CN105429203A - 高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，包括充电回路单元、触发回路单元、放电回路单元；引入触发回路单元，利用高压脉冲电容器组储能放电产生瞬时强脉冲电流的原理，产生较高强度的脉冲电流，脉冲电流通过带有裂纹的金属板瞬间，在裂纹尖端绕流集中效应可以产生焦耳热，裂纹尖端局部温度升高，甚至会超过材料的溶点，致使裂纹尖端溶化形成熔孔，裂纹尖端曲率半径增大，消除应力集中，有利于抑制裂纹尖端的裂纹萌生与扩展。本发明充电功率小，瞬时输出电能大、技术原理成熟，对裂纹修复具有智能性和选择性，且操作简单，对周围环境影响小。

Description

高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置

技术领域

本发明属于电容脉冲放电装置，特别涉及到高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置。

背景技术

目前在高压放电装置中，广泛使用可控硅电容投切开关对电容投切控制，但由于三相电的相位差为120度，且可控硅本身具有电流过零分断的特点，在开关分断后，其中一相电容残压将会远高于线电压的峰值，在短时间内无法具备等电位二次快速投入的条件；当在电压波动较大的场合，即使电容投切开关对单相电容分断，由于可控硅本身具有电流过零分断的特点，此时负载电容的残压为可控硅分断时交流电压的峰值，如二次投入时电压变低，则在短时间内也同样无法具备等电位二次快速投入的条件，为此，为达到较快二次投入的目的，在电容投切开关输出端或电容输入端，连接放电电阻，一般RC时间常数很大，放电速度慢，这会造成放电电路能耗大、放电效果不佳、电容投切开关二次投入速度慢，输出功率小。本发明主要由充电回路单元、触发回路单元和放电回路单元组成，引入触发回路单元，利用高压脉冲电容器储能放电产生瞬时强脉冲电流的原理，能够避免传统放电装置中电容投切控制带来的不足，解决了传统脉冲放电装置的放电电路能耗大、输出功率小的特点。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，解决传统脉冲放电装置的放电电路能耗大、输出功率小的特点，从而实现充电功率小，瞬时输出电能大的特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，包括充电回路单元、触发回路单元、放电回路单元；

所述的充电回路单元包括：调压器、高压变压器、桥式整流器、充电限流电阻；其中，调压器连接到高压变压器上，在高压变压器的后级连接有桥式整流器，桥式整流器的一端与充电限流电阻连接，另一端通过导线直接与放电回路单元里的脉冲电容器组连接；

所述的触发回路单元包括：低压变压器、倍压整流电路、螺栓型可控硅、脉冲变压器；低压变压器后级和倍压整流电路相连接，倍压整流电路后级与螺栓型可控硅连接，螺栓型可控硅通过脉冲变压器连接到放电回路单元里的高压开关。

所述的放电回路单元包括：脉冲电容器组、高压开关、负载；脉冲电容器的前级分别与

充电回路单元里的充电限流电阻和桥式整流器连接，脉冲电容器组的后级与电感器连接，

电感器的后级与高压开关、负载连接；脉冲电容器组、电感器、高压开关、负载整体为串

联连接。

上述一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，所述的放电回路也是一种RLC回路。

上述一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，所述的负载是指带有裂纹的金属薄板。

上述一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，所述的倍压整流电路是指三倍压整流电路，由三个整流二极管和三个电容器组成。

上述一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，所述的脉冲电容器组的连接方式是指多个脉冲电容器并联连接。

本发明的优点：与现有技术相比较，本发明的装置中引入触发回路单元，利用高压脉冲电容器储能放电产生瞬时强脉冲电流的原理，避免了传统放电装置中电容投切控制带来的不足，解决了传统脉冲放电装置的放电电路能耗大、输出功率小的特点，本发明充电功率小，瞬时输出电能大、技术原理成熟，对裂纹修复具有智能性和选择性，且操作简单，对周围环境影响小。

附图说明

图1高强度脉冲电流实验装置示意图；

图2带有裂纹的金属薄板。

附图序号说明：1充电回路单元、2放电回路单元、3触发回路单元、4调压器、5高压变压器、6桥式整流器、7充电限流电阻、8脉冲电容器组、9负载、10高压开关、11低压变压器、12倍压整流电路、13螺栓型可控硅、14脉冲变压器、15整流二极管、16电容器、17电感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述，以便进一步了解本发明，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，包括充电回路单元1、触发回路单元3、放电回路单元2。

其中的充电回路单元1包括：调压器4、高压变压器5、桥式整流器6、充电限流电阻7；调压器4连接到高压变压器5上，在高压变压器5的后级连接有桥式整流器6，桥式整流器6的一端与充电限流电阻7连接，另一端通过导线直接与放电回路单元2里的脉冲电容器组8连接；其充电过程为：三相交流电经调压器4送到高压变压器5以此来升高电压，升高后的交流电压通过桥式整流器6转换成直流电压，此直流电压在经过限流电阻7给脉冲电容器组8进行充电，其充电电流i_c按指数规律变化，如式(1)所示：

$i_c=\frac{E}{R}{e}^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}---\left(1\right)$

