铁矿选矿厂试用脱磁技术.pdf

钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - I - 铁矿选矿铁矿选矿厂厂试用脱磁技术试用脱磁技术 摘要 我国一些铁矿选矿广试用了脱磁技术，它初步显示出重要作用。改善了选矿技术 经济指标，保证新工艺的顺行，本文根据细粒磁性物回收工艺中需要使用脱磁器的要 求，首次提出磁场强度高、能耗低、高性价比、具有自适应控制功能的脉冲脱磁器的 研究和设计。本文主要开展了以下研究工作。 首先，本文对预磁化机理进行了研究，首次提出脉冲脱磁器系统结构，将 RLC 电路振荡波形转变为振动波形，形成“脉振”高场强。 其次，本文以单片机为控制中心设计了具有自适应控制功能的系统控制板。系统 控制板软件、硬件结合实现了磁场强度和周期的自适应控制、重悬浮液磁性物浓度测 量、同步信号检测、报警控制、双磁体线圈交替工作控制等功能。 此外，本文研究了脉冲脱磁器的特殊工作环境，对其工作现场可能产生的干扰 和可控硅的保护机制展开研究并采取了如硬件、软件抗干扰措施，对可控硅采取了阻 容吸收、热设计等可控硅保护措施。 本文最后对脉冲脱磁器整体装置进行了工作性能和脱磁效果测试。测试表明装 置充放电时序机制合理、双磁体线圈热适应能力强、能耗低、磁化效果明显有自适应 控制功能的磁性物回收的脱磁设备。 本文的完成推动了选煤行业电磁系脱磁器的发展，而且作为磁化设备可以向铁 选矿厂的矿浆预磁化、锅炉水磁化、污水处理磁化、炼铁厂铁粉回收磁化的工艺中推 广应用。 关键词脱磁器； 脉冲； 自适应 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - II - A A A Abstractbstractbstractbstract Based on magnetite fine powder recycling technology needs, The first this paper research and design the demagnetize implement withhigh magnetic field intensity, low power consumption, cost, adaptive control and so on.The paper carried out the following studies Firstly, this paper research the mechanism of demagnetizes. the first design the system structure of pre-magnetization implement with the Pulsating Vibration. RLC circuit wells will be shaped into a vibration wave, “pulsating“ high field strength. Then, based on MCU control center designed to function with adaptive control system panels. System Controller software and hardware combining produce a pulsating magnetic field, magnetic suspension heavy concentration measurement, Synchronous detection, alarm and control functions work in the turn-magnet coils. Beside, this paper studies the special work environment of Pulse vibrates in demagnetize implement, the scene may potential interference and protection mechanisms of SCR, takes some work such as a hardware Software anti-interference measures, silicon stop absorbing, silicon design thermal protection measures. Finally The overall device perance test results and magnetization, the testing showed that the reasonable