CN1011673B - 电火花腐蚀金属加工用的脉冲发生器 - Google Patents
电火花腐蚀金属加工用的脉冲发生器Info
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Abstract
电火花腐蚀金属加工用的一种脉冲发生器，包含给储能电容器(2)充电用的充电调节电路(5-8)，该电路只采用不受控的元件。储能电容器(2)经由开关器件(3)正弦放电到火花隙(11)上。无论上一个脉冲的情况如何，下述充电总是按确定的形式进行，以致能产生一致的脉冲。储能电容器(2)以过量电能充电，且在火花放电恢复之后，该过量电能仍然留在直流电压源(1)中。开关器件(3)只有当放电电流已基本上衰减时才截止。这种脉冲发生器特别适用于产生金属丝切割和电火花腐蚀钻孔用的高能脉冲。电路效率高，结构简单，占空间不大。通过使用高能脉冲，有可能在腐蚀过程中防止短路。
Description
本发明是关于电火花腐蚀金属加工用的一种脉冲发生器，该脉冲发生器有二种形式：第一种形式的脉冲发生器，具有第一输出端子和第二输出端子且适宜于与一负载一起使用，该负载包括一火花隙且跨接在该两输出端子上，以便通过电火花腐蚀加工金属，该发生器包括：一个具有正端子和负端子且在该正端子和该负端子之间产生一恒定直流电压的直流电源，该正端子被连接到该第一输出端子上;一个储能电容器;一个具有相互不相容的导通状态和截止状态的开关器件;一个第一反向谐振阻塞二极管。第二种形式的脉冲发生器，与一个具有第一一次绕组、第二一次绕组和一二次绕组的变压器一起使用，该二次绕组具有第一输出端子和第二输出端子，所有的绕组具有相同的极性;也与一个包括一火花隙且跨接在该第一端子和该第二端子上的负载一起使用，该发生器包括：一个具有正端子和负端子且在该正端子和该负端子之间产生一恒定直流电压的直流电源，该正端子被连接到该第一一次绕组的一个末端上;第一储能电容器和第二储能电容器;第一开关器件和第二开关器件，各开关器件具有相互不相容的导通状态和截止状态;第一反向谐振阻塞二极管和第二反向谐振阻塞二极管。
电火花腐蚀加工技术的趋势是朝愈来愈高的加工速度或机械加工速度的方向发展。因此需要有能给火花隙以高重复率提供高能级的脉冲发生器。在金属丝的电火花腐蚀切割和钻孔领域中尤其需要脉冲时间极短而且明确加以限定的高能脉冲。
德国专利2735403＝美国专利4163887已公开了一种脉冲发生器，该
脉冲发生器能在1微秒时间范围内提供高达500安的脉冲电流。目前需要的是在大约2微秒时间内能提供高达1000安的脉冲电流。在电流值达到如此之大的情况下，上述那种类型的发生器就太大了，而且由于效率差，一般只有10%，所以也不经济。
德国专利3419945公开的脉冲发生器，效率高于60%。由于这种发生器是为所有类型的电火花腐蚀加工而设计的，因而对上述用途来说，它在技术方面就过于复杂了。此外，其中所用的开关器件必须切断全峰值电流，这会导致不必要的开关损失。
德国专利2441734公开的一种脉冲发生器，是借助于一电子控制的充电调节器对储能电容器进行线性充电，在达到充电电压时，通过开关器件和隔离变压器往火花隙中放电。这种脉冲发生器的放电总是要在储能电容器完全充电时开始的，而这在某些情况下会与火花隙不适宜的情况吻合，因而它在技术上极为复杂，可控制的程度有限。
另一种美国专利3485987介绍的脉冲发生器，其储能电容器的充电电流系经由隔离变压器耦合到腐蚀电路中。储能电容器轮流由第一开关器件充电，由第二开关器件放电。但这种布局具有严重的缺点，即在“空载脉冲”的情况下，即火花隙不点燃时，储能电容器没有再充电，因而电路只有在隔一个脉冲之后才工作。此外，两开关器件之间经由隔离变压器还有反馈，这只能通过使用高保护性能的配线加以控制。
还有其它周知的各种谐振回路发生器线路，它们具有各开关器件可以直接换向或只以有限的电流换向的优点。
带电子受控充电调节器的发生器有一个重要的缺点，即它们技术上的开销大，而且部分甚至还会使总的效率变差。不带受控充电调节器的谐振回路发生器具有流经火花隙的电流脉冲难以控制的缺点，这是因为前一个脉冲大大地影响着储能电容器的充电状态。
