ГЕНЕРАТОР УНИПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2003 года по МПК B23H1/02 B23H3/02 

Изобретение относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки, в частности к источникам питания для электрохимической обработки.

Известен источник питания для размерной электрохимической обработки импульсным током, выполненный в виде последовательно соединенных силового источника тока, тиристорного ключа и межэлектродного промежутка с параллельно включенным тиристору и промежутку формирователем импульсов в виде емкостно-индуктивной цепи, в котором формирователь импульсов содержит, по крайней мере, две параллельные емкостно-индуктивные цепи с разными частотными характеристиками [1].

Недостатки известного источника питания:
1. Ограниченные возможности по длительности импульса и мощности, так как мощность импульса определяется энергией, запасенной на конденсаторах.

2. Исключена возможность задания формы импульса напряжения, согласованной с изменением межэлектродного промежутка.

Известен также генератор униполярных импульсов для электрохимической обработки вибрирующим электродом, формируемых преимущественно на подводе электрода-инструмента, состоящий из понижающего трансформатора, подключенного через тиристор к межэлектродному промежутку [2].

К недостаткам известного генератора относится то, что естественный спад синусоиды технологического напряжения образует пологий задний фронт импульса. И, при снижении напряжения в межэлектродном промежутке, потенциал поляризации анода смещается в область пассивации, что приводит к интенсивному наращиванию пассивирующей пленки на обрабатываемой поверхности, которую необходимо растворять с началом следующего импульса. В результате источник загружается дополнительным током, который не производит растворения, что ограничивает площадь обработки, снижает производительность процесса, выход по току, ухудшает качество обработанной поверхности. При этом растворение на минимальных зазорах не производится, а идут процессы пассивации обрабатываемой поверхности, что приводит к потере точности обработки.

Кроме того, известны генераторы униполярных импульсов [3], состоящие из источника постоянного напряжения, выход которого через силовой тиристор соединен с нагрузкой. При этом силовой тиристор связан с коммутационным узлом, обеспечивающим его принудительное закрытие. Источник постоянного напряжения, как правило, состоит из трехфазного трансформатора, выход которого через трехфазный мостовой выпрямитель соединен с конденсаторным фильтром.

Недостатки известных генераторов:
1. Данные генераторы позволяют формировать импульсы напряжения, близкие по форме к прямоугольной, что не позволяет согласовывать форму импульсов технологического напряжения с изменением межэлектродного промежутка, например, при обработке вибрирующим электродом.

2. Значительные активные потери в генераторах, сопоставимые с энергией, выделяющейся в межэлектродном промежутке, так как силовой ток, прежде чем попасть в межэлектродный промежуток, проходит при данной конфигурации генератора минимум через три полупроводниковых элемента. При этом внутреннее сопротивление генератора, учитывая прямое падение напряжения на полупроводниковых элементах, шинах и соединениях, сравнимо или даже превышает активное сопротивление межэлектродного промежутка.

3. Значительная реактивная составляющая генераторов, что приводит к ограничениям в формировании силовых импульсов тока с крутыми фронтами. При этом активные потери в генераторе вызывают необходимость увеличения витков вторичной обмотки трансформатора, что ведет к увеличению реактивной составляющей источника.

4. В случае срыва генерации на межэлектродный промежуток подается постоянное напряжение, что может привести к недопустимым перегрузкам источника и вызвать короткие замыкания в межэлектродном промежутке с повреждениями электрода-инструмента и формообразующей.

5. Различным вариантам схем данных генераторов присущи определенные недостатки: загрузка силовых цепей коммутационным током, недостаточно устойчивая работа в режимах холостого хода и при резком увеличении нагрузки, ограниченная коммутационная способность.

К классу тиристорных генераторов с принудительной коммутацией относится известный генератор униполярных импульсов [4, 5], состоящий из рабочего генератора и генератора отсекающих импульсов. При этом в рабочем генераторе зарядное устройство, состоящее из трехфазного понижающего трансформатора и выпрямителя с фильтрующей емкостью, соединено через зарядный тиристор с нагрузочной емкостью, которая через силовой тиристор подключена к межэлектродному промежутку. А в генераторе отсекающих импульсов зарядное устройство, состоящее из трехфазного понижающего трансформатора и выпрямителя с фильтрующей емкостью, соединено через зарядный тиристор с коммутационной емкостью, которая через коммутационный тиристор подключена к силовому тиристору рабочего генератора. Введение в генератор нагрузочной емкости позволяет уменьшить реактивную составляющую источника.

Недостатки известного генератора униполярных импульсов:
1. Данный генератор предназначен для формирования импульсов технологического напряжения формы, приближенной к прямоугольной, что не позволяет согласовывать форму импульса технологического напряжения с изменением межэлектродного промежутка.

2. Значительные активные потери в генераторе, поскольку при данной конфигурации источника силовой ток проходит через четыре полупроводниковых элемента.

3. Ограничения по мощности, так как мощность, передаваемая в межэлектродный зазор, определяется энергией, запасенной на конденсаторах.

В экспериментах [5] удалось достичь амплитудного значения тока 800 А при амплитуде напряжения 30 В. В реальных условиях обработки при переходе на малые межэлектродные зазоры требуемое амплитудное значение напряжения часто составляет 8-10 В. Энергия, запасенная в конденсаторах, в этом режиме уменьшается на порядок, а соответственно и амплитудное значение тока, исходя из условия, что энергия, запасенная в конденсаторах, определяется по формуле

Наиболее близким к заявляемому генератору униполярных импульсов по технической сущности является генератор униполярных импульсов для электрохимической обработки вибрирующим электродом, состоящий из рабочего генератора и генератора отсекающих импульсов [6]. При этом в рабочем генераторе выход понижающего однофазного трансформатора через управляемый выпрямитель и силовой тиристор соединен с межэлектродным промежутком, шунтированным диодом в обратном направлении. А в генераторе отсекающих импульсов зарядное устройство с фильтрующей емкостью через перезарядный тиристор соединено с коммутационным конденсатором, который через коммутационный тиристор соединен с силовым тиристором рабочего генератора, шунтированным диодом в обратном направлении. Генератор позволяет формировать импульсы технологического напряжения с крутыми фронтами заданной формы, представляющей собой часть синусоиды, усеченной по переднему и заднему фронтам, что дает возможность согласования формы импульса с изменением межэлектродного промежутка.

К недостаткам известного генератора относятся:
1. Значительные активные потери в генераторе, так как силовой ток от трансформатора до межэлектродного промежутка проходит через три полупроводниковых элемента, что с учетом прямого падения напряжения на полупроводниковых элементах, в шинах и контактных соединениях приводит к потерям мощности, сравнимым с мощностью, выделяемой в межэлектродном промежутке.

2. Значительная реактивная составляющая генератора из-за длинных цепей прохождения тока от вторичной обмотки трансформатора в межэлектродный промежуток и из-за необходимости увеличения числа витков вторичной обмотки трансформатора в связи с активными потерями в генераторе. С увеличением нагрузки это приводит к отставанию нарастания тока в импульсе по отношению к напряжению.

3. Относительная сложность, многокомпонентность схемы, соответственно, высокая стоимость источника.

4. Шунтирование силового тиристора диодом, включенным в обратном направлении, позволяет обеспечить независимость коммутационных процессов от нагрузки, но при этом ухудшаются условия восстановления запирающих свойств силового тиристора, так как восстановление осуществляется при малом обратном напряжении, что приводит к увеличению в 1,5-3 раза времени восстановления и ограничению коммутационной способности [3].

Электрохимическая размерная обработка в условиях, когда межэлектродный промежуток изменяется во время действия импульса технологического напряжения, например обработка вибрирующим электродом с импульсами, синхронизированными с колебаниями электрода и формируемыми при подводе или отводе электрода-инструмента, выдвигает ряд требований к форме импульса:
1. Для поддержания плотности тока в импульсе форма импульса должна быть согласована с изменением межэлектродного промежутка [7].

2. Для повышения точности обработки передний и задний фронты импульса должны быть крутыми [8].

Данным требованиям удовлетворяют генераторы, формирующие импульсы из пониженного сетевого напряжения в виде усеченной по переднему и заднему фронту части синусоиды.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения мощности, кпд, снижения стоимости генератора униполярных импульсов с обеспечением устойчивой работы в широком диапазоне изменений площади обработки.