timing mechanism for charge-discharge, two magnet coils heat adaptable, low consumption, adaptive control function of pre-magnetic magnetic implement. Inthispaper, the completionofthe coalpreparation industry electromagnetic system to promote the development of pre-magnetization implement, But as magnetized iron concentrator equipment to the pulp pre magnetization, magnetic boiler water, sewage treatment magnetization, Iron- iron recovery of the demagnetize process application. KeyKeyKeyKey wordwordwordword Demagnetize, Pulse, adaptive 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 1 - 第一章引言 1.1 本课题的研究背景 矿产，是现代人类社会生存和发展不可缺少的物质基础。矿业，是国民经济 的基础产业。然而，随着矿产资源的大规模开发利用，而产生的大量废弃物却严重 威胁着人类的生存环境。对这些废弃物的处理、处置和综合回收利用，将具有重要 的经济意义和社会意义。 钛磁铁矿磁学机理研究表明，钛磁铁矿磁性参数与粒度 有最直接最密切的关系，即随着粒度变细，各磁性参数先是缓慢增大，当粒度降至 0.045mm时，产生突变。同时，钛磁铁矿的磁性参数还与其主要化学成分有一定 的相关性。钛磁铁矿具有客晶矿物含量低、铁高钛低的特点，可获得高铁低钛的优 质钒铁精矿。同时，矿石中钛铁矿含量相对较高，有利于钛的回收，可获得较高回 收率。 钒钛磁铁矿是含铁、 钒、 钛等多种金属的矿产资源。 在40年代前已被发现。40 年代，随着对钒、钦、铁需要量的日益增加，特别是由于含钛铁矿石冶炼技术的发 展，从而使钒钛磁铁矿成为工业矿石。 由于各国矿产资源储量及含钒钛磁铁矿冶炼技术水平不一，各国对钒钛磁铁矿 利用的侧重点不尽相同。苏联从中主要回收钒，兼收铁;芬兰主要从中回收钒与钛； 南非从中回收钒与铁；挪威、美国从中回收铁；我国则从中回收钒、铁、钛以及含 钻镍硫化物。我国拥有十分丰富的钒钛磁铁矿资源，据报道，已查明的钒钛磁铁矿 储量占已探明全国铁矿石总储量的13。 虽然从分布上看北自黑龙江， 南至广东省 ， 东起河北省，西到新疆、四川等十几个省区内均有发现，然而约占总储量 90以上 的钒钛磁铁矿则集中于四川攀西地区。 我国现已开发利用的钒钛磁铁矿床有三处， 即攀枝花、 大庙及黑山钒钛磁铁矿 。 早在50年代中期，我国科技人员就开展了大庙钒钛磁铁矿选矿试验研究，并建成 了双塔山选厂。随后，国家组织了主要科研单位系统地研究了攀枝花钒钛磁铁矿的 选矿及冶炼性能。60年代中期，由于我国科技人员成功地解决了用普通高炉冶炼 高钛型钒钛磁铁矿的技术问题， ，从而为攀枝花钒钛磁铁矿的综合利用和开发开辟 了广阔前景。70年代初建成了我国最大的攀枝花选矿厂。70年代中期研究了黑山 钒钛磁铁矿选矿性能，依据试验成果建成了黑山选厂。 目前，攀枝花选厂和双塔山选厂均生产钒铁精矿、钛精矿及含钻镍硫精矿供用 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 2 - 户需要。与国外处理同类矿石的选厂相比，我国钒钛磁铁矿的综合利用已达到相当 高的水平，不久的将来有可能居于世界领先地位。 1.2 本课题研究的目的和意义 磁铁矿作为一种亚铁磁性的矿物， 具有较大的矫顽力及剩磁,在现有磁选设备中 较强的磁场造成磁铁矿强烈磁团聚，致使分选精度下降，恶化选矿指标，甚至影响 后续的浓缩脱水及过滤作业。 磁铁矿Fe304属于亚铁磁性物质。由于来源不同，磁铁矿的磁性是不相同， 这些差异是由许多因素造成的，其中以成矿的条件和人工加工工艺技术条件不同而 形成了磁铁矿的磁性差异。磁性特征中的剩磁矫顽力万。的大小，将给选矿工艺过 程造成不同的影响。 在老厂改造和新建选矿厂中，采用细筛技术提高精矿品位和阶段磨选联合流程 的采用都必须应用脱磁技术。脱磁技术应用近几年发展较快，出现了工频脱磁器、 中频脱磁器、脉冲式脱磁器以及永磁脱磁器等高性能的脱磁设备。 