低電壓下微能RC 脈沖電源放電波形研究

張 桐 ，陳曉菲 ，楊曉冬

（ 1. 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001；2. 上?？臻g推進研究所，上海201112；3. 上?？臻g發(fā)動機工程技術研究中心，上海 201112 ）

RC 脈沖電源也稱馳張式脈沖電源， 因其具有可實現(xiàn)極窄脈寬和極低能量的特點而被廣泛應用在微細電火花加工中。 研究表明，低開路電壓下RC脈沖電源也能實現(xiàn)電火花加工，并且由于具有更小的放電能量，因此對于進一步提高微細電火花的微細化程度具有積極意義[1-3]。 放電過程中的電壓和電流信號是放電狀態(tài)識別的重要依據(jù)，為改善低電壓下微能RC 脈沖電源的伺服控制效果， 進而提高微細電火花的加工效率， 有必要對低電壓下RC 脈沖電源放電波形進行深入研究，進而提高放電狀態(tài)識別的準確性。

針對RC 脈沖電源的放電波形， 國內外學者開展了相關研究，其中一個具有爭議的問題是維持電壓是否存在。 李文卓[3]、石煜[4]通過波形觀測和理論分析得出RC 脈沖電源放電過程中不存在維持電壓的結論，但其忽略了電路中寄生參數(shù)的影響。 孫術發(fā)[5]、Qian[6]、Yang[7]、華晗[8]分析電路中寄生參數(shù)對于RC 脈沖電源放電波形的影響， 并通過觀測驗證了RC 脈沖電源放電波形也存在維持電壓。 以上這些研究都是針對40 V 以上較高開路電壓的RC 脈沖電源放電波形， 但并未針對開路電壓低于20 V 情況下微能RC 脈沖電源進行放電波形研究。 為明確低電壓下微能RC 脈沖電源放電波形特點， 本文進行了觀測和對比分析。

1 放電波形測量方法

采用表1 所示的參數(shù)，形成圖1 所示的低電壓下RC 脈沖電源放電波形測量電路， 將P6100 電壓探頭接在充電電容兩端， 測量充電電容兩端電壓；將TPP0201 電壓探頭接在電極末端和工件放電點之間，測量放電間隙兩端電壓；用TCP312 電流探頭測量電路電流，并通過TCPA300 放大器轉換為電壓信號；所測量的波形利用TBS1154 示波器進行觀測和記錄。 圖中：U 為開路電壓，R 為限流電阻，Ce為充電電容，Lp為寄生電感，Rp為線路電阻，Cp為寄生電容，UCe為電容兩端電壓，Ugap為放電間隙兩端電壓；i 為電路電流。

表1 實驗條件

圖1 低電壓下RC 脈沖電源放電波形測量電路示意圖

2 測量結果與分析

2.1 充電電容兩端電壓

圖2 是在不同充電電容Ce和不同開路電壓U下測量得到的充電電容兩端電壓UCe， 根據(jù)波形可知在任何條件下，UCe波形在放電過程中均呈現(xiàn)持續(xù)的下降特征，無維持電壓存在。

圖2 不同充電電容和開路電壓下充電電容兩端電壓波形

此外，還發(fā)現(xiàn)當Ce≤100 nF 時，在第一次放電后UCe出現(xiàn)振蕩，并且隨著Ce增大，振蕩周期逐漸增大；當 Ce≥1 μF 時，放電波形振蕩逐漸消失。這是由于當放電間隙發(fā)生擊穿形成放電通道之后，放電回路中的充電電容和線路中的寄生參數(shù) （寄生電感、寄生電容、極間阻抗等）在滿足一定條件下發(fā)生電磁振蕩。 如圖1 所示，測量所得的充電電容兩端電壓UCe其實包含了線路中寄生參數(shù)的影響， 因此并不能真實地反映放電間隙兩端電壓。

2.2 放電間隙兩端電壓和放電電流

通過對表1 所示條件下測得的大量放電波形進行分析歸納，可知根據(jù)放電次數(shù)可分為一次放電波形和兩次放電波形，一次放電情況下根據(jù)放電結束時放電間隙兩端電壓Ugap值是否降為0 又可分為完全放電波形和不完全放電波形。 隨著充電電容Ce的增大和開路電壓U 的增大，不完全放電比例和兩次放電波形比例增大，完全放電比例減小。

