電子束焊機用高壓直流電源的研究

1、電子束焊機用高壓直流電源的研究第45卷第1O期2011年10月電力電子技術PowerElectronicsV01.45,No.10October2011電子束焊機用高壓直流電源的研究羅進,馮德仁,黃銳,楊濤(1.安徽工業(yè)大學,安徽馬鞍山243002;2.中國科學技術大學國家同步輻射實驗室.安徽合肥230015)摘要:這里給出電子束在束腔內的運動方程并得出解,分析了其運動時的發(fā)散情況與加速電壓性能間的關系.針對國內應用于電子束焊機的高壓直流電源的發(fā)展現(xiàn)狀,研制了一臺基于串聯(lián)諧振變換技術和多模塊串聯(lián)疊加技術的大功率高頻高壓直流電源的工程樣機,此樣機實現(xiàn)了輸出電壓連續(xù)可調和穩(wěn)定的過流過壓保護.以及開

2、關管IGBT工作在軟開關狀態(tài),有效減小了開關損耗和電磁干擾(EMI),并且利用其固有的特性阻抗.提高了抗短路能力.實驗結果表明,所研制的電源能達到80kV/15kW輸出,其性能滿足電子束焊接裝置的要求.關鍵詞:電源;電子束焊機;串聯(lián)諧振;線性疊加中圖分類號:TN86文獻標識碼:A文章編號:1000一lOOX(2011)10000103ResearchofHighvoltageDCPowerSupplyAppliedinElectronicBeamWelderLU0Jin,FENGDeren一,HUANGRui.YANGTao(1.AnhuiUniversityofTechnology,Moan

3、shan243002,China)Abstract:Thesolutionofelectronbeammotionequationintheweldingequipmentispresented,andtheinfluencesonthebeamspotdiameterbythecapabilityofpowersupplyareanalyzed.AnalysingthedevelopmentsituationofDChigh.voltage,whichmakeapplicationfortheelectronbeamwelderinthedomestic.ADChighpower,highf

4、requencyandhigh-voltageengineeringprototypemachinewhichbasedonseriesresonanttransformstechniqueandmulti.modulesse.riessuperpositiontechniqueisdeveloped.Thisprototypereatizesthecontinuousadjustableoutputvoltage,stableovervoltageprotectionandover?currentprotection,aswellastheswitchtubeIGBTworkinthesof

5、tswitchstate,thuscaneffectivelyreduceswitchlossandelectromagneticinterference(EMI),andmakeuseofitsinherentimpedancecharac-teristictoimprovethecapabilityofantishort-circuit.Theexperimentalresultshowsthatthedevelopedpowercanput80kV/15kW,andalsosatisfytherequirementsoftheelectronbeamweldingdevice.Keywo

6、rds:powersupply;electronicbeamwelder;seriesresonant;linearsuperimposition1引言電子束焊接技術作為高能束流加工技術的一種,具有能量密度高,焊接深度大,焊接變形小,可控精度高,真空環(huán)境下焊縫純凈等突出優(yōu)點.在航空,航天,核工業(yè)等領域得到了廣泛應用【1.高壓直流電源主要為電子束提供加速電壓.其性能的好壞直接決定電子束焊接的質量.我國電子束焊接設備制造技術起步較晚,目前主要產(chǎn)品仍使用中頻發(fā)電機供電技術.該技術雖然相比于工頻技術有紋波成分小,維護方便等優(yōu)點,但相比于高頻技術有紋波成分大,噪聲高,體積大,效率低,成本高等缺點.因此這

7、里給出電子束在束腔內的運動方程并得出解.分析電子束在束腔內運動時的發(fā)散情況與加速電壓性能之間的關系,研制出結合定稿日期:20110303作者簡介:羅進(1984一),男,湖南岳陽人,碩士,研究方向為高壓諧振電源及功率變換技術.串聯(lián)諧振變換技術和多模塊串聯(lián)疊加技術的大功率高壓直流電源,用于取代電子束焊接現(xiàn)用的中頻高壓直流電源.2加速電源對束流運動的影響由于所有電源都存在一定范圍的穩(wěn)定度和紋波.可能對電子束焊接質量產(chǎn)生影響.因此先討論束流在加速電場中的運動.假定加速電場為:E=Eoz,則單粒子的運動方程為dp/dt=qE,不考慮空間電荷效應,p=0,p,=0,=g.由于粒子加速能量較大,為80ke

