Навігація
Посилання


Збірник наукових праць

44. О. Ф. Сіса Засоби формування біполярного струму для обробки дугою твердосплавних валків


О. Ф. Сіса, викл. Кіровоградський національний технічний університет Засоби формування біполярного струму для обробки дугою твердосплавних валків

Розроблено електронну та електромеханічну системи ефективного формування біполярного струму для обробки дугою твердосплавних валків.

електрична дуга, біполярний струм, інвертор, контактний перетворювач, осцилограма біполярної напруги

В умовах біполярної розмірної обробки дугою (РОД) торцевих поверхонь твердосплавних прокатних валків два однакових за формою та розмірами валка закріплюються на електроерозійному верстаті: нижній нерухомо відносно стола, а верхній нерухомо відносно рухомого шпинделя з можливістю осьової подачі. Електрична дуга збуджується в торцевому міжелектродному зазорі між валками в потужному потоці робочої рідини. Відомо, що при постійному електричному струмі продуктивність обробки катода і анода з будь-якого матеріалу не однакові. Тому, для забезпечення знімання однакового за об’ємом припуску з кожного валку доцільно полярність обробки періодично змінювати [1].

Мета роботи: розробка засобів формування біполярного струму для обробки дугою твердосплавних валків.

В результаті експериментальних досліджень процесу біполярної РОД виявлено, що реальний діапазон зміни частоти полярності лежить у межах від 0,01 до 50 Гц та залежить від площі обробки: чим більша площа обробки, тим менша частота. Реальна площа процесу біполярної РОД змінюється в діапазоні від декілька мм2 до декілька тисяч мм2. Для керування частотою зміни полярності в даному достатньо широкому діапазоні доцільно поділити цей діапазон на два з використанням в кожному з них оптимальної системи зміни полярності обробки. Так в діапазоні частот від 1 до 50 Гц пропонується використовувати електронну систему зміни полярності обробки, а в діапазоні частот від 0,01 до 3 Гц – електромеханічну.

Електронна система зміни полярності обробки включала в себе розробку, виготовлення та випробування інвертора для перетворення постійного струму в змінний прямокутної форми. Кожен із двох валків, що обробляються, по черзі бувають катодом та анодом. Таким чином, відбувається руйнування катодних та анодних плям, а також переорієнтація заряджених часток в стовпі дуги. Зміна полярності електродів викликає зміну направлення газових потоків в дузі. Струм в дузі, величина якого змінюється в кожному напівперіоді, обумовлює зміни радіальних розмірів стовпа, його температури, розмірів катодних та анодних плям на електродах, що є відмінною особливістю змінних дуг, порівняно з постійними.

Прямокутна форма струму напівперіоду, порівняно з синусоїдальною, дозволяє максимально можливо використати енергію струму для руйнування електродів. При цьому, з метою досягнення максимально можливої продуктивності, прагнуть організувати перехідний процес зміни полярності так, щоб його час tп був як можна менший (рис. 1). Саме тому, час періоду циклу Т біполярного режиму визначається формулою

де - час горіння дуги в кожному напівперіоді;

- час перехідного процесу в рамках відповідного напівперіоду; час захисної паузи, що необхідний для поновлення працездатності вихідних потужних транзисторів.

Таким чином, для створення ефективного способу біполярної РОД твердосплавних прокатн

их валків необхідно забезпечити керування формуванням напівперіодів хвиль при зміні частоти генератора імпульсів. Це можливе при застосуванні керування, заснованого на принципах широтно-імпульної модуляції (ШІМ). Ефективність роботи інвертора в значній мірі визначається динамічними комутаційними втратами на силових елементах при комутації технологічних струмів. Оптимальна форма сигналу керування забезпечує низькі значення комутаційних перенапруг. Такий підхід створює так звану «м’яку» комутацію за рахунок перерозподілу енергії між власною силовою частиною комутаційного елемента (транзисторного ключа) та формуючим елементом.

У синусоїдальних формах струму значно зростають статичні втрати в силових елементах, а при сигналі керування з прямими фронтами забезпечується найкраща динаміка перемикання силових елементів. Тому звичайно використовуються ІGBT-транзистори standard-класу у яких напруга насичення менша ніж у warp-speed IGBT-транзисторів, але необхідно враховувати захист від коротких замикань, так як для IGBT-транзисторів час коротких замикань дуже малий та складає проміжок tкз £ 10 мкс [44]. Використання транзисторів такого класу ефективне лише при частоті перемикань більше 20 кГц.