2.2.1 完全放電波形

圖3 是不同參數(shù)條件完全放電情況下間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 放電波形，放電結束時Ugap值均降為0 V。在放電開始后，放電間隙兩端電壓迅速下降至0~5 V 區(qū)間內，之后進入維持階段。 根據(jù)參數(shù)條件不同，在維持階段的前半部分間隙兩端電壓幾乎不變（圖3a）或略微上升（圖3b），在此過程中放電電流逐漸增大，在維持階段的后半部分間隙兩端電壓均緩慢下降至0 V 左右并呈現(xiàn)略微的振蕩，放電電流也隨之逐漸減小并經過振蕩后減小到0 A。 試驗中發(fā)現(xiàn)隨著開路電壓U 增大，完全放電形式出現(xiàn)比例逐漸減少，當U=50 V 時，幾乎很難出現(xiàn)完全放電。

電火花加工放電通道的熱流體仿真結果表明，穩(wěn)態(tài)后的放電通道兩端應該始終存在電勢差[9]，這是因為電火花加工中的放電通道存在一定的阻抗。在晶體管脈沖電源情況下，由直流電源可持續(xù)為放電間隙提供穩(wěn)定能量的獨立脈沖電源，因此存在穩(wěn)定的維持電壓； 而RC 脈沖電源所形成的放電通道是由充電電容Ce來提供能量的，放電過程中隨著Ce中存儲電荷不斷減少， 導致放電通道無法維持穩(wěn)態(tài)，其兩端電勢差逐漸下降，由此導致了維持階段后半部分的維持電壓逐漸減小的情況。 而維持階段的前半部分對應放電通道的形成過程，間隙兩端電壓和放電電流呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2.2 不完全放電波形

圖3 完全放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

圖4 不完全放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

圖4 是不同參數(shù)條件不完全放電情況間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 的放電波形， 放電結束時間隙兩端電壓Ugap值均未降至0 V。 當U=12.5 V、Ce=1 μF 時， 不完全放電波形存在兩個不同的維持電壓，其原因可認為較低維持電壓下的放電通道易受放電過程中極間狀態(tài)瞬時變化的影響而發(fā)生動態(tài)變化，從而出現(xiàn)維持電壓的變化，其中較低的維持電壓與完全放電時維持電壓大小相等，都在5 V 左右， 而較高的維持電壓則在15~20 V 附近振蕩；當U=25 V、Ce=10 nF 時， 不完全放電波形存在一個維持電壓，也在15~20 V 左右振蕩。 試驗發(fā)現(xiàn)，隨著開路電壓U 的增大，不完全放電比例增大，而且具有單一維持電壓的不完全放電比例增大，這是由于隨著開路電壓U 的增大， 充電電容Ce充電后存儲的電荷量增加， 導致單次放電逐漸難以實現(xiàn)完全放電，因此隨著開路電壓U 的增大，不完全放電的比例增大。

2.2.3 兩次放電波形

圖5 是不同參數(shù)條件二次放電情況下的間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 的放電波形， 經過兩次放電后間隙電壓Ugap下降至0 V 左右。比較發(fā)現(xiàn)，圖5a 和圖5b 所示不同參數(shù)條件第一次放電時的放電間隙兩端電壓Ugap分別與圖4a 和圖4b 中不完全放電時的波形特征相同， 而第二次放電的Ugap又分別與圖3a 和圖3b 中完全放電時的波形特征相同。 當出現(xiàn)不完全放電時， 充電電容Ce中將殘余電荷，此時若極間狀態(tài)受到某種干擾發(fā)生變化，則Ce會發(fā)生第二次放電，并且由于第二次放電是基于Ce的殘余電荷進行的，因此會發(fā)生完全放電。

圖5 二次放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

3 結論

針對低開路電壓下的微能RC 脈沖電源放電波形進行觀測，對不同充電電容和開路電壓下的充電電容兩端電壓、放電間隙兩端電壓及放電回路的電流波形進行了對比和分析，得到以下結論：

（1）由于放電回路中寄生參數(shù)的存在，低開路電壓下測量所得的RC 脈沖電源充電電容兩端電壓和放電間隙兩端電壓存在明顯不同，充電電容兩端電壓并不能直接反映極間放電狀態(tài)。

（2）與脈沖電源的類型及極間開路電壓的大小無關， 電火花加工放電過程中必然存在維持電壓，這是由放電通道兩端存在電勢差的物理屬性決定的。

（3）低開路電壓下微能RC 脈沖電源的維持電壓受到充電電容存儲電荷的變化和極間放電狀態(tài)的影響而發(fā)生變化。