脱磁器的脱磁效率的好坏直接影响选矿工艺的各个环节，因此找出脱磁器参数 磁铁矿磁性、选矿工艺参数之间的关系是必要的。 我国一些铁矿选矿广试用了脱磁技术，它初步显示出重要作用。改善了选矿技 术经济指标，保证新工艺的顺行。因此，脱磁技术逐渐引起选矿工作者的重视，在 生产中发挥了重要作用。 1.3 本课题的发展现状 脱磁器在我国的应用已有50多年的历史，70年代以后相继开发了多种类型、 多种规格的脱磁器。这些脱磁器都是电磁的。主要有3种类型工频、中频和脉冲 型。 1.3.1 工频脱磁器 工频脱磁器主要有电源开关、塔轮式脱磁线圈和补偿电容等组成。塔轮式脱磁 线圈直接采用50Hz工频电源，依靠从大到小多个串在一起的线圈产生轴向衰减的 磁场强度，达到对矿物的脱磁。工频脱磁器由于自身的特点，要提高磁场强度,只能 靠提高脱磁线圈的激磁电流或者增加线圈匝数来实现。这不但增加了电耗和铜耗, 而且给线圈散热带来困难。工频脱磁器虽具有结构简单、运行可靠的特点，但由于 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 3 - 本身的限制，一般工作场强较低,且磁化频率受电源频率限制，在处理焙烧矿和高励 磁、高矫顽力矿石时，脱磁效果不理想。因此，工频脱磁器一般用于要求退磁场强 较低的磁性矿物的脱磁。 1.3.2 中频脱磁器 中频脱磁器是为了解决工频脱磁器退磁场强度低,轴向磁场变化次数少,耗电高 的问题研制开发的。 它在线路上采用了逆变和并联电容谐振的原理,使脱磁线圈上产 生比输入电流大 10 倍的中频谐振电流,脱磁线圈保留了工频脱磁器的塔轮式结构。 它能获得较高的退磁场强和磁化频率。对磁性矿物达到较理想的脱磁效果。但这种 设备电器线路和冷却系统结构复杂,占地面积大,造价高,运行时主要元件和脱磁线圈 都需要水冷,给操作和维护带来许多麻烦和不便。 1.3.3 脉冲脱磁器 脉冲脱磁器是八十年代后开发研制的新型高效脱磁设备。它与以往工频和中频 脱磁器相比，具有高退磁场强和高频率的特点而且退磁场强可根据实际矿石性质进 行调节来达到最佳脱磁效果。这种脱磁器运行稳定，维护和操作方便，脱磁线圈用 铜材很少且不发热。其电耗不到工频脱磁器的十分之一。是一种高效节能设备。目 前已基本上代替了工频和中频脱磁器。 1.4 本课题的技术要求 脉冲脱磁器是利用电容器和脱磁线圈组成最简单的RLC振荡器,，设计出结构 简单易用、能耗低、并且能够根据工矿条件自主调节工作状态的脉冲脱磁器。 脉冲脱磁器的应用能够减少工艺中磁性介质的技术损失，使有效的选矿方法尽 快转化为经济成果。降低选矿成本，提高钒钛磁铁矿的质量，增加选矿企业的经济 效益和社会效益。脉冲脱磁器的性能应该能够满足在选矿厂恶劣的环境下长期稳定 工作的需要，其性能应符合有关国家标准和行业标准的要求，在装置的硬件、软件 设计中首先确定应达到的指标，主要的技术指标如下 1工作环境条件 ①环境温度50℃45℃ ②相对湿度不超过85 ③大气压力801 l 0kpa 2电源要求 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 4 - ①额定电压380V ②允许偏差2015 3脱磁场强 磁场幅值200Oe以上 1.5 本课题开展的工作 依据技术指标本课题将主要开展以下几部分工作 第一章为“概述”。本章介绍了本课题的来源、目的和意义以及当前发展的现 状，给出了装置的具体技术指标。 第二章为“脉冲脱磁器的系统研究与磁体设计”。本章将根据铁磁性物质的磁 化原理，首次提出脉冲脱磁器系统设计原理和脉冲双磁体线圈结构。将对脉冲脱磁 器的电气特点、脉冲磁体线圈设计展开研究，完成电器部分的开发。 第三章为“脉冲脱磁器硬件和软件设计”。本章根据脉冲脱磁器电器系统控制 要求将研究开发系统控制板的硬件和软件部分。系统控制板的软件和硬件结合将会 有自适应控制、双磁体线圈交替工作控制、良好人机接口等功能。 第四章为“结论和展望”。本章对全文进行了概括和总结，并对脉冲脱磁器更深 入的研究做出了展望。 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 5 - 第二章脉冲脱磁器的系统研究与磁体设计 2.1 脱磁器的脱磁机理 众所周知，脱磁原理就是根据铁磁性矿物的磁化强度M与外磁场强度H形成 形状相似而面积不等的磁滞回线而进行的，如图 21 所示 图 21 磁滞回线图 如图 21 所示，脱磁器的场强变化应是一衰减正弦波或衰减余弦波。一般来说， 衰减的次数不小于12次。 2.2 脉冲脱磁器的原理 脉冲脱磁器是利用电容器和脱磁线圈组成最简单的RLC振荡器,其原理如图 23。 图 23脉冲脱磁器主回路原理 工作时电容器先充电， 从电源获取能量。 