RU2775987C1 - Apparatus for micro-arc oxidation of products made of metals and alloys - Google Patents
Apparatus for micro-arc oxidation of products made of metals and alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775987C1 RU2775987C1 RU2021116323A RU2021116323A RU2775987C1 RU 2775987 C1 RU2775987 C1 RU 2775987C1 RU 2021116323 A RU2021116323 A RU 2021116323A RU 2021116323 A RU2021116323 A RU 2021116323A RU 2775987 C1 RU2775987 C1 RU 2775987C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- transistor
- anode
- power source
- reverse diode
- Prior art date
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title abstract 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title abstract 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title abstract 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 title abstract 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 title abstract 3
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 title 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract 2
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 abstract 1
- -1 e.g. Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract 1
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 abstract 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 abstract 1
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000003071 parasitic Effects 0.000 abstract 1
- 230000002441 reversible Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 abstract 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 abstract 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к оборудованию для электролитической обработки поверхности изделий из металлов и сплавов путем оксидирования для повышения износостойкости, теплостойкости, коррозионной защиты, получения декоративных и электроизоляционных покрытий и может быть использовано в машиностроении, медицине, авиационной, аэрокосмической, радиоэлектронной, химической и военной промышленности.The invention relates to equipment for electrolytic surface treatment of metal and alloy products by oxidation to improve wear resistance, heat resistance, corrosion protection, obtaining decorative and electrical insulating coatings and can be used in mechanical engineering, medicine, aviation, aerospace, electronic, chemical and military industries.
Из существующего уровня техники известно устройство для микродугового оксидирования металлических изделий, содержащее источник питания, электролитную ванну, токоподвод для оксидируемой детали, два регулируемых выпрямителя, четыре электронных ключа и четыре диода, снабженное двумя клеммами для подключения источника питания, соединенных с выводами подключения переменного тока регулируемых выпрямителей, и системой управления, а в качестве электронных ключей используются полностью управляемые полупроводниковые ключи, причем отрицательные электроды первого и третьего ключей подключены к токоподводу для оксидируемой детали и электролитной ванне соответственно, отрицательные электроды второго и четвертого ключей соединены с отрицательным выводом первого регулируемого выпрямителя, а электроды управления всех четырех ключей соединены с четырьмя выходами системы управления, пятый и шестой выходы которой подключены к входам задания напряжения регулируемых выпрямителей, причем, положительный вывод первого регулируемого выпрямителя соединен с положительным электродом первого ключа и катодом первого диода, анод которого соединен с отрицательным электродом первого ключа, положительным электродом второго ключа и катодом второго диода, анод которого подключен к отрицательным выводам регулируемых выпрямителей и аноду четвертого диода, катод которого соединен с положительным электродом четвертого ключа, отрицательным электродом третьего ключа и анодом третьего диода, катод которого соединен с положительным электродом третьего ключа и положительным выводом второго регулируемого выпрямителя (патент на полезную модель RU №102619, опубл. 10.03.2011).From the existing prior art, a device for microarc oxidation of metal products is known, containing a power source, an electrolyte bath, a current lead for an oxidized part, two adjustable rectifiers, four electronic switches and four diodes, equipped with two terminals for connecting a power source connected to the adjustable AC connection terminals. rectifiers, and the control system, and fully controlled semiconductor switches are used as electronic keys, and the negative electrodes of the first and third keys are connected to the current lead for the oxidized part and the electrolyte bath, respectively, the negative electrodes of the second and fourth keys are connected to the negative terminal of the first adjustable rectifier, and the control electrodes of all four switches are connected to four outputs of the control system, the fifth and sixth outputs of which are connected to the inputs for setting the voltage of regulated rectifiers, moreover, the positive output of the first adjustable rectifier is connected to the positive electrode of the first switch and the cathode of the first diode, the anode of which is connected to the negative electrode of the first switch, the positive electrode of the second switch and the cathode of the second diode, the anode of which is connected to the negative terminals of the adjustable rectifiers and the anode of the fourth diode, the cathode of which is connected to the positive the electrode of the fourth key, the negative electrode of the third key and the anode of the third diode, the cathode of which is connected to the positive electrode of the third key and the positive terminal of the second adjustable rectifier (utility model patent RU No. 102619, publ. 03/10/2011).
Устройство позволяет осуществлять независимое управление параметрами анодных и катодных прямоугольных импульсов напряжения и пауз между ними при микродуговом оксидировании. К недостаткам данного устройства можно отнести импульсные токи в ключах и большие потери энергии в электролите, т.к. именно сопротивление электролита ограничивает импульсные токи при заряде и разряде паразитного конденсатора металл-оксид-электролит.The device allows for independent control of the parameters of anode and cathode rectangular voltage pulses and pauses between them during microarc oxidation. The disadvantages of this device include pulsed currents in the keys and large energy losses in the electrolyte, because. It is the electrolyte resistance that limits the pulsed currents during charging and discharging of the parasitic metal-oxide-electrolyte capacitor.
