Генератор импульсов Советский патент 1991 года по МПК B23H1/02 

1

(21)4366727/21

(22)27.01.88

(46) 23.06.91. Бкш. Г 23 (75) В0СЦ Тарасов

(53)627„373(088.8)

(56)Генераторы импульсов. - М.: Энергия, 1970, с.175, рис.8-6.

Гордеева П.Г., Поляков ИЛ,, Румянцева ПЛ1., Синенко В0В., Пруш- кина Ю0П. Мощный магнитно-тиристор- ный генератор импульсов / Приборы и техника эксперимента, f° 5, 1980, с. 1 18-119.

(54)ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ

(57)Изобретение относится к импульсной технике в частности к источникам импульсишс токов для осуществления электроэрозионной обработки и легирования, мсжет быть использовано при построении генераторов импульсоя

электроэрозионных станков и установок для электроэрознонного легирования. Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов при использовании в электроэрозионной обработке, а также расширение диапазона частот и длительностей импульсов. Генератор импульсов содержит формирующую линию 1, коммутатор 2, блок 3 управления, источник 4 постоянного напряжения, накопитель 5, зарядный коммутатор 6, выполненный на широтно-им- пульсном модуляторе, обмотки 7 и 10 трансформатора 8 с сердечником 9. Введение выпрямителя 11 и обмоток 12 и 13 трансформатора 8 позволило путем протекания при заряде и разряде по обмотке 12 токов в противоположных направлениях обеспечить размагничивание сердечника 9 и тем снизить массу и габариты. 2 ил.

S

(Л

Изобретение относится к импульсной технике, в частности t источникам импульсных токов для осуществления электроэрозионной обработки и-легирования, может быть использовано при построении генераторов импульсов электроэрозионшк станков и установок для электроэрозионного легирования .

Иеьлю изобретения является уменьшение массы и габаритов, в частности,при использовании для электроэрозионной обработки, а также расширение диапазона частот и длительностей импульсов.

На фиг.1 представлена электрическая принципиальная схема устройства;

на фиг.2 - конструкция трансформатора .

Генератор импульсов содержит формирующую линию 1, разрядный коммутатор 2, блок 3 управления и последовательно соединенные источник 4 постоянного напряжения, накопитель 5, зарядный коммутатор 6, выполненный на широтно-импульсном модуляторе, первую обмотку 7 трансформатора 8 с сердечником 9 индуктивно связанную с второй обмоткой 10 трансфер№

сл j

GO

31

матора 8, при этом выход блока 3 управления соединен с входом широтно- импульсного модулятора, выпрямитель 11 и третью и четвертую обмотки 12, 13 трансформатора 8. Вторая обмотка 10 подсоединена через последовательно соединенные выпрямитель 11, формирующую линию 1 , третью обмотку 12 трансформатора к входу разрядного коммутатора 2, выход которого подключен к выходу выпрямителя 11, выход и управляющий вход разрядного коммутатора 2 соединены соответственно с входом и вторым выходом блока 3 управлепил, четвертая обмотка 13 трансформатора 8 подключена к электроэрозионному промежутку 14, сердечник 9 трансформатора 8 выполнен с замкнутой полостью, внутри и вдоль которой расположены витки первой и второй обмоток 7, 10 трансформатора 8, перпендикулярно которым снаружи помечены третья и четвертая обмотки 12, 13. Сердечник 9 выполнен в виде полого тора, состоящего из двух одинаковых створок прилегающих одна к другой с зазором в плоскости тора. Четвертая обмотка 13 выполнена в виде объемного вика и охватывает третью обмотку 10, причем сердечник 9 трансформатора 8 может быть из магнитно-изотропного материала, например феррита. Формирующая линия 1 может быть выполнена с возможностью регулирования параметров импульсов переключением секций в зависимости от требований технологии эрозионной обработки к длительности и крутизне фронтов импульсов технологического тока„

Выпрямитель 11 подключен через последовательные зарядный дроссель и обмотку 12 к линии 10 Второй выхо выпрямителя 11 подключен через послдовательные разрядный коммутатор 2 и обмотку 12 к линии 1, образуя разрядный контур.

В качестве разрядного коммутатор может быть использован высокочастотный импульсный тиристор.

К обмотке 13 подключены электроды искрового разрядника, образующие эрозионный промежуток.

