Читайте также:
|
В последние десятилетия XX века сменилась научная парадигма и изменилось научное мировоззрение: произошел переход от классической к нелинейной термодинамике, от однозначного детерминизма – к теории динамического хаоса, от топологической теории особенностей – к теории катастроф, от геометрии Эвклида – к фрактальной геометрии Мандельброта. Мир оказался хаотическим, катастрофическим, непредсказуемым, а классические представления об однозначно детерминированном и полностью предсказуемом мире – разрушенными. В изменившейся картине мира однозначная детерминированность стала частным случаем, а предсказуемость – принципиально ограниченной. В прежние времена механических машин наука рассматривала главным образом устойчивость, равновесие, порядок, замкнутые системы и линейные зависимости, переход же к информационным технологиям привел к появлению новых теоретических подходов.
Новая обширная область междисциплинарных исследований, которую принято именовать нелинейной наукой, включает нелинейную термодинамику, теорию катастроф, теорию динамического хаоса и фрактальную математику; появились новые великие имена, грандиозные книги и необозримое множество статей. На рубеже веков возникли новые специализированные журналы (Nonlinear World; Nonlinearity; Journal of Nonlinear Science; Physica D. Nonlinear Phenomena; Chaos; Chaos, Solitons and Fractals; Fractals; International Journal of Bifurcation and Chaos и др.) и множество сайтов в Интернете. Издано немало популярных книг по теории катастроф, о хаосе и фракталах (некоторые из них переведены на русский язык); эти предметы уже начинают преподавать в школе: книга «Fractals for classroom» (Peitgen et al., 1992) предназначена для учителей математики.
Это междисциплинарное направление исследований нередко именуется синергетикой (от греч. – «согласованное действие») – такое краткое и удачное название дано в конце 60-х годов прошлого века немецким физиком Германом Хакеном; синергетику определяют также как науку о самоорганизации, т.е. самопроизвольном возникновении пространственной и временной упорядоченности в открытых нелинейных системах (открытыми называются системы, обменивающиеся энергией и веществом с окружающей средой, т.е. существующие и развивающиеся в потоке энергии; нелинейное поведение системы определяется нелинейной зависимостью от переменных, математически описываясь нелинейными уравнениями). Одновременно появление упорядоченных в пространстве и времени структур в открытых нелинейных системах – спонтанное возникновение порядка из хаоса – изучалось в Бельгии физиком и философом русского происхождения Ильей Пригожиным (1917-2003). Его исследования упорядоченных, «диссипативных» структур, возникающих в неравновесных системах в результате нелинейных процессов, были удостоены в 1977 г. Нобелевской премии по физике. Менее известными широкой публике, но не менее важными в формировании нового научного мировоззрения были работы великих математиков XX века: А. Пуанкаре, А.А. Андронова, А.Н. Колмогорова и др.
Системы, исследуемые нелинейной наукой, обычно называют сложными; их свойства не сводимы к свойствам компонентов и проявляют вновь возникающие, или «эмерджентные» (от англ. emerge – возникать) черты. Биологические системы – сложные системы, понимание которых не редуцируемо к основным законам физики и химии, тем не менее, эти законы выполняют роль ограничителей и детерминантов разнообразия и сложности биологического мира.
В наше время, когда описаны и исследованы сложные явления самоорганизации, перехода от хаоса к пространственно-временной упорядоченности, для биологов было бы неразумным игнорировать данные современной нелинейной науки, ограничиваясь узкопрофессиональным подходом к исследованию своего материала. Выход за эти пределы или хотя бы взгляд в нелинейный мир, широкую область междисциплинарных исследований неизбежно дает лучшее понимание собственных результатов. В России преподавание курсов нелинейной динамики, синергетики, динамического хаоса, фрактальной геометрии проводятся в Московском Физтехе, Московском, Санкт-Петербургском, Дальневосточном, Саратовском, Нижегородском государственных университетах, однако специализированные книги и пособия для биологов практически отсутствуют.
Монография состоит из двух основных частей; первая из них компилятивна и содержит адаптированное для биологов изложение основных идей нелинейной динамики. Вторая часть – обзор применения рассмотренных идей к биологическим системам и моделирования биологических структур и процессов, включающий собственные данные. Книга учитывает психологию большинства биологов: здесь почти нет формул и много иллюстраций.
Авторы очень благодарны В.Л. Касьянову, Н.В. Касьянову, А.Г. Погодину, Е.В. Преснову, Е.В. Пущиной, С.Д. Степаньянц, А.И. Шукалюку, Ю.М. Яковлеву, Малой Академии морской биологии и всем, так или иначе способствовавшим осуществлению нашей работы.
