УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ВАНН
ELECTROPLATING BATH POWER SUPPLY DEVICE

Изобретение относится к оборудованию для гальванотехники и используется для стабилизации тока источника питания гальванических ванн при нанесении покрытий путем осаждения металлов и сплавов с высокой точностью по толщине слоя.
Известно устройство для питания гальванических ванн, предназначенное для преобразования тока промышленной частоты в постоянный с возможностью его регулирования по заданным параметрам (Авторское свидетельство № 1693132, С25D 21/12, 1991 г.). Однако известное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, низкие безопасность, надежность и удобство в работе.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для питания гальванических ванн, используемое при микро дуговом оксидировании вентильных металлов и их сплавов, а также при нанесении покрытий путем осаждения металлов и сплавов (Патент РФ № 2135647, С25D 21/12, 1999 г.). Устройство содержит силовой агрегат, включающий блоки и пульты управления, тиристорные блоки и блок автоматического регулирования.
Известное устройство не позволяет осуществлять автоматический контроль и регулирование параметров гальванического процесса, что не обеспечивает повторяемость результатов гальванического процесса, стабильность и удобство в работе.
Техническая задача заключается в повышении стабильности работы устройства, а также в обеспечении повторяемости результата гальванического процесса за счет осуществления цифрового автоматического контроля и регулирования параметров этого процесса.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство для питания гальванических ванн, содержащее силовой агрегат, включающий блоки и пульты управления, тиристорные блоки и блок автоматического регулирования, дополнительно снабжено электронным модулем сопряжения и двумя типовыми температурными микроконтроллерами анодного и катодного циклов. Электронный модуль сопряжения включает два логических устройства, связанных через транзисторные ключи и аналоговые стробируемые интеграторы с памятью с соответствующими температурными микроконтроллерами и аналоговыми коммутаторами, выходы которых через сумматор соединены с входом блока автоматического регулирования силового агрегата, при этом три выхода блока автоматического регулирования связаны с тремя входами обоих логических устройств, а четвертый выход - с входами двух аналоговых стробируемых интеграторов с памятью модуля сопряжения. Блок автоматического регулирования выполнен с возможностью передачи управляющих сигналов синхронизации анодно-катодных циклов на электронный модуль сопряжения и микроконтроллеры, которые выполнены с возможностью задания величин анодного и катодного токов и приема сигналов с управляющего компьютера.
Снабжение заявляемого устройства электронным модулем сопряжения и двумя типовыми температурными контроллерами анодного и катодного циклов позволяет обеспечить стабильность работу устройства и повторяемость результата гальванического процесса путем цифрового управления реализованного на микроконтроллерах с помощью внешнего контура пропорционального интегрального дифференциального регулирования.
Заявляемая совокупность признаков обеспечивает поддержание тока гальванического процесса с точностью ±1 ампер в широком диапазоне регулирования, а также контроль изменения величины тока по заданной программе.
Кроме того, заявляемое устройство позволяет с минимальными затратами модернизировать многочисленный парк эксплуатируемых в настоящее время выпрямительных агрегатов гальванического оборудования, например, силовых блоков тиристорных выпрямительных реверсивных агрегатов ТВР - 1600/12, имеющих контрольно-измерительные приборы тока и напряжения аналогового типа, которые не позволяют контролировать гальванический процесс с высокой точностью.
Заявляемое устройство схематично представлено на фиг.1. Электрическая схема блока автоматического регулирования на фиг.1 показана на фиг.2.
Устройство для питания гальванических ванн содержит силовой агрегат 1, состоящий из блока коммутации 2, блока стабилизированного питания 3, пульта управления 4,понижающего трансформатора 5, блока управления 6, блока автоматического регулирования 7, блока принудительной коммутации тиристоров 8, катодного 9 и анодного 10 блоков тиристоров и токоизмерительного шунта 11. К силовому блоку 1 подсоединены гальваническая ванна 12, пульт 13 дистанционного управления процессом и электронный модуль сопряжения 14.
