Реверсивный преобразователь для электролитического хромирования
Владельцы патента RU 2551377:
Общество с ограниченной ответственностью Научно-инженерный центр "Гальванопреобразователь" (RU)
Изобретение относится к преобразовательной технике, а также гальванотехнике и может быть использовано в источниках технологического тока, предназначенных для нанесение хромовых и других видов гальванопокрытий. Технический результат - снижение коэффициента пульсаций выходного тока реверсивного тиристорного преобразователя до минимальных значений, обеспечивающих повышение качества хромовых покрытий и других видов гальванопокрытий. Для достижения технического результата в реверсивном тиристорном преобразователе, силовая схема которого содержит две многофазные группы тиристоров, включенные встречно параллельно, и последовательно включенный сглаживающий реактор, а схема управления преобразователя содержит соединенные последовательно систему автоматического регулирования, многоканальную систему импульсно-фазового управления тиристорами и две многоканальные группы выходных ключей, выходы которых соединены с управляющими электродами соответствующих тиристоров силовой схемы, а также схема управления преобразователя содержит блок реверса, два выхода которого подключены к объединенным входам различных групп выходных ключей, дополнительно в силовую схему введены последовательно соединенные одними выводами сглаживающий конденсатор и управляемый ключ, другие выводы которых подключены к двум выходным выводам преобразователя, причем управляющий вход ключа соединен с одним из выходов блока реверса. При этом дополнительно введенный в силовую схему преобразователя конденсатор выполнен в виде параллельно включенных электролитических конденсаторов, а дополнительно введенный в силовую схему преобразователя управляемый ключ выполнен в виде параллельно включенных MOSFET транзисторов. Использование управляемого ключа в виде параллельно включенных MOSFET транзисторов с каналом n-типа позволяет практически устранить влияние ключа на пульсации технологического тока катодной полярности, а использование параллельно включенных электролитических конденсаторов повышенной емкости в сглаживающем LC фильтре позволяет заметно уменьшить пульсации технологического тока катодной (прямой) полярности, при которой происходит осаждение хромового покрытия, что в свою очередь позволяет улучшить физико-механические свойства этого покрытия, а также уменьшить массогабаритные показатели сглаживающего реактора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике, а также гальванотехнике и может быть использовано в источниках технологического тока, предназначенных для нанесения хромовых и других видов гальванопокрытий с целью улучшения их физико-механических свойств.
Известен низковольтный реверсивный тиристорный преобразователь, предназначенный для электролитического хромирования, а также других видов гальванопокрытий с использованием реверсивного технологического тока [1, стр.112, рис.4.6].
Силовая схема этого преобразователя содержит две шестифазные группы тиристоров, включенные встречно параллельно, а его схема управления содержит включенные последовательно систему автоматического регулирования, шестиканальную систему импульсно-фазового управления тиристорами и две шестиканальные группы выходных ключей, выходы которых подключены к управляющим электродам соответствующих тиристоров силовой схемы. Схема управления этого преобразователя содержит также блок реверса, два выхода которого подключены к объединенным входам различных групп выходных ключей [1, стр.128, рис.4.18; стр.129, рис.4.19 и стр.136].
Основной недостаток известного преобразователя заключается в том, что из-за тиристорного регулирования его выходной ток имеет значительно повышенные пульсации, в результате чего ограничивается возможность получения качественных хромовых покрытий.
Известно, что для снижения коэффициента пульсаций выходного тока тиристорного преобразователя используют последовательно включенный сглаживающий реактор [1, стр.148 и стр.168, рис.П6.2]; [2, стр.194, рис.6.1.а)].
Однако даже использование в известном тиристорном преобразователе сглаживающего реактора не позволяет обеспечить снижения коэффициента пульсаций технологического тока (при его регулировании в диапазоне от 10 до 100%) до требуемых значений, необходимых для получения качественных хромовых покрытий [3, стр.169 и стр.170].
Известно также, что для эффективного сглаживания пульсаций выходного тока тиристорного преобразователя используют Г-образный LC фильтр, состоящий из последовательно включенного сглаживающего реактора (дросселя) и параллельно включенного конденсатора [2, стр.197, рис.6.2.б)].
Для наиболее эффективного сглаживания пульсаций выходного тока низковольтных (до 24 В) преобразователей, предназначенных для электролитического хромирования, до требуемых значений в сглаживающем LC фильтре на токи до 25000 A реально возможно применение только параллельно включенных электролитических конденсаторов суммарной емкостью до нескольких фарад.
Однако применение в сглаживающем LC фильтре электролитических конденсаторов возможно только в нереверсивных преобразователях.
В реверсивных тиристорных преобразователях, которые в основном используются для процесса износостойкого хромирования, из-за периодической смены полярности выходного напряжения, применение в LC фильтре полярных электролитических конденсаторов недопустимо.
Основной задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение физико-механических свойств хромовых покрытий, а также других видов гальванопокрытий.
