高效節(jié)能無(wú)電阻數(shù)字化脈沖電源節(jié)能效果分析

萬(wàn)符榮，徐琳俊，王新超，吳 強(qiáng)

（蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

高效節(jié)能無(wú)電阻數(shù)字化脈沖電源節(jié)能效果分析

萬(wàn)符榮，徐琳俊，王新超，吳 強(qiáng)

（蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

針對(duì)電火花成形機(jī)床高耗能的問(wèn)題，在綜合分析國(guó)內(nèi)外節(jié)能脈沖電路特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種高效節(jié)能、綠色環(huán)保的無(wú)電阻數(shù)字化脈沖電源，闡明了其在節(jié)能方面較傳統(tǒng)有電阻脈沖電源的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)無(wú)阻電路中的關(guān)斷保護(hù)和能量回饋這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

無(wú)電阻；脈沖電源；耗能比；電能利用率

在航空航天、發(fā)電設(shè)備、精密模具等制造領(lǐng)域，有許多材料特殊、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)細(xì)微、精度要求高的零件需使用電火花成形機(jī)床進(jìn)行加工。傳統(tǒng)電火花加工是直接利用電能并通過(guò)火花放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于主回路采用電阻限流，約有66%以上的能量變成焦耳熱而白白浪費(fèi)掉[1]?？梢?jiàn)，電火花成形機(jī)床因轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏装桌速M(fèi)的能量相當(dāng)高，電能的浪費(fèi)和機(jī)床運(yùn)行成本增加等現(xiàn)象極其嚴(yán)重。為此，本文研發(fā)了一種無(wú)電阻脈沖電源，其電能利用率可達(dá)65%。配備該電源后，每臺(tái)機(jī)床全年可節(jié)約電能約1萬(wàn)度，是電火花加工機(jī)床走綠色環(huán)保之路的一項(xiàng)重要舉措。

1 國(guó)內(nèi)外節(jié)能脈沖電路特點(diǎn)

20世紀(jì)90年代，日本沙迪克公司研發(fā)的節(jié)能電火花加工脈沖電源（圖1），將電壓源、電感、功率管與加工間隙串聯(lián)，利用比較器控制電感電流，使其在設(shè)定的閾值內(nèi)變化。但由于該脈沖電源仍使用限流電阻和電感，節(jié)能效果欠佳。日本富山大學(xué)研制的無(wú)電阻節(jié)能脈沖電源（圖2），由兩個(gè)相同電路并聯(lián)而成，對(duì)電流的平滑性具有較好的作用。

圖1 沙迪克公司研制的節(jié)能脈沖電源原理圖

圖2 富山大學(xué)研制的無(wú)電阻脈沖電源原理圖

2005年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國(guó)石油大學(xué)研制的調(diào)壓型節(jié)能脈沖電源（圖3），采用了逆變式電源結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變DC/DC變換器PWM波控制器的給定來(lái)改變控制器輸出的占空比，從而獲得高低壓輸出，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)加工狀態(tài)變化進(jìn)行調(diào)壓的控制。由于結(jié)構(gòu)中用電感元件取代了耗能?chē)?yán)重的電阻元件，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，但受其主電路結(jié)構(gòu)、開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)速度和調(diào)壓過(guò)程的調(diào)節(jié)速度等限制，會(huì)導(dǎo)致主回路中流過(guò)大電流沖擊而燒毀元器件及電流爬坡、拖尾等現(xiàn)象[2]。

圖3 調(diào)壓型節(jié)能脈沖電源原理圖

2 無(wú)電阻脈沖電源設(shè)計(jì)與分析

在傳統(tǒng)電火花脈沖電源的主回路中，通過(guò)限流電阻改變回路中的電流（圖4a），而本文所研制的無(wú)電阻脈沖電源，設(shè)計(jì)了恒流電源電路以代替限流電阻陣列，恒流電源電路中無(wú)功率電阻，故能耗大大降低（圖4b）。經(jīng)大量工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加工指標(biāo)也優(yōu)于傳統(tǒng)有阻電路。