Электронный модуль сопряжения 14 включает два логических устройства 15 и 16, транзисторные ключи 17, 18, 19 и 20, аналоговые стробируемые интеграторы 21 и 22 с памятью, сумматор 23, аналоговые коммутаторы 24 и 25.
К электронному модулю сопряжения 14 подключены температурные микроконтроллеры анодного 26 и катодного 27 циклов. Блок автоматического регулирования 7 выполнен с возможностью передачи управляющих сигналов синхронизации анодного-катодного циклов на электронный модуль сопряжения 14 и микроконтроллеры анодного 26 и катодного 27 циклов.
Каждый микроконтроллер 26 и 27 имеет по два четырехразрядных дисплея (не показаны), отображающие текущую и заданную величины тока питания гальванической ванны 12. Микроконтроллеры 26 и 27 через коммуникационный порт (RS 485) связаны с управляющим компьютером 28.
Микроконтроллеры 26 и 27 выполнены с возможностью задания величин анодного и катодного токов и приема сигналов с управляющего компьютера 28 и запрограммированы на режим пропорционального интегрального дифференциального регулирования с большими величинами коэффициентов пропорциональной составляющей, что необходимо для обеспечения высокой точности поддержания тока.
Три выхода блока автоматического регулирования 7 связаны с тремя входами логических устройств 15 и 16, а четвертый выход - с входами аналоговых стробируемых интеграторов 21 и 22, выходы которых в свою очередь через микроконтроллеры 26 и 27 и аналоговые коммутаторы 24 и 25 связаны с двумя входами сумматора 23, выход которого соединен с одним из входов блока 7.
А
К
ЗАПР
С трех выходов блока 7 на три входа логических устройств 15 и 16 поступает сигналы I, I и I, вырабатываемые в блоке управления 6 схемой задания длительности циклов и схемой реверса.
o.c.
EС
С четвертого выхода блока автоматического регулирования 7 на входы аналоговых стробируемых интеграторов 21 и 22 поступают сигналы I, который получается в результате усиления напряжения с шунта 11 и подается на вход регулятора тока РТ в блоке автоматического регулирования 7, а также подается на входы аналоговых стробируемых интеграторов 21 и 22 модуля сопряжения 14. На другой вход регулятора тока РТ блока автоматического регулирования 7 подается сигнал задания тока I
сумматора 23 модуля сопряжения 14.
А
ЗАПР
До модернизации сигнал задания тока формировался в пульте управления 4 или 13 потенциометром, подключенным к входу РТ блока 7 с помощью блока управления 6 в зависимости от текущего цикла - анодного или катодного. Регулятор тока РТ блока 7 вырабатывает сигнал управления, подаваемый на систему импульсно-фазового управления (СИФУ), синхронизируемую с сетью ≈380 В блоком питания 3. Шесть выходов формирователей импульсов СИФУ блока 7 подаются на шесть двухобмоточных импульсных трансформатора блока коммутации 8. Импульсные трансформаторы блока коммутации 8 делятся на две группы и управляют блоками тиристоров 9, 10, соответственно. Выбор группы импульсных трансформаторов осуществляется ключами К1, К2 блока автоматического регулирования 7 путем коммутации общей точки двухобмоточных импульсных трансформаторов к цепи питания блока 6. Так, для анодного цикла сигнал I (низкий логический уровень) приводит к срабатыванию ключа К1, при этом включается группа тиристоров 10, что соответствует анодной полярности электрохимического процесса (изделия). Низкий логический уровень сигнала I, формируемого схемой реверса блока 6, поступает на вход ключа К3 блока 7, включает К3 и закорачивает РТ блока 7, что приводит к уменьшению напряжения управления до нуля, подаваемого на вход СИФУ блока 7 и на углы управления вплоть до снятия импульсов, т.е. закрытия тиристоров. Тем самым обеспечивается временная пауза при реверсе-переходе от анодного цикла к катодному, и наоборот.
Е
На один из входов блока 7 поступает сигнал I. т.е. необходимыми и достаточными сигналами для подключения модуля сопряжения 14 и управляющих микроконтроллеров 26, 27 являются::
А
I - сигнал при анодном цикле, (низкий логический уровень);
К
I - сигнал при катодном цикле, (низкий логический уровень);
ЗАПР
I - сигнал запрета работы анодного и катодного циклов, (низкий логический уровень);
o.c.
