磁粉探傷機可控硅充退磁裝置設計畢業(yè)論文

1、安徽工業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)任務書課題名稱 磁粉探傷機可控硅充退磁裝置設計學 院 電氣信息學院專業(yè)班級姓 名 學 號畢業(yè)設計（論文）的工作內(nèi)容:1、 介紹了課題的背景及研究意義，電力電子技術(shù)在磁粉檢測中的應用 2、 可控硅調(diào)壓的原理以及實現(xiàn)方法3、 對可控硅調(diào)壓主電路設計4、 對可控硅門極觸發(fā)電路設計5、 對調(diào)壓主電路進行MATLAB仿真起止時間：2009年2月16日至2009年6月5日共15周指 導 教 師簽 字系 主 任簽 字院 長簽 字摘 要磁粉檢測作為一種常用的對鐵磁性材料工件表面和近表面進行無損檢測的手段，近年來得到廣泛的應用。鐵磁性材料工件被磁化后，由于不連續(xù)性的存在，使工件表面和

2、近表面的磁力線發(fā)生局部畸變 而產(chǎn)生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁場，在合適的光照下形成目視可見的磁痕，從而顯示出不連續(xù)性的位置、大小、形狀和嚴重程度。這就是磁粉檢測的基本原理。由磁粉檢測的基本原理可以看出檢測過程中對工件進行充退磁的磁化電源對整個檢測質(zhì)量來說非常重要，對工件的磁化分為周向磁化和縱向磁化，周向磁化一般需要交流磁化電流，而縱向磁化需要直流磁化電流通過線圈的電磁感應對工件充磁。但不管是周向磁化的交流磁化電流還是縱向磁化的直流磁化電流，磁化電流都不能直接由工業(yè)電網(wǎng)提供。本次設計主要對周向磁化調(diào)壓電路進行設計，周向磁化的磁化電源一般為低電壓大電流的交流電源，需要對工業(yè)交流電進行調(diào)制來滿足

3、磁化需要，對電壓電流的調(diào)制離不開電力電子技術(shù)，這就是本次設計的理論基礎。本文正是基于移相控制的可控硅交流調(diào)壓技術(shù)對磁粉檢測的充退磁電源控制進行了詳細論述并設計出調(diào)壓控制電路。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖的相位來控制晶閘管的通斷，從而控制輸出得到可人工調(diào)整的電壓，再經(jīng)過降壓變壓器得到可用于磁化的低壓大電流磁化電源，它主要由可控硅調(diào)壓主電路、觸發(fā)電路等組成，是一種具有廣闊應用前景的交流調(diào)壓控制器。本文簡要回顧了電力電子學和交流調(diào)壓的發(fā)展過程，著重分析了交流移相式調(diào)壓的理論，設計了調(diào)壓的主電路以及觸發(fā)電路。并對設計出的電路系統(tǒng)設定參數(shù)進行仿真和實驗，得出了一系列的波形，并進行了分析。結(jié)果證明本方案是有

4、效可行的。關鍵詞: 磁粉檢測 可控硅調(diào)壓 觸發(fā)電路 電力電子 移相控制 Matlab仿真Abstract Magnetic Particle Testing as a commonly means which used magnetic materials to the iron surface and near-surface non-destructive testing, has a wide range of applications in recent years.Magnetic materials are magnetized iron work pieces, due to t

5、he existence of discontinuities, so that surface and near-surface occurrence of the magnetic lines of local magnetic field distortion resulting from leakage, adsorption to exert the magnetic field in the work piece surface in appropriate visual form can be seen under the light of the magnetic marks,

6、 which do not show the continuity of the location, size, shape and extent of the problem. This is the basic principle of magnetic particle testing.From the basic principles of magnetic particle testing can be seen testing the process of filling of the work piece to the magnetization demagnetization

7、detection of power quality on the whole is very important to the magnetization of the work piece is divided into weeks to the magnetization and longitudinal magnetization, magnetization usually takes weeks to the exchange of magnetization current , and the need for longitudinal magnetization DC curr

8、ent through the electromagnetic induction coil to the work piece Magnetizing. However, whether the exchange of magnetization to the magnetization current or the DC magnetization longitudinal magnetization current, magnetization current can not be directly provided by the Industrial Power.The design

9、of the main regulator of the week to the magnetic circuit design, to the magnetization of the magnetization-week supply is generally of low-voltage high-current AC power, the need for industrial AC magnetization modulation to meet the needs of the modulation of the voltage and current can not be sep

10、arated from power electronic technology, which is the theoretical basis for design.This article is based on thyristor-controlled phase-shifting technology for the exchange regulator's magnetic particle testing rechargeable power control demagnetization discussed in detail and design a voltage co

11、ntrol circuit. Trigger circuit by adjusting the phase of the trigger pulse to control the on-off thyristor, which can be manually controlled to adjust the output voltage, and then, after step-down transformer can be used to obtain the magnetization of the magnetic low-voltage high-current power supp

12、ly, mainly by the SCR the main voltage regulator circuit, trigger circuit, such as composition, is a broad application prospect of the exchange regulator controller.In this paper, a brief review of power electronics and AC voltage regulation of the development process, focusing on an analysis of pha

13、se-shifting exchange regulator theory, and design the main circuit voltage regulator and trigger circuit. Circuit and system design parameters set simulation and experiment, to draw a series of waveform, and analyzed. The results prove that the program is feasible and effective. Circuit and system d

14、esign parameters set simulation and experiment, to draw a series of waveform, and analyzed. The results prove that the program is feasible and effective.Key words   Magnetic Particle Testing Thyristor regulator Trigger circuit   Power Electronics Phase-shift control Matlab simulation目錄摘 要1

