NO152578B - System for generering og automatisk styring av kurveforloepet av spenning eller stroem for tilfoersel til prosesser for elektrolytisk farging av eloksert aluminium - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et system for generering og automatisk styring av kurveforløpet av spenning eller strøm for tilførsel til prosesser for elektrolytisk farging av eloksert aluminium, hvor effekten tilføres fra en kilde

for symmetrisk likestrøm i hvilken nullpunktet er koplet direkte til det arbeidsstykke som skal farges, mens de positive og negative spenninger som tilføres fra kilden, pas-

serer gjennom et éffektstyretrinn.

Elektrolytiske prosesser, og særlig prosesser for elektrolytisk farging, står vanligvis overfor forskjellige hagrensninger og vanskeligheter av forskjellig natur når en vekselstrøm benyttes.

I forbindelse med elektrolytiske prosesser hvor to elektroder som er av forskjellig beskaffenhet, er nedsenket i en elektrolytt, er det normalt at det opptrer en kontinuerlig polarisasjonsspenning mellom elektrodene, hvilken spenning avhenger av den nevnte beskaffenhet av elektrodene og av sam-mensetningen av selve elektrolytten. Dersom en sinusformet vekselstrøm tilføres mellom elektrodene, er sluttresultatet at den nevnte polarisasjonsspenning adderes til de vekslende halvbølger med samme fortegn og subtraheres fra halvbølgene med motsatt fortegn, slik at det i større eller mindre grad forårsakes en asymmetri med hensyn til den tilførte bølge-form.

Under prosesser for elektrolytisk farging av anodi-sert eller eloksert aluminium oppviser nærmere bestemt det oksydlag som dekker metallet, to spesielle egenskaper. For det første er det et meget tynt, ikke-ledende oksydlag som,

når det innføres mellom metallet og elektrolytten, virker som en kondensator. For det andre har oksydlaget en større tendens til å transportere elektriske ladninger fra metallet til elektrolytten når det er negativt, idet denne tendens er mindre vesentlig når oksydlaget er positivt. Ved til-førsel av en vekselstrøm forårsaker denne halvledereffekt sammen med kondensatoreffekten at den positive halvbølge,

når det gjelder aluminium, oppviser større strømningsvanske-ligheter enn den negative, hvilket på sin side resulterer i spenningsfall som er forskjellige "fra den ene retning til

den andre. Den bølgeform som skriver seg fra den påtrykte spenning, er derfor ikke symmetrisk, hvilket betyr at det er en likestrømkomponent i det tilførte elektriske signal, hvilket ikke alltid er ønskelig. Dette skyldes halvleder-effekten. På den annen side, og på grunn av kondensator-virkningen, er det kjent at når en vekselstrøm tilføres mellom aluminiumen og den andre elektrode, blir den kondensator som er dannet på den førstnevnte, oppladet til topp-spenningen for den tilførte bølge, idet utladningen er lang-sommere enn reduksjonen i spenning som følge av sinusvaria-sjonen.

Således er både den midlere verdi og effektiviteten av den resulterende spenning større enn de verdier som svarer til den tilførte bølgeform, og de er dessuten variable i hvert tilfelle for såvidt som de, da de er et resultat av kapasiteten av det anodiske lag, vil avhenge av dettes tykkelse, tilstanden, prosessen for oppnåelse av samme, etc.

Denne effekt er særlig viktig i industrien når tyristorer benyttes for å styre vekselstrømmen. På grunn av den høye kapasitet av de vanligvis benyttede belastninger, som kan nå opp til 5 • 10<5>yF, kan i dette tilfelle den resulterende bølgeform på sin side nå en midlere verdi som er nesten det dobbelte av den som svarer til den påtrykte spenning, og som vanlig utelukkende avhengig av oksydlagets tilstander og egenskaper.

For den samme påtrykte vekselspenning varierer således den resulterende spenning avhengig av variasjonen av belastningens elektriske egenskaper, og den er følgelig meget vanskelig å styre. I sådanne prosesser som prosessen med elektrolytisk farging, hvor den elektriske energi må tilføres med en meget nøyaktig dosering, blir den nevnte effekt en alvorlig ulempe, og forskjellige forsøk er blitt gjort på å overvinne denne ved hjelp av indirekte styre-systemer, men uten hell.