电容充足电后控制可控硅SCR1关断 ， 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 6 - 随后控制可控硅SCR2打开，充足电的电容器和脱磁线圈接通。此时，电容器和脱 磁线圈之间就发生了电能和磁能的反复转换，也就是电容器反复地放电和充电，由 于回路中脱磁线圈电阻不断消耗能量。回路就产生了一个按指数规律衰减的减幅振 荡电流。因此脱磁线圈内部也形成了一个相应的衰减振荡磁场。其磁场变化曲线如 图 24。 图 2.4按指数规律衰减的余弦波 回路的振荡频率为,振荡减幅的快慢决定于回路的参数。 其幅值是按照e-δt的指数规律衰减的,其中δ R/2L。因此只要调整回路参数就能 调整脱磁器的工作场强、磁场梯度和磁化频率,达到较好的脱磁效果。 2.3 脱磁器的主回路实施方案 脱磁器的充放电回路中，主要元件有可控硅、电抗、电容、电力二极管、磁体 螺线管线圈、交流接触器等。其中电容采用15KVAR，额定电压为600V的三相 电力电解容[7,8,10]，其主要特点是比电容大、体积小、质量轻，有自愈特性，单位电 容量的成本低。电感线圈磁体的设计见磁体设计一节。 当脱磁器处于工作状态时，必须使充电回路和放电回路快速交替地工作。将图 22 中的开关1和开关2换成可控硅，则当充电回路可控硅导通角不为0或时 ，π 用脉冲信号首先依据同步信号在电源电路正半周触发SCR1，向电容充电。电源信 号过零负半周SCR1自动关断， 电容充电完毕。 然后延时10ms触发可控硅SCR2， 电容向电感线圈脉冲放电产生3/4周的脉振磁场， 可控硅SCR2自动关闭。 在充电 时，若电路中只有容抗没有感抗，则电流会突然增大，电流瞬间变化率为无穷大， 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 7 - 这可能会损坏可控硅，因此为了保护该可控硅，在充电回路中设置电抗器Lx。在 放电回路中，为保证线圈磁能、电能的转换和磁场的振动效果，需另外与SCR2 反向并联电力二极管，电力二极管使电容反向放电形成脉冲振动磁场，电感线圈 L1、L2根据设定的时间周期交替工作。电路图如图 25 所示。 A C L k S C R1S C R2 C1 L1 图 25主电路原理图 2.3.1 充电回路 假定充电回路中的电阻为R，电容为C，电源电压为ust，可控硅导通后电路 中的电流为i1， 电阻两端的电压为ur， 电容两端的电压为uc， 电抗器两端电压为ul。 设回路电流为iit,回路电容电压为uct。由基尔霍夫定律可写出回路方程为 21 t t Ri dt t di L s uuc 22 dt du Ci c 将式213代入式212， 消去中间变量， 得到描述RLC充电回路的 dt du Ci c 微分方程如式214。 23 t u dt du RC dt ud L s c 2 c 2 c uC 对于方程23有初始条件 i1（0）0 uc（0）0 令，，且]t u[ s U ii ζ]t u[ s U 00 ζ 00 0 u s sU] dt t du [−ζ 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 8 - 0u0su s Us] dt t ud [ 000 2 2 0 2 −−ζ 式中是在 t0 时的值，即0u 0 dt/ t du0 C 0 i t i C 1 dt t du 0t0t 0 对式各项取拉式变换得传递函数 24 1RCSLCS/1 s U/ s U 2 i0 为了使充电回路够成标准的欠阻尼二阶系统，在充电回路中串联进电阻 R2Ω。在充电回路中电源正半周过零，在峰值处触发充电可控硅导通，峰值处导 通以补偿电容上次放电损失的电能。可控硅瞬间导通此时可近似认为导通电压是阶 跃响应。对式214取反拉式变换求得式216。 25 ttsin 2 0 d0 e 1 1 1 tu βϖξϖ ξ − − −（ 式中 自然频率 LC 1 0 ϖ 阻尼比 2 LCR ζ 阻尼振荡频率 2 0 1ζϖϖ− d ζβarccos 根据系统特性，本二阶系统仅考虑过渡过程时间，保证过渡过程时间在有效充 电时间内完成。过渡过程时间可以近似认为如式217所示[35]（允许误差范围 5） 26 0 3 ζω s t 预磁系统以40ms为一工作周期、即充放电时间各为0.02s，因为采用工业 380V供电。所以在0.02s充电周期内有效充电时间为0.01s。所以应选择适当的 R值保证二阶系统的上升时间Tr在10ms内完成。经理论计算充电时间为7.3ms 和实际装备运行测试，该充电电路能够在预设时间内充电完毕，证明电阻R2Ω的 匹配选择是合理的。 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 9 - 根据实际工作情况， 输入函数为相位滞后的正弦380V工业供电列如下方程并 解得 27 sct t uuRi dt di L 28sin vms tUuφϖ 式中电源电压峰值 m U 电源电压的角频率ϖ 充电回路可控硅的导通角 v φ 由式27、28得式29 29 cos 1 2 2 vmt tt tUi Cdt di R dt id Lφϖϖ 对于式210有初始条件 00 1 i 00 c u 电流 的零状态响应应由稳态分量和瞬态分量组成，其中稳态分量与输入电压 1 i 有同一性质，它应当是与电源电压同频率的正弦波函数，不过幅值和相位与输入电 压有所不同。以表示稳态分量，以表示瞬态分量，则有式210、211。 ss i st i 210sin 1imss tIiφϖ 211 tsts st ekeki 21 21 式中为电流超前电压的相位，、为积分常数，、为电路的固有频 1i φ 1 k 2 k 1 s 2 s 率 ， 2 0 2 1 ϖαα−−s 2 0 2 2 ϖαα−−−s 其中、 k L R 2 α CLk 1 0 ϖ 根据、和初始条件求得充电电流为式2120≈R 0 1 90 i φ 212tIt L U tIi m k vm m00 0 1 cossin sin cosϖϖ ϖ φ ϖ− 由式29、212得电容两端的电压为式213 213tLItUtILtUU mvmmvmc000 sincossinsinsinϖϖϖφϖϖφϖ−−− 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 10 - 式中（、） 2 CL m m XXR U I − kL LXϖ C Xc ϖ 1 经过对电路的分析计算已经知道充电回路的电压、电流值。在选择可控硅型号 时以这些量为基准。可控硅的选择主要依据其承受的反向电压及通过它的电流。在 充电回路中可控硅承受的反向最大电压应为电源电压的峰值，为了在电源电压波动 以及出现瞬时过电压时不致损坏可控硅，可控硅的额定电压应有两倍的裕度[19]，因 此可控硅的额定电压为 U额Up*3801074（伏）2222 根据市场情况选用额定电压为1600伏的可控硅。 通过充电回路可控硅的电流如式212，求出电流的最大值比较困难，但可以 求出其范围 2 2 0 sin |||| m k Vm m I L U Ii ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ϖ φ 而 2 CL m m XXR U I − 在充电回路中R2欧， 电抗选用电感为2.47mH的电抗器， 其感抗Xl0.776Ω 欧，由于选用的电容为298三相电力电解电容，这种电容内部为Y型连接，任μF 意两个接线端的电容容量实际为298uF2/3，其容抗Xc16欧。则 AIm14.31 A L C U L U k m k m 8 . 4 0 ϖ 即通过充电回路可控硅的最大电流不超过65A。 对于式213，其中相对于其它各项的峰值可以忽略，则 mk IL ϖ 0.22Um mmkmk UCULIL22 . 0 00 ≈≈ϖϖϖ 则式213可写成 tUtUtUU mvmvmc00 sin22 . 0 cossinsinϖϖφφϖ−− 根据上式当时，充电回路可控硅必将承受反向电压而被迫关断，πϖπ时为非振荡放电过程；②当时为临界阻尼；③当 2 2L R ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ LC 1 2 2L R ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ LC 1 时为振荡放电过程。三种情况的放电波形如图 2.7 所示 2 2L R ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ LC 1 图 27三种脉冲放电电流波形 当脉冲放电电流通过充磁螺线管磁体时，在其内部产生脉冲磁场，一般而言， 当脉冲磁场峰值达到螺线管内被充磁介质内秉矫顽力Hj的3～5倍时，被充磁介 质就可饱和磁化，留有剩磁，这种充磁方法即称为脉冲充磁。在第一种情况下，消 耗于电路电阻上的能量将较大，而且电流幅值最小，即产生的脉冲磁场最小，这不 是设计所希望的。电容的电能在每一次放电时应尽可能地转化成磁能，并且要保证 周期较短。从波形图中可以看出，在第三种情况下，电路的放电电流最大，时间最 短。通过可控硅的特殊触发机制可以在电路中形成正反，幅值大小交替的三次脉冲 振荡磁场对磁性介质磁化。由于磁场频率低，管道中介质的流动性促使介质与磁场 的方向具有随机性，因此不会对冲磁介质产生脱磁现象，这符合设计的初衷，通过 实际运行设备也验证了这种设想。 当时特征根 p1 和 p2 是一对共轭复数时， 2 2L R ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ LC 1 令， L R 2 σ 2 2 1 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − L R LC ϖ 则 1 2 1 2 1 2 ϖϖj LCL R −−−⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ 于是有，设，代入 11 ϖσjP− 12 ϖσjP−− 2 1 2 01 ϖσϖ δ ϖ β 1 arctan 式221得 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 14 - 224 ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡− 2 1 010 11 j ee e U U tjtj t c βϖβϖ σ ϖ ϖ 因为，所以 2 sin 1 1 j ee t t jtjϖϖ ϖ − − 2 cos 1 1 j ee t t jtjϖϖ ϖ − 225sin 1 1 01 βϖ ϖ ϖ δ − teUu t mc 226te L Um dt dU Ci tc 1 1 2 sinϖ ϖ δ− − 根据式225、226可以看出uc和i2都是振幅逐渐衰减的正弦函数，振幅衰 减的快慢取决于σ，σ称为衰减函数，σ值越大衰减越快。放电电流过零点为 ，则首次过零点为3ms，总放电时间为9ms。两次振动放电时间小于放电πϖkt 1 时间20ms，所以电容、放电电感参数符合设计要求。 放电回路中可可控硅承受的反向电压仍为电源电压的峰值，同样选择的可控硅 的额定电压应为1600V。 通过该可控硅的电流峰值为 227 1 2 1 0 2 ϖ π δ ϖ − e L U i m m 当电容充满电压 380V 时 A77.75 1033107 . 4 380*2 10332 28.21 3 2 − − π ei m （有关ω1、σ、L的值见上节） 每次充放电的时间为40ms，充电与放电的时间各为20ms。这样在一次放电 过程中通过放电回路可控硅的电流波形为半波正弦函数，如图 28 所示。 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 15 - 图 28通过放电回路可控硅的电流波形图 放电过程中通过可控硅的电流平均值为 228dtti t av∫ − 003 . 0 0 1 1 0 2 sine 02 . 0 1 L U ϖ ϖ σ 当充满电压时，通过分步积分可得i2av10.5A，则在一个通电周期内通过该可 控硅的电流平均值为5.25A。 根据电流峰值75.77A， 放电电流平均值5.25A， 实际通过的电流平均值2.6A， 承受的反向峰值电压622V放电回路中选用KP100A/1200V型的可控硅。 2.4 本章小结 本章阐述了铁磁性物质的脱磁原理，研究了脱磁器的电气设计原理。针对本课 题提出的脉冲脱磁器的电气特点，研究了预磁器的工作时序要求和充放电回路的电 器元件特性和电路电压、电流特征；针对研究结果对可控硅元件进行了选型。各项 计算数据表明脉冲脱磁器研究设计理论正确可行，能够满足工作要求。 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 16 - 第三章脉冲脱磁器的硬件和软件设计 3.1 系统电子控制板设计 由于该装置最终要成为产品进入市场，因此我们在设计的过程中，除了要保证 电子电路各部分功能的实现外，同时也要考虑一些更实际的问题如装置的成本要 低，所选器件要在市场上比较常见，电路板上器件要尽可能的统一参数以及其它一 些在实际运行使用中可能会出现的问题，都要认真考虑并解决。以上问题都考虑到 之后，还应尽量使电路做得简单易学、易加工制作。所以控制电路按照其功能主要 分为以下几个部分电源模块、同步分频信号模块、CPU模块、晶闸管驱动模块、 键盘显示模块。系统硬件框架电路如图 31 所示。这些模块都以美国Atmel公司生 产的AT89S52单片机为控制决策中心，这款芯片是近年来用得最普遍的一款单片 机，市场零售价格在8元左石，它与80C51系列单片机完全兼容，其最大的特点 是片内含有Flash存储器，便于对程序进行在线下载调试。片内含有8KB可重复 擦写1000次以上的Flash内部程序存储器，256字节内部RAM存储器，32根 可编程I/O端口，3个16位定时/计数器，串行口可编程，中断级为8级中断。 AT89S52 单片机通过过零检测模块、分频模块检测预磁器充电电压的同步信号， 控制可控硅触发电路在充电电压的峰值处触发充电可控硅导通，补偿电容放电损失 的电能，然后在合适时间触发放电可控硅，由电容向磁体线圈放电，保持脉冲磁场 的连续性；通过键盘输入模块、显示模块、节能控制模块、脉冲反馈模块实现系统 协调、故障诊断报警等功能。 电 源 A C D C P T同 步 信 号 分 频 C P U R O M EEPROM R A M WATCHDOG 键 盘 输 入 6个发光二极管显 示 驱 动 I/O 输 出 光 耦 隔 离 晶 闸 管 控 制 磁体脉冲反馈 节 能 控 制 磁体线圈切换 图 31控制板原理框图 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 17 - 3.1.1 可控硅控制电源电路 可控硅控制电源电路采用的是单相桥式整流电路电容滤波三端稳压电路构 成直流电源，分别向充电、放电的触发变压器供电、产生触发脉冲。 380V交流电变压后得到的20V交流电送到单相桥式整流电路。单相桥式整 流电路电压公式为 UoAV0.90U231 式中U2变压器副边交流电压有效值 UoAV整流输出直流电压平均值 可以计算出该电路整流输出直流电压平均值为18V。滤波电路采用的是最简单的 电容滤波电路。稳压电路选用了三端稳压器件7812输出12V直流电压供可控硅 触发使用。电路如图 33 所示。 C1 1 2 3 4 D1 T1 Vin 1 GND2 Vout 3 U17805 C2 C2 380V7.5V C3 2200/25V 5V 图 33可控硅触发电源电路 3.1.2 同步信号电路 （1）整形器[23,] 触发电路需要的同步信号由充电回路的输入电源经变压器将380V正弦交流电 压转变成同相位的5V正弦波信号。而在数字电路中需要的一般只是高电“1”和 低电平“0”。将5V的正弦波信号转变为由高电平“1”和低电平“0”组成的方波 信号可由整形器来完成。图 34 为同步变换整形信号采集电路。一次侧电压经 PT 降压后，经通带中心频率为50Hz的硬件带通滤波器滤波后，比较器LM311将交 流正弦信号转换为同频同相方波信号，再通过光耦TLP521实现隔离与电平转换。 输出信号送入单片机的外部中断0端口。输入信号从LM311引脚2、3输入，引 脚6、8接12V，引脚1、4接低电平，引脚5、7输出矩形波信号。输入信号的 电位大于0时，输出信号为高电平，当输入信号的电位低于0时，输出信号为低电 平。输入与输出信号的波形如图 35 所示；示波器实际测量输入、输出波形如图 36， 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 18 - 37 所示。 T1 R1 R3R4 C2 D1D2 2 3 7 6 5 1 84 U3 LM311 U4 OPTOISO1 12 125V R2 12 U2A 40106 380V5V CLK 图 34同步信号电路图 t t 输 入 输 出 U U 图 35同步信号输入输出波理论 图 36同步信号输入实测波形图 37同步信号整形输出实测波形 （2）分频器 分频电路采用了双D触发器CD4013进行了二分频处理。将D触发器R、S 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 19 - 端接低电平，输出端接数据输入D端，CP时钟接分频信号，端将输出二分频QQ 信号。实现了40ms工作周期的目的。电路如图 38 所示，理论波形如图 39 所示， 示波器实测分频前、分频后波形如图 310、311 所示。 D 5 Q 1 CLK 3 Q 2 R 4 S 6 U5A 4013 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P30 TXD 11 RXD 10 U1 89S52 CLK 图 38二分频电路 t t 图 39分频后波形图 图 310分频前输入波形实测图 311分频后输出波形实测 钒钛磁铁矿脱磁器的硬件设计 - 20 - 3.1.3 可控硅控制电路 （1）可控硅触发要求 在主回路中，电路的“通”与“断”通过可控硅的触发导通来实现的。可控硅元件 是一个PNPN四层结构半导体，形成了三个PN结J1，J2，J3，可以用两个晶体 管的等效模型来说明[30,31,32]，如图 312 所示。 图 312可控硅外形和内部结构 要使可控硅导通，必须同时具备两个条件在可控硅的控制极和阴极之间加一