blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-12-964-971blackmet-1777Research ArticleНАУКА ПРОИЗВОДСТВУSCIENCE APPLICATIONГенератор мощных импульсов тока с использованием реверсивного тиристорного преобразователяHigh power current pulse generator based on reversible thyristor converterКузнецовВ. А.KuznetsovV. A.

к.т.н., доцент кафедры электротехники, электропривода и промышленной электроники

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Electrical Engineering, Electric Drive and Industrial Electronics

Novokuznetsk, Kemerovo Region

vladimir.kuznezoff@yandex.ruПолковниковГ. Д.PolkovnikovG. D.

магистрант кафедры электротехники, электропривода и промышленной электроники

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

MA Student of the Chair of Electrical Engineering, Electric Drive and Industrial Electronics

Novokuznetsk, Kemerovo Region

george42rus@gmail.comГромовВ. Е.GromovV. E.

д.ф.-м.н., заведующий кафедрой естественнонаучных дисциплин им. В.М. Финкеля

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Dr. Sci. (Phys.-math.), Head of the Chair of Science named after V.M. Finkel

Novokuznetsk, Kemerovo Region

gromov@physics.sibsiu.ruКузнецоваЕ. С.KuznetsovaV. A.

к.т.н., доцент кафедры электротехники, электропривода и промышленной электроники

654007, Кемеровская обл., Новокузнецк, ул. Кирова, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair of Electrical Engineering, Electric Drive and Industrial Electronics

Novokuznetsk, Kemerovo Region

kuzlena00@yandex.ruПерегудовО. А.PeregudovO. A.

к.т.н., помощник ректора по молодежной политике

644050, Омск, пр. Мира, 11

Cand. Sci. (Eng.), Assistant of the Rector for Youth Policy

Omsk

olegomgtu@mail.ruСибирский государственный индустриальный университетРоссияSiberian State Industrial UniversityRussian FederationОмский государственный технический университетРоссияOmsk State Technical UniversityRussian Federation2019140120206212964971Copyright © Кузнецов В.А., Полковников Г.Д., Громов В.Е., Кузнецова Е.С., Перегудов О.А., 20202020Кузнецов В.А., Полковников Г.Д., Громов В.Е., Кузнецова Е.С., Перегудов О.А.Kuznetsov V.A., Polkovnikov G.D., Gromov V.E., Kuznetsova V.A., Peregudov O.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1777

В процессах обработки металлов давлением с использованием мощных импульсов тока возникает необходимость регулирования как частоты воспроизведения, так и амплитуды импульсов. Приведено описание генератора мощных импульсов тока с управляемым тиристорным преобразователем в качестве источника питания зарядного устройства для регулирования напряжения (амплитуды импульсов) заряда конденсаторов. Выявлены недостатки генераторов, связанные с броском тока в режимах заряда конденсаторов, что снижает качество питающей сети. Для уменьшения времени переходных процессов при снижении напряжения на конденсаторах рассмотрено применение в качестве источника питания реверсивного тиристорного преобразователя. Приведена структурная схема генератора, в состав которой входят реверсивный тиристорный преобразователь с раздельным управлением, силовой блок, устройство перезаряда конденсаторов, система автоматического регулирования параметров зарядного устройства, система управления процессом заряда конденсаторов. Представлен расчет параметров регуляторов системы автоматического регулирования. Для получения оптимальных переходных процессов используется типовая методика настройки регуляторов по модульному оптимуму. С целью снижения перерегулирования в момент появления возмущающих воздействий, которое может достигать 100 % и выше, в систему автоматического управления введено так называемое логическое устройство. Последнее блокирует управляющие импульсы на тиристорах преобразователя и одновременно снижает сигнал на выходе регулятора тока до нуля. Синтезирована симуляционная модель генератора мощных токовых импульсов в среде MatLab – Simulink. Выполнен анализ модели, приведены графики, поясняющие принцип работы устройства и переходные процессы при различных режимах работы. Использование генератора позволит регулировать амплитуду токовых импульсов с высоким быстродействием, получить достаточно качественные переходные процессы заряда (разряда) конденсаторов, что окажет благоприятное влияние на питающую сеть. Применение более качественных преобразователей позволит значительно увеличить частоту воспроизведения импульсов тока.

