низковольтный сильноточный источник питания для станков электрохимической обработки металлов

Формула изобретения

1. НИЗКОВОЛЬТНЫЙ СИЛЬНОТОЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СТАНКОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ, содержащий управляемый выпрямитель с основным блоком тиристоров и системой их управления, тиристорный ключ, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки, а анод соединен с первым выводом реактора, отличающийся тем, что, с целью упрощения, повышения надежности и расширения области применения путем обеспечения формирования импульсного технологического тока прямоугольной формы с амплитудным регулированием, в него введены дополнительно тиристорный короткозамыкатель и система управления тиристорами ключа и короткозамыкателя, причем аноды тиристоров ключа и короткозамыкателя объединены и подключены к первому выводу выпрямителя, а катод тиристора короткозамыкателя соединен с вторым выводом реактора, вторым выводом выпрямителя и отрицательным выводом нагрузки.

2. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения формирования на нагрузке наряду с импульсным непрерывного технологического тока, в выпрямитель источника введен дополнительный блок тиристоров, первые электроды которых объединены попарно в каждом плече выпрямителя с противоположными электродами тиристоров основного блока, а вторые электроды объединены, образуя третий вывод выпрямителя, который подключен к положительному выводу нагрузки.

3. Источник питания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что система управления тиристорами ключа и короткозамыкателя включает в себя два канала, причем первый канал для управления тиристором ключа содержит соединенные последовательно фазосдвигающее устройство, формирователь импульсов, элемент И, выходной каскад, а второй канал для управления тиристором короткозамыкателя содержит соединенные последовательно блок задания длительности, формирователь импульсов и выходной каскад, причем синхронизирующий вход фазосдвигающего устройства первого канала подключен к выводу реактора силовой схемы, а вход блока задания длительности второго канала соединен с выходом формирователя импульсов первого канала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электрообработке металлов и преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания как непрерывным, так и импульсным технологическим током электрохимических копировально-прошивочных станков, а также других станков электрообработки металлов.

Известен источник питания для электрохимических станков, выполненный на основе управляемого выпрямителя [1], который может формировать на выходе наряду с непрерывным импульсный технологический ток. Импульсный ток этого источника формируется подачей периодического синхронного с питающей сетью запрета на систему управления тиристорами.

Недостатками этого устройства являются ограниченные возможности по формированию коротких (длительностью менее 510^-3 с) импульсов тока; невозможность их амплитудного регулирования без изменения длительности; малая крутизна заднего фронта импульсов тока, который спадает по синусоиде.

Указанные недостатки ограничивают возможности повышения качества обработки деталей на электрохимическом станке.

Задача получения коротких прямоугольных импульсов с амплитудным регулированием для повышения качества процесса электрохимической обработки металлов осложняется тем, что требуются низковольтные (от 3 до 20 В) сильноточные (свыше 1000А) импульсы.

Известен источник питания для электрохимических станков, содержащий управляемый выпрямитель и зависимый инвертор, каждый со своей системой управления, а также реактор и тиристорный ключ. Причем вход инвертора через реактор подключен к выходу выпрямителя, а нагрузка через тиристорный ключ подключена к входу инвертора [2].

Этот источник позволяет формировать на активной нагрузке низковольтные сильноточные импульсы с амплитудным регулированием. Однако он имеет довольно сложную техническую реализацию, так как включает в себя практически два одинаковых преобразователя: управляемый выпрямитель и зависимый инвертор со своими системами управления. Кроме того, зависимый инвертор снижает энергетические показатели и надежность работы устройства, а также вносит дополнительные искажения в питающую сеть.

Цель изобретения - упрощение, повышение надежности и расширение области применения путем обеспечения формирования импульсного технологического тока прямоугольной формы с амплитудным регулированием.

Поставленная цель достигается тем, что в низковольтный сильноточный источник питания для станков электрохимической обработки, содержащий управляемый выпрямитель с основным блоком тиристоров и системой их управления, тиристорный ключ, катод которого соединен с положительным выводом нагрузки, а анод соединен с первым выводом реактора, введены дополнительно тиристорный короткозамыкатель и система управления тиристорами ключа и короткозамыкателя, причем аноды тиристоров ключа и короткозамыкателя объединены и подключены к первому выводу выпрямителя, а катод тиристора короткозамыкателя соединен с вторым выводом реактора, вторым выводом выпрямителя и отрицательным выводом нагрузки.

С целью расширения области применения путем обеспечения формирования на нагрузке наряду с импульсным непрерывного технологического тока в выпрямитель источника введен дополнительный блок тиристоров, первые электроды которых объединены попарно в каждом плече выпрямителя с противоположными электродами тиристоров основного блока, а вторые электроды - объединены, образуя третий вывод выпрямителя, который подключен к положительному выводу нагрузки.