Технический результат достигается путем дальнейшего снижения коэффициента пульсаций выходного тока реверсивного тиристорного преобразователя до минимальных значений, обеспечивающих повышение качества хромовых покрытий, а также других видов гальванопокрытий.
Для достижения технического результата в реверсивном тиристорном преобразователе, силовая схема которого содержит две многофазные группы тиристоров, включенные встречно параллельно, и последовательно включенный сглаживающий реактор, а схема управления преобразователя содержит соединенные последовательно систему автоматического регулирования, многоканальную систему импульсно-фазового управления тиристорами и две многоканальные группы выходных ключей, выходы которых соединены с управляющими электродами соответствующих тиристоров силовой схемы, а также схема управления преобразователя содержит блок реверса, два выхода которого подключены к объединенным входам различных групп выходных ключей, дополнительно в силовую схему введены последовательно соединенные одними выводами сглаживающий конденсатор и управляемый ключ, другие выводы которых подключены к двум выходным выводам преобразователя, причем управляющий вход ключа соединен с одним из выходов блока реверса.
При этом дополнительно введенный в силовую схему преобразователя конденсатор выполнен в виде параллельно включенных электролитических конденсаторов, а дополнительно введенный в силовую схему преобразователя управляемый ключ выполнен в виде параллельно включенных MOSFET транзисторов.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого реверсивного тиристорного преобразователя, предназначенного для электролитического хромирования.
На фиг.1 обозначены:
1 - вторичная силовая схема преобразователя;
2 - гальваническая ванна хромирования с двумя объединенными анодными и одной катодной штангами;
3 - схема управления преобразователя;
4 - сглаживающий реактор L;
5 - сглаживающий конденсатор C;
6 - управляемый ключ Кл;
7 - система автоматического регулирования CAP;
8 - многоканальная система импульсно-фазового управления СИФУ;
9 и 10 - две группы выходных ключей ВК1…ВК6 и ВК7…ВК12;
11 - блок реверса БР;
12 - вход сигнала обратной связи системы CAP.
Вторичная силовая схема 1 этого преобразователя содержит шесть вторичных обмоток силового трансформатора (a, b, c, x, y, z) и две шестифазные группы тиристоров VS1…VS6 и VS7…VS12, включенные встречно параллельно, которые в совокупности образуют шестифазную (дважды трехфазную) схему выпрямления с уравнительным реактором УР. Эта схема выпрямления нашла наиболее широкое применение в серии низковольтных преобразователей для гальванотехники на токи от 800 до 25000 А [1, стр.111 и стр.112, рис.4.6].
Кроме того, вторичная силовая схема 1 преобразователя содержит последовательно включенный сглаживающий реактор 4, а также последовательно соединенные одними выводами сглаживающий конденсатор 5 и управляемый ключ 6. Причем другой вывод сглаживающего конденсатора 5 вместе с выводом реактора 4 соединены с одним выходным выводом преобразователя, а другой вывод управляемого ключа 6 соединен со вторым выходным выводом преобразователя. При этом реактор 4 и конденсатор 5, выполненный в виде батареи параллельно включенных электролитических конденсаторов, образуют сглаживающий LC фильтр.
Один выходной вывод силовой схемы 1 преобразователя подключен к анодному выводу A (две объединенные анодные штанги) гальванической ванны 2, а второй выходной вывод - к катодному выводу К (одна катодная штанга) ванны 2.
Схема управления 3 реверсивного преобразователя содержит соединенные последовательно систему автоматического регулирования 7, шестиканальную систему импульсно-фазового управления тиристорами 8 и две шестиканальные группы выходных ключей 9 и 10, выходы которых соединены с управляющими электродами соответствующих тиристоров VS1…VS6 и VS7…VS12 силовой схемы преобразователя.
При этом к каждому выходу системы импульсно-фазового управления тиристорами 8 подключены одни входы двух выходных ключей противофазных каналов различных групп 9 и 10. Схема управления 3 содержит также блок реверса 11, два выхода которого подключены к объединенным другим входам выходных ключей различных групп 9 и 10. Кроме того, один выход блока реверса 11, подключенный к объединенным входам выходных ключей ВК1…ВК6, дополнительно подключен к управляющему входу ключа 6.
Предварительно в систему управления 3 реверсивного преобразователя задают требуемые значения параметров процесса электролитического хромирования:
- в систему автоматического регулирования 7 - значения технологического тока катодной Ik и анодной Iа полярностей;
- в блок реверса 11 - значения периодов катодной tk и анодной ta полярностей технологического тока.
В процессе работы система автоматического регулирования 7, используя сигнал обратной связи, поступающий на ее вход 12, обеспечивает стабилизацию технологического тока на заданном уровне.
Шестиканальная система импульсно-фазового управления 8 формирует шестифазную систему управляющих импульсов [4], которые поступают на входы выходных ключей обеих групп 9 и 10.
