CN105262364A - 一种用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置，包括与工频电源相连并接入变压器B的两个并联的开关，所述变压器B接有可控整流电路T1，可控整流电路T1串联有若干个限流电阻R1，各限流电阻R1分别串联有电容C1和投切电容开关K2，电容C1与投切电容开关K2之间并联有电容开关K4、电压表和负载，电压表和负载之间串联有放电晶闸管T2；控制系统输出电流控制可控整流电路T1与放电晶闸管T2，控制系统的充电电流与放电频率。该装置是一种高性价比、操作简单的高能量密度电脉冲电源装置，具有高的脉冲能量、脉冲峰值以及脉冲峰值电压，从而实现组织晶粒细化和改性。

Description

一种用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置

技术领域

本发明涉及一种电脉冲发生装置，特别是一种在强脉冲电磁场作用下金属及其合金的变质处理、组织细化、改性及材料成型的研究与生产的可控强电脉冲发生装置。

背景技术

由于金属的凝固组织对材料的性能以及后续的加工有很重要的影响，控制并改善金属凝固组织是材料工作者重视的话题之一，尤其是对大型的铸锭，由于凝固时间长，很容易形成成分偏析，进而造成宏观偏析，同时出现缩孔和疏松等缺陷，许多常用的改善凝固组织的方法很难适用于大铸锭。

近年来，电磁搅拌、机械搅拌或振动、超声波处理、脉冲磁场、脉冲电流等方法逐步发展起来，有些甚至在工业上得到了应用。铸造行业普遍采用孕育剂对铸件晶粒细化，用孕育剂处理不但需要消耗大量的孕育剂，成本高；而且不同的生产技术条件和操作的熟练程度下，孕育剂的烧损量也不同，产品质量不稳定。目前已经有相关电脉冲处理液态金属实现晶粒细化的报道，并获得有益的效果，在金属凝固过程中施加脉冲电流或脉冲磁场是金属凝固组织控制的新技术，研究发现，对各种金属具有显著的细化效果，其关键技术在于脉冲电源装置。目前脉冲电源是制约脉冲电流或脉冲磁场应用于实际生产的主要障碍。存在的问题主要是脉冲电流峰值较小，电压较低，脉冲频率及脉宽变化范围窄，无法达到实际生产中对参数范围的要求，因此，必须设计制造出一种适用于传统铸造工艺使用的专用脉冲电源装置。

上海大学翟启杰、李仁兴等人在2008年2月申请的细化金属凝固组织的高压脉冲电源装置，由恒流充电系统、储能充电系统、储能系统和控制系统组成，主要的电路回路包括充电回路、高压整流电路、关机自动泄放回路、高压控制电路、续流回路、主电源开关控制回路、工作电压预选控制电路和引燃管触发电路。该脉冲电源脉冲峰值电压高达10KV、脉宽范围宽10μs-100ms、输出能量高，连续放电频率≤5Hz，可对有色金属及黑色金属进行有效的凝固组织细化处理，但是该装置结构复杂、体积庞大、过于笨重、价格昂贵、性价比低而且输出脉冲峰值电流不够大，仅1％MA级，后期使用维护成本也较高，不能长期可靠使用。操作使用不便，限制了细晶技术的更深层次发展。

西北工业大学赵志龙、刘华泽等人在2008年12月申请的可控电变质脉冲电源，该发明通过三相外电源经升压调压电路均分三档，将信号送至高压整流电路，整流后的输出经脉冲形成及其控制电路将高能脉冲连续输出，同时输出于脉冲电压显示电路；单相电的输入联接脉冲形成及其控制电路和脉冲电压显示电路；所述的升压调压电路采用R型三相升压变压器，所述的高压整流电路采用三相全桥整流电路。该发明提供的可控电变质脉冲电源具有较宽的脉冲能量范围，有利于系统研究电变质工艺参数的影响规律及其工艺参数优化，但是该装置结构复杂，不易操作和控制。该专利采用成本高、结构复杂的三相高压整流电路和脉冲形成及其控制电路，设备成本高，操作复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于细化金属金相组织的可控强电脉冲电源装置，是一种高性价比、操作简单的高能量密度电脉冲电源装置，具有高的脉冲能量、脉冲峰值以及脉冲峰值电压。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置，包括与工频电源相连并接入变压器B的两个并联的开关，所述变压器B接有可控整流电路T1，可控整流电路T1串联有若干个限流电阻R₁，各限流电阻R₁分别串联有电容C1和投切电容开关K2，电容C1与投切电容开关K2之间并联有电容开关K4、电压表和负载，电压表和负载之间串联有放电晶闸管T2；控制系统输出电流控制可控整流电路T1与放电晶闸管T2。

