CN201380361Y - 电子束打孔机加速高压电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型电子束打孔机加速高压电源装置，其电源由三相市电供电，采用AC→DC→AC→DC电流变换方式，中间DC→AC逆变环节为高频逆变，在逆变过程同时实现脉宽调制调压功能；采用双闭环控制方式实现输出高压的稳定调节；逆变器至少由两个逆变桥组成，各逆变桥输出波的相位差呈对称分布，输出波等宽。电源装置包括：电网滤波器、输入整流滤波电路、逆变器、高频高压变压器、高压整流滤波电路、高压放电扼流电路、高压取样电路、电子束流取样电阻、逆变器输入电流检测电路、双闭环控制单元、逆变器驱动电路和故障判别电路等。本实用新型具有控制***调节速度快、抗扰性能强、加速高压电源纹波小、效率高、体积小等特点。

Description

电子束打孔机加速高压电源装置

技术领域

本实用新型涉及电子束打孔设备，具体为电子束打孔机加速高压电源装置。

背景技术

电子束打孔过程是基于用高能量密度的电子束来轰击工件，使其局部熔化和气化。所产生的气体毛细管很容易被电子束穿透，电子束通过工件表面又去轰击下一层的材料，这种***性的气化将熔化了的材料在形成的毛细管周围排出，从而加工出公差为±5％平均孔径的精度。与其它工艺(电火花加工EDM、电化学加工ECM)相比，电子束打孔过程工件和电子束之间可以独立地自由移动，这使得打孔频率远远高于其它工艺。电子束惯性很小，没有磨损，并且能够与电子控制***同样的速度进行操作。电子束可以精确地将其能量释放在金属表面以下，这使得电子束成为金属材料打孔的理想手段。而电子束打孔机是一种综合了真空物理、电子技术、电子光学、高电压技术、计算机和控制技术等多种技术的高科技产品。

电子束打孔机加速高压电源是决定电子束打孔机工作性能的关键部件，加速高压电源纹波越小、响应速度越高，电子束打孔机性能越高。目前电子束打孔机的加速高压电源有采用中频发电机组供电方式，也有采用AC→DC→DC→AC→DC电流变换方式，控制方式采用单闭环控制。存在的缺点是控制***惯性大，调节速度较慢。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电子束打孔机加速高压电源装置，具有控制***调节速度快、抗干扰能力强、输出加速高压电源纹波小、效率较高、体积小等特点。

为解决上述问题，本实用新型所设计的电子束打孔机加速高压电源装置，包括电网滤波器、输入整流滤波电路单元、逆变器、高频高压变压器、高压整流滤波电路单元、高压放电扼流电路单元、高压取样电路单元、电子束流取样电阻、逆变器输入电流检测电路单元、逆变器驱动电路单元和双闭环控制单元；电网滤波器的输入端与三相电网相接，其输出送入输入整流滤波电路单元中整流桥的交流输入侧；输入整流滤波电路单元输出的平直的不可控直流电送入逆变器各逆变桥的直流输入端；逆变器包括至少两个逆变桥组成，每个逆变桥输出的脉宽可调的高频矩形波交流电送入与逆变桥相数相同的高频高压变压器的初级绕组；每个高频高压变压器次级绕组输出的高频高压电送入与高频高压变压器相数相同的高压整流滤波电路单元中高压整流桥的交流输入侧；多个高压整流桥输出经高压电容滤波后再串联或并联输出，高压整流滤波电路单元输出的高压端接至高压放电扼流电路单元，低压端经电子束流取样电阻与大地相接，电子枪的阳极亦与大地相接；高压放电扼流电路单元的输出接至电子枪的阴极；高压取样电路单元并接于高压放电扼流电路单元输出端与大地之间，输出的高压取样信号送入双闭环控制单元；逆变器输入电流检测电路单元实时检测逆变器直流输入电流值，其输出信号作为逆变器输入电流取样信号送入双闭环控制单元；双闭环控制单元产生控制信号送入逆变器驱动电路单元的输入端；逆变器驱动电路单元产生的驱动波形经隔离放大后分别接至逆变器中各个功率开关管的控制极，各个功率开关管的集电极有信号反馈回逆变器驱动电路单元用于监控开关管工作状况。

