Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования

Описана схема и принцип действия разработанного низковольтного генератора импульсов тока, предназначенного для экспериментальных исследований индукторных систем в широком частотном диапазоне 1 – 50 кГц, предназначенных для выполнения технологических операций при магнитно-импульсной обработке металло...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2007
Автори:	Бондаренко, А.Ю., Сериков, Г.С., Чаплыгин, Е.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2007
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Техніка сильних електричних та магнітних полів
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142944
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования / А.Ю. Бондаренко, Г.С. Сериков, Е.А. Чаплыгин // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 6. — С. 66-69. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-142944
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1429442025-02-23T20:01:18Z Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования A low-voltage current pulse generator with a wide frequency range for physical simulation Бондаренко, А.Ю. Сериков, Г.С. Чаплыгин, Е.А. Техніка сильних електричних та магнітних полів Описана схема и принцип действия разработанного низковольтного генератора импульсов тока, предназначенного для экспериментальных исследований индукторных систем в широком частотном диапазоне 1 – 50 кГц, предназначенных для выполнения технологических операций при магнитно-импульсной обработке металлов. Описана схема та принцип дії розробленого низьковольтного генератора імпульсів струмів, призначеного за для експериментальних досліджень індукторних систем у широкому частотному відрізку 1 – 50 кГц, призначених для виконання технологічних операцій при магніто-імпульсній обробці металів. The circuit schematic and the principle of operation of a developed low-voltage current pulse generator are described. The generator is designed for experimental investigations of inductor systems intended for manufacturing operations at magnetic-impulse material processing within a wide frequency range (1 – 50 kHz). 2007 Article Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования / А.Ю. Бондаренко, Г.С. Сериков, Е.А. Чаплыгин // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 6. — С. 66-69. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142944 621.319.5 ru Електротехніка і електромеханіка application/pdf Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Техніка сильних електричних та магнітних полів Техніка сильних електричних та магнітних полів
spellingShingle	Техніка сильних електричних та магнітних полів Техніка сильних електричних та магнітних полів Бондаренко, А.Ю. Сериков, Г.С. Чаплыгин, Е.А. Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования Електротехніка і електромеханіка
description	Описана схема и принцип действия разработанного низковольтного генератора импульсов тока, предназначенного для экспериментальных исследований индукторных систем в широком частотном диапазоне 1 – 50 кГц, предназначенных для выполнения технологических операций при магнитно-импульсной обработке металлов.
format	Article
author	Бондаренко, А.Ю. Сериков, Г.С. Чаплыгин, Е.А.
author_facet	Бондаренко, А.Ю. Сериков, Г.С. Чаплыгин, Е.А.
author_sort	Бондаренко, А.Ю.
title	Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования
title_short	Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования
title_full	Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования
title_fullStr	Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования
title_full_unstemmed	Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования
title_sort	низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2007
topic_facet	Техніка сильних електричних та магнітних полів
