CC BY
48
УДК 681.586. 785
ІПрошкин В.Н., ІМагомедова М.А., 2Прошкина Л.А., 2Трусов Е.В.
хФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», Пенза, Россия
2ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФОРМИРОВАТЕЛЯ ИМПУЛЬСОВ ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ МАГНИТОУПРУГИХ ВОЛН В ЛИНЕЙНОМ АКУСТИЧЕСКОМ ОСЦИЛЛЯТОРЕ С ЦЕЛЬЮ УМЕНЬШЕНИЯ МАССОГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТОСТРИКЦИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Введение
Формирователь импульсов тока возбуждения (ФИТВ) предназначен для создания в рабочем пространстве акустического волновода (ВА), входящего в состав магнитострикционных преобразователей параметров движений (МППД) радиального импульсного электромагнитного поля [1 - 7]. Формирователь состоит из силовой и управляющей частей, находящихся в непрерывном взаимодействии. Силовая часть выполнена на управляемых ключах и обеспечивает передачу и преобразование энергии от источника питания к нагрузке волновода. Управляющая часть входит в систему управления узла формирования эталонных временных сигналов, расположенная во вторичном преобразователе и предназначена для выработки импульсов управления силовым ключом. В экспериментальных исследованиях имеется возможность изменять и фиксировать эти временные параметры, с целью определения режимов оптимального управления ФИТВ. Для этого применяют широтно-импульсный и частотно-импульсный методы управления акустическим осциллятором МППД с использованием схемотехнических решений на базе интегральных микроконтроллеров, позволяющих управлять логикой переключения полупроводниковых ключей. По ответным реакциям обратной связи с акустоэлектрического преобразователя (ПАЭ) оценивать как полезные, так и шумовые характеристики измерительных сигналов (амплитуда, длительность, скорости нарастания и спада).
В известных отечественных и зарубежных преобразователях для получения необходимой амплитуды «полезного» измерительного сигнала (9,0 мкА) разработчики предпочитают идти по пути увеличения количества витков в обмотке ПАЭ и увеличения до приемлемых значений длительности импульсов возбуждения в ФИТВ (до 2,0 мкс), что порождает образованию «паразитных» сигналов большой протяженностью .
В работе [1] было установлено, что длительность суммарных «паразитных» сигналов влияет в конечном итоге на продольные габаритные размеры магнитострикционного преобразователя. Чем больше их длительность, тем больше следует увеличивать габаритные размеры преобразователя, чтобы сохранить требуемый рабочий диапазон линейных перемещений. При согласованных продольной и крутильной механических нагрузок на волновод и указанных выше параметров обмотки ПАЭ и импульсов тока возбуждения в ФИТВ длительность суммарных «паразитных» сигналов составит около 100,0 мкс. Что требует увеличения «паразитной» длины измерительного преобразователя на 300 мм.
Основная часть
Для уменьшения длительности импульсов тока возбуждения в ФИТВ до приемлемых значений, при которых возможно распознавание на фоне шумов «полезных» измерительных сигналов были исследованы множество схемотехнических решений с использованием различных электронных компонентов с силовыми полупроводниковыми ключами.
В результате исследований, был разработан формирователь импульсов тока возбуждения магнитоупругих волн на базе силового модуля серии IPM (Intelligent Power Modules) [8].
Проведены исследования измерительного преобразователя, в котором длительность импульсов тока возбуждения изменялась с 2,0 мкс до 0,05 мкс. Распознавание «полезных» измерительных сигналов на фоне шумов наблюдалось с длительностью 0,1 мкс импульсов тока возбуждения. Длительность суммарных «паразитных» сигналов уменьшились до 1,0 мкс, что позволит продольные «паразитные» габаритные размеры преобразователя снизить приблизительно в 100 раз до 3,0 мм.
Разработка формирователя импульсов тока возбуждения велась в последовательности описанной ниже .
Выбор ключевого элемента для формирователя импульсов тока возбуждения магнитоакустических сигналов. Условно все параметры силового полупроводникового ключа можно разделить на следующие группы :
по напряжению выходной цепи ключа,
по току выходной цепи ключа, который включает среднее, импульсное и ударные токовые параметры ключа, а также токи утечки в закрытом состоянии;
группу параметров, характеризующих цепь управления ключевого прибора;
временные параметры отпирания и запирания, которые характеризуют продолжительность переходных процессов и их составляющие этапы;
динамические параметры, представляющие максимально допустимые скорости изменения тока и напряжения, соответственно, в открытом и закрытом состоянии ключа, а также паразитные емкости и индуктивности;
тепловые параметры, характеризующие допустимую температуру и тепловые сопротивления ключевого прибора;
мощностные и энергетические параметры.
