CN103056461A - 电火花毛化系统高频脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机械加工技术领域内的一种电火花毛化系统高频脉冲电源，它包括述点火回路和功率回路，两回路分别包括三相桥式整流电路、滤波电容、阻值可选的电阻网络、MOS管和二极管，三相桥式整流电路的输出端与滤波电容并联连接，三相桥式整流电路与滤波电容之间串联有软充电电路；滤波电容的输出端与电阻网络串联连接，电阻网络的输出端与MOS管的漏极电连接，MOS管的源极与二极管的正极电连接，MOS管的栅极连接有控制MOS管通断的脉冲驱动电路；功率回路的二极管负极和点火回路的二极管负极电连接后还并联有电容值可选的电容网络，电容网络的输出端两极分别连接有工具电极和工件电极。本发明工作方式灵活多样，可自由切换选择。

Description

电火花毛化系统高频脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种电火花毛化系统高频脉冲电源，属于机械加工技术领域。 

背景技术

电火花毛化工艺是将轧辊作为工件电极，以铜或石墨等材料作为工具电极，工具电极与工件电极的火花放电过程在绝缘性工作液中进行，由伺服机构动态控制两者的放电间隙。当工具电极与工件电极间隙达到0.01～0.20 mm时，电场强度增强，形成电桥，工作液介质击穿发生电火花放电，带电粒子以很高的能量密度相对撞击，在为时10～50μs内局部温度高达10000 ℃以上，导致轧辊表面金属气化，气泡爆裂将熔化的金属抛出使轧辊表面形成放电凹坑。周而复始，加上轧辊的旋转和轴向摆动，使得轧辊表面形成一系列由随机无序凹坑组成的轧辊毛化形貌。 

研究电火花加工机床高效率低损耗加工的技术要解决很多问题，但其中的关键问题是脉冲电源，脉冲电源是电火花加工机床中至关重要的组成部分，它的电压电流输出特性直接决定着电火花加工的生产率、表面质量、加工速度的稳定性和工具电极的损耗情况等经济技术指标，在电火花加工机床当中占据极其重要的地位。 

国内大多数传统电火花加工脉冲电源点火回路和功率回路共用，其工作方式单一、控制精度低且电能利用率普遍不高，只有20%～25%，这主要是因为直流电源电压(大约80V)与火花间隙维持电压(20～25V)之间的电压差全部降在限流电阻上，而限流电阻和加工间隙又通过相同的电流，致使75%～80%的电能消耗在限流电阻上，这显然与当前所提倡的节约能源、高效利用能源相矛盾。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种能耗相对较低、控制精准、工作方式灵活多样的电火花毛化系统高频脉冲电源。 

本发明的目的是这样实现的：电火花毛化系统高频脉冲电源，包括380V的三相交流市电、点火回路、功率回路、副边与所述点火回路相连的第一高频变压器和副边与所述功率回路相连的第二高频变压器，所述第一高频变压器的原边和第二高频变压器的原边分别与所述三相交流市电电连接；所述第二高频变压器的副边和所述功率回路之间还串联有第一切换开关，所述第二高频变压器的副边还引出有中心抽头，中心抽头的出线端连接有第二切换开关；所述第一切换开关和第二切换开关的出线端分别与所述功率回路的三相桥式整流电路的输入端电连接；所述点火回路和功率回路分别包括三相桥式整流电路、滤波电容、阻值可选的电阻网络、MOS管和二极管，所述三相桥式整流电路的输出端与所述滤波电容并联连接，所述三相桥式整流电路与滤波电容之间还串联有防止所述滤波电容击穿的软充电电路；所述滤波电容的输出端与所述电阻网络串联连接，电阻网络的输出端与所述MOS管的漏极电连接，MOS管的源极与所述二极管的正极电连接，MOS管的栅极还连接有控制所述MOS管通断的脉冲驱动电路；所述功率回路的二极管负极和点火回路的二极管负极电连接后还并联有电容值可选的电容网络，所述电容网络的输出端两极分别连接有工具电极和工件电极。 

