НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“

КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

БОНДАРЕНКО Олександр Федорович

УДК 621.314: 621.311.6

ФОРМУВАЧІ ІМПУЛЬСІВ СТРУМУ

ДЛЯ УСТАНОВОК КОНТАКТНОГО МІКРОЗВАРЮВАННЯ

Спеціальність 05.09.12 – напівпровідникові перетворювачі електроенергії

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі електронних систем Донбаського державного технічного

університету Міністерства освіти і науки України, м. Алчевськ.

Науковий керівник – | кандидат технічних наук, професор

Паеранд Юрій Едуардович,

Донбаський державний технічний університет

МОН України, м. Алчевськ,

завідувач кафедри електронних систем

Офіційні опоненти – | доктор технічних наук, професор

Пентегов Ігор Володимирович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України, м. Київ,

провідний науковий співробітник відділу електротермії;

– | доктор технічних наук, доцент

Петергеря Юлія Сергіївна,

Національний технічний університет України“

Київський політехнічний інститут”,

МОН України, м. Київ,

доцент кафедри промислової електроніки.

Захист відбудеться 25 березня 2008 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої
ради Д 26.002.19 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний
інститут” за адресою: 03056, м. Київ–56, проспект Перемоги, 37, корп. 12, ауд. 412.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ–56, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 19 лютого 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.19 В.Б. Швайченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Сучасний розвиток техніки та технологій нерозривно пов'язаний із використанням електричної енергії, а також її перетворенням за допомогою відповідних пристроїв – перетворювачів електричної енергії. Процес контактного мікрозварювання також не є виключенням. Особливістю цього процесу є необхідність формування імпульсів зварювального струму за допомогою спеціальних перетворювальних пристроїв. Роботи провідних фахівців у даній області показали, що від якості та технологічних можливостей формувача імпульсів залежать такі характеристики процесу зварювання, як точність виготовлення та міцність зварюваних виробів, продуктивність та якість зварювання.

Дослідженню та розробці формувачів імпульсів струму для контактного мікрозварювання, забезпеченню заданих характеристик функціонування, їх динамічних та енергетичних параметрів присвячені численні роботи таких відомих вітчизняних і зарубіжних вчених, як Б.Є. Патон, В.К. Лебедєв, В.Е. Моравський, Д.С. Ворона, І.В. Пентегов, Ю.М. Ланкін, В.С. Гавриш, В.Є. Атауш, В.П. Леонов, Е.В. Бумбієріс, Е.Г. Москвін, Р.Б. Рудзіт, К.А. Кочергин, Б.Д. Орлов, John A. Gilbert, Gerald Dufrenne, Lynn Schultz, Mikio Watanabe, Takashi Jochi, Takasaki Hiroyuki, Ito Atsushi та багатьох інших.

В більшості випадків вимоги, що пред'являються до отримуваного зварного з'єднання, обмежуються необхідною міцністю. Проте при зварюванні деталей відповідального призначення, окрім високої гарантованої якості та надійності з'єднань, необхідно забезпечити високу повторюваність параметрів з'єднання та відсутність випліскувань частинок розплавленого металу.

Проблема поліпшення якості отримуваних за допомогою контактного мікрозварювання з'єднань безпосередньо пов'язана з розробкою та вдосконаленням спеціалізованих джерел зварювального струму, які дозволяють здійснювати формування необхідного закону зміни зварювального імпульсу. Відомо, що найкращих результатів при мікрозварюванні можна досягти, якщо забезпечити плавне введення теплової енергії в зону зварюваного контакту за мінімальний час, з мінімальним вкладенням енергії та узгоджено з процесами, що протікають в контакті. Зварюваний контакт є складним нелінійним навантаженням формувача імпульсів. Невірно задана форма імпульсу зварювального струму або її відхилення в процесі зварювання від заданої, як правило, призводить до істотного погіршення якості отримуваних з'єднань. У зв'язку з цим, до формувача імпульсів пред'являються підвищені вимоги щодо забезпечення необхідної форми імпульсів, їх динамічних та енергетичних параметрів. Слід також відзначити, що тенденції мініатюризації з’єднуваних деталей, а в перспективі перехід до нанотехнологій вимагають зменшення оптимальної тривалості формованих імпульсів та посилюють вимоги до їх параметрів, і, відповідно, до характеристик формувачів цих імпульсів.

Актуальність теми. Враховуючи виключно важливу роль, яку відіграють формувачі імпульсів у забезпеченні високої якості мікрозварних з'єднань, а також сучасні тенденції мініатюризації, актуальним є подальший розвиток концепції побудови формувачів імпульсів струму для контактного мікрозварювання у напрямі виявлення нових, більш ефективних законів зміни імпульсів зварювального струму, вдосконалення формувачів імпульсів з метою максимального врахування особливостей електрофізичних процесів, що протікають у навантаженні, розробки рішень, направлених на розширення функціональних можливостей формувачів та підвищення їх швидкодії. Реалізація результатів цих досліджень в практичних розробках, створення на їх основі нових перетворювачів для формування зварювальних імпульсів дозволить вивести установки для контактного мікрозварювання на нові, більш високі показники ефективності роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи проводилися в Донбаському державному технічному університеті МОН України в рамках науково-дослідної роботи “Дослідження та розробка статичних перетворювачів частоти, що мають пристрої автоматичного узгодження з навантаженням” (№ ДР 0104U002171, шифр теми №135 ГБ), у якій здобувач приймав участь як молодший науковий співробітник.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є подальший розвиток концепції побудови формувачів імпульсів струму для контактного мікрозварювання, вдосконалення таких формувачів з урахуванням особливостей електрофізичних процесів, що протікають в навантаженні формувача – зварюваному контакті.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувалися наступні основні задачі:–