In metal forming using high power current pulses, it becomes necessary to control both reproduction frequency and pulse amplitude. Description of a generator of high power current pulses with controlled thyristor converter is provided as a power source of charging device (charger) for regulating voltage (pulse amplitude) of capacitor charge. Faults of the generators associated with inrush current in capacitor charge modes are revealed, which reduces quality of supply network. To reduce time of transient processes while lowering voltage across capacitors, application of reverse thyristor converter is applied as a power source. Structural diagram of generator is considered, which includes reversible thyristor converter with separate control, power unit, capacitor recharge device, charger parameters automatic control system and capacitor charge process control system. Calculation of parameters of automatic control system regulators is presented. To obtain optimal transients, standard methodology for setting regulators to a modular optimum was used. In order to reduce overshoot at time of disturbances appearance, which can reach 100 % and higher, socalled logical device was introduced into the automatic control system. It blocks control pulses on thyristors of converter and simultaneously reduces signal at the output of current regulator to zero. Simulation model of high power current pulse generator in MatLab – Simulink environment was synthesized. Analysis of the model was carried out, and graphs are given that explain principle of device operation and transition processes under various operating modes. Generator application will allow user to adjust amplitude of current pulses with high speed and to obtain sufficiently high-quality transient processes of capacitors charge (discharge), which will have beneficial effect on supply network. Application of better converters will significantly increase frequency of reproduction of current pulses.

