Установка для магнитно-импульсной обработки металлов

Установка для магнитно-импульсной обработки металлов относится к импульсной обработке металлов давлением и предназначена 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 уменьшения габаритов и массы, повышения к.п.д. процесса заряда установки и улучшения качества потребляемой энергии, зарядное устройство содержит преобразователь частоты с управляемым широтно-импульсным модулятором (ШИМ). Входные цепи преобразователя подключены к сети питания, выходные цепи подключены к высоковольтному трансформатору, а управляющий вход ШИМ преобразователя соединен с дополнительным делителем напряжения. Одно плечо делителя напряжения подключено к высоковольтной цепи накопителя энергии, а другое плечо соединяется с заземленной цепью накопителя. Для автоматической регулировки скважности импульсов питания, и как следствие этого, величины зарядного тока, в преобразователе частоты введена обратная связь по напряжению. Сигнал обратной связи, пропорциональный напряжению заряда установки, снимается с делителя напряжения.

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. Накопитель энергии заряжается постоянным током до заданного уровня напряжения от зарядного устройства, включающего высоковольтный трансформатор, выпрямитель и ограничительное сопротивление. 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.

Для ограничения зарядного тока в установке используются: резистивные, индуктивные, емкостные элементы или автотрансформатор в цепи питания (в книге Попилов Д.Я. «Электрофизическая и электрохимическая обработка металлов», М.: Машиностроение. 1982 г. 280...297 с.).

Недостатки известной установки: зарядное устройство имеет низкий к.п.д., не более 0,5; большие пусковые токи при высокой скорости заряда для установки с высокой производительностью; большие габариты и массу.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является установка для магнитно-импульсной обработки металлов, содержащая: емкостный накопитель энергии (источник тока); управляемый разрядник, соединенный с нагрузкой - индуктором и зарядное устройство,

состоящее из автотрансформатора, высоковольтного трансформатора и умножителя напряжения, выполняющего функцию выпрямителя (патент на изобретение СССР №1799304, кл. В21D 26/14, Б.И. №8, 1993 г.).

В описанном устройстве заряд накопителя энергии производится от сети переменного тока через автотрансформатор, высоковольтный трансформатор и умножитель напряжения. Накопитель энергии разряжается на индуктор через управляемый разрядник, по команде от блока управления.

Снижение пусковых токов и массы зарядного устройства достигается с помощью умножителя напряжения и регулировкой напряжения питания автотрансформатором.

Недостатком устройства является низкая зарядная мощность при использовании выпрямителя с удвоением напряжения, что ограничивает применение описанной схемы в установках с большой запасаемой энергией и производительностью. Применение автотрансформатора в цепи питания требует дополнительной регулировки напряжения на входе высоковольтного трансформатора при изменении режима заряда накопителя энергии. Работа автотрансформатора и высоковольтного трансформатора на промышленной частоте сети - 50...60 Гц не приводит к эффективному уменьшению габаритов и массы зарядного устройства.

В основу полезной модели поставлены задачи: уменьшение габаритов и массы, повышение к.п.д. процесса заряда установки, улучшение качества потребляемой энергии за счет снижения пусковых токов и равномерной нагрузки фаз питающей сети.

Технический результат достигается тем, что в установке для магнитно-импульсной обработки металлов, включающей, емкостный накопитель энергии, разрядник, подключенный к индуктору, зарядное устройство, содержащее высоковольтный трансформатор и выпрямитель, в накопителе энергии дополнительно содержится делитель напряжения, а зарядное устройство дополнительно содержит преобразователь частоты с регулируемым широтно-импульсным

модулятором, подключенный входными цепями к сети питания, выходные цепи подключены к высоковольтному трансформатору, а управляющий вход широтно-импульсного модулятора соединен с дополнительным делителем напряжения, одно плечо которого подключено к высоковольтной цепи накопителя энергии, а другое плечо соединяется с заземленной цепью накопителя. Для автоматической регулировки скважности импульсов питания, и как следствие этого, величины зарядного тока, в преобразователе частоты введена обратная связь по напряжению. Сигнал обратной связи, пропорциональный напряжению заряда установки, снимается с делителя напряжения, который подключен к накопителю энергии.

В преобразователе частоты длительность выходных импульсов плавно увеличивается в процессе заряда накопителя энергии. Импульсы следуют с постоянной частотой Т=const, а скважность t ₁/T изменяется в диапазоне 0,05...0,5.