Известен регулятор тока для устройств микроплазменного оксидирования, содержащий независимые регуляторы анодного и катодного напряжений, которые представляют собой импульсные понижающие преобразователи с конденсаторными накопителями на выходе, и транзисторный инвертор анодного и катодного напряжений, в диагональ которого включена ванна с электролитом и обрабатываемым изделием (Большенко А.В., Павленко А.В., Гринченков В.П., Пузин В.С. Регуляторы тока для устройств микроплазменного оксидирования. // Электротехника, 2012, №5, С. 27-33). A known current regulator for devices for microplasma oxidation, containing independent regulators of the anode and cathode voltages, which are pulse step-down converters with capacitor storage at the output, and a transistor inverter of the anode and cathode voltages, the diagonal of which includes a bath with an electrolyte and a workpiece (Bolshenko A. V., Pavlenko A.V., Grinchenkov V.P., Puzin V.S. Current regulators for microplasma oxidation devices // Electrical Engineering, 2012, No. 5, pp. 27-33).
Устройство позволяет осуществлять независимое управление параметрами анодных и катодных прямоугольных импульсов напряжения и пауз между ними при микроплазменном оксидировании, а также в нем реализован анодно-разрядный режим для разряда конденсатора металл-оксид-электролит после окончания анодного импульса. К недостаткам данного устройства можно отнести большие импульсные токи в транзисторах инвертора и потери энергии в электролите, неравномерную нагрузку на транзисторы инвертора напряжения из-за анодно-разрядного режима.The device allows for independent control of the parameters of anode and cathode rectangular voltage pulses and pauses between them during microplasma oxidation, and it also implements an anode-discharge mode for discharging a metal-oxide-electrolyte capacitor after the end of the anode pulse. The disadvantages of this device include large pulse currents in the inverter transistors and energy losses in the electrolyte, uneven load on the voltage inverter transistors due to the anode-discharge mode.
Известно устройство для плазменно-электролитического оксидирования металлов и сплавов, содержащее ванну с электролитом для оксидирования изделия, две раздельные схемы формирования анодного и катодного напряжений, переключатель режимов работы, дополнительно содержащее управляемый электронный разрядник, выполненный с возможностью параллельного подключения к оксидируемому изделию при выключенном переключателе режимов работы (патент RU №2441108, опубл. 27.01.2012). A device for plasma-electrolytic oxidation of metals and alloys is known, containing a bath with an electrolyte for oxidizing a product, two separate circuits for generating anode and cathode voltages, an operating mode switch, additionally containing a controlled electronic spark gap, configured to be connected in parallel to the oxidized product with the mode switch turned off. works (patent RU No. 2441108, published on 27.01.2012).
Сразу после завершения анодного или катодного импульса включается электронный разрядник, разряжая накопившийся на конденсаторе металл-оксид-электролит заряд. Этим обеспечивается возможность формирования более коротких (с более коротким задним фронтом) импульсов напряжения или тока и подачи их с большей частотой на оксидируемое изделие, повышая так называемое быстродействие устройства. Недостатком такого решения является низкий КПД, т.к. энергия конденсатора выделяется в виде тепла в электролите и в электронном разряднике.Immediately after the completion of the anode or cathode pulse, the electronic spark gap is turned on, discharging the charge accumulated on the metal-oxide-electrolyte capacitor. This makes it possible to form shorter (with a shorter trailing edge) voltage or current pulses and supply them with a higher frequency to the oxidized product, increasing the so-called speed of the device. The disadvantage of this solution is the low efficiency, because. the energy of the capacitor is released as heat in the electrolyte and in the electronic spark gap.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для плазменно-электролитического оксидирования вентильных металлов и их сплавов, которое состоит из источника питания, двух импульсных преобразователей напряжения, двух выходных фильтров, двух токовых датчиков, коммутационного блока, электрохимической ванны с электролитом и обрабатываемой деталью, микроконтроллера, двух цифроаналоговых преобразователей, персональной электронно-вычислительной машины, причем источник питания подключен к первому входу первого импульсного преобразователя напряжения и к первому входу второго импульсного преобразователя напряжения, выход первого импульсного преобразователя напряжения подключен к входу первого фильтра, а его выход к входу первого токового датчика, первый выход которого подключен ко второму входу первого импульсного преобразователя напряжения и обеспечивает отрицательную обратную связь по току, второй выход первого токового датчика подключен к первому входу коммутационного блока, при этом выход второго импульсного преобразователя напряжения подключен к входу второго фильтра, а его выход подключен к входу второго токового датчика, первый выход которого подключен ко второму входу второго импульсного преобразователя напряжения, обеспечивая отрицательную обратную связь по току, а второй выход второго токового датчика подключен ко второму входу коммутационного блока, при этом первый выход коммутационного блока подключен к обрабатываемой детали, а второй выход подключен к электролитической ванне с электролитом, кроме того, первый выход микроконтроллера подключен к входу первого цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к третьему входу первого импульсного преобразователя напряжения, а второй выход микроконтроллера подключен ко второму цифроаналоговому преобразователю, выход которого подключен к третьему входу второго импульсного преобразователя напряжений, третий выход микроконтроллера подключен к входу драйвера, выход которого подключен к третьему входу коммутационного блока, при этом вход микроконтроллера подключен к выходу персональной электронно-вычислительной машины (патент RU №2584058, опубл. 