上述方案中，所述双闭环控制单元包括高压给定信号发生器、电压环比较器、高压调节器、电流环比较器和电流调节器；高压给定信号发生器的输出由计算机或可编程控制器数字设定后经数模转换产生或由模拟电路产生，高压给定信号发生器的输出信号作为高压给定信号送入电压环比较器；电压环比较器同时接收高压取样电路单元输出的高压取样信号，将高压给定信号与高压取样信号比较得到的高压偏差信号送入高压调节器；高压调节器为比例-积分调节器结构，将接收的高压偏差信号进行比例-积分运算后输出逆变器输入电流给定信号至电流环比较器；电流环比较器同时接收逆变器输入电流检测电路单元输出的逆变器输入电流取样信号，将逆变器输入电流给定信号与逆变器输入电流取样信号比较得到逆变器输入电流偏差信号送入电流调节器；电流调节器为比例-积分调节器结构，将接收的逆变器输入电流偏差信号进行比例-积分运算后输出控制信号至逆变器驱动电路单元去调节逆变器输出电压波的占空比。

所述逆变器至少由两个逆变桥构成，逆变器驱动电路单元根据电流调节器输出的控制信号产生的脉宽调制波控制各逆变桥输出的矩形电压波等宽；逆变器驱动电路单元还生成逆变器中各功率开关管的合理的驱动脉冲信号，控制各逆变桥输出的电压波的相序，实现逆变桥输出的电压波形呈对称分布。

上述方案中，所述电子束打孔机加速高压电源装置还包括有故障判别电路单元，该故障判别电路单元接受来自高压取样电路单元、电子束取样电阻、逆变器输入电流检测电路单元和逆变器驱动电路单元的信号，对高压电源运行状态实时监控，上述任一信号出现异常时故障判别电路单元输出信号有效，该输出信号分四路输出，一路送入高压调节器用于封锁电压调节器的输出；一路送入电流调节器用于封锁电流调节器的输出；一路送入逆变器驱动电路单元用于封锁逆变器驱动脉冲；最后一路送入电子束打孔机总控单元用于加速高压电源的多重保护及整机逻辑连锁控制。

所述逆变器至少由两个逆变桥组成，逆变桥中每个桥臂电路各包括两个开关功率管、两个续流二极管和一个缓冲电路；每个开关功率管与一个续流二极管反并联，上桥臂开关功率管与下桥臂开关功率管串联后与桥臂缓冲电路并联地接至输入整流滤波电路单元的输出端。

本实用新型电子束打孔机主电源，即电子束加速高压电源直接由三相市电整流后供电，逆变器把直流电逆变成高频交流电，通过高频高压变压器升压后整流输出高压直流电；加速电源采用双闭环控制方式，逆变器在逆变过程同时实现高频脉宽调制调压。逆变变压器的铁心采用高频铁心材料做成，与工频或中频变压器相比，高频变压器的截面积小，绕组匝数少，体积及功耗都小。高压总整流输出电压波的脉动频率是高频逆变频率的2n倍(n等于逆变桥个数)，高压总整流电压波在脉宽调制占空比大于50％时(由高频高压变压器设计参数保证)已无过零点。这样高压总整流电压波的脉动频率高，而脉动幅值低，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。高压滤波电容值小一方面加速高压电源控制***惯性时间常数小，有利于提高控制***的调节速度，另一方面加速高压电源贮能小，高压放电产生的电磁冲击自然小，有利于提高加速高压电源***运行的可靠性。双闭环控制的加速电源较之单闭环控制，电流内环对电网电压的波动起更及时抗扰的作用，在动态过程电流内环限制逆变器输入电流的最大值，起快速的自动保护作用。

本实用新型的最大特点是采用多相高频逆变及高频脉宽调制调压方式，加速电压采用双闭环控制的技术方案，电子束打孔机高压加速电源控制***调节速度快、抗干扰能力强；高压加速电源输出电压纹波系数小，效率高；高压变压器的体积小。