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/142944
citation_txt	Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования / А.Ю. Бондаренко, Г.С. Сериков, Е.А. Чаплыгин // Електротехніка і електромеханіка. — 2007. — № 6. — С. 66-69. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT bondarenkoaû nizkovolʹtnyjgeneratorimpulʹsovtokaširokogočastotnogodiapazonadlâfizičeskogomodelirovaniâ AT serikovgs nizkovolʹtnyjgeneratorimpulʹsovtokaširokogočastotnogodiapazonadlâfizičeskogomodelirovaniâ AT čaplyginea nizkovolʹtnyjgeneratorimpulʹsovtokaširokogočastotnogodiapazonadlâfizičeskogomodelirovaniâ AT bondarenkoaû alowvoltagecurrentpulsegeneratorwithawidefrequencyrangeforphysicalsimulation AT serikovgs alowvoltagecurrentpulsegeneratorwithawidefrequencyrangeforphysicalsimulation AT čaplyginea alowvoltagecurrentpulsegeneratorwithawidefrequencyrangeforphysicalsimulation
first_indexed	2025-11-24T20:33:35Z
last_indexed	2025-11-24T20:33:35Z
_version_	1849705276791324672
fulltext	Техніка сильних електричних та магнітних полів 66 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №6 УДК 621.319.5 НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА ШИРОКОГО ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Бондаренко А.Ю., к.т.н., с.н.с., Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт" Украина, 61002, Харьков, ул. Фрунзе, 21, НТУ "ХПИ", Кафедра "Инженерная электрофизика" тел. (057) 707-62-45, E-mail: baiu@kharkov.ua Сериков Г.С., Чаплыгин Е.А. Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет Украина, 61002, Харьков, ул. Петровского, 25, тел. 700-38-52 Описана схема и принцип действия разработанного низковольтного генератора импульсов тока, предназначенного для экспериментальных исследований индукторных систем в широком частотном диапазоне 1 – 50 кГц, предназна- ченных для выполнения технологических операций при магнитно-импульсной обработке металлов. Описана схема та принцип дії розробленого низьковольтного генератора імпульсів струмів, призначеного за для експе- риментальних досліджень індукторних систем у широкому частотному відрізку 1 – 50 кГц, призначених для виконан- ня технологічних операцій при магніто-імпульсній обробці металів. Результаты теоретических исследований распре- деления напряженности магнитного поля и тока в ин- дукторных системах при магнитно–импульсной обра- ботке металлов (МИОМ) и в других устройствах, ра- ботающих в импульсном режиме, требуют экспери- ментальной проверки. Исследование сложных систем с трехмерным распределением магнитного поля и токов наиболее просто осуществляется эксперимен- тальным путем [1]. Для физического моделирования используются устройства, позволяющие генерировать либо незатухающий синусоидальный сигнал [1], либо импульс заданной формы: затухающую синусоиду [2 - 4] или униполярный импульс [5] при низком напря- жении (обычно 220 В) источника питания. Принцип действия указанных устройств основан на управляе- мом разряде емкости на индуктивную нагрузку, ос- новной недостаток – узкий частотный диапазон раз- рядного тока и сложность его регулирования. Высокая частота разрядного тока характерна для классических операций МИОМ, при моделировании процессов электромагнитного притяжения обрабаты- ваемой заготовки к индуктору требуется низкая час- тота [6]. Кроме того, для создания измерительного комплекса, позволяющего автоматически определять топологию магнитного поля индукторной системы, необходимо управление работой низковольтного ге- нератора импульсов тока (НГИТ) и координатного устройства, с перемещающимся индукционным пре- образователем, с помощью персонального компьюте- ра (ПК). Целью работы является создание НГИТ для по- лучения импульсов тока в виде затухающей синусои- ды в диапазоне частот 1 – 50 кГц и униполярных в режимах непрерывной генерации импульсов с часто- той следования 50 Гц или