半橋逆變型電子束焊機(jī)用直流高壓電源的設(shè)計(jì)

引言
　　
    電子束焊機(jī)用高壓電源的高效小型化是電子束焊機(jī)的發(fā)展需要[1]。電子束焊機(jī)從當(dāng)初的試驗(yàn)室應(yīng)用發(fā)展到應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域以來(lái)，其高壓電源亦經(jīng)過(guò)了近50年的 發(fā)展歷程。從高壓電源的發(fā)展階段看，最初的高壓電源由調(diào)壓器人工開(kāi)環(huán)控制和調(diào)節(jié)高壓，整流器件為閘流管，這種原始的控制和調(diào)節(jié)僅滿足于試驗(yàn)研究和要求不高 的應(yīng)用場(chǎng)合。體積大、效率低、操作復(fù)雜和可靠性差是該種電源的主要缺點(diǎn)。隨著近代電子技術(shù)及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，一些先進(jìn)的元器件如晶閘管被成功地應(yīng) 用到高壓電源的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域。由于電源采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了高壓的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，這使電源的穩(wěn)定性、紋波電壓及可靠性等技術(shù)指標(biāo)都得到了顯著的提高， 而高壓電源性能的提高也改善了電子束焊機(jī)的焊接質(zhì)量，促進(jìn)了電子束焊機(jī)的發(fā)展。
　　
    自上世紀(jì)90年代以來(lái)，新型電力電子器件（如IGBT）、數(shù)字控制技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，更加促進(jìn)了電子束焊機(jī)電源的發(fā)展。西方國(guó)家開(kāi) 始應(yīng)用現(xiàn)代新技術(shù)和新材料研制電子束焊機(jī)，如比較大型的電子束焊機(jī)及電子束技術(shù)應(yīng)用生產(chǎn)線均采用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)人工智能化操作和管理。一般小型機(jī)則采用 PLC控制，由于PLC具有較強(qiáng)的抗干擾能力及控制功能強(qiáng)等特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束焊機(jī)的可靠控制。
　　
2　高壓電源的主電路系統(tǒng)和參數(shù)
　　
    高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主電路如圖2所示。它主要由以下電路組成。 　　
　　

2.1　EMC濾波電路
　　
    開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲返回到市電網(wǎng)絡(luò)，影響電源控制電路的正常工作，并對(duì)其它的電器設(shè)備產(chǎn)生干擾，因此必須加以克服[2]。本電源采用EMC濾波 電路，主要由L和C組成的電源線路濾波器，包括差模抑制和共模抑制電路，能有效抑制差模和共模噪聲。
　　
2.2　可控整流電路
　　
    可控整流電路由集成一體化智能調(diào)壓模塊組成，電感L1和電容C3組成濾波電路以獲得較為平穩(wěn)的直流電壓，Rc和Rd組成精密的反饋取樣電路，確保輸出電壓在控制電路的作用下保持穩(wěn)定。
　　
2.3　IGBT逆變電路
　　
    逆變電路由半橋電容C、IGBT、高壓變壓器、保護(hù)元件等組成。IGBT為富士公司的快速系列模塊，其型號(hào)為1MBH600-100。T為高壓變壓器，經(jīng) IGBT逆變后的方波電壓經(jīng)高壓變壓器升壓到40kV左右的高頻交流電壓。由于高壓線圈的匝數(shù)較多，在高頻時(shí)，寄生電容和自感會(huì)影響電源的輸出特性 [3]，因此須對(duì)線圈采取靜電屏蔽，另外由于對(duì)地電容的作用，束流取樣電阻上會(huì)疊加一高頻交流信號(hào)[4]，必須采取補(bǔ)償措施加以消除。本電源采用雙屏蔽措 施來(lái)消除束流干擾信號(hào)，即在高低壓線圈之間加裝雙層屏蔽，第一層屏蔽接地，第二層接在束流取樣電阻上。VL11、R9、C9、VL21、R19、C19組 成IGBT的尖峰電壓吸收電路，確保IGBT的安全工作。
　　
2.4　高壓整流電路
　　
    高壓整流電路由高頻高壓硅堆、高壓濾波電容器、保護(hù)電阻及取樣電路組成。由于經(jīng)高壓變壓器升壓后的電壓具有較高的頻率，所以選用高頻高壓快速整流硅堆以滿 足高頻高壓整流的需要。濾波電容器選用高壓聚苯乙烯電容器，這種電容器具有較小的tgδ及高頻性能，對(duì)電源的輸出特性影響小。為有效地限制短路電流及電源 內(nèi)部過(guò)電壓的限流電阻和保護(hù)電阻，均采用具有熱性能穩(wěn)定、自感小、通流容量大，具有較強(qiáng)的耐受過(guò)電壓、電流沖擊能力的實(shí)體電阻。取樣電路中的高壓取樣信號(hào) 由精密電阻分壓器獲得，分壓器由精密線繞無(wú)感電阻制成，頂部加裝屏蔽電極，保證取樣電壓的穩(wěn)定。電子束流取樣亦通過(guò)精密無(wú)感線繞電阻制成，兩種取樣電阻均 放在電磁屏蔽盒里，防止干擾信號(hào)進(jìn)入控制電路。
　　