аналіз електрофізичних процесів у навантаженні формувача імпульсів – зварюваному контакті, формулювання вимог до закону зміни зварювального імпульсу з точки зору підвищення якості отримуваного з'єднання;–

аналіз відомих принципів побудови формувачів імпульсів для установок контактного зварювання на базі напівпровідникових перетворювачів, обґрунтування необхідності подальшого вдосконалення і розширення функціональних можливостей таких формувачів імпульсів;–

розробка і дослідження нових схемних рішень формувачів імпульсів для контактного мікрозварювання, які забезпечують формування зварювальних імпульсів відповідно до вимог, що пред'являються до них;–

розробка математичних моделей елементів і вузлів формувача імпульсів, а також формувача імпульсів у цілому, які дозволяють оцінити динамічні властивості формувача і вплив параметрів елементів схеми на форму отримуваних імпульсів та дослідити перехідні процеси у формувачі імпульсів;–

експериментальна перевірка ефективності запропонованих технічних рішень, порівняння експериментальних осцилограм з результатами моделювання.

Об'єктом дослідження є процес формування імпульсів струму для контактного мікрозварювання.

Предметом дослідження є формувачі імпульсів струму для контактного мікрозварювання.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених в дисертації задач використовувалися: елементи теорії електричних контактів для аналізу електрофізичних процесів в зварюваному контакті; теорія електричних і електронних кіл, теорія автоматичного керування, методи математичного і фізичного моделювання, методи аналізу лінійних і нелінійних схем, методи структурно-параметричної оптимізації, операторний метод для проведення теоретичних досліджень; метод дисперсійного аналізу для проведення експериментальних досліджень. Числові розрахунки і моделювання проводилися з використанням програм MATHCAD 2001i та MATLAB 6.5 (пакети Simulink, DSP Blockset, Real-Time Windows Target, SimPowerSystems).

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:–

отримала подальший розвиток концепція побудови формувачів імпульсів струму для контактного мікрозварювання на базі напівпровідникових перетворювачів, у напрямку забезпечення процесу формування імпульсу потужності зварювального струму відповідно до електрофізичних процесів у навантаженні формувача – зварюваному контакті;–

вперше при формуванні імпульсу зварювального струму запропоновано здійснювати регулювання його амплітудно-часових параметрів відповідно до закону, згідно з яким потужність зварювального імпульсу повинна збільшуватися до максимального значення за ступеневим законом із показником ступеня, який залежить від параметрів навантаження, при цьому максимальне значення потужності визначається моментом досягнення напругою між електродами значення з інтервалу “напруга плавлення” – “напруга кипіння”, що дозволяє більш повно врахувати особливості електрофізичних процесів в навантаженні формувача та підвищити якість зварного з'єднання;–

вперше запропоновано нові принципи побудови схем формувача імпульсів, які базуються на формуванні еталонного сигналу з використанням “табличного” способу задавання функцій, а також із використанням імітаційних моделей, які працюють в режимі реального часу, що дозволяє істотно розширити можливості задавання необхідних законів зміни формованих імпульсів;–

вперше розроблено математичну модель формувача імпульсів, яка враховує нелінійність регулятора зварювального струму і зварювального контура, їх інерційні властивості, а також дозволяє дослідити вплив параметрів елементів схеми на процес формування імпульсів і здійснити синтез системи автоматичного регулювання;–

вперше проведено дослідження перехідних процесів у формувачі імпульсів з імітацією нелінійності опору навантаження, в результаті яких встановлено, що ця нелінійність за відповідного настроювання ланки, що корегує, істотно не впливає на форму отримуваного імпульсу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:–

наукові положення доведено до рівня, придатного для практичного застосування при розробці формувачів імпульсів струму для контактного мікрозварювання із заданим законом зміни потужності;–

розроблено схеми формувачів імпульсів із розширеними функціональними можливостями, які можуть використовуватися технологами як достатньо ефективний та зручний інструмент при визначенні оптимальних законів зміни зварювальних імпульсів, виходячи з матеріалів і конфігурації зварюваних деталей, електродів, програми зусилля стискування електродів та інших умов;–

результати роботи використані при виробництві коливальних систем електромеханічних фільтрів, які застосовуються для побудови каналів тональної частоти систем передачі в устаткуванні СПС-3 та СПС-6, а також при розробці пристроїв розподілу сигналів синхронізації в Українському науково-дослідному інституті зв'язку, що дозволило знизити розкид резонансних частот резонаторів і нерівномірність амплітудно-частотної характеристики в смузі пропускання фільтрів, зменшити трудомісткість виготовлення фільтрів і технологічні втрати при їх виробництві;–

отримані в дисертаційній роботі результати використовуються в учбовому процесі на кафедрі електронних систем Донбаського державного технічного університету при викладанні курсів “Енергетична електроніка”, “Електронні перетворювальні системи”, “Основи наукових досліджень”, а також у дипломному проектуванні.

