CN103084724B - 电子束熔敷设备逆变加速电源装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子束熔敷设备逆变加速电源装置及其控制方法，其以三相中频逆变桥+中频升压变压器+三相高压整流桥为基本单元，由若干个基本单元高压整流桥输出通过串联和/或并联组成电子束熔敷设备加速电源的整流装置，若干个基本单元的逆变桥的相序呈对称分布，加速电源整流装置的输出电压的脉动频率为逆变频率的6n倍（n为基本单元数），调压控制方式为中频逆变过程兼实现脉宽调制（PWM）,降低逆变功率管的工作频率即能降低开关损耗。本发明采用中频逆变及脉宽调制调压方式，具有逆变开关管的开关损耗小，高压整流波的脉动频率远高于逆变频率的特点。

Description

电子束熔敷设备逆变加速电源装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子束熔敷设备领域，具体涉及一种电子束熔敷设备逆变加速电源装置及其控制方法。

背景技术

加速电源是电子束加工设备的关键部件之一，加速电源的技术指标的静态要求输出电压精度高，纹波小，动态要求调节速度快。根据技术指标要求，在不同时期技术条件下，采用不同的技术策略，如工频自耦变压器机械调压控制方式，工频晶闸管移相控制方式，中频发电机组调压控制方式，不同的技术策略，所达到的技术水平也各不相同。

目前随着半导体器件的发展，加速电源多采用逆变脉宽调制（PWM）调压控制方式。为了减少输出电压的纹波量，采用高频逆变方式，如2012年10月《电焊机》杂志第42卷第10期刊登的“基于DSP的电子束焊接高压逆变电源控制***的研制”，所采用的就是20kH_z的逆变PWM调节，10级电容倍压的方式。这种方式，电容用量太多，由于单个高压电容的容量较少，而体积较大，整个电源的成本和体积都较大。另外，这种方式由于工作频率较高，逆变功率管的开关损耗较大，采用单个H桥逆变电路，对于大功率的加速电源需要特殊的大功率高频开关管，器件解决起来困难较大。另一种逆变方式是采用中频逆变，高频脉宽调制调压方式，如专利号为ZL200810302949.1的中国发明专利公开的“电子束焊机加速高压电源的控制方法及电源装置”，这种方式的特点，电容用量较少，采用一般冷轧硅钢铁芯，能够实现高压整流电压波形为高频脉动波，但仍存在功率管工作频率较高，开关损耗较大，且变压器中高频分量电流较大，会增加铁耗，不利于加速电源向大功率方向发展。

当代逆变技术中，为了较少输出交流电压中的谐波含量，有两种不同的研究方向。一种是两电平研究方向，即利用PWM控制方式，通过提高开关频率的方法，使输出电压波形正弦化；另一种方向是多电平研究方向，即利用增加主电路电平数来减少输出电压中的谐波，并使逆变器的功率管工作在较低频率状态，以减少开关损耗及电磁干扰（EMI）。电子束熔敷设备与电子束焊机同属电子束加工设备，加速电源有很多相似之处，但电子束熔敷设备的功率一般较大，在电子束熔敷设备的逆变加速电源中，可以借鉴逆变技术第二种研究方向的方法来降低逆变频率，便于实现大功率逆变加速电源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电子束熔敷设备逆变加速电源装置及其控制方法，其采用中频逆变及脉宽调制调压方式，具有逆变开关管的开关损耗小，高压整流波的脉动频率远高于逆变频率的特点。

本发明的基本构思是以三相中频逆变桥+中频升压变压器+三相高压整流桥为基本单元，由若干个基本单元高压整流桥输出通过串联和/或并联组成电子束熔敷设备加速电源的整流装置，若干个基本单元的逆变桥的相序呈对称分布，加速电源整流装置的输出电压的脉动频率为逆变频率的6n倍（n为基本单元数），调压控制方式为中频逆变过程兼实现脉宽调制（PWM）,降低逆变功率管的工作频率即能降低开关损耗。采用工频交流输入→低压整流滤波→中频逆变兼脉宽调制调压→中频变压器升压→高压整流滤波输出的技术路线，即AC→DC→AC→DC电流变换模式，通过输出电压的负反馈信号去控制脉宽调制的占空比，进行自动调压，使高加速电源输出电压保持稳定。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

