Схемы генераторов 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 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 ЭЭО можно осуществить по структурной схеме показанной на рис. 1, а.

Рис.1 Структурные схемы источника питания для установки электроэрозионной обработки и временные диаграммы напряжения и тока

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

Мощность источника питания должна быть равной Р_и = I_m*U_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 МЭМ энергия составит A=P_и*τ_и, а мощность источника P=A/T= P_и*τ_и /T=P_и/n, т.е. при введении в структурную схему накопителя энергии мощность источника может быть уменьшена в n раз.

Схема электроэрозионной установки, обеспечивающая работу с накопителями энергии, приведена на рис. 1, б.

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

Работа по этой схеме дает возможность трансформировать мощность источника P=P_и/n в мощность, которая расходуется при 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 индуктивной катушки. Применяются также комбинированные накопители содержащие активные сопротивления, емкость и индуктивность – релаксационные генераторы (рис. 2).

Рис.2 Принципиальные схемы релаксационных генераторов для установок ЭЭО

В процессе их разрядки расходуется энергия, накопленная в реактивных элементах цепи (конденсаторе или индуктивной катушке).

RC-генератор импульсов (рис. 2, а) состоит из последовательно соединенных источника питания G, ключа К, токоограничивающего сопротивления R₁ и накопительного конденсатора С₁, подключенного параллельно МЭП.

Емкостной накопитель заряжается от источника питания через ограничивающее сопротивление R₁ благодаря чему заводной ток много меньше тока импульса I_и. Ток зарядки конденсатора определится из соотношения i₁=(dUc/dτ)*С. Напряжение на конденсаторе где U_co – начальное напряжение на конденсаторе в момент τ=0. К концу зарядки напряжение U_c будет равно напряжению источника питания. Разрядка происходит в течение времени τ=T/n. В случае большой скважности импульсов среднее значение разрядного тока во время прохождения импульса τ_и в n раз больше тока зарядки, поэтому емкостной 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_к<<U, т.е. индуктивный накопитель также можно рассматривать как трансформатор тока.

В процессах электроэрозионной обработки более широко применяются генераторы с емкостными накопителем, поскольку индуктивный накопитель уступает емкостному по энергетическим показателям.

Схема импульсного LC-генератора показан на рис. 2, б. Зарядный тока 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 МЭП и прохождения импульса тока цикл работы генератора повторяется. Частота импульсов определяется соотношением L и C в цепи генератора.

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

Введение в зарядную цепь RC-генератора индуктивности (переход к генератору RLC) повышает КПД генератора, так как в этом случае снижается токограничиваюцее сопротивление. RLC-генераторы (рис. 2, в) работают при более низком напряжении чем RC-генераторы, так как при наличии резонанса между L и С напряжение на конденсаторе-накопителе оказывается больше напряжения источника питания.

Уравнение переходного процесса зарядной цепи RLC-генератора имеет вид

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

Колебательный процесс возникает при . В таком режиме работы зарядной цеп напряжение на конденсаторе в конце зарядного периода τ _зар равно почти удвоенной ЭДС.

В действительности максимальное напряжение до которого может зарядится конденсатор, зависит от отношения R₁/(2L₁).

В ЭЭО применяется также СС-генератор импульсов, 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-генераторов 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 ЭЭО существуют статические генераторы импульсов, регулирующие временные и 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 приборах.

Структурная схема широкодиапазонного генератора импульсов показана на рис. 2.3.

Рис.3 Структурная схема широкодиапазонного транзисторного генератора импульсов

Она включает в себя источник питания, силовые блоки, число которых может быть равно шести, с разделительным диодом VD, 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 МЭП возобновляется после ликвидации короткого замыкания.

Для ЭЭО 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.

Магнитный коммутаторный генератор (МКГ) включает в себя переменно-полюсную магнитную систему на статоре и обмотку на якоре. Обмотка якоря на его окружности распределена неравномерно 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 его переменнополюсного 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 момент 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. Обмотка якоря и возбуждение 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 МЭП происходит только при импульсах напряжений прямой полярности, в результате чего импульсы тока всегда будут униполярными.

Промышленные источники питания установок ЭЭО.

Тиристорный генератор импульсов типа TГ-250-0,15М предназначен для преобразования трехфазного переменного тока промышленной частоты в импульсный ток частотой 150 Гц с регилируемой скважностью. Он применяется в качестве источника питания технологическим током электроэрозионных станков моделей 4723, 4А724, 4Д723, 4Д26.

Максимальная производительность станка при питании его от тиристорного генератора импульсов составляет 4000 мм³/мин в случае обработке стали 45 медными инструментом и 3500 мм³/мин при обработке графитовым инструментом.

В состав генератора импульсов входят блоки вентилей, поджига, управления, регулятора подоги и сопротивлений, а также трансформаторы и индуктивные балластные сопротивления. Блок вентилей собран по схеме трехфазного полу-управляемого моста на диодах и тиристорах. Блок поджига синхронно с силовыми генерирует высоковольтные импульсы амплитудой 400-500 В, которые пробивают эрозионный промежуток и формируют низковольтный разряд. Для автоматического поддержания рабочего расстояния эрозионного промежутка предусмотрен блок регулирования подачи с обратной связью по напряжению. Конструктивно генератор импульсов выполнен в виде металлического шкафа двухстороннего обслуживания. Охлаждение воздушное принудительное.

Изготовитель – ПО «Преобразователь», г. Запорожье.