Anvendelsen av tyristorer i industrien for å styre vekselstrømmer eller ledningsvinkel-likerettede strømmer, forårsaker på den annen side ofte alvorlige problemer med høy-frekvensforstyrrelser som det er vanskelig å overvinne, som et resultat av tyristorens funksjon når den påtrykte spenning

er forskjellig fra null.

Et system av den innledningsvis angitte type er eksempelvis kjent fra SE utlegningsskrift nr. 404 473 som viser et system hvor strømkildens nullpunkt er koplet direkte til lasten eller arbeidsstykket, mens de positive og negative strømmer fra kilden passerer et effektstyretrinn som styres av en programmeringsanordning. I dette kjente system består styreelementene av tyristorer som trigges ved en bestemt ledevinkel, og som derfor frembringer høye topper av momentant effektforbruk, slik at de frembringer radioelek-triske forstyrrelser eller høyfrekvensforstyrrelser, slik som foran nevnt. Som følge av den halvledende oppførsel av en tyristor ved slutten av hver halvperiode blir videre den spenningsbølge som tilføres til belastningen, påvirket av kapasiteten til det arbeidsstykke som farges, idet bølgen gjennomgår en avtagende, eksponentiell deformasjon, hvilket innebærer en forsinkelse av depolarisasjonen i de nære om-råder som omgir arbeidsstykket, og dette forårsaker en økning av den tid som er nødvendig for å utføre fargingen.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å til-veiebringe et system som overvinner de foran omtalte ulemper, idet systemet tilveiebringer en utgangsbølge uten deformasjon som følge av belastningens kapasitet natur, slik at det oppnås en forbedring av fargingshastigheten.

Ovennevnte formål oppnås med et system av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at effektstyretrinnet styres av en bipolar operasjonsforsterker hvis ikke-inverterende inngang er tilkoplet til en signalgenerator, mens dens inverterende inngang tilfø-res det signal som i virkeligheten er til stede i elektrolysebadets elektroder, hvilket signal, før det tilføres til operasjonsforsterkeren, behandles i et ytre halvbølge-styretrinn som på sin side er styrt av en programmeringsanordning .

En fordelaktig utførelse av systemet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at effektstyretrinnet består av to høyeffekttransistorer av hvilke en NPN-transistor styrer anodestrømmen og en PNP-transistor styrer katodestrømmen, idet disse transistorer er koplet på en slik måte at forbindelsen mellom begge transistorers emittere danner tilførse-len for den ene av elektrodene i elektrolytten, mens den andre elektrode er tilkoplet direkte til likestrømkildens nullpunkt, idet styringen av transistorene skjer over operasjonsforsterkeren i hvilken verdien av den på arbeidsstykket påtrykte spenning eller strømstyrke stadig sammenliknes med verdien av den referansespenning eller referansestrømstyrke som i øyeblikket tilføres til forsterkeren fra signalgeneratoren, hvorved operasjonsforsterkeren innvirker på disse verdier av spenningen eller strømstyrken og utjevner forskjellene mellom disse, slik at den til arbeidsstykket tilførte bølgeform blir identisk med den til forsterkeren tilførte referanse-bølgeform.

Det er også fordelaktig at systemet omfatter en registreringsanordning med hvilken alle endringer av de elektriske parametre for anode- og katodehalvbølgen kontinuerlig kan opptegnes grafisk under hele den elektrolytiske prosess.

En spennings- eller strømbølge, som til enhver tid

er uten noen forvrengning som følge av den automatiske styring av denne, blir på denne måte i ethvert tidspunkt tilført til den elektrolytiske celle eller elektrolysebadet, uavhengig av de elektriske egenskaper til den belastning som skal farges, såsom dennes kapasitet, polarisasjon, etc.

