CN201830218U - 一种电磁脉冲冲击试验装置及其脉冲发生控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电磁脉冲冲击试验装置及其脉冲发生控制电路，尤其适应于飞机除冰系统，属于电磁脉冲冲击装置技术领域。本实用新型包括充电电路模块、放电电路模块、交流接触器；充电电路模块包括单相调压器与倍压整流模块；放电电路模块包括储能电容器组、晶闸管、晶闸管触发电路、快恢复二极管以及脉冲线圈；本实用新型用交流接触器分别控制源于相电的直流高电压以及源于线电的触发直流电压，脉冲线圈在数百微秒内流经几千安培的瞬态大电流，试验件上可形成数千牛顿的瞬态电磁力以及高达上万g的加速度。

Description

一种电磁脉冲冲击试验装置及其脉冲发生控制电路

 技术领域：

本实用新型涉及一种高加速度电磁脉冲冲击试验装置及其脉冲发生控制电路，尤其适应于飞机除冰系统，属于电磁脉冲冲击装置技术领域。

 背景技术：

电磁脉冲振动在飞机除冰系统中应用很广，目前已公开其原理是利用晶闸管触发放电电路，储能电容瞬态释放电能，在线圈周围产生强磁场，激发金属板上形成强涡流场并产生瞬态的电磁力，从而可以去除附着在金属板上的冰层。已公知的脉冲线圈与飞机结构固定成一个整体，重量颇大且独立性能差，同时电路一般固定输出参数，灵活性不大。

在实验研究中，要获得5000g以上的冲击加速度比较难，且当加速度超过5000g时就难于准确地获得冲击数据以及冲击波形，同时目前公知的用于高能级特殊实验环境的仪器，其设备和控制复杂且成本颇高。另外，科学实验中需要对某些特殊金属涂层材料进行耐压耐冲击研究，科研中也需要解决某些非对称脉冲波形的激励问题，而科研中分析较多的是一些常见的规则型的脉冲激励，在激励设备上高加速度且非规则脉冲激励的设备却很少见。

 实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述特种激振器造价成本高、加速度峰值难以提高至5000g至上万g等技术问题，提供一种电磁脉冲冲击试验装置及其脉冲发生控制电路。 

本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案：

一种电磁脉冲发生控制电路，包括充电电路模块和放电电路模块，其中：

所述充电电路模块包括单相调压器和倍压整流模块；其中倍压整流模块由n组相互串联的滤波电容和二极管组成，n为自然数；

所述放电电路模块包括储能电容器组、晶闸管、晶闸管触发电路、快恢复二极管以及脉冲线圈，其中晶闸管触发电路包括三相整流模块、固态继电器与开关电源；

充电电路模块中，所述单相调压器的输入端分别与三相电中的一根火线、总电源开关、三相电中的零线连接，单相调压器的电压输出端与倍压整流模块的输入端相连接；倍压整流模块的正极输出端通过交流接触器的主接点分别与储能电容器组的正极、晶闸管的正极相连接，倍压整流模块的负极输出端分别与三相电中的零线、交流接触器的辅接点的常闭触头连接，交流接触器的辅接点的另一端分别与储能电容器组的负极、快恢复二极管的正极以及脉冲线圈的一端相连接；

放电电路模块中，所述晶闸管的触发电路中三相整流模块的输入端分别与三相电源的三根火线相连接，三相整流模块的输出电压经电阻分压处理后，其高电压端与固态继电器的第一个脚（高电压端）连接，三相整流模块的负极输出端通过交流继电器的辅接点的常开触头与储能电容的负极相连接；所述晶闸管的负极分别与快恢复二级管的负极、脉冲线圈的另一端相连接；晶闸管的控制极通过功率电阻与固态继电器的第二个脚相连接，固态继电器的第三个脚通过触发开关与开关电源相接，固态继电器的第四个脚接模拟地。

充电电路模块与放电电路模块的切换通过交流接触器控制，充电电路模块充电而放电电路模块不动作时，交流接触器的主接点和辅接点的常闭触头闭合，而交流接触器辅接点的常开触头断开；开启放电模块时，交流接触器的主接点和辅接点的常闭触头断开，而交流接触器辅接点的常开触头闭合。