Система управления тиристорами ключа и короткозамыкателя включает в себя два канала, причем первый канал для управления тиристором ключа содержит соединенные последовательно фазосдвигающее устройство, формирователь импульсов, элемент И, выходной каскад, а второй канал для управления тиристора короткозамыкателя содержит соединенные последовательно блок задания длительности, формирователь импульсов и выходной каскад, причем синхронизирующий вход фазосдвигающего устройства первого канала подключен к выводу реактора силовой схемы, а вход блока задания длительности второго канала соединен с выходом формирователя импульсов первого канала.

На фиг. 1 представлена электрическая схема силовой цепи источника, в выпрямителе которого для наглядности использована многофазная нулевая схема выпрямления (в общем случае могут быть применены другие схемы выпрямления); на фиг.2 - функциональные схемы системы управления тиристорами выпрямителя, а также системы управления тиристорами ключа и короткозамыкателя; на фиг.3 - временные диаграммы на элементах источника, поясняющие принцип его работы.

Источник содержит многофазный выпрямитель 1, накопительный реактор 2, тиристорный короткозамыкатель 3, нагрузку 4, тиристорный ключ 5, подключенный катодом к положительному выводу нагрузки 4. Кроме того выпрямитель 1 содержит преобразовательный трансформатор 6, дополнительный блок тиристоров 7 и основной блок тиристоров 8, причем катоды тиристоров дополнительного блока соединены попарно в каждой фазе с анодом тиристоров основного блока 8, подключенными к обмоткам 6 преобразовательного трансформатора. Источник также содержит систему управления тиристорами выпрямителя 9 и систему управления тиристорами ключа и короткозамыкателя 10. Управляемый выпрямитель 1 с дополнительным блоком тиристоров 7 подключен своими выходными выводами непосредственно к нагрузке 4, а аноды тиристоров его основного блока 8, а также аноды тиристоров короткозамыкателя 3 и ключа 5 объединены между собой и подключены к одному выводу реактора 2, второй вывод которого вместе с катодом тиристора короткозамыкателя 3 соединены с отрицательным выводом нагрузки; выходные цепи системы управления тиристорами выпрямителя 9 подключены к управляющим электродам тиристоров выпрямителя 1, а системы управления тиристорами ключа и короткозамыкателя - к управляющим электродам тиристоров короткозамыкателя 3 и ключа 5. При этом синхронизирующий вход системы управления тиристорами ключа и короткозамыкаетля 10 подключен к выводу реактора 2. В свою очередь многоканальная система управления тиристорами выпрямителя 9 содержит в каждом своем канале соединенные последовательно фазосдвигающее устройство 13, формирователь импульсов 14, элемент И 15, выходной каскад 16 и коммутатор 17, а также соединенные последовательно элемент ИЛИ 18, счетчик 19 и дешифратор 20. Причем входы элемента ИЛИ 18 подключены к выходам формирователей импульсов 14 всех каналов, а выход дешифратора 20 подключен к объединенным вторым входам элементов И 15 всех каналов системы 9. На одни входы фазосдвигающих устройств 13 подаются синхронизирующие синусодиальные напряжения U_с, а объединенные другие входы фазосдвигающих устройств 13 всех каналов соединены с выходом системы автоматического управления 11.

Первый канал для управления тиристором ключа 5 двухканальной системы управления тиристорами ключа и короткозамыкателя 10 содержит, аналогично каналу системы управления тиристорами выпрямителя 9, соединенные последовательно фазосдвигающее устройство 21, формирователь импульсов 22, элемент И 23 и выходной каскад 24, а второй канал для управления тиристором короткозамыкателя содержит соединенные последовательно блок задания длительности 25, формирователь импульсов 26 и выходной 27, причем синхронизирующий вход фазосдвигающего устройства 21 подключен к выводу реактора 2, а управляющий его вход объединен с аналогичными входами фазосдвигающих устройств 13, одни вход блока задания длительности 25 соединен с выходом формирователя импульсов 22, а второй его вход предназначен для подключения к регулятору уставок длительностей импульсов тока на нагрузке, дополнительный вход формирователя импульсов 26 соединен с выходом датчика короткого замыкания 12 в межэлектродном промежутке электрохимического станка.

Рассмотрим работу источника при формировании на активной нагрузке прямоугольных импульсов тока с амплитудным регулированием. Пусть формирователи импульсов 14 системы управления тиристорами выпрямителя 9 формируют шестифазную, синхронную с питающей сетью систему импульсов, сдвинутых между собой на 60 эл. град., которые подают на одни входы элементов И 15, а также на входы элемента ИЛИ 18, осуществляющего логическое сложение этих импульсов (фиг.3,а), обозначенных по очередности их формирования цифрами 1... 6. Результирующее напряжение с выхода элемента ИЛИ 18 поступает на счетный вход счетчика 19, переключение которого происходит по отрицательному фронту входных импульсов.