Практичну цінність отриманих результатів підтверджують отримані автором патенти України на винахід і на корисні моделі.

Особистий внесок автора. Наукові положення та результати, викладені в дисертації, отримані автором особисто.

У роботах, які опубліковані в співавторстві, особисто автору належить: у [1, 10] – аналіз електрофізичних процесів у зварюваному контакті, розробка вимог до закону зміни потужності імпульсу зварювального струму та результати експериментальних досліджень у вигляді порівняльного аналізу гістограм резонансних частот резонаторів після зварювання; у [2] – принцип формування сигналу для задавання амплітуди, форми і тривалості протікання зварювального імпульсу; у [3] – розробка принципу побудови схеми формувача імпульсів, принципу формування еталонного сигналу, а також графічні залежності амплітудно-частотних характеристик електромеханічних фільтрів від форми зварювального імпульсу; у [4] – принцип побудови схеми формувача імпульсів, принципи формування еталонного сигналу, результати експериментальних досліджень; у [5] – функціональні схеми силової частини і системи керування формувача імпульсів; аналітичні вирази, які описують електромагнітні процеси в накопичувачі енергії формувача імпульсів; аналітичний вираз, який відображує зв'язок між потужністю формованого імпульсу та керуючою напругою, а також динамічними властивостями елементів і вузлів формувача; аналітичні вирази, які описують принцип формування еталонного сигналу; аналітичний вираз для визначення вихідної напруги перемножувача; у [6, 12] – результати експериментальних досліджень і моделювання системи формування імпульсів струму; у [7, 9] – принцип побудови формувача імпульсів струму для контактного мікрозварювання з регульованим законом зміни потужності; у [8, 11] – аналіз електрофізичних процесів у зварюваному контакті, а також принцип узгодження часових інтервалів закону зміни потужності зварювального струму з електрофізичними процесами в зварюваному контакті.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-технічних і науково-практичних конференціях: “Силова електроніка та енергоефективність” (м. Алушта, 2005, 2006, 2007 рр.); “Сучасні інформаційні та електронні технології” (м. Одеса, 2006, 2007 рр.); “Автоматика” (м. Севастополь, 2007 р.); “Датчики, прилади та системи” (м. Гурзуф, 2007 р.). Крім того, результати роботи пройшли апробацію: на всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів, молодих вчених з міжнародною участю “Електротехніка і електромеханіка” (м. Миколаїв, 2006 р.); на семінарі наукової ради Національної Академії Наук України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”, секція “Перетворення параметрів електричної енергії” (м. Київ, 2007 р.); на науково-технічних конференціях Донбаського державного технічного університету “Електрообладнання та засоби автоматизації передових технологій” (м. Алчевськ, 2005, 2007 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 12 наукових роботах, з яких 6 статей в професійних наукових виданнях, 1 патент України на винахід і 2 патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 211 сторінок, у тому числі 136 сторінок основного тексту, 40 рисунків на 36 сторінках і 24 рисунки по тексту, 3 таблиці по тексту, список використаних джерел із 210 найменувань на 26 сторінках, 3 додатки на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення результатів дисертаційних досліджень, зазначено особистий внесок здобувача, наведено дані про апробацію результатів роботи та публікації.

У першому розділі проведено аналіз особливостей формування імпульсів струму для контактного мікрозварювання, а також принципів побудови формувачів імпульсів, який показав необхідність подальшого розвитку концепції побудови таких формувачів, дозволив обґрунтувати актуальність проведення досліджень у напрямі створення нових і вдосконалення відомих формувачів імпульсів, розширення їх функціональних можливостей з метою підвищення якості отримуваних з'єднань.

Навантаженням формувача імпульсів є зварюваний контакт, опір якого змінюється в процесі мікрозварювання за достатньо складним, наперед невідомим законом. На рис. 1а представлена модель навантаження rЗЗ, яка складається з опорів матеріалів деталей (rД1, rД2), перехідних опорів електрод-деталь (rЕ1Д1, rЕ2Д2) та опорів деталь-деталь (rД1Д2). На рис. 1б представлені можливі закони зміни опору навантаження та його складових. Такий складний характер навантаження у поєднанні з достатньо малою тривалістю формованих імпульсів, необхідних для мікрозварювання, в більшості випадків призводить до неузгодженості форми імпульсів з електрофізичними процесами в навантаженні, і, як наслідок, до появи дефектів зварних з'єднань, істотного зниження їх якості. Таким чином, для отримання якісного зварного з'єднання необхідно здійснювати формування зварювальних імпульсів із максимальним врахуванням особливостей зварюваного контакту, як навантаження формувача.

(рисунок видалено)

Рис. 1

Проведено аналіз електрофізичних процесів у навантаженні формувача імпульсів – зварюваному контакті – з точки зору підвищення якості отримуваного з'єднання, який дозволив сформулювати вимоги до закону зміни зварювального імпульсу.

Виключення випліскувань мікрочастинок розплавленого металу, підвищення повторюваності з'єднань, і, відповідно, їх якості, можна досягти при виконанні принципу “незмінності тепловиділення на одиницю площі зварюваного контакту”.