15、Abstract2目錄4第一章 緒論51.1 背景和意義51.2 磁粉檢測的原理及發(fā)展6磁粉檢測基本原理6磁粉檢測的發(fā)展6磁粉檢測現(xiàn)狀71.3 交流調(diào)壓技術(shù)的發(fā)展71.4 可控硅調(diào)壓在磁粉檢測中的應用81.5 本課題主要研究內(nèi)容9第二章 主電路設計102.1 主電路設計的基本原理及框圖102.2 磁化電流112.3 交流調(diào)壓控制方式12可控硅的結(jié)構(gòu)及工作原理12交流調(diào)壓電路14降壓變壓電路16保護電路172.5 整體主電路圖以及工作過程182.6 退磁原理19剩磁的產(chǎn)生與影響19退磁的原理20第三章 觸發(fā)電路設計213.1 觸發(fā)電路設計思路213.2 晶閘管移相觸發(fā)集成電路TCA785功能22

16、引腳排列、各引腳的功能及用法22基本設計特點和極限參數(shù)243.3 以TCA785為核心的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路253.3 脈沖信號放大電路27放大電路的工作原理27放大電路的組成原則28脈沖放大電路設計及工作過程283.4 整體觸發(fā)電路工作過程29第四章 對主電路的MATLAB仿真304.1 MATLAB仿真簡介及在電力電子系統(tǒng)中的應用304.2 可控硅調(diào)壓主電路MATLAB仿真304.3 仿真模型建立及仿真結(jié)果分析31結(jié) 論34致 謝36參 考 文 獻37附圖38 第一章 緒論1.1 背景和意義隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和時代的進步，無損檢測技術(shù)在質(zhì)量保證系統(tǒng)中發(fā)揮的作用越來越顯示它的重要性和必要性，成為

17、控制產(chǎn)品質(zhì)量、保證在役設備安全運行的重要手段。無損檢測是指在不損傷被測材料的情況下，檢查材料的內(nèi)在或表面缺陷，或測定材料的某些物理量、性能、組織狀態(tài)等的檢測技術(shù)。廣泛用于金屬材料、非金屬材料、復合材料及其制品以及一些電子元器件的檢測。常用的無損檢測技術(shù)有：射線探傷(radiographic testing)。利用X射線或射線在穿透被檢物各部分時強度衰減的不同，檢測被檢物的缺陷。若將受到不同程度吸收的射線投射到X射線膠片上 ，經(jīng)顯影后可得到顯示物體厚度變化和內(nèi)部缺陷情況的照片。如用熒光屏代替膠片，可直接觀察被檢物體的內(nèi)部情況。超聲檢測(ultrasonic testing)。利用物體自身或缺陷的

18、聲學特性對超聲波傳播的影響，來檢測物體的缺陷或某些物理特性。聲發(fā)射檢測(acoustic emission testing)。通過接收和分析材料的聲發(fā)射信號來評定材料的性能或結(jié)構(gòu)完整性。材料中因裂縫擴展、塑性變形或相變等引起應變能快速釋放而產(chǎn)生應力波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。材料在外部因素作用下產(chǎn)生的聲發(fā)射，被聲傳感器接收轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后送至信號處理器，從而測量出聲發(fā)射信號的各種特征參數(shù)。滲透探傷(penetrant testing)。利用某些液體對狹窄縫隙的滲透性來探測表面缺陷。常用的滲透液為含有有色染料或熒光的液體。磁粉探傷(magnetic testing)。通過磁粉在物體缺陷附近漏磁場中

19、的堆積來檢測物體表面或近表面處的缺陷，被檢測物體必須具有鐵磁性。而對于鐵磁性工件，尤其是工件的表面和近表面，磁粉探傷有著非常高的靈敏度和可靠性，因此得到了廣泛的應用。對鐵磁性材料進行檢測首先要將材料磁化，磁化的原理就是電磁感應，離不開磁化電源的支持。磁化需要電源提供低電壓大電流，而由工頻電網(wǎng)提供的工業(yè)電源顯然不能滿足磁化要求，故要對工頻電壓進行調(diào)制，使之能為磁粉檢測提供磁化電流。在電力電子技術(shù)出現(xiàn)以前，調(diào)壓一般都是通過變壓器來實現(xiàn)，但是變壓器調(diào)壓不能改變電壓頻率，而且調(diào)壓可靠性和靈敏度不高。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及電力電子器件的發(fā)明和廣泛應用，調(diào)壓技術(shù)也發(fā)生了翻天覆地的變化，出現(xiàn)了各種的調(diào)壓方

20、式，不僅能夠?qū)﹄妷汉碗娏鬟M行交直流變換，而且也能夠很輕松的改變其大小、頻率、相位等。本次設計正是以電力電子技術(shù)中的相控式交流調(diào)壓為理論基礎，設計出以可控硅模塊為核心的交流調(diào)壓電路和以TCA785芯片為核心的可控硅門極觸發(fā)電路，對工頻電源進行調(diào)制，使之達到工業(yè)應用的要求。1.2 磁粉檢測的原理及發(fā)展 磁粉檢測基本原理磁粉檢測(Magnetic Particle Testing，縮寫符號為MT)是五種應用較為廣泛的常規(guī)無損檢測方法之一，它是利用磁現(xiàn)象來檢測工件的缺陷的。將鐵磁性工件置于外加磁場中，工件被磁場磁化，磁力線在工件的表面和近表面形成一定的走向，如果工件表面和近表面有裂紋或缺陷，并與磁力線

