Краткие теоретические сведения. Для электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической обработки материалов, а также для возбуждения атомных спектров при количественном и

Для электроэрозионной, магнитоимпульсной, электрогидравлической обработки материалов, а также для возбуждения атомных спектров при количественном и качественном спектральном анализе промышленных материалов используется импульсный подвод энергии.

4.1.1 Параметры импульсных величин

Импульс получает название по форме геометрической фигуры при развертке по времени. Форма импульса может быть самой различной, однако наиболее часто встречаются прямоугольные, треугольные (пилообразное) и колоколообразное импульсы.

В электрических цепях различают видео- и радиоимпульсы. Видеоимпульсы представляет собой односторонние отклонение напряжения (тока). Видеоимпульс положительной полярности соответствует увеличению напряжения (тока), независимо от того, положительны или отрицательны мгновенные значения U(t) и i(t). Видеоимпульсы отрицательной полярности формируются при убывании мгновенных значений сигнала. Они могут быть либо однополярными, либо биполярными. Радиоимпульс – это отрезок гармонического колебания, амплитуда которого меняется по закону, соответствующему закону изменения какого-либо видеоимпульса.

Наряду с одиночными импульсами в импульсной технике используются серии (пачки) импульсов и импульсные последовательности.

Импульсы любой формы характеризуются тремя основными параметрами – амплитудой U_m, длительностью τ и периодом следования T.

Амплитуда импульса U_m – это максимальное значение импульсного отклонения напряжения тока от начального уровня (см.рисунок 4.1 и 4.2).

Рисунок 4.1 – Колоколообразный импульс

Рисунок 4.2 – Пилообразный импульс

Длительность импульса τ – интервал времени от момента появления импульса до момента его окончания. В ряде случаев для описания импульсов непрямоугольной формы используют понятие энергетической длительности τ_э (см.рисунок 4.1). Реальный импульсный сигнал U(t) заменяют прямоугольным импульсном с той же амплитудой и энергий, о длительностью, равной

.

Периодом Т – называется наименьший промежуток времени, через который наблюдаются повторения импульса (см.рисунок 4.1 и рисунок 4.2).

Для более детальной характеристики используют производственные параметры, полученные из основных путем пересчета. К ним относятся: частота повторения импульсов F, коэффициент заполнения k_З, скважность q и параметры, характеризующие сам импульс, которые для различных типов импульсов различные.

Частоту повторения импульсов определяют из отношения:

и измеряют числом импульсов в секунду (имп/с) или в Гц.

Коэффициент заполнения импульсов:

характеризует степень заполнения периода колебания.

Скважность импульсов q является величиной, обратной коэффициенту заполнения:

.

Зная скважность q можно вычислить постоянную составляющую периодической последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой U_m(см.рисунок 4.1), которая равна

.

Для прямоугольных импульсов вводится понятие длительность фронта t_ф (см.рисунок 4.1) – время нарастания импульсной составляющей напряженияU(t) от 0,1 U_m до 0,9 U_m и длительность среза импульса t_с – аналогии время убывания импульсной составляющей от 0,9 U_m до 0,1 U_m .

Для треугольной (пилообразной) формы время нарастания напряжения (тока) от начального уровня до амплитудного значения называют длительностью прямого хода t_пх, а время убывания – длительностью обратного хода t_ох (см.рисунок 4.2).

Важнейшим дополнительным параметром является коэффициент нелинейности пилообразного напряжения:

,

где α₀ – угол наклона касательной к функции U(t) в точке t=0,

α₁ – угол наклона касательной к функции в точке q t= t_пх.

Для идеального линейного прямого хода к_н=0.

Для характеристики устройства формирование импульса применяют коэффициент напряжения источника питания:

,

где Е – напряжения источника питания по приборам.

4.1.2 Генераторы импульсов

В настоящее время существует большое количество схем генерирования импульсов электрической энергии, которые можно, разделив на два вида; классифицировать на схеме:

а) с использованием различных накопителей энергии;

б) с прямой коммутацией энергии источника питания.

