帶軟開關(guān)和能量釋放功能的脈沖電解電源的研制

石必利，張永俊，羅紅平

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的脈沖電流電解加工較傳統(tǒng)的直流電解加工在精度和穩(wěn)定性上顯示了其發(fā)展?jié)摿1]。電解電源作為電解加工工藝的核心環(huán)節(jié)，其精度和穩(wěn)定性直接決定電解加工的精度和穩(wěn)定性。目前，大多數(shù)電解電源直接采用逆變整流輸出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有電路簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但輸出電流波形呈三角波，沒有陡峭的上升沿和下降沿，導(dǎo)致加工效率低、精度不高。隨著電解加工涉及領(lǐng)域日益拓寬，精度要求越來越高，于是出現(xiàn)了逆變加斬波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。國內(nèi)外的研究及工藝試驗(yàn)表明，高頻、窄脈沖電源能顯著提高加工精度、表面質(zhì)量和腐蝕速度[2]。傳統(tǒng)電源的保護(hù)系統(tǒng)采用基本的過壓保護(hù)、過流保護(hù)及過溫保護(hù)，對(duì)電源的保護(hù)較完善，但沒有針對(duì)工具、工件進(jìn)行保護(hù)。

針對(duì)電路變化率作出判斷會(huì)更迅速地察覺短路危險(xiǎn)并作出及時(shí)保護(hù)，于是本文引入了能量釋放模塊，一方面及時(shí)關(guān)斷電源，另一方面導(dǎo)通旁路IG-BT，及時(shí)為殘留在電感電容中的電能提供泄放通道。針對(duì)因斬波IGBT在大電流下的開關(guān)損耗引起溫升過高的問題，提出了斬波軟開關(guān)的控制方式，實(shí)現(xiàn)了低電流時(shí)開關(guān)IGBT，保護(hù)了開關(guān)器件。本文研究的電解電源主控芯片選擇FPGA，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電源控制及斬波軟開關(guān)，同時(shí)，開發(fā)了友好的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制和顯示。

1 電源的總體設(shè)計(jì)

電源結(jié)構(gòu)見圖1。其設(shè)計(jì)思路主要分為主電路、控制電路和檢測(cè)電路三部分。主電路采用全橋逆變加斬波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制電路采用FPGA控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)，檢測(cè)電路將電壓電流的檢測(cè)情況反饋給FPGA。

圖1 電源結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主電路

主電路采用逆變加斬波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （圖2）。380 V交流電網(wǎng)輸入，經(jīng)整流濾波變成高壓直流，由全橋逆變器變成高頻交流方波，經(jīng)高頻變壓器降壓后，再進(jìn)行整流濾波變成低壓直流，最后經(jīng)斬波器得到高頻方波輸出。全橋逆變部分實(shí)現(xiàn)輸出電壓峰值的調(diào)節(jié)，斬波部分負(fù)責(zé)輸出信號(hào)的頻率和脈寬調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓、頻率、脈寬均可調(diào)。

圖2 脈沖電解電源主電路

1.2 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路包括基本的電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)。電壓采樣點(diǎn)設(shè)置在二次整流之后，即肖特基二極管的負(fù)極，這樣能及時(shí)跟蹤到電壓信息。電流采樣點(diǎn)設(shè)置在輸出端的地線上，使用分流器進(jìn)行采樣。

此外，為及時(shí)保護(hù)電源，還設(shè)置了電流變化率的采樣電路（圖3）。該電路主要由濾波器、微分器、比例放大器和比較器、與門及觸發(fā)器組成。利用分流器進(jìn)行采樣，規(guī)格為500 A/75 mV。輸出電壓經(jīng)濾波器后進(jìn)行微分，輸出階躍信號(hào)再次放大，送入比較器LM339的同相端。電流上升率取10%，將其轉(zhuǎn)化為電壓基準(zhǔn)送給LM339的反相端，若LM339輸出高電平，則視為短路。與門74LS08接到高電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致CD4013的Q端輸出高電平，反饋給旁路管子的驅(qū)動(dòng)電路和控制板。同時(shí)，CD4013的端為低電平，封住74LS08的輸出，直到故障排除；復(fù)位信號(hào)到來后，Q端回到低電平，變?yōu)檎顟B(tài)。其波形見圖4。

圖3 電流變化率采樣電路

圖4 電流變化率采樣波形

2 能量釋放系統(tǒng)

在電解加工過程中，加工間隙微小是其最基本的特征。極小的間隙空間使加工生成的大量電解產(chǎn)物積蓄在加工區(qū)內(nèi)[3]。同時(shí)，間隙內(nèi)混有導(dǎo)電微粒，往往會(huì)產(chǎn)生火花放電，引起短路，工件和工具因大電流流經(jīng)而被燒傷，并損壞電源。因此，研制快速短路保護(hù)系統(tǒng)極其重要[4]。