I - сигнал обратной связи, пропорциональный величине выпрямленного тока силового блока 1, (положительная величина от 0 до 5 В);
Е
I - сигнал задания тока, подаваемого на вход блока 7 силового блока 1, (отрицательная величина от 0-10 В).
Функциональное назначение логических устройств 15, 16 -устранение запрещенных комбинаций сигналов, а именно:
А
К
- присутствие одновременно низкого логического уровня сигналов I анодного и I катодного цикла;
А
К
ЗАПР
- присутствие одновременно на входе логических устройств 15, 16 сигналов низкого логического уровня I анодного и I катодного цикла, а также сигнала I, приоритет имеет сигнал запрета.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Кнопкой «Пуск» пульта 4 управления или пульта 13 дистанционного управления на силовом агрегате 1 включают подачу силового питания на понижающий трансформатор 5.
Блок коммутации 2 включает напряжение сети 380 В и подает это напряжение на понижающий трансформатор 5, блок стабилизированного питания 3 и микроконтроллеры 26 и 27, которые автоматически выполняют внутреннее тестирование и выдают сигнал о готовности к работе. По технологической программе с управляющего компьютера 28 или непосредственно с клавиатуры микроконтроллеров 26 и 27 задают величины соответственно анодного и катодного токов. Далее микроконтроллеры 26 и 27 автоматически переходят в состояние «Работа».
А
К
ЗАПР
С блока 3 подается напряжение питания на блоки 6 и 7. В блоке 6 начинает работать схема задания длительности циклов и схема реверса, формируя последовательность сигналов I анодного, I катодного цикла и сигнала I запрета работы анодной 10, катодной 9 групп тиристоров.
А
К
ЗАПР
А
Е
В блоке автоматического регулирования 7 в зависимости от текущего состояния сигналов I, I и I, а именно низким логическим уровнем, выбирается анодная (катодная) группа тиристоров или запрет работы групп тиристоров. Например, при включении анодного цикла в блоке автоматического регулирования 7 низкий логический уровень сигнала I включает ключ К1. На входе регулятора тока РТ блока 7 появляется рассогласование, т.к. в первый момент сигнал обратной связи по току с шунта 11 равен нулю, а сигнал задания I с модуля сопряжения 14 присутствует, что приводит к появлению на выходе регулятора тока РТ блока 7 напряжения управления. Вырабатыванию системой импульсно-фазового управления СИФУ блока 7 импульсов с соответствующим фазовым сдвигом, подаваемых в блок коммутации 8 и включению тиристоров выбранной анодной группы 10.
o.c.
Вторичное напряжение трансформатора 5 подается на тиристорные блоки 9 и 10, при включении блока 10 оно выпрямляется и подается на ванну 12. С токоизмерительного шунта 11 снимается сигнал, пропорциональный величине тока, подаваемого на гальваническую ванну 12, поступающий на блок автоматического регулирования 7, в котором этот сигнал усиливается. Далее усиленный сигнал I поступает во внутренний контур авторегулирования на вход регулятора тока РТ блока 7, уменьшая первоначальное рассогласование. В конечном итоге отрицательная обратная связь по току приводит к стабилизации тока питания ванны 12.
o.c.
А
К
ЗАПР
o.c.
Кроме этого, указанный сигнал подается на электронный модуль сопряжения 14 в качестве сигнала напряжения обратной связи I Блоком 6 вырабатываются сигналы управления I, I и I, которые поступают на блок 7 и на входы логических устройств 15 и 16. В зависимости от последовательности поступления этих сигналов устройства 15 и 16 вырабатывают управляющие сигналы на транзисторные ключи 17, 18, 19 и 20. Ключи 17 и 19 управляют аналоговыми стробируемыми интеграторами 21 и 22 с памятью. Ключи 18 и 20 управляют аналоговыми коммутаторами 24 и 25. В зависимости от цикла (анодный или катодный) интеграторы 21 и 22 постоянно хранят или постоянного перезаписывают сигнал обратной связи I и подают его на аналоговый вход микроконтроллеров 26 и 27.