Det det kan benyttes hvilken som helst type bølge, uten noen som helst deformasjon av denne, hindrer anvendelsen av sinusbølger fullstendig de problemer med opptreden av høyfrekvensforstyrrelser som er vanlige for de systemer som benytter tyristorer som reguleres ved å variere ledningsvin-kelen.

De belastningsubalanser som frembringes ved benyttelse av ikke-kontinuerlige signaler, fordeles langs tre trefase-fordelingslinjer. Systemet er derfor alltid i likevekt.

Da referansesignalet kontinuerlig sammenliknes med den spenning eller strøm som i virkeligheten tilføres til belastningen, og da begge gjøres like, er systemet automatisk enten med hensyn til spenning eller strøm. Så snart begynnel-sesbetingelsene er fiksert, holdes derfor disse konstante uten hensyn til størrelsen av den belastning som skal farges, uten behov for modifikasjoner eller justeringer på grunn av denne.

Systemet tillater at hvilken som helst type av elek-trisk program kan anvendes på hvilken som helst type av fargeprosess uten at utstyret må modifiseres. På samme tid er systemet i stand til å avpasse programmer for andre elektrolytiske prosesser, såsom anodisering, avsetning eller ut-felling, osv.

Systemet tillater også benyttelse av andre strøm-frekvenser enn frekvensene for tilførselsnettverket, hvilket er meget fordelaktig ved fargeprogrammer.

Med den nevnte registreringsanordning registrerer systemet også kontinuerlig de variable som deltar i prosessen. Det er derfor lett å kontrollere prosessens funksjon, å detek-tere opptreden av defekter, å korrigere feil, å foreta statistiske kontroller, så vel som fullstendig å automatisere prosessen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningen, der fig. 1 viser et koplingsskjerna av systemet ifølge oppfinnelsen for generering og automatisk styring av en spennings- eller strømbølgeform som kan tilføres til prosesser for elektrolytisk farging av eloksert aluminium, fig. 2 viser en grafisk fremstilling av den resulterende bølge sammenliknet med den tilførte bølge som skyldes kondensatoreffekten, og fig. 3 viser en liknende grafisk fremstilling som på fig. 2 hvor de samme bølger sammenliknes, men hvor den tilførte bølge styres ved hjelp av tyristorer.

Ut fra fig. 2 kan det innses, i overensstemmelse med den foregående beskrivelse, at når en vekselstrømbølge 1 tilføres mellom aluminiumen og den andre elektrode, blir det som følge av kondensatoreffekten oppnådd en resulterende bølge 2 som bestemmer en økning både med hensyn til midlere verdi og effektivverdien av den resulterende bølge i forhold til den tilførte bølge 1.

Når vekselstrømmen i industrielle anlegg styres

ved benyttelse av tyristorer, kan den resulterende bølge på

grunn av den store kapasitet av de benyttede belastninger innta bølgeformen 2 på fig. 3, ut fra hvilken det kan innses at den midlere verdi av den resulterende spenning er nesten det doble av den verdi som svarer til den tilførte spenning 1, idet den som alltid utelukkende avhenger av oksydlagets tilstander og egenskaper.

Systemet ifølge oppfinnelsen, som er representert ved kretsen på fig. 1, overvinner disse ulemper idet det oppnås en generering av den bølge som tilføres til belastningen som er fullstendig automatisk styrt til enhver tid.

Kretsen består av et trefase-tilførselsnett 3 som inneholder en transformator- og likeretterenhet 4 ved hjelp av hvilken det tilveiebringes en positiv spenning 5 og en negativ spenning 6 i forhold til et nøytralt punkt 7 som har null spenning.

Dette nøytralpunkt eller nullpunkt 7 utgjør direkte tilførselen til den ene av elektrodene 8 i elektrolysebadet 9.

Det andre to spenninger 5 og 6, som tilføres av like-rettertransformatoren 4, passerer til et styretrinn 10 be-stående av to grupper av effekttransistorer av hvilke den ene er av PNP-type mens den andre er av NPN-type, og som styrer de elektriske parametre av de negative hhv. positive signaler som tilføres til belastningen som skal farges og som er an-brakt i elektrolysebabadet 9.

