CN111478596A - 一种电子枪灯丝电源、电子加速器及其控制方法 - Google Patents

一种电子枪灯丝电源、电子加速器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电子枪灯丝电源、电子加速器及其控制方法，属于辐照加工领域。包括：三相桥式不控整流电路，用于对三相输入交流电压进行整流，得到直流电压；逆变电路，包括，LLC逆变器用于将三相桥式不控整流电路输出的直流电压转化为频率为150kHz以上的交流电压，高频变压器用于降低LLC逆变器输出的交流电压幅值，降低后的交流电压用于电子枪灯丝的供电；采样电路，用于采样三相桥式不控整流电路的输入电压和输出电压、逆变电路的输出功率；控制电路，用于根据采样到的逆变电路输出功率值，动态调整逆变器工作频率以改变其输出功率，解决了电子枪灯丝电源控制精度低、响应速度慢的问题，结合提出的电子加速器及其控制方法，实现加速器束流稳定输出。

Description

一种电子枪灯丝电源、电子加速器及其控制方法
技术领域
本发明属于辐照加工设备中电子加速器领域，更具体地，涉及一种电子枪灯丝电源、电子加速器及其控制方法。
背景技术
电子辐照加速器在辐照工业领域中应用广泛，如用于生产辐照交联电线电缆、热缩管、橡胶硫化处理、工厂“三废”污染物的处理等，具有良好的经济效益。目前，国内辐照产业规模日益扩大，对电子加速器数量和质量的需求逐年提高。绝缘芯变压器作为一种能量利用率高达80％以上，稳定可靠的加速器机型，特别受到低能区辐照加工应用的欢迎。
电子辐照加速器的辐照效果与束流大小及稳定性紧密相关，而束流品质和电子枪灯丝电源密切相关，因此提供高精度可控且稳定输出的电子枪灯丝电源对于提升绝缘芯变压器型辐照加速器性能具有重要意义。
传统的电子枪灯丝电源为调压器方案，通过控制电机和机械结构带动调压器触头位置变化进而改变电子枪灯丝两端电压从而改变灯丝加热功率。这种电子枪灯丝电源技术成熟，结构简单，但存在以下问题：(1)控制精度低；(2)响应速度慢，使得束流启、停、升、降有一定的延迟；(3)电路反馈信号量较少，造成电子枪灯丝电源故障排查和处理的困难。
发明内容
针对现有技术电子枪灯丝电源控制精度低、响应速度慢以及加速器束流输出稳定性较低等问题，本发明提供了一种电子枪灯丝电源、电子加速器及其控制方法，其目的在于实现电子枪灯丝电源输出功率的精确控制，提高电子枪灯丝电源的响应速度，降低电子枪灯丝电源负载调整率，减小电子枪灯丝电源体积并提高集成度，降低电子枪灯丝电源的故障排查和处理难度；提高电子加速器装置的紧凑性和稳定性；实现电子加速器束流的稳定输出。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种电子枪灯丝电源，包括：
三相桥式不控整流电路，用于对三相输入交流电压进行整流，得到直流电压；
逆变电路，包括LLC逆变器和高频变压器，所述高频变压器是工作频段为150kHz～240kHz的变压器，其中，所述LLC逆变器用于将三相桥式不控整流电路输出的直流电压转化为150kHz频率以上的交流电压，所述高频变压器用于降低LLC逆变器输出的交流电压幅值，所述降低后的交流电压用于电子枪灯丝负载的供电；
采样电路，用于采样三相桥式不控整流电路的输入电压和输出电压、逆变电路的输出功率；
控制电路，用于根据采样到的逆变电路输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，以改变其输出功率。
优选地，LLC逆变器中的电感通过磁集成技术集成于所述高频变压器。
优选地，所述采样电路为多点采样电路，其包括：
电压采样电路，用于采样三相桥式不控整流电路输入的三相交流电压、输出的直流母线电压，采样到的输入三相交流电压用于判断输入三相电压是否满足平衡条件、电压有效值是否在100～150V范围内；采样到的直流母线电压用于判断三相桥式不控整流电路是否正常工作；
功率采样电路，用于采样LLC逆变器的输出功率；
温度采样电路，用于采样LLC逆变器的温度，采样到的LLC逆变器温度用于判断工作温度是否达到报警值和危险值。
优选地，所述控制电路判断采样到的输出功率值是否等于目标功率值，若是，则维持LLC逆变器工作频率不变，否则，根据采样到的输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，以改变其输出功率，直至等于目标功率值。
优选地，所述根据采样到的输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，具体如下：