进一步的，前述电磁脉冲发生控制电路中储能电容器组耐压值为2000V，其电容量分别可调至250、500、750与1000μF。

进一步的，前述电磁脉冲发生控制电路中还包括电流采集模块，所述电流采集模块包括电流变送器以及记忆示波器；其中电流变送器的输入端与脉冲线圈的正向电流的导线连接，电流变送器的输出端与记忆示波器的输入端连接。

一种电磁脉冲冲击试验装置，包括装备支架、冲击试验板以及测量用仪器，还包括电磁脉冲发生控制电路、控制电路辅助部件； 

所述冲击试验板上开设有用于安装脉冲线圈的导槽；

所述控制电路辅助部件包括脉冲线圈、线圈骨架以及用于连接脉冲线圈两端的接线柱；其中脉冲线圈安放在线圈骨架内，线圈骨架固定在冲击试验板的导槽上，线圈骨架上开有用于安装接线柱和固定骨架的阶梯孔；接线柱的一端开有卡住脉冲线圈的槽，另一端加工成螺纹形状。

进一步的，前述电磁脉冲冲击试验装置的冲击试验板由金属材料板或金属复合层板制成，厚度要求在该材料产生的趋肤效应之内，其长度范围为100～1000mm，宽度为250～340mm。

进一步的，前述电磁脉冲冲击试验装置的脉冲线圈由漆包铜扁线绕成，线圈骨架由聚四氟乙烯材料加工而成，接线柱由紫铜制成。

进一步的，前述电磁脉冲冲击试验装置的线圈骨架采用螺杆及螺母并辅以垫块固定在冲击试验板的导槽上，且可以通过调整螺母在螺杆上的位置以调整线圈与试验件的垂直距离，同时可间接调节线圈与线圈间的水平距离。

进一步的，前述电磁脉冲冲击试验装置的接线柱的另一端加工成螺纹形状包括采用与所述接线柱另一端相适应的紫铜螺母或者经过表面打磨处理的带有内螺纹孔的短圆柱，脉冲线圈嵌在接线柱的槽内后施以银焊。

进一步的，前述电磁脉冲冲击试验装置，做标定试验时，配置相应振动测试系统以比对测量的脉冲电路信号。

本实用新型采用如上技术方案具有如下技术效果：

本实用新型中脉冲线圈是利用漆包铜扁线缠绕而成，根据线圈骨架中线圈安放槽的形状绕制后安放其中。线圈的个数可根据需要安装，线圈间的距离以及线圈与试验板之间的间距都可灵活调节。线圈的选用可以由继电器控制其关断，线圈骨架可以在机架的导槽上移动，确定好位置后旋紧导槽处连接线圈骨架的垫块与螺母即可。线圈与试验板的间距是通过调整螺母在螺栓上的旋进的深度来选择。

按照实际需要，调节充电电路的调压器，使储能电容达到一定的电压值后，再启动放电电路，脉冲线圈产生瞬态的大电流，金属试验件在瞬变的电磁场中产生涡流电，形成一个巨大的电磁力，在该瞬态电磁力的冲击下，可产生一个高达50000g的加速度，以满足实验室的瞬态冲击高加速度的要求，同时通过调节电压，可以对金属涂层以及金属复合材料进行耐压标定，或者用于金属表面附着层的破坏研究。

在该实验设备中，电路正向导通时电流与充电电压存在以下关系：

其中，表示电流， 表示充电电压，

 表示衰减角频率，

表示充电时间，表示衰减指数，

，衰减角频率

，式中

为电路电阻，

为线圈电感，

为储能电容容值。

电磁力与电流存在以下关系：

    式中，流经线圈的电流的平方作为电磁力

的一个因子，且电磁力与试验板件的物性参数相关，如弹性模量

，泊松比

，尺寸

，边界条件

等相关。

峰值加速度与电磁力之间的关系可用简单的关系表达为

。

由以上关系式可以得知，该冲击是一个既含有指数因子又含有正弦因子的非对称非常规的脉冲激励。

本实用新型采用三相电源，电路中用于储能电容充电的高压直流电源来自三相中的一根火线与零线，即利用的是相电压。为保证晶闸管触发电压的稳定性，晶闸管触发所需的直流电压来自三相中的线电压，这两者之间分别利用交流接触器KM6控制。这样可以解决高压直流电压中倍压整流与放电电路共地、整流二极管不导通的问题。