3　控制電路
　　
    控制電路由PI給定調(diào)節(jié)電路、PWM及其驅(qū)動(dòng)電路等組成。整流控制電路保證市電整流后輸出電壓的穩(wěn)定。PI給定調(diào)節(jié)電路和PWM及其驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)直流高壓的穩(wěn)定和自動(dòng)調(diào)節(jié)。各部分電路的工作原理如下。
　　
3.1　整流移相控制電路
　　
    整流控制電路為集成在調(diào)壓模塊內(nèi)的厚模集成電路。整流后的直流電壓經(jīng)電阻分壓器取樣并經(jīng)電量隔離電路送入PI調(diào)節(jié)器的反饋端，PI調(diào)節(jié)器在給定和反饋的共 同作用下，并經(jīng)放大后輸出一直流信號(hào)給智能調(diào)壓模塊控制端，以控制晶閘管的觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。輔助電源采用集成一體化高精度線性電源， 各電源地分別獨(dú)立，以減小地電流干擾信號(hào)對(duì)控制電路的影響。
　　
3.2　PI給定調(diào)節(jié)電路
　　
    PI給定調(diào)節(jié)電路由PLC和D/A模塊、PI調(diào)節(jié)器、反饋信號(hào)取樣及隔離電路等組成。給定信號(hào)由PLC程序設(shè)置，它包含了上升斜波函數(shù)及下降斜波函數(shù)，運(yùn) 算后的數(shù)字量經(jīng)D/A模塊輸出到給定電位器，調(diào)節(jié)電位器能調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)的給定信號(hào)的大小。反饋信號(hào)取自高精密電阻分壓器的低壓臂并經(jīng)電量隔離電路輸入到 PI調(diào)節(jié)器的反饋端。PI調(diào)節(jié)器由TL494[6]內(nèi)部放大器和外接電阻電容組成，具體原理電路如圖3所示。
　　