控制电路计算目标功率值与采样到的输出功率值的差值，并根据该差值计算得到当前采样时刻工作频率改变量；
LLC逆变器上一采样时刻工作频率叠加当前采样时刻工作频率改变量后，作为LLC逆变器当前工作频率，进而改变电子枪灯丝电源的输出功率；
调整LLC逆变器的工作频率直至采样到的输出功率值等于目标功率值后，维持LLC逆变器工作频率不变。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种电子加速器，所述电子加速器包括如第一方面所述的电子枪灯丝电源。
优选地，所述电子加速器包括：
绝缘芯变压器型直流高压电源，其顶部三个副方线圈呈中心旋转对称分布，且使用三角形连接，所述顶部三个副方线圈仅用于为电子枪灯丝电源供电；
电子枪灯丝电源，其输入端分别与所述绝缘芯变压器型直流高压电源顶部的三个副方线圈一一连接；
束流采样电路，用于采样电子加速器输出束流值；
束流控制器，用于根据采样束流值和束流与电子枪灯丝功率间的关系，动态调整电子枪灯丝功率目标值，以实现束流的稳定输出。
优选地，绝缘芯变压器型直流高压电源顶部的高压电极作为所述三相桥式不控整流电路输出的参考电位点。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种如第二方面所述的电子加速器的控制方法，其特征在于，包括：
S1.判断绝缘芯变压器型直流高压电源顶部三个副方线圈输出的三相电压是否满足平衡条件，并确定电压有效值是否在100～150V范围内，若两者皆满足，则进入步骤S2，否则，结束；
S2.将目标束流值送入束流控制器，根据电子加速器束流和电子枪灯丝功率的对应关系，计算目标束流值对应的电子枪灯丝功率值，并将该功率值发送至电子枪灯丝电源的控制电路，作为目标功率值；
S3.待采样电路采样到的输出功率值等于目标功率值，判断采样束流值是否等于目标束流值，若是，维持，否则，束流控制器计算目标束流值与采样束流值的差值，并根据该差值计算目标功率值改变量，将该目标功率值改变量叠加上一采样时刻的目标功率值作为当前目标功率值发送至控制电路；
S4.若运行过程中采样温度值超过设定报警值，进一步判断是否超过危险值，若是，则立即将电子加速器断电；否则，逐步降低电子加速器目标束流值至0，当束流采样值为0时，将电子加速器断电。
优选地，步骤S1中三相电压平衡的判断标准为：
Figure BDA0002367430200000041
Figure BDA0002367430200000042
其中，ε为三相电压不平衡度，L为中间变量，Va、Vb、Vc为三相输入电压有效值，εlimit为预设三相电压不平衡度限值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)相对于现有技术，本发明提出的电子枪灯丝电源，根据采样电路得到的输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，构成了以电子枪灯丝电源输出功率为控制变量的闭环控制***，实现了电子枪灯丝电源功率的精确控制；通过使用电力电子方式取代了传统的调压器方式，提高了电子枪灯丝电源的响应速度；通过使用LLC逆变器拓扑结构，降低了电子枪灯丝电源负载调整率；通过使LLC逆变器工作在150kHz以上，高频变压器工作在150～240kHz，可以减小变压器磁芯截面积，由于变压器在电子枪灯丝电源体积中占比较大，因此减小了电子枪灯丝电源体积；通过将LLC逆变器的两个电感集成于高频变压器上，提高了电子枪灯丝电源的集成度；通过使用多点采样电路，采样三相输入电压，直流母线电压和逆变器输出功率值，降低了电子枪灯丝电源的故障排查和处理难度。
(2)相对于现有技术，本发明提出的电子加速器，使用本发明中的灯丝电源，提高了装置的紧凑性；通过使用顶部三个副方线圈作为灯丝电源三相输入，避免了使用单个线圈给灯丝电源供电造成的高压电源三相不平衡的问题，提高了装置的稳定性。
(3)相对于现有技术，本发明提出的电子加速器的控制方法，通过采样电子枪灯丝电源的三相输入电压，可监控电子加速器高压电源的运行情况；通过构建以电子枪灯丝电源输出功率为内环控制变量，以束流为外环控制变量的双闭环控制***，并依据束流-功率关系建立内外环之间的联系，实现了束流的稳定输出。
附图说明
图1为本发明提供的一种电子枪灯丝电源电路原理图；
图2为本发明提供的一种绝缘芯变压器型电子加速器结构示意图；
图3为本发明提供的电子加速器的双闭环控制示意图；
图4为本发明提供的电子枪灯丝电源的控制电路控制流程示意图；
