可控电变质脉冲电源的制作方法

专利名称：：可控电变质脉冲电源的制作方法
技术领域：
：本实用新型涉及一种可控电变质脉冲电源，主要用于在强脉冲电磁场作用下金属及其合金电变质处理、组织细化、改性及材料成型的研究与生产所以的强电脉沖发生装置。
背景技术：
：随着科学技术的进步，人们对材料的性能有了越来越高的要求，如何更有效地利用资源、减少污染、提高金属材料加工的技术水平是材料行业21世纪所面临的重要课题。金属组织晶粒的大小对金属的力学性能有着很大影响，传统细化金属组织的方法是在液态金属中添加变质剂，以达到细化金属组织的目的。但是这种方法一是变质剂存在合金污染、改变合金成分，对环境有污染，二是添加剂价格昂贵，生产成本高，达不到很好的社会效益和经济效益。利用脉冲电流对金属材料凝固过程的控制，可以达到细化金属组织的目的，与传统的添加剂细晶技术相比，应用这些物理手段控制和细化金属凝固组织可以避免对环境和金属材料本身的污染。现有脉冲电源主要是用于电火花、电镀等方面产品的加工、防腐和装饰，电流密度较小，脉冲功率有限，还不能满足在金属材料凝固过程中细化金属组织的作用。在凝固过程中在合金液或液固混合液中通以强脉冲电流来"破碎"枝晶，细化铸态组织的一种电变质处理技术，但目前使用的电变质脉冲电源的性能不够完善，设计不科学，性价比低，笨重庞大，使研究工作受到限制。哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室巩春志、田修波等人研制的10KV等离子体表面改性高压脉冲电源，输出脉冲峰值电压虽然较高，但电流幅值只有20A，电流密度极低。哈尔滨工业大学王玉魁、宋博岩等2006提研制的节能式电火花加工脉冲电源用高频变压器取代笨重的工频变压器，用电感取代限流电阻，但由于其输出电流峰值只有50A，不符合细晶项目研究与生产的需求。再有2004年5月四川电子科技大学自动化CAT实验室和中国工程物理研究院研制的可一种可调的高压脉冲发生器，脉冲电压幅值达200KV，但带负荷能力太低，外接负载要大于1200欧姆才能稳定工作，同样不能用于细晶项目，并且采用的开关器件粗大笨重，成本较高。上海大学翟启杰;李仁兴等人于2008年2月申请的细化金属凝固组织的高压脉冲电源装置(专利号为200510030739.8)。它由恒流充电系统、储能系统和控制系统组成，主要电路包括充电回路、高压整流电路、关机自动泄放回路、高压控制电路、续流回路、主电源开关控制电路、工作电压预选控制电路和引燃管触发电路。脉冲电压峰值达10KV，储能电容C二2002000nF，最大储能81KJ，最大放电电流2xl05A，连续放电最高频率2Hz，电流脉冲宽度1(niS100mS。该脉冲电源脉冲峰值电压高，脉宽范围大，输出能量高，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P/。MA级，后期使用维护成本也较高，不能长期可靠使用。这就使得其操作使用不便，特别是针对科学研究等方面，难以让人接受；在细晶研究方面参量范围不尽合理，限制了细晶技术向更深层次，更微观领域迈进。目前强电流、高峰值电压脉冲电源技术还不够成熟，可控脉冲电源参量范围小或不适用于该项目研究和生产，工作不够稳定等都严重制约着该项技术研究的深入进行。
发明内容要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种可控电变质脉冲电源，是一种高能量密度电变质脉冲电源，最大单个脉冲能量可达KJ级，脉冲峰值电流可达MA级，脉冲峰值电压3000V。技术方案本实用新型的基本思想是在时间上压缩能量，再通过纳秒级短时放电的思想，以获得对试样处理的高电流密度的窄脉冲。电源实现在时间上压縮能量采用的是高压脉冲电容，脉冲电容把能量在尽可能短的时间内以电场形式储存起来，利用低阻值的金属凝固组织构成放电回路，通过真空开关的切换完成纳秒级快速放电，理论峰值电流可达MA级，并实现高能脉冲的连续输出。本脉冲电源的脉冲宽度产生的电流密度，对研究金属凝固组织晶粒细化的机理有着很好的效果。本实用新型的技术其特征在于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三相全桥整流电路。