20.05.2016).Closest to the claimed technical solution in terms of technical essence and the achieved result is a device for plasma-electrolytic oxidation of valve metals and their alloys, which consists of a power source, two pulse voltage converters, two output filters, two current sensors, a switching unit, an electrochemical bath with electrolyte and workpiece, a microcontroller, two digital-to-analog converters, a personal electronic computer, wherein the power source is connected to the first input of the first pulse voltage converter and to the first input of the second pulse voltage converter, the output of the first pulse voltage converter is connected to the input of the first filter, and its output to the input of the first current sensor, the first output of which is connected to the second input of the first pulse voltage converter and provides negative current feedback, the second output of the first current the sensor is connected to the first input of the switching unit, while the output of the second pulse voltage converter is connected to the input of the second filter, and its output is connected to the input of the second current sensor, the first output of which is connected to the second input of the second pulse voltage converter, providing negative current feedback, and the second output of the second current sensor is connected to the second input of the switching unit, while the first output of the switching unit is connected to the workpiece, and the second output is connected to the electrolytic bath with electrolyte, in addition, the first output of the microcontroller is connected to the input of the first digital-to-analogue converter, the output of which is connected to the third input of the first pulse voltage converter, and the second output of the microcontroller is connected to the second digital-to-analog converter, the output of which is connected to the third input of the second pulse voltage converter, the third output of the microcontroller is connected en to the input of the driver, the output of which is connected to the third input of the switching unit, while the input of the microcontroller is connected to the output of a personal electronic computer (patent RU No. 2584058, publ. May 20, 2016).
В данном устройстве импульсные преобразователи напряжения включаются только при необходимости формирования соответствующего импульса тока в нагрузке и охвачены обратной связью по току, что обеспечивает их работу в режиме программно-управляемых источников тока. К недостаткам данного устройства можно отнести наличие двух импульсных преобразователей напряжения, а также наличие фильтров на выходе импульсных преобразователей напряжения, что приводит к импульсным токам в силовых ключах коммутационного блока и потерям энергии в электролите. In this device, pulse voltage converters are switched on only when it is necessary to generate an appropriate current pulse in the load and are covered by current feedback, which ensures their operation in the mode of program-controlled current sources. The disadvantages of this device include the presence of two pulse voltage converters, as well as the presence of filters at the output of pulse voltage converters, which leads to pulsed currents in the power switches of the switching unit and energy losses in the electrolyte.
В основу настоящего изобретения положена задача создания простого и надежного устройства для микродугового оксидирования изделий из металлов и сплавов, формирующего анодные и катодные токовые импульсы заданной амплитуды, формы и длительности, в котором отсутствуют импульсные токи в инверторе тока при заряде и разряде конденсатора металл-оксид-электролит и уменьшены потери в электролите.The present invention is based on the task of creating a simple and reliable device for microarc oxidation of products made of metals and alloys, which generates anodic and cathodic current pulses of a given amplitude, shape and duration, in which there are no pulsed currents in the current inverter during charging and discharging a metal-oxide-capacitor. electrolyte and electrolyte losses are reduced.
Технический результат изобретения заключается в повышении воспроизводимости и КПД технологического процесса, увеличении единичной мощности устройства, расширении номенклатуры оксидируемых металлов и сплавов, в том числе имеющих высокие значения удельной емкости конденсатора металл-оксид-электролит, например титана.The technical result of the invention is to increase the reproducibility and efficiency of the technological process, increase the unit power of the device, expand the range of oxidized metals and alloys, including those with high values of the specific capacitance of the metal-oxide-electrolyte capacitor, such as titanium.