Первый метод применяют для получения коротких импульсов с большой скважностью, подавляющее большинство схем генераторов работает по блок-схеме, представленной на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Блок-схема генератора импульсов с накопителем

От источника 1 электрической энергии через токоограничивающую цепь 2 накопитель 3 запасается некоторым количеством энергии. Энергия, запасенная в накопителе 3, с помощью коммутирующего устройства 5, где выделяется в виде импульса большой мощности. Использование накопителя энергии 3 позволяет получать импульсы с весьма большой амплитудой тока, при сравнительно небольшом потреблении тока от источника питания. В качестве накопителя чаще всего применяют электрические конденсаторы. Энергия запасенная конденсатором, зависит от величины емкости и напряжения, до которого произведена зарядке:

где w – энергия, Дж; С – емкость, Ф; U_m - напряжение, В.

Возможно использование в качестве накопителей и катушек индуктивности о энергией:

где L – индуктивность, Гн; I_m – ток, А.

Однако трудности коммутацией энергии, запасенной в индуктивности (для выделения запасенной в индуктивности энергии нужно прекратить ток через нее), ограничивает ее использование.

Токоограничивающая цепь 2 предотвращает поступление энергии в накопитель и межэлектродный промежуток от источника в момент прохождения рабочего импульса и обеспечивает поступление электрической энергии в накопитель 3 в паузы между рабочими импульсами.

Коммутирующее устройство 4 в течение всего времени зарядки не должно допускать поступление энергий в межэлектродный промнжуток5. Чтобы энергия, запасания в накопитель, поступала в межэлектродный промежуток 5 с наименьшим потерями, коммутатор 4 должен быстро приводиться в состояние весьма высокой проводимости. В качестве коммутатора 4 можно использовать сам межэлектродный промежуток, генераторы такого типа называют релаксационными. Однако, использование нелинейности сопротивления межэлектродного промежутка не позволяет получить импульсы большой мощности с высокой частотой повторения, поэтому в качестве коммутирующих устройств, обладающих способностью быстрее чем межэлектродный промежуток восстанавливать свою электрическую прочность, применяется электронные и ионные импульсные лампы. Это дает возможность использовать источники питания высокого напряжения и высоковольтные конденсаторы, т.е. позволяет получать большие мощности при сравнительно малых токах и потерях энергии в коммутирующих устройствах. В этом случае между генератором и межэлектродным промежутком должен устанавливаться согласующий импульсный трансформатор.

По второму методу генерируются импульсы электрической энергии значительной с малой скважностью.

При генерировании импульсов с прямой коммутацией энергии источника питания (рисунок 4.4) от источника питания 1 через коммутирующее устройство 2 и токоограничивающую цепь 3 в межэлектродный промежуток 4 поступает электрическая энергия в те моменты, когда коммутирующее устройство находиться в проводящем состоянии.

Рисунок 4.4 – Блок схема генератора импульсов с прямой коммутаций энергии

Длительность и скважность получаемых импульсов задаются коммутирующим устройством 2, а амплитуда тока - величина напряжения источника питания 1 и сопротивлением токоограничивающей цепи 3. Источник питания 1 должен быть рассчитан на полную мощность импульса, вместо средней мощности, в случае генерирования с накопителями энергии.

Для интегрирования импульсов большой мощности с малой скважностью применяется электрические машины со специальной конструкцией магнитных систем, позволяющие генерировать импульсные напряжения. Для получения импульсов с высокой частотой колебания 20-40 кГц, в которых с помощью выпрямителей волны нежелательно полярности отсекаются.

Применение в качестве коммутирующих устройств, полностью управляемых электронных или полупроводниковых приборов (игнитроны, тиратроны, тиристоры и транзисторы) позволяет генерировать импульсы в весьма широком диапазоне длительностей, частот повторения, а также с изменяемой в широких в пределах важностью.