所述的三相全桥高压整流电路的每个桥臂由6个整流二极管串联而成，并对6个桥臂采用高压绝缘材料进行整体封装；在输入端每两个桥臂之间并联阻容串联保护电路，且电阻电容的参数相同；在输出端并联阻容串联保护电路和TVS串联保护电路，输出端阻容保护电容耐压为输入端电容耐压的1.5至2倍。所述的脉冲形成及其控制电路是输入端的高压直流电经限流电阻R1，交流接触器S4的触点加在能量压縮及控制电路上，能量压縮及调整电路通过交流接触器S5的触点输出脉冲，能量压縮及调整电路两端并联保护泄放电阻R12，同时通过交流接触器S3的触点并联另一泄放电阻R3,交流接触器S3通过按纽开关K6联接电源，交流接触器S4通过开关K5和继电器K9的触点联接电源，交流接触器S5通过继电器K9的触点联接电源，继电器K9的一端接入电源零线，另一端联接充放电时间控制模块，充放电时间控制模块输入端联接电源零线，并通过开关K4联接电源的高端；所述的能量压縮及其调整电路采用5组脉冲电容器相并联而成，并在每组电容器回路中接入空气开关。所述的充放电时间控制模块是基准时钟电路提供计数电路的基准时钟脉冲，驱动放大电路将振荡电路的控制信号驱动真空交流接触器S4与S5，计数电路在基准时钟脉冲的控制下记录振荡电路输出的高电平信号经历的基准时钟脉冲个数，并由译码显示电路还原为时间信号予以显示。有益效果本实用新型的可控电变质脉冲电源，是根据金属及其合金凝固组织电变质技术研究的需要和电源技术的发展水平，基于多可变脉冲参量及其宽调节范围的设计要求，脉冲峰值电压、电流、脉冲能量及频率等参数均可调节的电容储能式高电压脉冲发生装置。它的高能、高压、高峰值电流等特性特别适合用于金属及其合金的晶粒细化的研究或生产。其重要设计思想就是利用低阻值的金属液或金属材料作为脉冲形成回路的一部分，利用电容器在时间上压縮能量，再通过纳秒级短时放电，电流峰值可达MA级，并实现高能量电流脉冲的连续输出。它结构简单，工作可靠，操作简单，功率体积比高。本实用新型提供的可控电变质脉冲电源，是一种具有较宽脉冲能量范围的电变质可控脉冲电源。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，便于研究电变质处理的作用机理，细化金属凝固组织获得具备优良性能或特殊功能的材料。附图h电变质脉冲电源硬件组成框图附图2:升压调压电路附图3:高压整流电路附图4:脉冲形成及其控制电路附图5:充放电时间控制模块附图6:振荡电路附图7:计时基准时钟电路附图8:计数电路附图9:译码显示电路附图10::本实用新型实施例具体实施方式现结合实施例、附图对本实用新型作进一步描述本实用新型的组成如附图1所示，具体实施例硬件构成如附图12所示。三相外电源经升压调压电路，均分三档，送到三相高压整流电路整流后输出相应高压直流电用以给脉冲形成提供初始能源。脉冲形成及其控制电路通过能高压脉冲电容慢充快放的方式完成脉冲能量的压縮、释放及其控制，实现高能脉冲连续输出。同时，脉冲电压显示电路检测设备输出电压变化情况，提供给操作人员进行设备运行参数调整和设备工况监控。主要电路构成1、升压调压及高压整流电路升压调压电路如附图2所示。三相市电由R型三相升压变压器1、2、3端接入，13、14、15端输出，输出电压均分三档。4、5、6端通过分接开关SW9—3的档位1选通，7、8、9端通过SW9—3的档位2选通，10、11、12端通过SW9—3的档位3选通，SW9—3的1、2、3档选通分别表示变压器三相升压输出577V、1153V、1732V。高压整流电路如附图3所示。变压器输出端13、14、15接入高压整流桥的1、2、3输入端，经三相全桥整流，在整流桥4、5端分别输出1000V、2000V、3000V直流电，用于设备储能电容充电。本三相全桥高压整流电路每个桥臂由6个1000V整流二极管串联而成，以提高其耐压、抗冲击能力。在整流桥输入端每两相电之间采用串联阻容保护，选用0.22ptF、4KV电容器，IOQ、20W电阻，每两相参数相同。在整流桥输出端采用阻容保护，选用0.22pF、6.3KV电容器，IOD、20W电阻；并采用TVS(本实施例选用10个TVS串联后并联于整流桥输出端，型号为1.5KE440CA)进行瞬态电压抑制保护。本整流电路除保护电路，其他部分(6个桥臂)采用高压绝缘材料进行整体封装，保证高压整流部分使用安全，工作可靠，安装方便。2、脉冲电压显示电路如本实用新型实施例附图10充放电电压信号采集及显示部分所示。