因此本发明的问题是改善目前的脉冲发生器，使它能高效率地产生
高能量脉冲。为此，储能电容器的充电情况应与上一次放电无关，同时电路的结构应简单，占空间不大，工作可靠。
在本发明的脉冲发生器中，此问题是通过这样的方式解决的：对于第一种形式的脉冲发生器来说：该电容器、该开关器件和该第一二极管被串联连接在该第一输出端子和该第二输出端子之间，该电容器被直接连接到该第一输出端子上;以及该发生器还包括：一个第二充电反转二极管;一个具有一次绕组和二次绕组的变压器，该两绕组的极性相反，该电容器、该一次绕组和该第二二极管被串联连接在该正端子和该负端子之间;和一个第三恢复二极管，与该二次绕组串联连接在该正端子和该负端子之间。对于第二种形式的脉冲发生器来说：该第一电容器、该第一开关器件和该第一阻塞二极管被串联跨接在该第一绕组的两端，而该第一电容器被直接连接到该正端子上，该第二电容器、该第二开关器件和该第二阻塞二极管被跨接在该第二绕组的两端，而该第二电容器被直接连接到该负端子上;以及该发生器还包括：一个充电反转二极管;第一恢复二极管和第二恢复二极管，该第一恢复二极管与该第二电容器串联跨接在该正端子和该负端子上，该第二恢复二极管被连接在该第一电容器和该第一开关器件的接点与该第二电容器和该第二开关器件的接点之间;和一个串联电路，它包括连接在该第一电容器两端的该反转二极管和该第一恢复二极管。本发明还可以进一步作如下有益的扩展：
对于第一种形式的脉冲发生器来说：该变压器是一回授转换变压器，串联连接的该第二二极管和该一次绕组构成一该电容器的充电电路，而串联连接的该电容器、该开关器件和该第一二极管与该负载一起构成一放电电路用以容许该电容器通过该负载放电，该充电电路仅当该开关器件处于截止状态时工作，该放电电路仅当该开关器件处于导通状态时工作。该发生器还包括与该开关器件连接的、在放电电流从该电容器通过该隙已完全衰减时使该开关器件处于截止状态的和在放电电流开
始通过该隙时使该开关器件处于导通状态的装置。对于第二种形式的脉冲发生器来说：两开关器件同步地工作，从而两开关器件同时地导通或截止。该串联电路包括一个连接在该反转二极管和该第一恢复二极管之间的电感。
所使用的电压具有这样的好处，即开关器件对它的利用率达到最佳状态，因为换向只在不通电状态下进行的。鉴于在充放电电路中实质上只有正弦波脉冲流，因此对同样的电流峰值来说，其电能量要比普通三角脉冲的高27%。此外还避免了公知电路的缺点。这尤其影响储能电容器充电状态的效率和明确性以及电路的复杂性，从而也影响电路的可靠性和结构体积。
高能脉冲的采用大大改进了金属丝切割过程和电火花腐蚀钻孔过程中的腐蚀过程，因为即使工件和电极之间发生金属短路，电阻加热作用（达到工件和/或电极各部分蒸发的程度）也会把它熔掉，并能将它转化成可有效除去的等离子体放电。但由于电阻率低，因而这只有在脉冲电流超过500安左右时实际上才有可能。
本发明的脉冲发生器特别小而轻，因此，举例说，在一个双层Euro板上就不难装上一个150安峰值电流的电路，在19英寸支架上制造一个900安发生器。这使发生器的体积减小到现有发生器体积的至少十分之一。
下面参照附图介绍本发明的一些实施例，但这些实施例的介绍不应视为对本发明的限制。附图中：
图1是本发明在充电调节电路中有一个回授转换变压器的第一个实施例。
图2是本发明在充电调节电路中有两个储能电容器和一个电感线圈的第二个实施例。
图1是电路简单结构的示意图。直流电压源1的正极接到储能电容
器2上。放电电路并联到储能电容器上，电路中有一串联联接的开关器件3、一反向谐振阻塞二极管4、一引线电感线圈10和一火花隙11。发生器的输出端子标以G+和G-。
给储能电容器2充电的充电电路含有连接到储能电容器2另一个极的充电反转二极管5和与其串联连接的回授转换变压器7的一次绕组7a。一次绕组7a的另一端接到直流电压源1的负极。回授转换变压器7的二次绕组7b与恢复或再生二极管6串联联接，再并联联接到直流电压源1上。回授转换变压器7两绕组7a、7b按图1中所示的点表示其极性。