与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：本发明将点火回路和功率回路分开设置，构成了脉冲电源加工、电容电源加工和虚脉冲加工三种不同的工作模式，三种工作模式灵活多样、可自由切换选择，以满足不同工件加工需求；与第二高频变压器相连的功率回路设有两个切换开关，降低了电阻网络的能耗；功率回路点火回路和功率回路的通断时间均可以通过各自MOS管的开关来控制，实现了脉冲宽度、脉冲间隔时间的高频精确控制，克服了传统RC电路晶体管脉冲电源不能精确控制脉宽、低电平大小的缺点。 

作为本发明的优选方案，所述软充电电路由晶闸管和限流电阻并联构成。点火回路或功率回路导通时，首先使晶闸管处于关断状态，导通电流从限流电阻通过对滤波电容充电，当剩余充电电压低于滤波电容击穿电压时，在晶闸管的门极施加正向电压，晶闸管导通，限流电阻被短路，防止滤波电容在较大的充电电流冲击下击穿损坏。 

作为本发明的进一步改进，所述可编程电容网络的输出端还连接有极性切换电路。极性切换电路的设置可满足不同工件加工需求，选择更为多样化，使用范围更灵活。 

作为本发明的优选方案，所述极性切换电路由四个桥式连接的全控型电力电子开关器件构成。全控型电力电子器件具有控制功率小、开关速度快、通态压降低、热稳定性好等优点。 

作为本发明的优选方案，所述电阻网络由若干个阻值不等的电阻并联构成，每个电阻所在支路上均串联有一个第一接触器。当三相桥式整流电路的输出电压相同时，则选择不同的电阻，输出电流不同。 

作为本发明的优选方案，所述电容网络由若干个电容值不同的电容并联构成，每个电容所在支路上均串联有一个第二接触器。电容C的电压波形在整个脉冲周期中是连续的，电容充放电的时间可以通过MOS管的开关来控制，只要一个容值合适的电容就可以实现不同的脉宽。 

作为本发明的优选方案，所述第一高频变压器的副边输出电压为175V-195V。第一高频变压器的输出电压在经过整流和滤波之后输出电压为250V左右，足以使工件电极和工具电极之间的工作液介质迅速击穿。 

作为本发明的优选方案，所述第二高频变压器的副边输出电压为70V-85V。工作液介质在被击穿之后，电火花间隙维持电压为20～25V，为保证第二高频变压器切换至中间抽头时，毛化工作仍能继续进行，输出电压最好为70-85V之间。 