电容充放电电压(即设备输出脉冲电压)通过直流电压信号采集调整为iooov以内电压信号送到直流电压变送器(GDVJ-061，线性光耦，抗干扰能力强，合适本设备复杂电磁环境下工作)，处理为4至20mA线性电流信号送到数显仪表以输出所测实时电压数值，供操作人员监控电容器组端压变化情况。3、脉冲形成及其控制电路脉冲形成及其控制电路构成如附图4所示。能量压缩及其调整电路采用5组30pF、3KV的脉冲电容器相并联而成，并在每组电容器回路中接入空气开关，以灵活调整设备工作参数，空气开关的通断需在设备开启之前完成。高压整流电路输出的高压直流电经限流电阻R1，真空交流接触器S4加在能量压缩及控制电路上，对脉冲电容进行充电，S4控制线圈零线上接入开关K5实现对S4单独控制；能量压缩及调整电路完成充电过程后，通过真空交流接触器S5直接加在负荷试样或工件上，输出强脉冲对试样或工件进行电变质处理，S5控制线圈一端直接接入市电零线，另一端与S4—样分别接入继电器K9选择端，公共端连接市电火线；K9控制线圈一端接入市电零线，另一端接受来自充放电时间控制模块产生控制信号，通过对K9的状态控制实现对能量压縮及调整电路充放电过程的控制，以及充放电过程的可靠互锁。充放电时间控制模块输入端接市电，并通过K4控制。能量压缩及调整电路两端并入保护泄放电阻R12。能量压缩及调整电路两端并入交流接触器S3控制的R3泄放回路，S3控制端通过K6(按纽开关)控制接入市电。本装置可以提供高峰值电压，MA级强峰值电流的脉冲，但其储能元件所存储电量也会对操作人员构成安全问题，所以电容器组必须有非常可靠的放电回路，以保障人员安全。i主电路放电。正常工作时，充电与放电回路真空交流接触器交替通断，完成对电容器组的充放电控制，实现高能脉冲输出。停机时，先切断电容充电回路，电容器组电量通过设备正常工作放电回路可靠释放。3辅助放电回路。依次切断充放回路后，按下电容放电按钮，则电容器若还有少量余电，则可以通过电阻安全释放。3电容器组自放电回路。在电容器组两端接入高阻值电阻，在正常充放电过程中其影响可以忽略，当外电源中断或危险情况下紧急停机时，电容所存电量则会通过该高阻值电阻在较短时间内自行释放，以保证操作人员人身安全。充放电时间控制模块工作原理如附图5所示。220V单相巿电经变压、整流、稳压处理为恒定的+5V的直流电作为设备控制电路的电源。震荡电路产生的充放电控制信号一方面通过放大提高带负载能力，驱动充放电回路开关切换系统工作，从而控制充放电回路的通断；另一方面输入到记时数器中测量充电和放电时间，并显示。(1)充放电时间控制模块的5V直流电源充放电时间控制模块电源采用5V、2A开关电源，给整个模块提供工作电源。(2)振荡电路见附图6振荡电路部分。Vcc(+5V)、GND经过选择开关Sl作为一个输入端进入4081(U3A)与门电路，输出经4050(U2A)同相缓冲器，与双单稳态多谐振荡器4528(U19A)的上升触发沿A端连接，下降触发沿B端、CLR端连接Vcc高电平，则Q输出正脉冲，并且输入到4528(U19B)的B端口，此时，A端接地GND为低电平，5输出负脉冲，输出的脉冲信号通过4050(U2C)缓冲器再经过4081与门逻辑电路，实现控制脉冲信号的连续输出。4528外接RC振荡电路，本设计中电容C(C9,C10)大小值固定，通过JP2外接拔码开关选择电阻R(Rl至R20)，调整该电路振荡周期，以控制输出方波信号高低电平时间，用来产生主电路充放电时间控制信号。(3)驱动放大电路来自震荡电路的控制信号不能直接用来控制真空交流接触器S4与S5，本实用新型采用JZC-23F(4123沐提高控制信号的驱动能力。(4)计时电路计时电路由一个基准时钟电路产生一个周期T=0.01s的基准时钟脉冲，记数电路记录下充电区间和放电区间的脉冲个数，就可测量出充放电的时间。基准时钟电路如附图7所示，使用一个4060(U21，带片内振荡缓冲器的14级二进制串行计数器)，外接电阻R21、RPotl9和电容C8'组成内部振荡器，其中Qs为计数值输出，在时钟下降沿记数，输出端口Q5输出的脉冲信号为100Hz，即周期T=0.01s，作为测量信号的基准时钟。