半橋逆變型電子束焊機(jī)用直流高壓電源的設(shè)計(jì)

電子束焊機(jī)用高壓電源的高效小型化是電子束焊機(jī)的發(fā)展需要[1]。電子束焊機(jī)從當(dāng)初的試驗(yàn)室應(yīng)用發(fā)展到應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域以來，其高壓電源亦經(jīng)過了近50年的 發(fā)展歷程。從高壓電源的發(fā)展階段看，最初的高壓電源由調(diào)壓器人工開環(huán)控制和調(diào)節(jié)高壓，整流器件為閘流管，這種原始的控制和調(diào)節(jié)僅滿足于試驗(yàn)研究和要求不高 的應(yīng)用場合。體積大、效率低、操作復(fù)雜和可靠性差是該種電源的主要缺點(diǎn)。隨著近代電子技術(shù)及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，一些先進(jìn)的元器件如晶閘管被成功地應(yīng) 用到高壓電源的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域。由于電源采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了高壓的自動控制和調(diào)節(jié)，這使電源的穩(wěn)定性、紋波電壓及可靠性等技術(shù)指標(biāo)都得到了顯著的提高， 而高壓電源性能的提高也改善了電子束焊機(jī)的焊接質(zhì)量，促進(jìn)了電子束焊機(jī)的發(fā)展。

自上世紀(jì)90年代以來，新型電力電子器件（如IGBT）、數(shù)字控制技術(shù)及自動控制技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，更加促進(jìn)了電子束焊機(jī)電源的發(fā)展。西方國家開 始應(yīng)用現(xiàn)代新技術(shù)和新材料研制電子束焊機(jī)，如比較大型的電子束焊機(jī)及電子束技術(shù)應(yīng)用生產(chǎn)線均采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)人工智能化操作和管理。一般小型機(jī)則采用 PLC控制，由于PLC具有較強(qiáng)的抗干擾能力及控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)對電子束焊機(jī)的可靠控制。

2　高壓電源的主電路系統(tǒng)和參數(shù)

高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主電路如圖2所示。它主要由以下電路組成。

2.1　EMC濾波電路

開關(guān)電源工作時會產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲返回到市電網(wǎng)絡(luò)，影響電源控制電路的正常工作，并對其它的電器設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此必須加以克服[2]。本電源采用EMC濾波 電路，主要由L和C組成的電源線路濾波器，包括差模抑制和共模抑制電路，能有效抑制差模和共模噪聲。

2.2　可控整流電路

可控整流電路由集成一體化智能調(diào)壓模塊組成，電感L1和電容C3組成濾波電路以獲得較為平穩(wěn)的直流電壓，Rc和Rd組成精密的反饋取樣電路，確保輸出電壓在控制電路的作用下保持穩(wěn)定。

2.3　IGBT逆變電路

逆變電路由半橋電容C、IGBT、高壓變壓器、保護(hù)元件等組成。IGBT為富士公司的快速系列模塊，其型號為1MBH600-100。T為高壓變壓器，經(jīng) IGBT逆變后的方波電壓經(jīng)高壓變壓器升壓到40kV左右的高頻交流電壓。由于高壓線圈的匝數(shù)較多，在高頻時，寄生電容和自感會影響電源的輸出特性 [3]，因此須對線圈采取靜電屏蔽，另外由于對地電容的作用，束流取樣電阻上會疊加一高頻交流信號[4]，必須采取補(bǔ)償措施加以消除。本電源采用雙屏蔽措 施來消除束流干擾信號，即在高低壓線圈之間加裝雙層屏蔽，第一層屏蔽接地，第二層接在束流取樣電阻上。VL11、R9、C9、VL21、R19、C19組 成IGBT的尖峰電壓吸收電路，確保IGBT的安全工作。

