细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源及其控制方法
阅读说明：本技术 细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源及其控制方法 (Steep front square wave pulse magnetic field power supply for thinning solidified tissue and control method thereof ) 是由 王洪国 于 2019-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源及其控制方法,所述磁场电源与磁场线圈连接,包括人机接口及主控模块、信号发生电路、主功率脉冲电源、陡化前沿脉冲电源和双电源连接装置,所述主功率脉冲电源的信号输入端和陡化前沿脉冲电源的信号输入端均分别连接人机接口及主控模块和信号发生电路,所述双电源连接装置分别连接主功率脉冲电源的信号输出端、陡化前沿脉冲电源的信号输出端、人机接口及主控模块和信号发生电路。与现有技术相比,本发明具有结构简单,方便调节,适用于金属及金属基复合材料细化凝固组织的脉冲磁场及脉冲磁滞振荡凝固磁场等优点。(The invention relates to a steep front square wave pulse magnetic field power supply for refining a coagulated tissue and a control method thereof, wherein the magnetic field power supply is connected with a magnetic field coil and comprises a human-computer interface, a main control module, a signal generating circuit, a main power pulse power supply, a steep front pulse power supply and a dual-power-supply connecting device, the signal input end of the main power pulse power supply and the signal input end of the steep front pulse power supply are respectively connected with the human-computer interface, the main control module and the signal generating circuit, and the dual-power-supply connecting device is respectively connected with the signal output end of the main power pulse power supply, the signal output end of the steep front pulse power supply, the human-computer interface, the main. Compared with the prior art, the invention has the advantages of simple structure, convenient adjustment, suitability for the pulse magnetic field and the pulse magnetic hysteresis oscillation solidification magnetic field of the refined solidification structure of the metal and the metal matrix composite material, and the like.)
技术领域
本发明属于金属材料制备处理技术，涉及一种金属及金属基复合材料处理中的脉冲磁场电源，尤其是涉及一种细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源及其控制方法。
背景技术
由于金属凝固过程中不可避免地会出现成分不均匀现象。连铸过程中由于强制冷却，这种成分不均匀现象更为严重，这将影响了最终产品质量和性能。研究和生产实践表明，细化凝固组织是解决成分不均匀性的有效手段。