Ниже приведен пример работы заявляемого устройства при анодном цикле.
А
К
ЗАПР
А
С блока автоматического регулирования 7 на соответствующие входы логических устройств 15 и 16 поступают сигналы I, I и I. При этом сигнал I имеет низкий логический уровень, а остальные сигналы имеют высокий логический уровень. Логическое устройство 15 управляет транзисторными ключами 17 и 18, при этом оба ключа открыты. Логическое устройство 16 управляет транзисторными ключами 19 и 20, при этом оба ключа закрыты.
o.c.
o.c.
o.c.
Интегратор 21 постоянно работает в режиме перезаписи (интегрирования). Изменяющийся сигнал I с интегратора 21 поступает на аналоговый вход микроконтроллера 26. В то же время интегратор 22 хранит на выходе записанный в момент окончания катодного цикла сигнал обратной связи I. При этом микроконтроллер катодного цикла 27 не вырабатывает корректирующего сигнала. Ключ 20 и аналоговый коммутатор 25 находятся в закрытом состоянии. Далее микроконтроллер анодного цикла 26 преобразует поступивший сигнал I в цифровое отображение текущей величины тока, которое выводится на первый дисплей, затем сравнивает ее с заданной величиной тока, которая отображается на втором дисплее, вырабатывает корректирующий сигнал аналогового напряжения и подает его на аналоговый коммутатор 24.
Аналоговый коммутатор 24 под управлением ключа 18 открыт, сигнал с микроконтроллера 26 поступает на первый вход сумматора 23. На его второй вход сигнал с аналогового коммутатора 25 не поступает, т.к. коммутатор 25 при анодном цикле закрыт ключом 20.
Е
Сигнал I с выхода сумматора 23 поступает на вход блока 7, а именно - на внутренний контур стабилизации тока в качестве сигнала задания тока. Регулятор тока РТ блока 7, устраняя возникшее рассогласование на входе, корректирует напряжение управления, поступающее на СИФУ блока 7, тем самым изменяет угол открытия тиристоров анодной группы 10 и соответственно производит корректировку тока в гальванической ванне 12 согласно заданному воздействию микроконтроллера 26. Таким образом, происходит стабилизация тока анодного цикла гальванического процесса.
ЗАПР
По окончании анодного цикла блок 7 вырабатывает сигнал Iзапрета работы блоков тиристоров анодной группы 10 и катодной 9 низкого логического уровня, запрещая работу блока принудительной коммутации 8. Пауза в гальваническом процессе обязательна для перехода от анодного цикла к катодному и обратно, составляет миллисекунды. Для сети с частотой колебания напряжения в сети 50 Гц она составляет 20 миллисекунд. Во время паузы ток в ванне 12 отсутствует.
ЗАПР
запр
запр
o.c.
Тот же сигнал I подается на логические устройства 15 и 16, которые вырабатывают сигналы управления транзисторными ключами 17, 18, 19 и 20. Во время паузы сигнал запрета I логическим уровнем закрывает все ключи 17, 18, 19, 20, но ключи 17 и 19 по заднему фронту сигнала I стробируют момент окончания интегрирования и начала хранения величины напряжения сигнала I в аналоговых интеграторах 21 и 22.
o.c.
Ключ 18 закрывается, запирая аналоговый коммутатор 24. Ключ 17 тоже закрывается и своим задним фронтом стробирует момент времени записи сигнала I в аналоговый интегратор 21. Аналоговый интегратор 21 хранит сигнал о величине этого напряжения в течение всей паузы и продолжительности процесса катодного цикла, кроме этого, «держит» этот сигнал на входе анодного микроконтроллера 26. При этом микроконтроллер 26 не вырабатывает корректирующий сигнал и поддерживает на выходе сигнал о величине корректирующего воздействия, которая была на момент стробирования аналогового интегратора 21. Так как аналоговый коммутатор 24 закрыт, то указанный сигнал на вход сумматора 23 не проходит. Ключи 19 и 20 открываются.
Устройство готово к работе в катодном цикле.