2.4　高壓整流電路

高壓整流電路由高頻高壓硅堆、高壓濾波電容器、保護(hù)電阻及取樣電路組成。由于經(jīng)高壓變壓器升壓后的電壓具有較高的頻率，所以選用高頻高壓快速整流硅堆以滿 足高頻高壓整流的需要。濾波電容器選用高壓聚苯乙烯電容器，這種電容器具有較小的tgδ及高頻性能，對電源的輸出特性影響小。為有效地限制短路電流及電源 內(nèi)部過電壓的限流電阻和保護(hù)電阻，均采用具有熱性能穩(wěn)定、自感小、通流容量大，具有較強(qiáng)的耐受過電壓、電流沖擊能力的實(shí)體電阻。取樣電路中的高壓取樣信號由精密電阻分壓器獲得，分壓器由精密線繞無感電阻制成，頂部加裝屏蔽電極，保證取樣電壓的穩(wěn)定。電子束流取樣亦通過精密無感線繞電阻制成，兩種取樣電阻均 放在電磁屏蔽盒里，防止干擾信號進(jìn)入控制電路。

3　控制電路

控制電路由PI給定調(diào)節(jié)電路、PWM及其驅(qū)動電路等組成。整流控制電路保證市電整流后輸出電壓的穩(wěn)定。PI給定調(diào)節(jié)電路和PWM及其驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)直流高壓的穩(wěn)定和自動調(diào)節(jié)。各部分電路的工作原理如下。

3.1　整流移相控制電路

整流控制電路為集成在調(diào)壓模塊內(nèi)的厚模集成電路。整流后的直流電壓經(jīng)電阻分壓器取樣并經(jīng)電量隔離電路送入PI調(diào)節(jié)器的反饋端，PI調(diào)節(jié)器在給定和反饋的共 同作用下，并經(jīng)放大后輸出一直流信號給智能調(diào)壓模塊控制端，以控制晶閘管的觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。輔助電源采用集成一體化高精度線性電源， 各電源地分別獨(dú)立，以減小地電流干擾信號對控制電路的影響。

3.2　PI給定調(diào)節(jié)電路

PI給定調(diào)節(jié)電路由PLC和D/A模塊、PI調(diào)節(jié)器、反饋信號取樣及隔離電路等組成。給定信號由PLC程序設(shè)置，它包含了上升斜波函數(shù)及下降斜波函數(shù)，運(yùn) 算后的數(shù)字量經(jīng)D/A模塊輸出到給定電位器，調(diào)節(jié)電位器能調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)的給定信號的大小。反饋信號取自高精密電阻分壓器的低壓臂并經(jīng)電量隔離電路輸入到 PI調(diào)節(jié)器的反饋端。PI調(diào)節(jié)器由TL494[6]內(nèi)部放大器和外接電阻電容組成，具體原理電路如圖2所示。

3.3　PWM及其驅(qū)動電路

PWM及其驅(qū)動電路的電原理圖如圖3所示。PWM信號由TL494調(diào)制，TL494內(nèi)部的另一放大器外接電流信號作為過流保護(hù)用。電流傳感器采用LEM公 司生產(chǎn)的電流檢測隔離器件，能保證控制電路和主電路的可靠隔離，具有動態(tài)響應(yīng)快、取樣電流信號與輸出電流線性度好的特點(diǎn)，能有效克服高壓電路的干擾信號對 取樣電路的影響。反饋信號和給定信號在PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后經(jīng)TL494調(diào)制成兩路互補(bǔ)的PWM脈沖。TL494輸出的脈沖送入到IGBT的專用驅(qū)動模塊 EXB840的輸入端，IGBT的驅(qū)動電路采用富士公司的EXB840專用驅(qū)動1200V、70A的模塊，內(nèi)部采用2500V光電隔離電路，其輸入電壓為 ＋20V，其中＋15V作為IGBT的正向驅(qū)動電壓，－5V是IGBT關(guān)斷時加在IGBT的柵極與發(fā)射極之間的反向電壓，使之可靠關(guān)斷。腳14外接 TL494輸出的PWM信號驅(qū)動IGBT，腳6通過二極管接到IGBT來檢測IGBT的過流信號，腳4外接控制電路把過流信號輸入到PLC，PLC對其進(jìn) 行運(yùn)算和處理后發(fā)出過流信號?？刂齐娐返墓ぷ鬟^程為經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用后的信號輸入到TL494內(nèi)部，TL494輸出PWM脈沖，其占空比由PI調(diào)節(jié)器輸出 信號的大小來決定，具有一定占空比的PWM脈沖經(jīng)EXB840作用后驅(qū)動IGBT，從而實(shí)現(xiàn)變壓器輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