一种电子束熔敷设备逆变加速电源控制方法，电源由三相市电供电，依次采用工频交流输入→低压整流滤波→中频逆变兼脉宽调制调压→中频变压器升压→高压整流滤波输出的电流变换方式，由中频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘。将高压取样信号作为负反馈信号去控制脉宽调制输出波的占空比，电源在交流中间环节实现脉宽调制和中频逆变，为电子束熔敷设备提供稳定的电子束加速电压。采用多相中频逆变技术，高压变压器的铁芯采用冷轧硅钢片即可，高压变压器制造工艺简单；而高压整流输出的直流电压的脉动频率远高于逆变频率（6倍于基本单元组个数），在脉宽调制的占空比大于时（由中频变压器设计参数保证），总整流电压波无过零点，这样选用较小的高压滤波电容值就能滤掉交流成分，满足纹波系数指标要求，一方面有利于提高控制***调节速度，另一方面贮能小，高压放电产生的冲击自然小，有利于提高电源***运行可靠性。

上述用于控制脉宽调制输出波的占空比的信号还包括高压设定信号，该高压设定信号和负反馈信号的偏差信号进行比例-积分运算输出信号去调节逆变器的高频脉宽调输出波的占空比，最终实现输出加速电压的稳定调节。

作为改进，上述用于控制脉宽调制输出波的占空比的信号还包括电网电压取样信号和电子束流给定信号，电网电压取样信号和电子束流给定信号作为前馈信号与高压调节器的输出信号综合后去调节逆变器的脉宽调制输出波的占空比，实现加速电源控制***对电网电压波动干扰和负载即电子束流干扰的快速调节，降低加速电压动态波动幅值。

作为改进，上述电子束熔敷设备逆变加速电源控制方法还包括故障保护控制，即判断加速电压是否超越设定的上限值、电子束流是否超越设定的上限值、是否产生高压放电现象及逆变器任一功率开关管是否异常、逆变器供电回路电流是否超越设定的上限值，上述任一事件的发生都输出信号，并立即封锁高压调节器的输出信号和逆变器的驱动脉冲。

作为改进，上述电子束熔敷设备逆变加速电源控制方法还包括对中频逆变的相序控制，即各逆变桥的逆变相序和脉宽调制波相序受同一时钟控制，各逆变桥间逆变相序呈对称分布。

能够实现上述方法的电子束熔敷设备逆变加速电源装置，包括连接的电网滤波器、输入整流滤波单元、逆变器、高压变压器、高压整流滤波器、高压放电扼流电路、高压取样电路、电子束流取样电阻、高压调节器和逆变驱动电路。电网滤波器的输入端与三相市电相连，电网滤波器的输出端经输入整流滤波单元连接逆变器的输入端。逆变器的输出端连接高压变压器的一次侧绕组，高压变压器的二次侧绕组与高压整流滤波器的输入端相连。高压整流滤波器的高压端经高压放电扼流电路与电子枪的阴极相连，高压整流滤波器的低压端经电子束流取样电阻后与大地和电子枪的阳极相接。高压取样电路并接于高压放电扼流电路输出端与大地之间。高压取样电路连接高压调节器的输入端，高压调节器的输出端接至逆变驱动电路的输入端。逆变驱动电路与逆变器相互连接。