Для успешного применения ключевых приборов любого типа нельзя превышать ни одного из предельно допустимых параметров, к какой бы группе он не относился. Но очевидно также, что слишком большой коэффициент запаса приведет к снижению экономичности разрабатываемого ФИТВ. Поэтому выбор ключевых приборов следует производить в строго определенной последовательности:
определяются требования к полупроводниковому ключу с точки зрения напряжения и тока в применяемом каскаде. При этом напряжение и ток ключа должны быть выражены через входное напряжение ФИТВ и требуемую мощность в нагрузке;
проводится оценка амплитуды напряжения в схеме в переходных режимах, а также оценка токовой нагрузки ключа, если форма тока не соответствует нормализованной;
определяется диапазон рабочих температур силового ключа, а также максимальная температура окружающей среды;
на основе параметров цепи управления определяются требования к элементам управления полупроводниковым ключом, а именно к формирователю эталонных временных сигналов, предназначеный для выработки импульсов управления силовым ключом.
Для эффективной и надежной работы ФИТВ следует использовать металлические охладители для отвода тепла от корпуса ключа. Уменьшение теплового сопротивления и улучшение качества контакта с
охладителем достигается за счет использования теплопроводящей смазки. В некоторых случаях электрически изолируют корпус силового ключа от теплоотвода прокладками фирмы HOMAKOH-Gs. По теплопроводящим и изолирующим свойствам они превосходят силиконовые пасты и слюду.
Использование современных силовых ключей, основанных на достижениях монолитной и гибридной технологии, с объединением в едином корпусе прибора функций переключателя, управления и защиты. Их применение позволяет избавиться от громоздких и неэкономичных дополнительных цепей защиты от перенапряжения, токовых перегрузок и температурных воздействий, они также обладают лучшими характеристиками с точки зрения малых коммутационных потерь, высоких скоростей переключения.
Структурная схема ФИТВ радиальных импульсных электромагнитных полей в рабочем пространстве ВА с использованием силового модуля серии IPM (Intelligent Power Modules) [8] представлена на рисунке 1.
Данная система строится на базе IGBT-ключей и выполняет следующие функции: контроль над уровнем напряжения питания; защита от токовой перегрузки; защита от режима короткого замыкания; температурная защита.
+Umj Силовой интеллектуальный модуль IPM
1 1 * ■ 0 ' МППД
Рисунок 1 - Структурная схема формирователя импульсов тока возбуждения магнитоупругих волн в акустических волноводах
По сигналу перегрузки от любой из перечисленных систем защиты драйвер прерывает подачу импульсов управления во входную цепь силового ключа. При этом на выходе системы индикации режима перегрузки формируется управляющий сигнал для перехода системы вместе с МППД в безаварийное положение. Силовой интеллектуальный модуль IPM способен выявить аварийную ситуацию в течение интервала времени менее 100 наносекунд.
На рисунке 2 показаны осциллограммы, иллюстрирующие прерывание тока короткого замыкания при использовании стандартного драйвера с функцией токовой защиты и при работе системы защиты модуля IPM. Ускоренный режим обнаружения и отключения токовой перегрузки практически не сопровождается выбросами перенапряжений в схеме ключа.
2 мкс/дел 2 мкс/дел
а) б)
Рисунок 2 - Осциллограммы режима токовой перегрузки при работе системы защиты: дартным драйвером; б - с силовым интеллектуальным модулем IPM
а - со стан-
Системы защиты усилительных и информационных каналов от импульсных силовых помех. Основным источником помех для усилительных и информационных каналов МППД является силовая часть ФИТВ. Протекание силовых токов большой амплитуды через среду ВА создает проблемы в надежности функционирования магнитострикционных преобразователей линейных перемещений и может быть причиной отказов в его работе. По указанным причинам необходимо осуществлять потенциальную развязку между силовой, измерительной и управляющей частью МППД.
Взаимная связь и влияние силовой и информационной частей преобразователя требуют защиты от генерируемых помех. Если не принять надлежащих мер, то при коммутационных переключениях в силовой части ФИТВ скачки токов и напряжений могут привести к генерации помех с частотами в диапазоне до нескольких мегагерц, которые могут нарушить работу систем управления, исказить информационные и
измерительные сигналы и привести к электрическим перегрузкам. Причины сбоев в работе самой информационной части зачастую просто не удается обнаружить. Поэтому основные методы подавления шумов и помех, о которых достаточно подробно изложено в [9], должны учитываться на этапе разработки проектной документации на МПЛП.