меньше и под управлением ПК для получения однократного импульса и генера- ции заранее заданного количества импульсов. Принципиальная схема НГИТ представлена на рис. 1. НГИТ состоит из трех модулей, выполненных на отдельных платах. Силовой модуль (рис. 1а) включает в себя зарядную цепь батареи конденсаторов С, со- стоящую из 29 конденсаторов марки К75–40 1,0 х 500 В, силового трансформатора Т1, выпрямителя VD6 (диод марки Д133) и разрядный контур емкостного накопителя энергии, который содержит батарею кон- денсаторов, тиристорный коммутатор типа ТБ153-80- 12, измерительный шунт RSH и нагрузку - L. Диод VD7 служит для пропускания обратной полуволны разряд- ного тока. Модуль синхронизации (рис. 1в) предназначен для согласования момента включения тиристорного ключа с фазой зарядного напряжения батареи конден- саторов. Работа его иллюстрируется эпюрами токов и напряжений, представленными на рис. 2 и состоит в следующем. Напряжение синхронизации выпрямляет- ся диодом VD2 и отрицательная полуволна напряже- ния Us поступает на компараторы DD1.1. Компара- тор DD1.1 сравнивает сигнал Us с опорным напряже- нием Uop1 делителя R2-R3 и вырабатывает сигнал, инициирующий запуск с персонального компьютера, служащего в качестве счетчика и задатчика числа им- пульсов. ПК, выполняя заданную программу, выраба- тывает импульс открытия транзистора VT1 на первый вход переключателя режима работы SB1. Сигналы гальванически развязаны при помощи оптопар VE1 и VE2. Компаратор DD1.2 сравнивает сигнал Us с опор- ным напряжением Uop2 делителя R5-R6 и выдает на- пряжение URC на цепочку R8-C4. Компаратор DD1.3 сравнивает напряжение UR8 с опорным напряжением Uop3 делителя R9-R10 и вырабатывает узкий импульс открытия транзистора VT1 на второй вход кнопки пе- реключения режима работы SB1. При помощи кнопки SB1 выбирается режим работы генератора: непрерыв- ная генерация или программируемая последователь- ность. В режиме генерации программируемой последо- вательности к модулю подключается ПК. Кнопка SB2 служит для разрешения выдачи импульса открытия транзистора VT1 в режиме счетчика импульсов. Тем самым она дублирует манипулятор типа "мышь". Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №6 67 земля ПК пуск база VT плт.упр. +5 в ПК упр. а) б) синхр пит~ пит~ PL2 зап.имп земля ПК пуск база VT плт.упр. земля земля земля наличие синхр. имп с ПК синхр пит~ пит~ C 2 S2 R 3 C 4 PL1 R7 R11 R 8 VT1 зап.имп +5 в ПК упр. земля ПК пуск +5 в VD2 VD1 VD3 S1 R 2 R 4 R6 R 10 R9 R 12 C 3 C 1 R 5 R1 5K 4E 6B2 _ 1 + VE1 5 K 4 E 6 B 2_ 1+ VE3 5K 4E 6B2 _ 1 + VE2 в) Рис. 1. Принципиальная схема НГИТ: а) силовой модуль; б) модуль управления режимом работы; в) модуль синхронизации с сетевым напряжением В любом режиме работы импульс подается на тран- зистор VT1, работающий в ключевом режиме. Транс- форматор T2 применен в качестве гальванической раз- вязки. Изменение тока первичной обмотки вызывает им- пульс Ustart, открывающий мощный ключ - тиристор VD. Диод VD7 служит для пропускания обратной полуволны разрядного тока. Резисторы R1, R2, R7, R11, R13 шунти- руют импульсные наводки в цепях. Батарея конденсаторов заряжается на положитель- ной полуволне зарядного напряжения. При переходе че- рез "ноль" в начале отрицательной полуволны блок управления включает тиристор, и батарея конденсаторов разряжается на индуктивную нагрузку. Ток в цепи раз- ряда измеряется при помощи шунта RSH. Модуль управления режимом работы (рис. 1б) пред- назначен для переключения генератора в требуемый ре- жим работы. Его работа заключается в коммутации сигна- ла запуска, пришедшего с ПК и сигнала запуска, пришед- шего с модуля синхронизации. Тот или другой сигнал по- дается на схему управления тиристорным ключом. Схема питается от силового трансформатора Т1. Напряжение питания выпрямляется с помощью диода VD1 и стабилизируется последовательно