陰陽極之間發(fā)生短路或產(chǎn)生火花時(shí)，電流基本成線性增長。相關(guān)研究表明，當(dāng)電流上升率超過每秒1%～20%時(shí)，可視為極間產(chǎn)生火花或短路[5]。因此，可利用電流上升率作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。為達(dá)到有效保護(hù)，應(yīng)做出快速反應(yīng)關(guān)斷電源，并將極間電容和電感存儲(chǔ)的殘留能量釋放出去。

電流變化率可由圖3所示的檢測(cè)電路檢測(cè)。從圖4所示波形可看出，當(dāng)電流上升率超過10%，便輸出高電平作為反饋信號(hào)。能量釋放裝置包括關(guān)斷逆變部分及導(dǎo)通并聯(lián)管子，這兩個(gè)動(dòng)作都由反饋信號(hào)來決定。其中，并聯(lián)管子釋放結(jié)構(gòu)見圖5。當(dāng)發(fā)現(xiàn)短路或火花現(xiàn)象時(shí)，導(dǎo)通IGBT管子，釋放電路中的能量。

圖5 能量釋放的并聯(lián)管子部分

檢測(cè)電路的響應(yīng)時(shí)間不到2 μs，直到反饋信號(hào)傳到控制板關(guān)閉全橋，同時(shí)傳到旁路管子驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通釋放管，整個(gè)過程也只有數(shù)μs。因此，能量釋放系統(tǒng)也稱為快速保護(hù)系統(tǒng)。

3 軟開關(guān)控制

軟開關(guān)的基本原理主要基于電流變化率的正負(fù)符號(hào)反應(yīng)電流變化的趨勢(shì)，電流上升，斜率di/dt＞0；電流下降，斜率di/dt＜0。在全橋逆變并經(jīng)整流之后，電路的電壓電流波形見圖6。可見，電流呈周期上升和下降的趨勢(shì)，即每個(gè)周期內(nèi)電流都出現(xiàn)一個(gè)最小值，當(dāng)開關(guān)管在最小電流的時(shí)候打開和關(guān)斷，開關(guān)管的開關(guān)損耗就會(huì)最小，產(chǎn)生的溫升也會(huì)相應(yīng)減小，這便是軟開關(guān)的實(shí)質(zhì)。

圖6 整流后的電壓、電流波形

電流變化率di/dt將傳送到FPGA，分配2個(gè)寄存器分別記錄di/dt初值v0和di/dt變值vt，其中：

從圖6可看出，電流最小值出現(xiàn)之前的變化率為負(fù)值，之后變化率為正值。因此，v0為負(fù)時(shí)有效，每次符號(hào)翻轉(zhuǎn)正，則將其清零，直到再次翻轉(zhuǎn)為負(fù)，再次將此值賦給v0，周而復(fù)始。每次v0重新賦值前，判斷 s=v0·vt的符號(hào)，若 s＞0，則未達(dá)到最小值不作處理；若s＜0，則可判定t時(shí)刻為電流最低的點(diǎn)，此時(shí)可打開或關(guān)斷開關(guān)管。單次動(dòng)作流程見圖7。

圖7 軟開關(guān)單次動(dòng)作流程

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖8是電源輸出波形。電源能長時(shí)間穩(wěn)定輸出，可靠性高。

圖8 電源輸出波形

試驗(yàn)在電解加工實(shí)驗(yàn)機(jī)床上進(jìn)行。在軸承鋼板上加工圓環(huán)，結(jié)果見圖9?？梢?，加工處留料多、留痕少，加工效果良好。

圖9 電解加工的圓環(huán)

5 結(jié)語

本文研制的高頻脈沖電解電源性能穩(wěn)定。電源采用了能量釋放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了短路快速保護(hù)，為殘余在電路中的電能提供了泄放通路，給電源提供了保障且有效保護(hù)了工件。同時(shí)，電源采用了FPGA實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)功能，在一定程度上減少了開關(guān)損耗，降低了電源溫升。

[1] 王建業(yè).電解加工技術(shù)的新發(fā)展 [J].電加工，1998（2）：37-41.

[2] 陳柱春，張永俊，許志永.電解加工電源的發(fā)展及應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2007，36（6）：13-16.

[3] 馬曉寧，李勇，呂善進(jìn)，等.加工間隙內(nèi)電解產(chǎn)物對(duì)微細(xì)電解加工的影響分析[J].電加工與模具，2008（6）：31-35.

[4] 朱樹敏，陳遠(yuǎn)龍.電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5] 陳遠(yuǎn)龍，楊勝.高頻脈沖電解加工電源的研制[J].機(jī)電工程技術(shù)，2012，41（9）：75-78.