Магнитно-импульсная установка с фазо-импульсным управлением зарядом

Полезная модель относится к обработке металлов давлением, в частности к устройствам для магнитно-импульсной обработки и может быть использовано для штамповки, сборки, сварки и других технологических операций в различных отраслях машиностроения.
Известна установка для магнитно-импульсной обработки металлов, содержащая: емкостный накопитель энергии, коммутатор тока (разрядник), индуктор, зарядное устройство, делитель напряжения. Накопитель энергии заряжается до заданного уровня напряжения от зарядного устройства, включающего высоковольтный трансформатор и выпрямитель. По окончании заряда накопитель энергии разряжается через разрядник на индуктор. Проходящий по индуктору разрядный ток создает импульсное магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи в обрабатываемом материале. В результате электродинамического взаимодействия магнитного поля индуктора и вихревых токов происходит деформирование материала заготовки [Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Справочник по магнитно-импульсной обработке материалов, Харьков: изд. «Вища школа». 1977, стр. 57-97].
Известна установка, где для ограничения зарядного тока используются: резистивные, индуктивные, емкостные элементы или автотрансформатор в цепи питания [Попилов Д.Я. «Электрофизическая и электрохимическая обработка металлов», М: Машиностроение. 1982 г. 280…297 с].
Недостатками известных установок являются большие пусковые токи, тепловые потери на токоограничивающих резисторах, большие габариты и масса зарядного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является установка для магнитно-импульсной обработки металлов, содержащая: зарядное устройство с высоковольтным трансформатором и преобразователем частоты, который соединен с делителем напряжения; емкостный накопитель энергии; разрядник и технологический индуктор. [Патент на полезную модель 75598 РФ, МПК B21D 26/14, 20.08.2008, Установка для магнитно-импульсной обработки металлов.]
В описанном устройстве заряд накопителя энергии производится от сети переменного тока по цепи: преобразователь частоты с управляемой широтно-импульсной модуляцией, высоковольтный трансформатор и выпрямитель. Заряд происходит плавно по сигналу обратной связи с делителя напряжения, установленного в накопителе энергии. Снижение пусковых токов зарядного устройства достигается регулировкой напряжения питания в первичной цепи высоковольтного трансформатора.
Недостатком установки является сложность аппаратурной реализации и относительно высокая стоимость, а также, наличие высокочастотных гармоник в цепи питания, что требует включения помехоподавляющих фильтров для защиты электронных компонентов в системе управления установкой и смежного оборудования. Кроме того, существует риск повреждения электронной схемы преобразователя частоты в результате воздействии электромагнитных помех при переходных процессах в моменты разряда накопителя энергии установки.
Техническим результатом заявленного решения является повышение надежности работы, уменьшение габаритов и массы, упрощение аппаратуры, снижения пусковых токов в процессе заряда накопителя энергии в режиме «мягкого пуска».
Технический результат достигается тем, что магнитно-импульсная установка, включающая емкостный накопитель энергии, высоковольтный делитель, разрядник, подключенный к индуктору, зарядное устройство, содержащее высоковольтный трансформатор и выпрямитель, снабжена симметричным тиристором в цепи питания высоковольтного трансформатора, при этом цепи питания подключены к формирователю прямоугольных импульсов, выход которого соединен с формирователем пилообразного напряжения, который подключен к неинвертирующему входу компаратора, а второй инвертирующий вход компаратора соединен с времязадающим конденсатором и резистором, при этом инвертирующий вход компаратора также соединен с источником опорного напряжения через нормально замкнутые контакты реле блока управления и нормально разомкнутые контакты реле задатчика напряжения, вход которого подключен к делителю напряжения, а выход компаратора соединен с усилителем-формирователем импульсов, который подключен к управляющему выводу тиристора.
В магнитно-импульсной установке предложено новое схемное решение, которое позволит оптимизировать процесс заряда емкостного накопителя энергии в режиме «мягкого пуска», упростить конструкцию зарядного устройства, снизить затраты на реализацию устройства без ограничения мощности в различных вариантах запасаемой энергии.
