Электрооборудование. Генераторы импульсов

Требования к генераторам импульсов (ГИ) включают в себя необходимость достижения высокого КПД. Кроме того, они определяются свойствами межэлектродного промежутка (МЭП) — резко нелинейного элемента электрической цепи.

Стабильность импульсов тока — постоянство их длительности зависит от постоянства свойств промежутка и крутизны переднего

Рис. 6.8. Структурная схема импульсного генератора

фронта импульса напряжения. Чем больше эта крутизна, тем стабильнее импульсы тока. Отсюда следует еще одно требование к генераторам импульсов — высокая степень крутизны переднего фронта импульса напряжения.

Подвод импульсов энергии к межэлектродному промежутку при электроэрозионной обработке можно осуществить по структурной схеме, показанной на рис. 6.8, а.

В течение времени τ_и коммутатор К замкнут и источник питания отдает нагрузке (МЭП) мощность Р_и, которая в n раз превосходит среднюю мощность за период следования импульсов Т.

Мощность источника питания должна быть равной P_и = I_mU_m , где I_m и U_m — амплитудные значения напряжения и тока в течение импульса. Она расходуется только в промежутке времени τ_и.

Если пренебречь потерями в накопителе энергии, то отдаваемая накопителем в МЭП энергия составит А = Р_и τ_и, а мощность источника Р = А/Т = Р_и τ_и /Т = Р_и / n , т. е. при введении в структурную схему накопителя энергии мощность источника может быть уменьшена в n раз.

Схема электроэрозионной установки, обеспечивающая импульсную работу с накопителем энергии, приведена на рис. 6.8, б.

В течение паузы τ_п коммутатор К находится в положении 1 и через ограничитель тока накопителем от источника питания потребляется мощность Р/n. Накопитель при этом запасает энергию А = Р_и τ_и, которая при переключении коммутатора К на время импульса τ_и в положение 2 отдает мощность Р_и =А/ τ_и.

Работа по этой схеме дает возможность трансформировать мощность источника Р = Р_и/n в мощность, которая расходуется на нагрузке.

Импульсные генераторы различают по принципу действия, конструкции и параметрам импульсов. ГИ условно подразделяют на зависимые, ограниченно зависимые и независимые. В первых из них параметры генерируемых импульсов определяются физическим состоянием межэлектродного промежутка. В независимых генераторах импульсы не связаны с состоянием МЭП.

Электрическая энергия в накопителе может запасаться в виде электрического поля конденсатора или электромагнитного поля

Рис. 6.9. Схема импульсных релаксационных генераторов..

индуктивной катушки. Применяются также комбинированные накопители, содержащие активное сопротивление, емкость и индуктивность— релаксационные генераторы (рис. 6.9.). В процессе их разрядки расходуется энергия, накопленная в реактивных элементах цепи (конденсаторе или индуктивной катушке).

RС-генератор импульсов (рис. 6.9, а) состоит из последовательно соединенных источника питания G, ключа K, токоограничивающего сопротивления R₁ и накопительного конденсатора С₁ , подключенного параллельно МЭП.

Емкостный накопитель заряжается от источника питания через ограничивающее сопротивление R₁ благодаря чему зарядный ток много меньше тока импульса I_и. Ток зарядки конденсатора определится из соотношения . Напряжение на конденсаторе , где U_co — начальное напряжение на конденсаторе в момент τ = 0. К концу зарядки напряжение U_с будет равно напряжению источника питания. Разрядка происходит в течение времени τ_и=Т/n. В случае большой cкважности импульсов среднее значение разрядного тока во время прохождения импульса τ_и в n раз больше тока зарядки, поэтому емкостный накопитель является по существу трансформатором тока.

В индуктивном накопителе скорость нарастания тока в индуктивности определяется ее значением и приложенным напряжением. Требуемая сила тока I_и может быть получена и при малых значениях падения напряжения на индуктивности U_L U, т. е. индуктивный накопитель также можно рассматривать как трансформатор тока.

В процессах электроэрозионной обработки более широко применяются генераторы с емкостным накопителем, поскольку индуктивный накопитель уступает емкостному по энергетическим показателям. Схема импульсного LC-генератора показана на рис. 6.9,б. Зарядный ток проходит к конденсатору С от источника питания G через обмотку вибратора L. Вначале он притягивает якорь Я электромагнитного вибратора и увеличивает межэлектродный промежуток, поднимая электрод-инструмент.

К концу зарядки конденсатора ток через обмотку вибратора постепенно спадает, удерживающая якорь вибратора электромагнитная сила ослабевает и электроды начинают сближаться, уменьшая МЭП. После пробоя промежутка и прохождения импульса тока цикл работы генератора повторяется. Частота импульсов определяется соотношением L и С в цепи генератора.

Генераторы, выполненные по такой схеме, имеют высокие КПД и производительность.