При використанні частот перемикань від 1 до 50 Гц найбільш ефективними є транзистори біполярної структури, так як у них максимальна температура кристалу, порівняно з IGBT-транзисторами, на 50° більше та досягає 200°С. Активний режим роботи транзистора в ключовому використанні має місце на фронтах перехідного процесу перемикань, та характеризується прямим зміщенням одного з переходів [3].

Для збільшення коефіцієнта передачі сили струму застосовано, так звану, складену структуру, яка має назву транзистора Дарлінгтона. В ньому коефіцієнт передачі струму дорівнюється добутку коефіцієнтів передачі струму двох транзисторів. Шунтування переходів емітера значно знижує їх інжекційні властивості, але одночасно підвищує робочу напругу в ланцюгах колектор-емітер та теплову стабільність в структурі. При цьому також підвищується динамічні характеристики вимикання транзистора за рахунок створення контуру течії від’ємних струмів бази.

З урахуванням вище зазначених вимог, для реалізації біполярної РОД розроблена принципова схема (рис. 2) та виготовлено інвертор (рис. 3) за схемою повного мосту широтно-імпульсної модуляції. Схема повного мосту, порівняно з напівмостовою, дозволяє підвищити потужність інвертора, при інших рівних умовах, у два рази.

У відповідності з принциповою схемою, інвертор живиться змінною напругою 220 В (50 Гц), яка через вимикач Q1 подається на двигуни повітряних вентиляторів M1…M4 силового каскаду та в блок живлення А1. Там напруга знижується і стабілізується для живлення драйверів керування силових транзисторів і драйвера формувача D1 захисної паузи. Прямокутний сигнал з частотою від 1 до 50 Гц подається з генератора частоти А2 на вхід 1, 2 драйвера формувача D1 та контролюється електролічильним частотоміром А3. Там він перетворюється на два керуючих прямокутних сигнали зі зміщенням в часі на півперіоду з сформованою захисною паузою, тривалістю дві мкс для забезпечення закінчення перехідних процесів потужних силових транзисторів під час їх перемикань. З виходів 12, 13 драйвера формувача D1 сигнали подаються на резистори R2, R6, де обмежується їх струм, а далі – на драйвери керування напівмостів. Один із сигналів закриває транзистор VT1 та відкриває транзистор VT9 і силові транзистори VT11 та VT12, які пропускають силову напругу через діод до баластного навантажувача R12, а далі – на клему Х3. Крім того, цей сигнал закриває транзистор VT4 та відкриває транзистор VT3 і силові транзистори VT17, VT18, які створюють від’ємну напругу на клемі Х4. Другий із сигналів працює аналогічно першому, але зі зміщенням на півперіоду. Таким чином створюється зміна полярності в часі із заданою частотою.

Лабораторні випробування інве-ртора показали наступні результати:

  • - інвертор, як додатковий пристрій до джерела живлення постійним технологічним струмом, забезпечує як жорстку, так і круто падаючу вольт-амперну характери-стику при прямокутній формі зміни струму;
  • - інвертор забезпечує діапазон регулювання частоти зміни полярності обробки у межах від 1 до 50 Гц;
  • - інвертор дозволяє ефективно керувати зміною полярності при одночасній обробки двох твердо-сплавних прокатних валків з різними припусками завдяки тому, що може працювати як в уніполярному, так і у біполярному режимах;
  • - використання інвертора підвищує експлуатаційні характери-стики верстата, усуває ручний та тривалий за часом спосіб зміни полярності процесу РОД, та дозволяє зручно керувати полярністю обробки електричним шляхом.

Електромеханічна система зміни полярності обробки передбачала розробку контактного перетворювача. При застосуванні режимів біполярної РОД на інфрачастотах, зокрема 0,01…3 Гц, необхідно, щоб контактний перетворювач забезпечував надійність роботи при довготривалій витримки силової напруги полярності. Таку можливість мають електромагнітні контактори, які дозволяють перемикати силовий струм з частотою менше 3 Гц. Крім того, вони забезпечують дистанційне керування (вмикання та розмикання силових контактів) за допомогою електромагнітної системи (сердечника, якоря, котушки).

Електромеханічна система керування зміни полярності обробки (рис. 4, 5) складається із електронної системи керування А1 (програмне реле ПР110), силових контакторів К1…К4, ключів керування VT1, VT2 та блока живлення напруги контакторів Tr1.