附图说明

图1为本实用新型电子束打孔机加速高压电源装置实施例1结构示意图；

图中标号为：1、电网滤波器；2、输入整流滤波电路单元；3、逆变器；4、高频高压变压器；5、高压整流滤波电路单元；6、高压放电扼流电路单元；7、高压取样电路单元；8、电子束流取样电阻；9、高压给定信号发生器；10、电压环比较器；11、高压调节器；12、逆变器输入电流检测电路单元；13、电流环比较器；14、电流调节器；15、逆变器驱动电路单元；16、故障判别电路单元。

图2为图1中逆变器结构示意图；

图中标号为：3-1、A组左上桥臂开关功率管；3-2、A组左下桥臂开关功率管；3-3、A组左上桥臂续流二极管；3-4、A组左下桥臂续流二极管；3-5、A组左桥臂缓冲电路；3-6、A组高频高压变压器初级绕组；3-7、A组右桥臂电路；3-8、B组逆变桥电路。

图3为图2中逆变器各开关功率管驱动信号波形图；

图4为本实用新型电子束打孔机加速高压电源装置另一种实施例的结构示意图，图中标号的含义与图1相同。

具体实施方式

图1和图4为本实用新型两种电子束打孔机加速高压电源装置实施例的结构示意图，该电源主要由电网滤波器1、输入整流滤波电路单元2、逆变器3、高频高压变压器4、高压整流滤波电路单元5、高压放电扼流电路单元6、高压取样电路单元7、电子束流取样电阻8、高压给定信号发生器9、电压环比较器10、高压调节器11、逆变器输入电流检测电路单元12、电流环比较器13、电流调节器14、逆变器驱动电路单元15和故障判别电路单元16构成。

电网滤波器1用于切断电磁干扰(EMI)的传播途径。电网滤波器1的输入端与三相380V的电网相接，其输出送入输入整流滤波电路单元2中整流桥的交流输入侧。

输入整流滤波电路单元2用于将三相交流电变换成平直的不可控直流电。输入整流滤波电路单元2输出的平直的直流电送入逆变器3两逆变桥的直流输入端。

逆变器3由两个单相逆变桥组成，两个逆变桥输出的脉宽可调的高频交流电分别送入两个单相高频高压变压器4的初级绕组。逆变器3用于将直流电逆变成高频交流电，同时用于脉宽调制调压。本实施例的逆变器3的结构如图2所示，由A、B两个H型逆变桥组成，每个逆变桥包括对称的左桥臂电路和右桥臂电路，左、右桥臂电路各包括两个开关功率管、两个续流二极管和一个缓冲电路；左上桥臂开关功率管3-1与左上桥臂续流二极管3-3反并联，左下桥臂开关功率管3-2与左下桥臂续流二极管3-4反并联，左上桥臂电路与左下桥臂串联后再与左桥臂缓冲电路3-5并联地接至输入整流滤波电路单元2的输出端；逆变桥的输出端接至高频高压变压器4的初级绕组。上述逆变器3中两逆变桥的逆变波相位和脉宽调制波相位受同一时钟(CL)控制，两逆变桥逆变波相位差为90°，输出波形的相位呈对称分布，逆变器3中每桥臂的上半桥功率管的驱动信号为高频方波(25kHz)，下半桥功率管的驱动信号为上半桥功率管的方波驱动信号反相后和逆变脉宽调制(PWM)波进行“与”逻辑运算得到的波形，如图3所示。两个逆变桥输出电压波形严格对称。高频脉宽调制波的占空比正比于电流调节器14的输出信号U_c。

高频高压变压器4用于实现电能的传递、电压值的变换和高压绝缘。高频高压变压器4包括两个单相变压器，变压器的铁心采用高频导磁材料做成，每个变压器次级输出的高频高压电送入高压整流滤波电路单元5中一组单相高压整流桥的交流输入侧。

高压整流滤波电路单元5将高频高压交流电变换成平直的高压直流电。高压整流滤波电路单元5中两个高压整流桥输出经高压电容滤波后再串联总输出，或按如图4所示，两个高压整流桥输出经高压电容滤波后再并联总输出。总输出高压端接至高压放电扼流电路单元6，低压端经电子束流取样电阻8与大地相接，电子枪的阳极亦与大地相接。