图5为本发明提供的电子加速器的上位机控制流程示意图；
图6为本发明提供的温度超过报警值或危险值后处理流程示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-绝缘芯变压器型直流高压电源顶部的副方线圈；2-高压电极；3-三相桥式不控整流电路；4-LLC逆变器；5-高频变压器；6-电子枪灯丝负载；7-采样电路；8-控制电路；9-束流采样电路；10-包含束流控制器的上位机；11-输入电压Va采样电路；12-输入电压Vb采样电路；13-输入电压Vc采样电路；14-直流母线电压采样电路；15-LLC逆变器输出功率采样电路；16-温度采样电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种电子枪灯丝电源，包括：
三相桥式不控整流电路(3)，用于对三相输入交流电压进行整流，得到直流电压；逆变电路，包括LLC逆变器(4)和高频变压器(5)，所述高频变压器(5)是工作频段为150kHz～240kHz的变压器，其中，所述LLC逆变器(4)用于将三相桥式不控整流电路3输出的直流电压转化为150kHz频率以上的交流电压，所述高频变压器(5)用于降低LLC逆变器(4)输出的交流电压幅值，所述降低后的交流电压用于电子枪灯丝负载(6)的供电；采样电路(7)，用于采样三相桥式不控整流电路(3)输入的三相交流电压和输出的直流母线电压、逆变器的输出功率和温度；控制电路(8)，包括功率控制器和逆变器驱动电路，用于根据采样到的逆变电路输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，以改变其输出功率。
本发明采用LLC逆变器(4)，具有以下优点：工作频率高，负载调整率低，可进一步提高集成度，减小电源体积。LLC逆变器(4)存在两个谐振频率fm和fr。串联谐振频率
Figure BDA0002367430200000071
并联谐振频率
Figure BDA0002367430200000072
其中，Lr为串联谐振电感，Lm为并联谐振电感，Cr为谐振电容。
为使LLC逆变器(4)开关管实现软开关以降低损耗，要求LLC逆变器(4)开关管开关频率fs工作区间为fs>fm。更进一步地，由于在负载为电子枪灯丝的情况下，LLC逆变器(4)输出功率在该频段呈现先上升后下降的趋势，为提高输出功率调节范围，并在调节全程中实现软开关，要求LLC逆变器(4)工作频率fs>fr，本实施例中取fr为150kHz。但是过高的频率会导致控制电路(8)不稳定，因此，本发明综合考虑电源体积和控制的稳定性，将工作频率设计在150-240kHz。
优选地，LLC逆变器(4)中的电感通过磁集成技术集成于所述高频变压器(5)，可进一步提高集成度，减小电子枪灯丝电源体积。
优选地，所述采样电路(7)为多点采样电路，其包括：电压采样电路，用于采样三相输入电压(11、12、13)、输出的直流母线电压(14)，采样到的三相输入交流电压用于判断此三相电压是否满足平衡要求，并确定电压有效值是否在100～150V范围内，采样到的直流母线电压用于判断三相桥式不控整流电路(3)是否正常工作；功率采样电路(15)，用于采样LLC逆变器(4)的输出功率；温度采样电路(16)，用于采样LLC逆变器(4)的温度，采样到的温度值用于判断工作温度是否达到报警值和危险值。
优选地，LLC逆变器4使用PFM(Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制)调制方式。所述控制电路(8)判断采样到的输出功率值是否等于目标功率值，若是，则维持LLC逆变器(4)工作频率不变，否则，根据采样到的输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，以改变其输出功率，直至其等于目标功率值。具体如下：控制电路(8)计算目标功率值与采样到的输出功率值的差值，并根据该差值计算得到当前采样时刻工作频率改变量；将LLC逆变器(4)上一采样时刻工作频率叠加当前采样时刻工作频率改变量后，作为LLC逆变器(4)当前工作频率，进而改变电子枪灯丝电源的输出功率；调整LLC逆变器(4)的工作频率直至采样到的输出功率值等于目标功率值后，维持LLC逆变器(4)工作频率不变。控制电路(8)构成了以电子枪灯丝电源输出功率为控制变量的闭环控制***，实现了电子枪灯丝电源输出功率的精确控制。
如图2所示，本发明提供了一种绝缘芯变压器型电子加速器，所述电子加速器包括：