У зв'язку з тим, що тепловиділення прямо пропорційне потужності зварювального імпульсу, а площа контакту в процесі зварювання змінюється і ця зміна залежить від багатьох, у тому числі і випадкових факторів, запропоновано формування імпульсу здійснювати за наступним законом:

(1)

Таким чином, згідно (1) потужність на початковому етапі tФ (від t0 до t1) повинна наростати за ступеневим законом до максимального значення PЗВmax, далі (від t1 до t2) – підтримуватися на цьому рівні, оскільки площа контакту після його розплавлення практично не змінюється, і, після закінчення часу, необхідного для зварювання, – відключатися (рис. 2). Показник ступеня n на етапі зростання потужності може набувати різних значень в залежності від факторів, що здійснюють найбільш суттєвий вплив на електрофізичні процеси в навантаженні формувача.

(рисунок видалено)

Рис. 2

Визначити показник ступеня n, який дозволив би отримувати найвищу якість з'єднань, теоретичним шляхом достатньо складно, тому більш прийнятним варіантом є його визначення шляхом підбору для кожного окремого випадку. Для цього, в свою чергу, необхідна розробка спеціального пристрою, який дозволяв би програмувати потрібну форму імпульсу з можливістю її оперативної зміни.

Проведено аналіз основних схемотехнічних рішень, що використовуються при побудові силової частини формувачів імпульсів струму для установок контактного мікрозварювання. На підставі аналізу запропонована класифікація формувачів, яка враховує нові рішення в даній області, а також сучасні тенденції її розвитку.

Аналіз основних схемотехнічних рішень, які використовуються при побудові силової частини формувачів імпульсів струму для установок контактного мікрозварювання показав, що найбільш високі показники за точністю та швидкодією дозволяють забезпечити формувачі імпульсів, силова частина яких побудована на основі транзисторних структур в активному режимі роботи без силового зварювального трансформатора.

Розглянуто принципи побудови блоків задавання амплітуди, тривалості протікання та форми зварювальних імпульсів. Реалізація таких блоків для задавання імпульсів з різними показниками ступеня на етапі наростання і забезпечення можливості оперативної зміни їх форми при використанні аналогової елементної бази потребують достатньо складних схемотехнічних рішень і пов'язані із значними часовими та матеріальними витратами на проектування.

У другому розділі запропоновано нові принципи побудови формувача імпульсів для контактного мікрозварювання. Наведено функціональну та структурні схеми формувачів зварювальних імпульсів із заданим законом зміни потужності, обґрунтовано принцип побудови силової частини формувача. Проведено узгодження часових інтервалів формованих імпульсів з електрофізичними процесами в зварюваному контакті. Розроблено принципи формування еталонного сигналу для задавання необхідних законів зміни формованих імпульсів потужності з використанням мікропроцесорних засобів.

Для формування зварювальних імпульсів із заданим законом зміни потужності запропонована структурна схема формувача, яка представлена на рис. 3. У її склад входять джерело зварювального струму ДЗС, регулятор зварювального струму РЗС, давачі сигналів зворотного зв'язку за зварювальним струмом ДС та напругою на електродах ДН, блок перемноження БП1, блок порівняння БП3, буферний підсилювач БП2 і формувач еталонного сигналу ФЕС, який складається з мікроконтролера МК та цифро-аналогового перетворювача ЦАП. Запропонований формувач імпульсів працює як замкнена система із зворотним зв'язком за потужністю.

(рисунок видалено)

Рис. 3

Розглянуто особливості побудови силової частини формувача імпульсів. Аналіз показав, що в якості джерела зварювального струму доцільно використовувати комбінований накопичувач енергії, який складається з електрохімічного та ємнісного накопичувачів, – “акумуляторна батарея – електролітичний конденсатор”. Схема заміщення такого джерела зварювального струму представлена на рис. 4, і для неї на основі методу рівнянь Кирхгофа складено систему рівнянь, що описує електромагнітні процеси:

(рисунок видалено)

Рис. 4

На основі даної системи рівнянь отримано аналітичні вирази в операторній формі, що дозволяють оцінити динамічні властивості комбінованого джерела зварювального струму “акумуляторна батарея – електролітичний конденсатор”. Вираз для струму навантаження має вигляд:

де , , , ,

, ,

.

Напруга на навантаженні визначиться з виразу

Визначення миттєвої розрядної потужності комбінованого джерела зварювального струму пов'язане із знаходженням добутку в часовій області. Для знаходження даного добутку з використанням програми MATHCAD 2001i проведено перехід від зображень до оригіналів , та отримано діаграми перехідних процесів потужності, що віддається джерелом зварювального струму і напруги на його виході, які представлено на рис. 5. Діаграми отримано для наступних параметрів елементів схеми заміщення: акумуляторна батарея 6СТ-55, E = 12 В, CЕ = 1,25 Ф, RЕЛ = 83,3•10–3 Ом, RЕТ = 7,7•10–3 Ом, LЕТ = 0,2•10–3 Гн; електролітичний конденсатор К50-77, CН = 0,1 Ф, RВ = =15•10–3 Ом, LВ = 10•10–9 Гн; опір навантаження RН = 5•10–3 Ом. На основі отриманих діаграм зроблено висновок про можливість та ефективність використання в якості джерела зварювального струму комбінованого накопичувача енергії – “акумуляторна батарея – електролітичний конденсатор”.

(рисунок видалено)

Рис. 5

Проведено аналіз динамічних властивостей зварювального контуру з використанням зварювального трансформатора та без нього, для чого були складені відповідні схеми заміщення, представлені на рис. 6.