Повышение к.п.д. зарядного устройства достигается выбором оптимального закона регулирования зарядного тока, близкого к линейному. Для уменьшения габаритов и массы высоковольтный трансформатор питается от преобразователя импульсами с повышенной частотой - 500...1000 Гц, превышающей частоту питания промышленной сети - 50...60 Гц.

На фиг.1 изображена схема установки для магнитно-импульсной обработки металлов.

На фиг.2 представлены диаграммы сигналов: напряжения обратной связи - Uoc, пропорционального напряжению заряда накопителя энергии и, выходных импульсов преобразователя частоты - U₂.

На фиг.3 представлены осциллограммы напряжения заряда накопителя энергии - Un (верхний луч) и тока потребления установки в режиме заряда -I1 (нижний луч).

Установка состоит из: зарядного устройства 1, включающего преобразователь частоты 2, высоковольтный трансформатор 3 и выпрямитель 4; высоковольтного

делителя напряжения 5, емкостного накопителя энергии 6, блока запуска разряда 7, разрядника 8, и нагрузки - индуктора 9 с обрабатываемой заготовкой 10.

Работа магнитно-импульсной установки.

В начальный момент t₀ после включения зарядного устройства 1 к сети преобразователь частоты 2 формирует на выходе импульсы t_i с минимальной длительностью, так как в исходном состоянии конденсаторы накопителя энергии 6 разряжены, а напряжение обратной связи от высоковольтного делителя напряжения 5 равно нулю. Происходит заряд накопителя энергии от выпрямителя 4 с малым током, так как напряжение на трансформаторе 3 ограничено за счет малой длительности питающих импульсов и индуктивности рассеяния трансформатора.

По мере заряда конденсаторов напряжение обратной связи увеличивается, что приводит к увеличению длительности выходных импульсов и росту напряжения на трансформаторе 3. После достижения заданного уровня энергии U_n заряд прекращается отключением преобразователя частоты. Одновременно с этим, блок управления 7 запускает разрядник 8. Накопитель энергии разряжается на индуктор 9, где происходит магнитно-импульсная обработка заготовки 10.

В случае электрического пробоя или утечке в высоковольтных цепях накопителя энергии напряжение обратной связи Uoc падает до нуля. Преобразователь частоты автоматически уменьшает длительность выходных импульсов до минимального уровня, ток заряда при этом резко уменьшается, что способствует защите зарядного устройства установки в аварийных ситуациях.

Преобразователь частоты питается от трехфазной сети переменного тока и нагружен на однофазный высоковольтный трансформатор по схеме 3АС - 1АС, обеспечивая равномерную нагрузку по фазам сети и режим «мягкого» пуска. Такая схема предусматривает: преобразование трехфазного переменного

напряжения промышленной частоты в постоянное и последующее преобразование в однофазное переменное напряжение повышенной частоты с заданным законом регулирования. Скорость заряда и закон регулирования зарядного тока можно выбирать изменением глубины обратной связи с делителя напряжения, подключенного к накопителю энергии.

Пример реализации схемы магнитно-импульсной установки.

Емкостный накопитель энергии с максимальной запасаемой энергией 50 кДж питается от зарядного устройства с преобразователем частоты, управляемым ШИМ - процессором. Выходная частота преобразователя 1 кГц. Длительность импульсов изменяется от 5 до 45% по отношению к периоду. Средняя мощность преобразователя за один цикл работы установки (заряд - разряд) не превышает 15 кВт.

Для сравнения магнитно-импульсная установка МИУ-50 по традиционной схеме заряда от однофазной сети с пассивным ограничением зарядного тока на резистивно-индуктиных элементах имеет зарядную мощность не менее 25 кВт. Пусковой ток установки МИУ-50 в течение 3 с заряда составляет 80...100А.

Установка для магнитно-импульсной обработки металлов, включающая, емкостный накопитель энергии, разрядник, подключенный к индуктору, зарядное устройство, содержащее высоковольтный трансформатор и выпрямитель, отличающаяся тем, что накопитель энергии дополнительно содержит делитель напряжения, а зарядное устройство дополнительно содержит преобразователь частоты с регулируемым широтно-импульсным модулятором, подключенный входными цепями к сети питания, выходные цепи подключены к высоковольтному трансформатору, а управляющий вход широтно-импульсного модулятора соединен с дополнительным делителем напряжения, одно плечо которого подключено к высоковольтной цепи накопителя энергии, другое плечо соединяется с заземленной цепью накопителя.