張 桐 ，陳曉菲 ，楊曉冬

（ 1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；2. 上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112；3. 上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112 ）

RC 脈沖電源也稱(chēng)馳張式脈沖電源， 因其具有可實(shí)現(xiàn)極窄脈寬和極低能量的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在微細(xì)電火花加工中。 研究表明，低開(kāi)路電壓下RC脈沖電源也能實(shí)現(xiàn)電火花加工，并且由于具有更小的放電能量，因此對(duì)于進(jìn)一步提高微細(xì)電火花的微細(xì)化程度具有積極意義[1-3]。 放電過(guò)程中的電壓和電流信號(hào)是放電狀態(tài)識(shí)別的重要依據(jù)，為改善低電壓下微能RC 脈沖電源的伺服控制效果， 進(jìn)而提高微細(xì)電火花的加工效率， 有必要對(duì)低電壓下RC 脈沖電源放電波形進(jìn)行深入研究，進(jìn)而提高放電狀態(tài)識(shí)別的準(zhǔn)確性。

針對(duì)RC 脈沖電源的放電波形， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究，其中一個(gè)具有爭(zhēng)議的問(wèn)題是維持電壓是否存在。 李文卓[3]、石煜[4]通過(guò)波形觀測(cè)和理論分析得出RC 脈沖電源放電過(guò)程中不存在維持電壓的結(jié)論，但其忽略了電路中寄生參數(shù)的影響。 孫術(shù)發(fā)[5]、Qian[6]、Yang[7]、華晗[8]分析電路中寄生參數(shù)對(duì)于RC 脈沖電源放電波形的影響， 并通過(guò)觀測(cè)驗(yàn)證了RC 脈沖電源放電波形也存在維持電壓。 以上這些研究都是針對(duì)40 V 以上較高開(kāi)路電壓的RC 脈沖電源放電波形， 但并未針對(duì)開(kāi)路電壓低于20 V 情況下微能RC 脈沖電源進(jìn)行放電波形研究。 為明確低電壓下微能RC 脈沖電源放電波形特點(diǎn)， 本文進(jìn)行了觀測(cè)和對(duì)比分析。

1 放電波形測(cè)量方法

采用表1 所示的參數(shù)，形成圖1 所示的低電壓下RC 脈沖電源放電波形測(cè)量電路， 將P6100 電壓探頭接在充電電容兩端， 測(cè)量充電電容兩端電壓；將TPP0201 電壓探頭接在電極末端和工件放電點(diǎn)之間，測(cè)量放電間隙兩端電壓；用TCP312 電流探頭測(cè)量電路電流，并通過(guò)TCPA300 放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；所測(cè)量的波形利用TBS1154 示波器進(jìn)行觀測(cè)和記錄。 圖中：U 為開(kāi)路電壓，R 為限流電阻，Ce為充電電容，Lp為寄生電感，Rp為線路電阻，Cp為寄生電容，UCe為電容兩端電壓，Ugap為放電間隙兩端電壓；i 為電路電流。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

圖1 低電壓下RC 脈沖電源放電波形測(cè)量電路示意圖

2 測(cè)量結(jié)果與分析

2.1 充電電容兩端電壓

圖2 是在不同充電電容Ce和不同開(kāi)路電壓U下測(cè)量得到的充電電容兩端電壓UCe， 根據(jù)波形可知在任何條件下，UCe波形在放電過(guò)程中均呈現(xiàn)持續(xù)的下降特征，無(wú)維持電壓存在。

圖2 不同充電電容和開(kāi)路電壓下充電電容兩端電壓波形

此外，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ce≤100 nF 時(shí)，在第一次放電后UCe出現(xiàn)振蕩，并且隨著Ce增大，振蕩周期逐漸增大；當(dāng) Ce≥1 μF 時(shí)，放電波形振蕩逐漸消失。這是由于當(dāng)放電間隙發(fā)生擊穿形成放電通道之后，放電回路中的充電電容和線路中的寄生參數(shù) （寄生電感、寄生電容、極間阻抗等）在滿(mǎn)足一定條件下發(fā)生電磁振蕩。 如圖1 所示，測(cè)量所得的充電電容兩端電壓UCe其實(shí)包含了線路中寄生參數(shù)的影響， 因此并不能真實(shí)地反映放電間隙兩端電壓。

2.2 放電間隙兩端電壓和放電電流

通過(guò)對(duì)表1 所示條件下測(cè)得的大量放電波形進(jìn)行分析歸納，可知根據(jù)放電次數(shù)可分為一次放電波形和兩次放電波形，一次放電情況下根據(jù)放電結(jié)束時(shí)放電間隙兩端電壓Ugap值是否降為0 又可分為完全放電波形和不完全放電波形。 隨著充電電容Ce的增大和開(kāi)路電壓U 的增大，不完全放電比例和兩次放電波形比例增大，完全放電比例減小。

