中頻逆變高頻PWM電子束焊機(jī)高壓電源

黃小東，費(fèi) 翔，陸思恒，郭華艷

（桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司，廣西 桂林 541004）

電子束焊機(jī)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(zhì)。常用的電子束焊機(jī)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(diào)壓→工頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點(diǎn)是電網(wǎng)諧波干擾較小，但設(shè)備笨重，效率低，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)精度差。為早期電子束焊機(jī)產(chǎn)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(diào)壓→工頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點(diǎn)是系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度較快，調(diào)節(jié)精度較高，但高壓濾波電容值較大，對(duì)電網(wǎng)諧波干擾較大，為電子束爐產(chǎn)品普遍采用，但在電子束焊機(jī)產(chǎn)品中逐漸被淘汰。

（3）工頻交流輸入→中頻交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓→中頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點(diǎn)是高壓濾波電容值相對(duì)較小，對(duì)電網(wǎng)諧波干擾較小，調(diào)節(jié)精度較高，但系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度慢，且中頻發(fā)電機(jī)組價(jià)格較高，噪音很大。為目前國(guó)內(nèi)電子束焊機(jī)產(chǎn)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(lián)調(diào)壓→高壓濾波輸出。其特點(diǎn)是高壓濾波電容值小，對(duì)電網(wǎng)諧波干擾小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度最快，調(diào)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(shè)備體積大，制造成本高，僅為俄羅斯、烏克蘭等少數(shù)國(guó)家電子束焊機(jī)產(chǎn)品所采用。

（5）工頻交流輸入→低壓整流濾波→直流脈寬調(diào)制調(diào)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(diǎn)是高壓濾波電容值小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)精度高，設(shè)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(shù)難度大，效率偏低。為目前歐美電子束焊機(jī)產(chǎn)品普遍采用。

以下介紹了一種中頻逆變高頻PWM電子束焊機(jī)高壓電源的設(shè)計(jì)。

1 電源結(jié)構(gòu)及其工作原理

電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電源結(jié)構(gòu)示意圖

電源由三相市電供電，通過(guò)AC→DC→AC→DC電流變換后，由中頻變壓器實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、電壓值的變換和高壓絕緣；同時(shí)將高壓取樣信號(hào)和電子束流信號(hào)的取樣信號(hào)，作為負(fù)反饋信號(hào)，去控制脈寬調(diào)制輸出波的占空比，為電子束焊機(jī)提供穩(wěn)定的電子束功率。

由于實(shí)現(xiàn)的是中頻能量傳遞，因而不僅高壓變壓器的制造工藝更簡(jiǎn)單，而且在高壓整流輸出的直流電的脈動(dòng)頻率，是高頻脈寬調(diào)制頻率的數(shù)倍（倍數(shù)等于單元組個(gè)數(shù)）。

當(dāng)整流波在脈寬調(diào)制的占空比大于50%時(shí)（由中頻變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)保證），無(wú)過(guò)零點(diǎn)，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(shù)指標(biāo)要求。一方面，有利于提高控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度；另一方面，由于其貯能小，高壓放電產(chǎn)生的沖擊自然小，有利于提高電源系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

1.1 逆變器

逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 逆變器電路結(jié)構(gòu)

逆變器，由A、B兩組逆變橋并聯(lián)而成。每組逆變橋包括對(duì)稱的左橋電路和右橋電路。左右橋電路各包括2個(gè)開關(guān)功率管、2個(gè)續(xù)流二極管和1個(gè)緩沖電路。上橋臂開關(guān)功率管與下橋臂開關(guān)功率管串聯(lián)、上橋臂續(xù)流二極管與下橋臂續(xù)流二極管串聯(lián)，并同時(shí)與橋臂緩沖電路并聯(lián)地接于輸入整流濾波器的輸出端。左、右橋電路上的2個(gè)開關(guān)功率管和2個(gè)續(xù)流二極管間的導(dǎo)線，各自相互連接，并分別與中頻高壓變壓器的一側(cè)繞組的兩端相連。

每個(gè)逆變橋輸出的經(jīng)高頻脈寬調(diào)制后的中頻交流電，送入對(duì)應(yīng)的中頻高壓變壓器的一次側(cè)繞組，用于將直流電逆變成中頻交流電，同時(shí)用于高頻脈寬調(diào)制調(diào)壓。