由于电磁脉冲的除冰原理可以产生在短时间内产生巨大的电磁力，本实用新型在此基础上对电路控制加以研究改进，并特别设计了重量精简且安装灵活的线圈骨架以及连接脉冲线圈两端的接线柱，同时还设计了可用于平台实验的冲击试验装置，该实用新型可用于激振系统研究的高加速度冲击试验台，以解决特种激振器造价成本高、加速度峰值难以提高至上万g的问题。

本实用新型通过调整电路参数，发生电路在1毫秒以内电流可达4000A，加速度峰值可高达50000g，同时实现不同瞬态脉冲力以及加速度的输出，以此分析金属件上黏附物的黏附强度与相关破坏性分析，并可进行实验金属件涂层结构及金属复合材料的耐冲击能力的标定，同时还可以作为一种非常规脉冲激励型的科学研究实验设备。

 附图说明：

图1为本实用新型的电磁脉冲发生控制电路的示意图。

图2（a）为脉冲线圈安装骨架图；图2（b）为图2（a）中 A-A方向剖视图。

图3（a）为绕线接头固定用接线柱；图3（b）为图3（a）的俯视图。

图4（a）为脉冲试验仪的装配示意图；图4（b）为图4（a）的俯视图；图4（c）为图4（a）的左视图。

图5为本实用新型的电磁脉冲冲击试验装置的电路控制连接框图。

图中标号：

图1中，Ⅰ-单相调压器，Ⅱ-倍压整流模块，Ⅲ-储能电容器组，Ⅳ-晶闸管，Ⅴ-快恢复二极管，Ⅵ-脉冲线圈，Ⅶ-三相整流模块，Ⅷ-固态继电器，Ⅸ-电流变送器，Ⅹ-开关电源，L-火线，N-零线，KM1～KM6-第一～第六交流接触器，KM6_1-第六交流接触器的主接点，KM6_2-第六交流接触器的辅接点，K1-第六交流接触器的辅接点的常闭触头，K2-第六交流接触器的辅接点的常开触头,S1-总电源开，S2-总电源关，S3-触发开关，S4-电压保持开关，OS1～OS4-脉冲线圈选择开，CS1～CS4-脉冲线圈选择关，H1-总电源指示灯，HL1～HL4-脉冲线圈选择指示灯；

图2中，21-漆包铜扁线安装槽，22-接线柱安装槽，23-固定件安装槽；

图3中，31-接线柱；

图4中，1-试验仪支架，2-试验板，3-接线柱，4-线圈骨架，5-第一紧固件，9-垫块，10-特制紫铜螺母，11-第二紧固件，15-万向轮；

图5中，①-充电电路模块，②-放电电路模块，③-冲击信号发生采集处理模块。

具体实施方案:

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

如图1所示，线路中安排了四个脉冲线圈Ⅵ，此处可以根据需要自行布置脉冲线圈的个数以及串并联方式。开关S1和S2为独立开关，分别控制总电源的开与关。交流接触器KM1的主接点KM1_1的两端分别与S1两端相接，以实现控制整个电路的通断。脉冲线圈的选择与关断分别由交流接触器KM2～KM5、独立开关OS1～OS4以及CS1～CS4控制，KM2～KM5的主接点分别连在OS1～OS4的两端。开关S4的作用在于保持储能电容充电完成后的放电电压，其一端与交流电压的高电压端相连，另一端连接第六交流接触器KM6。第六交流接触器KM6作为充放电电路选择的控制装置，其主接点KM6_1的两端连接倍压整流模块Ⅱ的正极输出端与储能电容器组Ⅲ的正极，其辅接点KM6_2的常闭触头K1分别与倍压整流模块Ⅱ的负极输出端以及储能电容器组Ⅲ的负极相连，第六交流接触器KM6的辅接点KM6_2的常开触头K2分别与三相整流模块Ⅶ的负极输出端和储能电容器组Ⅲ的负极相连。