21、交叉一定角度時，則會引起磁通密度的改變，部分磁力線被扭曲，泄漏到空氣當中去形成漏磁通，在缺陷處形成磁極。將一定粘度和導磁性的磁粉（如磁懸液），噴灑在工件表面，工件被磁化后，則缺陷的兩側(cè)磁極吸附磁粉，磁粉的堆積形成磁痕，磁痕的外觀顯示出缺陷的長度、走向等一系列輪廓圖像，從而達到無損檢測的目的。 磁粉檢測的發(fā)展關于磁粉檢測的設想是美國人霍克與1922年提出的。他在切削鋼件的時候，發(fā)現(xiàn)鐵末聚集在工件上的裂紋區(qū)域。于是，他第一個提出可利用磁鐵吸引鐵屑的物理現(xiàn)象來進行檢測。1928年，F(xiàn)orest為解決油井鉆桿斷裂，研制了周向磁化，使用了尺寸和形狀受控的并具有磁性的磁粉，獲得了可靠的檢測結(jié)果，為磁粉檢測

22、的應用和發(fā)展起了很大的推動作用。1938年德國發(fā)表了無損檢測論文集，對刺兒服你檢測的基本原理和裝置進行了描述。1941年熒光磁粉投入使用。磁粉檢測從理論到實踐，已初步形成為一種無損檢測方法。在20世紀60年代工業(yè)競爭時期，由于可控硅等半導體器件的進步，磁粉檢測設備也得以完善和提高。 磁粉檢測現(xiàn)狀國外很重視磁粉檢測設備的開發(fā)，因為只有檢測設備的進步，才能給磁粉檢測帶來成功的應用。現(xiàn)在國內(nèi)磁粉探傷設備從固定式磁粉探傷機、移動式磁粉探傷機、到便攜式磁粉探傷機，從半自動磁粉探傷機、全自動磁粉探傷機到專用磁粉探傷設備，從單向磁化到多向磁化，設備已系列化和商品化。由于晶閘管等電子元器件用于磁粉檢測設備，使

23、智能化設備大量涌現(xiàn)，這些設備可以預置磁化規(guī)范和合理的工藝參數(shù)。進行熒光磁粉檢測和自動化操作，國外還成功第御用電視光電探測器熒光磁粉掃查和激光飛點掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)了磁粉檢測觀察階段的自動化，將檢測到的信息在微機和其他電子裝置中進行處理，鑒別可剔除的不連續(xù)性，并進行自動標記和分選，完全改變了傳統(tǒng)磁粉檢測“手腳并用眼睛看”的面貌。大大提高了檢測的靈敏度和可靠性。代表了當代磁粉檢測的新成就。我國近年來磁粉檢測設備發(fā)展也很快，已實現(xiàn)了系列化，三項全波直流探傷超低頻退磁設備的性能已打到國外同類設備的水平。交流探傷就機用于剩磁法檢驗時加裝斷電相位控制器保證剩磁穩(wěn)定。是我國的特色。斷電相位控制器利用可控硅技術(shù)，

24、可以代替自藕變壓器無級調(diào)節(jié)磁化電流，還未我國磁粉檢測設備的電子化和小型化奠基了基礎。智能化設備已生產(chǎn)應用。光電掃描圖像識別的磁粉探傷機已研制成功。用電腦處理磁痕現(xiàn)實的試驗研究有很大的進展，自動化和半自動化設備有不少應用。磁粉檢測的質(zhì)量控制，是對影響磁粉檢測靈敏度和檢測可靠性的諸因素逐個地加以控制。國外非常重視，不僅制定了具體控制項目，校驗周期和技術(shù)要求，并設有質(zhì)量監(jiān)督檢查機制。保證貫徹執(zhí)行。同時對質(zhì)量控制技術(shù)要求，通過實踐不斷進行修正。我國對磁粉檢測的基礎理論研究比較重視，已取得較大的進展，斷裂力學在無損檢測領域的應用。為制定更合理的產(chǎn)品磁粉檢測驗收標準提供了依據(jù)。磁粉檢測方法日臻完善。1.3

25、 交流調(diào)壓技術(shù)的發(fā)展自從1956年世界上第一只可控硅問世以來，電力電子已走過半個世紀，由于它對工業(yè)技術(shù)及國防建設有著重要作用，世界各國都很重視這一學科的發(fā)展。可控硅是一種利用半導體PN結(jié)原理開發(fā)的固體可控開關，它可以用小電流控制開關的導通，從而控制高電壓大電流的電路。可控硅不僅可以應用于整流，并且可以應用于逆變和交直流的調(diào)壓。由于可控硅具有體積小、無污染、功耗低等優(yōu)點，因而大量運用在工業(yè)工程中變流等技術(shù)上，促進了控制理論和計算機技術(shù)在工業(yè)上的應用，使生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。由于普通可控硅只具有控制導通的能力，它不能自主關斷，它的關斷需要依靠外部電路創(chuàng)造一定的條件，應用于斬波控制時，需要有輔

26、助關斷電路，這使電路的結(jié)構(gòu)變得很復雜，也降低了裝置的可靠性。因而，進入80年代，又逐漸出現(xiàn)了能自主控制導通和關斷的電力電子器件，如電力晶體管、可關斷晶閘管、電力場效應管、IGBT等一系列可以控制導通和關斷的器件，稱為全控型器件，隨著這些電力電子器件的相繼問世，有人稱之為第二次工業(yè)革命。電力電子器件未來的發(fā)展方向是高耐壓、大電流、高頻、低損耗、易驅(qū)動的器件，并且電力電子器件的模塊化、集成化和智能化也成為未來發(fā)展趨勢。模塊化是將由多個電力電子器件組成的電路封裝到一個模塊中，集成化將功率模塊和驅(qū)動、檢測、保護等功能集而為一，使器件的使用更方便更安全。在電力電子技術(shù)出現(xiàn)以前交流調(diào)壓常用變壓器，變壓器工