图1电路的作用如下。接通直流电压源1时，储能电容器2通过充电反转二极管5和一次绕组7a的电感线圈被充电到将近两倍所述电源电压。只要回授转换变压器7的变压比（7a∶7b）小于1，再生二极管6就会只有在该充电过程中才导通。这时如果使开关器件3导通，则储能电容器就通过火花隙11、引线电感线圈10、反向谐振阻塞二极管4和开关器件3放电，所储存的部分电能被转换成火花能。所储存的电能较大的部分流回储能电容器2中，再次按相反的极性给储能电容器2充电。反向谐振截止二极管4起防止继续放电的作用，因为继续放电会导致产生负电流脉冲，从而使电极严重损坏，这是我们所不希望的。在放电过程中，储能电容器2的电压一旦小于直流电压源1的电压时，正弦放电电流就开始流经充电反转二极管5、一次绕组7a的电感线圈和直流电压源1中。回授转换变压器7的极性是这样设定的，使得在此阶段再生二极管6在截止方向上受压。在此反向充电过程中，直流电压源1产生过量电能，此过量电能等于充电电流对电流-时间的积分乘以直流电压源1的电压值。电路取这样的规模，使该过量电能正好大得足以弥补火花能和电路中的损失。若在放电过程中所消耗掉的电能小于所提供的过量电能，则储能电容器2只被充电到这样的程度，使二次绕组7b中的自感应
电压大于电源1的电压。由于从这时起再生二极管6开始导通，因而储存在回授转换变压器7的电感线圈中的过量电能返回到直流电压源1中。变压器7铁心最好是铁氧体制成的，而且带空气隙，采用公知的双线无感绕法工艺，使得尽管有空气隙但可以达到良好的磁耦合。假设电源1的电压为E，一次绕组7a与二次绕组7b的变压比为n，则储能电容器2的充电电压为E·（1+n）。充电反转二极管5的大小应足以承受至少E·2n的电压，再生二极管6则应足以承受至少E·（2+2/n）。在小型发生器的情况下，E值一般为100伏，N＝2，充电电压为300伏，容许采用高效的400伏二极管。放电电流更高，引线电感线圈10的电感值更大时，充电电压可能需要500伏甚至1000伏以上。
图1一般显示无需受控元件以控制电容器的充电的情况。实际上有诸如二极管和回授转换器的电感线圈之类的纯无功元件就够了。为了在火花放电之后使储能电容器的过量电能可返回到直流电压源1中，可以令开关器件3只有在通过充电反转二极管5的反向充电电流大致上衰减时才导通。开关器件3由图中未示出的脉冲发生器驱动，该发生器的最大开关频率系按这样的方式加以限制，使其能确保只有当再生结束时才能开始新的放电（开关器件3成为导通）。驱动开关器件3的驱动脉冲，其脉冲持续时间应使其如此之长，使得开关器件3只有当放电电流已衰减时才截止。
图2是本发明第二个实施例的示意图，其原理与图1的类似。与图1电路不同的地方在于有两个储能电容器2a，2b和两个放电电路3a，4a，9a;3b，4b，9b。该电路的结构如下：直流电压源1并联联接有串联联接的第一储能电容器2a和在截止方向上连接的再生二极管6b，直流电压源1还并联联接有串联联接的再生二极管6a和第二储能电容器2b（字母a实际上表示第一个电路，字母b表示第二个电路）。以储能电容器2a和再生二极管6b为一方，以储能电容器2b和再生二极管6a为另一方，这两
方之间的两公共连接点用串联联接的充电反转二极管5和电感线圈8彼此连接起来。
第一储能电容器2a并联联接有串联联接的隔离变压器9的一次绕组9a、反向谐振阻塞二极管4a和开关器件3a。与此相对应，第二储能电容器2b也并联联接有串联联接的隔离变压器9的另一个一次绕组9b、反向谐振阻塞二极管4b和开关器件3b。隔离变压器的二次绕组9c与两一次绕组9a、9b磁耦合。二次绕组9c的两端以发生器端子G+和G-表示，火花隙11（连同其引线电感线圈10）即按图1接到端子G+和G-上。
该电路的作用如下。充电调节电路连同元件5至8以固定的过量电能工作，每个储能电容器2a、2b的过量电能为直流电压源1的电压值乘以充电电流对时间的积分值的一半。