3.3　PWM及其驅(qū)動(dòng)電路
　　
    PWM及其驅(qū)動(dòng)電路的電原理圖如圖3所示。PWM信號(hào)由TL494調(diào)制，TL494內(nèi)部的另一放大器外接電流信號(hào)作為過(guò)流保護(hù)用。電流傳感器采用LEM公 司生產(chǎn)的電流檢測(cè)隔離器件，能保證控制電路和主電路的可靠隔離，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、取樣電流信號(hào)與輸出電流線性度好的特點(diǎn)，能有效克服高壓電路的干擾信號(hào)對(duì) 取樣電路的影響。反饋信號(hào)和給定信號(hào)在PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后經(jīng)TL494調(diào)制成兩路互補(bǔ)的PWM脈沖。TL494輸出的脈沖送入到IGBT的專用驅(qū)動(dòng)模塊 EXB840的輸入端，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用富士公司的EXB840專用驅(qū)動(dòng)1200V、70A的模塊，內(nèi)部采用2500V光電隔離電路，其輸入電壓為 ＋20V，其中＋15V作為IGBT的正向驅(qū)動(dòng)電壓，－5V是IGBT關(guān)斷時(shí)加在IGBT的柵極與發(fā)射極之間的反向電壓，使之可靠關(guān)斷。腳14外接 TL494輸出的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT，腳6通過(guò)二極管接到IGBT來(lái)檢測(cè)IGBT的過(guò)流信號(hào)，腳4外接控制電路把過(guò)流信號(hào)輸入到PLC，PLC對(duì)其進(jìn) 行運(yùn)算和處理后發(fā)出過(guò)流信號(hào)?？刂齐娐返墓ぷ鬟^(guò)程為經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用后的信號(hào)輸入到TL494內(nèi)部，TL494輸出PWM脈沖，其占空比由PI調(diào)節(jié)器輸出 信號(hào)的大小來(lái)決定，具有一定占空比的PWM脈沖經(jīng)EXB840作用后驅(qū)動(dòng)IGBT，從而實(shí)現(xiàn)變壓器輸出電壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
　　
4　保護(hù)電路
　　
    高壓電源在工作時(shí)，電源的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓或過(guò)電流以致?lián)p壞電源或IGBT，因此必須設(shè)置保護(hù)電路來(lái)保證電源的安全。電源設(shè)置了過(guò)壓保護(hù)、梯度上升及下降 電路和過(guò)流保護(hù)電路。過(guò)流保護(hù)采用了三級(jí)保護(hù)：第一級(jí)是EXB840電路本身的過(guò)流保護(hù)檢測(cè)功能，即在IGBT過(guò)流時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的腳6會(huì)檢測(cè)到過(guò) 流信號(hào)而直接封鎖輸出脈沖，關(guān)斷IGBT，同時(shí)EXB840的腳4經(jīng)過(guò)外接電路輸出信號(hào)給PLC，PLC經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算后，一方面發(fā)出過(guò)流信號(hào)指示，另一方 面給晶閘管移相控制電路提供封鎖脈沖信號(hào)，關(guān)斷晶閘管主電路。第二級(jí)保護(hù)是利用TL494的內(nèi)部放大器的腳15、16外接電流隔離傳感器，當(dāng)檢測(cè)到的電流 信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，TL494封鎖輸出脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的關(guān)斷。第三級(jí)保護(hù)是高壓側(cè)電子束流過(guò)流保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)，束流取樣信號(hào)反饋到控制電 路，控制電路發(fā)出過(guò)流信號(hào)給PLC，PLC分別發(fā)出關(guān)斷主電路和過(guò)流顯示信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。電源還設(shè)置了過(guò)壓保護(hù)電路，能有效地對(duì)電源的過(guò)電壓進(jìn)行 保護(hù)，在高壓電源的內(nèi)部還加裝了限流電阻及保護(hù)電阻，能有效地限制過(guò)電流和過(guò)電壓。為了克服開(kāi)機(jī)時(shí)市電對(duì)電源的沖擊，通過(guò)PLC內(nèi)部程序設(shè)置了軟啟動(dòng)斜坡 函數(shù)，經(jīng)D/A模塊運(yùn)算后作為PI調(diào)節(jié)器的給定，實(shí)現(xiàn)電源的軟啟動(dòng)。
　　
5　電源系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)
　　
    電源的技術(shù)指標(biāo)如下：
　　
    輸入電壓220V，50Hz；
　　
    輸出電壓0～60kV，紋波系數(shù)<1％，穩(wěn)定度10－4；
　　
    電子束流0～167mA，紋波系數(shù)<1％；
　　
    逆變頻率20kHz；
　　
    輸出功率0～10kW；
　　
    效率>80％。
　　
6　結(jié)語(yǔ)
　　
    經(jīng)試驗(yàn)，電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。電子束焊機(jī)用高壓電源采用逆變式高壓電源，有利于整個(gè)設(shè)備的小型化，特別適用于便攜式電子束焊機(jī)，提高了設(shè)備的使用效率，較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓的自動(dòng)化聯(lián)鎖保護(hù)，使得設(shè)備操作更加簡(jiǎn)單。
　　
    大功率電子束焊機(jī)用高壓電源采用逆變電源還需要進(jìn)一步地研究。對(duì)于大功率焊機(jī)電源（30kW以上），體積和能耗處于相對(duì)非突出位置，另一方面大功率電源的 高壓放電時(shí)的保護(hù)技術(shù)、高頻變壓器的制造技術(shù)、逆變控制技術(shù)等有待于進(jìn)一步地研究和開(kāi)發(fā)。
　　
    由于可靠性和電源效率的提高，中等功率的焊機(jī)采用本設(shè)計(jì)的高壓電源（3～15kW）值得推廣和應(yīng)用。在高壓打火時(shí)電源對(duì)低壓電路的影響、IGBT的過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)、EMC等方面采取了有效的措施，保證了電子束焊機(jī)的工作需要。

    高壓焊機(jī)用高壓電源（150kV）采用逆變高壓電源，在高壓聯(lián)鎖保護(hù)方面優(yōu)點(diǎn)明顯，對(duì)電子束斑品質(zhì)的改善、焊接工藝的提高方面尤其如此。開(kāi)展高壓焊機(jī)用高壓電源的研究是我國(guó)電子束焊機(jī)制造業(yè)的新課題，本電源的經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)高壓焊機(jī)用高壓電源的研究具有參考意義。