Полярность технологического тока задается блоком реверса 11, по сигналам с которого разрешается поочередная работа двух шестиканальных групп выходных ключей, а следовательно, двух соответствующих групп тиристоров силовой схемы. Так при формировании тока катодной полярности в работе участвуют ключи ВК1…ВК6 и тиристоры VS1…VS6, а при формировании тока анодной полярности - ключи ВК7…ВК12 и тиристоры VS7…VS12. При этом длительность работы каждой группы тиристоров соответствует заданным в блоке реверса 11 значениям периодов катодной и анодной полярностей технологического тока.
Кроме того, при формировании тока катодной (прямой) полярности по сигналу с блока реверса 11 управляемый ключ 6 замкнут.
При этом сглаживающий конденсатор 5, выполненный в виде параллельно включенных электролитических конденсаторов, участвует в работе, обеспечивая вместе со сглаживающим реактором 4 эффективное сглаживание пульсаций технологического тока катодной полярности, при которой происходит процесс осаждения хромового покрытия.
После завершения периода катодной полярности технологического тока по сигналу с блока реверса 11 управляемый ключ 6 размыкается. В результате за периоды анодной (обратной) полярности технологического тока, когда происходит травление хромового покрытия с целью периодической активизации покрываемой поверхности [3, стр.110 и стр.111], сглаживающий конденсатор 5 в работе не участвует, чтобы исключить подачу на полярные электролитические конденсаторы недопустимого обратного напряжения. Поэтому пульсации технологического тока анодной полярности значительно превышают пульсации этого тока катодной полярности. Однако данное явление не отражается на качестве хромовых покрытий, т.к. при кратковременном травлении покрываемой поверхности пульсации технологического тока анодной полярности не оказывают отрицательного воздействия на процесс покрытия.
Управляемый ключ 6 выполняют в виде параллельно включенных MOSFET транзисторов с каналом n-типа, имеющих наименьшее сопротивление их канала, использование которых позволяет практически устранить влияние ключа на пульсации технологического тока катодной полярности. При этом, учитывая наличие обратного диода, используют инверсное включение MOSFET транзисторов.
Количество параллельно включенных MOSFET транзисторов определяется величиной суммарной емкости параллельно включенных электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра.
Использование параллельно включенных электролитических конденсаторов повышенной емкости в сглаживающем LC фильтре предлагаемого реверсивного преобразователя позволяет заметно уменьшить пульсации технологического тока катодной (прямой) полярности, при которой происходит осаждение хромового покрытия, что в свою очередь позволяет улучшить физико-механические свойства этого покрытия, а также уменьшить массогабаритные показатели сглаживающего реактора.
Предлагаемое изобретение реализовано в ряде разработанных и изготовленных ООО НИЦ «Гальванопреобразователь» реверсивных тиристорных преобразователей на токи от 800 до 7000 А, предназначенных для износостойкого хромирования, которые поставлены на несколько ведущих авиационно-космических предприятий России, в т.ч.:
- ФГУП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», ОАО «Авиакор-Авиационный завод» и ОАО «АвиаАгрегат», г. Самара;
- ОАО «РСК «МиГ» (ОКБ им. А.И. Микояна), г. Москва;
- ЗАО «Авиастар-СП», г. Ульяновск,
- ОАО «Воронежское авиационно-строительное объединение» и др.
Источники информации
1. Н.Н. Бондаренко, В.Б. Братолюбов. Низковольтные преобразователи для гальванотехники и электрохимических станков. М, «Энергоатом-издат», 1987 г.
2. И.М. Чиженко, B.C. Руденко, В.И. Сенько. Основы преобразовательной техники. М, «Высшая школа», 1974.
3. Л.Н. Солодкова, В.Н. Кудрявцев. Электролитическое хромирование. 2-ое издание. Приложение к журналу «Гальванотехника и обработка поверхности». М, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013 г.
4. Ю.Ф. Прасолов. Способ и устройство импульсно-фазового управления тиристорами преобразователя. Патент России №2451383, Бюл. №14, 2012 г.
1. Реверсивный преобразователь для электролитического хромирования, силовая схема которого содержит две многофазные группы тиристоров, включенных встречно параллельно, и последовательно включенный сглаживающий реактор, а схема управления преобразователя содержит соединенные последовательно систему автоматического регулирования, многоканальную систему импульсно-фазового управления тиристорами и две многоканальные группы выходных ключей, выходы которых соединены с управляющими электродами соответствующих тиристоров силовой схемы, а также схема управления преобразователя содержит блок реверса, два выхода которого подключены к объединенным входам различных групп выходных ключей, отличающийся тем, что в силовую схему преобразователя дополнительно введены последовательно соединенные одними выводами сглаживающий конденсатор и управляемый ключ, другие выводы которых подключены к двум выходным выводам преобразователя, причем управляющий вход ключа соединен с одним из выходов блока реверса.
2. Реверсивный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что сглаживающий конденсатор выполнен в виде параллельно включенных электролитических конденсаторов.
3. Реверсивный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что управляемый ключ выполнен в виде параллельно включенных MOSFET транзисторов.
