ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
POWER SUPPLY FOR ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF MATERIALS

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных источниках питания для электрохимической обработки.
Известен инверторный источник питания для электросварки (патент РФ №2367545, B23K 9/00, B23K 9/09, 20.09.2009), содержащий тактовый генератор, двухполярный источник питания, сварочный трансформатор, вторичными обмотками соединенный с входами выпрямителя, выход которого через сглаживающий дроссель подключен к сварочному электроду, содержащий также четыре электронных ключа и два накопительных конденсатора, тактовый генератор прямым выходом соединен с управляющими входами первого и четвертого электронных ключей, инверсным выходом подключен к управляющим входам второго и третьего электронных ключей, двухполярный источник питания плюсовым выводом соединен с входом первого электронного ключа, минусовым выводом подключен к входу второго электронного ключа, общим выводом соединен со вторыми выводами обоих накопительных конденсаторов и вторым выводом первичной обмотки сварочного трансформатора, имеющего общий вывод для соединения со свариваемой конструкцией, выход первого электронного ключа подключен к первому выводу первого накопительного конденсатора и входу третьего электронного ключа, выход второго электронного ключа соединен с первым выводом второго накопительного конденсатора и входом четвертого электронного ключа, выход которого подключен к выходу третьего электронного ключа и первому выводу первичной обмотки сварочного трансформатора.
Недостатком аналога являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием только для электросварки и недостаточная надежность источника питания.
Известен также бестрансформаторный источник питания для электросварки (патент РФ №2371297, B23K 9/00, 27.10.2009), содержащий блок питания, трехфазный кольцевой тактовый генератор, три компаратора, задатчик напряжения, защитный диод и сглаживающий дроссель, выходом подключенный к сварочному электроду, девять электронных ключей и шесть накопительных конденсаторов, блок питания первым выводом соединен с входами первого, четвертого и седьмого ключей, тактовый генератор первым выходом подключен к первому управляющему входу восьмого ключа и управляющим входам первого и шестого ключей, вторым выходом соединен с первым управляющим входом второго ключа и управляющими входами четвертого и девятого ключей, третьим выходом подключен к первому управляющему входу пятого ключа и управляющим входам третьего и седьмого ключей, задатчик напряжения первым выводом соединен со вторыми входами первого, второго и третьего компараторов, сглаживающий дроссель входом подключен к первому выводу защитного диода и выходам третьего, шестого и девятого ключей, выход первого ключа подключен к первому выводу первого конденсатора и входу второго ключа, выходом соединенного с первым выводом второго конденсатора, входом третьего ключа и первым входом первого компаратора, выход которого подключен ко второму управляющему входу второго ключа, выход четвертого ключа соединен с первым выводом третьего конденсатора и входом пятого ключа, выходом подключенного к первому выводу четвертого конденсатора, входу шестого ключа и первому входу второго компаратора, выход которого соединен со вторым управляющим входом пятого ключа, выход седьмого ключа подключен к первому выводу пятого конденсатора и входу восьмого ключа, выходом соединенного с первым выводом шестого конденсатора, входом девятого ключа и первым входом третьего компаратора, выход которого подключен ко второму управляющему входу восьмого ключа, при этом вторые выводы блока питания, накопительных конденсаторов, задатчика напряжения и защитного диода подключены к общей шине, соединенной со свариваемой конструкцией.
Недостатком аналога является ограниченные функциональные возможности, обусловленные использованием только для электросварки и недостаточная надежность источника питания.
Известен низковольтный сильноточный источник питания для станков электрохимической обработки металлов (патент РФ №2025031, Н02М 5/25, 1994.12.15), содержащий управляемый выпрямитель с основным блоком тиристоров и системой их управления, тиристорный ключ, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки, а анод соединен с первым выводом реактора, тиристорный короткозамыкатель и систему управления тиристорами ключа и короткозамыкателя, причем аноды тиристоров ключа и короткозамыкателя объединены и подключены к первому выводу выпрямителя, а катод тиристора короткозамыкателя соединен со вторым выводом реактора, вторым выводом выпрямителя и отрицательным выводом нагрузки.