绝缘芯变压器型直流高压电源，其顶部三个副方线圈(1)呈中心旋转对称分布，仅用于为电子枪灯丝电源供电，且使用三角形连接，可抑制三相输入电压的谐波。
优选地，绝缘芯变压器型直流高压电源顶部的高压电极(2)作为所述三相桥式不控整流电路(3)输出的参考电位点，使电子枪灯丝电源原方电位浮置于负高压。
电子枪灯丝电源，使用三相供电，其输入端分别与所述绝缘芯变压器型直流高压电源顶部的三个副方线圈(1)一一连接。束流采样电路(9)，用于实时采样电子加速器输出束流值，并发送给束流控制器；
束流控制器，用于根据采样束流值和束流与电子枪灯丝功率间的关系，动态调整电子枪灯丝功率目标值。
如图3所示，本发明还提供了一种上述电子加速器的控制方法，包括：
步骤S1.判断绝缘芯变压器型直流高压电源顶部三个副方线圈(1)输出的三相电压Va、Vb、Vc是否满足平衡条件，并确定电压有效值是否在100～150V范围内，若两者皆满足，则进入步骤S2，否则，结束。
电子加速器运行前，自动判断绝缘芯变压器型直流高压电源顶部三个副方线圈(1)输出三相电压是否平衡。优选地，三相电压平衡的判断标准为：
Figure BDA0002367430200000091
Figure BDA0002367430200000092
其中，ε为三相电压不平衡度，L为根据三相输入电压求取三相平衡度的一中间变量，Va、Vb、Vc为三相输入电压有效值，εlimit为预设三相电压不平衡度限值，根据实际情况决定，本实施例中取值10％。
步骤S2.将目标束流值Ibeam-set送入束流控制器Gc1(s)，根据电子加速器束流和电子枪灯丝电源输出功率的对应关系，计算目标束流值Ibeam-set对应的电子枪灯丝电源输出功率值，并将该功率值发送至电子枪灯丝电源的控制电路Gc2(s)，用作目标功率值Pfs。
电子枪灯丝电源输出功率与电子加速器束流之间的对应关系通过实验测定得到。
步骤S3.待采样电路(7)采样到的输出功率值Pf等于目标功率值Pfs，判断采样束流值Ibeam是否等于目标束流值Ibeam-set，若是，维持，否则，束流控制器Gc1(s)计算目标束流值Ibeam-set与采样束流值Ibeam的差值，并根据该差值计算目标功率值改变量；将该目标功率值改变量叠加上一采样时刻的目标功率值作为当前目标功率值发送至控制电路Gc2(s)。
步骤S4.若运行过程中采样温度值超过设定报警值，进一步判断是否超过危险值。若是，则立即将电子加速器断电；否则，逐步降低电子加速器目标束流值至0，当束流采样值为0时，将电子加速器断电。
所述电子加速器的控制以电子枪灯丝电源输出功率为内环控制变量，以电子加速器束流为外环控制变量，实现双闭环控制。内环用于控制电子枪灯丝电源功率精确控制和稳定输出，外环用于控制加速器束流稳定输出。
如图4和图5所示，控制电路(8)工作全过程中向上位机(10)实时回传采样功率、电压、温度值、报警信号和状态信号，且状态信号有两位。初始化阶段，控制电路(8)将状态信号位全部置零。其次，计算三相输入电压不平衡度，并确定电压有效值是否在100～150V范围内，若不平衡度和电压有效值均满足要求，控制电路(8)将第一状态信号位置位，否则置零。
若上位机(10)接收到第一状态信号位已置位，且维持超过特定时间长度(本实施例中为200s)，则发送指令一；若第一状态信号位置零且维持超过特定时间长度(本实施例中为200s)，则结束操作。
若控制电路(8)接收到指令一，则以预设初始频率(本实施例中为240kHz)启动LLC逆变器(4)工作，第二状态信号位置位；若未接收到指令一，则等待。
若上位机(10)接收到第二状态信号位已置位且维持超过特定时间长度(本实施例中为20s)，由束流控制器和电子枪灯丝电源输出功率控制器使用本发明中的控制方法，实现束流稳定输出并达到束流设定值。
辐照结束后，上位机(10)发送指令二，控制电路(8)接收到指令二后以预设速率调整开关频率至初始频率，之后关闭LLC逆变器(4)工作，加速器束流输出变为0。
如图6所示，若运行过程中采样温度值超过设定报警值，控制电路(8)向上位机(10)发送报警信号，并进一步判断是否超过危险值。若是，则立即将电子加速器断电；否则，逐步降低电子加速器目标束流值至0，当束流采样值为0时，将电子加速器断电。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电子枪灯丝电源，其特征在于，包括：
三相桥式不控整流电路，用于对三相输入交流电压进行整流，得到直流电压；