включенными интегральными стабилизаторами серии кр142ен. Такая компоновка обеспечивает питание схемы +5В при изме- нении напряжения на входе силового трансформа- тора в диапазоне 130– 230 В. Для управления работой НГИТ с помощью ПК составлена программа, алгоритм которой при- веден на рис. 3. Управление программой осуществляется как непосредственно с компьютера, так и с панели управления НГИТ. Кнопка "пуск" на панели управ- ления генератора (рис. 4) и на экране монитора дуб- лируют друг друга. НГИТ работает в двух режимах: непрерывной генерации импульсов (без контролле- ра импульсов), генерация заранее заданного коли- чества импульсов или их неограниченная генера- ция с подсчетом до ручной остановки. Программа позволяет контролировать количество импульсов. Предусмотрено два режима работы контроллера: в окне количества импульсов на экране монитора задан "ноль" – по нажатию какой-либо из кнопок "пуск" программа инициирует импульсы и ведет их подсчет, пока не нажата кнопка "пуск" повтор- но; в окне количества импульсов на экране мони- тора задано целое положительное число – про- грамма инициирует заданное количество импуль- сов. В случае необходимости работу можно пре- рвать нажатием кнопка "пуск" повторно. 68 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №6 Область разряда Область заряда Iразряда Iзаряда URC UR Ustart Ic U U U Опорное напряжение Uop1 Напряжение сети t t t t Рис. 2. Эпюры токов и напряжений работы НГИТ На рис. 4 представлена фотография внешнего вида НГИТ. Разработанный НГИТ генерирует импульсы тока в широком частотном диапазоне 1 – 50 кГц. Собственные параметры НГИТ следующие: емкость конденсаторной батареи Сс = 29 мкФ, индуктивность разрядного контура Lc = 300 нГн, активное сопротивление разрядного конту- ра Rc = 0,027 Ом, частота разрядного тока fc = 50 кГц, декремент затухания β = 0,14, максимальное значение разрядного тока Im = 3,5 кА напряжение заряда батареи конденсаторов Uc = 250 – 500 В. да да да да нет нет нет Сигнал с контакта 10 SX4 изменился с 0 на 1 Счетчик импульсов увелич. на 1 Количество импульсов задано Количество импульсов <= max значению Клавиша ПУСК нажата На контакт 7 SX4 подается импульс Счетчик импульсов = 0 НАЧАЛО КОНЕЦ Рис. 3. Алгоритм программы управления режимами работы НГИТ Рис. 4. Внешний вид НГИТ и схема расположения приборов на его лицевой панели (1 – кнопка "пуск" в режиме управления счетчиком импульсов; 2 - кнопка выбора режима работы (непрерывный или управляемый счетчиком импульсов); 3 – разъем синхронизирующего импульса для запуска осциллографа; 4 – вольтметр для измерения напряжения питания НГИТ; 5 – вольтметр для измерения напряжения заряда батареи конденсаторов; 6 – разъем подключения осциллографа для регистрации напряжения с шунта; 7 – автоматы включения прибора; 8 – лампа индикации включения прибора; 9 – выводы для подключения согласующих устройств и нагрузки) Применение поясов Роговского для измерения параметров разрядного тока в широком частотном диапазоне приводит к усложнению измерительного тракта и повышению погрешности измерений [7], поэтому был изготовлен коаксиальный шунт из нихромовой фольги толщиной 0,1 мм [8], вклю- ченный в разрядную цепь. Сопротивление шунта 0,005 Ом. Для моделирования электромагнитных про- цессов в широком частотном диапазоне при мало- индуктивной нагрузке в НГИТ используются со- гласующие трансформаторы, подключаемые к его выводам (поз 9 на рис. 5). В известных низко- вольтных генераторах [2-4] регулировка частоты разрядного тока осуществлялась включением раз- личного числа конденсаторов емкостного накопи- теля энергии. а) б) Рис. 5. Цилиндрический согласующий трансформатор: а) внешний вид; б) схематическое изображение (1-нагрузка (исследуемая индукторная система), 2-вторичная обмотка согласующего трансформатора, 3-первичная обмотка согласующего трансформатора) 2 1 3 2 3 5 6 7 8 9 41 Електротехніка і Електромеханіка. 