短電弧機(jī)床數(shù)控脈沖電源的研制?

何 強(qiáng)，周建平，章翔峰，許 燕

（新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

超硬材料的加工是機(jī)械加工領(lǐng)域普遍面臨的一道技術(shù)難題，短電弧技術(shù)能有效地解決超硬、超強(qiáng)度、高韌性、高紅硬性、高耐磨性、嚴(yán)重冷作硬化等新型特種材料的加工難題［1］。它利用兩個(gè)電極（工件為陽(yáng)極，工具電極為陰極）之間產(chǎn)生的短電弧放電來(lái)蝕除工件電極表面的金屬材料，從而達(dá)到尺寸加工的目的。但是短電弧加工技術(shù)的機(jī)理仍處于研究階段，該技術(shù)的高效加工與它本身很高的工作電流有著直接關(guān)系，是否與它的脈沖寬度和頻率有關(guān)是下一步研究的重要內(nèi)容。因此，本文研制一臺(tái)瞬時(shí)脈沖功率最高可達(dá)72 kW的大功率脈沖電源樣機(jī)，為短電弧加工技術(shù)的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 脈沖實(shí)驗(yàn)電源方案

該脈沖實(shí)驗(yàn)電源為短電弧機(jī)床提供多參數(shù)可調(diào)輸出需求，具有電壓型、電流型兩種輸出模式，可任意切換，同時(shí)具備輸入過(guò)壓、欠壓、缺相、超溫、輸出過(guò)壓、輸出短路等保護(hù)電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。電源采用兩級(jí)信號(hào)調(diào)制方式，其中，一級(jí)調(diào)制電路包括整流濾波、全橋逆變、高頻變壓；二級(jí)調(diào)制電路包括倍流整流、電容儲(chǔ)能、直流斬波。前者核心為全橋逆變電路，后者核心為直流斬波電路。電源輸出電壓幅值為5V～36 V，輸出電流為0A～2 000A，脈沖頻率為50Hz～20 kHz，占空比為0%～75%。

2 脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 脈沖電源主電路設(shè)計(jì)

圖2為脈沖電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其具體工作過(guò)程是：三相交流經(jīng)限流電感和EMI濾波、三相不控整流、工頻濾波環(huán)節(jié)后，采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)［2］將整流濾波后的直流電由IGBT全橋逆變電路變換成正負(fù)極性的交流電，此高頻交流電再經(jīng)高頻變壓器和倍流整流電路后，將能量存儲(chǔ)于儲(chǔ)能電容中，最終，直流斬波電路將電容輸出直流電變換為頻率與占空比可調(diào)的電壓脈沖供給負(fù)載。

圖1 脈沖電源結(jié)構(gòu)框圖

圖2 脈沖電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能電容為功率脈沖提供持續(xù)的能量，選用高頻低阻電解電容與高頻高壓大電流電容，可充分發(fā)揮高功率密度和高能量密度優(yōu)勢(shì)，從而使得電源系統(tǒng)具有短時(shí)間大功率輸出的能力，又具備持久的動(dòng)力性能。在直流斬波電路中，功率器件選用相同型號(hào)的大功率MOSFET，采用4個(gè)降壓斬波電路并聯(lián)組成多相多重均流斬波電路，采用移相倍頻控制技術(shù)［3］。4路PWM信號(hào)彼此相移1／4周期，在輸出端就會(huì)得到4倍的脈沖頻率，該方法稱為移相倍頻控制技術(shù)。

該電路具有如下特點(diǎn)：電路輸出脈沖頻率高；單個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率低，降低了系統(tǒng)的發(fā)熱；有效避免了由于功率開(kāi)關(guān)管的死區(qū)時(shí)間帶來(lái)的影響；單個(gè)開(kāi)關(guān)器件的電流低；各降壓斬波電路單元可互為備用；4個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自于單片機(jī)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別輪流延時(shí)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，最終在輸出端可得到頻率和占空比可調(diào)的脈沖。

2．2 脈沖電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3為脈沖電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。本控制系統(tǒng)以移相式PWM集成控制芯片UC3879為控制核心，主要任務(wù)為全橋IGBT模塊提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并完成對(duì)器件以及放電回路的實(shí)時(shí)保護(hù)，另外參與輸出電壓調(diào)節(jié)。單片機(jī)編程產(chǎn)生斬波MOSFET模塊驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口通訊。

圖3 脈沖電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

脈沖電源加工過(guò)程中處于穩(wěn)壓源型輸出方式，針對(duì)穩(wěn)壓源型脈沖電源，本電源采用自適應(yīng)調(diào)壓原理［4］，對(duì)放電回路輸出電壓進(jìn)行采集對(duì)比，然后對(duì)PWM波占空比進(jìn)行控制，使得放電加工時(shí)電壓能夠維持恒定，保持加工的效率與精確度。