Зададим коэффициент деления этого счетчика равным пяти. При этом с помощью дешифратора 20 обеспечивают на его выходе формирование импульсного напряжения с длительностью импульса 60 эл.град. и скважностью, равной пяти (фиг.3,б), которое подают на объединенные вторые входы элементов И 15, осуществляющих в каждом канале системы управления тиристорами выпрямителя 9 логическое умножение импульсов этого напряжения с импульсами управления 1.. . 6 формирователей импульсов 14. В результате на выходные каскады 16 разрешается прохождение лишь каждого пятого импульса из шестифазной системы, которые на фиг.3,в для наглядности изображены на одной оси.

При работе источника в режиме формирования прямоугольных импульсов тока с амплитудным регулированием коммутаторы 17 в каждом канале системы управления тиристорами выпрямителя обеспечивают прохождение импульсов управления с выходного каскада 16 на тиристоры 8 основного блока выпрямителя 1 (фиг.1).

Пусть в момент V₁ на фиг.3 очередным импульсом управления 6, поступившим на один из выходных каскадов 16, осуществляется включение с наперед заданным углом управления соответствующего тиристора 8 основного блока выпрямителя 1, после чего сигналом "0" с выхода дешифратора 20 запрещает запрещается прохождение последующих четырех импульсов управления из шестифазной системы на свои выходные каскады 16. В результате на выходе выпрямителя с основным блоком тиристоров 8 (на его отрицательном выводе) формируется напряжение U_L в виде участка синусоиды с фазовой отсечкой, которое на фиг.3,д изображено для наглядности с противоположной полярностью. Под действием этого напряжения происходит вначале нарастание тока i_L параллельно подключенного реактора 2, т.е. осуществляется "накачка" энергии в реактор (фиг. 3, е). Очевидно, что нарастание тока i_L продолжается до момента перехода через ноль кривой напряжения U_L, после чего этот ток спадает при нарастании противодействующего (отрицательного на фиг. 3,д) значения напряжения U_L, которое используется в качестве синхронизирующего для фазосдвигающего устройства 21 системы управления тиристорами ключа и короткозамыкателя 10. Поэтому по истечении в момент V₂ заданного фазового сдвига формирователь импульсов 22 осуществляет формирование импульса управления 28, который через элемент И 23 и выходной каскада 24 поступает на тиристор ключа 5 силовой схемы.

После включения тиристора ключа 5 под влиянием противодействующего напряжения на реакторе происходит коммутация тока i_L с выпрямителя 1 на активную нагрузку 4.

Одновременно с включением тиристора ключа 5 импульсом управления с выхода формирователя импульсов 22 запускается блок задания длительности 25, в который по второму входу была предварительно задана требуемая длительность импульсов тока в нагрузке. По истечении заданной длительности в момент V₃ формирователь импульсов 26 осуществляет формирование импульса управления 29, который через выходной каскад 27 подается на тиристор короткозамыкателя 3. Включением этого тиристора обеспечивается выключение тока через нагрузку. В результате на активной нагрузке 4 формируется практически прямоугольный импульс тока (фиг.3,ж).

В момент V₄ после прохождения на свой выходной каскад 16 последующего импульса управления 5 вновь включается соответствующий тиристор 8 основного блока выпрямителя 1, после чего ток реактора 2 коммутируется с короткомзыкателя 3 на выпрямитель 1. В дальнейшем работа источника в рассматриваемом режиме повторяется. При этом кривая тока реактора 2 (фиг.3,е) за период ее повторяемости состоит из трех участков. Участок I соответствует интервалу протекания тока реактора через выпрямитель, участок II - через нагрузку, а участок III - через короткозамыкатель.

Следует отметить, что коэффициент пересчета счетчика 19, а соответственно, период повторяемости импульсов тока на нагрузке задают с учетом обеспечения симметричной загрузки фаз питающей сети и элементов силовой схемы выпрямителя.

В рассмотренном выше случае этот коэффициент был задан равным пяти. При этом осуществляется поочередная работа (в обратной последовательности) всех тиристоров и обмоток трансформатора шестифазного выпрямителя 1, несмотря на импульсную его работу. В результате на нагрузке формируются импульсы тока с частотой следования 60 Гц при частоте питающей сети 50 Гц.

Регулирование в широком диапазоне амплитудных значений тока, а следовательно, напряжения в импульсе на нагрузке осуществляют соответствующим изменением угла управления тиристорами 8 выпрямителя путем изменения напряжения управления V_у, которое подается на объединенные вторые входы фазосдвигающих устройств 13 всех каналов системы управления тиристорами выпрямителя 9, а также фазосдвигающего устройства 21. При этом с помощью системы автоматического управления 11 источником может быть обеспечена стабилизация на заданном уровне амплитудного значения напряжения в импульсе V_и при изменении величины нагрузки.

