RU187434U1

RU187434U1 - Magnetic-pulse installation with phase-pulse control of charge

Info

Publication number: RU187434U1
Application number: RU2018120965U
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Глущенков; Ринат Юнусович Юсупов
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2019-03-06

Abstract

Полезная модель относится к обработке металлов давлением, в частности к устройствам для магнитно-импульсной обработки и может быть использована для штамповки, сборки, сварки и других технологических операций в различных отраслях машиностроения.Установка содержит зарядное устройство, емкостный накопитель энергии, разрядник, подключенный к индуктору, в котором находится обрабатываемый материал. С целью повышения надежности работы, уменьшения габаритов и массы, упрощения аппаратуры и снижения пусковых токов в режиме «мягкого пуска» зарядное устройство содержит симметричный тиристор, установленный 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. 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. Выход компаратора соединен с усилителем-формирователем импульсов, который подключен к управляющему выводу тиристора. 2 ил.The invention relates to the processing of metals by pressure, in particular to devices for magnetic pulse processing and can be used for stamping, assembly, welding and other technological operations in various branches of engineering. The installation contains a charger, a capacitive energy storage device, a spark gap connected to an inductor in which the processed material is located. In order to increase operational reliability, reduce overall dimensions and weight, simplify equipment and reduce inrush currents in the “soft start” mode, the charger contains a symmetric thyristor installed in the power supply circuit of a high-voltage transformer, while the power supply circuit is connected to a rectangular pulse shaper, the output of which is connected to a sawtooth voltage shaper, which is connected to a non-inverting input of the comparator, and the second inverting input of the comparator is connected to a timing capacitor and torus. The inverting input of the comparator is also connected to the reference voltage source through the normally closed relay contacts of the control unit and the normally open relay contacts of the voltage regulator, the input of which is connected to the voltage divider. The output of the comparator is connected to an amplifier-driver of pulses, which is connected to the control terminal of the thyristor. 2 ill.

Description

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.The utility model relates to the processing of metals by pressure, in particular to devices for magnetic pulse processing and can be used for stamping, assembly, welding and other technological operations in various branches of engineering.

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].A known installation for magnetic-pulse processing of metals, comprising: capacitive energy storage, current switch (discharger), inductor, charger, voltage divider. The energy storage device is charged to a predetermined voltage level from a charger including a high voltage transformer and a rectifier. At the end of the charge, the energy storage is discharged through the arrester to the inductor. The discharge current passing through the inductor creates a pulsed magnetic field that induces eddy currents in the material being processed. As a result of the electrodynamic interaction of the magnetic field of the inductor and eddy currents, the workpiece material is deformed [Bely I.V., Fertik S.M., Khimenko L.T. Handbook of magnetic pulse processing of materials, Kharkov: ed. "Vishka school." 1977, pp. 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].A known installation, where to limit the charging current are used: resistive, inductive, capacitive elements or autotransformer in the power circuit [Popilov D.Ya. "Electrophysical and electrochemical processing of metals", M: Mechanical Engineering. 1982 280 ... 297 s].

Недостатками известных установок являются большие пусковые токи, тепловые потери на токоограничивающих резисторах, большие габариты и масса зарядного устройства.The disadvantages of the known installations are large inrush currents, heat loss on current-limiting resistors, large dimensions and mass of the charger.

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.]The closest in technical essence to the claimed utility model is an installation for magnetic pulse metal processing, comprising: a charger with a high voltage transformer and a frequency converter, which is connected to a voltage divider; capacitive energy storage; spark gap and process inductor. [Patent for utility model 75598 of the Russian Federation, IPC B21D 26/14, 08/20/2008, Installation for magnetic pulse processing of metals.]

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.In the described device, the energy storage charge is produced from an alternating current network through a circuit: a frequency converter with controlled pulse width modulation, a high voltage transformer and a rectifier. The charge occurs smoothly by a feedback signal from a voltage divider installed in the energy storage device. Reducing the starting currents of the charger is achieved by adjusting the supply voltage in the primary circuit of the high voltage transformer.

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.The disadvantage of the installation is the complexity of the hardware implementation and the relatively high cost, as well as the presence of high-frequency harmonics in the power circuit, which requires the inclusion of noise suppression filters to protect electronic components in the control system of the installation and related equipment. In addition, there is a risk of damage to the electronic circuit of the frequency converter as a result of exposure to electromagnetic interference during transients at the moments of discharge of the energy storage device.

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».The technical result of the claimed solution is to increase the reliability of the work, reduce the size and weight, simplify the equipment, reduce the starting currents in the process of charging the energy storage in the "soft start" mode.

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.The technical result is achieved in that the magnetic pulse installation, including a capacitive energy storage device, a high voltage divider, a spark gap connected to an inductor, a charger containing a high voltage transformer and a rectifier, is equipped with a symmetric thyristor in the power circuit of the high voltage transformer, while the power circuit is connected to the shaper rectangular pulses, the output of which is connected to a sawtooth voltage shaper, which is connected to the non-inverting input of the comparator, and W The inverting input of the comparator is connected to a timing capacitor and a resistor, while the inverting input of the comparator is also connected to a reference voltage source through normally closed relay contacts of the control unit and normally open relay contacts of the voltage regulator, the input of which is connected to the voltage divider, and the output of the comparator is connected to the amplifier a pulse shaper that is connected to the control terminal of the thyristor.