2.2.1 完全放電波形

圖3 是不同參數(shù)條件完全放電情況下間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 放電波形，放電結(jié)束時(shí)Ugap值均降為0 V。在放電開(kāi)始后，放電間隙兩端電壓迅速下降至0~5 V 區(qū)間內(nèi)，之后進(jìn)入維持階段。 根據(jù)參數(shù)條件不同，在維持階段的前半部分間隙兩端電壓幾乎不變（圖3a）或略微上升（圖3b），在此過(guò)程中放電電流逐漸增大，在維持階段的后半部分間隙兩端電壓均緩慢下降至0 V 左右并呈現(xiàn)略微的振蕩，放電電流也隨之逐漸減小并經(jīng)過(guò)振蕩后減小到0 A。 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)路電壓U 增大，完全放電形式出現(xiàn)比例逐漸減少，當(dāng)U=50 V 時(shí)，幾乎很難出現(xiàn)完全放電。

電火花加工放電通道的熱流體仿真結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)后的放電通道兩端應(yīng)該始終存在電勢(shì)差[9]，這是因?yàn)殡娀鸹庸ぶ械姆烹娡ǖ来嬖谝欢ǖ淖杩埂Ｔ诰w管脈沖電源情況下，由直流電源可持續(xù)為放電間隙提供穩(wěn)定能量的獨(dú)立脈沖電源，因此存在穩(wěn)定的維持電壓； 而RC 脈沖電源所形成的放電通道是由充電電容Ce來(lái)提供能量的，放電過(guò)程中隨著Ce中存儲(chǔ)電荷不斷減少， 導(dǎo)致放電通道無(wú)法維持穩(wěn)態(tài)，其兩端電勢(shì)差逐漸下降，由此導(dǎo)致了維持階段后半部分的維持電壓逐漸減小的情況。 而維持階段的前半部分對(duì)應(yīng)放電通道的形成過(guò)程，間隙兩端電壓和放電電流呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2.2.2 不完全放電波形

圖3 完全放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

圖4 不完全放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

圖4 是不同參數(shù)條件不完全放電情況間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 的放電波形， 放電結(jié)束時(shí)間隙兩端電壓Ugap值均未降至0 V。 當(dāng)U=12.5 V、Ce=1 μF 時(shí)， 不完全放電波形存在兩個(gè)不同的維持電壓，其原因可認(rèn)為較低維持電壓下的放電通道易受放電過(guò)程中極間狀態(tài)瞬時(shí)變化的影響而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，從而出現(xiàn)維持電壓的變化，其中較低的維持電壓與完全放電時(shí)維持電壓大小相等，都在5 V 左右， 而較高的維持電壓則在15~20 V 附近振蕩；當(dāng)U=25 V、Ce=10 nF 時(shí)， 不完全放電波形存在一個(gè)維持電壓，也在15~20 V 左右振蕩。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著開(kāi)路電壓U 的增大，不完全放電比例增大，而且具有單一維持電壓的不完全放電比例增大，這是由于隨著開(kāi)路電壓U 的增大， 充電電容Ce充電后存儲(chǔ)的電荷量增加， 導(dǎo)致單次放電逐漸難以實(shí)現(xiàn)完全放電，因此隨著開(kāi)路電壓U 的增大，不完全放電的比例增大。

2.2.3 兩次放電波形

圖5 是不同參數(shù)條件二次放電情況下的間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 的放電波形， 經(jīng)過(guò)兩次放電后間隙電壓Ugap下降至0 V 左右。比較發(fā)現(xiàn)，圖5a 和圖5b 所示不同參數(shù)條件第一次放電時(shí)的放電間隙兩端電壓Ugap分別與圖4a 和圖4b 中不完全放電時(shí)的波形特征相同， 而第二次放電的Ugap又分別與圖3a 和圖3b 中完全放電時(shí)的波形特征相同。 當(dāng)出現(xiàn)不完全放電時(shí)， 充電電容Ce中將殘余電荷，此時(shí)若極間狀態(tài)受到某種干擾發(fā)生變化，則Ce會(huì)發(fā)生第二次放電，并且由于第二次放電是基于Ce的殘余電荷進(jìn)行的，因此會(huì)發(fā)生完全放電。

圖5 二次放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

3 結(jié)論

針對(duì)低開(kāi)路電壓下的微能RC 脈沖電源放電波形進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)不同充電電容和開(kāi)路電壓下的充電電容兩端電壓、放電間隙兩端電壓及放電回路的電流波形進(jìn)行了對(duì)比和分析，得到以下結(jié)論：

（1）由于放電回路中寄生參數(shù)的存在，低開(kāi)路電壓下測(cè)量所得的RC 脈沖電源充電電容兩端電壓和放電間隙兩端電壓存在明顯不同，充電電容兩端電壓并不能直接反映極間放電狀態(tài)。

（2）與脈沖電源的類(lèi)型及極間開(kāi)路電壓的大小無(wú)關(guān)， 電火花加工放電過(guò)程中必然存在維持電壓，這是由放電通道兩端存在電勢(shì)差的物理屬性決定的。

（3）低開(kāi)路電壓下微能RC 脈沖電源的維持電壓受到充電電容存儲(chǔ)電荷的變化和極間放電狀態(tài)的影響而發(fā)生變化。