27、作原理就是電磁感應。一次側(cè)電流通過原邊線圈產(chǎn)生感應磁場，原副邊線圈繞在同一個鐵芯上，這樣原邊線圈產(chǎn)生的磁場的磁感應線同樣穿過副邊線圈，在二次側(cè)感應出感應電動勢，接上負載就產(chǎn)生電流。原邊繞組與副邊繞組匝數(shù)不等所以能夠改變電壓。 改變交流電頻率則很困難。普通變壓器只有固定的變比，自耦變壓器可以連續(xù)調(diào)壓，但是有滑動觸點維護不方便，這些鐵磁結(jié)構(gòu)調(diào)壓設備笨重、體積大，消耗銅鐵材料多。現(xiàn)在采用電力電子器件的交流調(diào)壓器不僅可以實現(xiàn)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，并且裝置輕巧，在各種交流調(diào)壓場合得到了廣泛應用。電力電子變流技術(shù)是利用電力電子器件組成的電路來改變電能形式的一項技術(shù)，交流調(diào)壓屬于電力電子技術(shù)的一個分支，電力電子技

28、術(shù)的發(fā)展盡管只有幾十年的歷史，但發(fā)展速度卻非常快，它集電力、電子及控制于一身，是其顯示出強大的生命力，尤其對工業(yè)技術(shù)革新起到了巨大的推動作用，磁粉檢測技術(shù)的發(fā)展正是這一受益者。在工業(yè)生產(chǎn)中，有很多不少由交流供電的設備需要進行調(diào)壓，以適應設備的工作狀態(tài)，因而交流調(diào)壓器運用十分廣泛。在電力電子變流技術(shù)的發(fā)展中，各種調(diào)壓方式也得到大量運用。交流調(diào)壓方式主要有斬控式和相控式兩種，在磁粉檢測技術(shù)中，縱向磁化所需要的磁化電流可以由工頻交流整流后再通過斬波調(diào)壓得到可控的磁化電流，也可以先進行交流調(diào)壓，然后再對交流進行整流得到所需電流；周向磁化需要的磁化電流為低電壓大電流，不需要整流環(huán)節(jié)，運用最為廣泛的是移相

29、控制的交流調(diào)壓技術(shù)。1.4 可控硅調(diào)壓在磁粉檢測中的應用磁粉檢測的基礎是缺陷處漏磁場與磁粉間的相互作用。在鐵磁性工件被磁化后，由于材料不連續(xù)性的存在，使工件表面和近表面的磁力線在材料不連續(xù)處發(fā)生局部疇變而產(chǎn)生漏磁場，吸附施加在工件表面的磁粉，形成了在合適光照下目視可見的碰痕，從而顯示出材料不連續(xù)性的位置、形狀和大小，通過對這些磁痕的觀察和分析，就能得出對影響制品使用性能的缺陷的評價。磁粉檢測設備是產(chǎn)生磁場、對工件實施磁化并完成檢測工作的專用裝置，是磁粉檢測中不可缺少的。磁粉檢測設備通常稱為磁粉探傷機。由于磁粉探傷機充退磁的電源不能直接用工業(yè)電源，所以要進行調(diào)壓。在周向磁化主電路和縱向磁化主電路

30、中都廣泛運用電力電子技術(shù)，尤其是交流調(diào)壓技術(shù)和整流技術(shù)?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的可控硅調(diào)壓主要運用在磁粉檢測的磁化電源裝置。磁化需要低電壓大電流的供電電源，由普通電源輸入的交流電通過可控硅調(diào)壓后供給降壓變壓器，降壓變壓器將其變?yōu)榇呕枰牡碗妷捍箅娏鬏敵?，可直接對工件進行交流磁化，也可以再通過整流器變成直流電對工件磁化。1.5 本課題主要研究內(nèi)容本文通過對磁粉檢測充退磁控制的研究，以電力電子技術(shù)為基礎，運用可控硅調(diào)壓原理設計出交流調(diào)壓主電路以及以芯片TCA 785為核心的觸發(fā)電路應用于磁粉探傷設備充退磁控制系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)脈沖的相位控制可控硅的通斷，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。再通過降壓變壓器將調(diào)壓

31、后的電能變成可作為磁化電源的低電壓大電流對工件進行磁化。課題研究的控制系統(tǒng)通過Matlab仿真以及實驗得到了成功驗證，證明了該項研究的實用性、有效性。為企業(yè)廣泛運用磁粉檢測提供了可靠而有效的技術(shù)保證，具有廣泛的社會效益和經(jīng)濟效益。第二章 主電路設計2.1 主電路設計的基本原理及框圖磁粉檢測的主要對象是鋼鐵，它是強磁性物質(zhì)，眾多的鋼鐵材料是鐵磁材料的一部分。當把沒有磁性的鐵磁性材料及其制品直接通電或置于外加磁場中時，其磁感應強度將明顯地增大，產(chǎn)生比原來磁化場大的多的磁場，對外顯示出磁性。雖然磁鐵等磁體也能產(chǎn)生磁場，但這類磁場跟磁體性質(zhì)有關，是不可控制的，不能作為外加磁場對鋼鐵材料進行磁化。根據(jù)電

32、磁感應我們知道，電可以產(chǎn)生磁，通過調(diào)節(jié)電流的大小，就可以調(diào)節(jié)其產(chǎn)生磁場的強度，得到可調(diào)的磁場。磁粉探傷中對工件的磁化需要的就是這樣的可控磁場。所以對磁化電源的調(diào)節(jié)對磁粉檢測來說非常重要。對工件的磁化有周向磁化檢測和縱向磁化檢測兩種，周向磁化檢測采用通電磁化方法，即直接給鐵磁性工件通入電流進行磁化；縱向磁化采用大型磁軛外加磁場磁化方法，即給線圈通入電流，由通電線圈產(chǎn)生的磁場對工件進行磁化。對磁化強度的調(diào)節(jié)就通過調(diào)節(jié)通入電流的大小來實現(xiàn)，這就是對磁化電源的調(diào)制。磁化電源裝置核心就是交流調(diào)壓電路，調(diào)壓電路由調(diào)壓主電路和觸發(fā)電路組成。這里先對主電路部分進行設計，主電路其實是一個低電壓大電流產(chǎn)生裝置，工

33、作原理是：利用半導體器件的通斷先對工頻的交流輸入進行調(diào)壓，通過控制半導體器件的通斷來改變輸出的電壓和電流的大小，然后將輸出的電壓和電流作為一次側(cè)輸入接入降壓變壓器，將其轉(zhuǎn)換成低電壓大電流的輸出，實現(xiàn)對工件的周向磁化，也可以通過線圈實現(xiàn)對工件的縱向磁化。可以進行交流電磁化，也可以經(jīng)過整流后實現(xiàn)直流電磁化。本設計采用交流磁化電源，故可以省略掉整流部分?；究驁D為圖2-1所示。圖2-1 磁化電源主電路工作框圖2.2 磁化電流在磁粉檢測中是用電流來產(chǎn)生磁場的，常用不同的電流對工件進行磁化。這種在工件上形成磁化磁場的電流叫做磁化電流。由于不同電流隨時間變化的特性不同，在磁化時所表現(xiàn)出來的性質(zhì)也不一樣，常

34、用的磁化電流有交流電流、直流電流（整流電流），在一些特殊的地方，還使用高壓脈沖電流。在這次設計中，考慮到主要設計周向磁化，以及交流磁化電流的趨膚效應和退磁時非常方便，因此使用交流磁化電流。交流電具有大小和方向的周期變化，在磁場特性上也是隨時間作有規(guī)律變化。磁粉檢測磁化電流用交流電的優(yōu)點是：、由圖2-1所示，輸入的工頻電經(jīng)過調(diào)壓和降壓后的交流電流可以直接作為磁化電流使用，而如果使用直流電流磁化，還需要對交流輸出進行整流，過程相對于交流磁化較為復雜。交流磁化省掉整流這一環(huán)節(jié)，降低了磁化電源的復雜程度。、用交流磁化時，電流的方向和大小不斷發(fā)生變化，它所產(chǎn)生的磁場方向和大小也不斷地沿一直線方向來回的變

35、化。這種變化能夠攪動磁粉，有助于磁粉的遷移，提高檢測的靈敏度。同時，由于交流電存在著相位變化，當兩個或多個不同相位的磁場在不同的方向上疊加時，容易實現(xiàn)復合磁化或感應磁化。、交流電具有趨膚效應，即交流電通過導體時，導體橫截面上各處的電流密度（單位面積中通過的電流）不相同。在導體中心，電流密度最小，而在導體表面及近表面的電流密度卻很大。這是由于導體在變化著的磁場里因電磁感應而產(chǎn)生渦流，在導體表面附近，渦流方向與原電流方向相同，使電流密度增大；而在導體軸線附近，渦流方向與原電流方向相反，是導體內(nèi)部電流密度減弱。這種導體表面及近表面的電流密度增大的現(xiàn)象叫做交流電的趨膚效應。由于交流電的趨膚效應使得工件

36、表面附近的磁場較為顯著，可以提高工件表面缺陷檢查的靈敏度。、交流磁化電流退磁方便。交流退磁一般有兩種方式：交流線圈退磁和交流降壓衰減退磁。交流線圈退磁是利用交流電的自動換向，離開線圈后磁場強度逐漸衰減的原理進行退磁。而交流降壓衰減退磁是將通電磁化時的電流由幅值逐漸降到零。由于交流電本身不斷地變換方向，再衰減電流改變磁場的大小，從而達到退磁的目的。而直流電由于是單一方向，所以衰減退磁時要加入換向裝置，使直流電不斷換向，電流值逐漸減小，相當于一個衰減的方波電流，才能達到退磁目的。所以交流電本身的換向特性不需要換向裝置。交流磁化電流同樣也有缺點：交流電方向變化時大小也發(fā)生變化，因此存在著剩磁不穩(wěn)定的

37、現(xiàn)象。若采用交流電進行剩磁法檢測時，可能造成漏檢。為了克服這一不足，可以在交流磁粉探傷機上配備斷電相位控制裝置。另外，由于交流電的趨膚效應，對工件表面下的缺陷檢測靈敏度隨缺陷埋藏深度增加而顯著降低，因而對距工件便面較深的缺陷就很難檢查出來。交流磁化電流的大小是有調(diào)壓環(huán)節(jié)和降壓環(huán)節(jié)控制，因而交流調(diào)壓電路以及降壓電路是磁粉檢測磁化電源設計的主要環(huán)節(jié)。2.3 交流調(diào)壓控制方式 可控硅的結(jié)構(gòu)及工作原理在電力電子技術(shù)出現(xiàn)以前交流調(diào)壓常用變壓器，改變交流電頻率則很困難。普通變壓器只有固定的變比，自耦變壓器可以連續(xù)調(diào)壓，但是有滑動觸點維護不方便，這些鐵磁結(jié)構(gòu)調(diào)壓設備笨重、體積大，消耗銅鐵材料多?，F(xiàn)在采用電力