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.In a magnetic pulse installation, a new circuit solution is proposed that will optimize the process of charging a capacitive energy storage in the "soft start" mode, simplify the design of the charger, reduce the cost of implementing the device without limiting the power in various options for stored energy.

На фиг. 1 показана схема магнитно-импульсной установкиIn FIG. 1 shows a diagram of a magnetic pulse installation

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.In FIG. 2 shows timing diagrams of signals: mains voltage - U1; pulses at the output of the shaper - U2; pulses at the output of the sawtooth voltage shaper - U3; pulses at the output of the amplifier-former - U4; voltage at the input of a high voltage transformer - U5; energy storage charge voltage - U6; voltage at the inverting input of the comparator - 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.The installation consists of a charger 1, including a high-voltage transformer T1, a rectifier D1, a thyristor (triac) Q1; capacitive energy storage 2 (C1 ... C3); high voltage voltage divider R1, R2; arrester S1; arrester launch unit 3; inductor L1; processed material 4; charge voltage adjuster 5, including a relay with normally open contacts K2; shaper of rectangular pulses 6; a sawtooth pulse shaper 7; comparator 8; amplifier-shaper 9; reference voltage source 10; the control unit of the installation 11, including a relay with normally closed contacts K1; timing chain capacitor C4 and resistor R3.

Работа магнитно-импульсной установки.The work of the magnetic pulse installation.

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.Shaper 6 converts half-periods of the mains voltage U1 to rectangular pulses U2. At the output of the shaper 7, sawtooth voltage pulses U3 are formed synchronously with the supply voltage, which are fed to the non-inverting input of the comparator 8. In the initial state, before the start command is received, normally closed relay contacts K1 in the control unit 11 supply the reference voltage Uref0 to the capacitor C4 which is connected to the inverting input 8. The reference voltage level Uref0 is selected to be greater than the amplitude of the sawtooth voltage U3. At the output of the comparator 8 and the amplifier-former 9, there are no pulses and, thyristor Q1 is closed, the voltage at the input of the primary winding of the high-voltage transformer T1 is also absent.

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».With the start command, the contacts K1 open and the current voltage Uref on the capacitor C4 begins to smoothly decrease through the resistor R3. When the voltage of the sawtooth pulses U3 exceeds the current voltage Uref at the inverting input of the comparator, pulses appear at the output of the comparator 8 and the amplifier-former 9, which open the thyristor Q1. As the capacitor C4 discharges, the pulse duration at the output of the comparator and the amplifier-former is gradually increasing, which leads to an increase in the opening angle of thyristor Q1 and the voltage at the input of transformer U6. Thus, a smooth charge of the unit energy storage occurs in the “soft start” mode.

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.The voltage from the divider R1, R2 increases in proportion to the charge voltage of the energy storage. Upon reaching the charge voltage of a predetermined level, the voltage adjuster 5 closes the contacts K2. The voltage across the capacitor C4 and the inverting input of the comparator increases to a maximum value Uref, which exceeds the amplitude of the sawtooth pulses at the non-inverting input. This leads to blocking the comparator, the start pulses of the thyristor Q1 are stopped and the charge of the energy storage device stops at a given level. The drive can be discharged to the inductor by the operator’s command or automatically, by the signal of the voltage regulator 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.At the end of the discharge, the master opens the contacts K2, and the control unit 11 returns the contacts K1 to the initial closed state. Thyristor Q1 is closed, the installation is ready for the next cycle of operation.

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.The speed and duration of the charge is selected by changing the discharge time constant R3-C4. Contacts K1, K2 can be made on the basis of optoelectronic keys in a non-contact control circuit with galvanic isolation, to increase noise immunity and speed.

Примеры практической реализации магнитно-импульсной установки.Examples of practical implementation of a magnetic pulse installation.

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.The circuit described above with thyristor phase-pulse control was implemented in a number of installations with a stored energy of 1 to 50 kJ using a high-voltage transformer with a maximum power of up to 40 kVA and a supply current of up to 100A from the mains. Charge time was regulated in the range of 1 ... 10 sec. Power thyristors with phase-pulse control have a large current overload capacity and will allow their use in networks with a wide supply voltage range of 220 ... 660 V.

Claims

Magnetic-pulse installation for metal forming, containing a series-connected charger, including a high-voltage transformer connected to the mains supply circuit, and a rectifier, capacitive energy storage device, high-voltage voltage divider, spark gap with a start-up unit and an inductor, characterized in that it equipped with a symmetric thyristor installed in the mains supply circuit of a high-voltage transformer, serially connected by a square-wave pulse generator, forms a sawtooth voltage comparator, a comparator and a pulse former, which is connected to the control terminal of a symmetric thyristor, a control unit with a relay, a reference voltage source, a timing circuit consisting of a capacitor and a resistor connected in parallel, and a charge voltage regulator with a relay, while the shaper input rectangular pulses is connected to the mains supply circuit, the input of the charge voltage adjuster is connected to a high-voltage voltage divider, the output of the saw shaper of a large voltage is connected to the non-inverting input of the comparator, the inverting input of which is connected to the timing circuit and through the normally connected normally closed relay contacts of the control unit and the normally open relay contacts of the charge voltage regulator - with a reference voltage source.