计数电路如附图8所示，基准时钟信号送入4011(U7B)，当振荡电路输出为高电平时(这时脉冲电容处于放电状态)，开启4011(U7B)，进而通过U7A输入到计数器4518(U4A)的上升沿CLK，计数器时钟上升沿有效，开始计数，在4012(U11A)输出为低电平之前，U4A连续计数。当振荡电路输出低电平时，计数器停止计数。此时的数值即为放电时间，U4A、U5A、U5B，分别表示时间低、中、高位。4012(U11A)四输入与非门在2、3、4、5输入端至少有一个为0时，输出端口输出为l。当U11A输入端全部为l，即计数器溢出时，U11A输出低电平，U7A输出高电平使计数器U4A终止工作，U20A清零，复位，进行下一个脉冲计数。当振荡电路充放电控制信号输出低电平到4528(U20B)的下降沿触发ll管脚时,其输出端9管脚输出高电平到4511的LE端，计数器保持输出不变。充电时间是振荡电路输出经过反相器4049后送入计数电路中，工作过程相同。(5)充放电时间译码显示电路见附图9，来自计数电路的充放电时间信号低位、中位和高位数据分别送入U13、U14、U15译码器来驱动相应的数码管进行显示，高位小数点位常亮。LE低电平送入显示数据，高电平时锁定，保持送入的显示数据。充放电时间的LED显示电路相同。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本设备升压设备选用的是单位体积功率、单位质量功率都比较高的R型升压变压器，配置的的二次启动电路有效地缓冲了启动电流，使设备平稳启动运行。见附图io所示，启动时，闭合K1，继电器S1吸合，三相市电经过限流电阻R5、R6、R7加在升压变压器上，对变压器预加电，再闭合K2，使继电器S2吸合，从而短接R5、R6、R7，即实现对R型升压变压器的平稳启动。K8正常工作常闭，当设备出现故障或危险需紧急停止工作时，可通过K8紧急停机按纽，切断S1，S2，从而切断设备工作电源。权利要求1.一种可控电变质脉冲电源，其特征在于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三相全桥整流电路。2.根据权利要求1所述的可控电变质脉冲电源，其特征在于所述的三相全桥高压整流电路的每个桥臂由6个整流二极管串联而成，并对6个桥臂采用高压绝缘材料进行整体封装；在输入端每两个桥臂之间并联阻容串联保护电路，且电阻电容的参数相问；在输出端并联阻容串联保护电路和TVS串联保护电路，输出端阻容保护电容耐压为输入端电容耐压的1.5至2倍。3.根据权利要求1所述的可控电变质脉冲电源，其特征在于所述的脉冲形成及其控制电路是输入端经限流电阻R1，交流接触器S4的触点联接能量压缩及控制电路，能量压縮及调整电路通过交流接触器S5的触点联接输出端，能量压缩及调整电路两端并联保护泄放电阻R12,同时通过交流接触器S3的触点并联另一泄放电阻R3，交流接触器S3通过按纽开关K6联接电源，交流接触器S4通过开关K5和继电器K9的触点联接电源，交流接触器S5通过继电器K9的触点联接电源，继电器K9的一端接入电源零线，另一端联接充放电时间控制模块，充放电时间控制模块输入端联接电源零线，并通过开关K4联接电源的高端；所述的能量压縮及其调整电路采用5组脉冲电容器相并联而成，并在每组电容器回路中接入空气开关。4.根据权利要求3所述的可控电变质脉冲电源，其特征在于所述的充放电时间控制模块是基准时钟电路提供计数电路的基准时钟脉冲，驱动放大电路将振荡电路的控制信号驱动真空交流接触器S4与S5，计数电路在基准时钟脉冲的控制下记录振荡电路输出的高电平信号经历的基准时钟脉冲个数，并由译码显示电路还原为时间信号予以显示。专利摘要本实用新型涉及一种可控电变质脉冲电源，技术其特征在于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三相全桥整流电路。本实用新型提供的可控电变质脉冲电源，是一种具有较宽脉冲能量范围的电变质可控脉冲电源。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，便于研究电变质处理的作用机理，细化金属凝固组织获得具备优良性能或特殊功能的材料。文档编号C22F3/00GK201328086SQ200820228310公开日2009年10月14日申请日期2008年12月22日优先权日2008年12月22日发明者刘华泽,赵志龙,阎光明,陈建林,马连辉申请人:西北工业大学