上述方案中，所述逆变器包括2个或2个以上的三相逆变桥、高压变压器包括2个或2个以上的三相变压器、高压整流滤波器包括2个或2个以上的整流桥。1个三相逆变桥、1个三相变压器和1个整流桥组成一个基本单元。各组基本单元的三相逆变桥的输入端均接在输入整流滤波单元的输出上。每组基本单元的三相逆变桥的输出端连接同组基本单元的三相变压器的一次侧绕组，同组基本单元的三相变压器的二次侧绕组连接同组基本单元的整流桥的输入侧。各组基本单元的输出侧相互呈串联和/或并联连接后输出。

上述方案中，当2个整流桥的输出侧呈并联连接时，需通过平衡电抗器进行并联。

作为改进，所述高压调节器为比例－积分调节器结构。此时高压调节器的输出端经由一信号综合器接至逆变驱动电路的输入端。上述高压调节器的另一个输入端与中央控制单元的高压给定信号输出端相连，信号综合器的另一个输入端与中央控制单元的束流给定信号输出端相连。

作为进一步改进，本加速电源装置还进一步包括逆变器供电电压检测元件。此时，逆变器供电电压检测元件的2个测量端并接在输入整流滤波单元的输出端上，逆变器供电电压检测元件输出端连接至信号综合器的又一个输入端上。

上述方案中，所述高压放电扼流电路由电感和高压二极管并联构成。

另外，电子束流取样电阻的取样信号输出端、中央控制单元的电子束流给定信号输出端和故障判别电路的输出端还分别连至电子束熔敷设备中电子束流调节器的输入端。

与现有技术相比，本发明的技术方案在交流中间环节实现中频逆变和脉宽调制调压后，通过高压变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压的绝缘，多组三相高压整流串联和/或并联，总整流电压波的脉动频率远高于逆变频率，使用较小容量的高压滤波电容就可以满足加速电源输出电压的纹波要求，逆变开关管工作于中频（1000H_z以内），开关损耗远小于高频逆变和高频脉宽调制工作状态。

附图说明

图1为本发明电子束熔敷设备逆变加速电源装置一种实施例的结构示意图；图中标号为：1－电网滤波器，2－输入整流滤波单元，3－电压变送器，4－电流变送器，5－逆变器，6－高压变压器，7－高压整流滤波器，8－高压放电扼流电路，9－高压取样电路，10－电子束流取样电阻，11－故障判别电路，12－中央控制单元，13－高压调节器，14－信号综合器，15－逆变驱动电路。

图2为基本单元结构示意图。图中标号为：5-1－U相左上桥臂开关功率管，5-2－U相左下桥臂开关功率管，5-3－U相左上桥臂续流二极管，5-4－U相左下桥臂续流二极管，5-5－U相桥臂缓冲电路，5-6－V相桥臂电路，5-7－W相桥臂电路，5-8－逆变器检测模块，6-1－高压变压器一次侧绕组，6-2－高压变压器二次侧绕组，7-1－高压整流桥，7-2－高压滤波电容。

图3为图1中逆变器各开关功率管驱动信号波形图（占空比50%）。

图4为本发明电子束熔敷设备逆变加速电源装置另一种实施例的结构示意图。图中标号为：1－电网滤波器，2－输入整流滤波单元，3－电压变送器，4－电流变送器，5－逆变器，6－高压变压器，7－高压整流滤波器，7-3－平衡电抗器，8－高压放电扼流电路，9－高压取样电路，10－电子束流取样电阻，11－故障判别电路，12－中央控制单元，13－高压调节器，14－信号综合器，15－逆变驱动电路。

具体实施方式

本实施例的电子束熔敷设备逆变加速电源装置，如图1所示，主要由电网滤波器1、输入整流滤波单元2、电压变送器3、电流变送器4、逆变器5、高压变压器6、高压整流滤波器7、高压放电扼流电路8、高压取样电路9、电子束流取样电阻10、故障判别电路11、中央控制单元12、高压调节器13、信号综合器14和逆变驱动电路15构成。