高压放电扼流电路单元6的输出接至电子枪的阴极，用于抑制高压放电电流的上升速率，减缓高压放电所产生的电磁冲击强度。

高压取样电路单元7用于测量加速电压值，输出的高压取样信号U_a正比于加速高压电源输出的电压值。高压取样电路单元7并接于高压放电扼流电路单元6输出端与大地之间，输出的高压取样信号U_a一路作为电压外环调节***的负反馈信号送入电压环比较器10的负反馈输入端，另一路送入故障判别电路单元16用于判断高压过压及电子枪高压放电的依据。

电子束流取样电阻8用于测量电子束流值，输出I_b正比于电子束流的大小。电子束流取样电阻8串接于高压整流滤波电路单元5输出回路的低压端与大地之间，输出的电子束流取样信号I_b一路送入故障判别电路单元16用于判断电子束流过流的依据，另一路送入电子束流调节***作为电子束流负反馈信号。

高压给定信号发生器9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。高压给定信号发生器9的输出信号U_a ^*由计算机或可编程控制器(PLC)数字设定后经数模转换(DAC)产生或由模拟电路产生，U_a ^*作为电压外环调节***的高压给定信号送入电压环比较器10的给定输入端。

电压环比较器10接受来自高压给定信号发生器9的高压给定信号信号U_a ^*和高压取样电路单元7的高压取样信号U_a，并将两者进行比较运算后输出高压偏差信号ΔU_a，即ΔU_a＝U_a ^*-U_a，送入高压调节器11。

高压调节器11为比例-积分(PI)调节器结构。正常工作时，高压调节器11接收来自电压环比较器10的高压偏差信号ΔU_a，对高压偏差信号ΔU_a进行比例-积分运算后输出一控制信号I_d ^*作为电流内环调节***的给定信号送入电流环比较器13的给定输入端。故障判别电路单元16的输出信号U_er有效时，高压调节器11的输出被封锁。高压调节器11作为加速高压电源的主导调节器的作用：加速高压电源输出电压的精度控制，并保证加速电源稳定运行；对负载变化起抗扰；其输出I_d ^*限幅值I_dm ^*决定了逆变器3允许的最大电流值。

逆变器输入电流检测电路单元12用于测量逆变器3直流输入电流值，其输出正比于逆变器3直流输入电流值的逆变输入电流信号I_d。信号I_d一路作为电流内环调节***的负反馈信号送入电流环比较器13的负反馈输入端，另一路送入故障判别电路单元16用于判断逆变器3输入电流过流的依据。

电流环比较器13接受来自高压调节器11的输出信号I_d ^*和逆变器输入电流检测电路单元12的逆变器输入电流取样信号I_d，并将两者进行比较运算后输出逆变器输入电流偏差信号ΔI_d，即ΔI_d＝I_d ^*-I_d，送入电流调节器14。

电流调节器14为比例-积分(PI)调节器结构。正常工作时，接收来自电流环比较器13的逆变器输入电流偏差信号ΔI_d，对逆变器3输入电流偏差信号ΔI_d进行比例-积分运算后输出一控制信号U_c，控制信号U_c送入逆变器驱动电路单元15用于调节逆变器3输出电压波的占空比；故障判别电路单元16的输出信号U_er有效时，电流调节器14的输出被封锁。电流调节器14的作用：在电压外环的调节过程中，电流调节器14使逆变器3输入电流紧紧跟随其给定信号I_d ^*变化；对电网电压的波动起及时抗扰的作用；在高压动态过程中，限制了逆变器3输入电流的最大值，起快速的自动保护作用；其输出U_c限幅值U_cm决定了逆变器3输出电压波的最大占空比＜100％，避免逆变桥中同一桥臂上下两开关功率管产生直通的危险。

逆变器驱动电路单元15接受来自电流调节器14的控制信号U_c，产生如图3所示的驱动信号波形。驱动信号波形经隔离放大后分别接至逆变器3中各个对应功率开关管的控制极，各个功率开关管的集电极有信号反馈回逆变器驱动电路单元15用于监控开关管工作状况，任一开关管工作状况出现异常，逆变器驱动电路单元15将输出一个信号送入故障判别电路单元16。逆变器驱动电路单元15用于产生逆变器3中各功率开关管合理的驱动脉冲，并实时检测各管的工作状态。

