Генератор мощных высокочастотныхиМпульСОВ Советский патент 1981 года по МПК H03K3/53 

(54) ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Изобретение относится к области термической обработки и может быть применено для поверхностной закалки металлов с помощью индукционного 5 нагрева, а также для индукционного нагрева - локального и электроконтактного поверхностного нагрева металла для различных технологических целей. to

Известен аппарат для индукционного нагрева, содержащий источник питания, к которому через токоограничивающий элемент подключена последовательная цепочка, состоящая j из нагрузки и конденсаторной батареи, параллельно этой цепочке включено управляемое коммутирующее устройство 1 .

Основным недостатком этого уст- 20 ройства является неудовлетворительное качество обработки поверхности металла, обусловленное наличием у закаленной поверхности недостаточно высокой твердости, вязкости и 25 коррозионной стойкости. Это связано с отсутствием у обработанного слоя мелкозернистой структуры, получаемой, как известно в результате импульсного нагрева и быст- JQ

рого самоохлаждения нагретой поверхности за счет холодной массы металла. В известном устройстве из-за ограниченной мощности сети и токоограничивающего элемента уменьшается выделяемая в нагрузке мощность. В результате этого увеличивается время нагрева, что приводит к уходу тепла из заданного для нагрева поверхностного слоя в массу металла. Увеличивается глубина нагрева, что препятствует после окончания нагрева быстрому охлаждению заданного поверхностного слоя из-за того, что уже прогреты нижележащие слои по от, ношению к заданному поверхностному слою.Уменьшение скорости нагрева и охлаждения не позволяет получить поэтому мелкозернистую структуру,обеспенивакячую высокую твердость, вязкость и коррозионную стойкость у закаленного слоя металла.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является устройство для нагрева (под сварку), содержащее источник питания, к которому подключен инвертор на управляемых тиристорах, собранной по мостовой схеме-, в два плеча которого включены буферные конденсаторные батареи различной емкости, а в диагонали включена последовательная цепочка, состоящая из рабочей емкости и первичной обмотки согласующего устройства Г 2.

Недостатком известного устройства является низкое качество закаленной поверхности металла.. Подобное качество обусловлено получением у закаленной поверхности невысокой твердости, вязкости и коррозионной стойкости. Это связано с тем, что известное устройство обеспечивает получение пакета парных несимметричных импульсов тока которые ограничены по частоте и мощности. Такой пакет импульсов не обеспечивает импульсной нагрев, заданного поверхностного слоя и быстрое самоохлагдение его за счет холодных нижележащих слоев металла. В результате у закаленной поверхности металла образуется недостаточная мелкозернистость структуры, что ведет к снижению твердости, вязкости и коррозионной стойкости.

Целью изобретения является увеличение мощности и частоты следования импульсов.

Поставленная цель достигается тем,что в генератор мощных высокочастотных импульсов, содержащий источник питания, инвертор на управляемых коммутаторах, собранный по мостовой схеме, в два плеча которог включены конденсаторные батареи, нагрузку, введены накопитель энергии, включенный параллельно инвертору, а также по крайней мере еще один инвертор), включенный параллельно первому, при этом диагональ каждого инвертора выполнена в виде проводника-токопровода, а в два других плеча каждого инвертора включены по два управляемых коммутатора, последовательно соединенных между собо через общую для всех плеч с коммутаторами нагрузку.

На фиг.1 представлена электрическая схема генератора импульсов, на фиг.2 показан импульс тока в нагреваемом проводнике.

Генератор импульсов содержит источник питания 1, к которому подключен накопитель 2 энергии, например, емкостной. К емкостному накопителю 2 энергии подсоединены через коммутатор 3 параллельно вклю4eHHJfie между собой несколько, например, три инвертора, которые собраны по мостовой схеме и содержат в двух плечах каждого из инверторов конденсаторные батареи 4-9. В два других плеча каждого инверз;ора включены по два управляемых коммутатора: в первом инверторе в одном плече - коммутаторы 10, 11, в другом плече - коммутаторы 12, 13

во втором инверторе - соответственно коммутаторы 14-17 и в третьем инверторе - соответственно коммутаторы 18-21. Два коммутатора в каждом плече инверторов, например, коммутаторы 18 и 19 соединены между собой через общую для всех плеч с коммутаторами нагрузку 22, наприме через первичную обмотку согласующего устройства. Диагональ каждого инвертора выполнена в виде проводника-токопровода соответственно 23, 24, 25. Источник питания 1 представляет собой, например, усилитель-выпрямитель, питающийся от сети переменного тока. Конденсаторные батареи 4-9 являются малоемкостными по сравнению с емкостным накопителем 2 энергии. Управляемые коммутаторы 1021 выполнены в виде, например, искровых разрядников. Коммутаторы 10, 14, 18 могут быть выполнены в виде одного управляемого коммутатора. Такое же исполнение могут иметь и коммутаторы 13, 17, 21. В зависимости от исполнения и работы коммутаторов 10-21 коммутатора 3 может и не быть в схеме.