圖4為PI自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)原理圖。其中，P1端為UC3879誤差放大器反相輸入端，通常接基準(zhǔn)電壓Vf，P2端為同向輸入端，接在與輸出電壓相連的電阻分壓器上。同相端采樣電壓Vi與基準(zhǔn)電壓Vf比較，其輸出信號(hào)Ve與振蕩器產(chǎn)生的三角波比較，交接點(diǎn)決定移相角的大小，從而改變輸出脈沖的占空比，最終維持輸出電壓的恒定。該控制方法沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)稍慢。

2．3 脈沖電源保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本脈沖電源的保護(hù)系統(tǒng)主要分為功率器件的保護(hù)和放電回路的保護(hù)［5］，前者防止功率器件過(guò)壓和過(guò)流擊穿，后者防止放電回路短路影響加工工件的表面質(zhì)量。

在電源保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，功率器件的過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)可通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片以及相應(yīng)的外圍電路組成檢查電路，若發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流情況，驅(qū)動(dòng)芯片將產(chǎn)生的故障信號(hào)送入U(xiǎn)C3879的CS端口，控制器則對(duì)全橋電路逐波關(guān)脈沖、直流斬波電路直接關(guān)脈沖或跳閘。放電回路的保護(hù)通過(guò)電流傳感器檢測(cè)直流斬波輸出處的電流，控制器判斷電流大于保護(hù)設(shè)定值時(shí)，同樣對(duì)全橋電路逐波關(guān)脈沖、直流斬波電路直接關(guān)脈沖，并采用RCD吸收電路防止過(guò)電壓。

圖4 PI自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)原理圖

在短電弧切削加工過(guò)程中，脈沖電源正負(fù)極在水汽噴霧作用下會(huì)不斷產(chǎn)生放電通道，在放電通道內(nèi)電流會(huì)迅速上升至上千安培，此時(shí)，直流斬波電路快速響應(yīng)，瞬間輸出大電流。電流傳感器不斷對(duì)回路電流進(jìn)行采樣比較，超過(guò)電流設(shè)定值后，可在1μs內(nèi)迅速關(guān)斷脈沖以保護(hù)器件和加工工件的安全。

3 基于MATLAB的電源主電路仿真分析

脈沖電源由直流開(kāi)關(guān)電源和直流斬波器組成，前者為直流斬波電路提供恒定直流源，后者將恒壓直流源變換為高頻單脈沖電壓。采用MATLAB下的Simulink和Simpowersystems模塊建立仿真模型［6］，如圖5所示。該脈沖電源設(shè)計(jì)方案可行，并且控制簡(jiǎn)單、方便。

4 電源實(shí)驗(yàn)分析及存在的問(wèn)題

該數(shù)控脈沖電源最終實(shí)現(xiàn)的輸出為：脈沖電壓幅值5V～36V，占空比0%～75%，頻率50Hz～20 kHz。圖6為電源輸出不同參數(shù)的脈沖電壓波形。

根據(jù)短電弧加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該短電弧機(jī)床數(shù)控脈沖電源設(shè)計(jì)方法有效可行，能為短電弧加工提供穩(wěn)定的持續(xù)高能脈沖，達(dá)到了預(yù)期的加工效果，并滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中該電源存在著如下問(wèn)題：①電源在低頻時(shí)波形趨于理想，但在高頻段時(shí)，開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)無(wú)法關(guān)斷的情況，導(dǎo)致波形發(fā)生畸變成為非方波脈沖（如圖6（b））；②單片機(jī)編程計(jì)算產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但在高頻段時(shí)容易產(chǎn)生死機(jī)現(xiàn)象；③放電回路必須嚴(yán)格布線，否則產(chǎn)生較大分布電感，導(dǎo)致回路續(xù)流二極管承受大電流而被擊穿。所以有待于進(jìn)一步對(duì)電源系統(tǒng)改進(jìn)，以完善電源的各功能。

5 結(jié)論

針對(duì)短電弧加工技術(shù)機(jī)理，研制了專門應(yīng)用于短電弧加工領(lǐng)域的數(shù)控脈沖電源。電源由穩(wěn)壓直流電源和直流斬波模塊組成，具有工作穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)短電弧加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該數(shù)控脈沖電源設(shè)計(jì)方案的可行性，可基本滿足短電弧加工的需要，但也存在著若干設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，有待于進(jìn)一步的完善。

圖5 電源主電路仿真模型

圖6 輸出不同參數(shù)的脈沖電壓波形圖

［1］ 張華洋，周建平．基于電火花加工機(jī)理分析的短電弧加工技術(shù)機(jī)理初探［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2008（11）：38－42．

［2］ Bellar Ｍ Ｄ．A review of soft－switched DC－AC converters［J］．IEEE Trans，1998，34（4）：847－860．

［3］ 黨懷東，王有云．基于Buck Chopper電路多相多重拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流穩(wěn)流電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2009，31（2）：26－30．

［4］ 張海峰，劉永紅．高效電壓調(diào)節(jié)型電火花脈沖電源的設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，33（6）：116－120．

［5］ 賀巖斌，王志鵬．高功率脈沖電源的研制［J］．電力電子技術(shù)，2011，45（5）：78－80．

［6］ 林飛，杜欣．電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2008．