Работа поддержана грантами ДВО РАН, грантами РФФИ и грантами поддержки ведущей научной школы (рук. В.Л. Касьянов).
Ремонт инверторного источника.
Инверторные сварочные источники (ИСИ), несмотря на такие свои преимущества перед классическими источниками, как малые масса, объём и превосходные нагрузочные характеристики, не получили у нас до сих пор достаточно широкого распространения. Вероятней всего всё объясняется достаточно высокой стоимостью ИСИ, которая, порой, сводит на нет все их преимущества.
Тем не менее, в один прекрасный момент, в мои руки попал неисправный сварочный аппарат RytmArc фирмы Castolin Eutectic, выпущенный в 1988 году. Аппарат был куплен на запчасти, так как его бывший хозяин уже не верил, что его можно отремонтировать.
При осмотре выяснилось, что аппарат является типичным представителем семейства однофазных ИСИ малой мощности, ориентированных на бытовое применение и предназначен для ручной сварки постоянным током величиной 5 - 140 А и ПН 100%. Преобразователь этого источника выполнен по схеме однотактного прямоходового полумостового конвертора, характерной для источников этого класса.
В преобразователе были использованы мощные высоковольтные биполярные составные транзисторы типа ESM2953, которые, собственно, и вышли из строя. Кроме этого вышло из строя несколько транзисторов помельче на плате драйвера и кое-чего не хватало. В данной ситуации наиболее оправданным было бы решение купить новые транзисторы и заменить ими сгоревшие, но в фирме, где эти транзисторы были в наличие, их предложили по цене 65$ за штуку, при условии, что купить надо не менее 50 шт(кратно упаковке). Так как мелкосерийное производство ИСИ не планировалось, то этот вариант был отклонён и был начат поиск альтернативной замены. Отечественная промышленность нам ничего предложить не могла и поэтому выбор пал на IGBT [1] транзисторы IRG4PC50U фирмы International Rectifier, которые были вполне доступны и свободно продавались в розницу по цене 14 у.е. за штуку. Недостатком IRG4PC50U, по сравнению с ESM2953, является то, что его сток имеет гальваническую связь с теплоотводящим основанием. Для устранения этого недостатка транзисторы были установлены на алюминиевые пластины толщиной 4 мм и размером 25х30 мм, которые прижимались к основному радиатору через слюдяную прокладку толщиной 0,15 мм. Необходимая толщина слюдяной прокладки набиралась из отдельных листиков слюды, каждый из которых, для улучшения теплопроводности, был смазан теплопроводной пастой. Разумеется, пришлось изготовить новую плату конвертора, а так же разработать драйвер, рассчитанный для управления IGBT транзисторами. После переделки сварочный источник безотказно функционирует уже 4 года.
На рис. 1 изображена принципиально-блочная схема источника, после переделки (к сожалению не имел в своём распоряжении фирменной документации и поэтому терминология и позиционные обозначения на схемах могут отличаться от установленных производителем). Как уже говорилось выше, схемные решения источника являются типичными для источников этого класса и поныне. Поэтому тем, кто хочет ремонтировать или даже изготавливать подобные сварочные источники, будет полезно с ним познакомиться.
Источник питается от переменного напряжения 220В 50Гц, которое через выключатель Q1 и контакты реле К1 поступает на выпрямитель GL1, который состоит из двух выпрямительных мостов KBPC3508, включенных параллельно. Пульсирующее напряжение с выхода выпрямителя сглаживается на конденсаторе С1, большой ёмкости. При включении в сеть конденсатор С1 заряжается через резистор R1, который, с задержкой времени»1 сек., шунтируется контактом реле К1. Задержка времени формируется электронным реле времени, собранном на плате зарядки конденсатора (рис. 1). Электронное реле собрано по классической схеме и особых пояснений не требует.
Электронные узлы схемы управления источника питаются от трансформатора Т1, который формирует все необходимые напряжения и обеспечивает гальваническую развязку.
Выпрямленное напряжение с конденсатора С1 поступает на плату конвертора, где преобразуется в напряжение высокой частоты (~30кГц). С выхода конвертора, через трансформатор тока T3, высокочастотное напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора T2. Трансформатор Т2 уменьшает амплитуду высокочастотного напряжения до необходимой величины и осуществляет гальваническую развязку сварочной цепи от сети. Переменное напряжение, с выхода трансформатора, выпрямляется однополупериодным выпрямителем на диодах VD5 и VD6. Каждый из этих диодов собран на двух корпусах BYV54V200, каждый из которых содержит по два высокочастотных диода. Пульсация выпрямленного тока устраняется с помощью дросселя L1, после которого постоянный ток поступает в сварочную цепь.