При роботі напруга живлення (U = 220 В) подається на трансформатор Tr1 та систему керування А1, а силова постійна напруга (Uдж = 50…80 В) подається на клеми Х2 та Х4. Із виходу трансформатора Tr1 знижена напруга подається на діодний міст VDS1, де випрямляється та фільтрується ємністю С1 і потрапляє на транзисторні ключі керування VT1, VT2 та котушки силових контакторів К1, К4. В залежності від необхідної частоти перемикань f. яка запрограмована у програмному реле А1, вмикається режим, і електронна системи керування А1 формує необхідний сигнал керування за амплітудою та частотою. Сигнал із системи керування А1 подається на резистори R1, R2, далі – на транзисторні ключі VT1, VT2. При відкриванні транзисторного ключа VT1 спрацьовують котушки керування контакторів К1 та К3, і силова напруга подається на електроди в прямому напрямку. При відкриванні транзисторного ключа VT2 спрацьовують котушки керування контакторів К2 та К4, і силова напруга перемикається на електроди у зворотному напрямку. При цьому котушки К1 та К3 розмикаються. Далі цикл повторюється.

Таким чином відбувається формування силової біполярної напруги для реалізації процесу РОД

Аналіз осцилограми біполярної напру-ги (рис. 6) дозволив виявити деякі фізичні особливості даного процесу:

  • - при перехідних процесах (див. рис. 6, зони 1, 4), що характеризуються зменшенням напруги на дузі до нуля, дуга не може існувати, а тому гасне. Однак, оскільки час паузи перехідного процесу дуже малий (tпз = 0,037 с), при подальшому зростанні напруги зворотної полярності електрична дуга може ініціюватися безконтактним способом, так як за інерцією (маса шпиндельної групи рухомих деталей складає більш ніж 100 кг) величина торцевого МЕЗ за цей час практично не змінюється. З фізичної точки зору дане явище можна пояснити двома факторами. По-перше, процес біполярної РОД відбувається при дуже малому торцевому зазорі (dт = 0,03 мм). По-друге, місце, де горіла дуга, за час паузи ще не встигло охолонути. Ці обидва фактори сприяють ініціюванню дуги безконтактним способом при подальшому поновленні напруги до Uр = 30 В. В той же час в роботі [2] показано, що ініціювання дуги на «холодному» місці в органічному середовищі відбувається виключно контактним способом та потребує значно більшої напруги до рівня Uхх;
  • - у випадку, коли величина торцевого МЕЗ різко збільшується, що пов’язано із якістю системи слідкування за торцевим МЕЗ, дуга гасне, а нова дуга деякий час не збуджується. В цей момент сила струму зменшується до нульового рівня, а напруга на збільшується до напруги холостого ходу Uхх (див. рис. 6, зона 2) и тим самим створюється умова для подальшого збудження дуги;
  • - у випадку короткого замикання (див. рис. 6, зона 3) сила струму зростає до Ікз, а напруга падає до нульового рівня. Місце контакту інтенсивно нагрівається і тому при розведенні електродів збуджується дуга. Слід відмітити, що ця ділянка осцилограми дозволяє визначити за методикою роботи [4, с. 14] сумарне значення катодного та анодного падіння напруги Uк+а, яке для даних умов складає 23 В. Отже на стовп дуги припадає лише 7 В. Останнє пояснює той факт, що процес здійснюється на малих торцевих зазорах.

Таким чином, розроблені засоби дозволяють ефективно формувати біполярний струм для обробки дугою твердосплавних валків.

Список літератури

1) Пат. 45498 Україна, МПК В23Н 1/00. Спосіб одночасної розмірної обробки електричною дугою плоских торцевих поверхонь двох деталей // Боков В. М., Сіса О. Ф.; заявник та патентоволодар Кіровоградський національний технічний університет. - № u200906150; заявл. 15.06.2009; опубл. 10.11.2009, Бюл. № 21.

2) Боков В. М. Фізичний процес електроерозії при розмірній обробці дугою / В. М. Боков // Вісник інженерної академії України. – 2002. - № 2. – С. 22- 29.

3) Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / Воронин П. А. – М.: Издательский дом «Додэка-ХХІ», 2005. – 384 с.

4) Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга / Лесков Г. И. – М.: Машиностроение, 1970. – 335 с.

О. Сиса

Средства формирования биполярного тока при обработке дугой твердосплавных валков

Разработана электронная и электромеханическая системы эффективного формирования биполярного тока для обработки дугой твёрдосплавных валков.

O. Sysa

Means of formation of bipolar current while treatment by arc of hard-alloyed rolls

Electronic and electromechanical systems of effective formation of bipolar current while treatment by arc of hard-alloyed rolls were developed.

Одержано 03.02.12

УДК 656.7.086 (45)


загрузка...