Selv om PNP- og NPN-transistorer for enkelhets

skyld er benyttet i den viste utførelse, kan utrustningen være forsynt med bare NPN-effekttransistorer.

Kretsen omfatter videre en bipolar operasjonsforsterker 11 som styrer formen på spenningen eller den strømstyrke som skal tilføres til belastningen som skal farges. Forsterkeren har to innganger av hvilke den ene er en positiv eller ikke-inverterende inngang til hvilken et signal som har liten styrke og som oppnås fra en generator 12, tilføres til operasjonsforsterkeren 11, idet formen på

dette signal faller sammen med det signal som skal tilføres til belastningen som skal farges. Den andre inngang, dvs. den negative eller inverterende inngang, mottar det signal

som i virkeligheten er til stede på elektrodene 8 i elektro-lyseba.det 9, etter at dette signal er blitt hensiktsmessig behandlet.

I ethvert tidspunkt sammenlikner operasjonsforsterkeren 11 verdien, enten spennings- eller strømverdien, av det signal som skal tilføres, med verdien av det signal som i virkeligheten tilføres i det samme tidspunkt, slik at forskjellen mellom begge innganger, den positive og den negative, er null. Det signal som tilføres til belastningen, vil derfor være identisk, i spenning eller i strøm, med det signal som tilføres til forsterkerens 11 ikke-inverterende inngang.

Slik som foran nevnt> blir det signal som i virkeligheten eksisterer i elektrolysebadets 9 elektroder, til-ført til operasjonsforsterkerens 11 negative eller inverterende inngang etter at signalet er blitt hensiktsmessig behandlet. Denne behandling utføres av et halvbølgestyretrinn 13 som består av en gruppe separate komponenter, motstander, potensiometre, etc. som har passende verdier, slik at når de nevnte motstander parallellkoples med elektrodene, vil den detekterte verdi være spenningen, og det signal som tilføres til belastningen, vil ha en spenningsform som er identisk med den referansebølgeform som tilføres av signalgeneratoren 12. Når deteksjonen utføres ved hjelp av motstander i serie, vil på samme måte den detekterte verdi være verdien av strømstyrken, og denne vil derfor være identisk med formen på den strøm som genereres av generatoren 12.

Med hensyn til verdien av de nevnte, separate komponenter, motstander, potensiometre, etc. vil benyttelsen av

den ene eller den andre verdi variere operasjonsforsterkerens 11 multiplikatorfaktor, dvs. dens spennings- eller strømfor-sterkning, og da det finnes forskjellige kontroller for hver av halvibølgene kan det for et helt symmetrisk inngangssignal oppnås et utgangssignal i hvilket forholdet mellom spenningen eller strømmen av den positive halvbølge og den negative halvbølge har hvilken som helst ønsket verdi.

Programmeringsanordningen består av to tidslineære, programmeringsanordninger av hvilke den ene anordning 14 programmerer de anodiske bølger, mens den andre anordning 15 programmerer de katodiske bølger. I prinsipp er de dannet av en motstand hvis verdi varieres kontinuerlig i overensstemmelse med en på forhånd valgt hastighetskonstant. Når den nevnte motstand innsettes i stedet for de som er til stede i halvbølgestyretrinnet 13 som styrer variasjonen av forsterk-ningen av operasjonsforsterkeren 11, varierer dennes multipli-katorytelse lineært, avhengig av tiden etter en funksjon på formen G = f (t) både for den anodiske bølge og for den katodiske bølge.

Signalgeneratoren 12 er i stand til å frembringe hvilken som helst type signal, kontinuerlig eller vekslende, idet den har stor allsidighet og tillater oppnåelse av sinus-bølger eller trekant- eller firkantbølger med kontinuerlig regulerbare frekvenser mellom 0,1 Hz og 5 MHz, med mulighet for frembringelse av asymmetrisk sveiping eller avbøyning og et justerbart forhold mellom aktive og inaktive perioder,

og dessuten et variabelt forhold mellom de anodiske og katodiske verdier, en blanding av kontinuerlige og vekslende signaler, etc.