(рисунок видалено)

Рис. 6

Передавальна функція для безтрансформаторного зварювального контуру, згідно схеми заміщення на рис. 6а, отримана у вигляді:

де – стала часу безтрансформаторного зварювального контуру.

Передавальна функція зварювального контуру за наявності трансформатора згідно схеми заміщення на рис. 6б, отримана у вигляді:

де , , , – сталі часу зварювального контуру з трансформатором.

З отриманих виразів передавальних функцій стає видно, що зварювальний контур з трансформатором є ланкою третього порядку. При проектуванні формувача імпульсів із зварювальним трансформатором, як замкненої системи автоматичного регулювання, наявність в контурі регулювання такої ланки створює проблеми при забезпеченні заданих показників якості регулювання та вимог стійкості. Можна очікувати, що точність та швидкодія формувача з трансформатором в зварювальному контурі будуть значно нижчі в порівнянні з безтрансформаторним формувачем імпульсів.

Таким чином, аналіз динамічних властивостей зварювального контуру показує, що при режимах зварювання, коли амплітуди струмів можуть бути фізично реалізовані існуючими напівпровідниковими приладами, а для мікрозварювання характерні саме такі режими, є доцільним виключення зварювального трансформатору.

Розглянуто можливості подальшого узгодження параметрів зварювальних імпульсів з електрофізичними процесами, що протікають в зварюваному контакті. Згідно теорії електричних контактів, яка отримала розвиток у роботах Р. Хольма, напруга на електродах характеризує стан металу в зварюваному контакті, а саме його температуру. На підставі цього при формуванні зварювального імпульсу із заданим законом зміни потужності запропоновано здійснювати корекцію його амплітудно-часових параметрів відповідно до напруги між електродами. Максимальне значення потужності на етапі наростання відповідає моменту досягнення міжелектродною напругою порогового значення (рис. 7), яке обирається з інтервалу між “напругою плавлення” та “напругою кипіння”. На рис. 7 показані діаграми для трьох варіантів досягнення міжелектродною напругою UЕ порогового значення. Варіант перший ілюструють криві 1. При цьому міжелектродна напруга UЕ досягає порогового значення за час tФ1, тривалість всього процесу зварювання дорівнює tЗВ1. Підвищення інтенсивності тепловиділення або її зниження при відхиленні розмірів зварюваних деталей, різній якості їх підготовки, зміні стану робочих поверхонь електродів та інших збуреннях на процес контактного мікрозварювання, призводить до того, що міжелектродна напруга UЕ досягає порогового значення відповідно за час tФ2 < tФ1 (варіант 2), або за tФ3 > tФ1 (варіант 3). При цьому для досягнення необхідної якості з'єднання, виділення однакової кількості енергії WЗВ в зварюваному контакті необхідне збільшення часу підтримування потужності зварювального струму на постійному рівні (tП2 > tП1) або його зменшення (tП3 < tП1).

(рисунок видалено)

Рис. 7

Для забезпечення формування зварювальних імпульсів узгоджено з розглянутими вище електрофізичними процесами запропонована структурна схема формувача імпульсів з розширеними функціональними можливостями (рис. 8). Дана схема відрізняється від схеми на рис. 3 тим, що в неї додатково введені блок задавання енергії БЗЕ, компаратори К1 і К2, інтегратор І, блок керування БК, а також блок, що задає порогову напругу між електродами БЗН. Принцип роботи даної схеми є аналогічним принципу роботи схеми на рис. 3, відмінність полягає тільки в наявності додаткової можливості при формуванні зварювального імпульсу із заданим законом зміни потужності здійснювати корекцію його амплітудно-часових параметрів відповідно до напруги між електродами.

(рисунок видалено)

Рис. 8

Запропоновано і реалізовано у вигляді алгоритму (рис. 9) принцип формування еталонного сигналу, який базується на “табличному” способі задавання функцій та дозволяє задавати необхідні закони зміни імпульсів, що формуються. Мікроконтролер і цифро-аналоговий перетворювач, які входять до складу ФЕС (рис. 3) використовуються, відповідно, для обчислення значень еталонного сигналу і перетворення його в аналогову форму. Таблиця значень цифрового сигналу створюється на основі математичного опису необхідного закону зміни формованого імпульсу та містить певну кількість елементів k дискретних значень функції АЕТk, які відповідають безперервній функції аЕТ(t) на кожному інтервалі дискретизації Дt. Згідно запропонованому алгоритму, елементи таблиці даних АЕТk, їх кількість k, значення сигналу в режимі очікування імпульсу, який запускає AОЧ, і тривалість інтервалу часу затримки tЗ вводяться в пам'ять мікроконтролера. На наступному етапі мікроконтролер встановлює на виході цифро-аналогового перетворювача значення сигналу AОЧ і далі переходить в режим очікування імпульсу, який запускає. При появі цього імпульсу починає виконуватися цикл операцій по виведенню значень елементів таблиці даних на вхід цифро-аналогового перетворювача. У цьому циклі здійснюється також формування часової затримки заданої тривалості, яка визначається необхідною швидкістю оновлення даних і вимогами точності.