Блок 3 своим управляющим выходом сзязан с модулятором 6 с обеспечени гальванической развязки (например оптронами). При выполнении модулятора 6 для подачи с обмотку 7 однопо

5

0

5

0

5

0

5

0

5

лярньк импульсов, что упрощает модулятор 6, в сердечнике 9 необходим немагнитный зазор, препятствующий насыщению сердечника от намагничивания его в одном направлении. Немагнитный зазор может быть образован прокладкой 15 в виде тонкого кольца, расположенной между прилегающими одна к другой двумя одинаковыми створками, образующими сердечник 9,

Обмотка 7 и обмотка 10 могут быть помещены в чехлы 16, выполненные в виде кольцевых оснований,по периферии которых расположены гибкие сводчатые гофры, замыкающиеся своими свободными концами при сжатии их нишами створок магнитопровода. Благодаря высоким диэлектрическим свойствам феррита сердечника 9 и максимальному расстоянию между местами сочленения краев гофров по внутренней поверхности чип створок изоляции между обмотками 7 и 10 практически определяется удвоенной толщиной стенки кольцевого основания. Такая изоляция обеспечивает надежную гальваническую развязку питающей сети от общего провода генератора и повышенную безопасность работы в производственных условиях.

Створки сердечника 9 могут стягиваться изоляцией 17, состоящей из обмотанной вокруг сечения тора фторопластовой ленты с клеевым слоем. Поскольку сечение тора представляет собой круг, то возможно равномерно распределить усилие натяжения изоляции при намотке (например, по сравнению с фямоугольным профилем сечения), что повышает качество изоляции и допускает уменьшение ее толщины при прочих равных условиях. Намотка изоляции 17 одновременно с равномерной по длине тора стяжкой створок сердечника 9, подготавливает его поверхность к намотке обмотки 12 (повреждение витков обмотки 12 краями зазора сердечника 9 исключена).

Обмотка 12 может быть охвачена с двух сторон электропроводными (например медными) створками, соединенными с обеспечением электрического контакта по периферии пайкой (на фиг.2 слева от оси тороида) inn винтами (справа), образуюгцши объемный виток обмотки 13. Сочленение створок витка обмотки 10 по периферии обеспечивает надежный электрический контакт и

малое омическое сопротивление витка, так как на периферии плотность тока в теле витка такая же, как и в центральной части, а площадь контактных поверхностей существенно больше, что снижает требования к переходному сопротивлению контакта. В рабочем диапазоне импульсных токов для элекБлагодаря выполнению сердечника 9 тороидальным (без углов) обмотка 12 также полностью покрывает поверхность сердечника 9, что обеспечивает силь-

троэроэионного легирования 0,2...5 кА ,0 ную электромагнитную связь обмотки 12

и электроэрозионной обработки 0,015...1 кЛ, такое выполнение обмотки 10 обеспечивает ее упрощение, так как многовитковую обмотку на такой ток с малой индуктивностью рассеивания изготовить затруднительно. В то же время для применяемых в электроэрозионной обработке длительностей импульсов технологического тока О,8...600 икс всегда возможно рассчитать сердечник и остальные обмотки из условия получения заданного по технологии обработки выходного напряжения на одном витке и выполнить его объемным. Трансформатор1 8 в целом также упрощен благодаря использованию этого объемного витка в качестве корпуса трансформатора, обеспечивающего герметичность и защиту обмоток от факторов электроэрозионного процесса. В центральной части верхней створки объемного витка обмотки 13 выполнено дно, в центре которого выполнен токопроводный штырь 18. Нижняя створка также имеет дно, на котором выполнен полый токопро- водный цилиндр 19, расположенный со- осно со штырем 18 и образующий с ним коаксиальный токопровод. Центральная часть створок витка обмотки 10 и элементы 18 и 19 изолированы на рабочее напряжение эрозионного промежутка сплошной изоляцией (сЬторопласто- вой втулкой). Птырь 18, являющийся внутренней жилой коаксиального токо- провода,и цилиндр 19, являклцийся наружной жилой токопровода, соединены с электродами эрозионного промежутка 14. При этом собственная индуктивность рассеивания трансформатора 8 минимальна, так как электропроводные створки витка обмотки 10 полностью покрывают поверхность сердечника 9, переходя в сплошной коаксиальный то- коподвод из элементов 18 и 19, непосредственно соединенных с электроэрозионной нагрузкой. Эта короткая цепь импульсов силового тока обеспечивает как малую индуктивность рас20

25

30

с сердечником 9 и обмоткой 13, нагруженной на эрозионный промежуток 14. Это способствует передаче без искажений формы сформированного линией 1

15 импульса тока от обмотки 12 в разрядной цепи линии 1, в обмотку 10 и эрозионный промежуток 14. Изменяя до начала обработки переключением секций линии 1 длительность генерируемых импульсов в сторону уменьшения, можно существенно расширить диапазон генерируемых длительностей импульсов, т.е. расширить технологические возможности генератора, так как благодаря предложенному решению искажение формы импульсов существенно уменьшено. Формирование импульсов малой длительности позволяет настройкой блока 3 управления до начала обработки повысить частоту следования импульсов технологического тока и этим при заданной мощности в эрозионной нагрузке повысить качество и производительность электроэрозионной обработки

35 и легирования.