为使试验板获得较大冲击力，需要依次启动该电路的充电模块与放电模块。储能电容器组Ⅲ充电时，闭合总电源开关S1，闭合交流接触器KM1主接点KM1_1，断开保持开关S4，使KM6中辅接点KM6_2的一对常闭常开触头的开断状态分别为闭合与断开，此时，三相整流模块Ⅶ的电路与充电的单相倍压整流模块Ⅱ的电路相互独立。调节单相调压器Ⅰ至合适的电压值，经过倍压整流模块Ⅱ，获得一定的高压直流输出，实现对储能电容器组Ⅲ充电。为使得晶闸管Ⅳ正常工作并实现瞬态的放电，本实用新型设计了触发电路：利用三相整流模块Ⅶ获得一个较稳定的直流电压，由于三相整流后的输出电压过高，在三相整流模块Ⅶ的输出端经过分压电阻的处理再连接到固态继电器Ⅷ上。触发电路工作时，闭合保持开关S4，使第六交流接触器KM6开关的动作与充电时相反，主接点KM6_1开关断开，辅接点KM6_2常闭触头K1断开而常开触头K2闭合，储能电容器组Ⅲ充当电源功能；根据需要按下脉冲线圈的控制开关，再按下触发电路中的触发开关S3，在1ms不到的时间内脉冲线圈Ⅵ将流经峰值数千安的瞬态电流，激发周围电磁场使试验板受到大的冲击力。为确保放电电路中的器件不被反向大电流损害，脉冲线圈Ⅵ两端并联一个快恢复二极管Ⅴ。同时，在线圈的正向电流的导线上可以安装一个电流变送器Ⅸ，将采集的电流信号输入到记忆示波器，就可读取所需的电信号。

如图2所示，将漆包铜扁线用绕线机绕好放置在卡线槽1里，在槽底涂以胶层起紧固作用，骨架中心槽2～3用以安放接线柱，连接漆包铜扁线的出入端，线圈骨架四个角处的槽用于安装螺栓，以根据需要固定安装在不同的支架上。图2所示的一端导线引出呈弧线设计一是为减少绕线的折角，二来可尽量避免银焊接线柱与铜线接口时导致的非接口处的绝缘漆的破坏。同时可以根据使用的场合，骨架的上表面以及安装线圈的槽面可根据试验件的形状发生改变，如制作成球面等。此线圈骨架与试验件相互独立，并可根据需要灵活安装，且具有质量较轻的特点。

如图3所示为漆包铜扁线的固定用接线柱，漆包铜扁线的两端去绝缘漆后卡在紫铜做的接线柱的卡槽中，槽高要大于等于铜线的宽度，安装好后为保证导电的良好性，以最大限度的减少接触电阻，通常采用银焊处理。为了保证连接导线与接线柱的良好连接，且尽量减少接触电阻，可以制作相对应的紫铜螺母，或者紫铜短圆柱（需打磨圆柱面以便于拧紧），内螺纹尺寸与接线柱螺纹匹配。

如图4所示，将线圈骨架根据需要个数安装在机架上，线圈与试验板的距离可由第一紧固件5调整，当需要安装多个线圈时，线圈与线圈间的距离可以在导槽上任意设置。试验板2由第二紧固件11固定。连接好电路后，就可以在该试验台上进行相关实验。第一紧固件5和第二紧固件11均包括不锈钢螺栓、螺母、弹垫及平垫。图4中显示，试验板钻孔处理后固定在冲击试验台上，此处也可以将试验板直接安放在试验台上，用压片和第二紧固件11将其固定，紧固效果相同，区别在于分析过程中改变了试验件的边界条件。如果需要进行试验件加速度峰值的标定，可在特定的试验板上安装振动加速度计，并连接相关的测试系统，调节不同的电压，则可以获得相应的加速度值，将加速度值与电流变化曲线相对应进行标定，即可获得不同种试验板的振动承压值。在做同样的振动测试时，只需要比对电流而不需要加载大的振动冲击测量设备，以减少测试成本。同理，也可以完成材料的破坏性分析以及瞬态振动的研究实验。试验板的长宽尺寸均具有可选择性，以便于科学中的参量研究。

如图5所示，为本实用新型的整体流程图。接通三相电源后开启电源总开关，进行充电电路模块的操作，利用倍压整流模块达成储能电容所需的电压要求。进行放电电路模块的操作时，转换交流接触器的控制触点，经三相整流器后输出的直流电压连接固态继电器并控制晶闸管的触发，触发晶闸管后储能电容向晶闸管、脉冲线圈、快恢复二极管放电，脉冲放电电路形成。接入电路信号采集系统和振动测试系统就可以实现冲击信号发生采集处理模块的功能。