Поставленная задача решена следующим образом. В предлагаемом устройстве, содержащем источник питания, датчик тока, датчик напряжения, инвертор тока, состоящий из четырех транзисторов, зашунтированных обратными диодами, ванну с электролитом и токоподводом для изделия, включенных в одну из диагоналей инвертора тока, блок программируемого контроллера, дополнительно введены первый и второй транзисторы, первый и второй обратные диоды, дроссель, причем первый транзистор коллектором подключен к плюсовому выводу источника питания и катоду первого обратного диода, эмиттером соединен с коллектором второго транзистора, анодом первого обратного диода, катодом второго обратного диода и первым выводом дросселя, эмиттер второго транзистора подключен к минусовому выводу источника питания, аноду второго обратного диода и эмиттерам транзисторов инвертора тока, свободные коллекторы транзисторов инвертора тока через датчик тока соединены со вторым выводом дросселя. Первый транзистор, второй обратный диод совместно с дросселем образуют импульсный понижающий регулятор напряжения, работающий в режиме программно-управляемого импульсного генератора тока, который формирует анодный и катодный токовые импульсы. Для рекуперации энергии конденсатора металл-оксид-электролит в источник питания по окончании анодного или катодного импульса второй транзистор, первый обратный диод совместно с дросселем образуют импульсный повышающий регулятор напряжения, работающий в режиме программно-управляемого импульсного генератора тока обратной (реверсной) полярности по входу. Кратко оба импульсных генератора тока можно назвать реверсивным импульсным генератором тока. Таким образом, упрощение устройства обеспечивается использованием одного источника питания и одного генератора тока для формирования как анодного, так и катодного токовых импульсов, повышение надежности устройства связано с отсутствием импульсных токов и соответственно динамических потерь в инверторе тока, паразитный конденсатор металл-оксид-электролит заряжается и разряжается с высоким КПД реверсивным импульсным генератором тока, а сопротивление электролита и соответственно потери в нем могут быть уменьшены в несколько раз, т.к. теперь сопротивление электролита не является фактором, ограничивающим импульсные токи в транзисторах инвертора тока. Повышение воспроизводимости технологического процесса формирования оксидно-керамического покрытия на поверхности изделия достигается за счет управления процессом в терминах величины общего тока, однозначно связанного с плотностью тока на поверхности изделия, в любой момент времени процесса. Из-за уменьшения падения напряжения на электролите при максимальном токе по сравнению с аналогами напряжение источника питания может быть уменьшено. The problem was solved in the following way. In the proposed device, containing a power source, a current sensor, a voltage sensor, a current inverter consisting of four transistors shunted with reverse diodes, a bath with an electrolyte and a current lead for the product included in one of the diagonals of the current inverter, a programmable controller unit, the first and the second transistor, the first and second freewheel diodes, the inductor, the first transistor is connected by a collector to the positive terminal of the power source and the cathode of the first reverse diode, the emitter is connected to the collector of the second transistor, the anode of the first reverse diode, the cathode of the second reverse diode and the first terminal of the inductor, the emitter of the second the transistor is connected to the negative output of the power source, the anode of the second reverse diode and the emitters of the current inverter transistors, the free collectors of the current inverter transistors are connected to the second output of the inductor through the current sensor. The first transistor and the second reverse diode, together with the inductor, form a pulsed step-down voltage regulator operating in the mode of a software-controlled pulsed current generator that generates anode and cathode current pulses. To recuperate the energy of the metal-oxide-electrolyte capacitor into the power source at the end of the anode or cathode pulse, the second transistor, the first reverse diode, together with the inductor, form a pulse step-up voltage regulator operating in the mode of a program-controlled pulse current generator of reverse (reverse) polarity at the input. Briefly, both pulsed current generators can be called a reversible pulsed current generator. Thus, the simplification of the device is ensured by the use of one power source and one current generator for the formation of both anode and cathode current pulses, an increase in the reliability of the device is due to the absence of pulse currents and, accordingly, dynamic losses in the current inverter, the parasitic metal-oxide-electrolyte capacitor is charged and is discharged with a high efficiency by a reversible pulsed current generator, and the electrolyte resistance and, accordingly, the losses in it can be reduced several times, because now the electrolyte resistance is not a factor limiting the pulsed currents in the current inverter transistors. Increasing the reproducibility of the technological process of forming an oxide-ceramic coating on the surface of the product is achieved by controlling the process in terms of the magnitude of the total current, uniquely related to the current density on the surface of the product, at any time of the process. Due to the decrease in the voltage drop across the electrolyte at maximum current compared to analogues, the voltage of the power supply can be reduced.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 представлены расчетные кривые тока дросселя и напряжения на конденсаторе металл-оксид-электролит в анодном режиме, на фиг. 3 представлен упрощенный вариант устройства, в котором полный мост инвертора тока заменен на стойку полумоста, на фиг. 4 представлен упрощенный вариант устройства с дополнительными защитными диодами.In FIG. 1 shows a schematic diagram of the proposed device, Fig. 2 shows the calculated curves of the inductor current and voltage on the metal-oxide-electrolyte capacitor in the anode mode, in Fig. 3 shows a simplified version of the device, in which the full bridge of the current inverter is replaced by a half-bridge rack, in FIG. 4 shows a simplified version of the device with additional protective diodes.
Сокращения, используемые в чертежах фиг. 1 - фиг. 4:Abbreviations used in the drawings of FIG. 1 - fig. four:
ИП - источник питания;IP - power supply;
ДТ - датчик тока;DT - current sensor;
ДН - датчик напряжения;DN - voltage sensor;
IA - анодный ток;I A - anode current;
UC - напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит.U C - voltage on the metal-oxide-electrolyte capacitor.
Схема на фиг. 1 содержит источник питания 1, транзистор 2, коллектором подключенный к плюсовому выводу источника питания 1 и катоду обратного диода 4, эмиттером соединенный с коллектором транзистора 3, анодом обратного диода 4, катодом обратного диода 5 и первым выводом дросселя 6, эмиттер транзистора 3 и анод обратного диода 5 соединены с минусовым выводом источника питания 1. Транзисторы 2, 3, обратные диоды 4, 5, дроссель 6 образуют реверсивный импульсный генератор тока 7. Второй вывод дросселя 6 через датчик 8 тока подключен к транзисторному инвертору тока 10, состоящему из транзисторов 11 - 14, зашунтированных обратными диодами 15 18 соответственно. В диагональ инвертора тока 10 включены токоподвод 19 для крепления оксидируемого изделия и ванна 20 с электролитом, а свободный вывод инвертора тока 10 подключен к минусовому выводу источника питания 1. Информация от датчика 8 тока и датчика 9 напряжения подается в блок 21 программируемого контроллера, который управляет всеми транзисторами устройства.The scheme in Fig. 1 contains a
Работает устройство следующим образом.The device works as follows.