逆变电路，包括LLC逆变器和高频变压器，所述高频变压器是工作频段为150kHz～240kHz的变压器，其中，所述LLC逆变器用于将三相桥式不控整流电路输出的直流电压转化为150kHz频率以上的交流电压，所述高频变压器用于降低LLC逆变器输出的交流电压幅值，所述降低后的交流电压用于电子枪灯丝负载的供电；
采样电路，用于采样三相桥式不控整流电路的输入电压和输出电压、逆变电路的输出功率；
控制电路，用于根据采样到的逆变电路输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，以改变其输出功率。
2.如权利要求1所述的电子枪灯丝电源，其特征在于，LLC逆变器中的电感通过磁集成技术集成于所述高频变压器。
3.如权利要求1或2所述的电子枪灯丝电源，其特征在于，所述采样电路为多点采样电路，其包括：
电压采样电路，用于采样三相桥式不控整流电路输入的三相交流电压、输出的直流母线电压，采样到的输入三相交流电压用于判断输入三相电压是否满足平衡条件、电压有效值是否在100～150V范围内；采样到的直流母线电压用于判断三相桥式不控整流电路是否正常工作；
功率采样电路，用于采样LLC逆变器的输出功率；
温度采样电路，用于采样LLC逆变器的温度，采样到的LLC逆变器温度用于判断工作温度是否达到报警值和危险值。
4.如权利要求1至3任一项所述的电子枪灯丝电源，其特征在于，所述控制电路判断采样到的输出功率值是否等于目标功率值，若是，则维持LLC逆变器工作频率不变，否则，根据采样到的输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，以改变其输出功率，直至等于目标功率值。
5.如权利要求4所述的电子枪灯丝电源，其特征在于，所述根据采样到的输出功率值，动态调整逆变器的工作频率，具体如下：
控制电路计算目标功率值与采样到的输出功率值的差值，并根据该差值计算得到当前采样时刻工作频率改变量；
LLC逆变器上一采样时刻工作频率叠加当前采样时刻工作频率改变量后，作为LLC逆变器当前工作频率，进而改变电子枪灯丝电源的输出功率；
调整LLC逆变器的工作频率直至采样到的输出功率值等于目标功率值后，维持LLC逆变器工作频率不变。
6.一种电子加速器，其特征在于，所述电子加速器包括如权利要求1～5任一项所述的电子枪灯丝电源。
7.如权利要求6所述的电子加速器，其特征在于，所述电子加速器包括：
绝缘芯变压器型直流高压电源，其顶部三个副方线圈呈中心旋转对称分布，且使用三角形连接，所述顶部三个副方线圈仅用于为电子枪灯丝电源供电；
电子枪灯丝电源，其输入端分别与所述绝缘芯变压器型直流高压电源顶部的三个副方线圈一一连接；
束流采样电路，用于采样电子加速器输出束流值；
束流控制器，用于根据采样束流值和束流与电子枪灯丝功率间的关系，动态调整电子枪灯丝功率目标值，以实现束流的稳定输出。
8.如权利要求7所述的电子加速器，其特征在于，绝缘芯变压器型直流高压电源顶部的高压电极作为所述三相桥式不控整流电路输出的参考电位点。
9.一种如权利要求6至8任一项所述的电子加速器的控制方法，其特征在于，包括：
S1.判断绝缘芯变压器型直流高压电源顶部三个副方线圈输出的三相电压是否满足平衡条件，并确定电压有效值是否在100～150V范围内，若两者皆满足，则进入步骤S2，否则，结束；
S2.将目标束流值送入束流控制器，根据电子加速器束流和电子枪灯丝功率的对应关系，计算目标束流值对应的电子枪灯丝功率值，并将该功率值发送至电子枪灯丝电源的控制电路，作为目标功率值；
S3.待采样电路采样到的输出功率值等于目标功率值，判断采样束流值是否等于目标束流值，若是，维持，否则，束流控制器计算目标束流值与采样束流值的差值，并根据该差值计算目标功率值改变量，将该目标功率值改变量叠加上一采样时刻的目标功率值作为当前目标功率值发送至控制电路；
S4.若运行过程中采样温度值超过设定报警值，进一步判断是否超过危险值，若是，则立即将电子加速器断电；否则，逐步降低电子加速器目标束流值至0，当束流采样值为0时，将电子加速器断电。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S1中三相电压平衡的判断标准为：
Figure FDA0002367430190000031
Figure FDA0002367430190000032
其中，ε为三相电压不平衡度，L为中间变量，Va、Vb、Vc为三相输入电压有效值，εlimit为预设三相电压不平衡度限值。
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