Endelig omfatter kretsen en målende og registrerende anordning som er betegnet 16 på fig. 1 og som omfatter en elektronisk utrustning som detekterer og adskiller de elektriske parametre av strømmen som tilføres til den aluminium som skal farges, idet den proporsjonerer både en øyeblikkelig måling og en grafisk registrering av tidsvariasjonen av den anodiske og katodiske spenning og av den anodiske og katodiske strøm.

Denne målende og registrerende anordning 16 muliggjør at forløpet av prosessen for elektrolytisk farging kan føl-ges forholdsvis lettvint, idet den muliggjør tilsynekomst av defekter som skal detekteres, feil som skal korrigeres, og statistiske kontroller som skal utføres, og selvsagt også fullstendig automatiserer prosessen.

Claims (5)

1. System for generering og automatisk styring av kurve-forløpet av spenning eller strøm for tilførsel til prosesser for elektrolytisk farging av eloksert aluminium, hvor effekten tilføres fra en kilde (4) for symmetrisk like-strøm i hvilken nullpunktet (7) er koplet direkte til det arbeidsstykke som skal farges mens de positive og negative spenninger (5 hhv. 6) som tilføres fra kilden (4), passerer gjennom et effektstyretrinn (10), karakterisert ved at effektstyretrinnet styres av en bipolar operasjonsforsterker (11) hvis ikke-inverterende inngang er tilkoplet til en signalgenerator (12), mens dens inverterende inngang tilføres det signal som i virkeligheten er til stede i elektrolysebadets (9) elektroder (8), hvilket signal, før det tilføres til operasjonsforsterkeren (11), behandles i et ytre halvbølge-styretrinn (13) som på sin side er styrt av en programmeringsanordning (14, 15).

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at effektstyretrinnet (10) består av to høyeffekttransi-storer av hvilke en NPN-transistor styrer anodestrømmen og en PNP-transistor styrer katodestrømmen, idet disse transistorer er koplet på en slik måte at forbindelsen mellom begge transistorers emittere danner tilførselen for den ene av elektrodene i elektrolytten (9), mens den andre elektrode (8) er tilkoplet direkte til likestrømkildens (4) nullpunkt (7), idet styringen av transistorene skjer over operasjonsforsterkeren (11) i hvilken verdien av den på arbeidsstykket påtrykte spenning eller strømstyrke stadig sammenliknes med verdien av den referansespenning eller referansestrømstyrke som i øyeblikket tilføres til forsterkeren (11) fra signalgeneratoren (12), hvorved operasjonsforsterkeren (11) innvirker på disse verdier av spenningen eller strømstyrken og utjevner forskjellene mellom disse, slik at den til arbeidsstykket tilførte bølge-form blir identisk med den til forsterkeren tilførte refe-ransebølgeform.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at halvbølge-styretrinnet (13) omfatter separate komponenter som er anordnet i to grupper, én for styring av anodebølgen og den andre for styring av katodebølgen, idet disse komponenter er styrt ved hjelp av en respektiv programmeringsanordning (14 hhv. 15), én for hver halvbølge, slik at referansesignalets multiplika.torfaktorer kan varieres kontinuerlig i tid i overensstemmelse med en lineær eller ikke-lineær funksjon som kan være den samme eller forskjellig for begge halvbølger.

4. System ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at generatoren (12) for referansesignalet er en generator som har liten ytelse og kan frembringe sinus-formede, trekantede og firkantede kurveformer med kontinuerlig regulerbare frekvenser mellom 0,1 Hz og 5 MHz, med mulighet for en asymmetrisk kurveform, innstillbart forhold mellom tidsrom i hvilke en spenning avgis hhv. i hvilke ingen spenning avgis, varierbart forhold mellom anode- og katodeverdiene samt mulighet for en overlagring av en like-spennings- og en vekselspenningskomponent.

5. System ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det omfatter en registreringsanordning (16) med hvilken alle endringer av de elektriske parametre for anode- og katodehalvbølgen kontinuerlig kan opptegnes grafisk under hele den elektrolytiske prosess.