генератор мощных импульсов токазарядное устройство генераторасистема автоматического регулирования параметров генератораконтуры регулирования напряжения на конденсаторах и тока зарядаgenerator of high power current pulsesgenerator chargersystem for automatically regulating generator parameterscapacitor voltage and charge current control loopsРабота выполнена при поддержке государственного задания Минобрнауки РФ, проект 3.1283.2017/4,6.The work was financially supported by the state assignments of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation, project 3.1283.2017/4,6.ReferencesСпицын В.И., Троицкий О.А. Электропластическая деформация металла. – М.: Наука, 1985. – 160 с.Spitsyn V.I., Troitskii O.A. Elektroplasticheskaya deformatsiya metalla [Electroplastic deformation of metal]. Мoscow: Nauka, 1985, 160 p. (In Russ.).Климов К.М., Невиков И.И. К вопросу об электропластическом эффекте // Проблемы прочности. 1984. № 2. С. 98 – 103.Klimov K.M., Nevikov I.I. Electroplastic effect. Problemy prochnosti. 1984, no. 2, pp. 98–103. (In Russ.).Беклемишев Н.Н. Обработка проводящих материалов локально неоднородным электромагнитным полем // Электротехника. 1982. Т. 53. № 11. С. 113 – 117.Beklemishev N.N. Working of conducting materials by means of a locally nonuniform pulsed electromagnetic field. Soviet Electrical Engineering. 1982, vol. 53, no. 11, pp. 113–117.Климов К.М., Шнырев Г.Д., Новиков И.И. Изменение пластичности вольфрама под влиянием электрического тока // Металловедение и термическая обработка металлов. 1977. Т. 19. № 1. С. 58, 59.Klimov K.M., Shnyrev G.D., Novikov I.I. Change in the ductility of tungsten under the influence of electric current. Metal Science and Heat Treatment. 1977, vol. 19, no. 1, pp. 58–59.Климов К.М., Шнырев Г.Д., Новиков И.И., Исаев А.В. Электростимулированная прокатка в ленту микронных сечений из вольфрама и его сплавов // Изв. АН СССР. Серия Металлы. 1975. № 4. С. 143, 144.Klimov K.M., Shnyrev G.D., Novikov I.I., Isaev A.V. Electrostimulated rolling into a tape of micron sections of tungsten and its alloys. Izv. AN SSSR. Seriya Metally. 1975, no. 4, pp. 143, 144. (In Russ.).Yongda Ye, Song-Zhu Kure-Chu, Zhiyan Sun, Xiaopei Li, Haibo Wang, Guoyi Tang. Nanocrystallization and enhanced surface mechanical properties of commercial pure titanium by electropulsing-assisted ultrasonic surface rolling // Materials & Design. 2018. Vol. 149. No. 5. P. 214 – 227.Yongda Ye, Song-Zhu Kure-Chu, Zhiyan Sun, Xiaopei Li, Haibo Wang, Guoyi Tang. Nanocrystallization and enhanced surface mechanical properties of commercial pure titanium by electropulsing-assisted ultrasonic surface rolling. Materials & Design. 2018, vol. 149, no. 5, pp. 214–227.Chen Long, Wang Haibo, Liu Dan, Ye Xiaoxin, Li Xiaoliui, Tang Guojil. Effects of electropulsing cutting on the quenched and tempered 45 steel rods // Journal of Wuhan University of Technology-Mater. 2018. Vol. 33. P. 204 – 211Chen Long, Wang Haibo, Liu Dan, Ye Xiaoxin, Li Xiaoliui, Tang Guojil. Effects of electropulsing cutting on the quenched and tempered 45 steel rods. Journal of Wuhan University of TechnologyMater. 2018, vol. 33, pp. 204–211.Ruikun Zhang, Xiaohui Li, Jie Kuang, Xiaopei Li & Guoyi Tang, Texture modification of magnesium alloys during electropulse treatment // Materials Science and Technology. 2017. Vol. 33. P. 1421 – 1427.Ruikun Zhang, Xiaohui Li, Jie Kuang, Xiaopei Li & Guoyi Tang. Texture modification of magnesium alloys during electropulse treatment. Materials Science and Technology. 2017, vol. 33, pp. 1421–1427.Xiaopei Li, Xiaohui Li, Yongda Ye, Ruikun Zhang, Song-Zhu KureChu, Guoyi Tang. Deformation mechanisms and recrystallization behavior of Mg – 3Al – lZn and Mg – lGd alloys deformed by electroplastic-asymmetric rolling // Materials Science & Engineering A. 2019. Vol. 742. P. 722 – 733.Xiaopei Li, Xiaohui Li, Yongda Ye, Ruikun Zhang, Song-Zhu Kure-Chu, Guoyi Tang. Deformation mechanisms and recrystallization behavior of Mg – 3Al – lZn and Mg – lGd alloys deformed by electroplastic-asymmetric rolling. Materials Science & Engineering A. 2019, vol. 742, pp. 722–733.Yong-Da Ye, Xiao-Pei Li, Zhi-Yan Sun, Hai-Bo Wang, Guo-Yi Tang. Enhanced surface mechanical properties and microstructure evolution of commercial pure titanium under electropulsing-assisted ultrasonic surface rolling process // The Chinese Society for Metals and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature. 