Обрабатываемое изделие присоединяют к токоподводу 19 и опускают в ванну 20 с электролитом. С панели блока 21 программируемого контроллера или с внешнего управляющего компьютера загружают программу обработки изделия, которая содержит для каждого технологического интервала времени информацию о величине, форме, длительности анодного и катодного импульсов тока, длительности пауз между ними, о величине тока разряда конденсатора металл-оксид-электролит, величине тока в дросселе 6, при котором на заднем фронте импульса тока нужно включить рекуперацию энергии конденсатора металл-оксид-электролит в источник питания 1, величине напряжения на инверторе тока 10, когда рекуперацию можно завершить выключением транзистора 3.The workpiece is attached to the
Рассмотрим формирование анодного импульса тока (фиг. 2) при следующих допущениях (фиг. 1):Consider the formation of an anode current pulse (Fig. 2) under the following assumptions (Fig. 1):
индуктивность дросселя 6
анодный ток, регулируемый в течение импульса
емкость конденсатора металл-оксид-электролит
напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит
ток разряда конденсатора металл-оксид-электролит
сопротивление электролита
длительность анодного импульса
уровень тока дросселя 6 для включения рекуперации
уровень напряжения на инверторе тока 10, при котором рекуперация завершается
anode current adjustable during the pulse
capacitance of a metal-oxide-electrolyte capacitor
voltage across a metal-oxide-electrolyte capacitor
discharge current of metal-oxide-electrolyte capacitor
electrolyte resistance
anode pulse duration
inductor
voltage level on
1 мГн
500 А, 375 А, 250 А
500 мкФ
600 В
300 А
0,1 Ома
5 мс
20 А
0 В900 V
1 mH
500 A, 375 A, 250 A
500uF
600 V
300 A
0.1 ohm
5 ms
20 A
0 V
Во время паузы перед анодным импульсом ток в дросселе 6 равен нулю, конденсатор металл-оксид-электролит полностью разряжен, транзисторы 11, 14 включены. В момент времени t0 (фиг. 2) блок 21 программируемого контроллера включает транзистор 2 (фиг. 1), в дросселе 6 начинает нарастать ток по цепи датчик 8 тока - транзистор 11 - токоподвод 19 - изделие - электролит - корпус ванны 20 с электролитом - транзистор 14 - источник питания 1 - транзистор 2. Информация о величине тока дросселя 6 и напряжения на инверторе тока 10 передается датчиком 8 тока и датчиком 9 напряжения соответственно в блок 21 программируемого контроллера. При достижении заданной величины анодного тока (500 А) блок 21 программируемого контроллера выключает транзистор 2, открывается обратный диод 5, ток в дросселе 6 начинает спадать и при определенном уровне тока в дросселе 6 транзистор 2 снова включается, и далее импульсный регулятор напряжения понижающего типа (транзистор 2, обратный диод 5, дроссель 6) начинает работать в режиме программно-управляемого импульсного генератора тока, управляемого блоком 21 программируемого контроллера. В момент времени t1 (фиг. 2) напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит достигает напряжения возникновения искровых разрядов и перестает расти дальше, весь ток идет на микродуговое оксидирование изделия. В качестве примера возможности изменять форму тока в течение анодного или катодного импульса в моменты времени t2, t3 анодный ток ступенчато уменьшается.During the pause before the anode pulse, the current in the
В момент времени t4 = 5 мс блок 21 программируемого контроллера (фиг. 1) выключает транзистор 2, ток дросселя 6 замыкается через диод 5 и начинает линейно уменьшаться. В момент времени, когда ток дросселя 6 упадет до 20 А, блок 21 программируемого контроллера включает транзистор 3. В момент времени t5 (фиг. 2) анодный ток станет равным нулю и далее начнет нарастать обратный (отрицательный) ток дросселя 6 (фиг. 1), разряжающий конденсатор металл-оксид-электролит по цепи: изделие – токоподвод 19 – обратный диод 15 – датчик 8 тока – дроссель 6 – транзистор 3 – обратный диод 18 – корпус ванны 20 с электролитом – электролит. При достижении током в дросселе 6 заданного значения 300 А импульсный регулятор напряжения повышающего типа (транзистор 3, обратный диод 4, дроссель 6) переходит в режим стабилизации отрицательного тока в дросселе 6. В момент времени t6 (фиг. 2), когда напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит упадет до нуля, блок 21 программируемого контроллера (фиг. 1) выключает транзистор 3 и энергия, накопленная в дросселе 6, через обратные диоды 16, 15, датчик 8 тока, диод 4 возвращается в источник питания 1. На этом формирование анодного импульса завершается.At the time t 4 = 5 ms, the programmable controller unit 21 (Fig. 1) turns off the
В момент паузы между анодным режимом и катодным режимом транзисторы 11, 14 выключаются без тока и напряжения на них и включаются транзисторы 12, 13. Катодный режим начинается с включения транзистора 2 и далее процесс повторяет анодный режим, но с другими заданными значениями параметров (уставок токов, напряжений, длительностей).At the moment of a pause between the anode mode and the cathode mode,