38、電子器件的交流調(diào)壓器不僅可以實現(xiàn)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，并且裝置輕巧，在各種交流調(diào)壓場合得到了廣泛應用。以電力電子技術(shù)為基礎的交流調(diào)壓電路離不開電力電子器件，在交流調(diào)壓中，電力電子器件組成交流無觸點開關，能控制交流電路的通斷，利用電力電子器件的可控性對交流電進行控制，交流無觸點開關也稱固體開關。可控硅交流無觸點開關由可控硅模塊組成，可控硅1956年在美國貝爾實驗室誕生，1958年開始商品化，并迅速在工業(yè)上得到廣泛應用，它的出現(xiàn)標志了電子革命在強電領域的開始。可控硅的特點是可以用小功率信號控制高電壓大電流。可控硅有三個極，分別是陰極、陽極和門極，其中門極也叫控制極?？煽毓鑳?nèi)部的四層PNPN半導體形成三個

39、PN結(jié)，在門極開路無控制信號時，給可控硅加正向電壓，由于中間PN結(jié)反偏，不會有正向電流通過；給可控硅加反向電壓，另兩個PN結(jié)反偏，也不會有反向電流通過，因此在門極無控制信號時，無論給可控硅加正向電壓或反向電壓，可控硅都不會導通而處于關斷狀態(tài)。但是若在可控硅受正向電壓時，在門極和陰極之間加正的控制信號或脈沖，由于可控硅內(nèi)部正反饋作用，可控硅就會迅速從關斷狀態(tài)轉(zhuǎn)向?qū)顟B(tài)。故門極觸發(fā)脈沖是對可控硅的導通進行控制的。其工作原理和過程如圖2-2中電路所示。如果外電路向門極注入電流，也就是驅(qū)動電流，則流入晶體管的基極，即產(chǎn)生集電極電流，它構(gòu)成晶體管的基極電流，放大成集電極電流，又進一步增大 圖2-2 可

40、控硅工作原理的基極電流，如此形成強烈的正反饋，最后和進入完全飽和狀態(tài)，即可控硅導通。此時如果撤掉外電路注入門極的電流，可控硅由于內(nèi)部已形成了強烈的正反饋會仍然維持導通態(tài)。而若要使可控硅關斷必須去掉陽極所加的正向電壓，或者給陽極施加反向電壓，或者設法使流過可控硅的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下，可控硅才能關斷。所以，對可控硅的驅(qū)動過程更多的是成為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流的電路成為門極觸發(fā)電路。也正是由于通過其門極只能控制其開通，不能控制其關斷，可控硅才被稱為半控型器件。按照可控硅工作原理，可列出如下方程： （式2-1） （式2-2） （式2-3） （式2-4）式中，和分別是可控硅和的共基極

41、電流增益；和分別是和的共基極漏電流。由式（2-1）式（2-4）可得 （式2-5）可控硅的特性是：在低發(fā)射極電流下是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。因此，在可控硅阻斷狀態(tài)下，=0，而是很小的。由上式可看出，此時流過可控硅的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致趨近于1的話，流過可控硅的電流（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導通。當然，由于外電路負載的限制，實際上會維持有限值?？煽毓柙谝韵聨追N情況下也可能被觸發(fā)導通：陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應；陽極電壓上升率過高；結(jié)溫較高；光直接照射硅片，即光觸發(fā)。這些情況下除了光

42、觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的手段。門極觸發(fā)電流是從門極流入可控硅，從陰極流出的。陰極是可控硅主電路與控制電路的公共端。門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的。總結(jié)前面的工作原理，可以歸納出可控硅正常工作時的特性如下：1 當可控硅承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，可控硅都不會導通。2 當可控硅承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流情況下可控硅才能導通。3 可控硅一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，可控硅都保持導通。4 若要是已導通

43、的可控硅關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過可控硅的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路主要有三種控制方式，分別是：移相控制的交流調(diào)壓器、通斷控制交流調(diào)壓器以及斬控式交流調(diào)壓器。除了這三種常用的交流調(diào)壓方式外，還有幾種調(diào)壓器是將功率器件與變壓器相結(jié)合來實現(xiàn)交流調(diào)壓，電壓的調(diào)節(jié)歸根到底是通過控制功率器件來實現(xiàn)的。由于磁粉檢測周向磁化所需要的磁化電源的電壓和電流為零至最高輸出連續(xù)可調(diào)，并且觸發(fā)電路的核心TCA785芯片的功能是對輸出觸發(fā)脈沖的相位進行調(diào)制，故對于主電路的交流調(diào)壓選擇移相控制的交流調(diào)壓電路。移相控制的交流調(diào)壓電路原理圖如圖2-3所示。負載性質(zhì)的不同，輸出與

44、輸入的關系也不同，負載的性質(zhì)大致分阻性負載和感性負載兩種。在磁粉探傷的 圖2-3 移相控制的交流調(diào)壓電路原理圖磁化過程中，縱向磁化主要是通過給大型磁軛線圈通電產(chǎn)生的磁場對工件磁化，所以負載一般為感性負載，電感較大而電阻較小；周向磁化主要是直接給工件通電產(chǎn)生磁場，所以負載一般為阻性負載，電阻較大而電感較小。本設計主要設計周向磁化的磁化電源調(diào)制，所以重點研究阻性負載情況下調(diào)壓電路的工作情況。對于阻性負載情況下，工頻交流電輸入后，在輸入電壓的正半周和負半周，分別對可控硅VT1和VT2的觸發(fā)相位角進行調(diào)制，就可以控制VT1和VT2的通斷，從而來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。從理論上分析：正負半周的起始時刻（）均