Генератор импульсов работает следующим образом.

После заряда от источника питания 1 емкостного накопителя 2 энергии срабатывает коммутатор 3. При этом конденсаторные батареи 4-9 заряжа ются от накопителя энергии 2 до напряжения, равного половине зарядного напряжения накопителя энергии 2. Срабатывание коммутаторов 10И 11 обеспечивает разряд на нагрузку 22 конденсаторной батареи 4. В результате через нагреваемый проводник в нагрузке 22 проходит мощный высокочастотный импульс тока, а конденсаторная батарея 5 подзаряжается до напряжения, равного напряжению на емкостном накопителе энергии 2. После этого срабатывают коммутаторы 14, 15. Происходит разряд конденсаторной батареи 6 и подзаряд конденсаторной батареи 7 В результате через нагреваемый проводник в нагрузке 22 проходит еще один мощный высокочастотный импульс тока. Замыкание коммутаторов 18 и 19 приводит к тому, что конденсаторная батарея 8 разряжается, а конден|Саторная батарея 9 подзаряжается. При этом через нагрузку 22 проходит мощный высокочастотный импульс тока. Дальнейшая работа происходит та что разрязкаются поочередно конденсаторные батареи 5,7, 9 при срабатывании соответствующих пар коммутаторов и заряжаются конденсаторные батареи соответственно 4, .6, 8 до напряжения, равного напряжению на накопителе энергии 2. в результате ка;эдого разряда через проводник в нагрузке 22 проходит мощный высокочастотный импульс тока, нагревакхдий его поверхность. Затем снова идет поочередный разряд конденсаторных батарей 4, 6, В и заряд конденсаторных батарей 5,7, 9 соответственно, и так далее. Работа генератора продолжаетсядо тех пор, пока, например, не разрядится накопитель энергии 2. в итоге через проводник в нагрузке 22 проходит серия импульсов тока (фиг.2), частота каждого из которых порядка мегагерца, образующая единый нагревающий импульс тока мощностью порядка единиц мегаватт. Так как энергия накопленная в накопителе 2, вьзделяется за короткое время порциями при разрядах конденсаторных батарей, т.е. происходит быстоый (импульсный) нагрев тонкого поверхностного слоя проводника, а также происходит резкое охлшкдение после, прекращения нагрева за счет отвода тепла в холодную массу металла, то образуется мелкозернистая структура закаленного поверхностного слоя. Подобная структура способствует улучшению качества обработки поверхности, а именно: позволяет получить высокую твердост ударную вязкЬсть и коррозионную стойкость .

Данный генератор импульсов позволяет выделить запасенную в накопителе значительную энергию мощными высокочастотными импульсами тока от разряда конденсаторных батарей, следующих один, за другим. Благодаря этому, через нагреваемый проводник проходит мощный высокочастотный импульс тока, который обеспечив.ает быстрый адиабатический нагрев тонкого поверхностного слоя проводника с последуквдим быстрым охлаждением за счет отвода тепла в холодные слои. В результате образуется мелкозернистая структура, обеспечивающая повышение качества обработки.

Кроме того, генератор обеспечивает получение закаленной площади за один импульс от долей до нескольких квадратных сантиметров, благодаря вьщеленшэ значительно большей активной мощности (порядка мегаватт).

Формула изобретения

Генератор мощных высокочастотных импульсов, содержащий источник питания, инвертор на управляемых коммутаторах, собранный по мостовой схеме, в два плеча которого включены конденсаторные батареи, нагрузку, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности и частоты следования импульсов, в него введены накопитель энергии, включенный параллельно инвертору, а также по крайней мере еще один инвертор, включенный параллельно первому, при этом диагональ казвдого инвертора выполнена в виде проводника-токопровода, а р два других плеча каждого инвертора включены по два управляемых коммутатора, последовательно соединенных между собой через общую для -всех плеч с коммутаторами нагрузку.

Источники информации, принятые во внимание nmi экспертизе

кл. Н 05 В 9/00, опублик. 03.09.76.

№ 257640, кл. В 23 К 11/00, 22.11.68