2007. №6 69 а) б) Рис. 6. Внешний вид и схематическое изображение плоского согласующего трансформатора (1-нагрузка (исследуемая индукторная система), 2-вторичная обмотка согласующего трансформатора, 3-первичная обмотка согласующего трансформатора) Согласующий трансформатор представляет собой воздушный трансформатор, первичная обмотка которого выполнена в виде многовитковой спирали, а вторичная – имеет вид разрезного витка [9]. Рассчитаны по методике работы [10] и созданы два типа согласующих трансформа- торов: цилиндрический (рис. 5) с диаметром 225 мм и длиной 140 мм, первичная обмотка которого содержит 60 витков медного провода диаметром 0,5 мм, и плоский (рис. 6) с диаметром 215 мм и высотой 30 мм, первичная обмотка которого состоит из 12 витков медного провода диаметром 4 мм. Первичные обмотки трансформаторов имеют несколько отводов, что позволяет достаточно про- сто изменять дискретно частоту и амплитуду разрядного тока НГИТ при проведении экспериментов. ВЫВОДЫ 1. Созданный НГИТ позволяет проводить исследо- вание распределения напряженности магнитного поля в индукторных системах в широком диапазоне частот раз- рядного тока и достаточной для качественных измерений амплитудой сигнала. 2. Встроенные приборы позволяют контролировать основные рабочие параметры НГИТ. 3. Применение согласующих трансформаторов раз- личной геометрии и параметров позволяет получить лю- бую необходимую частоту разрядного тока в заданном частотном диапазоне. 4. Режим непрерывной генерации импульсов позво- ляет получить устойчивую картину сигнала с шунта или индукционного преобразователя на экране осциллогра- фа, что облегчает исследование топологии магнитного поля индукторных систем. 5. Встроенный интерфейс управления генератором с помощь ПК позволяет использовать НГИТ в измеритель- ном комплексе с автоматическим перемещением индукци- онного преобразователя для снятия топологии магнитного поля индукторных систем. ЛИТЕРАТУРА [1] Распределение переменного магнитного поля в мас- сивных одновитковых катушках / Б.Г. Сафронов, В.А. Чураев, Ю.С. Азовский и др. // Приборы и тех- ника эксперимента. – 1961. - №3. – С. 133–138. [2] Магнитное поле концентратора с короткой деталью/ Ю.В. Батыгин, В.И. Коган, Е.В. Токарев и др. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. – 1974. - №4. – С. 112–116. [3] Баранов М.И., Белый И.В., Хименко Л.Т. Эквива- лентные электрические параметры коаксиальных систем различной формы с однородным азимуталь- ным магнитным полем в зазоре // Теоретическая электротехника. – 1976. – Вып. 20. – С. 67–74. [4] Золотых В.И., Михайлов В.М. Низковольтный гене- ратор импульсных токов для моделирования элек- тромагнитных процессов // Изв. вузов. Электроме- ханика. – 1978. – №11. – С. 1251–1253. [5] Ушаков И.И., Ушаков В.Я. Получение импульсов магнитного поля непосредственно от сети перемен- ного тока // Приборы и техника эксперимента. – 1972. - №4. – С. 203–205. [6] Батыгин Ю.В., Лавинский В.И., Чаплыгин Е.А. Особенности токов индуцированных низкочастот- ным полем одновиткового соленоида в плоских листовых металлах // Єлектротехніка і єлектромеха- ніка. – 2005. - №3. – С. 69-73. [7] Окунь И.З. Измерение разрядных токов поясами Роговского // Приборы и техника эксперимента. – 1968. - №6. – С. 120–126. [8] Осмоловский С.Р., Ушаков И.И., Краев Ю.В. Труб- чатый шунт из манганина для измерения больших импульсов тока // Измерительная техника. – 1971. – С. 41–42. [9] Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. – М.: Мир, 1972. – 392 с. [10] Вдовин С.С. Проектирование импульсных транс- форматоров. – 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергия, 1991. – 208 с. Поступила 6.04.2007 3 2 1

Низковольтный генератор импульсов тока широкого частотного диапазона для физического моделирования

Репозитарії

Схожі ресурси