса, улучшить сцепление покрытия с основой и повысить микротвердость, изменяя ее в широких пределах [35,70-83]. При заряде и регенерации аккумуляторов (ЗРА) применяют постоянный, импульсный или реверсивный ток, регулирование параметров которого осуществляется гальваностатическим, потенциостатическим способами, по правилу ампер-часов (ускоренный заряд), ступенчатой стабилизации тока (ступенчатый заряд), комбинации гальваностатического и потенциостатического способов (модифицированный заряд) [5,14,51-58,63-65,84-91]. Основные технологические способы электрической регенерации АБ: многократно проводимый КТЦ, длительный заряд малыми токами, заряд на дистиллированной воде, глубокий разряд малыми токами, импульсный заряд. Данные режимы проводятся гальваностатическим способом. Большинство этих режимов имеют общие недостатки - большую продолжительность 10-30 суток и низкую степень регенерации АБ (не более 25% от номинальной емкости) [57,58,64,86-90]. Ограничение скорости электрохимических реакций на постоянном токе приводит к продолжительному заряду АБ, так для заряда полностью разряженной СК АБ требуется не менее 8 часов, а для НЖ или НК АБ - не менее 6 [56,58,65,92]. При заряде СК аккумуляторов реверсивным током в приэлектродном слое положительного электрода создается более кислая среда, благоприятствующая получению тетрагональной формы (/ -модификации) диоксида свинца. Под действием обратных импульсов реверсивного тока эта модификация превращается в более рыхлый сульфат свинца, который при воздействии прямых импульсов переходит в больший объем диоксида свинца. За счет этих превращений происходит разработка пор активного материала (увеличение пористости) и улучшение условий доступа электролита к глубинным слоям активного материала, что создает предпосылки для форсирования процесса заряда [56,65].
Параметры электрического тока в технологических режимах
Для проведения электротехнологий модификации поверхности металла в электролите преобразователь ТИП должен обеспечивать на технологической нагрузке требуемые значения токов и напряжений и их изменения в течение процесса. Диапазоны номинальных значений параметров этих режимов (приложение 1) определены на основании анализа, проведенного в разделе 1.2.
На скорость протекания электрохимических процессов существенным образом влияет вид электрического тока (см. раздел 1.2). Наиболее универсальным видом электрического тока является реверсивный ток, так как постоянный ток можно трактовать, как реверсивный при нулевом соотношении обратной составляющей к прямой составляющей этого тока. А переменный ток можно трактовать, как реверсивный с равными прямой и обратной составляющими.
Действие обратных импульсов реверсивного тока на процессы в модификации различно. В гальванических способах модификации обратный импульс деполяризует ДЭС и тем самым ускоряет электрохимические процессы.
При МДО в течение этого импульса происходит восстановление оксида обрабатываемого металла на дне пор. В зависимости от составов обрабатываемого сплава и электролита, а также требуемых свойств покрытий соотношение обратного (катодного) и прямого (анодного) токов при МДО-обработке может варьироваться в широких пределах от 0 до ос [15].
В электротехнологиях ЭВКР реверсивный ток используется для питания резистивного нагревателя. Требуемая мощность нагрева составляет 3-6 кВт на каждый обрабатываемый стержень. Нагрев обрабатываемого металлического стержня осуществляется за счет теплового излучения этого нагревателя. Поэтому критическими параметрами электрического тока для электротехнологий ЭВКР являются его мощность и период следования импульсов, последний должен быть как минимум на порядок меньше тепловой постоянной времени объекта нагрева (не менее 10-15 с). Поэтому нагрев осуществляется переменным током промышленной частоты [47].
Длительности импульсов обратного и прямого токов, через гальваническую нагрузку, можно выбрать из требуемых средних значений этих токов и условия полной деполяризации ДЭС электродов гальванической системы во время действия обратного импульса.
Для обоснования выбора длительностей импульсов прямого и обратного тока через гальваническую нагрузку следует рассмотреть процессы заряда-разряда емкости ДЭС (Спн на рис. 2.1, 2.2) под действием этих импульсов. Для упрощения анализа можно предположить, что гальваническая нагрузка подключена к генератору реверсивного тока iG (рис. 2.5 а), обеспечивающему импульс прямого тока амплитудой 1п, импульс обратного тока амплитудой 10 (рис. 2.5 б) или бестоковую паузу (10=0): где t - время текущее в пределах периода реверсивного тока, с; tn - длительность импульса прямого тока, с; Тр = tn +t0 - период следования импульсов реверсивного тока, с; t0 - длительность импульса обратного тока, с. На основании первого закона Кирхгофа можно записать [67]: где іф - ток расходуемый на процессы массопереноса в гальванической системе, А; іс - ток идущий на перезаряд емкости ДЭС, А.