Для достижения этого технического результата в генераторе униполярных импульсов, содержащем однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сетевому напряжению, вторичная силовая обмотка через силовой тиристор непосредственно связана с межэлектродным промежутком, шунтированным диодом в обратном направлении, включенную параллельно силовому тиристору через коммутирующий тиристор LC-цепь, состоящую из последовательно соединенных конденсатора и индуктивности, и подключенный к LC-цепи перезарядный тиристор, дополнительно введен шунтирующий тиристор, однофазный трансформатор имеет включенные встречно-последовательно и образующие цепь, две равные перезарядную и коммутационную обмотки, при этом перезарядная обмотка трансформатора подключена параллельно LC-цепи через перезарядный тиристор, а цепь из перезарядной и коммутационной обмоток подключена параллельно LC-цепи через шунтирующий тиристор.

Повышение технико-экономических показателей генератора униполярных импульсов достигнуто за счет уменьшения полного внутреннего сопротивления генератора, сокращения цепей прохождения силового тока к нагрузке. Вторичная силовая обмотка однофазного трансформатора подключена к межэлектродному промежутку непосредственно через силовой тиристор. Для обеспечения устойчивого протекания коммутационных процессов, в отличие от указанного выше, наиболее близкого к нему генератора, в предлагаемом генераторе униполярных импульсов введен шунтирующий тиристор, однофазный трансформатор содержит две равные, включенные встречно-последовательно и образующие цепь, перезарядную и коммутационную обмотки. При этом параллельно LC-цепи подключена перезарядная обмотка через перезарядный тиристор, что обеспечивает надежное включение генератора в работу и поддержание баланса энергии в контуре при протекании коммутационных процессов. А подключение параллельно LC-цепи параллельно двух равных, включенных встречно-последовательно, перезарядной и коммутационной обмоток однофазного трансформатора через шунтирующий тиристор обеспечивает независимость работы генератора от величины обрабатываемой площади.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого генератора униполярных импульсов, а на фиг.2 - временные диаграммы формирования импульсов технологического напряжения:
а) синхронизированных и согласованных с колебаниями электрода-инструмента;
б) на подводе электрода-инструмента;
в) на отводе электрода-инструмента.

Генератор состоит из однофазного трансформатора 1, первичная обмотка 2 которого подключена к сетевому напряжению, вторичная силовая обмотка 3 через силовой тиристор 4 связана с межэлектродным промежутком 5, шунтированным диодом 6 в обратном направлении. При этом параллельно силовому тиристору 4 через коммутирующий тиристор 7 подключена LC-цепь из последовательно соединенных конденсатора 8 и индуктивности 9. А параллельно LC-цепи подключены перезарядная обмотка 10 трансформатора 1 через перезарядный тиристор 11 и цепь из двух равных, включенных встречно-последовательно, перезарядной 10 и коммутационной 12 обмоток трансформатора 1 через шунтирующий тиристор 13.

В исходном состоянии управление на тиристоры не поступает, тиристоры закрыты, напряжение в межэлектродном промежутке отсутствует.

Генератор работает следующим образом. При отпирании перезарядного тиристора 11 происходит подготовительный заряд конденсатора 8 от перезарядной обмотки 10. Наличие переменного напряжения на перезарядной обмотке 10, в зависимости от угла открытия перезарядного тиристора 11, позволяет изменять начальное напряжение на конденсаторе 8, исходя из начальной площади обработки и загрузки генератора током, обеспечивая устойчивое включение генератора в работу, а в дальнейшем поддерживая баланс энергии при протекании коммутационных процессов. При отпирании силового тиристора 4 напряжение вторичной силовой обмотки 3 прикладывается к межэлектродному промежутку 5. По окончании формирования рабочего импульса отпирают коммутирующий тиристор 7 и шунтирующий тиристор 13, обеспечивая принудительное закрытие силового тиристора 4. Наличие дополнительного контура конденсатор 8 - шунтирующий тиристор 13 - коммутационная обмотка 12 - перезарядная обмотка 10 - индуктивность 9 - конденсатор 8 обеспечивает независимость коммутационных процессов от нагрузки, что дает устойчивую работу генератора при малых токах и последующем набросе нагрузки. Встречное включение равных перезарядной 10 и коммутационной 12 обмоток позволяет взаимно компенсировать ЭДС данных обмоток, в тоже время ограничить ток в контуре. В результате конденсатор 8 оказывается заряженным в противоположной от требуемой полярности. При отпирании перезарядного тиристора 11 производят подготовительный перезаряд конденсатора 8. А при отпирании силового тиристора 4 в межэлектродном промежутке 5 формируется следующий рабочий импульс и т. д.