(рисунок видалено)

Рис. 9

На рис. 10 представлено осцилограми еталонного сигналу, сформованого для реалізації закону (1) із використанням запропонованого алгоритму, при різних показниках ступеня. Відхилення форми отриманих осцилограм від теоретичних залежностей не перевищує 3%. При частоті тактового генератора мікроконтролера 7,4 МГц мінімальний час оновлення даних на виході склав близько 10 мкс (для розробки робочої програми мікроконтролера використовувалась мова асемблера).

(рисунок видалено)

Рис. 10

Принцип формування еталонного сигналу з використанням імітаційних моделей, що працюють в режимі реального часу, ілюструють схема, формули та діаграми на рис. 11. Для реалізації даного принципу використовувалися персональний комп'ютер, плата введення-виведення даних і програмне середовище MATLAB. Процес формування еталонного сигналу описується за допомогою формул, які реалізуються математичними блоками пакету Simulink і Real-Time Windows Target. З відповідних блоків будується імітаційна модель, здійснюється її настроювання. Програмне середовище MATLAB дозволяє організувати взаємодію плати введення-виведення даних і персонального комп'ютера, що працює під операційною системою Windows, в режимі реального часу. При використанні ПК на базі Intel Celeron, 1700 МГц і плати введення-виведення Advantech PCI-1711 отримані осцилограми еталонного сигналу, які є аналогічними тим, що представлені на рис. 10 (мінімальний час виведення даних склав близько 20 мкс).

(рисунок видалено)

Рис. 11

Третій розділ присвячено розробці та дослідженню математичних моделей формувача імпульсів.

На рис. 12 представлено функціональні схеми силової частини формувача імпульсів і його системи керування. На основі даних схем, розроблена математична модель регулятора зварювального струму, яка враховує його інерційні та нелінійні властивості, а також характер навантаження формувача імпульсів у вигляді зварювального контуру та зварюваного контакту.

(рисунок видалено)

Рис. 12

Вираз для зварювального струму має вигляд:

.

З урахуванням цього виразу, а також інерційних властивостей зварювального контуру, отримано вираз в операторній формі, який відображає зв'язок напруги керування та потужності зварювального імпульсу:

.

Передавальна функція за умови лінеаризації даної залежності виглядатиме таким чином:

. (2)

Розроблено алгоритмічну структурну схему формувача імпульсів (рис. 13), що дозволяє досліджувати його динамічні характеристики і вплив існуючих нелінійностей на форму отримуваних імпульсів, а також аналізувати різні варіанти настроювання регулятора.

(рисунок видалено)

Рис. 13

Аналіз сталих часу, що входять у вираз (2), дозволив отримати передавальну функцію лінеаризованого формувача імпульсів у вигляді ланки третього порядку.

. (3)

Передавальна функція (3) враховує динамічні властивості зварювального контура, а також динамічні і підсилювальні властивості транзисторів регулятора зварювального струму. При виборі та настроюванні ланки, що корегує, для об'єкту регулювання, який описується даною передавальною функцією, з метою визначення орієнтовних параметрів настройки використана методика, запропонована В.А. Лукасом. Для даного об'єкту регулювання заздалегідь вибрана ланка, що корегує, у вигляді ПІД-регулятора. У зв'язку з тим, що формувач імпульсів, як об'єкт регулювання, є нелінійним об'єктом, а також системою програмного регулювання, настроювання ланки, що корегує, проведене з урахуванням результатів моделювання на імітаційних моделях.

Проведено дослідження динамічних характеристик формувача імпульсів за допомогою імітаційних моделей при різних варіантах настроювання регулятора, з урахуванням нелінійностей елементів і вузлів формувача та без такого. З урахуванням реальних значень нелінійностей отримані діаграми перехідних процесів еталонного сигналу аЕТ(t), потужності навантаження рЗВ(t) та сигналу розузгодження Др(t), які представлені на рис. 14. В результаті проведених досліджень здійснено уточнення параметрів і типу регулятора (в остаточному варіанті ПІ-регулятор), а також встановлено, що найбільша похибка при формуванні імпульсу відповідає початковій ділянці на етапі формування фронту. Крім того, встановлено, що нелінійність опору навантаження за відповідного настроювання ланки, що корегує, істотно не впливає на форму отримуваного імпульсу.

(рисунок видалено)

Рис. 14

Для зменшення відхилення форми імпульсу від заданої та виключення перегріву силових транзисторів регулятора запропоновано задавати транзисторам початкову напругу зсуву затвор-виток безпосередньо перед формуванням імпульсу.

Четвертий розділ присвячено експериментальному дослідженню формувача імпульсів, а також перевірці ефективності його роботи.

Експериментальні дослідження запропонованого формувача імпульсів показали, що він забезпечує необхідний закон зміни потужності зварювального імпульсу в зварюваному контакті. Порівняння експериментальних осцилограм і діаграм, отриманих при моделюванні, підтвердило адекватність запропонованих математичних моделей і правильність вибору та настроювання регулятора (рис. 15). Розбіжність експериментальних осцилограм і діаграм, отриманих при моделюванні, не перевищує 5%.

(рисунок видалено)

Рис. 15

Розглянуто особливості контактного мікрозварювання деталей відповідального призначення – коливальних систем електромеханічних фільтрів (рис. 16), а також особливості характеристик таких фільтрів, та відмічено, що при виготовленні коливальних систем якість зварних з'єднань впливає на один з найважливіших параметрів фільтру – нерівномірність його амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) в смузі пропускання Дa. Недостатня якість з'єднань вимагає наявності складної та трудомісткої операції – операції настроювання, що істотно знижує ефективність технологічного процесу.