Описание стенда

4.2.1 Конструкция установки

Установка состоит из генератора ИВС-23 и штатива ШТ-23.

Генератор собран в металлическом радиопомехозащитном корпусе. Конструкция генератора блочного типа состоит из следующих блоков: - питания; - управления; - высоковольтной искры; - реостата.

На лицевой стороне генератора (см.рисунок 4.5) расположены:

1 – вольтметр; 2 – амперметр; 3 – световое табло; 4-5 – кнопки управления Стоп и Пуск; 6 – гнезда для подключения осциллографа и тумблер; 8 – сеть; 7 – справка на верхней боковой обшивке генератора расположена рукоятка регулировки реостата; 9 – передняя дверка с рукояткой – 10 и утопленной кнопкой замка обеспечивает удобный доступ к системе коммутации блока 11 и предохранителя 12.

Рисунок 4.5 – Панель генератора ИВС-23

Генератор соединен со штативом кабелем, передающим напряжение заряда высоковольтных накопителей конденсаторов к разрядному промежутку.

Штатив ШТ-23 выполнен в литом радиопомехозащитном корпусе. В рабочей камере штатива расположены: съемный механизм крепления нижнего электрода (проба) с выведенной наружу рукояткой точного вертикального перемещения электрода, съемный механизм крепления и перемещения верхнего электрода с выведенной наружу рукояткой вертикального перемещения электрода, разрядник, устройства крепления и перемещения тубуса.

Камера разряда снабжена специальной оптической системой, проектирующей на экран увеличенное в 3,5 раза теневое изображение рабочих концов электродов или разряда между ними, цена деления шкалы 0,05 мм с учетом увеличение системы.

4.2.2 Электрическая схема и принцип работы генератора

Принципиальная электрическая схема генератора приведена на рисунке 4.6 и состоится к разряду схем с накопителем энергии.

Рисунок 4.6 – Принципиальная электрическая схема генератора ИВС-23

Работа генератора возможна в 2-х режимах: по «сложной» и «простой» схеме.

«Сложная схема» обеспечивает точную дозировку количества энергии, реализуемой в аналитическом промежутке F2, За счет использование вспомогательного разрядника F1, величину которого можно изменять. Для работы по «сложной» схеме аналитический промежуток F2, шунтируется резистором R1. Конденсаторы С1, С2 заряжаются, поступающим от высоковольтного трансформатора Т (U2=13 кВ). Напряжение конденсаторах С1, С2 прикладывается через R1 к вспомогательному разряднику F1.

При достижении на конденсаторах напряжения пробоя вспомогательного разрядника F1 последним пробивается, и все напряжение на конденсаторах оказывается приложенным к резистору R1, а следовательно к аналитическому промежутку F2, величина которого меньше чем F1, поэтому вслед за пробоем вспомогательного разрядника происходит пробой аналитического промежутка.

Так как разряд конденсаторов С1 и С2 происходит по цепи, состоящей из катушки индуктивности L, то он носит колебательный характер. Катушка имеет отводы, соответствующие 0; 10; 50; 150мкГн. По мере уменьшения запаса энергии в конденсаторах С1, С2 разряд в контуре прекращается, оба искровых промежутков деионизируются, конденсаторы начинают заряжаться вновь.

Изменяя величину вспомогательного разрядника, емкость и индуктивность контура, можно в широких пределах регулировать энергию разряда в аналитическом промежутке и его длительность. При этом вне зависимости от свойств самого аналитического промежутка (его величины, формы, качества обработки электродов и т.д.).

Регулируя реостатом R ток в цепи первичной обмотки высоковольтного трансформатора тока Т, можно изменять скорость разряда конденсатора и тем самым варьировать число разрядов (от 1 до 3) в каждый полупериод питающего напряжения (см.рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 – Осциллограммы напряжения на основном конденсаторе разрядного контура высоковольтной искры

«Простая схема» позволяет получать большую мощность искры в аналитическом промежутке F2 за счет отсутствия потерь во вспомогательном разряднике F1.