电网滤波器1的输入端与三相四线制电网相接，其输出送入输入整流滤波单元2的交流侧，用于切断电磁干扰(EMI)传播途径。

输入整流滤波单元2用于将三相交流电变换成平直的不可控正负直流电，正负直流电的中点与电网的零线相接，其输出的平直的正负直流电送入逆变器5各逆变桥的正负输入端。

电压变送器3即逆变器供电电压检测元件用于检测输入整流滤波单元2输出正负直流电的幅值，其输出电压信号U_s与逆变桥输入电压成比例，其输入端并接在输入整流滤波器2输出正负极之间，输出端送入信号综合器14的一输入端。

电流变送器4即逆变器供电电流检测元件用于检测输入整流滤波单元2输出正负电流的总和，其输出电压信号U_is与逆变器工作电流成比例。电流变送器4的输入端串接在输入整流滤波单元2输出端与逆变器5的输入端之间，输出端送入故障判别电路11的输入端。

逆变器5由2个或2个以上的三相逆变桥组成，用于将直流电逆变成中频交流电，同时用于脉宽调制调压。每个三相逆变桥输出的经脉宽调制后的中频交流电送入对应的高压变压器6的一次侧绕组。

高压变压器6包括2个或2个以上的三相变压器，其个数与逆变桥的个数相同，每个变压器的铁心采用冷轧硅钢片材料，用于实现电量的传递、电压值的变换和高压绝缘。每个变压器二次侧绕组输出的中频高压电送入对应的整流桥的交流输入侧。

高压整流滤波器7包括2个或2个以上的整流桥，其个数也与逆变桥的个数相同。高压整流滤波器7将高压中频交流电变换成平直的高压直流电。每个整流桥输出经高压电容滤波后再串联和/或并联输出，该输出高压端接至高压放电扼流电路8，输出低压端经电子束流取样电阻10后与大地和电子枪的阳极相接。

1个逆变器加1个高压变压器加1个高压整流桥组成一个基本单元。基本单元的结构如图2所示。每个逆变器由一个三相逆变桥和逆变器检测模块5-8组成，三相逆变桥的每个桥臂由2个开关功率管（如U相左上桥臂开关功率管5-1和U相左下桥臂开关功率管5-2）、2个快速二极管（如U相左上桥臂续流二极管5-3和U相左下桥臂续流二极管5-4）以及缓冲电路（如U相桥臂缓冲电路5-5）组成。三相逆变桥工作于180°逆变方式，逆变器检测模块5-8用于检测每个开关功率管是否短路和是否过载，其输出接至故障判断电路11的一输入端。每个三相变压器的一次侧绕组6-1为带中线的星形接法，中线与电网的零线相接，每个三相变压器二次侧绕组6-2为星形或三角形接法。每个整流桥7-1由6只高压二极管组成。

高压放电扼流电路8用于抑制高压放电电流的上升速率，减缓放电产生的电磁冲击强度，其输出接至电子枪的阴极。在本发明中，所述高压放电扼流电路8由电感和高压二极管并联构成。

高压取样电路9并接于高压放电扼流电路8输出端与大地之间，用于测量加速电压值，输出正比于加速电压的电压信号U_a，其输出的信号同时送入高压调节器13作为负反馈信号，和送入故障判别电路11用于判断高压过压及高压放电的依据。

电子束流取样电阻10串接于加速电源输出回路的低压端与大地之间，用于检测电子束流值，此电阻两端输出正比于电子束流大小的电压信号U_e。其输出的信号分别送入故障判别电路11用于判断电子束过流的依据，和送入电子束熔敷设备中央控制单元12的电子束流调节器作为电子束流负反馈信号。