Во-первых, очень важно свести к минимуму паразитные индуктивности в электрических цепях силовых ключей, на которых и происходят скачки импульсных помех по напряжению. Монтажные и печатные проводники должны по сечению соответствовать амплитуде силового тока с выхода ФИТВ.
Уменьшение паразитных индуктивностей достигается применением многожильных проводников, например типа МГТФ ТУ 16-505.195-71, в выделенном контуре втекания и вытекания силового тока и их скручиванием парами. В технических требованиях к электромонтажу силовой части МППД перечисляется ряд технологических операций, которые необходимо выполнить в обязательном порядке, это позволит свести к минимуму влияния помех на информационные сигналы, подходящие к силовым ключам. С этой цепью разделяют гальваническую связь между драйвером силового ключа и основными токоведущими шинами схемы, уменьшают индуктивную связь между проводниками, а также емкостную связь между цепями, относящимися к различным частям преобразователя.
Развязка в информационном канале может осуществляться либо при помощи высокочастотного трансформатора, либо с использованием оптронов. Основным преимуществом оптронов перед схемами развязки на основе импульсных трансформаторов является высокая помехозащищенность оптического канала и возможность передачи сигналов информации разной длины.
К недостаткам оптронной развязки можно отнести температурную нестабильность параметров, относительно большую задержку передачи сигнала. Эти проблемы решаются за счет использования специальных интегральных микросхем, например серии TLP250 [8] , в состав которой входит диодный оптрон, включенный внутрь интегрального усилителя (драйвера).
Заключение
В ходе выполнения вышеперечисленных мероприятий по совершенствованию ФИТВ позволило определить оптимальную длительность импульсов тока возбуждения магнитоупругих волн в акустическом осцилляторе, при которых возможно распознавание на фоне шумов «полезных» измерительных сигналов. При этом обеспечивается повышенная помехоустойчивость, точность и повторяемость принимаемых измерительных сигналов. Длительность суммарных «паразитных» сигналов уменьшились до 1,0 мкс, что позволит продольные «паразитные» габаритные размеры преобразователя снизить приблизительно в 100 раз до 3,0 мм.
Целесообразность указанных мероприятий обусловлена необходимостью дальнейшего совершенствования магнитострикционных преобразователей, повышению их надежности и расширению области применения. Диапазон предполагаемого практического применения предлагаемых способов может быть чрезвычайно широк. Это преобразователи расхода, уровня и массы жидких сред в резервуарах [3], линии задержки, электромеханические фильтры, устройства для рефлексотерапевтического воздействия на биологически активные точки живых организмов [4], приборы для бесконтактного исследования и диагностики свойств ферромагнитных материалов в ходе и после их термомеханической обработки [5, 6] и т. д.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прошкин В.Н. Конструкторско-технологические способы совершенствования магнитострикционных преобразователей линейных перемещений для специальных условий эксплуатации: дис...канд. техн. наук. - Астрахань, 2007. - 173 с.
2. Прошкин В.Н., Прошин И.А., Тимаков В.М. Принципы построения преобразователей параметров движений для гидропривода тренажеров транспортных средств //«Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. -Т. 1. - Пенза: 2010. - С. 272-275.
3. Артемьев Э.А., Прошкин В.Н. Способ измерения уровня и массы жидких сред в резервуарах // «Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2. - Пенза: - 2010. - С. 153-154.
4. Магомедова М.А., Гущин Д.О., Федосеев М.В., Конопацкий Ю.В., Гришин Д.С., Баюков А.М., Прошкин В.Н. Проектирование магнитострикционного преобразователя для рефлексотерапевтического воздействия на биологически активные точки живых организмов // «Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2.
. - Пенза: - 2012. - С. 297-298.
5. Прошкин В.Н., Прошкина Л.А. Способ термомеханической обработки ферромагнитных проволок для акустических волноводов // «Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2. №1-1. - Пенза: -2013. - С. 180.
6. Прошкин В.Н., Прошкина Л.А., Разживина Г.П. Способ проверки ферромагнитных проволок после их термомеханической обработки //«Надежность и качество». Труды Межд. симпоз. - Т. 2. №1-1. - Пенза: -2013. - С. 181.
7. Магомедова Э.А., Магомедова М.А., Прошкин В.Н.. Формирователь импульсов тока возбуждения
магнитоупругих волн в акустических волноводах магнитострикционных преобразователях // Молодой ученый. - Чита: Изд. «Молодой ученый», № 10 (33), том I, 2011. - С. 45 - 48.
8. П.А. Воронин Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1»: 2001. - 384 с.
9. Г. Отт Методика подавления шумов и помех в электрических схемах. М.: Мир, 1979. - 257 с.