Сердечник 9 в сечении полого то- роида может иметь утолщенный к центру тора профиль, в результате магнитный материал сердечника 9 в генерато40 ре имеет постоянную электромагнитную нагрузку на единицу его объема. Это позволяет установить при изготовлении генератора оптимальную величину перемагничивающего поля для данного

45 типа материала сердечника 9 и этим полностью использовать его возможности, снижая массу и габариты генератора.

Расположение витков обмоток 7, 10,

50 и витков обмоток 12, 13 перпендикулярными в пространстве обеспечивает перемагничивание сердечника 9 в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

55 Это позволяет использовать объем магнитного материала трансформатора I как в зарядной, так и разрядной цепях формирующей линии 1, использовать весь магнитный материал сердечника 1

сеивания, так и малые активные потери, что уменьшает искажение формы генерируемых импульсов тока и потери в рабочем контуре генератора.

Благодаря выполнению сердечника 9 тороидальным (без углов) обмотка 12 также полностью покрывает поверхность сердечника 9, что обеспечивает силь-

ную электромагнитную связь обмотки 12

20

5

0

с сердечником 9 и обмоткой 13, нагруженной на эрозионный промежуток 14. Это способствует передаче без искажений формы сформированного линией 1

5 импульса тока от обмотки 12 в разрядной цепи линии 1, в обмотку 10 и эрозионный промежуток 14. Изменяя до начала обработки переключением секций линии 1 длительность генерируемых импульсов в сторону уменьшения, можно существенно расширить диапазон генерируемых длительностей импульсов, т.е. расширить технологические возможности генератора, так как благодаря предложенному решению искажение формы импульсов существенно уменьшено. Формирование импульсов малой длительности позволяет настройкой блока 3 управления до начала обработки повысить частоту следования импульсов технологического тока и этим при заданной мощности в эрозионной нагрузке повысить качество и производительность электроэрозионной обработки

5 и легирования.

Сердечник 9 в сечении полого то- роида может иметь утолщенный к центру тора профиль, в результате магнитный материал сердечника 9 в генерато0 ре имеет постоянную электромагнитную нагрузку на единицу его объема. Это позволяет установить при изготовлении генератора оптимальную величину перемагничивающего поля для данного

5 типа материала сердечника 9 и этим полностью использовать его возможности, снижая массу и габариты генератора.

Расположение витков обмоток 7, 10,

0 и витков обмоток 12, 13 перпендикулярными в пространстве обеспечивает перемагничивание сердечника 9 в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

5 Это позволяет использовать объем магнитного материала трансформатора I как в зарядной, так и разрядной цепях формирующей линии 1, использовать весь магнитный материал сердечника 1

практически во все время работы генератора и применить один трансформа- | тор 8 вместо двух, уменьшая массу и габариты генератора.

Генератор импульсов для электроэрозионной обработки работает следующим образом.

Источник 4 постоянного напряжения дает ток заряда накопителя 5 (выполненного в виде конденсатора), соглаживающего пульсации с частотой сети.

После заряда накопителя 5 модулятор 6 периодически подает в обмотку 7 импульсный однополярный (или двухполярный в другом варианте выполнения) ток. Ширина импульсов при этом автоматически регулируется модулятором 6 из условия поддержания в обмотке 7 постоянной усредненной за несколько периодов импульсов величины тока „

Протекая по обмотке 7, ток импульсов вызывает магнитный поток в сердечнике 9, направленный вокруг витков обмотки 7. Магнитный поток пересекает немагнитный (немагнитные) зазор с прокладкой 15, исключающей насыщение сердечника 9. Сердечник 9 охватывает и витки обмотки 10, в обмотке 10 протекает ток, который выпрямляется выпрямителем 11. При этом двухполупериодное выпрямление позволяет выпрямлять ток и основного импульса, и ток от противоЭДС другой полярности, возникающий от электромагнитного рассеивания сердечника 9 с зазором в этом направлении. Энергия трансформированного из обмотки 7 в обмотку 10 основного импульса и энергия, запасенная в течение этого импульса в индуктивности рассеивания трансформатора 8, поступает в формирующую линию 1, заряжая ее. Зарядка линии 1 постоянным усредненным током позволяет уменьшить время заряда, повысив допустимую частоту следования генерируемых импульсов.