目前，细化凝固组织的方法主要包括物理方法和化学方法。物理方法主要包括机械搅拌、超声波处理、电磁搅拌等。把脉冲电流导入线圈感应出脉冲磁场，发现其具有良好的细化效果，特别是脉冲磁致振荡技术很好地解决了磁场的导入会引起熔体飞溅、凝固试样不致密、杂质和气体卷入等各种问题，成为凝固组织细化技术中的研究热点。脉冲磁场因能耗低、施加方便、细晶效果显著，有望成为冶金界广泛应用的凝固组织细化和均质化技术。但是脉冲磁场负载特性为5-200μH大电感，目前尚未有能够适应其工作状态且结构简单的陡前沿方波脉冲磁场电源。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可调的金属及金属基复合材料细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源及其控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源，与磁场线圈连接，包括人机接口及主控模块、信号发生电路、主功率脉冲电源、陡化前沿脉冲电源和双电源连接装置，所述主功率脉冲电源的信号输入端和陡化前沿脉冲电源的信号输入端均分别连接人机接口及主控模块和信号发生电路，所述双电源连接装置分别连接主功率脉冲电源的信号输出端、陡化前沿脉冲电源的信号输出端、人机接口及主控模块和信号发生电路；
在产生设定陡前沿方波脉冲的过程中，人机接口及主控模块控制主功率脉冲电源和陡化前沿脉冲电源的工作状态，信号发生电路产生用于控制主功率脉冲电源和陡化前沿脉冲电源脉冲成型的时序。
进一步地，所述主功率脉冲电源和陡化前沿脉冲电源均基于电容储能的脉冲功率技术构建。
进一步地，所述主功率脉冲电源包括依次连接的第一充电电源、第一储能电容器组和第一脉冲成型电路，所述第一充电电源与人机接口及主控模块连接，所述第一脉冲成型电路分别连接信号发生电路和双电源连接装置。
进一步地，所述第一充电电源为电压、电流单独可调电源，电压可调范围为2-1000V，电流可调范围为50-10000A。
进一步地，所述第一储能电容器组由多只电解电容器并联而成，耐压值为60-100V。
进一步地，所述陡化前沿脉冲电源包括依次连接的第二充电电源、第二储能电容器组和第二脉冲成型电路，所述第二充电电源与人机接口及主控模块连接，所述第二脉冲成型电路分别连接信号发生电路和双电源连接装置。
进一步地，所述第二充电电源为电压可调电源，电压可调范围为200-10000V。
进一步地，所述第二储能电容器组由多只电解电容器并联而成，耐压值为1200-2500V。
本发明还提供一种细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源的控制方法，在脉冲前沿，控制主功率脉冲电源和陡化前沿脉冲电源同时工作，在平顶区控制主功率脉冲电源单独工作到脉冲截止。
进一步地，该控制方法控制电源出脉冲频率为0-5KHz，占空比为0.1-30％，电流为200-30000A，电压为2-1000V，脉冲前沿时间为1μs-1ms。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明结构简单，使用方便，通过对主功率脉冲电源和陡化前沿脉冲电源脉冲成型的控制，使得输出电源的电压、电流、频率、占空比、前沿时间均可调。
2)本发明电源输出脉冲频率在0-5KHz之间并可调，占空比在0.1-30％之间并可调，电流在200-30000A之间并可调，电压在2-1000V之间并可调，脉冲前沿时间在1μs-1ms之间并可调，非常适用于产生金属及金属基复合材料细化凝固组织的脉冲磁场及脉冲磁滞振荡凝固磁场。
3)本发明在电源输出过程中，可以读取返回值和设定值比较，形成反馈信号，自动调整控制指令和时序使输出脉冲值和设定值趋于一致。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为信号发生器原理图；
图3为本发明的双电源连接装置的结构示意图；
图4本发明实施例2的控制流程图；
图1中标号：1—人机接口及主控模块，2—信号发生电路，3—主功率脉冲电源，4—陡化前沿脉冲电源，5—第一充电电源，6—第一储能电容器组，7—第一脉冲成型电路，8—第二充电电源，9—第二储能电容器组，10—第二脉冲成型电路，11—双电源连接装置，12—磁场线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种金属及金属基复合材料细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源，与磁场线圈12连接，包括人机接口及主控模块1、信号发生电路2、主功率脉冲电源3、陡化前沿脉冲电源4和双电源连接装置11，主功率脉冲电源3的信号输入端和陡化前沿脉冲电源4的信号输入端均分别连接人机接口及主控模块1和信号发生电路2，双电源连接装置10分别连接主功率脉冲电源3的信号输出端、陡化前沿脉冲电源4的信号输出端、人机接口及主控模块1和信号发生电路2。在产生设定陡前沿方波脉冲的过程中，人机接口及主控模块1控制主功率脉冲电源3和陡化前沿脉冲电源4的工作状态，工作状态信息包括工作模式、电压值、电流值等，信号发生电路2产生用于控制主功率脉冲电源3和陡化前沿脉冲电源4脉冲成型的时序控制电源工作，且人机接口及主控模块1和信号发生电路2可读取返回值和设定值比较，形成反馈信号，自动调整控制指令和时序使输出脉冲值和设定值趋于一致。