С учетом зависимости тока через емкость от падения напряжения на ней и закона Ома [67]: где uc - падение напряжения на емкости Сп„, В. Решение линейного дифференциального уравнения (2.39) для начальных условий t = 0 и uc= U0: где тп„ = Спн-RriH - постоянная времени поляризационной цепи, с. В течение действия импульса прямого тока должен произойти полный заряд емкости ДЭС, то есть длительность импульса этого тока должна превышать время переходного процесса в RC-цепи [67]. Если принять, завершение переходного процесса как достижение 99% установившегося значения величины, то: Следовательно, напряжение на емкости после завершения переходного процесса будет составлять:
В течение действия бестоковой паузы или обратного импульса необходимо достичь полного разряда емкости ДЭС от напряжения Ucn до 0. На основании (2.40) и (2.42) получено уравнение:
Способы управления силовыми преобразовательными ключами
В энергетических цепях НИН могут применяться неуправляемые (диоды), полу- (тиристорные и симмисторные) и полностью управляемые (транзисторные) СПК. Если исходить из того, что полностью открытый тиристор эквивалентен диоду, а симмистор - двум встречно-параллельно включенным тиристорам, то анализ функционирования СПК при различных способах управления параметрами выходного тока ППН следует проводить для силовых тиристоров и транзисторов.
Существуют два типа коммутации тиристорных СПК - естественная и искусственная. При естественной коммутации в процессе работы СПК условия для их самозапирания создаются алгоритмом функционирования энергетических цепей ППН. При искусственной коммутации принимают меры для принудительного запирания СПК. С точки зрения простоты реализации и надежности функционирования энергетических цепей ППН предпочтительной является естественная коммутация ППН [5,110-115]. Вследствие этого, при построении энергетических цепей ППН будет рассматриваться только естественная коммутация тиристорных СПК.
Управление силой тока, протекающего через тиристорный СПК при естественной коммутации, производится в соответствии со способом импульсно-фазового управления (СИФУ), а через транзисторный СПК - в соответствии со способом широтно-импульсного управления. Широтно-импульсное управление может осуществляться как при условии синхронизации (СИШУ) периода коммутации транзистора с периодом напряжения входе преобразователя, так и без этой синхронизации (ШИМ). Примеры построения систем управления СПК, реализующих эти способы управления параметрами выходного тока ППН, приведены в разделе 1.3.
Следует отметить, что на постоянном токе и реверсивном токе НЧ и СЧ диапазонов (частота не более 180 Гц) индуктивностью нагрузки в процессах модификации поверхности металла можно пренебречь (L„ = 0), так как сдвиг фаз между.током и напряжением в нагрузке, полученный из выражения (2.18), в этом случае не превышает 8. На реверсивном токе в диапазоне ПЧ необходимо учитывать индуктивность нагрузки.
При естественной коммутации тиристорные СПК работают на частоте напряжения в сети электропитания либо в два раза ее превышающей, то есть максимальная рабочая частота тиристорных СПК составляет 100 Гц для сетей РФ [164]. Поэтому при анализе работы тиристорных СПК индуктивность на грузки учитываться не будет.
В предложенных функциональных схемах ППН (рис. 3.2-3.5) предполагается совместная работа управляемых выпрямителя и инвертора на технологическую нагрузку ППН. Причем частота чередования выходных импульсов тока (напряжения) выпрямителя и инвертора должна быть не менее частоты сетевого напряжения питания. Такое формирование импульсов при естественной коммутации тиристорных СПК возможно только при использовании нулевых выпрямителей и инверторов с выделением в течение периода сетевого напряжения интервалов для их раздельного функционирования (раздел 1.3).