В этом случае источник будет являться для нагрузки в динамике источником тока, так как ток нагрузки определяется током накопительного реактора с большой постоянной времени, а в статике - источником напряжения.

Сигналом "0" на втором входе элемента И 23 может быть подан оперативный запрет на формирование импульса тока в нагрузке. А при возникновении аварийной ситуации в межэлектродном промежутке электрохимического станка по сигналу с датчика коротких замыканий 12 осуществляется упреждающее включение тиристора короткозамыкателя, чем обеспечивается ограничение длительности текущего импульса тока нагрузки.

Угол коммутации при включении тиристора ключа 5 зависит от индуктивности рассеивания фазы трансформатора 6, тока реактора 2 и от разности между амплитудным значением напряжения на нагрузке и значением напряжения на реакторе 2 в момент включения тиристора ключа 5. Поэтому величину фазового сдвига в фазосдвигающем устройстве 21 задают в зависимости от амплитудного значения напряжения на нагрузке и от требуемой крутизны переднего фронта импульса нагрузки.

Для получения непрерывного тока в нагрузке следует заблокировать счетчик 19 в исходном состоянии, при котором на выходе дешифратора 20 постоянно присутствует сигнал "1", а с помощью коммутаторов 17 подключить к выходным каскадам 16 управляющие электроды тиристоров 7 дополнительного блока выпрямителя.

Источник позволяет кроме того (в отличие от прототипа) формировать на нагрузке импульсный ток в форме полуволны синусоиды с регулируемой фазовой отсечкой. Для этого следует в режиме непрерывного тока снять блокировку со счетчика 19, оставив коммутаторы 17 в том же состоянии.

Следовательно, предлагаемое устройство обеспечивает формирование на активной нагрузке наряду с непрерывными импульсного технологического тока, как в форме полуволны синусоиды с регулируемой фазовой отсечкой, так и прямоугольной формы с амплитудным регулированием. Причем низковольтные (3-24 В) сильноточные (свыше 1000А) импульсы прямоугольной формы с амплитудным регулированием формируются источником без использования в нем узлов принудительной (емкостной) коммутации тиристоров.

При этом предлагаемое устройство, обладая расширенными функциональными возможностями, по сравнению с прототипом имеет более простую схемную реализацию, исключающую применение зависимого инвертора, а следовательно, более высокие энергетические показатели и надежность работы.

Как было показано выше, при формировании прямоугольного импульсного тока дополнительный блок тиристоров выпрямителя не принимает участия в работе.

Поэтому, если в технологическом процессе используется лишь импульсный ток прямоугольный формы, то источника может быть еще заметно упрощен исключением из его состава тиристоров дополнительного блока. А в прототипе в импульсном режиме задействованы все составные части (как выпрямитель, так и зависимый инвертор).

Кроме того, если не требуется оперативного перехода от непрерывного тока к импульсному, то в выпрямителе источника также можно обойтись лишь одним блоком тиристоров, произведя при этом соответствующие переключения в его силовой схеме.

Следует также отметить, что при формировании прямоугольных импульсов, которые используются, как правило, в процессе электрохимической обработки при значительно меньших межэлектродных зазорах по сравнению с непрерывным током, предлагаемое устройство имеет ряд дополнительных преимуществ:

- обеспечивает более надежную защиту электродов электрохимического станка от коротких замыканий путем оперативного включения по сигналу с датчика коротких замыканий тиристора короткозамыкателя, который выключает ток через нагрузку, ограничивая длительность текущего импульса. При этом ток короткого замыкания в нагрузке, а также ток через короткозамыкатель не могут превысить величину рабочего тока, что является особо ценным свойством этого источника.

Кроме того, короткозамыкатель обеспечивает более надежное шунтирование нагрузки, так как он подключен к нагрузке не параллельно, а через ключ; обладает повышенной надежностью в работе, так как ток выпрямителя и ток нагрузки в данном режиме имеют встречное направление и разделены во времени; с уменьшением амплитудного значения напряжения в импульсе при неизменном токе крутизна переднего фронта импульсов тока возрастает, так как улучшаются при этом условия коммутации.

Экспериментальная проверка предлагаемого устройства проведена на макете с номинальным напряжением 15 В и током 1600 А. Получен импульсный технологический ток прямоугольной формы с амплитудным регулированием длительностью импульсов от 0,510^-3 с до 410^-3 с при изменении амплитудного значения напряжения от 3 до 15 В при токе в импульсе 1600 А.

Предлагаемый источник можно разместить в одном шкафу размером 16001000600 и массой 950 кг. При этом экономия материалов на один источник составит: сталь 113,4 кг; сталь электротехническая 190 кг, медь 113 кг; стеклотекстолит 3 кг. Трудоемкость изготовления снизилась на 137 н/ч.