抑制電子束焊機(jī)加速高壓電源過電壓的措施

莫力林

(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)是一種綜合了真空物理、電子技術(shù)、電子光學(xué)、高電壓技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)等多種技術(shù)的高科技產(chǎn)品。電子束焊機(jī)高壓加速電源，用于為電子束提供加速電場，其性能的好壞，直接決定著電子束焊接質(zhì)量。加速高壓電源，是電子束焊機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其可靠性對整個(gè)設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。而影響加速高壓電源可靠性的主要原因，就是過電壓。過電壓，一方面作為一種加速電壓干擾波動(dòng)源，而影響設(shè)備的電子束的品質(zhì)，影響焊接質(zhì)量；另一方面，還可能損害加速高壓電源，縮短其使用壽命。因此需要采取有效措施，抑制加速高壓電源過電壓的幅值。

1 過電壓的產(chǎn)生及特點(diǎn)

電子束焊機(jī)加速高壓電源的原理如圖1所示。由升壓變壓器 T1、高壓硅堆整流橋 ZL1、高壓 π 型濾波電路（C1、C2、L1）、高壓分壓采樣電路（R1、R2）、束流取樣電阻R3等組成。

圖1 電子束焊機(jī)高壓電源原理圖

引起電子束焊機(jī)加速高壓電源運(yùn)行過程產(chǎn)生過電壓的因數(shù)有：

（1）高壓變壓器T1的初級與市電電網(wǎng)相連，如果電網(wǎng)受到雷擊，雷電波將自輸入線路入侵加速高壓電源裝置，產(chǎn)生過電壓，威脅加速高壓電源裝置。電子束焊機(jī)為室內(nèi)設(shè)備，受雷擊概率很小，只要在設(shè)備電源進(jìn)線端設(shè)置避雷裝置，就能防雷保護(hù)設(shè)備。

（2）電子束焊機(jī)加速高壓電源的結(jié)構(gòu)，不僅存在感性和容性的元件，還存在感性和容性的分布參數(shù)，在操作或換流過程產(chǎn)生大的電流變化率或大的電壓變化率（，從而產(chǎn)生瞬時(shí)過電壓，或高頻諧振現(xiàn)象。這種過電壓脈沖較窄，峰值較高，概率較大，但能量較低。

（3）電子束焊機(jī)加速高壓電源的濾波電路，采用π型LC濾波電路結(jié)構(gòu)，與常規(guī)電源濾波電路的區(qū)別在于高壓電容值很小，濾波電路不得不采用小電容值與大電感值相配合方式。電子束焊機(jī)在運(yùn)行中，如果電子槍放電，相當(dāng)于圖1中高壓輸出短路，電子槍上的高壓急劇下降，電子槍的真空絕緣恢復(fù)而截流。此時(shí)L1所積聚的能量無法回饋電網(wǎng)，只能通過C2充電釋放能量，C1電壓舊會(huì)升至危險(xiǎn)值。電子槍放電引起的過電壓，對電子束焊機(jī)加速高壓電源威脅是最嚴(yán)重的。下面以THDW-15型電子束焊機(jī)為例，作進(jìn)一步說明。

在HDW-15型電子束焊機(jī)加速高壓電源中，L1為8.5H，C1、C2為 0.003 9 μF，放電峰值電流 Ibk=6.7A。那么 L1積聚的最高能量為

當(dāng)L1的能量全部轉(zhuǎn)移到C2上，此時(shí)

該電壓值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了額定電壓（75 kV），必須加以抑制，出現(xiàn)超高幅值的截止過電壓，是大電感小電容LC濾波電路所特有的缺陷。

2 抑制措施

具備抑制瞬時(shí)過電壓的電子束焊機(jī)加速高壓電源的原理如圖2所示，包括升壓整流單元、高壓濾波單元和取樣單元。升壓整流單元包括升壓變壓器T1和高壓整流硅堆ZL1，實(shí)現(xiàn)電壓等級變換及交流、直流變換，其輸出端接高壓濾波單元；高壓濾波單元是由電感L1和電容C1、C2組成的無源濾波電路，使得加速高壓電源輸出電壓波形平直，其高壓輸出端接至電子槍的陰極，電子槍的陽極接地；高壓濾波單元的輸出端還接有取樣單元，取樣單元有加速電壓分壓取樣電阻R1、R2和電子束流取樣電阻R3，取樣單元輸出加速高壓電源工作電壓取樣信號(hào)Ug和電子束流取樣信號(hào)Ib。本高壓加速電源，還包括有整流端氧化鋅避雷器Ry1和輸出端氧化鋅避雷器Ry2。整流端氧化鋅避雷器Ry1一端接于升壓整流單元的高壓輸出端。整流端氧化鋅避雷器Ry1，可對升壓變壓器T1高壓輸出端的多相過電壓同時(shí)抑制保護(hù)，其起始動(dòng)作電壓為加速高壓電源額定電壓的1.5～1.8倍。輸出端氧化鋅避雷器Ry2一端接于高壓濾波單元的高壓輸出端，Ry2為加速高壓電源內(nèi)部瞬時(shí)過電壓主抑制元件，由于加速電源采用閉環(huán)控制，正常工作電壓波動(dòng)范圍很小，一般為1%以內(nèi)，此避雷器的起始動(dòng)作電壓，為加速高壓電源額定電壓的1.1～1.15倍，實(shí)現(xiàn)過電壓高精度抑制保護(hù)。