接通直流电压源1时，两储能电容器2a、2b即通过充电反转二极管5和电感线圈8被充电到接近直流电压源1的电压。放电过程基本上与第一个回路的相同，区别在于，两开关器件3a和3b系同步且同时导通，因而促使与其相连的储能电容器2a或2b放电，于是所述电容器的两脉冲电流就通过两一次绕组9a、9b耦合输出到发生器的输出端。这具有这样的好处，即直流电压源1无需与电源在电流上进行隔离。发生器输出端（G+，G-）的电压还可以使其与隔离变压器的变压比匹配。储能电容器2a、2b的下列充电过程再次经由充电反转二极管5和电感线圈8进行，直到储能电容器2a、2b已充电到直流电压源1的电压值为止。这时再生二极管6a和6b导通，同时电感线圈8中的过量电能在电源1中被回收。通过选择电感线圈8的大小可以选择反向充电时间。此反向充电时间一方面使其尽量短（例如5至10微秒），使脉冲频率高，另一方面，在反向充电时间过短的情况下，充电电流会变高到不必要的程度，而且时间过短，以致使开关器件3a、3b不能进入截止状态。这也适用于图1的电路。
两电路的开关器件3、3a和3b可以选用现成的快速电子开关，从双极晶体管，到金属氧化物半导体场效应晶体管、矩形脉冲开关（GTO）、半导体可控整流器，直到，在极端的情况下，氢闸流管，都可采用。诸如硅可控整流器之类的反向截止开关也可以取代反向谐振阻塞二极管4、4a、4b的作用，这进一步简化了线路。在图2的电路中，标出的各黑点表示绕组9a、9b和9c绕制时的极性。
Claims (6)
1、一种脉冲发生器，具有第一输出端子和第二输出端子且适宜于与一负载一起使用，该负载包括一火花隙且跨接在该两输出端子上，以便通过电火花腐蚀加工金属，该发生器包括：
一个具有正端子和负端子且在该正端子和该负端子之间产生一恒定直流电压的直流电源，该正端子被连接到该第一输出端子上；
一个储能电容器；
一个具有相互不相容的导通状态和截止状态的开关器件；
一个第一反向谐振阻塞二极管；
其特征在于：
该电容器、该开关器件和该第一二极管被串联连接在该第一输出端子和该第二输出端子之间，该电容器被直接连接到该第一输出端子上；以及该发生器还包括：
一个第二充电反转二极管；
一个具有一次绕组和二次绕组的变压器，该两绕组的极性相反，该电容器、该一次绕组和该第二二极管被串联连接在该正端子和该负端子之间；和
一个第三恢复二极管，与该二次绕组串联连接在该正端子和该负端子之间。
2、根据权利要求1所述的发生器，其特征在于，该变压器是一回授转换变压器，串联连接的该第二二极管和该一次绕组构成一该电容器的充电电路，而串联连接的该电容器、该开关器件和该第一二极管与该负载一起构成一放电电路用以容许该电容器通过该负载放电，该充电电路仅当该开关器件处于截止状态时工作，该放电电路仅当该开关器件处于导通状态时工作。
3、根据权利要求2所述的发生器，其特征在于，它还包括与该开关器件连接的、在放电电流从该电容器通过该隙已完全衰减时使该开关器件处于截止状态的和在放电电流开始通过该隙时使该开关器件处于导通状态的装置。
4、一种脉冲发生器，与一个具有第一一次绕组、第二一次绕组和一二次绕组的变压器一起使用，该二次绕组具有第一输出端子和第二输出端子，所有的绕组具有相同的极性;也与一个包括一火花隙且跨接在该第一端子和该第二端子上的负载一起使用，该发生器包括：
一个具有正端子和负端子且在该正端子和该负端子之间产生一恒定直流电压的直流电源，该正端子被连接到该第一一次绕组的一个末端上;
第一储能电容器和第二储能电容器;
第一开关器件和第二开关器件，各开关器件具有相互不相容的导通状态和截止状态;
第一反向谐振阻塞二极管和第二反向谐振阻塞二极管;
其特征在于：
该第一电容器、该第一开关器件和该第一阻塞二极管被串联跨接在该第一绕组的两端，而该第一电容器被直接连接到该正端子上，该第二电容器、该第二开关器件和该第二阻塞二极管被跨接在该第二绕组的两端，而该第二电容器被直接连接到该负端子上;以及该发生器还包括：
一个充电反转二极管;
第一恢复二极管和第二恢复二极管，该第一恢复二极管与该第二电容器串联跨接在该正端子和该负端子上，该第二恢复二极管被连接在该第一电容器和该第一开关器件的接点与该第二电容器和该第二开关器件的接点之间;和
一个串联电路，它包括连接在该第一电容器两端的该反转二极管和该第一恢复二极管。
5、根据权利要求4所述的发生器，其特征在于，两开关器件同步地工作，从而两开关器件同时地导通或截止。
6、根据权利要求5所述的发生器，其特征在于，该串联电路包括一个连接在该反转二极管和该第一恢复二极管之间的电感。
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