Claims (9)

1.一种电磁脉冲发生控制电路，其特征在于：包括充电电路模块和放电电路模块，其中：

所述充电电路模块包括单相调压器和倍压整流模块；其中倍压整流模块由n组相互串联的滤波电容和二极管组成，n为自然数；

所述放电电路模块包括储能电容器组、晶闸管、晶闸管触发电路、快恢复二极管以及脉冲线圈，其中晶闸管触发电路包括三相整流模块、固态继电器与开关电源；

充电电路模块中，所述单相调压器的输入端分别与三相电中的一根火线、总电源开关、三相电中的零线连接，单相调压器的电压输出端与倍压整流模块的输入端相连接；倍压整流模块的正极输出端通过交流接触器的主接点分别与储能电容器组的正极、晶闸管的正极相连接，倍压整流模块的负极输出端分别与三相电中的零线、交流接触器的辅接点的常闭触头连接，交流接触器的辅接点的另一端分别与储能电容器组的负极、快恢复二极管的正极以及脉冲线圈的一端相连接；

放电电路模块中，所述晶闸管的触发电路中三相整流模块的输入端分别与三相电源的三根火线相连接，三相整流模块的输出电压经电阻分压处理后，其高电压端与固态继电器的第一个脚连接，三相整流模块的负极输出端通过交流继电器的辅接点的常开触头与储能电容的负极相连接；所述晶闸管的负极分别与快恢复二级管的负极、脉冲线圈的另一端相连接；晶闸管的控制极通过功率电阻与固态继电器的第二个脚相连接，固态继电器的第三个脚通过触发开关与开关电源相接，固态继电器的第四个脚接模拟地。

2.根据权利要求1所述的电磁脉冲发生控制电路，其特征在于：所述储能电容器组耐压值为2000V，其电容量分别可调至250、500、750与1000μF。

3.根据权利要求1所述的电磁脉冲控制电路，其特征在于：还包括电流采集模块，所述电流采集模块包括电流变送器以及记忆示波器；其中电流变送器的输入端与脉冲线圈的正向电流的导线连接，电流变送器的输出端与记忆示波器的输入端连接。

4.一种应用如权利要求1所述的电磁脉冲发生控制电路的电磁脉冲冲击试验装置，包括装备支架、冲击试验板以及测量用仪器，其特征在于：还包括电磁脉冲发生控制电路、控制电路辅助部件； 

所述冲击试验台上开设有用于安装脉冲线圈的导槽；

所述控制电路辅助部件包括脉冲线圈、线圈骨架以及用于连接脉冲线圈两端的接线柱；其中脉冲线圈安放在线圈骨架内，线圈骨架固定在冲击试验板的导槽上，线圈骨架上开有用于安装接线柱和固定骨架的阶梯孔；接线柱的一端开有卡住脉冲线圈的槽，另一端加工成螺纹形状。

5.根据权利要求4所述的电磁脉冲冲击试验装置，其特征在于：冲击试验板由金属材料板或金属复合层板制成，厚度要求在该材料产生的趋肤效应之内，其长度范围为100～1000mm，宽度为250～340mm。

6.根据权利要求4所述的电磁脉冲冲击试验装置，其特征在于：所述脉冲线圈由漆包铜扁线绕成，线圈骨架由聚四氟乙烯材料加工而成，接线柱由紫铜制成。

7.根据权利要求4所述的电磁脉冲冲击试验装置，其特征在于：线圈骨架采用螺杆及螺母并辅以垫块固定在冲击试验板的导槽上，且可以通过调整螺母在螺杆上的位置以调整线圈与试验件的垂直距离，同时可间接调节线圈与线圈间的水平距离。

8.根据权利要求4所述的电磁脉冲冲击试验装置，其特征在于：所述接线柱的另一端加工成螺纹形状包括采用与所述接线柱另一端相适应的紫铜螺母或者经过表面打磨处理的带有内螺纹孔的短圆柱，脉冲线圈嵌在接线柱的槽内后施以银焊。

9.根据权利要求4所述的电磁脉冲冲击试验装置，其特征在于：做标定试验时，配置相应振动测试系统以比对测量的脉冲电路信号。

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