45、為電壓過零時刻。在穩(wěn)態(tài)情況下，正負半周的值一般相等，即可控硅VT1的觸發(fā)脈沖相位角和VT2的觸發(fā)脈沖相位角互差180°。負載電壓波形是輸入電源電壓波形的一部分，負載電流和負載電壓波形相同。設輸入電壓為（見式2-1）： （式2-6）在輸入電壓時，可控硅VT1和VT2的端電壓分別為，VT1具備觸發(fā)導通的條件。在時，觸發(fā)VT1，VT1導通，輸出電壓，兩可控硅的端電壓，由于負載為純電阻性，時，負載電流下降為零，VT1自然關斷。當時，可控硅VT1和VT2的端電壓，VT2具備觸發(fā)導通的條件。在時，觸發(fā)VT2，VT2導通，輸出電壓為，兩可控硅端電壓。當時，負載電流下降為零，VT2自然關斷。這是一個

46、周期的電壓變化過程。通過分析可以得到阻性負載交流調(diào)壓電路波形，波形如圖2-4所示。則輸出電壓有效值（見式2-7）、輸出電流有效值（式2-8）、可控硅電流有效值（式2-9） 圖2-4 阻性負載移相交流調(diào)壓波形和電路功率因數(shù)（式2-10）分別為： （式2-7） （式2-8） （式2-9） （式2-10）由圖2-4及以上各式可以看出，的移相范圍為。時，相當于可控硅一直接通，輸出電壓為最大值，。隨著的增大，逐漸降低。直到時，。所以移相控制的交流調(diào)壓電路調(diào)壓范圍為。此外，時，功率因數(shù)，隨著的增大，輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變，也逐漸降低。2.4 降壓變壓器及RC保護電路 降壓變壓電路經(jīng)過可控硅調(diào)壓后得到

47、的輸出電壓顯然不適合直接作為磁化電源，考慮到磁粉檢測比較潮濕的工作環(huán)境下人體的安全電壓，磁化電源一般不宜超過24伏特，而對工件磁化需要強磁場，強磁場的產(chǎn)生需要很大的電流，一般為04000A有效值，連續(xù)可調(diào)。而降壓變壓器正好能滿足這一需要，降壓變壓器原理是根據(jù)電磁感應原理實現(xiàn)的，降壓變壓器二次側(cè)線圈的匝數(shù)要比一次側(cè)線圈的匝數(shù)低，這樣一次側(cè)的電壓經(jīng)過降壓變壓器到二次側(cè)就會變?yōu)榈碗妷海妷罕戎蹈€圈匝數(shù)比成正比關系。而由于變壓器只改變一次側(cè)和二次側(cè)的電壓和電流大小，不改變功率大小，所以一次側(cè)電流經(jīng)過降壓變壓器轉(zhuǎn)換后會增大，電流比值與線圈匝數(shù)比成反比關系。一般降壓變壓器式磁化裝置電流調(diào)節(jié)有三種方式：變

48、壓器分級抽頭轉(zhuǎn)換方式、感應電壓調(diào)節(jié)（自耦變壓器）方式以及晶閘管控制方式。第一種是通過轉(zhuǎn)換降壓變壓器輸入端抽頭的位置，改變變壓器匝數(shù)比來調(diào)節(jié)磁化電流大小。本設計采用第二種方式是將電壓調(diào)節(jié)器與降壓變壓器串聯(lián)，當改變它的電壓時，便能改變降壓變壓器的一次電壓，從而獲得可調(diào) 圖2-5 降壓變壓器與可控硅調(diào)壓電路連接圖的低壓大電流。晶閘管控制是在降壓變壓器一次側(cè)接入晶閘管元件，利用調(diào)整晶閘管導通角大小來調(diào)節(jié)磁化電流大小。調(diào)節(jié)方式的電路原理圖見圖2-5. RC保護電路交流調(diào)壓中采用的可控硅，它具有體積小、重量輕、效率高和使用方便等優(yōu)點，對提高生產(chǎn)效率和降低成本等都有顯著效果，但它也具有過載和抗干擾能力差，且

49、在控制大電感負載時會干擾電網(wǎng)和自干擾等缺點，尤其是過電壓過電流問題在設計中一定要考慮到。可控硅元件控制大電感負載時會有干擾電網(wǎng)和自干擾的現(xiàn)象，其原因是當可控硅元件控制一個連接電感性負載的電路斷開或閉合時，其線圈中的電流通路被切斷，其變化率極大，因此在電感上產(chǎn)生一個高電壓，這個電壓通過電源的內(nèi)阻加在開關觸點的兩端，感應電壓一次次放電直到感應電壓低于放電所必須電壓為止，在這一過程中將產(chǎn)生極大的脈沖束。這些脈沖束疊加在供電電壓上，并且把干擾傳給供電線或以輻射形式傳向周圍空間，這種脈沖具有很高的幅度，很寬的頻率，因而具有感性負載的開關點是一個很強的噪聲源。可控硅元件優(yōu)點很多，但是它過載能力差，短時間的