На фиг. 1 показана схема магнитно-импульсной установки
На фиг. 2 представлены временные диаграммы сигналов: напряжение питания сети - U1; импульсы на выходе формирователя - U2; импульсы на выходе формирователя пилообразного напряжения - U3; импульсы на выходе усилителя-формирователя - U4; напряжение на входе высоковольтного трансформатора - U5; напряжение заряда накопителя энергии - U6; напряжение на инвертирующем входе компаратора - Uref.
Установка состоит из зарядного устройства 1, включающего высоковольтный трансформатор Т1, выпрямитель D1, тиристор (триак) Q1; емкостного накопителя энергии 2 (С1…С3); высоковольтного делителя напряжения R1, R2; разрядника S1; блока запуска разрядника 3; индуктора L1; обрабатываемого материала 4; задатчика напряжения заряда 5, включающего реле с нормально разомкнутыми контактами К2; формирователя прямоугольных импульсов 6; формирователя пилообразных импульсов 7; компаратора 8; усилителя-формирователя 9; источника опорного напряжения 10; блока управления установкой 11, включающего реле с нормально замкнутыми контактами К1; времязадающей цепочки -конденсатор С4 и резистор R3.
Работа магнитно-импульсной установки.
Формирователь 6 преобразует полупериоды сетевого напряжения U1 в прямоугольные импульсы U2. На выходе формирователя 7 формируются импульсы пилообразного напряжения U3 синхронно с напряжением питающей сети, которые поступают на неинвертирующий вход компаратора 8. В исходном состоянии, до поступления команды «Пуск», нормально замкнутые контакты К1 реле в блоке управления 11 подают опорное напряжение Uref0 на конденсатор С4, который подключен к инвертирующему входу 8. Уровень опорного напряжения Uref0 выбирается больше амплитуды пилообразного напряжения U3. На выходе компаратора 8 и усилителя-формирователя 9 импульсы отсутствуют и, тиристор Q1 закрыт, напряжение на входе первичной обмотки высоковольтного трансформатора Т1, также отсутствует.
С подачей команды «Пуск» контакты К1 размыкаются и текущее напряжение Uref на конденсаторе С4 начинает плавно уменьшаться через резистор R3. При превышении напряжения пилообразных импульсов U3 текущего напряжения Uref на инвертирующем входе компаратора, на выходе компаратора 8 и усилителя-формирователя 9 появляются импульсы, которые открывают тиристор Q1. По мере разряда конденсатора С4 длительность импульсов на выходе компаратора и усилителя-формирователя плавно увеличивается, что приводит к увеличению угла открытия тиристора Q1 и напряжения на входе трансформатора U6. Таким образом, происходит плавный заряд накопителя энергии установки в режиме «мягкого пуска».
Напряжение с делителя R1, R2 увеличивается пропорционально напряжению заряда накопителя энергии. При достижении напряжения заряда заданного уровня, задатчик напряжения 5 замыкает контакты К2. Напряжение на конденсаторе С4 и инвертирующем входе компаратора увеличивается до максимального значения Uref, которое превышает амплитуду пилообразных импульсов на неинвертирующем входе. Это приводит к блокированию работы компаратора, импульсы запуска тиристора Q1 прекращаются и заряд накопителя энергии останавливается на заданном уровне. Разряд накопителя на индуктор может производиться командой оператора или автоматически, сигналом задатчика напряжения 5.
По окончании разряда задатчик размыкает контакты К2, а блок управления 11 возвращает контакты К1 в исходное замкнутое состояние. Тиристор Q1 закрыт, установка готова к следующему циклу работы.
Скорость и длительность заряда выбирается изменением постоянной времени разряда R3-C4. Контакты К1, К2 могут быть выполнены на базе оптоэлектронных ключей в бесконтактной схеме управления с гальванической развязкой, для увеличения помехоустойчивости и быстродействия.
Примеры практической реализации магнитно-импульсной установки.
Описанная выше схема с тиристорным фазо-импульсным управлением была реализована в ряде установок с запасаемой энергией от 1 до 50 кДж с использованием высоковольтного трансформатора с максимальной мощностью до 40 кВА и током питания от сети до 100А. Время заряда регулировалось в диапазоне 1…10 сек. Силовые тиристоры с фазо-импульсным управлением имеют большую перегрузочную способность по току и позволят использовать их в сетях с широким диапазоном напряжения питания 220...660 В.