Если необходимо иметь минимальный фронт заряда конденсатора металл-оксид-электролит (фиг. 2) или производить измерение емкости этого конденсатора в каждом импульсе, в момент паузы между режимами на время, достаточное для разгона в дросселе 6 (фиг. 1) рабочего тока, включаются транзистор 2 и все транзисторы инвертора тока 10, формируя режим к. з. для реверсивного импульсного генератора тока 7. В момент начала анодного или катодного режима лишние транзисторы выключаются блоком 21 программируемого контроллера.If it is necessary to have a minimum charge front of the metal-oxide-electrolyte capacitor (Fig. 2) or to measure the capacitance of this capacitor in each pulse, at the moment of pause between modes for a time sufficient to accelerate the operating current in the inductor 6 (Fig. 1), the
На фиг. 3 представлен упрощенный вариант устройства, в котором полный мост инвертора тока заменен на стойку полумоста 22, содержащую транзисторы 23, 24 и обратные диоды 25, 26, причем транзистор 23 коллектором подключен к плюсовому выводу источника питания 1, катоду обратного диода 25, эмиттером соединен с коллектором транзистора 24, анодом обратного диода 25, катодом обратного диода 26 и корпусом ванны 20 с электролитом, эмиттер транзистора 24 и анод обратного диода 26 соединены с минусовым выводом источника питания 1, токоподвод 19 для изделия соединен через датчик 8 тока со вторым выводом дросселя 6 реверсивного импульсного генератора тока 7, а датчик 9 напряжения подключен между токоподводом 19 для изделия и корпусом ванны 20 с электролитом.In FIG. 3 shows a simplified version of the device, in which the full bridge of the current inverter is replaced by a half-bridge rack 22, containing
Рассмотрим работу данного устройства при условиях и допущениях, принятых для устройства, приведенного на фиг. 1. Во время паузы перед анодным импульсом ток в дросселе 6 (фиг. 3) равен нулю, на конденсаторе металл-оксид-электролит есть небольшое положительное напряжение, транзистор 24 включен. Формирование анодного импульса тока начинается с включения транзистора 2 блоком 21 программируемого контроллера и происходит далее точно так же, как в схеме на фиг. 1. По окончании анодного импульса тока и разрядки конденсатора металл-оксид-электролит до нуля (момент t6 на фиг. 2) блок 21 программируемого контроллера (фиг. 3) выключает транзисторы 3, 24 и энергия, накопленная в дросселе 6, через обратный диод 26, корпус ванны 20 с электролитом, электролит, изделие, токоподвод 19, датчик 8 тока, обратный диод 4 возвращается в источник питания 1. При этом на конденсаторе металл-оксид-электролит останется небольшое отрицательное напряжение (на фиг. 2 это не показано). Во время бестоковой паузы между анодным и катодным режимом включается транзистор 23 (фиг. 3), подключая корпус ванны 20 с электролитом к плюсовому выводу источника питания 1. Формирование катодного импульса тока начинается с включения транзистора 3 блоком 21 программируемого контроллера. При достижении заданной величины катодного тока импульсный регулятор напряжения понижающего типа (транзистор 3, обратный диод 4, дроссель 6) начнет работать в режиме программно-управляемого импульсного генератора тока. По окончании катодного импульса тока, когда выключится транзистор 3 и ток в дросселе 6 упадет до запрограммированной величины (момент t5 на фиг. 2), включится транзистор 2 (фиг. 3) и в дросселе 6 начнет нарастать ток обратной полярности, разряжающий конденсатор металл-оксид-электролит. При достижении заданного уровня тока разряда конденсатора (300 А) блок 21 программируемого контроллера так регулирует время открытого состояния транзистора 2, чтобы ток дросселя 6 соответствовал заданному уровню тока разряда. В момент времени, когда измеряемое датчиком 9 напряжение упадет до нуля, блок 21 программируемого контроллера выключит транзисторы 2, 23 и энергия, накопленная в дросселе 6, через обратный диод 5, датчик 8 тока, токоподвод 19, изделие, электролит, корпус ванны 20 с электролитом и обратный диод 25 вернется в источник питания 1. При этом на конденсаторе металл-оксид-электролит останется небольшое положительное напряжение. На этом формирование катодного импульса завершается.Consider the operation of this device under the conditions and assumptions adopted for the device shown in Fig. 1. During the pause before the anode pulse, the current in inductor 6 (Fig. 3) is zero, there is a small positive voltage on the metal-oxide-electrolyte capacitor,
Технический результат упрощенного варианта устройства - уменьшение в 1,5 раза количества силовых транзисторов и диодов без уменьшения функциональных возможностей устройства, равномерная нагрузка на транзисторы и диоды реверсивного импульсного генератора тока. Недостатком данного устройства является остаточное напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит в конце анодного и катодного импульсов.The technical result of a simplified version of the device is a 1.5-fold reduction in the number of power transistors and diodes without reducing the functionality of the device, a uniform load on transistors and diodes of a reversible pulse current generator. The disadvantage of this device is the residual voltage on the metal-oxide-electrolyte capacitor at the end of the anode and cathode pulses.