主功率脉冲电源3和陡化前沿脉冲电源4均基于电容储能的脉冲功率技术构建。在脉冲工作期间，电源工作于恒流或恒压模式，由单脉冲或PWM或PFM技术调制。
主功率脉冲电源3包括依次连接的第一充电电源5、第一储能电容器组6和第一脉冲成型电路7，第一充电电源5与人机接口及主控模块1连接，第一脉冲成型电路7分别连接信号发生电路2和双电源连接装置11。第一充电电源5为电压、电流单独可调电源，电压可调范围为2-1000V，电流可调范围为50-10000A。第一储能电容器组6由多只电解电容器并联而成，耐压值为60-100V。
陡化前沿脉冲电源4包括依次连接的第二充电电源8、第二储能电容器组9和第二脉冲成型电路10，第二充电电源8与人机接口及主控模块1连接，第二脉冲成型电路10分别连接信号发生电路2和双电源连接装置11。第二充电电源5为电压可调电源，电压可调范围为200-10000V。第二储能电容器组9由多只电解电容器并联而成，耐压值为1200-2500V。
第二充电电源8和第一充电电源5均为开关电源。
信号发生电路2根据人机接口及主控模块1的信号产生两路时序配合信号，一路用于驱动主脉冲电源3的脉冲成型电路10，另一路用于驱动陡化前沿脉冲电源4的脉冲成型电路7。
如图2所示为本实施例采用的信号发生电路的电路原理图。信号发生电路共有1路信号输入J1，两路信号输出J2、J3，其中J1.2模拟量信号为人机接口及控制系统1根据设定值确定的一个电压值，J1.3为人机接口及控制系统1根据设定值确定的脉冲信号，J1.5为电源的电流返回信号，J2.1为主脉冲电源3光纤驱动接口的正端，J2.2为主脉冲电源3光纤驱动接口的负端，J3.1为陡化前沿脉冲电源4光纤驱动接口的正端，J3.2为陡化前沿脉冲电源4光纤驱动接口的负端。J1.5信号分为两路，其中一路用于过流保护、其与U1A比较器设定值比较后与J1.3脉冲信号经与非门U2A与非后送入三极管Q1的基级、经Q3Q4推挽方法后驱动主脉冲电源光纤D1，如果J1.5信号小于设定值则比较器U1A输出高电平，脉冲正常工作，如果J1.5信号大于设定值则比较器U1A输出低电平，脉冲封锁，另一路用于产生陡化脉冲、其与J1.2比较后与J1.3脉冲信号经与非门U2B与非后送入三极管Q2的基级、经Q5Q6推挽方法后驱动都陡化前沿脉冲电源光纤D2，如果J1.5信号小于设定值则比较器U1B输出高电平，脉冲正常工作，如果J1.5信号大于设定值则比较器U1B输出低电平，陡化脉冲电源停止工作，其中R8R9阻值功率根据D1D2的要求确定。
双电源连接装置用于对主功率脉冲电源3、陡化前沿脉冲电源4的输出进行叠加。如图3所示为本实施例中双电源连接装置的结构示意图，该装置包括开关和二极管，二极管阴极分别连接主功率脉冲电源3的输出端、开关一端和装置输出端，开关另一端与陡化前沿脉冲电源4的输出端连接，使得主功率脉冲电源输出正极和陡化前沿脉冲输出电源地连接在一起，在脉冲前沿，主功率脉冲和陡化前沿脉冲共同工作，陡化前沿脉冲在平顶区关闭，主功率脉冲单独工作到脉冲截至，同时利用二极管在脉冲关闭时续流。
磁场线圈12为金属及金属基复合材料细化凝固组织的脉冲磁场线圈。
未详细描述内容均为现有技术。
实施例2
本实施例提供一种细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源的控制方法，细化凝固组织用陡前沿方波脉冲磁场电源的结构如实施例1所述，该控制方法中，在脉冲前沿，控制主功率脉冲电源3和陡化前沿脉冲电源4同时工作，在平顶区控制主功率脉冲电源3单独工作到脉冲截止。
如图4所示，该控制方法具体步骤包括：
步骤一，人机接口及主控模块1接收操作者输入的各项参数，将利用各项参数形成模拟信号和脉冲信号输送给信号发生电路2后进入步骤二，当磁场线圈脉冲进入平顶区时进入步骤三，当脉冲的脉宽时间到进入步骤四，步骤四结束后进入步骤五，步骤五结束后进入步骤六，循环下一个脉冲。
步骤二，设置同步启动标志为1，设置主脉冲工作标志为1，主功率脉冲电源3和陡化前沿脉冲电源4同时启动。利用陡化前沿脉冲电源4输出的高电压给磁场线圈快速充电。
步骤三，设置同步启动标志为0，陡化前沿脉冲电源4关闭，主功率脉冲电源3单独工作。脉冲磁场进入平顶器。
步骤四，设置主脉冲工作标志为0，主功率脉冲电源3关闭。脉宽结束。
步骤五，进入脉冲间歇期。
步骤六，脉冲间歇期结束，进入步骤一。
该控制方法控制电源出脉冲频率为0-5KHz，占空比为0.1-30％，电流为200-30000A，电压为2-1000V，脉冲前沿时间为1μs-1ms，非常适用于产生金属及金属基复合材料细化凝固组织的脉冲磁场及脉冲磁滞振荡凝固磁场。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。