4　保護(hù)電路

高壓電源在工作時，電源的內(nèi)部會產(chǎn)生過電壓或過電流以致?lián)p壞電源或IGBT，因此必須設(shè)置保護(hù)電路來保證電源的安全。電源設(shè)置了過壓保護(hù)、梯度上升及下降 電路和過流保護(hù)電路。過流保護(hù)采用了三級保護(hù)：第一級是EXB840電路本身的過流保護(hù)檢測功能，即在IGBT過流時，IGBT驅(qū)動模塊的腳6會檢測到過 流信號而直接封鎖輸出脈沖，關(guān)斷IGBT，同時EXB840的腳4經(jīng)過外接電路輸出信號給PLC，PLC經(jīng)過程序運(yùn)算后，一方面發(fā)出過流信號指示，另一方 面給晶閘管移相控制電路提供封鎖脈沖信號，關(guān)斷晶閘管主電路。第二級保護(hù)是利用TL494的內(nèi)部放大器的腳15、16外接電流隔離傳感器，當(dāng)檢測到的電流 信號超過設(shè)定值時，TL494封鎖輸出脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對IGBT的關(guān)斷。第三級保護(hù)是高壓側(cè)電子束流過流保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過電流時，束流取樣信號反饋到控制電 路，控制電路發(fā)出過流信號給PLC，PLC分別發(fā)出關(guān)斷主電路和過流顯示信號，從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。電源還設(shè)置了過壓保護(hù)電路，能有效地對電源的過電壓進(jìn)行 保護(hù)，在高壓電源的內(nèi)部還加裝了限流電阻及保護(hù)電阻，能有效地限制過電流和過電壓。為了克服開機(jī)時市電對電源的沖擊，通過PLC內(nèi)部程序設(shè)置了軟啟動斜坡 函數(shù)，經(jīng)D/A模塊運(yùn)算后作為PI調(diào)節(jié)器的給定，實(shí)現(xiàn)電源的軟啟動。

5　電源系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

電源的技術(shù)指標(biāo)如下：

輸入電壓220V，50Hz；

輸出電壓0～60kV，紋波系數(shù)<1％，穩(wěn)定度10－4；

電子束流0～167mA，紋波系數(shù)<1％；

逆變頻率20kHz；

輸出功率0～10kW；

效率>80％。

6　結(jié)語

經(jīng)試驗(yàn)，電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。電子束焊機(jī)用高壓電源采用逆變式高壓電源，有利于整個設(shè)備的小型化，特別適用于便攜式電子束焊機(jī)，提高了設(shè)備的使用效率，較容易實(shí)現(xiàn)對高壓的自動化聯(lián)鎖保護(hù)，使得設(shè)備操作更加簡單。

大功率電子束焊機(jī)用高壓電源采用逆變電源還需要進(jìn)一步地研究。對于大功率焊機(jī)電源（30kW以上），體積和能耗處于相對非突出位置，另一方面大功率電源的 高壓放電時的保護(hù)技術(shù)、高頻變壓器的制造技術(shù)、逆變控制技術(shù)等有待于進(jìn)一步地研究和開發(fā)。

由于可靠性和電源效率的提高，中等功率的焊機(jī)采用本設(shè)計(jì)的高壓電源（3～15kW）值得推廣和應(yīng)用。在高壓打火時電源對低壓電路的影響、IGBT的過流和過壓保護(hù)、EMC等方面采取了有效的措施，保證了電子束焊機(jī)的工作需要。

高壓焊機(jī)用高壓電源（150kV）采用逆變高壓電源，在高壓聯(lián)鎖保護(hù)方面優(yōu)點(diǎn)明顯，對電子束斑品質(zhì)的改善、焊接工藝的提高方面尤其如此。開展高壓焊機(jī)用高壓電源的研究是我國電子束焊機(jī)制造業(yè)的新課題，本電源的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對高壓焊機(jī)用高壓電源的研究具有參考意義。