8、V,而電子靜態(tài)能量為511keY,因此需要考慮相對論效應,即:=const,pc)=m贏一p,o+qEotem2/E=mec/,/m2c2+p2+p,o2+(p+qEot).由E=Eoz,dp/dt=qE及式(1)可分別解得:1第45卷第l0期2011年l0月電力電子技術PowerElectronicsVo1.45,No.10October2011t篙log2棚而+1ogi2(w+麗)】,t,YqEomo(po+qEot)+(2)lj_,/m22柏22柏2L凸0式中:.,Yo,.分別為電子的初始位置.令z)=(z0+嵩,/+p印,02+p)Cc,上n/從而得到:g(z)=Vf(z)-(me2枷

9、2,02)(3)log(4)在此所關心的是粒子在平面上的分散度.由于玩(z一)>7OkV,而.(加速腔長度)一般在幾十厘米,由f(z)表達式及式(3)可得(z)(z.),g(z)g(zo),即廠(z)+g()】/廠(zo)+g(zo)=1,將其代入式(4)可見,粒子通過不足1m的加速距離后,其在,Y方向上的位置與初始位置幾乎相等,由此可知,粒子加速后的分散度與加速電壓的穩(wěn)定度和紋波關系不大.因此加速電源的設計主要考慮為達到一定焊接深度所必需的電壓值,影響焊接質量的電壓紋波與穩(wěn)定度,電源效率等因素.3加速電源系統(tǒng)構成3.1單模塊主電路拓撲結構圖1為模塊主電路拓撲結構.采用不控整流后接DC/

10、DC直流斬波電路,將輸出端電壓取樣.經(jīng)控制電路單元實現(xiàn)電壓的大范圍調節(jié)及較高的穩(wěn)壓精度.系統(tǒng)還設有過流,過壓保護電路,提高了系統(tǒng)可靠性.全橋逆變電路將母線直流電壓轉換為高頻方波交流電壓,該交流電壓作為諧振電容和高頻變壓器漏感所構成諧振網(wǎng)絡的輸入,經(jīng)過高頻高壓變壓器初級,經(jīng)50倍升壓和高壓硅堆整流后轉換為約30kV直流高壓輸出.圖1單模塊主電路拓撲結構圖3,2串聯(lián)諧振變換器的工作模式分析依據(jù)逆變器開關頻率與諧振頻率的關系,串聯(lián)諧振逆變電路有3種工作模式:/22電流不連續(xù)工作模式(DCM),軟開關狀態(tài),零電流導通,零電流關斷/零電壓關斷,適用于中,小功率高壓電源;2電流連續(xù)工作模式(CCM),諧振

11、回路呈容性.開關管處于軟關斷,硬開通狀態(tài),適用于大功率高壓電源;電流CCM,諧振回路呈感性,開關管呈軟開通,硬關斷狀態(tài),一般較少采用.鑒于設計要求,從改善開關環(huán)境和功率角度考慮,采用f,=fj2的CCM,實現(xiàn)開關管IGBT的零電流關斷,微小電流開通,減少開關損耗,電流連續(xù)有利于提高輸出功率.在-fj2情況下電路的一個周期可分為4個區(qū)間,即4種工作模態(tài)3,波形如圖2所示.一!廠_!IIllIIIj.0l:1.!IL.L_JIl一1?廠r?.I.-_J1._L:一/:.:i.!/,.:一:/,:/:toVttVU4t2Vs3t3Vt4VV圖2f,-fj2模式下的波形圖模態(tài)1.(tof1)設t0時刻

12、起VS1,VS導通,VS,VS,關斷,回路正向流過諧振電流(>0),通過變壓器及高壓硅堆向負載提供能量.該狀態(tài)結束后,過零,C上的電壓0達到正最大值.模態(tài)2(t一t2)t時刻過零,VS.,VS自然關斷.由于控制信號設有死區(qū)時間,VS,VS,未導通,諧振電流(iLr<0)流過VD.,VD向電源反饋能量.模態(tài)3(t2t.)t3時刻起VS,VS3導通,VS,VS關斷,回路反向流過諧振電流(<0),通過變壓器及高壓硅堆向負載提供能量.該狀態(tài)結束后,i再次過零,o達到負最大值.模態(tài)4(t3t4)在t3時刻過零,VS,VS3自然關斷.同理由于信號設有死區(qū)時間,VS.,VS未導通,諧振電流