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。 

图2为本发明脉冲电源加工方式的等效电路结构示意图。 

图3为本发明电容电源加工方式的等效电路结构示意图。 

图4为本发明虚脉冲加工方式的等效电路结构示意图。 

具体实施方式

如图1所示，为本发明的电路结构示意图，包括380V的三相交流市电13、点火回路1、功率回路2、副边与点火回路1相连的第一高频变压器3和副边与功率回路2相连的第二高频变压器4，第一高频变压器3的原边和第二高频变压器4的原边分别与三相交流市电13电连接；第二高频变压器4的副边和功率回路2之间还串联有第一切换开关401，第二高频变压器4的副边还引出有中心抽头，中心抽头的出线端连接有第二切换开关402；第一切换开关401和第二切换开关402的出线端分别与功率回路2的三相桥式整流电路502的输入端电连接；点火回路1包括三相桥式整流电路501，滤波电容701，阻值可选的电阻网络801，MOS管901和二极管101，三相桥式整流电路501的输出端与滤波电容701并联连接，三相桥式整流电路501与滤波电容701之间还串联有防止滤波电容701击穿的软充电电路610；滤波电容701的输出端与电阻网络801串联连接，电阻网络801的输出端与MOS管901的漏极电连接，MOS管901的源极与二极管101的正极电连接，MOS管901的栅极还连接有控制MOS管901通断的脉冲驱动电路；功率回路2和点火回路1的构成相同，但是功率回路2与点火回路1中各元器件的参数需根据实际生产需要选择。功率回路2分别包括三相桥式整流电路502，滤波电容702，阻值可选的电阻网络802，MOS管902和二极管102，三相桥式整流电路502的输出端分别与滤波电容702并联连接，三相桥式整流电路502与滤波电容702之间还串联有防止滤波电容702击穿的软充电电路620；滤波电容702的输出端与电阻网络802串联连接，电阻网络802的输出端与MOS管902的漏极电连接，MOS管902的源极与二极管102的正极电连接，MOS管902的栅极还连接有控制MOS管902通断的脉冲驱动电路；功率回路2的二极管102负极和点火回路1的二极管101负极电连接后还并联有电容值可选的电容网络11，电容网络11的输出端两极分别连接有工具电极和工件电极。二极管101、102用于避免点火回路1的输出电压高于功率回路2的输出电压时导致功率回路2反向导通，从而造成线路短路的问题。其中，软充电电路610、620分别由晶闸管和限流电阻并联构成，电路导通时电流先从限流电阻通过对滤波电容701、702充电，当剩余充电电压低于滤波电容701、702的击穿电压时，在晶闸管的门极施加正向电压，晶闸管导通，限流电阻被短路。电阻网络801、802由若干个阻值不等的电阻并联构成，每个电阻所在支路上均串联有一个第一接触器，电容网络11由若干个电容值不同的电容并联构成，每个电容所在支路上均串联有一个第二接触器。为便于加工生产的选择，满足不同工件电火花毛化极性需求，可编程电容网络11的输出端还连接有极性切换电路12，极性切换电路12可由四个桥式连接的全控型电力电子开关器件构成，如IGBT管、GTR管、GTO管等，其中，所在桥臂不相邻的两个全控型电力电子开关器件为一组，即K01和K04为一组，K02和K03为输出极性相反的另一组。全控型电力电子器件具有控制功率小、开关速度快、通态压降低、热稳定性好等优点。第一高频变压器3的副边输出电压优选175V-195V，第一高频变压器3的输出电压在经过整流和滤波之后输出电压为250V左右，足以使工件电极和工具电极之间的工作液介质迅速击穿。工作液介质在被击穿之后，电火花间隙维持电压为20～25V，为保证第二高频变压器4切换至中间抽头时，毛化工作仍能继续进行，第二高频变压器4的副边输出电压最好为70V-85V。 

本发明将点火回路1和功率回路2分开设置，构成了脉冲电源加工、电容电源加工和虚脉冲加工三种不同的工作模式，如图2、图3、图4所示，图中对滤波电容7的前序电路部分均采取了电路等效替换，点火回路1的滤波电容701前序电路用250V直流电源作为等效替换，功率回路2的滤波电容702前序电路用100V直流电源作为等效替换，当第二高频变压器4选用中间抽头时，功率回路2的滤波电容702前序电路用50V直流电源作为等效替换。下面结合附图分别对本发明的三种工作模式的工作过程作进一步详细描述。 

如图2所示，为本发明脉冲电源加工方式的等效电路结构示意图，点火回路1和功率回路2的脉冲驱动电路均采用周期相同的方波脉冲信号且信号的占空比为50%，此工作模式中，电容网络11处于非工作状态，点火回路1和功率回路2均根据实际生产需要选择各自电阻网络801、802中的电阻值。当点火回路1的脉冲驱动电路输出的脉冲信号为高电平时，点火回路1的MOS管901栅极电压高于源极电压，MOS管901导通，点火回路1开始投入运行，380V三相交流市电13依次经第一高频变压器3变压、三相桥式整流电路501整流、滤波电容701滤波和电阻网络801限流之后输出至MOS管901，MOS管901处于导通状态形成从漏极向源极的导通电流，最后经二极管101输出，输出端的两极分别加在工件电极和工具电极上，工具电极和工件电极之间的电场强度增强，形成电桥，工作液介质击穿，工具电极和工件电极之间的电流迅速增加，则点火回路1的电阻网络801压降增加，工具电极和工件电极之间的电压降小于功率回路2的输出电压，则功率回路2的二极管102导通，功率回路2协同点火回路1完成电火花毛化工作，此时与第二高频变压器4相连的第一切换开关401保持打开，第二切换开关402闭合。 