Для работы по простой схеме необходимо отсоединить резистор R1 от аналитического промежутка. При этом аналитически промежуток F2 через катушку индуктивности L и переключатель Р подключается непосредственно к конденсаторам С1,С2 и разряд конденсаторов начинается в тот момент, когда их напряжение станет равным пробивному напряжению аналитического промежутка. В процессе работы пробивное напряжение может меняться вследствие нагревания электродов, изменения величины рабочего промежутка.

Порядок выполнения работы

4.3.1 Ознакомиться с конструкцией генератора импульсов и штативов, изучить указания по технике безопасности.

4.3.2 Регулируя рукоятками (штатив ШТ-23) перемещение электродов, добиться совмещения их осей и установить величину аналитического промежутка L=2; 4; 6мм (по указанию преподавателя).

4.3.3 По заданию преподавателя переключить генератор на работу по «сложной» или «простой» схеме установить требуемые величины емкости и индуктивности (в нижней схеме генератора ИВС-23). При работе « простой» схеме резистора R1 отсоединить от аналитического промежутка (в штатив ШТ-23).

4.3.4 Закрыть двери рабочей камеры штатива и генератора. Включить сетевой автомат и тумблер Сеть, при этом должны загореться сигнальная лампа ИВС-23 на световом табло генератора и при закрытых дверях генератора и штатива своего табло Готов.

4.3.5 Установить ручку реостата в положение «меньше» с правой стороны шкафа ИВС-23. Нажатием кнопки «Пуск» включить генератор. Режим работы генератора повторно-кратковременный: 3 мин – работа, 1 мин – перерыв. (Включение генератора производится нажатием кнопки «Стоп»).

4.3.6 Регулируя реостат ток в первичной цепи высоковольтного трансформатора (по указанию преподавателя) снять осциллограммы напряжения на конденсаторе разряда контура в трех режимах: минимальном, среднем и максимальном. При снятии осциллограмм непрерывное время генератора не более 3-х минут.

4.3.7 Прокалибровав напряжение осциллографа определить амплитуду осциллограммы и вычислить коэффициент использования напряжения.

4.3.8 Для всех снятых осциллограмм определить длительность каждого импульса, частоту повторения импульсов и скважность.

4.3.9 Считая импульс полупериода пилообразным, а последний прямоугольным, определить для пилообразного импульса длительность прямого и обратного хода, а для прямоугольного – длительность фронта и длительность среза.

Отчет о работе

4.4.1 Сформулировать цель работы.

4.4.2 Технические данные лабораторной установки.

4.4.3 Электрическая схема генератора, по которой выполнялась работа.

4.4.4 Результаты измерений в соответствии с программой работы.

4.4.5 Расчет параметров импульсов для осциллограммы.

4.4.6 Ответить (устно) на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

4.5.1 В каких электротехнических установках используется импульсный подвод энергии?

4.5.2 Какой формы импульсы используется в электрических цепях и чем они характеризуется?

4.5.3 Дайте классификацию генераторов импульсов.

4.5.4 С помощью каких генераторов получает импульсы с большой скважностью?

4.5.5 Можно ли получить с помощью релаксационных генераторов импульсы большой мощности и малой скважности?

4.5.6 Что такое коэффициент использования напряжения источники питания?

4.5.7 Можно ли использовать в качестве коммутирующего устройства межэлектродный промежуток?

4.5.8 Достоинство и недостатки использования в качестве накопителей генераторов емкостей и индуктивности.

4.5.9 Что можно использовать в качестве коммутирующих устройств генераторов с прямой коммутацией энергии?

4.5.10 Можно ли получить импульсы с большой амплитудой тока от маломощного источника питания?

4.5.11 Каким образом можно повысить к.п.д. генератора импульсов с накопителем?

4.5.12 Как влияет время дионизации разряда на скважность импульсов?

4.5.13 Как можно получить импульсы с высокой частотой повторения?