Данный недостаток убирается введением в схему устройства дополнительных защитных диодов 27, 28 (фиг. 4), причем защитный диод 27 анодом подключен к токоподводу 19 для изделия, катодом - к положительной клемме источника питания 1, защитный диод 28 катодом подключен к токоподводу 19 для изделия, анодом - к отрицательной клемме источника питания 1. This disadvantage is removed by introducing additional
Предлагаемое устройство (фиг. 1) может быть разработано и изготовлено промышленно с использованием известных радиокомпонентов и устройств силовой электроники. Примем, что устройство для микродугового оксидирования можно отнести к оборудованию для промышленного применения, если оно позволяет получать качественные покрытия на изделиях из сплавов алюминия площадью не менее 1 м2. При плотности тока 10 А/дм2 на поверхности оксидируемого изделия устройство должно формировать в анодно-катодном режиме импульсы тока до 1 кА при выходном напряжении до 700 В, емкости конденсатора металл-оксид-электролит 1000 мкФ и более при средней мощности 250 ÷ 500 кВт.The proposed device (Fig. 1) can be developed and manufactured industrially using known radio components and power electronics devices. Let us assume that a device for microarc oxidation can be classified as equipment for industrial use if it allows obtaining high-quality coatings on aluminum alloy products with an area of at least 1 m 2 . At a current density of 10 A / dm 2 on the surface of the oxidized product, the device should generate current pulses up to 1 kA in the anode-cathode mode at an output voltage of up to 700 V, a metal-oxide-electrolyte capacitor capacitance of 1000 μF or more at an average power of 250 ÷ 500 kW .
В качестве источника питания 1 (фиг. 1) можно использовать оборудование для метрополитена с трансформатором мощностью 630 кВт (например, ТСЗКУ-630/10) и выпрямителем В-МПЕД-1,6к-825 с мостовой параллельной 12-пульсной схемой выпрямления на выходное напряжение 825 В и средний ток 1,6 кА. Выпрямитель необходимо дополнить емкостным фильтром из высоковольтных пленочных конденсаторов, например TC33-407K1000B (Cn = 400 мкФ, Un = 1 кВ, ESR < 2,0 мОм, Irms max = 100 A, Ipeak = 4800 А) производства китайской фирмы TechCap.As a power source 1 (Fig. 1), you can use equipment for the subway with a transformer with a power of 630 kW (for example, TSZKU-630/10) and a V-MPED-1.6k-825 rectifier with a bridge parallel 12-pulse rectification circuit for the output voltage 825 V and average current 1.6 kA. The rectifier must be supplemented with a capacitive filter made of high-voltage film capacitors, for example TC33-407K1000B (Cn = 400 μF, Un = 1 kV, ESR < 2.0 mΩ, Irms max = 100 A, Ipeak = 4800 A) manufactured by the Chinese company TechCap.
В качестве транзисторных ключей можно использовать модули полумоста FF1200R12IE5P фирмы Infineon на ток 1200 А и напряжение 1200 В. Т.к. в инверторе тока 10 нет динамических потерь, максимальный ток анодных и катодных импульсов может быть 1200 А. Для получения тока 1200 А регулятор тока нужно выполнить многоканальным, например, четырехканальным с током в каждом канале до 300 А, работающем на частоте (10 - 25) кГц. Модуль полумоста FF1200R12IE5P имеет в своем составе датчик температуры, поэтому при перегреве модуля полумоста блок 21 программируемого микроконтроллера может понижать частоту переключений транзисторов в этом модуле.As transistor switches, you can use half-bridge modules FF1200R12IE5P from Infineon for a current of 1200 A and a voltage of 1200 V. there are no dynamic losses in the
В качестве основного датчика 8 тока можно использовать LF 1005-S, для каналов реверсивного импульсного регулятора тока можно использовать датчики тока LF305-S, в качестве датчика 9 напряжения можно использовать DVL 1000, все датчики производства фирмы LEM (Швейцария).LF 1005-S can be used as the main
Дроссели 6 с индуктивностью около 1 мГн на ток 300 А могут быть выполнены на П-образных многозазорных сердечниках из тонкой холоднокатаной стали толщиной 50 - 80 мкм с катушками, включенными параллельно.