故障判别电路单元16接受来自高压取样电路单元7、电子束流取样电阻8、逆变器输入电流检测电路单元12和逆变器驱动电路单元15的信号，对高压电源运行状态进行实时监控，出现异常时故障判别电路单元16输出信号U_er变为有效。该输出信号U_er分四路输出，U_er的第一路送入高压调节器11用于封锁高压调节器11的输出，U_er的第二路送入电流调节器14用于封锁电流调节器14的输出，U_er的第三路送入逆变器驱动电路单元15用于封锁逆变器3驱动脉冲的输出，U_er的第四路送入电子束打孔机总控装置用于实现加速高压电源的多重保护及整机逻辑连锁控制。

上述故障判别电路单元16的具体工作过程是：故障判别电路单元16检测电子束流取样电阻8上的电子束流信号I_b，如果超过设定的上限值判为电子束流过流故障；故障判别电路单元16检测高压取样电路单元7的输出信号U_a，如果超过设定的上限值判为加速电压过压故障；故障判别电路单元16检测高压取样电路单元7的输出信号U_a，如果产生负突跳变化判为电子枪产生高压放电故障；故障判别电路单元16检测逆变器输入电流检测电路单元12的输出信号I_d，如果超过设定的上限值判为逆变器3输入电流过流故障；逆变器驱动电路单元15检测逆变器3每个功率开关管的被驱动1～2微秒后的管压降，任一检测值超过设定的上限值逆变器驱动电路单元15向故障判别电路单元16发送一信号U_q，故障判别电路单元16检测到逆变器驱动电路单元15有回馈信号U_q判为逆变器3短路故障。上述任一故障的产生故障判别电路单元16输出信号U_er都变为有效，并立即封锁高压调节器11、电流调节器14和逆变器驱动电路单元15驱动脉冲的输出。U_er有效时，电子束打孔机总控装置利用信号U_er实现加速高压电源的多重保护及整机逻辑连锁控制。

本实施例电子束打孔机主电源(电子束加速高压电源)直接由三相市电整流后供电，逆变器3把直流电逆变成高频交流电，通过高频高压变压器4升压后整流输出高压直流电；加速电源采用双闭环控制方式，逆变器3在逆变过程同时实现高频脉宽调制调压。逆变器3由两个H型桥式逆变电路组成，每组逆变桥的高频逆变频率相同，高频脉宽调制波的占空比亦相同，两个逆变桥输出电压波形的相位差为90°，输出电压波形呈对称分布。一组逆变桥加一个高频高压变压器加一个高压整流桥组成高压电源的一个逆变供电单元组，两个单元组的输出经过串联或并联后总输出作为电子束的加速电源。逆变变压器的铁心采用高频铁心材料做成，与工频或中频变压器相比，高频变压器的截面积小，绕组匝数少，体积及功耗都小。高压整流输出的直流电的脉动频率是高频逆变频率(25kHz)的4倍(100kHz)，总整流波在脉宽调制占空比大于50％时(由高频高压变压器设计参数保证)已无过零点。这样高压总整流波的脉动频率高，而脉动幅值低，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。高压滤波电容值小一方面加速高压电源控制***惯性时间常数小，有利于提高控制***的调节速度，另一方面加速高压电源贮能小，高压放电产生的电磁冲击自然小，有利于提高加速高压电源***运行的可靠性。双闭环控制的加速电源较之单闭环控制，电流内环对电网电压的波动起更及时抗扰的作用，在动态过程电流内环限制逆变器3输入电流的最大值，起快速的自动保护作用。