圖4 有阻脈沖電源和無(wú)阻脈沖電源的結(jié)構(gòu)框圖

2.1 能耗分析

為了證明無(wú)電阻電源在能量利用率上具有明顯優(yōu)勢(shì)，分析了兩種電路各自的能耗。

在傳統(tǒng)的有限流電阻電火花脈沖電源中，設(shè)放電加工時(shí)回路中的平均電流ˉ=50 A，輸入電壓U0=85 V，放電間隙兩端電壓U1=35 V，則在限流電阻上的壓降大致為U2=50 V。

由此可計(jì)算出電能利用率η1和耗能比η2：

式中：P0為整個(gè)回路消耗的能量；P1為放電間隙中的能量；P2為消耗在限流電阻上的能量。

在無(wú)電阻脈沖電源中，因?yàn)闆](méi)有限流電阻上的能量損耗，僅有線損、功率開(kāi)關(guān)損耗（40 kHz）、關(guān)斷保護(hù)電路損耗等，而這些能耗極小且不易測(cè)算，從現(xiàn)有資料得知約占輸入能耗的18%～25%，所以電能利用率將近80%。

2.2 能量利用率實(shí)測(cè)比對(duì)

表1 無(wú)阻電源能耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可看出，由于電路中能量損耗僅存在功率器件開(kāi)關(guān)損耗、吸收保護(hù)損耗和一定的線損，這些電路能耗隨加工電流增大的變化不大。當(dāng)加工電流較小時(shí)，加工間隙實(shí)際消耗能量較小，則這些電路能耗占輸入總能量的比例相對(duì)大些，所以電能利用率偏低；當(dāng)加工電流增大后，加工間隙實(shí)際消耗能量也增大，則電路能耗占輸入總能量的比例相對(duì)較小，故電能利用率得以提高。對(duì)比表1、表2還可看出，無(wú)電阻脈沖電源的電能利用率普遍高于有阻電源，說(shuō)明無(wú)阻電路比有阻電路更具節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

表2 有阻電源能耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 無(wú)阻電路功率器件的關(guān)斷保護(hù)

無(wú)電阻脈沖電源工作在高頻（μs級(jí)）狀態(tài)下，在主回路中串入了電感儲(chǔ)能元件，因電感的續(xù)流作用，如不精心設(shè)計(jì)續(xù)流保護(hù)通道，將會(huì)在大電流功率管的關(guān)斷瞬間產(chǎn)生高壓而擊穿功率管。為了保證電路的可靠運(yùn)行，必須對(duì)功率管關(guān)斷瞬間的高壓設(shè)計(jì)快速保護(hù)電路。

本設(shè)計(jì)采用阻容吸收和結(jié)合脈沖前后沿陡度控制電路的能量回饋通道，將脈沖關(guān)斷瞬間在電感元件中存儲(chǔ)的能量快速回饋至功率電源端，供再生利用。這樣，既可達(dá)到保護(hù)大電流功率管的目的，又可將電感中的多余能量無(wú)損耗地重復(fù)利用。由于無(wú)用功率消耗僅有功率管的開(kāi)關(guān)損耗及主回路電感中的線路電阻損耗，故可將電感中的多余能量進(jìn)行大部分重復(fù)利用，使功耗大大降低，電能利用率可達(dá)70%以上。圖5是不同阻容吸收電路在加工期間的IGBT功率管CE間電壓波形。

4 工藝試驗(yàn)

4.1 高效低損試驗(yàn)

用45鋼作為工件、紫銅作為電極進(jìn)行生產(chǎn)率試驗(yàn)。 在脈寬 700～600 μs、脈間 200 μs、低壓電流50 A、高壓電流1.5 A、伺服給定76%、伺服靈敏6、抬刀高度0.6 mm、抬刀間隔3 s時(shí)，可得到近53 A的平均加工電流，加工間隙電壓維持在60 V左右，此時(shí)的生產(chǎn)效率為450 mm3/min。用同等級(jí)的普通電火花成形機(jī)床或輪胎模加工設(shè)備及相似參數(shù)加工，得到的最大生產(chǎn)效率僅為400 mm3/min。