1.2 高壓調(diào)節(jié)器

高壓調(diào)節(jié)器，采用比例－積分（PI）調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，在正常工作時(shí)，其接收高壓設(shè)定信號(hào)和反饋信號(hào)的偏差信號(hào)，輸出送入逆變器驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制輸出波的占空比；在故障判別電路有信號(hào)輸出時(shí)，調(diào)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(yùn)行。

PI參數(shù)的整定，一般是先整定P，再根據(jù)P整定I。之后結(jié)合實(shí)際作調(diào)整[1]。

1.3 逆變器驅(qū)動(dòng)電路

逆變器驅(qū)動(dòng)控制，包括各中頻逆變橋的相序控制和高頻脈寬調(diào)制的占空比控制。各逆變橋的逆變相序和脈寬調(diào)制波相序，受同一時(shí)鐘（CL）控制，各逆變橋間中頻逆變相序呈對(duì)稱分布，逆變器上半橋功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為中頻方波，下半橋功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為中頻方波和高頻脈寬調(diào)制波相“與”邏輯運(yùn)算后的波形。各逆變橋間高頻脈寬調(diào)制波的相序，亦呈對(duì)稱分布，如圖3所示。

圖3 開關(guān)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖

1.4 故障判別電路

故障判別電路，在檢測(cè)電子束流取樣電阻上的電子束流信號(hào)時(shí)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值，就判為電子束流過(guò)流故障；在檢測(cè)高壓取樣電路的輸出信號(hào)時(shí)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值，就判為加速電壓過(guò)壓故障；在檢測(cè)高壓取樣電路的輸出信號(hào)時(shí)，如果產(chǎn)生負(fù)突跳變化，就判為加速電源產(chǎn)生高壓放電故障；在檢測(cè)逆變器驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，檢測(cè)逆變器每個(gè)逆變橋臂的溫度信號(hào)，如果任一橋臂溫度超過(guò)設(shè)定的上限值，就判為逆變器過(guò)載故障；在檢測(cè)逆變器驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，檢測(cè)逆變器每個(gè)功率開關(guān)管的被驅(qū)動(dòng)后的管壓降，如果任一檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定的上限值，就判為逆變器短路故障；故障判別電路，在檢測(cè)逆變器直流供電電流取樣電路的輸出信號(hào)時(shí)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值，就判為供電電流過(guò)流故障。

上述任一故障的產(chǎn)生，故障判別電路都輸出信號(hào)，并立即封鎖高壓調(diào)節(jié)器的輸出。如果產(chǎn)生高壓放電故障，調(diào)節(jié)器輸出被封鎖1～3 ms后，自動(dòng)解除封鎖，實(shí)現(xiàn)高壓自動(dòng)重啟；在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，高壓放電故障發(fā)生次數(shù)，超過(guò)設(shè)定次數(shù)，則判為“永久故障”，此時(shí)與處理其他故障類型的措施一樣，切斷電網(wǎng)供電電源和高壓設(shè)定信號(hào)，待故障排除后，再手動(dòng)重啟高壓[2]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：加速電壓80 kV，束流50 mA。圖4為實(shí)測(cè)的運(yùn)行波形。

圖4 實(shí)際運(yùn)行波形圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

由中頻逆變高頻PWM實(shí)現(xiàn)的高壓電源，在交流中間環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)中頻逆變和高頻調(diào)壓后，通過(guò)中頻高壓變壓器實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)電子束焊機(jī)高壓加速電源快速調(diào)節(jié)，因而制造工藝更簡(jiǎn)單，設(shè)備體積更小，制造成本也更低，同時(shí)具有輸出電壓紋波系數(shù)小、故障快速截止保護(hù)和放電自動(dòng)重啟等優(yōu)點(diǎn)。

[1]莫金海，韋壽祺，何少佳，鄒云屏.新型PWM-BUCK電子束焊機(jī)穩(wěn)定高壓電源的設(shè)計(jì)[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30(6)：34-38.

[2]韋壽祺，何少佳.電子束焊機(jī)高壓電源快速保護(hù)措施[J].電焊機(jī)，2004，34(8)：56-58.