其中,τ为充电回路的时间常数，E为直流电压值，R为充电回路总电阻,t为时间。

其中的触发回路单元3包括：低压变压器11、倍压整流电路12、螺栓型可控硅13、脉冲变压器14；低压变压器11后级和倍压整流电路12相连接，这里的倍压整流电路是指二倍压整流电路，由三个整流二极管15和三个电容器16组成。倍压整流电路12后级与螺栓型可控硅13连接，螺栓型可控硅13通过脉冲变压器14连接到放电回路单元2里的高压开关10；

电压经过低压变压器11转换为较低的交流电压，利用倍压整流电路12里的耐压较高的整流二极管15和电容器16将较低的交流电压转换为较高的直流电压，再经螺栓型可控硅13将较高的直流电压转换为可调的直流电压，最后经脉冲变压器14输出，得到较高电压且比较大的脉冲电流；此高压脉冲电流会将高压开关10击穿，实现触发。

其中的放电回路单元2包括：脉冲电容器组8、电感器17、高压开关10、负载9；可以看成是RLC回路，脉冲电容器组8的前级分别与充电回路单元1里的充电限流电阻7和桥式整流器6连接，脉冲电容器组8的后级与电感器连接，电感器17的后级与高压开关10、负载9连接；脉冲电容器组8、电感器17、高压开关10、负载9整体为串联连接，脉冲电容器组8的连接方式是由多脉冲电容器并联连接；脉冲电容器组8充电的过程，就是将电能储存到脉冲电容器组8的过程，脉冲电容器组8储存的能量W_c,如式(2)所示：

$W_c=\frac{1}{2}{\mathrm{CE}}^2---\left(2\right)$

其中，C为脉冲电容器组的电容量，E为直流输出电压值；

当触发回路单元3送来高压触发脉冲时，高压开关10被击穿，脉冲电容器组8对负载9放电；此时将放电回路单元2里连接导线的电阻设置很小，将为了使放电能量尽量多地消耗在负载9试件上，放电回路单元2里连接导线的电阻R'参数满足如式(3)所示：

$R^{\′}\≤2\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(3\right)$

其中，R'为放电回路单元里连接导线的总电阻，L为放电回路总电感，C为脉冲电容器组电容量；

放电回路单元中的放电电流i如式(4)所示：

$i=\frac{E}{\mathrm{\ω}L}{e}^{-\mathrm{\β}t}sin\mathrm{\ω}t---\left(4\right)$

其中，为角频率，C为脉冲电容器组电容量，L为放电回路总电感，为衰减系数，R'为放电回路连接导线总电阻，t表示时间，E为直流电压值；

放电回路中的放电电流幅值I_M如式(5)所示：

$I_M=E\sqrt{\frac{C}{L}}=\sqrt{\frac{2W}{L}}---\left(5\right)$

其中，W为电容器组上储存的能量、E为直流电压值、C为脉冲电容器组电容量、L为放电回路总电感；

当电容器组储存的能量一定时，提高充电电压、增加电容量，提高放电电流幅值。

本发明利用脉冲电容器组8充电储能后对负载9短时间放电，产生高强度的脉冲电流，此脉冲电流瞬间通过带有裂纹的金属板，由于在裂纹尖端附近开口裂纹的存在，脉冲电流无法通过裂纹，脉冲电流将选择最近的通道流过裂纹尖端，在裂纹尖端绕流集中；当脉冲电流通过导电金属时在裂纹尖端释放焦耳热，裂纹尖端局部温度升高；当裂纹尖端两端输入的电能足够大时，裂纹尖端的温度甚至会超过材料的溶点，致使裂纹尖端溶化形成溶孔，增大裂纹尖端曲率半径，消除扩展应力，抑制裂纹尖端的裂纹萌生与扩展，改善裂纹尖端应力场状态，从而达到裂纹止裂的目的。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明并不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，其特征在于，包括充电回路单元(1)、触发回路单元(3)、放电回路单元(2)；

所述的充电回路单元(1)包括：调压器(4)、高压变压器(5)、桥式整流器(6)、充电限流电阻(7)；其中，调压器(4)连接到高压变压器(5)上，在高压变压器(5)的后级连接有桥式整流器(6)，桥式整流器(6)的一端与充电限流电阻(7)连接，另一端通过导线直接与放电回路单元(2)里的脉冲电容器组(8)连接；

所述的触发回路单元(3)包括：低压变压器(11)、倍压整流电路(12)、螺栓型可控硅(13)、脉冲变压器(14)；低压变压器(11)后级和倍压整流电路(12)相连接，倍压整流电路(12)后级与螺栓型可控硅(13)连接，螺栓型可控硅(13)通过脉冲变压器(14)连接到放电回路单元(2)里的高压开关(10)；

所述的放电回路单元(2)包括：脉冲电容器组(8)、高压开关(10)、负载(9)；脉冲电容器组(8)的前级分别与充电回路单元(1)里的充电限流电阻(7)和桥式整流器(6)连接，脉冲电容器组(8)的后级与电感器(17)连接，电感器(17)的后级与高压开关(10)、负载(9)连接；脉冲电容器组(8)、电感器(17)、高压开关(10)、负载(9)整体为串联连接。

2.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，其特征在于：所述放电回路单元(2)也是指一种RLC回路。

3.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，其特征在于：所述负载(9)是指带有裂纹的金属薄板。

4.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，其特征在于：所述倍压整流电路(12)是指三倍压整流电路，由三个整流二极管(15)和三个电容器(16)组成。

5.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电流裂纹止裂放电装置，其特征在于：所述脉冲电容器组(8)的连接方式是指多个脉冲电容器并联连接。