2018. Vol. 31. No. 12. P. 1272 – 1280.Yong-Da Ye, Xiao-Pei Li, Zhi-Yan Sun, Hai-Bo Wang, Guo-Yi Tang. Enhanced surface mechanical properties and microstructure evolution of commercial pure titanium under electropulsing-assisted ultrasonic surface rolling process. The Chinese Society for Metals and Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature. 2018, vol. 31, no. 12, pp. 1272–1280.Tang G., Zhang J., Yan Y., Zhou H., Fang W. The engineering application of the electroplastic effect in the cold-drawing of stainless steel wire // J. Mater. Process. Technol. 2003. Vol. 137. No. 1. P. 96 – 99.Tang G., Zhang J., Yan Y., Zhou H., Fang W. The engineering application of the electroplastic effect in the cold-drawing of stainless steel wire. J. Mater. Process. Technol. 2003, vol. 137, no. 1, pp. 96–99.Kozlov A., Mordyuk B., Chemyashevsky A. On the additivity of acoustoplastic and electroplastic effects // Mater. Sci. Eng. A. 1995. Vol. 190. No. 1. P. 75 – 79.Kozlov A., Mordyuk B., Chemyashevsky A. On the additivity of acoustoplastic and electroplastic effects. Mater. Sci. Eng. A. 1995, vol. 190, no. 1, pp. 75–79.Brandt J. Ruszkiewicz, Tyler Grimm, lhab Ragai, Laine Mears, John T. Roth a review of electrically-assisted manufacturing with emphasis on modeling and understanding of the electroplastic effect // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2017. Vol. 139. No. 11. P. 110801-1 – 110801-15.Brandt J. Ruszkiewicz, Tyler Grimm, lhab Ragai, Laine Mears, John T. Roth a review of electrically-assisted manufacturing with emphasis on modeling and understanding of the electroplastic effect. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2017, vol. 139, no. 11, pp. 110801-1–110801-15.Fan G., Sun F., Meng X., Gao L., Tong G. Electric hot incremental forming of Ti – 6A1 – 4V titanium sheet // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2010. Vol. 49. No. 9-12. P. 941 – 947.Fan G., Sun F., Meng X., Gao L., Tong G. Electric hot incremental forming of Ti – 6A1 – 4V titanium sheet. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2010, vol. 49, no. 9-12, pp. 941–947.Fan G., Gao L., Hussain G., Wu Z. Electric hot incremental forming: a novel technique // Int. J. Mach. Tools Manuf. 2008. Vol. 48. No. 15. P. 1688 – 1692.Fan G., Gao L., Hussain G., Wu Z. Electric hot incremental forming: a novel technique. Int. J. Mach. Tools Manuf. 2008, vol. 48, no. 15, pp. 1688–1692.Shi X., Gao L., Khalatbari H., Xu Y., Wang H., Jin L. Electric hot incremental forming of low carbon steel sheet: accuracy improvement // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2013. Vol. 68. No. 1-4. P. 241 – 247.Shi X., Gao L., Khalatbari H., Xu Y., Wang H., Jin L. Electric hot incremental forming of low carbon steel sheet: accuracy improvement. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2013, vol. 68, no. 1-4, pp. 241–247.Bao W., Chu X., Lin S., Gao J. Experimental investigation on formability and microstructure of AZ31B alloy in electropulse-assisted incremental forming // Mater. Des. 2015. No. 87. P. 632 – 639.Bao W., Chu X., Lin S., Gao J. Experimental investigation on formability and microstructure of AZ31B alloy in electropulse-assisted incremental forming. Mater. Des. 2015, no. 87, pp. 632–639.Honarpisheh М., Abdolhoseini М., Amini S. Experimental and numerical investigation of the hot incremental forming of Ti – 6A1 – 4V sheet using electrical current // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 83. No. 9-12. P. 2027 – 2037.Honarpisheh М., Abdolhoseini М., Amini S. Experimental and numerical investigation of the hot incremental forming of Ti – 6A1 – 4V sheet using electrical current. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016, vol. 83, no. 9-12, pp. 2027–2037.Xu D., Lu В., Cao Т., Zhang H., Chen J., Long H., Cao J. Enhancement of process capabilities in electrically-assisted double sided incremental forming // Mater. Des. 2016. No. 92. P. 268 – 280.Xu D., Lu В., Cao Т., Zhang H., Chen J., Long H., Cao J. Enhancement of process capabilities in electrically-assisted double sided incremental forming. Mater. Des. 2016, no. 92, pp. 268–280.Liu R., Lu B., Xu D., Chen J., Chen F., Ou H., Long H. Development of novel tools for electricity-assisted incremental sheet forming of titanium alloy // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016. Vol. 85. No. 5-8. P. 1137 – 1144.Liu R., Lu B., Xu D., Chen J., Chen F., Ou H., Long H. Development of novel tools for electricity-assisted incremental sheet forming of titanium alloy. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2016, vol. 85, no. 5-8, pp. 1137–1144.Xie H., Dong X., Peng F., Wang Q., Liu K., Wang X., Chen F. Investigation on the electrically-assisted stress relaxation of AZ31B magnesium alloy sheet // J. Mater. Process. Technol. 2016. No. 227. P. 88 – 95.Xie H., Dong X., Peng F., Wang Q., Liu K., Wang X., Chen F. Investigation on the electrically-assisted stress relaxation of AZ31B magnesium alloy sheet. J. Mater. Process. Technol. 2016, no. 227, pp. 88–95.Adams D., Jeswiet J. Single-point incremental forming of 6061-T6 using electrically assisted forming methods // Proc. Inst. Mech. Eng. 2014. Vol. 228. No. 7. P. 757 – 764.Adams D., Jeswiet J. Single-point incremental forming of 6061-T6 using electrically assisted forming methods. Proc. Inst. Mech. Eng. 2014, vol. 228, no. 7, pp. 757–764.Valoppi B., Egea A.J.S., Zhang Z., Rojas H.A.G., Ghiotti A., Bruschi S., Cao J. A hybrid mixed double-sided incremental forming method for forming Ti6A14V alloy // CIRP Aim. Manuf. Technol. 2016. Vol. 65. No. 1. P. 309 – 312.Valoppi B., Egea A.J.S., Zhang Z., Rojas H.A.G., Ghiotti A., B schi S., Cao J. A hybrid mixed double-sided incremental forming method for forming Ti6A14V alloy. CIRP Aim. Manuf. Technol. 2016, vol. 65, no. 1, pp. 309–312.Nguyen-Tran H., Oh H., Hong S., Han H.N., Cao J., Ahn S., Chun D. A review of electrically-assisted manufacturing // Int. J. Precis: Eng. Manuf. Green Technol. 2015. Vol. 2. No. 4. P. 365 – 376.Nguyen-Tran H., Oh H., Hong S., Han H.N., Cao J., Ahn S., Chun D. A review of electrically-assisted manufacturing. Int. J. Precis: Eng. Manuf. Green Technol. 2015, vol. 2, no. 4, pp. 365–376.Guan L., Tang G., Chu P.K. Recent advances and challenges in electroplastic manufacturing processing of metals // J. Mater. Res. 2010. Vol. 25. No. 7. P. 1215 – 1224.Guan L., Tang G., Chu P.K. Recent advances and challenges in electroplastic manufacturing processing of metals. J. Mater. Res. 2010, vol. 25, no. 7, pp. 1215–1224.А.c. № 884092 СССР. Генератор мощных импульсов тока / В.А. Кузнецов, В.Е. Громов, В.П. Симаков. Бюл. изобр. 1981. № 43.Kuznetsov V.A., Gromov V.E., Simakov V.P. Generator moshchnykh impul’sov toka [High power pulse generator]. Certificate of authorship USSR no. 884092. Byulleten ̕ izobretenii. 1981, no. 43. (In Russ.).Кузнецов В.А., Громов В.Е. Экономичный тиристорный генератор мощных импульсов тока // Изв. вуз. Электромеханика. 1986. № 6. С. 122 – 124.Kuznetsov V.A., Gromov V.E. Effective high power pulse generator. Izv. vuz. Elektromekhanika. 1986, no. 6, pp. 122–124. (In Russ.).Жмакин Ю.Д., Загуляев Д.В., Коновалов С.В., Кузнецов В.А., Громов В.Е. Генератор мощных токовых импульсов для интенсификации обработки металлов давлением // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. № 8. С. 42 – 44.Zhmakin Yu.D., Zagulyaev D.V., Konovalov S.V., Kuznetsov V.A., Gromov V.E. High power current pulse generator for intensification of metal forming. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, no. 8, pp. 42–44. (In Russ.).Кузнецов В.А., Полковников Г.Д., Кузнецова Е.С., Громов В.Е. Разработка системы автоматического управления электростимулированным волочением с использованием мощных импульсов тока. – В кн.: Труды восьмой Всероссийской научно-практической конференции «Автоматизированный электропривод и промышленная электроника» / Под ред. В.Ю. Островлянчика. – Новокузнецк: ИЦ СибГИУ, 2018. С. 132 – 138.Kuznetsov V.A., Polkovnikov G.D., Kuznetsova E.S., Gromov V.E. Development of automatic control system for electrostimulated drawing using high power current pulses. In: Trudy vos’moi Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii “Avtomatizirovannyi elektroprivod i promyshlennaya elektronika” [Proceedings of the 8th All-Russ. Sci. and Pract. Conf. “Automated Electric Drive and Industrial Electronics”]. Ostrovlyanchik V.Yu. ed. Novokuznetsk: ITs SibGIU, 2018, pp. 132–138. (In Russ.).Онищенко Г.Б., Аксенов М.И., Грехов В.П. Автоматизированный электропривод промышленных установок / Под общ. ред. Г.Б. Онищенко. – М.: РАСХН, 2001. – 520 с.Onishchenko G.B., Aksenov M.I., Grekhov V.P. Avtomatizirovannyi elektroprivod promyshlennykh ustanovok [Automated electric drive of industrial units]. Onishchenko G.B. ed. Мoscow: RASKhN, 2001, 520 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.