圖2 抑制電子束焊機(jī)高壓電源過電壓原理圖

兩個(gè)氧化鋅避雷器Ry1和Ry2對過電壓的抑制，是通過鉗位方式，將對設(shè)備有危害的過電壓經(jīng)避雷器泄流，過電壓能量轉(zhuǎn)化成熱量被吸收掉，不同電壓保護(hù)等級，可用多個(gè)低壓氧化鋅避雷器串聯(lián)組合，單個(gè)氧化鋅避雷器選用動(dòng)作電壓為1 500 V、通流容量為3 kA，即可滿足容量要求。氧化鋅避雷器的動(dòng)作響應(yīng)速度為納秒（ns）級，幾乎可以看成是沒有延時(shí)的，故有效地抑制瞬時(shí)過電壓，避免了過電壓對加速高壓電源的損害。氧化鋅避雷器具有較大的寄生電容，有利于在高壓加速電源這種直流場合的使用。

二避雷器Ry1、Ry2的低壓端，接避雷器漏電流取樣電路后接地，避雷器泄漏電流取樣電路，連接避雷器泄漏電流檢測單元K1，避雷器泄漏電流檢測單元輸出超壓信號(hào)Uer，其輸出端與電子束焊機(jī)的高壓加速電源的供電電源的控制裝置相連接。

避雷器泄漏電流取樣電路，由并聯(lián)的壓敏電阻Ry3、泄漏電流取樣電阻R4和濾波電容C3組成，泄漏電流取樣電阻R4為10 W/1 kΩ，壓敏電阻Ry3的壓敏電壓為33 V，通流容量選為0.5 kA，濾波電容C3選用0.01μF/100 V的瓷介電容。

當(dāng)未達(dá)到氧化鋅避雷器Ry1或Ry2的起始動(dòng)作電壓時(shí)，Ry1和Ry2的泄漏電流僅為微安（μA）級，此時(shí)避雷器泄漏電流取樣電路輸出電壓信號(hào)近乎為零。當(dāng)有Ry1和Ry2的起始動(dòng)作電壓的過電壓時(shí)，Ry1或Ry2起鉗位作用，流過Ry1或Ry2的電流大大增加，避雷器泄漏電流檢測單元K1得到避雷器泄漏電流取樣電路輸出的電壓信號(hào)，與設(shè)定值5 V進(jìn)行比較。如果為寬脈沖過電壓，避雷器泄漏電流取樣電路輸出的電壓信號(hào)將超過5 V，表明流過Ry1或Ry2的平均電流已超過5 mA安全值。為了避免避雷器熱擊穿，此時(shí)避雷器泄漏電流檢測單元K1輸出超壓信號(hào)Uer給電子束焊機(jī)高壓加速電源的供電電源的控制裝置，用來降低供電電壓或切斷供電電源。如果是尖鋒脈沖過電壓，由于避雷器泄漏電流取樣電路中濾波電容C3的平緩作用，使得避雷器泄漏電流取樣電路的輸出電壓不會(huì)超過5 V，避免了避雷器泄漏電流檢測單元K1輸出錯(cuò)誤信號(hào)；當(dāng)寬脈沖大電流通過避雷器泄漏電流取樣電路時(shí)，壓敏電阻Ry4動(dòng)作限壓于33 V，保護(hù)取樣電阻R4和濾波電容C3避免被損毀。

3 結(jié)束語

上述抑制電子束焊機(jī)高壓加速電源瞬時(shí)過電壓的措施，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）避雷器能將雷擊或電源內(nèi)部產(chǎn)生的瞬時(shí)過電壓能量，轉(zhuǎn)化成熱量吸收掉，加速高壓電源各部件得到保護(hù)，保證正常運(yùn)行，延長使用壽命。

（2）整流端氧化鋅避雷器，對升壓變壓器高壓輸出側(cè)的多相過電壓，同時(shí)抑制保護(hù)，較之在交流側(cè)進(jìn)行多相過電壓抑制保護(hù)，節(jié)省避雷器數(shù)目，且結(jié)構(gòu)簡單，降低成本。

（3）避雷器泄漏電流取樣電路連接避雷器泄漏電流檢測單元，在過壓為寬脈沖產(chǎn)生的避雷器平均電流過大時(shí)，送出超壓信號(hào)，使設(shè)備電源控制裝置能及時(shí)降低供電電壓，或切斷供電電源保護(hù)避雷器。

（4）尖鋒脈沖電流和寬脈沖大電流時(shí)，避雷器泄漏電流取樣電路能得到保護(hù)。

[1]王興貴，李慶玲，李效珍，梁志鈺.氧化鋅避雷器應(yīng)用研究[J].高壓電器，2008，44（2）：175-177.

[2]萬 毅，陸繼明，王 丹，毛承雄.高壓大功率電力電子裝置的防雷保護(hù)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2005，17（4）：76-78，97.

[3]許保彬.機(jī)電設(shè)備中電動(dòng)機(jī)電磁干擾現(xiàn)象抑制[J].微電機(jī)，2008，41（3）：59-61.

[4]張懋魯.電爐變壓器的操作過電壓沖擊及其抑制[J].工業(yè)加熱，2006，35（1）：45-50.

[5]周澤存，沈其工，方 瑜，王大忠.高電壓技術(shù)（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2006.