(рисунок видалено)

Рис. 16

На основі методу дисперсійного аналізу проведена експериментальна оцінка впливу форми зварювального імпульсу, і, відповідно, типу формувача імпульсів на резонансні частоти резонаторів електромеханічних фільтрів, а також на його основний параметр – нерівномірність АЧХ в смузі пропускання (рис. 17). На рис. 17 представлені АЧХ, отримані з використанням наступних типів формувачів: 1 – розрядно-конденсаторного типу; 2 – формувача, що дозволяє отримувати імпульси тільки з показником ступеня на етапі наростання потужності n = 2; 3 – розробленого формувача, що дозволяє отримувати імпульси необхідної форми з будь-яким показником ступеня на етапі наростання потужності (крива 3 отримана для показника ступеня n = 1,7). Використання розробленого формувача дозволило зменшити розкид резонансних частот резонаторів і нерівномірність АЧХ. При цьому досягнуто зниження дисперсії резонансних частот резонаторів на 19,3%, а також поліпшення амплітудно-частотної характеристики електромеханічних фільтрів, і, відповідно, збільшення кількості фільтрів, що не вимагають настроювання на 10% в порівнянні з використанням формувача, який забезпечує показник ступеня n = 2.

(рисунок видалено)

Рис. 17

Розроблений формувач імпульсів рекомендовано застосовувати для зварювання деталей відповідального призначення, де окрім високої гарантованої міцності та надійності з'єднань, необхідно забезпечити їх високу повторюваність і відсутність випліскувань частинок розплавленого металу.

ВИСНОВКИ

Виконана дисертаційна робота є вирішенням комплексу задач, які мають наукове і практичне значення для подальшого розвитку концепції побудови формувачів імпульсів струму для установок контактного мікрозварювання в напрямі вдосконалення таких формувачів з урахуванням особливостей електрофізичних процесів, що протікають в навантаженні формувача – зварюваному контакті. У дисертаційній роботі отримані нові науково обґрунтовані теоретичні і практичні результати, які полягають в наступному:

1. Проаналізовано електрофізичні процеси в навантаженні формувача імпульсів – зварюваному контакті – з точки зору підвищення якості отримуваного з'єднання і сформульовані вимоги до закону зміни зварювального імпульсу. Встановлено, що потужність на початковому етапі повинна наростати за ступеневим законом до максимального значення, далі – підтримуватися на цьому рівні, і, після закінчення часу, необхідного для зварювання, – відключатися. При цьому показник ступеня на етапі наростання імпульсу потужності може набувати різних значень, в залежності від параметрів конкретного навантаження формувача.

2. Проаналізовано відомі принципи побудови формувачів імпульсів для установок контактного зварювання. Запропонована їх класифікація, яка враховує нові рішення в даній області, а також сучасні тенденції її розвитку. В результаті аналізу виявлено найбільш перспективне для установок контактного мікрозварювання технічне рішення – безтрансформаторний формувач імпульсів на основі транзисторних регуляторів, що працюють в активному режимі. Обґрунтована необхідність подальшого вдосконалення формувачів імпульсів, розширення їх функціональних можливостей.

3. Запропоновано і розроблено нові функціональну та структурні схеми формувача імпульсів для контактного мікрозварювання, які дозволяють формувати зварювальні імпульси із заданим законом зміни потужності. Порівняно з відомими рішеннями, запропоновані відрізняються ширшими функціональними можливостями, їх застосування дозволяє підвищити якість мікрозварних з'єднань деталей відповідального призначення.

4. Розглянуто особливості побудови силової частини формувача імпульсів. Отримано аналітичні вирази, які дозволяють оцінити динамічні властивості комбінованого джерела зварювального струму “акумуляторна батарея – електролітичний конденсатор”, а саме миттєву потужність, що віддається, та миттєву напругу на виході джерела зварювального струму, здійснити вибір значення ємності і типу конденсатора під конкретний тип акумуляторної батареї. Проведено аналіз динамічних властивостей зварювального контуру з використанням зварювального трансформатора та без нього, який показав, що при режимах зварювання, коли амплітуди струмів можуть бути фізично реалізовані існуючими напівпровідниковими приладами, а для мікрозварювання характерні саме такі режими, є доцільним виключення зварювального трансформатору.

5. Запропоновано при формуванні імпульсу потужності для контактного мікрозварювання здійснювати корекцію його амплітудно-часових параметрів відповідно до напруги між електродами. Запропоновано принцип побудови схеми формувача імпульсів, що дозволяє здійснити процес формування імпульсу з відповідною корекцією його амплітудно-часових параметрів.

6. Запропоновано та реалізовано алгоритм формування еталонного сигналу, який базується на “табличному” способі задавання функцій і дозволяє істотно розширити можливості задавання необхідних законів зміни формованих імпульсів. Запропоновано також принцип формування еталонного сигналу з використанням імітаційних моделей, які працюють в режимі реального часу. Отримані експериментальні осцилограми сигналів підтвердили ефективність таких підходів, дозволили визначити мінімальний час оновлення даних на виході формувача еталонного сигналу.