Генератор испытан при обработке формообразующих с площадью до 100 см², при этом было достигнуто амплитудное значение тока 7000 А с формированием на выходе импульсов напряжения с крутыми передним и задним фронтами, согласованных по форме с изменением межэлектродного промежутка.

Сокращение цепей прохождения силового тока позволило повысить мощность генератора в два раза, увеличить кпд на 70%. Организация дополнительных цепей через коммутационную и перезарядную обмотки трансформатора дает возможность получать устойчивую работу генератора при малых токах и резком увеличении нагрузки. Такое схемное решение позволяет сократить стоимость генератора вдвое за счет сокращения количества элементов. Уменьшение реактивной составляющей силовой цепи позволило снизить влияние величины нагрузки на крутизну фронтов импульса.

ЛИТЕРАТУРА
1. Дегтяренко А.Г., Макаренко Г.Д. и Грицевич П.М. Источник питания для размерной электрохимической обработки импульсным током. Авт. св. СССР 801999, М. Кл³. В 23 Р 1/02.

2. Морозов Б. И. Разработка и исследование способа электрохимической обработки металлов вибрирующим катодом. Автореферат канд. дисс. Тула. 1975 г.

3. Забродин Ю.С. Узлы принудительной конденсаторной коммутации тиристоров. М. Энергия. 1974 г., с.5-30, с.37.

4. Кириенко Г.П., Рыбалко А.В. Особенности построения частотных генераторов сильноточных импульсов для размерной электрохимической обработки./ Современные проблемы электрохимического формообразования. Кишинев. Штиинца. 1978 г.

5. Рыбалко А. В. , Зайдман Г.Н. Импульсная электрохимическая обработка металлов. / Электродные процессы и технология электрохимического формообразования. Кишинев. Штиинца. 1987 г.

6. Полуавтомат электрохимический копировально-прошивочный ЭС 4000. ТУ 1.94.0866-90 - прототип.

7. Артамонов Б. А. , Вишницкий А. Л. , Глазков А.В. Способ размерной электрохимической обработки металлов. Авт. св. СССР 574299, Кл² В 24 Р 1/04.

8. Рыбалко А. В., Галанин С.И. Амплитудно-временные характеристики нарастания и спада поляризации анода в условиях импульсной ЭХО./ Электронная обработка материалов. 4 1990 г.

Изобретение относится к электрофизикохимическим методам обработки, в частности к источникам питания для электрохимической обработки. Генератор состоит из однофазного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к сетевому напряжению, вторичная силовая обмотка через силовой тиристор связана с межэлектродным промежутком, шунтированным диодом в обратном направлении. Параллельно силовому тиристору через коммутирующий тиристор подключена LC-цепь из последовательно соединенных конденсатора и индуктивности. Параллельно LC-цепи подключены перезарядная обмотка трансформатора через перезарядный тиристор и цепь из двух равных, включенных встречно-последовательно, перезарядной и коммутационной обмоток трансформатора через шунтирующий тиристор. Такая схема генератора обеспечивает устойчивую работу в широком диапазоне изменения площади обработки с формированием на выходе импульсов напряжения с крутыми передним и задним фронтами, согласованных по форме с изменением межэлектродного промежутка, повышение мощности, кпд и снижение стоимости генератора. 2 ил.

Генератор униполярных импульсов для электрохимической обработки, содержащий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сетевому напряжению, вторичная силовая обмотка через силовой тиристор связана с межэлектродным промежутком, шунтированным диодом в обратном направлении, включенную параллельно силовому тиристору через коммутирующий тиристор LC-цепь, состоящую из последовательно соединенных конденсатора и индуктивности и подключенный к LC-цепи перезарядный тиристор, отличающийся тем, что в него введен шунтирующий тиристор, однофазный трансформатор имеет включенные встречно-последовательно и образующие цепь две равные перезарядную и коммутационную обмотки, при этом перезарядная обмотка трансформатора подключена параллельно LC-цепи через перезарядный тиристор, а цепь из перезарядной и коммутационной обмоток подключена параллельно LC-цепи через шунтирующий тиристор.