Недостатком аналога являются ограниченные функциональные возможности и недостаточная надежность источника питания.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является источник питания, описанный в (ЕР 1714725, В23Н 3/02, 25.10.2006, заявка РФ на изобретение №2008145736, В23Н 3/02, 27.05.2010), выполненный в виде включенных параллельно генераторов тока, причем каждый генератор тока соединен с нагрузкой через переключатель тока, который замыкает источник тока, когда ток источника тока еще не вышел на заданный уровень или необходимо сделать паузу между импульсами, и переключает ток на нагрузку для формирования на нагрузке импульса заданной длительности, переключатель тока которого соединен с выходом источника тока, нормально замкнутый контакт соединен с общей точкой, а нормально разомкнутый контакт - с нагрузкой. Суммарная внутренняя индуктивность генератора и провода, соединяющего источник тока с переключателем тока, существенно больше, чем суммарная индуктивность нагрузки и проводов, соединяющих переключатель тока с нагрузкой.
Недостатком ближайшего аналога являются ограниченные функциональные возможности и недостаточная надежность источника питания, т.к. не учитываются емкостный характер нагрузки при электрохимической обработке и особенности современных транзисторов. Поскольку МОП (MOSFET) транзисторы всегда содержат встроенный встречно-параллельный диод, и после окончания импульса тока на нагрузке имеется напряжение поляризации, которое может вызвать неуправляемый обратный ток через встречно-параллельный диод второго транзистора и открытый первый транзистор, что отрицательно влияет на надежность источника питания.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение надежности источника питания за счет соединения нормально разомкнутого контакта переключателя тока с источником тока через диод, а также создание компактной и технологичной конструкции, за счет общей системы управления и общего ограничителя напряжения.
Поставленная задача решается тем, что в импульсном источнике питания для электрохимической обработки, выполненном в виде включенных параллельно генераторов тока, в котором каждый генератор тока соединен с нагрузкой через переключатель тока, с возможностью замыкания генератора тока во время, когда ток генератора еще не достиг заданного значения или необходимо сделать паузу между импульсами и переключением тока на нагрузку для формирования на нагрузке импульса заданной длительности, переключатель тока которого соединен с выходом генератора тока таким образом, что нормально замкнутый контакт соединен с общей точкой, при этом суммарная внутренняя индуктивность генератора тока и провода, соединяющего генератор тока с переключателем тока существенно больше, чем суммарная индуктивность нагрузки и проводов, соединяющих переключатель тока с нагрузкой, согласно изобретению нормально разомкнутый контакт переключателя тока соединен с источником тока через диод, при этом нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты переключателя тока выполнены на транзисторах, параллельно которым установлены ограничители напряжения.
Существо изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена схема соединения генераторов тока, переключателя тока и нагрузки, на фиг.2 изображена схема ограничителя напряжения по первому варианту, на фиг.3 изображена схема ограничителя напряжения по второму варианту.
Импульсный источник питания (фиг.1) выполнен в виде включенных параллельно генераторов тока 1 (на фиг.1 показано включение двух генераторов тока), подключенных к нагрузке 2 через переключатели тока 3. В качестве нормально замкнутого контакта применен транзистор 4, защищенный от пробоя ограничителем напряжения 5. В качестве нормально разомкнутого контакта применен транзистор 6, защищенный от пробоя ограничителем напряжения 7 и подключенный к источнику тока через диод 8. Индуктивность проводов, соединяющих источники тока с переключателями тока, 9 значительно больше индуктивности провода, соединяющего переключатели тока с нагрузкой 2, 10. Схема управления 11 управляет источниками тока и через драйверы 12 переключателями тока 3. Источников питания может быть несколько, но все они подключены по аналогичной схеме.
Схема ограничителя напряжения и соответственно источника питания может быть выполнена в различных вариантах, в зависимости от амплитуды требуемого фронта импульса и индуктивности проводов, соединяющих переключатель тока 3 с нагрузкой 2.
При расположении переключателя тока 3 близко к нагрузке 2 (фиг.2) и при отсутствии необходимости формировать импульсы с фронтами короче 3…5 uS ограничение напряжения можно задать на уровне 60…80 В и использовать МОП транзисторы. Ограничитель напряжения в первом варианте содержит стабилитрон 13 и диод 14, подключенные последовательно между стоком и затвором транзистора.
По второму варианту ограничитель напряжения (фиг.3) может содержать включенный параллельно транзистору через диод 15 конденсатор 16 и стабилизатор напряжения 17, включенный также параллельно транзистору.
Источник питания работает следующим образом. В момент включения источников тока 1 транзисторы 4 включены, а транзисторы 6 выключены (фиг.1). Ток идет от плюса источника тока 1 к минусу, минуя сопротивление нагрузки 2. Это состояние сохраняется до тех пор, пока ток источника тока 1 не установится на заданном уровне. Причем это время может быть значительным, так как источники тока 1 могут содержать большие индуктивности, и эта задержка учитывается в схеме управления 11, которая дает сигнал на включение источников тока с необходимым опережением.