Введение в зарядную цепь RС-генератора индуктивности (переход к генератору типа RLC) повышает КПД генератора, так как в этом случае снижается токоограничивающее сопротивление. RLС-генераторы (рис. 6.9, в) работают при более низком напряжении, чем RС-генераторы, так как при наличии резонанса между индуктивностью и емкостью напряжение на конденсаторе-накопителе оказывается больше напряжения источника питания.

Уравнение переходного процесса зарядной цепи RLС-генератора имеет вид

, (6.3)

Из данного уравнения следует, что заряд конденсатора может проходить по экспоненциальному либо по колебательному закону.

Колебательный процесс возникает при ( ) – (1/L₁C) =0. В таком режиме работы зарядной цепи напряжение на конденсаторе в конце зарядного периода τ_зар равно почти удвоенной ЭДС. В действительности максимальное напряжение, до которого может зарядиться конденсатор, зависит от отношения R₁/(2L₁).

В электроэрозионной обработке применяется также СС-генератор импульсов (рис. 6.9, г), в котором в качестве токоограничивающего элемента используется конденсатор С₁. Такой генератор обладает более высоким КПД по сравнению с LC-генератором с электромагнитным вибратором. Частотные свойства СС-генератора определяются в основном частотными характеристиками диодов выпрямителя В.

Основной недостаток релаксационных генераторов — связь частоты импульсов тока с физическим состоянием МЭП. Он может быть устранен, если в разрядную цепь ввести управляемый переключатель, который в заданный момент времени подключал бы к МЭП накопительный конденсатор.

Для питания устройств электроэрозионной обработки существуют статические генераторы импульсов, регулирующие временные и

Рис. 6.10. Структурная схема широкодиапазонного генератора импульсов.

энергетические параметры в широком диапазоне при отсутствии накопительных элементов. В них легко формируются прямоугольные и униполярные импульсы. По способу генерирования их подразделяют на генераторы с независимым возбуждением, автогенераторы и инверторы.

Конструктивно они выполнены в основном на транзисторных или тиристорных полупроводниковых приборах.

Структурная схема широкодиапазонного генератора импульсов показана на рис. 6.10. Она включает в себя источник питания, силовые блоки, число которых может быть равно шести, с разделительным диодом Д, блок поджига, задающий генератор, предварительный усилитель мощности, рабочий промежуток (МЭП), блок защиты от коротких замыканий. В состав силовых блоков и блока поджига включены силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме и переключающиеся синхронно от задающего генератора. При включении транзисторов от блока поджига подается маломощный импульс. Он способствует пробою промежутка и формированию низковольтного разряда. До пробоя разделительный диод Д заперт. После пробоя напряжение на промежутке снижается до 40—25 В, диод Д открывается и через промежуток проходит импульс тока, значение которого определяется количеством включенных параллельно силовых блоков. Их синхронное выключение прерывает разряд. При коротком замыкании электродного промежутка МЭП все транзисторы силовых блоков отключаются. Подача импульсов к электроэрозионному промежутку возобновляется после ликвидации короткого замыкания.

Для электроэрозионной обработки металлов импульсами больших энергий с частотой 50—100 Гц используют статические генераторы импульсов — трансформаторы промышленной частоты с вентилем.

Импульсы энергии длительностью до миллисекунд получают с помощью генераторов импульсов, которые по принципу работы подразделяют на коммутаторные и индукторные генераторы.

Машинный коммутаторный генератор (МКГ) включает в себя переменно-полюсную магнитную систему на статоре и обмотку на якоре. Обмотка якоря по его окружности распределена неравномерно, а на узких частях под полюсами, которых у МКГ значительно больше, чем у обычных машин, благодаря чему повышается частота тока генератора. При вращении якоря генератора в его обмотке, расположенной на узком участке напротив полюсов индуктора, в момент прохождения ею переменно-полюсного индуктора индуцируется симметричная импульсная ЭДС.

Униполяризацию импульсов производят с помощью расположенного на одном валу с якорем коллектора (коммутатора), состоящего из двух систем сегментов с наложенными на них щетками. Наличие пауз между импульсами облегчает коммутацию, поскольку переход щеток с одной системы сегментов на другую происходит в моменты отсутствия напряжения в обмотке якоря.

Машинный индукторный генератор импульсов (МТИ)— электрическая машина бесколлекторного типа, вырабатывающая переменное напряжение повышенной частоты. Его основная особенность— отсутствие вращающейся полюсной системы, которая заменена зубчатым индуктором. Обмотки якоря и возбуждения расположены на статоре генератора. Переменный магнитный поток возникает за счет изменения сопротивления магнитной цепи генератора, обусловленного зубчатостью вращающегося индуктора.

Вследствие применения зубчатого индуктора получают несимметричную кривую переменного напряжения с различными амплитудами полуволн положительной и отрицательной полярности. При достаточно малой амплитуде обратной полуволны напряжения пробой межэлектродного промежутка происходит только при импульсах напряжения прямой полярности, в результате чего импульсы тока будут униполярными.