圖5 阻容吸收匹配前后的CE間電壓波形圖

加工后，在工件表面質(zhì)量和邊角損耗方面，無(wú)電阻電源設(shè)備也優(yōu)于其他設(shè)備。如圖6a所示，用輪胎模加工機(jī)床在70 A大電流下加工的工件，其邊角處損耗較大，都為圓角。如圖6b所示，本項(xiàng)目研發(fā)的無(wú)電阻電源設(shè)備在70 A以上大電流下加工的工件，其邊角損耗明顯更小。目前，在電極損耗試驗(yàn)中，無(wú)電阻電源基本可控制在0.2%以?xún)?nèi)，有時(shí)甚至小于0.1%。

圖6 不同電源在大電流下加工工件的表面質(zhì)量

4.2 大面積修光試驗(yàn)

在無(wú)電阻電源設(shè)備大面積修光試驗(yàn)中，石墨電極尺寸為50 mm×50 mm，從實(shí)際電流16 A逐步修光至1.5 A需耗時(shí)52 min，表面粗糙度為Ra1.577～2.320 μm。 同時(shí)，在修光相同時(shí)間（16 min）后，輪胎模加工工件的表面粗糙度為Ra5.0 μm，而無(wú)電阻電源平均可達(dá)Ra3.2 μm?？梢?jiàn)，無(wú)電阻電源設(shè)備比輪胎模加工在修光時(shí)間和修光效果上均更占優(yōu)勢(shì)。從石墨大面積 （110 mm×70 mm）修光試驗(yàn)結(jié)果中可見(jiàn)，從最大電流80 A逐步修光至0.5 A，工件表面質(zhì)量均勻、無(wú)凹坑（圖7）。

5 結(jié)束語(yǔ)

能源的緊缺推動(dòng)了電加工技術(shù)的更新?lián)Q代，老舊耗能的設(shè)備注定會(huì)被時(shí)代所淘汰，新器件的層出不窮又為電加工的發(fā)展提供了可靠的技術(shù)支持。本文提出的新型節(jié)能、綠色環(huán)保無(wú)電阻電源是電火花加工技術(shù)發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)、解決難加工材料的重要手段，它不僅能提高我國(guó)電加工行業(yè)的技術(shù)水平，促進(jìn)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)一步提高電加工技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，更主要的是能為我國(guó)的關(guān)鍵制造業(yè)提供先進(jìn)的、低能耗的綠色加工技術(shù)和設(shè)備，有利于我國(guó)關(guān)鍵制造業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，從而提高企業(yè)走向世界、參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的能力。

圖7 石墨大面積修光試驗(yàn)結(jié)果

[1]呂華.電火花線切割加工智能脈沖電源的研究 [D].成都：西華大學(xué)，2012.

[2]FLEISCHER J，MASUZAWA T，SCHMIDT J，et al．New applications for micro-EDM [J]．Journal of Materials Processing Technology，2004，149（1-3）：246-249.

Energy Saving Effect Analysis on No Resistance Digital Pulse Power Supply of High Efficiency and Energy Saving

WAN Furong，XU Linjun，WANG Xinchao，WU Qiang
（ Suzhou Electromachining Machine Tool Research Institute Co.,Ltd，Suzhou 215011，China ）

In the light of the high energy consumption problem of sinking electro-discharge machines，we designed a high efficient，energy saving and environmental no resistance digital pulse power based on the analysis of related energy saving circuit features at home and abroad.It clarified the obvious advantages on energy conservation compared with traditional resistance pulse power，and analyzed the key technology of shutdown protection and energy feedback in no resistance circuit.

no resistance；pulse power；energy consumption ratio；electric energy utilization rate

TG661

A

1009－279X（2017）05－0018-04

2017-07-17

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2014ZX04001061）

萬(wàn)符榮，男，1965年生，高級(jí)工程師。