Внешняя нагрузочная характеристика ИСИ формируется блоком управления, собранном на плате управления, который, контролируя выходное напряжение и ток источника, осуществляет ШИМ управление конвертора.
Величину сварочного тока задают с помощью переменного резистора R11 “А”, установленного на передней панели сварочного источника. При необходимости, в качестве задатчика сварочного тока можно использовать выносной пульт управления (ВПУ), который подключается к разъёму Х8 платы коммутации. С помощью ВПУ можно осуществлять более сложный алгоритм управления сварочным током, при котором сварочный ток меняется от минимального заданного значения до максимального, с заданной частотой и скважностью. При подключении ВПУ (на рис. 1 пульт подключен), внутренний задатчик R11 автоматически отключается контактами реле К2, на обмотку которого, через перемычку установленную в разъёмном соединении пульта, подаётся напряжение с выхода выпрямителя GL4. Кроме этого, с выхода выпрямителей GL3 и GL4, снимается двухполярное напряжение, необходимое для питания элементов схемы ВПУ.
В импульсных преобразователях энергии, работающих на высокой частоте, часть энергии накапливается в паразитных индуктивностях монтажа и индуктивности рассеяния трансформаторов. В моменты запирания ключевых элементов преобразователя, эти индуктивности являются источниками импульсов напряжения самоиндукции, вызывающих перенапряжения в схеме преобразователя. Для снижения перенапряжений используются различные RC и RCD цепочки, на резисторах которых рассеивается энергия накопленная в паразитных индуктивностях. В ИСИ эта доля энергии уже настолько велика, что её нельзя полностью рассеивать в виде тепла, так как это приведёт к значительному снижению КПД источника. Детально продуманная компоновка ИСИ позволяет снизить индуктивность монтажа. Использование торроидальных трансформаторов позволяет максимально снизить межобмоточную индуктивность рассеяния. В довесок ко всему специальные схемотехнические решения позволяют возвращать (рекуперировать) энергию, накопленную в паразитных индуктивностях в источник питания или в нагрузку.
В цикле прямого хода однотактного прямоходового полумостового конвертора, когда транзисторы VT1 и VT2 открыты, энергия накапливается в индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора Т2. В цикле обратного хода, когда транзисторы VT1 и VT2 закрыты, эта энергия возвращается в источник питания через диоды VD1 и VD2. Более подробно работа этого конвертора будет рассмотрена позже, а так же её можно изучить, например, в [2, 3].
RCD-цепочки R4C4VD3 и R5C5VD4, включенные параллельно транзисторам VT1 и VT2, уменьшают мощность, рассеиваемую на этих транзисторах, в момент их запирания.
На рис.2 изображена принципиальная схема драйвера, предназначенного для управления IGBT транзисторами конвертора. Трансформатор Т1 осуществляет гальваническую развязку между блоком управления и каналами драйвера. В данном случае трансформаторная развязка имеет неоспоримые преимущества перед оптронной, т.к. автоматически ограничивает длительность отпирающих импульсов на уровне, не допускающем насыщения трансформатора Т2 конвертора. Оба канала драйвера выполнены по аналогичной схеме и поэтому рассмотрим работу верхнего канала А. Импульсы с вторичной обмотки трансформатора, через резистор R1, поступают на вход формирователя, собранного на инверторах DD1. IGBT транзистор имеет довольно значительную входную ёмкость Cies (между затвором и эмиттером) и поэтому, перед тем как поступить на его вход, импульсы с выхода формирователя поступают на вход усилителя мощности, собранного на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R5 – R8. С выхода усилителя мощности, через резистор R9, импульсы поступают на затвор IGBT транзистора. Резистор R9 предотвращает колебательный процесс в контуре, образованном индуктивностью присоединительного проводника и входной ёмкостью транзистора. Переменное напряжение с отдельной обмотки трансформатора Т1 (рис. 1) выпрямляется мостовым выпрямителем GL1 и сглаживается на конденсаторе С3. Питание формирователя осуществляется стабилизированным напряжением +5В, с выхода стабилизатора DA1. Описанная схема не требует настройки и работоспособна сразу после правильной сборки и монтажа.
Дата добавления: 2014-12-18; просмотров: 62 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |