黃小東,費 翔,陸思恒,郭華艷
(桂林獅達機電技術工程有限公司,廣西 桂林 541004)
電子束焊機電源,用于為電子槍提供加速電壓。其性能的好壞,直接決定著電子束焊接工藝和焊接品質。常用的電子束焊機電源控制方法及電源裝置,主要有下列5種類型:
(1)工頻交流輸入→自偶變壓器交流調壓→工頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點是電網諧波干擾較小,但設備笨重,效率低,系統調節(jié)速度慢,調節(jié)精度差。為早期電子束焊機產品所選用,目前已被淘汰。
(2)工頻交流輸入→工頻晶閘管交流調壓→工頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點是系統調節(jié)速度較快,調節(jié)精度較高,但高壓濾波電容值較大,對電網諧波干擾較大,為電子束爐產品普遍采用,但在電子束焊機產品中逐漸被淘汰。
(3)工頻交流輸入→中頻交流發(fā)電機調壓→中頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點是高壓濾波電容值相對較小,對電網諧波干擾較小,調節(jié)精度較高,但系統調節(jié)速度慢,且中頻發(fā)電機組價格較高,噪音很大。為目前國內電子束焊機產品普遍采用。
(4)工頻交流輸入→工頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波→高壓電子管串聯調壓→高壓濾波輸出。其特點是高壓濾波電容值小,對電網諧波干擾小,系統調節(jié)速度最快,調節(jié)精度高,但效率低,高壓電子管為特殊器件,制造難度大,設備體積大,制造成本高,僅為俄羅斯、烏克蘭等少數國家電子束焊機產品所采用。
(5)工頻交流輸入→低壓整流濾波→直流脈寬調制調壓→低壓濾波→高頻逆變→高頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點是高壓濾波電容值小,系統調節(jié)速度快,調節(jié)精度高,設備體積小,制造成本較低。但高頻逆變器及高頻高壓變壓器制造技術難度大,效率偏低。為目前歐美電子束焊機產品普遍采用。
以下介紹了一種中頻逆變高頻PWM電子束焊機高壓電源的設計。
電源結構如圖1所示。
圖1 電源結構示意圖
電源由三相市電供電,通過AC→DC→AC→DC電流變換后,由中頻變壓器實現能量的傳遞、電壓值的變換和高壓絕緣;同時將高壓取樣信號和電子束流信號的取樣信號,作為負反饋信號,去控制脈寬調制輸出波的占空比,為電子束焊機提供穩(wěn)定的電子束功率。
由于實現的是中頻能量傳遞,因而不僅高壓變壓器的制造工藝更簡單,而且在高壓整流輸出的直流電的脈動頻率,是高頻脈寬調制頻率的數倍(倍數等于單元組個數)。
當整流波在脈寬調制的占空比大于50%時(由中頻變壓器設計參數保證),無過零點,這樣選用較小的高壓濾波電容值,就能濾掉交流成分,滿足紋波系數指標要求。一方面,有利于提高控制系統調節(jié)速度;另一方面,由于其貯能小,高壓放電產生的沖擊自然小,有利于提高電源系統運行可靠性。
逆變器的電路結構如圖2所示。
圖 2 逆變器電路結構
逆變器,由A、B兩組逆變橋并聯而成。每組逆變橋包括對稱的左橋電路和右橋電路。左右橋電路各包括2個開關功率管、2個續(xù)流二極管和1個緩沖電路。上橋臂開關功率管與下橋臂開關功率管串聯、上橋臂續(xù)流二極管與下橋臂續(xù)流二極管串聯,并同時與橋臂緩沖電路并聯地接于輸入整流濾波器的輸出端。左、右橋電路上的2個開關功率管和2個續(xù)流二極管間的導線,各自相互連接,并分別與中頻高壓變壓器的一側繞組的兩端相連。
每個逆變橋輸出的經高頻脈寬調制后的中頻交流電,送入對應的中頻高壓變壓器的一次側繞組,用于將直流電逆變成中頻交流電,同時用于高頻脈寬調制調壓。
高壓調節(jié)器,采用比例-積分(PI)調節(jié)器結構,在正常工作時,其接收高壓設定信號和反饋信號的偏差信號,輸出送入逆變器驅動電路調節(jié)脈寬調制輸出波的占空比;在故障判別電路有信號輸出時,調節(jié)器的輸出被封鎖,其用于加速電壓的精度控制,并保證加速電源穩(wěn)定運行。
PI參數的整定,一般是先整定P,再根據P整定I。之后結合實際作調整[1]。
逆變器驅動控制,包括各中頻逆變橋的相序控制和高頻脈寬調制的占空比控制。各逆變橋的逆變相序和脈寬調制波相序,受同一時鐘(CL)控制,各逆變橋間中頻逆變相序呈對稱分布,逆變器上半橋功率管的驅動信號為中頻方波,下半橋功率管的驅動信號為中頻方波和高頻脈寬調制波相“與”邏輯運算后的波形。各逆變橋間高頻脈寬調制波的相序,亦呈對稱分布,如圖3所示。
圖3 開關功率管驅動信號波形圖
故障判別電路,在檢測電子束流取樣電阻上的電子束流信號時,如果超過設定的上限值,就判為電子束流過流故障;在檢測高壓取樣電路的輸出信號時,如果超過設定的上限值,就判為加速電壓過壓故障;在檢測高壓取樣電路的輸出信號時,如果產生負突跳變化,就判為加速電源產生高壓放電故障;在檢測逆變器驅動電路時,檢測逆變器每個逆變橋臂的溫度信號,如果任一橋臂溫度超過設定的上限值,就判為逆變器過載故障;在檢測逆變器驅動電路時,檢測逆變器每個功率開關管的被驅動后的管壓降,如果任一檢測值超過設定的上限值,就判為逆變器短路故障;故障判別電路,在檢測逆變器直流供電電流取樣電路的輸出信號時,如果超過設定的上限值,就判為供電電流過流故障。
上述任一故障的產生,故障判別電路都輸出信號,并立即封鎖高壓調節(jié)器的輸出。如果產生高壓放電故障,調節(jié)器輸出被封鎖1~3 ms后,自動解除封鎖,實現高壓自動重啟;在設定時間段內,高壓放電故障發(fā)生次數,超過設定次數,則判為“永久故障”,此時與處理其他故障類型的措施一樣,切斷電網供電電源和高壓設定信號,待故障排除后,再手動重啟高壓[2]。
實驗參數:加速電壓80 kV,束流50 mA。圖4為實測的運行波形。
圖4 實際運行波形圖
由實驗結果可知,加速電壓取樣電壓波形及束流取樣電壓波形平直,紋波小,運行穩(wěn)定。
由中頻逆變高頻PWM實現的高壓電源,在交流中間環(huán)節(jié)實現中頻逆變和高頻調壓后,通過中頻高壓變壓器實現能量的傳遞、電壓值的變換和高壓的絕緣,不需要特殊材料,僅使用中頻高壓變壓器和較小的高壓濾波電容,就可以實現電子束焊機高壓加速電源快速調節(jié),因而制造工藝更簡單,設備體積更小,制造成本也更低,同時具有輸出電壓紋波系數小、故障快速截止保護和放電自動重啟等優(yōu)點。
[1]莫金海,韋壽祺,何少佳,鄒云屏.新型PWM-BUCK電子束焊機穩(wěn)定高壓電源的設計[J].焊接學報,2009,30(6):34-38.
[2]韋壽祺,何少佳.電子束焊機高壓電源快速保護措施[J].電焊機,2004,34(8):56-58.