Магнитно-импульсная установка для выполнения сборочных операций Российский патент 2023 года по МПК B21D26/14 

Установка относится к обработке металлов давлением, в частности к устройствам для магнитно-импульсной обработки и может быть использована для штамповки, сборки, сварки и других сборочных технологических операций в различных отраслях машиностроения.

Известна «Установка для магнитно-импульсной обработки металлов» RU 75598 U1, опубликовано 20.08.2008. Установка включает емкостной накопитель энергии, разрядник, подключённый к устройству, 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. В преобразователе частоты в процессе заряда импульсы следуют с постоянной повышенной частотой 500…1000 Гц, а скважность изменяется в диапазоне 0,05…0,5. Достоинством известной установки является уменьшение габаритов и массы, а также повышенный к.п.д и улучшенное качество потребляемого тока из сети за счёт применения преобразователя частоты в зарядном устройстве.

Недостатком известной установки является низкая управляемость зарядным устройством из-за невозможности оперативного изменения параметров заряда емкостных накопителей таких как энергия разряда и время заряда. Кроме того, существует повышенный риск выхода из строя выпрямителя при колебательном разрядном импульсе, который возможен при рассогласовании параметров емкостного накопителя, индуктора и нагрузки.

Наиболее близким аналогом предлагаемой установки является «Магнитно-импульсная установка с фазо-импульсным управлением зарядом» RU 187434 U1, опубликовано 06.03.20019. Известная магнитно-импульсная установка содержит зарядное устройство, включающее в себя симметричный тиристор, высоковольтный трансформатор, подключённый к цепи сетевого питания, и выпрямитель, емкостной накопитель энергии, высоковольтный делитель напряжения, разрядник с блоком запуска, индуктор, формирователь прямоугольных импульсов, формирователь пилообразного напряжения, компаратор, усилитель-формирователь импульсов, который управляет симметричным тиристором, блок управления с реле, источник опорного напряжения, задатчик зарядного напряжения с реле, времязадающая цепочка, состоящая из параллельно соединённых конденсатора и резистора. Симметричный тиристор управляется формирователем прямоугольных импульсов, скважность которых зависит от уровня зарядного напряжения с делителя высокого напряжения. Разряд накопителя на индуктор производится через разрядник по команде оператора или автоматически. Скорость и длительность заряда выбирается изменением постоянной времени разряда конденсатор-резистор.

Недостатком установки является низкая надёжность зарядного устройства из-за использования в нём симметричного тиристора. При возникновении аварийной ситуации, например короткого замыкания, симметричный тиристор прекратит пропускать в цепь ток только когда синусоидальный ток сети перейдёт через ноль и запрёт его, что составляет порядка 10 мс. За это время ток короткого замыкания может вывести из строя электронные компоненты системы управления и смежного оборудования. Кроме того, недостатком известной установки является низкая управляемость зарядным устройством, так как длительность заряда регулируется изменением постоянной времени разряда конденсатор-резистор, а энергия разряда не регулируется.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая установка, является повышение эффективности зарядного устройства и увеличение срока службы магнитно-импульсной установки.

Техническим результатом является повышение надёжности работы, управляемости процесса заряда и снижение пусковых токов заряда накопителя энергии.

Технический результат достигается тем, что магнитно-импульсная установка для выполнения сборочных операций содержит зарядное устройство, включающее в себя высоковольтный трансформатор, к вторичной обмотке которого подключён выпрямитель, разрядник с блоком запуска, емкостной накопитель энергии, параллельно с которым подключён высоковольтный делитель напряжения, и индуктор. Зарядное устройство установки дополнительно содержит блок анализа параметров питающей сети и защитного отключения, один выход которого подключён к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, а второй выход подключён к двум встречно последовательно соединённым полевым транзисторам. Встречно последовательно соединённые полевые транзисторы подключены к первичной обмотке высоковольтного трансформатора. Входы блока анализа параметров питающей сети и защитного отключения являются входами зарядного устройства, предназначенными для подключения к питающей сети. Выпрямитель состоит из параллельно последовательно соединённых ячеек высоковольтных диодов и низкоомных резисторов, предназначенных для выравнивания потенциала на диодах. Разрядник подключён параллельно выпрямителю и параллельно емкостному накопителю энергии и индуктору, которые соединены между собой последовательно. Также установка дополнительно снабжена блоком цифрового управления, входы которой подключены к высоковольтному делителю напряжения и блоку анализа параметров питающей сети и защитного отключения, а выходы подключены к управляющим контактам полевых транзисторов, блоку запуска и блоку анализа параметров питающей сети и защитного отключения.

Высоковольтный выпрямитель состоит из параллельно последовательно соединённых ячеек высоковольтных диодов и низкоомных резисторов, предназначенных для выравнивания потенциалов на высоковольтных диодах. Такая конструкция защищает выпрямитель от протекания большого обратного тока и позволяет снизить риск выхода из строя высоковольтного выпрямителя при высокой колебательности разрядного импульса, что повышает надёжность зарядного устройства в целом.