如图3所示，为本发明电容电源加工方式的等效电路结构示意图，此时，点火回路1的MOS管901处于关断状态，点火回路1不工作，根据实际工作需要从电容网络11中选出合适的电容接通功率回路2，同时使与第二高频变压器4相连的第一切换开关401闭合，第二切换开关402保持打开，功率回路2的脉冲驱动电路输出脉冲驱动信号，使功率回路2的MOS管902处于间隔导通状态，当脉冲驱动信号为高电平时，功率回路2导通，电容网络11中接通的电容开始储能，同时控制工具电极和工件电极的放电间隙，电场强度增强，形成电桥，工作液介质击穿并开始对工件放电毛化，当脉冲驱动信号为低电平时，已储能的电容开始放电，维持工具电极和工件电极之间的放电电压，使放电毛化继续进行直至下一个脉宽驱动信号来临，功率回路2再次导通，电容再次储能，如此循环完成对工件的放电毛化；其中，电容C的电压波形在整个脉冲周期中是连续的，电容充放电的时间可以通过MOS管902的开关来控制，只要一个容值合适的电容就可以实现不同的脉宽。由于MOS管902可以实现对脉冲宽度、脉冲间隔时间的精确控制，因此克服了传统RC电路晶体管脉冲电源不能精确控制脉宽、低电平大小的缺点。 

如图4所示，为本发明虚脉冲加工方式的等效电路结构示意图，点火回路1用于工作液介质击穿，当工作液介质被击穿后，工件电极和工具电极之间的阻值急剧下降，电流迅速增加，电阻网络801上的电压降增加，功率回路2的输出电压高于工件电极和工具电极之间的电压且脉冲驱动电路输出高电平时，功率回路2导通运行，电容网络11开始储能，当脉冲驱动电路输出低电平时，电容网络11放电，维持毛化电压，使电火花毛化工作继续进行。为节约电能，减少功率回路2在电阻网路802上的功率消耗，此时与第二高频变压器4相连的第一切换开关401应保持打开，第二切换开关402闭合。 

本发明并不局限于上述实施例，如电阻网络801、802也可接于二极管101、102的负极，点火回路1的二极管101负极和功率回路2的二极管102负极连接后再接入同一组阻值可选的电阻网络801、802，电阻网络801、802可选用控制比较精确的数字电位器，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.电火花毛化系统高频脉冲电源，其特征在于：包括380V的三相交流市电、点火回路、功率回路、副边与所述点火回路相连的第一高频变压器和副边与所述功率回路相连的第二高频变压器，所述第一高频变压器的原边和第二高频变压器的原边分别与所述三相交流市电电连接；所述第二高频变压器的副边和所述功率回路之间还串联有第一切换开关，所述第二高频变压器的副边还引出有中心抽头，中心抽头的出线端连接有第二切换开关；所述第一切换开关和第二切换开关的出线端分别与所述功率回路的三相桥式整流电路的输入端电连接；

所述点火回路和功率回路分别包括三相桥式整流电路、滤波电容、阻值可选的电阻网络、MOS管和二极管，所述三相桥式整流电路的输出端与所述滤波电容并联连接，所述三相桥式整流电路与滤波电容之间还串联有防止所述滤波电容击穿的软充电电路；所述滤波电容的输出端与所述电阻网络串联连接，电阻网络的输出端与所述MOS管的漏极电连接，MOS管的源极与所述二极管的正极电连接，MOS管的栅极还连接有控制所述MOS管通断的脉冲驱动电路；

所述功率回路的二极管负极和点火回路的二极管负极电连接后还并联有电容值可选的电容网络，所述电容网络的输出端两极分别连接有工具电极和工件电极。

2.根据权利要求1所述的电火花毛化系统高频脉冲电源，其特征在于，所述软充电电路由晶闸管和限流电阻并联构成。

3.根据权利要求1或2所述的电火花毛化系统高频脉冲电源，其特征在于，所述可编程电容网络的输出端还连接有极性切换电路。

4.根据权利要求3所述的电火花毛化系统高频脉冲电源，其特征在于，所述极性切换电路由四个桥式连接的全控型电力电子开关器件构成。

5.根据权利要求1所述的电火花毛化系统高频脉冲电源，其特征在于，所述电阻网络由若干个阻值不等的电阻并联构成，每个电阻所在支路上均串联有一个第一接触器。

6.根据权利要求1所述的电火花毛化系统高频脉冲电源，其特征在于，所述电容网络由若干个电容值不同的电容并联构成，每个电容所在支路上均串联有一个第二接触器。

7.根据权利要求1所述的电火花毛化系统高频脉冲电源，其特征在于，所述第一高频变压器的副边输出电压为175V-195V。

8.根据权利要求7所述的电火花毛化系统高频脉冲电源，其特征在于，所述第二高频变压器的副边输出电压为70V-85V。

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