Когда необходимо подать импульс на сопротивление нагрузки 2, транзисторы 4 выключаются, а транзисторы 6 включаются. Теперь путь прохождения тока от источников тока проходит через сопротивление нагрузки 2. Так как скорость переключения современных транзисторов очень высока, а ток в нагрузке не может включиться с такой скоростью из-за наличия индуктивности в цепи, на транзисторах 5 возникает бросок напряжения. Для предотвращения пробоя транзисторов в схему введены ограничители напряжения 5 и 7. Причем такой же бросок напряжения возникает и на выходе переключателя тока 3, что способствует скорейшему нарастанию тока в нагрузке 2.
Когда необходимо снять импульс с нагрузки 2, транзисторы 4 включаются, а транзисторы 6 выключаются. Теперь путь прохождения тока от источника тока проходит, опять минуя нагрузку 2. Индуктивность 10 в цепи нагрузки 2 создает бросок напряжения на транзисторах 6. Такой же бросок напряжения со знаком минус возникает и на выходе переключателя тока 3, что способствует скорейшему спаданию тока в нагрузке. Для получения группы импульсов можно, не отключая источника тока, повторять вышеописанные переключения необходимое число раз. После последнего переключения источник тока можно выключить.
Такое построение схемы дает возможность создать наиболее компактную и технологичную конструкцию. При большом количестве транзисторов все они делятся на две группы с соединенными эмиттерами (истоками) с общей системой управления и общим ограничением напряжения.
Ограничитель напряжения по первому варианту работает следующим образом. Энергия, запасенная индуктивностью 10 во время импульса, в конечном итоге выделяется в виде тепла на транзисторе и, в случае большого значения индуктивности 10 (большая длина проводов), снижает допустимый ток.
Ограничитель напряжения по второму варианту работает следующим образом. Конденсатор 16 заряжен до напряжения, на котором необходимо ограничить напряжение на транзисторе. При превышении напряжения на коллекторе транзистора напряжения на конденсаторе 16 на 0,7 В, ток начинает течь через диод 15, заряжая конденсатор 16. Емкость конденсатора выбирается достаточно большой, чтобы во время пика напряжения, напряжение на конденсаторе 16 изменилось незначительно. В паузе между импульсами стабилизатор напряжения 17 разряжает конденсатор 16 до заданной величины. Ограничитель напряжения по второму варианту может ограничивать напряжение на высоком уровне (вплоть до максимального напряжения транзистора) без увеличения нагрузки на транзистор. При этом энергия, запасенная индуктивностью 10 во время импульса, в конечном итоге выделяется в виде тепла в стабилизаторе напряжения 17 или рекуперируется. Такую схему можно применять для создания очень коротких фронтов импульсов или при значительных значениях индуктивности 10 (при больших расстояниях от переключателя тока 3 до нагрузки 2).
2
3
3
Заявляемый источник питания испытывался в лабораторных условиях на реальной нагрузке для рабочей площади электродов от 0,3 до 2 см (условия эксперимента сведены в таблицу). Испытания проводились в электролите ЕТуре 8% NaNO при плотности 1050 кг/см, при амплитуде вибраций 200 мкм и частоте вибраций 50 Гц.
Таблица
№
Название
Обозначение
Размерность
Значение
Примечание
1.
Длительность импульсов тока
t<sub>p</sub>
мкс
15-40
2.
Амплитуда импульсов
I<sub>p</sub>
A
400-1300
3.
Величина МЭЗ
s
мкм
15-20
Измерена после обработки
4.
Передний фронт
T<sub>ff</sub>
мкс
15
5.
Задний фронт
T<sub>fb</sub>
мкс
15
6.
Глубина обработки
h<sub>k</sub>
мкм
50-200
a
a
2
2
2
Минимально достижимая шероховатость на образце из Stavas составила R 0,01…0,03 мкм при плотности тока j=1400 А/см и площади обработки А=0,6 см. На образцах с площадью 2 см удалось получить шероховатость R 0,03…0.05 мкм, за счет повышения плотности тока, достигаемой заявляемым источником питания. Источник питания для электрохимической обработки материалов испытывался в течение трех месяцев. Отказов и неисправностей в работе не обнаружено.
Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности и повысить надежность источника питания за счет соединения нормально разомкнутого контакта переключателя тока с источником тока через диод, а также создать компактную и технологичную конструкцию, за счет общей системы управления и общего ограничителя напряжения.