50、過流，過壓都會造成元件損壞，因此為保證元件正常工作，需有條件：(1)外加電壓下允許超過正向轉(zhuǎn)折電壓，否則控制極將不起作用；(2)可控硅的通態(tài)平均電流從安全角度考慮一般按最大電流的1.52倍來取；(3)為保證控制極可靠觸發(fā)，加到控制極的觸發(fā)電流一般取大于其額值，除此以外，還必須采取保護措施，一般對過流的保護措施是在電路中串入快速熔斷器，其額定電流取可控硅電流平均值的1.5倍左右，其接入的位置可在交流側(cè)或直流側(cè)，當在交流側(cè)時額定電流取大些，一般多采用前者，過電壓保護常發(fā)生在存在電感的電路上，或交流側(cè)出現(xiàn)干擾的浪涌電壓或交流側(cè)的暫態(tài)過程產(chǎn)生的過壓。由于，過電壓的尖峰高，作用時間短，常采用電阻和電容吸

51、收電路加以抑制。另外，還常在主電路中采用快速熔斷器來防止系統(tǒng)過電流，可控硅耐過電壓的能力是有限的，在遭受過電壓時，即使超過元件反向擊穿電壓數(shù)值不大，時間不長，都有可能使元件反向擊穿，造成損壞。不可能從根本上消除過電壓的根源，只能設法將過電壓的幅值抑制到安全限度以內(nèi)，這是過電壓保護的基本思想。抑制過電壓的方法有三種:用非線性元件限制過電壓的幅度;用電阻消耗產(chǎn)生過電壓的能量；用儲能元件吸收產(chǎn)生過電壓的能量。其中利用儲能元件電容的一個基本特性兩端的電壓不能突變可以克服尖峰狀過電壓是可控硅過電壓保護的最基本的方法。串接電阻是在可控硅阻斷時防止電容和電感振蕩，起阻尼作用，阻容電路還具有加速可控硅導通的作

52、用。本次設計采用阻容裝置與可控硅元件并聯(lián)的方式防止過電壓(如圖2-6)，電容C是作為儲能元件使晶閘管兩端的電壓不能發(fā)生突變，防止尖峰過電壓。此外，電容C還需要串聯(lián)電阻R，電阻的主要作用是限制電流上升率。因為當可控硅元件未導通時，電容是充著電的，當元件受到觸發(fā)導通時，電容立即經(jīng)可控硅形成短路的放電回路，若沒有電阻限流，這放電電流瞬時值很大，由于可控硅的電流上升率是有限制的。超過允許值有可能使硅元件損壞，故必須串入電阻限制放電電流。圖2-6 對可控硅元件的RC保護與可控硅元件并聯(lián)的阻容保護一般盡量靠近被保護的元件，引線要短些，以提高保護效果。2.5 整體主電路圖以及工作過程對以上各個電路部分的設計

53、，磁化主電路主要由可控硅VT1和VT2、快速熔斷器FA、降壓變壓器T、電阻R、電容C、電流互感器TA、電流表等構(gòu)成。主電路圖如圖2-7所示。主電路的輸入為工頻電壓，由可控硅模塊VT1、VT2構(gòu)成移相控制的交流調(diào)壓對工頻電壓調(diào)壓，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖的相位對可控硅通斷進行控制，從而調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，隨著觸發(fā)脈沖相位的變化，相控調(diào)壓的范圍為零至輸入電壓最大值，調(diào)壓后輸出為可調(diào)交流輸出；快速熔斷器FA為磁化主電路保護快熔，防止過載使用或其他原因?qū)е码娏鬟^ 大而損壞磁化主電路；電容C、電阻 圖2-7 磁化主電路圖R構(gòu)成RC保護電路與可控硅模塊并聯(lián)，保護可控硅模塊，防止可控硅通斷過程中瞬時尖峰過

54、電壓擊穿損壞可控硅模塊，同時限制電容放電電流；由于磁化電源對電壓和電流值的要求，可控硅調(diào)壓的輸出必須再作為降壓變壓器T一次側(cè)輸入，通過降壓變壓器的降壓升流作用叫輸入電壓轉(zhuǎn)換為為可以對工件進行磁化的低電壓大電流磁化電源輸出，電流互感器TA對降壓變壓器二次側(cè)電流進行取值，顯示在電流表A上提供當前磁化電流信息。這就是調(diào)壓主電路一個工作周期的工作過程。2.6 退磁原理 剩磁的產(chǎn)生與影響工件在以下情況都會有意或無意地被不同程度地磁化，產(chǎn)生剩磁。如磁粉檢測時對工件進行磁化，工件被磨削、電弧焊接、低頻加熱、與強磁體（如機床的磁鐵吸盤）接觸或滯留在強磁場附近，以及當工件長軸與地磁場方向一致并受到?jīng)_擊或振動被地

55、磁場磁化等。鐵磁性材料和工件一旦被磁化，即使除去外加磁場后，某些磁疇仍保持新的取向而不回復到原來的隨機取向，于是該材料就保留了剩磁，剩磁的大小與材料的鐵磁性、材料最近的磁化史、施加的磁場強度、磁化方向和工件的幾何形狀等因素有關。在不退磁時，縱向磁化由于在工件的兩端產(chǎn)生磁極，所以縱向磁化較周向磁化產(chǎn)生的剩磁有更大的危害性。而周向磁化（如對圓鋼棒磁化），磁路完全封閉在工件中，不產(chǎn)生漏磁場，所以在工件內(nèi)部的剩磁周向磁化要比縱向磁化大得多。工件上保留剩磁，會對工件的進一步的加工和使用造成很大的影響，主要影響為：1) 工件上的剩磁，會影響裝在工件附近的磁羅盤和儀表的精度和正常使用；2) 工件上的剩磁，會吸附鐵屑和磁粉，在繼續(xù)加工時影