Разрядник подключён параллельно емкостному накопителю энергии и индуктору, которые соединены между собой последовательно, и параллельно высоковольтному выпрямителю. За счёт такой конфигурации подключения разрядника в момент разряда обеспечивается практически полное исключение высоковольтного выпрямителя из разрядного контура, что дополнительно уменьшает падение напряжения на высоковольтных диодах в момент разряда, особенно при высокой колебательности разрядного импульса, и в ещё большей степени повышает надёжность и долговечность зарядного устройства.

Магнитно-импульсная установка дополнительно содержит блок цифрового управления, который управляет зарядом и разрядом установки. Блок цифрового управления позволяет оперативно перед зарядом изменить время заряда и энергию разряда емкостных накопителей. В него встроены программные и программно-аппаратные механизмы быстрого защитного отключения при обнаружении критических ситуаций, а также вывод диагностической информации о причине защитного отключения на панель оператора для анализа и исправления возникшей внештатной ситуации.

На фиг. 1 показана схема магнитно-импульсной установки.

На фиг. 2 показана одна из восьми ячеек высоковольтного выпрямительного моста.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы сигналов: напряжение питания сети - U1; импульсы управления транзисторами - U2; напряжение на входе высоковольтного трансформатора - U3; напряжение заряда накопителя энергии - U4.

Установка (фиг. 1) содержит зарядное устройство (ЗУ) 1, включающее в себя блок анализа параметров питающей сети и защитного отключения (БАЗ) 2, один выход которого подключён к первичной обмотке высоковольтного трансформатора T1, а второй которого выход подключён к двум встречно последовательно соединённым полевым транзисторам Q1 и Q2. Встречно последовательно соединённые полевые транзисторы Q1 и Q2 подключены к первичной обмотке высоковольтного трансформатора T1. К вторичной обмотке высоковольтного трансформатора T1 подключён выпрямитель D1. Выпрямитель D1 состоит из восьми параллельно последовательно соединённых ячеек (фиг. 2) высоковольтных диодов и низкоомных резисторов. Параллельно выходам выпрямителя D1 подключён разрядник S1 с блоком запуска (БЗ) 3. Параллельно разряднику S1 подключён емкостной накопитель энергии (ЕНЭ) 4, параллельно с которым подключён высоковольтный делитель напряжения R1 и R2, и индуктор L1. Установка (фиг. 1) снабжена блоком цифрового управления (БЦУ) 5, входы которого подключены к высоковольтному делителю напряжения R1 и R2 и БАЗ 2, а выходы которого подключены к управляющим контактам полевых транзисторов Q1 и Q2, БАЗ 2 и БЗ 3. Обрабатываемое изделие 6 помещается в индуктор L1.

БЦУ 5 по сигналу питающего напряжения (фиг. 3) U1 с БАЗ 2 отслеживает его переход через ноль и синхронно генерирует импульсы управления транзисторами U2, скважность которых изменяется в диапазоне 0,05…0,5. Увеличение скважности приводит к увеличению напряжения U3 на высоковольтном трансформаторе T1, и соответственно увеличению напряжения U4 на ЕНЭ 4. Старт на низкой скважности снижает пусковой ток заряда ЕНЭ 4.

БЦУ 5 по сигналу зарядного тока с БАЗ 2 регулирует скважность импульсов управления U2 транзисторов Q1 и Q2 так, чтобы стабилизировать зарядный ток. За счёт стабилизации зарядного тока достигается управление временем заряда.

БЦУ 5 по сигналу высокого напряжения U4 с высоковольтного делителя напряжения R1, R2 отслеживает напряжение на ЕНЭ 4 и принимает решение о прекращении заряда и подачи сигнала разряда на БЗ 3.

БЦУ 5 по сигналам с БАЗ 2 и высоковольтного делителя напряжения R1, R2 дополнительно отслеживает аварийные ситуации и при их обнаружении подаёт сигнал на БАЗ 2, который полностью отключает ЗУ 1 от питающей сети.

Работа магнитно-импульсной установки.

БЦУ 5 позволяет оператору ввести энергию разряда ЕНЭ 4, и время, за которое будет произведён заряд, в пределах, определяемых параметрами установки. В исходном состоянии, до поступления команды «Пуск», БЦУ 5 не подаёт импульсы на транзисторы Q1 и Q2, они закрыты, напряжение на вход первичной обмотки высоковольтного трансформатора T1, также отсутствует.

С подачей команды «Пуск» БЦУ 5 по введённым оператором параметрам рассчитывает режим заряда таким образом, чтобы снизить пусковой ток и стабилизировать зарядный ток на необходимом уровне в течение всего процесса заряда, по сигналу с БАЗ 2 БЦУ 5 отслеживает переход напряжения сети U1 через ноль, генерирует синхронизированные с сетевым напряжением импульсы управления U2 транзисторами Q1 и Q2, регулируя их скважность и, соответственно, напряжение заряда накопителя энергии U4 согласно рассчитанному режиму.