进一步地，接入所述变压器B两个并联的开关为第一开关K1和第三开关K3，第三开关K3串联有电阻R2。

进一步地，所述控制系统包括与可控整流电路T1相连的T1晶闸管触发器F1,和与放电晶闸管T2相连的T2晶闸管触发器F2，所述T1晶闸管触发器F1和T2晶闸管触发器F2连接至定时器G，定时器G依次连接分频器E和频率设定器D；所述定时器G与T2晶闸管触发器F2之间通过开关连接有恒定电流控制器A，恒定电流控制器A连接电位器。

进一步地，所述控制系统中，频率设定器D采用拨盘设定放电频率，控制各电容C1的充电/放电频率。

进一步地，所述放电晶闸管T2为放电开关。

本发明通过开关K1\K2,电网向变压器B直接供电，变压器为多档调压，经可控整流T1，给电容器C充电，R1为限流电阻，工作电容器的数量可通过开关K2决定，通过控制系统将电容器的能量通过电力电子器件T2向外释放。本发明提供可控强脉冲发生装置，采用具有可控的单向导电特性的可控硅整流，并采用相序指示操作，简化工作程序。向外释放能量的大小一方面由变压器档位决定，另一方面由开关K2闭合改变投入的电容器的数量来决定。充放电的频率由拨盘设定，最高可达到4H_Z，为金属凝固组织提供高强电脉冲，实现晶粒细化和改性及材料成型。

本发明的有益效果在于：

1)工频电源首先通过K3和电阻R2接入变压器，经过延时K1闭合，这样可以有效抑制变压器合闸瞬间产生的过流、过压，提高变压器使用过程中的稳定性。

2)变压器分档电压可以改变电容器的充电电压，从而改变输出能量。

3)采用可控整流给电容器充电，可操作性强，减小充电电流对电容器的冲击，从而也减小了限流电阻的消耗，提高了整机效率。

4)利用开关K2可以改变投切电容的多少，从而改变输出能量。为了安全起见，工作结束以后，采用开关K4把存储在电容器的剩余电压放掉。方便操作并控制能量的输入和输出。

5)由于电压为瞬时放电，为了显示电容电压，采用了“采样/保持”电路，显示电容放电前的电压，保证了对整个操作过程的可控性，可操作性强。

6)采用接触器作为放电开关，不仅噪音大，而且寿命短，放电频率也很难提高，本发明采用晶闸管作为放电开关，克服了上述缺点，电源装置的性能大大提高了。

7)本发明采用先进电路控制充放电过程，反应灵敏、设计合理。具体为：采用电子线路控制充电/放电频率。采用逻辑电路，保证在放电/充电过程互锁，采用拨盘设定放电频率。

8)可控整流不需要对相位，采用“相序指示”正确即可工作，简化了工作程序。

附图说明

图1是本发明电路原理图。

图2是本发明面板布置示意图。

图中：K1-第一开关；K2-投切电容开关；K3-第三开关；B-变压器；T1-可控整流电路；R1-限流电阻；C1-电容；K4-电容开关；T2-放电晶闸管；F1-T1晶闸管触发器；F2-T2晶闸管触发器；G-定时器；E-分频器；D-频率设定器；A-恒定电流控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明一种用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置，包括与工频电源相连并接入变压器B的两个并联的开关：第一开关K1和第三开关K3，第三开关K3串联有电阻R2，变压器B接有可控整流电路T1，可控整流电路T1串联有若干个限流电阻R1，各限流电阻R1分别串联有电容C1和投切电容开关K2，电容C1与投切电容开关K2之间并联有电容开关K4、电压表和负载，电压表和负载之间串联有放电晶闸管T2；控制系统输出电流控制可控整流电路T1与放电晶闸管T2，控制系统的充电电流与放电频率。其中放电晶闸管T2为放电开关。

该装置中，控制系统包括与可控整流电路T1相连的T1晶闸管触发器F1,和与放电晶闸管T2相连的T2晶闸管触发器F2，T1晶闸管触发器F1和T2晶闸管触发器F2连接至定时器G，定时器G依次连接分频器E和频率设定器D；频率设定器D采用拨盘设定放电频率，控制各电容C1的充电/放电频率。定时器G与T2晶闸管触发器F2之间通过开关连接有恒定电流控制器A，恒定电流控制器A连接电位器。

控制系统中，控制充电电流由电位器设定，由调节器A输出控制晶闸管触发器F1，送出脉冲给可控整流电路T1，经可控整流电路T1给电容器恒流充电。

充放电频率由频率设定器(拨盘)D设定(见表1)，送入分频器E，分频器E输出的脉冲送入定时器G，定时器G有两路输出：一路去控制开关，负责把恒定电流控制器A送入T1晶闸管触发器F1的信号接通和关断，另一路送入放电晶闸管T2的晶闸管触发器F2，控制放电晶闸管T2放电。