Таким образом, на основе предлагаемого изобретения можно разработать и изготовить простой и надежный источник питания для микродугового оксидирования изделий из металлов и сплавов с амплитудой анодных и катодных импульсов до 1,2 кА, выходным напряжением до 700 В, со средней мощностью до 550 кВт. Основные отличительные особенности такого источника питания - высокий КПД технологического процесса и возможность работы с металлами и сплавами, имеющими большую удельную емкость паразитного конденсатора металл-оксид-электролит (например, изделия из титана имеют удельную емкость паразитного конденсатора более 50 мкФ/дм2).Thus, based on the proposed invention, it is possible to develop and manufacture a simple and reliable power source for microarc oxidation of metal and alloy products with an anode and cathode pulse amplitude up to 1.2 kA, an output voltage up to 700 V, and an average power up to 550 kW. The main distinguishing features of such a power supply are the high efficiency of the technological process and the ability to work with metals and alloys that have a large specific capacitance of the parasitic metal-oxide-electrolyte capacitor (for example, titanium products have a parasitic capacitance of more than 50 μF/dm 2 ).
По сравнению с прототипом мощность единичного устройства может быть увеличена в десятки раз.Compared with the prototype, the power of a single device can be increased tenfold.
Широкие функциональные возможности заявляемого устройства позволяют использовать его для обработки изделий из самых различных металлов и сплавов, а также сократить время процесса оксидирования и повысить качество получаемых оксидных покрытий.The wide functionality of the proposed device makes it possible to use it for processing products from a wide variety of metals and alloys, as well as to reduce the time of the oxidation process and improve the quality of the resulting oxide coatings.
Claims (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775987C1 true RU2775987C1 (en) | 2022-07-12 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2441108C1 (en) * | 2011-01-11 | 2012-01-27 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Институт химии ДВО РАН) | Device for plasma-electrolytic oxidation of metals and alloys |
CN204530005U (en) * | 2015-01-28 | 2015-08-05 | 昆明电器科学研究所 | Constant current voltage limiting differential arc oxidation pilot circuit |
RU2584058C1 (en) * | 2014-11-28 | 2016-05-20 | Алексей Борисович Рогов | Device for plasma-electrolytic oxidation of valve metals and alloys thereof |
RU2623531C1 (en) * | 2016-10-24 | 2017-06-27 | Акционерное общество Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава (АО "ВНИКТИ") | Device for plasma-electrolytic oxidation of metals and alloys |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2441108C1 (en) * | 2011-01-11 | 2012-01-27 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Институт химии ДВО РАН) | Device for plasma-electrolytic oxidation of metals and alloys |
RU2584058C1 (en) * | 2014-11-28 | 2016-05-20 | Алексей Борисович Рогов | Device for plasma-electrolytic oxidation of valve metals and alloys thereof |
CN204530005U (en) * | 2015-01-28 | 2015-08-05 | 昆明电器科学研究所 | Constant current voltage limiting differential arc oxidation pilot circuit |
RU2623531C1 (en) * | 2016-10-24 | 2017-06-27 | Акционерное общество Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава (АО "ВНИКТИ") | Device for plasma-electrolytic oxidation of metals and alloys |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4028892B2 (en) | Method and circuit arrangement for generating current pulses for electrolytic metal deposition | |
CN100588102C (en) | Method for generating output DC voltage and plasma processing DC voltage power supply | |
CN113078840A (en) | Power supply circuit, repeated flat-top pulse high-intensity magnetic field generating device and control method thereof | |
JPH1084680A (en) | Pulse power supply | |
RU2775987C1 (en) | Apparatus for micro-arc oxidation of products made of metals and alloys | |
US3294666A (en) | Electrolytic treating apparatus including a pulsating d. c. power source | |
CN113328638A (en) | Wide-voltage wide-frequency-output plasma power supply and control method thereof | |
JPWO2005102578A1 (en) | Power supply device and power supply control method for electric discharge machine | |
CN113890327B (en) | Boost circuit integrating APFC (active Power factor correction) and switch capacitor converter and control method | |
RU100082U1 (en) | DEVICE FOR MICRO-ARCH MODIFICATION OF SURFACE OF METALS AND ALLOYS | |
RU2623531C1 (en) | Device for plasma-electrolytic oxidation of metals and alloys | |
RU2635120C1 (en) | Device for microarc metal and alloy oxidation | |
JP4879556B2 (en) | High voltage charger | |
JP2021065052A (en) | Dc pulse power supply for plasma device | |
Casanueva et al. | A new bipolar power supply for spark erosion based on a series-parallel resonant inverter | |
JPH08130870A (en) | Charged capacitor power supply | |
SU1700108A1 (en) | Apparatus for microarc oxidation of metals and alloys | |
SU545123A1 (en) | Pulse generator for electrical discharge machining | |
Voncina et al. | Current source for pulse plating with high di/dt and low ripple in steady state | |
US4879018A (en) | Low voltage anodizing process and apparatus | |
JPH01138024A (en) | Electromagnetic forming device | |
RU75393U1 (en) | DEVICE FOR MICRO-ARC OXIDATION OF VENTAL METALS | |
CN113630018B (en) | Frequency and intensity adjustable oscillating magnetic field generating device and generating method | |
SU1446201A1 (en) | Apparatus for supplying electrolytic baths with pulsed current | |
Krainyukov et al. | Employment of igbt-transistors for bipolar impulsed micro-arc oxidation |