Напряжение с делителя R1, R2 увеличивается пропорционально напряжению заряда ЕНЭ 4. При достижении напряжения заряда заданного оператором уровня, БЦУ 5 прекращает генерировать импульсы управления транзисторами Q1 и Q2 и заряд ЕНЭ 4 останавливается на заданном уровне. Разряд ЕНЭ 4 на индуктор L1 инициируется БЦУ 5 по команде оператора, или автоматически по достижению заданного уровня напряжения.

При инициации разряда БЦУ 5 подаёт импульс на БЗ 3, который активирует разрядник S1. ЕНЭ 4 через разрядник S1 замыкается на индуктор L1, с помещённым внутри него обрабатываемым изделием 6. По контуру ЕНЭ 4 - разрядник S1 - индуктор L1, с помещённым внутри него обрабатываемым изделием 6, протекает разрядный ток. Накопленная в ЕНЭ 4 электрическая энергия преобразуется в магнитную энергию индуктора L1, которая в свою очередь преобразуется в энергию деформации одной из деталей изделия 6, в результате чего образуется неразъёмное соединение деталей изделия 6 между собой.

По окончании разряда установка сразу готова к следующему циклу работы, который может быть инициирован оператором, или автоматически.

БЦУ 5 по сигналам с БАЗ 2 и по сигналу с высоковольтного делителя напряжения R1, R2 способен отслеживать неисправности, выполнять защитное отключение ЗУ 1 от питающей сети и сообщать о следующих неисправностях оператору: электрический пробой одного из транзисторов Q1 и Q2, электрический пробой выпрямителя D1, короткое замыкание ЗУ 1, выход из строя БЗ 3, выход из строя разрядника S1.

В магнитно-импульсной установке для выполнения сборочных операций предложены новые схемные решения, которые позволят повысить надёжность, безотказность работы и производительность зарядного устройства с возможностью диагностирования неисправностей без значительного усложнения конструкции и без ограничения мощности в различных вариантах запасаемой энергии.

Примеры практической реализации магнитно-импульсной установки.

Описанная выше схема магнитно-импульсной установки была реализована в опытном образце с запасаемой энергией от 4 до 15 кДж с использованием высоковольтного трансформатора с максимально мощностью до 2 кВА и током питания от сети до 10 А. БАЗ 2 содержал в себе датчик питающего напряжения, датчик разрядного тока и контактор. БЦУ 5 был построен на базе микроконтроллера STM32. В качестве разрядника S1 использовался газовый управляемый разрядник РГУ-1-20-100. БЗ - устройство управления газовыми разрядниками типа РГУ-1. ЕНЭ - конденсаторная батарея набранная из конденсаторов К75-99 ёмкостью по 40 мкФ. Время заряда регулировалось в диапазоне 5…30 сек. Силовые полевые транзисторы имеют большую перегрузочную способность по току и позволят использовать их в сетях с широким диапазоном напряжения питания 220…660В.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при проведении сборочных технологических операций. Установка содержит зарядное устройство, включающее высоковольтный трансформатор, ко вторичной обмотке которого подключён выпрямитель, разрядник с блоком запуска, емкостный накопитель энергии и индуктор. Параллельно с емкостным накопителем подключён высоковольтный делитель напряжения. Предусмотрен блок анализа параметров питающей сети и защитного отключения. Один выход блока подключён к первичной обмотке трансформатора. Второй выход подключён к двум встречно последовательно соединённым полевым транзисторам, подключённым к первичной обмотке трансформатора. Входы блока анализа являются входами зарядного устройства. Выпрямитель состоит из параллельно последовательно соединённых ячеек высоковольтных диодов и низкоомных резисторов. Разрядник подключён параллельно выпрямителю и параллельно емкостному накопителю энергии и индуктору. Установка снабжена блоком цифрового управления. В результате обеспечивается повышение надежности работы индуктора, управляемости процесса заряда и снижение пусковых токов заряда накопителя энергии. 3 ил., 1 пр.

Магнитно-импульсная установка для выполнения сборочных операций, содержащая зарядное устройство, включающее в себя высоковольтный трансформатор, ко вторичной обмотке которого подключён выпрямитель, разрядник с блоком запуска, емкостный накопитель энергии, параллельно с которым подключён высоковольтный делитель напряжения, и индуктор, отличающаяся тем, что зарядное устройство дополнительно содержит блок анализа параметров питающей сети и защитного отключения, один выход которого подключён к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, а второй выход подключён к двум встречно последовательно соединённым полевым транзисторам, подключённым к первичной обмотке высоковольтного трансформатора, входы блока анализа параметров питающей сети и защитного отключения являются входами зарядного устройства, предназначенными для подключения к питающей сети, при этом выпрямитель состоит из параллельно последовательно соединённых ячеек высоковольтных диодов и низкоомных резисторов, предназначенных для выравнивания потенциала на диодах, при этом разрядник подключён параллельно выпрямителю и параллельно емкостному накопителю энергии и индуктору, которые соединены между собой последовательно, а также установка дополнительно снабжена блоком цифрового управления, входы которого подключены к высоковольтному делителю напряжения и блоку анализа параметров питающей сети и защитного отключения, а выходы подключены к управляющим контактам полевых транзисторов, блоку запуска и блоку анализа параметров питающей сети и защитного отключения.