上述实施例是以本实用新型技术方案为前提下进行实施的，给出了两个逆变桥的实施方法。但本实用新型的保护不限于上述两个逆变桥实施例，只要电子束打孔机加速高压电源装置采用多相高频逆变及高频脉宽调制调压方式，加速电压采用双闭环控制的技术方案即属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1、电子束打孔机加速高压电源装置，其特征在于：包括电网滤波器(1)、输入整流滤波电路单元(2)、逆变器(3)、高频高压变压器(4)、高压整流滤波电路单元(5)、高压放电扼流电路单元(6)、高压取样电路单元(7)、电子束流取样电阻(8)、逆变器输入电流检测电路单元(12)、逆变器驱动电路单元(15)和双闭环控制单元；电网滤波器(1)的输入端与三相电网相接，其输出送入输入整流滤波电路单元(2)中整流桥的交流输入侧；输入整流滤波电路单元(2)输出的平直的不可控直流电送入逆变器(3)各逆变桥的直流输入端；逆变器(3)包括至少2个逆变桥组成，每个逆变桥输出的脉宽可调的高频矩形波交流电送入与逆变桥相数相同的高频高压变压器(4)的初级绕组；每个高频高压变压器(4)次级绕组输出的高频高压电送入与高频高压变压器(4)相数相同的高压整流滤波电路单元(5)中高压整流桥的交流输入侧；多个高压整流桥输出经高压电容滤波后再串联或并联输出，高压整流滤波电路单元(5)输出的高压端接至高压放电扼流电路单元(6)，低压端经电子束流取样电阻(8)与大地相接，电子枪的阳极亦与大地相接；高压放电扼流电路单元(6)的输出接至电子枪的阴极；高压取样电路单元(7)并接于高压放电扼流电路单元(6)输出端与大地之间，输出的高压取样信号输入双闭环控制单元；逆变器输入电流检测电路单元(12)实时检测逆变器(3)直流输入电流值，并将其输出信号作为逆变器输入电流取样信号输入双闭环控制单元；双闭环控制单元产生控制信号送入逆变器驱动电路单元(15)的输入端；逆变器驱动电路单元(15)产生的驱动波形经隔离放大后分别接至逆变器中各个功率开关管的控制极，各个功率开关管的集电极有信号反馈回逆变器驱动电路单元(15)用于监控开关管工作状况。

2、根据权利要求1所述的电子束打孔机加速高压电源装置，其特征在于：所述双闭环控制单元包括高压给定信号发生器(9)、电压环比较器(10)、高压调节器(11)、电流环比较器(13)和电流调节器(14)；高压给定信号发生器(9)的输出信号由计算机或可编程控制器数字设定后经数模转换产生或由模拟电路产生，高压给定信号发生器(9)的输出信号作为高压给定信号送入电压环比较器(10)；电压环比较器(10)同时接收高压取样电路单元(7)输出的高压取样信号，将高压给定信号与高压取样信号比较得到的高压偏差信号送入高压调节器(11)；高压调节器(11)为比例-积分调节器结构，将接收的高压偏差信号进行比例-积分运算后输出逆变器输入电流给定信号，逆变器输入电流给定信号送入电流环比较器(13)；电流环比较器(13)同时接收逆变器输入电流检测电路单元(12)输出的逆变器输入电流取样信号，将逆变器输入电流给定信号与逆变器输入电流取样信号比较得到逆变器输入电流偏差信号，逆变器输入电流偏差信号送入电流调节器(14)；电流调节器(14)为比例-积分调节器结构，将接收的逆变器输入电流偏差信号进行比例-积分运算后输出控制信号至逆变器驱动电路单元(15)的输入端去调节逆变器(3)输出电压波的占空比。

3、根据权利要求2所述的电子束打孔机加速高压电源装置，其特征在于：所述逆变器(3)由A、B两个H型逆变桥构成，逆变器驱动电路单元(15)根据电流调节器(14)输出的控制信号产生的脉宽调制波控制A、B两逆变桥输出的矩形电压波等宽；逆变器驱动电路单元(14)还产出逆变器(3)中各功率开关管的合理的驱动脉冲信号，控制A、B两逆变桥输出的矩形电压波的相位相差90°，实现两逆变桥输出电压波形呈对称分布。

4、根据权利要求1所述的电子束打孔机加速高压电源装置，其特征在于：所述还包括故障判别电路单元(16)，该故障判别电路单元(16)接受来自高压取样电路单元(7)、电子束取样电阻(8)、逆变器输入电流检测电路单元(12)和逆变器驱动电路单元(15)的信号，对高压电源运行状态实时监控，上述任一信号出现异常时故障判别电路单元(16)输出信号有效，该输出信号分四路输出，一路送入高压调节器(11)用于封锁高压调节器(11)的输出；一路送入电流调节器(14)用于封锁电流调节器(14)的输出；一路送入逆变器驱动电路单元(15)用于封锁逆变器驱动脉冲；最后一路送入电子束打孔机总控单元用于加速高压电源的多重保护及整机逻辑连锁控制。

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