故障判别电路11接受来自高压取样电路9、电子束流取样电阻10和电流变送器4的输出信号U_a、U_e和U_is，故障判别电路11同时接受来自逆变器检测模块5-8，对加速电源运行状态实时监控，出现异常时输出故障信号U_er，第一路送入高压调节器13用于封锁高压调节器的输出，第二路送入逆变驱动电路15用于封锁驱动电路的输出，第三路送入电子束流调节器用于封锁电子束流调节器的输出，第四送入电子束熔敷设备中央控制单元12，用于实现加速电源的多重保护、与其它部分的连锁保护和故障提示。故障判别电路11用于判断加速电压是否超越设定的上限值、电子束流是否超越设定的上限值、是否产生高压放电现象及逆变器5任一功率开关管是否异常、供电回路电流是否超越设定的上限值，任一事件的发生都输出信号即U_er为高电平。

中央控制单元12由计算机或可编程控制器（PLC）承担数字设定经数模转换（DAC）产生高压设定信号U_a ^*送入高压调节器13，用于产生加速电压的设定波形，包括升降斜率和工作电压的设定。

高压调节器13为比例－积分（PI）调节器结构，用于加速电压的精度控制，并保证加速电源稳定运行。正常工作时，接收中央控制单元12输出的高压设定信号U_a ^*和高压取样电路9输出的反馈信号U_a，其输出U_c送入信号综合器14；故障判别电路11有信号输出时，高压调节器13的输出被封锁。

信号综合器14还接受电压变送器3的输出信号U_s和中央控制单元12数字设定经数模转换（DAC）产生电子束流设定信号U_e ^*。把高压调节器13的输出信号U_c、电压变送器3的输出信号U_s和电子束流给定信号U_e ^*线性叠加后输出信号接至逆变驱动电路15，调节脉宽调制输出波的占空比。

逆变驱动电路15用于产生逆变器5中各功率开关管合理的驱动脉冲。其产生的驱动波形经隔离放大后分别接至逆变器5中各个功率开关管的控制极。故障判别电路11有信号输出时，逆变驱动电路15的输出被封锁。

电子束熔敷设备逆变加速电源的控制方法，包括输出高压的稳定调节控制，逆变器5驱动控制及故障保护控制。

所述输出高压的稳定调节控制：电子束熔敷设备逆变加速电源采用工频交流输入→低压整流滤波→中频逆变兼脉宽调制调压→中频变压器升压→高压整流滤波输出的电流变换方式，即通过AC→DC→AC→DC电流变换方式，由中频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘，在交流中间环节采用脉宽调制技术调节加速电源的输入。高压调节器13根据高压设定信号和反馈信号进行比较、比例－积分运算输出信号去调节逆变器5的脉宽调制输出波的占空比，最终实现输出高压的稳定调节。

此外，所述输出高压的稳定调节控制还包括电网波动和负载变化的动态抗干扰调节，把电网电压取样信号U_s和电子束流给定信号U_e ^*作为前馈信号与高压调节器13的输出信号U_c综合后输出信号去调节逆变器5的脉宽调制输出波的占空比，抑制电网波动负载波动引起加速电源电压的动态波动。

此外，所述逆变器5驱动控制还包括各中频逆变桥的相序控制,各逆变桥的逆变相序和脉宽调制波相序受同一时钟CL控制，各逆变桥间中频逆变相序呈对称分布，如图3所示。

本控制方法的故障保护控制包括下列步骤：故障判别电路11检测电子束流取样电阻10上的电压信号U_e，如果超过设定的上限值判为电子束流过流故障；故障判别电路11检测高压取样电路9的输出电压信号U_a，如果超过设定的上限值判为加速电压过压故障,如果产生负突跳变化判为加速电源产生高压放电故障；逆变器检测模块5-8检测每个功率开关管的温度信号，任一功率开关管温度超过设定的上限值判为逆变器5过载故障；逆变器检测模块5-8检测每个功率开关管的被驱动后的管压降，任一检测值超过设定的上限值判为逆变器5短路故障；故障判别电路11检测逆变器5直流供电电流取样电路的输出信号，如果超过设定的上限值判为供电电流过流故障。上述任一故障的产生故障判别电路11输出信号U_er都变为高电平，并立即封锁高压调节器13和逆变驱动电路15的输出。如果产生高压放电故障，封锁高压调节器13、逆变驱动电路15和电子束流调节器的输出，同时中央控制单元12将输出信号U_a ^*和U_e ^*置零，1-3毫秒后自动解除封锁，实现高压自动重启；在设定时间段内高压放电故障发生次数超过设定次数则判为“永久故障”，此时与处理其它故障类型的措施一样切断电网供电电源和设定信号，待故障排除后，再手动重启高压。