С выхода выпрямителя 11 усредненное к данному моменту напряжение заряда линии 1 поступает на вход блока 3 управления. После достижения заданного до начала обработки напряжения заряда линии 1, определяемого необходимой энергией импульса по технологии обработки, блок 3 выключает модулятор 6, импульсы тока в обмотке 7 прекращаются. Затем им10

15

16573008

пульс запуска от блока 3 включает разрядный коммутатор 2. Ток разряда формирующей линии 1 протекает по цепи: линия 1, коммутатор 2, обмотка 12, линия 1„ При этом происходит перемагничивание сердечника 9 в другом пространственном направлении и наведенный в обмотке 13 силовой ток технологического импульса протекает по цепи: обмотка 12, штырь 18, эрозионный промежуток 14, цилиндр 19, обмотка 13, производя электроэрозионную обработку.

После прохождения этого тока коммутатор 2 выключается (например, тиристор закрывается благодаря рассасыванию неосновных носителей на переходах в результате снижения прямого тока до величины тока удержания или при изменении полярности приложенного напряжения из-за некоторого, в том числе и введенного специально, рассогласования формирующей линии),ток в эрозионном промежутке 14 между электродами разрядника прекращается.

Затем блок 3 включает модулятор 6 и формирующая линия 1 заряжается от источника 4 постоянного напряжения. Таким образом генератор формирует последовательность эрозионных импульсов в разряднике.

Возможность в предлагаемом генераторе перемагничивания объема магнитного сердечника 9 п двух взаимнп перпендикулярных направлениях позволяет использовать его как во время заряда формирующей линии 1, так и во время разряда. Это позволяет применить один трансформатор 8 для силовой и импульсной цепей генератора, что уменьпает массу и габариты генерато- па.

20

25

30

35

40

45

50

55

В процессе заряда и разряда формирующей линии зарядный и разрядный токи протекапт по обмотке 12 в противоположных направлениях, что обеспечивает размагничивание сердечника 9 после прохождения разрядного импульса в этом направлении. Дополнительного немагнитного зазора в этом направлении не требуется, что позволяет обеспечить наибольшую магнитную связь сердечника 9 с обмотками 12 и 13 и значительно уменьшить искажения формы при передаче импульса тока от формирующей линии 1 к эрозионному промежутку 14. Зазор в другом

В процессе заряда и разряда формирующей линии зарядный и разрядный токи протекапт по обмотке 12 в противоположных направлениях, что обеспечивает размагничивание сердечника 9 после прохождения разрядного импульса в этом направлении. Дополнительного немагнитного зазора в этом направлении не требуется, что позволяет обеспечить наибольшую магнитную связь сердечника 9 с обмотками 12 и 13 и значительно уменьшить искажения формы при передаче импульса тока от формирующей линии 1 к эрозионному промежутку 14. Зазор в другом

1

прострлнсГтвенном направлении не влияет ил величину этой связи.

Выполнение обмотки 13 в виде объемного витка позволяет одновременно экранировать электромагнитные цепи как зарядной цепи, так и разрядной цепи Нормирующей линии и этим исключить электромагнитное излучение высокой частоты в окружающее пространство. Это дополнительно упрощает генратор и снижает его вес и габариты, так как дополнительных раздельных экранов на силовой и импульсный трансформаторы не требуется, а объемный виток в то же время выполняет свою основную функцию - создание силового технологического тока в эрозионном промежутке разрядника, являясь корпусом трансформатора.

Выполнение зарядной и разрядной цепей формирующей линии с малыми ии- дуктивностями рассеивания, а также объемного витка в виде створок, образующих в центральной своей части коаксиальный токоподвод к эрозионному промежутку искрового разрядника, позволяет, существенно расширить диапазоны генерируемых частот и длительностей импульсов и технологические возможности генератора при электроэрозионпой обработке и легировании. Выполнение зазора в плоскости тороида позволяет использовать для образования сердечника одинаковы створки, что упрощает изготовление ферритовых изделий и генератор в це

лом.

Формула изобретения

10

5

0

5

0

5

0

янного напряжения, накопитель, зарядный коммутатор, выполненный на широтно-импульсном модуляторе, первую обмотку трансформатора с сердечником, индуктивно связанную со второй обмоткой трансформатора, выход блока управления соединен с входом широтно-имп льсного модулятора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов при использовании для электроэрозионной обработки, а также расширения диапазона частот и длительностей импульсов, в него введены выпрямитель, третья и четвертая обмотки трансформатора, вторая обмотка трансформатора подсоединена через последовательно соединенные выпрямитель, формирующую линию, третью обмотку ко входу разрядного коммутатора, выход которого подключен к выходу выпрямителя, выход и управляющий вход разрядного коммутатора соединены соответственно со входом и вторым выходом блока управления, четвертая обмотка трансформатора подключена к первому и второму электродам электроэрозионного промежутка, сердечник трансформатора выполнен с замкнутой полостью, внутри и вдоль которой расположены витки первой и второй обмоток трансформатора, перпендикулярно которым снаружи помещены третья и четвертая обмотки.

Фиг.1

п 12

ю

Фиг.1