7. Розроблено математичну модель регулятора зварювального струму, яка враховує його інерційні та нелінійні властивості, а також характер навантаження у вигляді зварювального контуру. Розроблено алгоритмічну структурну схему формувача імпульсів, яка дозволяє оцінювати його динамічні властивості, вплив існуючих нелінійностей на форму отримуваних імпульсів, а також аналізувати різні варіанти настроювання регулятора.

8. Проведено дослідження перехідних процесів у формувачі імпульсів з імітацією нелінійності опору навантаження, в результаті яких встановлено, що ця нелінійність за відповідного настроювання ланки, що корегує, істотно не впливає на форму отримуваного імпульсу. Також проведено порівняння експериментальних осцилограм із діаграмами, які отримано при моделюванні, і встановлено, що розходження не перевищує 5%.

9. Проведено експериментальну перевірку ефективності запропонованого формувача імпульсів порівняно з іншими типами формувачів при зварюванні деталей відповідального призначення – коливальних систем електромеханічних фільтрів. Методом дисперсійного аналізу встановлено зниження розкиду резонансних частот резонаторів приблизно на 19,3%. При цьому спостерігалося поліпшення АЧХ електромеханічних фільтрів, і, відповідно, збільшення кількості фільтрів, що не вимагають настроювання, приблизно на 10%. Показано, що застосування розробленого формувача імпульсів доцільне при зварюванні деталей відповідального призначення, для яких, окрім високої гарантованої міцності та надійності з'єднань, необхідно забезпечити їх високу повторюваність, відсутність випліскувань частинок розплавленого металу, незмінність пружних властивостей.

10. Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджені відповідністю результатів теоретичних досліджень експериментальним даним і даним, відомим із літературних джерел.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Паэранд Ю.Э. Особенности формирования импульсов тока для сварки малогабаритных деталей / Ю.Э. Паэранд, А.Ф. Бондаренко // Технічна електродинаміка. – 2005. – Тем. вип. Силова електроніка та енергоефективність. – Ч. 3. – С. 28-31.

2. Паэранд Ю.Э. Формирование сигналов специальной формы с помощью микропроцессорных средств / Ю.Э. Паэранд, А.Ф. Бондаренко // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. – Алчевск: ДонГТУ. – 2006. – Вып. 21. – С. 210-215.

3. Паэранд Ю.Э. Источник питания для контактной микросварки с программируемой формой сварочного импульса / Ю.Э. Паэранд, А.Ф. Бондаренко // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. – 2006. – № 4. – С. 51-54.

4. Паэранд Ю.Э. Формирователь импульсов специальной формы для контактной микросварки / Ю.Э. Паэранд, А.Ф. Бондаренко // Технічна електродинаміка. – 2006. – Тем. вип. Силова електроніка та енергоефективність. – Ч. 5. – С. 27-32.

5. Паэранд Ю.Э. Моделирование формирователя импульсов сварочного тока специальной формы / Ю.Э. Паэранд, В.Д. Потапов, А.Ф. Бондаренко // Технічна електродинаміка. – 2007. – Тем. вип. Силова електроніка та енергоефективність. – Ч. 5. – С. 80-84.

6. Паеранд Ю.Е. Моделювання системи формування імпульсів струму для установок контактного мікрозварювання / Ю.Е. Паеранд, О.Ф. Бондаренко // Вісник Черкаського державного технологічного університету. – Черкаси: ЧДТУ. – 2007. – Спецвипуск. – С. 135-137.

7. Пат. 79189 Україна, МПК (2006) В23К11/24. Пристрій для керування процесом контактного точкового зварювання / Паеранд Ю.Е., Бондаренко О.Ф.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. – № а200507458; заявл. 26.07.2005; опубл. 25.05.2007, Бюл. № 7. – 3 с., іл.

8. Пат. 20927 Україна, МПК (2007) В23К11/24. Спосіб керування процесом контактного точкового зварювання / Паеранд Ю.Е., Бондаренко О.Ф.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. – № u200609688; заявл. 08.09.2006; опубл. 15.02.2007, Бюл. № 2. – 3 с., іл.

9. Пат. 21356 Україна, МПК (2006) В23К11/24. Пристрій для керування процесом контактного точкового зварювання / Паеранд Ю.Е., Бондаренко О.Ф.; заявник і патентовласник Донбас. держ. техн. ун-т. – № u200609671; заявл. 08.09.2006; опубл. 15.03.2007, Бюл. № 3. – 5 с., іл.

10. Паэранд Ю.Э. Применение импульсов специальной формы для контактной микросварки / Ю.Э. Паэранд, А.Ф. Бондаренко // Труды седьмой Междунар. научно-практ. конф. “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ – 2006). – Том 2. – Одесса: ДП Нептун – Технология. – 2006. – С. 29.

11. Паэранд Ю.Э. Программирование параметров сварочных импульсов для контактной микросварки деталей ответственного назначения / Ю.Э. Паэранд, А.Ф. Бондаренко // Труды восьмой Междунар. научно-практ. конф. “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ – 2007). – Одесса: ДП Нептун – Технология. – 2007. – С. 312.

12. Паэранд Ю.Э. Автоматическое регулирование процесса формирования импульсов специальной формы для контактной микросварки / Ю.Э. Паэранд, А.Ф. Бондаренко // Матеріали XIV Міжнар. конф. з автоматичного управління (Автоматика-2007), м. Севастополь, 10-14 вересня