下面对本实施例的实施方式进行说明：电子束熔敷设备逆变加速电源直接由三相市电整流后供电，逆变器5把直流电逆变成中频交流电，通过中频变压器升压后整流输出高压直流电；加速电源采用输出电压负反馈控制方式，逆变器5在逆变过程同时实现脉宽调制调压。动态过程脉宽调制的占空比还受电网电压取样信号U_s ^*和电子束流给定信号U_e ^*控制。逆变器5由两个三相桥式逆变电路组成，每个逆变桥的逆变频率相同，脉宽调制的频率及占空比亦相同，两个逆变桥之间中频逆变波形的相位差呈对称分布。一个逆变器5加一个高压变压器6加一个高压整流器7组成一个逆变供电基本单元，两个单元的输出经过串联和/并联连接后总输出作为电子束的加速电源。这样中频变压器的铁心可采用0.2mm～0.35mm厚的常用冷轧硅钢片叠成，整个中频变压器制造工艺简单，而高压整流输出的直流电的脉动频率却是中频逆变频率的12倍，总整流波在脉宽调制占空比大于时(由中频变压器设计参数保证)无过零点，选用较小的高压滤波电容值就能滤掉交流成分，满足纹波系数指标要求，一方面有利于提高控制***调节速度，另一方面贮能小，高压放电产生的冲击自然小，有利于提高电源***运行可靠性。逆变功率管工作频率较低，开关损耗小。

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了两组逆变桥的实施方法，其图1中两组高压整流后相串联输出，图4中两组高压整流后通过平衡电抗器7-3并联输出，其余部分功能与图1相同。但本发明的保护不限于上述两组逆变桥实施例，只要电子束熔敷设备的逆变加速电源在交流中间环节实现中频逆变和脉冲调制调压即属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.电子束熔敷设备逆变加速电源控制方法，其特征在于：电源由三相市电供电，依次采用工频交流输入→低压整流滤波→中频逆变兼脉宽调制调压→中频变压器升压→高压整流滤波输出的电流变换方式，由中频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘；将高压取样信号作为负反馈信号去控制脉宽调制输出波的占空比，电源在交流中间环节实现脉宽调制和中频逆变，为电子束熔敷设备提供稳定的电子束加速电压。

2.根据权利要求1所述的电子束熔敷设备逆变加速电源控制方法，其特征在于：用于控制脉宽调制输出波的占空比的信号还包括高压设定信号，该高压设定信号和负反馈信号的偏差信号进行比例-积分运算输出信号去调节逆变器(5)的高频脉宽调输出波的占空比，最终实现输出加速电压的稳定调节。

3.根据权利要求2所述的电子束熔敷设备逆变加速电源控制方法，其特征在于：用于控制脉宽调制输出波的占空比的信号还包括电网电压取样信号和电子束流给定信号，电网电压取样信号和电子束流给定信号作为前馈信号与高压调节器(13)的输出信号综合后去调节逆变器(5)的脉宽调制输出波的占空比，实现加速电源控制***对电网电压波动干扰和负载即电子束流干扰的快速调节，降低加速电压动态波动幅值。

4.根据权利要求1所述的电子束熔敷设备逆变加速电源控制方法，其特征在于：还进一步包括对中频逆变的相序控制，即各逆变桥的逆变相序和脉宽调制波相序受同一时钟控制，各逆变桥间逆变相序呈对称分布。