控制电容器充放电能量有两个因素：一个是充放电的频率，由频率设定器(拨盘)D决定，另一个是变压器输出电压，由变压器调压开关决定。

该装置通过开关K1\K2,电网向变压器B直接供电，变压器为多档调压，经可控整流T1，给电容器C充电，R1为限流电阻，工作电容器的数量可通过开关K2决定，通过控制系统将电容器的能量通过电力电子器件T2向外释放。工频电源首先通过K3和电阻R2接入变压器，经过延时K1闭合，这样可以有效抑制变压器合闸瞬间产生的过流、过压。

通过变压器分档电压可以改变电容器的充电电压，从而改变输出能量。

采用可控整流给电容器充电，采用晶闸管可控整流电路，合闸以后给电容充电采用“恒流充电方式”，限流电阻损耗小，可以减小充电电流对电容器的冲击，延长了电容器寿命，设备效率提高，可以减小充电电流对电容器的冲击；并且是无触点开关，动作时间短，噪音小，从而也减小了限流电阻的消耗，提高了整机效率。

利用开关K2可以改变投切电容的多少，从而改变输出能量。为了安全起见，工作结束以后，采用开关K4把存储在电容器的剩余电压放掉。由于电压为瞬时放电，为了显示电容电压，采用了“采样/保持”电路，显示电容放电前的电压。

本装置利用采用现代电力电子器件作为放电开关，解决了采用接触器作为放电开关，不仅噪音大，而且寿命短，放电频率也很难提高的问题。

采用电子线路控制充电/放电频率。采用逻辑电路，保证在放电/充电过程互锁，采用拨盘设定放电频率。可控整流不需要对相位，采用“相序指示”正确即可工作，简化了工作程序。

参见图2所示，为面板布置图。

其中，装置整流后直流电压最大分别为700、1400、2100V，放电频率设计9挡，用拨盘开关设定，最低可到0.015HZ,最高可到4HZ。最大输出功率9600W。

本装置的工作过程如下：

1)把电压转换开关ZH1放在适当位置(500V/1000V/1500V)，接好负载。合总电源开关K1，此时“电源指示”，“停止指示”灯亮，一次电压表指示为380V；

2)如果出现“相序错误指示”灯亮，则把进线电源线任意两个头调换；

3)把“运行/封锁”开关置“0”，此时“封锁”指示灯亮。再按“启动”按钮，二次电压表显示电容电压，(如果不先“封锁”，而先按“启动”按钮会使设备损坏)；设置放电电容6挡设置，每挡200微法，用开关组合，最大可达1200微法；

4)调整“频率设定”到所需频率，此时“充电”、“释放”指示灯分别闪亮，表示系统工作正常；

拨盘数与频率对应关系见下表1：

表1

拨盘数	0	9	8	7	6	5	4	3	2	1
											频率(HZ)	0	0.015	0.03	0.06	0.125	0.25	0.5	1	2	4

5)把“运行/封锁”开关置“1”，此时工作开始；

6)工作过程中，如果出现“封锁”指示灯亮，则系统不再向负载(钢水)供电，但是“充电”、“释放”指示灯仍然闪烁，说明电流过大，按下“复位”按钮，即可继续工作，如果再次“封锁”，说明系统出现故障。应当停止运行，进行维修；

7)工作过程结束，则应当首先按“停止”按钮，然后按“放电”按钮，把电容器存储的能量放掉，最后断开电源开关。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置，其特征在于：包括与工频电源相连并接入变压器B的两个并联的开关，所述变压器B接有可控整流电路T1，可控整流电路T1串联有若干个限流电阻R1，各限流电阻R1分别串联有电容C1和投切电容开关K2，电容C1与投切电容开关K2之间并联有电容开关K4、电压表和负载，电压表和负载之间串联有放电晶闸管T2；控制系统输出电流控制可控整流电路T1与放电晶闸管T2。

2.根据权利要求1所述的用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置，其特征在于：接入所述变压器B两个并联的开关为第一开关K1和第三开关K3，第三开关K3串联有电阻R2。

3.根据权利要求1所述的用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置，其特征在于：所述控制系统包括与可控整流电路T1相连的T1晶闸管触发器F1,和与放电晶闸管T2相连的T2晶闸管触发器F2，所述T1晶闸管触发器F1和T2晶闸管触发器F2连接至定时器G，定时器G依次连接分频器E和频率设定器D；所述定时器G与T2晶闸管触发器F2之间通过开关连接有恒定电流控制器A，恒定电流控制器A连接电位器。

4.根据权利要求2所述的用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置，其特征在于：所述控制系统中，频率设定器D采用拨盘设定放电频率，控制各电容C1的充电/放电频率。

5.根据权利要求1所述的用于细化金属金相组织的可控强电脉冲发生装置，其特征在于：所述放电晶闸管T2为放电开关。