Если нагрузка преобразователя содержит ЭДС, то управление тиристор-ными СПК эффективно осуществлять от СИФУ, синхронизированной разностью напряжения ип на входе плеча выпрямителя (и/или инвертора) и ЭДС нагрузки Ен (рис. 3.6), а не напряжением на входе плеча преобразования как в обычных СИФУ. Это приводит к непрерывности по напряжению управления процесса регулирования СПК, то есть к отсутствию областей изменения напряжения управления не приводящих к изменению параметров тока на выходе преобразователя. Кроме того, при таком решении синхронизации СИФУ интервалы времени возможной проводимости СПК выпрямителя AtB и аналогичные интервалы СПК инвертора At„ полностью перекрывают период напряжения на входе плеча преобразователя Тс, и, следовательно, минимизированы бестоковые паузы между импульсами прямого и обратного токов.
Энергетические цепи одно -трех фазного управляемого нулевого выпрямителя с непосредственной передачей энергии представлены эквивалентной схемой (рис. 3.7 а). Питание цепей осуществляется от одного - трех источников синусоидального напряжения Ua, Ц, и \]ъ, мгновен ные значения которых: где Q = co - угол, рад; со - угловая частота питающего напряжения, рад/с; А рп сдвиг фаз между соответствующими мгновенными значениями питающих
Тиристорно-транзисторные преобразователи реверсивного напряжения
Тиристорно-транзисторные преобразователи характеризуются сравнительно небольшой выходной мощностью (до 10 кВт). Данные преобразователи применяются при ЗРА и в электротехнологиях ГОМ. Характерной особенностью этих преобразователей является простота и высокая надежность систем управления СПК. На рис. 4.18 представлена функциональная схема энергетических цепей тиристорно-транзисторного реверсивного ППН с питанием от однофазной (рис. 4.19 а) или трехфазной (рис. 4.19 б) сети. Импульсы прямого тока формируются двухфазным нулевым тиристорным выпрямителем (VS1, VS2), а обратного тока - однофазным транзисторным инвертором (VT1). Диод VD1 служит для защиты VT1 от инверсного режима работы.
Для упрощения информационных цепей ППН управление тиристорами выпрямителя осуществляется от одноканальной СИФУ А1 (рис. 4.18). Синхронизация этой системы осуществляется логической суммой (элемент D1) положительных полуволн напряжений на входах плечей выпрямителя. Что приводит к общему интервалу управления тиристорами выпрямителя (рис. 4.19).
Управление транзистором инвертора осуществляется от одноканальной СИШУ А2 (рис. 4.18). Управляющие импульсы в этой системе формируются в начале отрицательных полуволн напряжения питания (за счет элемента D2) на плече выпрямителя, к которому не подключен инвертор. Появление на выходе СИШУ управляющего напряжения запрещено при нахождении управляющего напряжения на выходе СИФУ (элемент D2). Указанные особенности функционирования СИШУ предотвращают возможность "прорыва" плечей преобразователя из-за одновременной проводимости VS2 и VT1.
При однофазном питании энергетических цепей тиристорно-транзисторного ППН наибольший средний прямой ток на его выходе определяется выражением (4.44). Если же ЭДС нагрузки равна нулю, то это выражение принимает вид:
Среднее значение тока 1обр на выходе инвертора при однофазном питании ППН составляет (рис. 4.19 а): где Р=0уті - угол проводимости транзистора инвертора (рис. 4.19 а), рад; Um -амплитуда напряжения питания энергетических цепей ППН, В.
Угол проводимости транзистора инвертора ограничен углом управления тиристора выпрямителя: Максимальное значение обратного среднего тока при р = а = тс:
При трехфазном питании энергетических цепей тиристорно-транзисторного ППН наибольший средний прямой ток на его выходе определяется выражением (4.44) в электротехнологиях ЗРА или выражением (4.56) в электротехнологиях ГОМ.
Из-за особенностей построения системы управления СПК (рис. 4.18) при трехфазном питании энергетических цепей ППН максимальный угол проводимости А0И транзистора его инвертора ограничен п/6 (рис. 4.19 б). Среднее значение обратного тока в интервале изменения (3 от 0 до тс/6: Наибольшее среднее значение обратного тока при трехфазном питании ППН:
На базе тиристорно-транзисторного ППН разработан ТИП предназначенный для заряда реверсивным током и разряда постоянным током стартерных СК АБ емкостью 8-400 А-ч и напряжением 12-24 В, и проведения ГОМ стальных деталей методом местного железнения. ТИП обеспечивает на своем выходе прямой ток до 40 А и обратный - до 10 А. Частота чередования импульсов пря мого и обратного токов совпадает с частотой напряжения в питающей сети.