13、(>0)流過VD:,VD向電源反饋能量,t后進入下一個周期循環(huán).由此可見,調節(jié)開關頻率實現(xiàn)Vs一Vs小電流值條件下導通,零電流條件下自然關斷,因此僅存在很小的開關損耗.利于逆變器的高頻運行,并且經(jīng)變壓器耦合后.饋入高頻整流電路的電壓不再是連續(xù)方波,而是準正弦波,避免了連續(xù)方波脈沖中含有的高次諧波與次級倍壓回路構成諧振回路.從而產(chǎn)生諧振高壓打火和損壞倍壓器件【4】等現(xiàn)象.如果續(xù)流二極管具有良好的反向恢復特性,可電子束焊機用高壓直流電源的研究以避免較大的峰值電流流過開關元件.也能減小二極管的關斷損耗.3.3多模塊串聯(lián)疊加技術由于目前電子器件通流,耐壓的限制和制作工藝的局限性,要獲得大功率的高

14、壓直流電源.需以增加器件為代價.該系統(tǒng)采用多模塊串聯(lián)疊加技術實現(xiàn)大功率高壓直流電源,即將多個單一電源模塊進行串聯(lián)線性疊加而最終獲得高壓輸出.系統(tǒng)高壓輸出端增設了阻容電路來吸收高壓整流硅堆產(chǎn)生的過電壓,保護高壓硅堆不被損壞.直流80kV加速電源正端接地,輸出為負高壓.整個電路中升壓變壓器和高壓整流硅堆都放在一個油箱中,油箱內充滿變壓器油.保證電源本體在工作時的絕緣和散熱需要.3.4控制電路的軟,硬件設計控制器以單片機為核心,分別利用單片機STC89S52定時器T0輸出占空比可調且?guī)绤^(qū)的兩路互補的PWM驅動信號,定時器T輸出時鐘頻率可調且?guī)绤^(qū)的兩路互補的PFM驅動信號.分別作為DC/DC.DC

15、/AC全橋變換電路開關的驅動時鐘,還包含過流過壓保護,A/D轉換.軟件主流程以及T0(T中頻率變量控制頻率輸出)中斷流程如圖3所示,過流過壓采用外部中斷實現(xiàn).肩動T0,Tl定時l中斷與A/Dl匝鲴豳睡(a)主電路程序流程圖(b)qu斷流程圖圖3主程序與中斷流程圖T0輸出的時鐘頻率為15kHz,脈寬實現(xiàn)從O45%可調;T輸出脈寬約為40%,頻率實現(xiàn)從1025kHz可調.驅動信號再經(jīng)EXB841后控制IGBT的導通與關斷.前級DC/DC全橋調壓斬波電路直流電壓的輸出端進行直流電壓取樣.電壓檢測電路采用光耦隔離.使輸出端與控制電路實現(xiàn)電氣隔離,提高電路的抗干擾能力.4樣機實驗測試模塊Cr0.35F,

16、實測L50H,根據(jù)理論計算.38kHz,由圖4a所示的諧振電流與驅動電壓波形可知,當.19kHz時,實現(xiàn)零電流關斷,基本上為零電流開通,有效的減少了開關損耗.系統(tǒng)高壓直流電源由3個模塊串聯(lián)疊加而成.高壓取樣按1000:1的電阻取樣,輸出電壓波形如圖4b所示難>,衄曼滾2.t/(25s/格)(a)諧振電流羽I馳動電壓圖4實驗波形可見,各模塊在相同輸入電壓下其輸出直流電壓基本一致,說明各模塊主要器件和電路參數(shù)基本一致,無大范圍偏差.輸出電壓在低壓段滿足線性疊加,但在高壓段逐漸偏離,電壓越高偏離越嚴重.其原因可能是:由于3臺高頻升壓變壓器在同一油箱內.在高壓段相互EMI較嚴重.影響變壓器磁通變化,導致輸出總電壓減小;由于3模塊同時運行.電壓急劇升高,從而引起高壓油箱內部產(chǎn)生電暈,此現(xiàn)象隨電壓升高而加劇.5結論由理論推導可知.電子束在束腔內加速后的分散度受加速電壓影響不大,說明電子束加速電源的設計僅需考慮為達到必要的焊接深度而需要的加速電壓,電源效率等因素.為克服傳統(tǒng)大功率高壓直流電源的弊端.采用串聯(lián)諧振變換器作為輸入功率源,可以有效增大功率密度.在各種器件現(xiàn)有制作工藝的前提下.為獲得更高的電壓.采用新的拓撲結構,即多模塊串聯(lián)疊加技術