CN103235626A - 电子束快速成型制造设备加速电源装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子束快速成型制造设备加速电源装置及其控制方法，其采用工频交流输入→工频变压器升压→高压整流滤波→高压电子管串联调整调节→二氧化锌压敏电阻或稳压二极管为并联稳压输出的技术路线，通过输出高压的负反馈信号和稳压元件并联支路的电流信号去控制高压电子管的等效电阻，进行自动稳压，并限制稳压元件并联支路的电流。本发明提供一种以高压电子管为串联调整管，以二氧化锌压敏电阻或稳压二极管为并联稳压元件构成的直流高压电源及其控制方法，具有调节速度快、输出高压纹波小和稳压精度高的特点。

Description

电子束快速成型制造设备加速电源装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子束快速成型制造设备，具体为电子束快速成型制造设备加速电源装置及其控制方法。

背景技术

电子束快速成型制造技术是采用电子束在计算机的控制下按零件截面轮廓的信息有选择性地熔化金属粉末，并通过层层堆积，直至整个零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三维产品。与激光及等离子束快速成型相比，电子束快速成型具有非常明显的优点，如能量利用率高、加工材料广泛、无反射、加工速度快、真空环境无污染及运行成本低等。电子束快速成型是高性能复杂金属零件的理想快速成型制造技术，在航空航天、汽车及生物医学等领域有广阔的发展前景。而电子束快速成型制造设备是一种综合了真空物理、精密机械、电子技术、电子光学、高电压技术、计算机和控制技术等多种技术的高科技产品，加速电源是其关键部件。电子束快速成型制造设备对加速电源要求控制精度高，输出高压纹波系数小，调节速度快，输出电压动态波动小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对电子束快速成型制造设备对加速电源的高性能要求，提供一种电子束快速成型制造设备加速电源装置及其控制方法，其具有调节速度快、输出高压纹波小和稳压精度高的特点。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一种电子束快速成型制造设备加速电源装置，包括电网滤波器、晶闸管软启动单元、高压变压器、十二脉波高压整流单元、高压整流滤波电容、高压整流滤波电容放电电阻、输出高压滤波电感、输出高压滤波电容、输出高压滤波电容放电限流电阻、稳压元件并联支路、加速电压取样电路、稳压元件并联支路电流取样电阻、电子束流取样电阻、高压电子管、中央控制单元和加速电压调节器。

电网滤波器的输入端与外部电源相连，输出端经晶闸管软启动单元与高压变压器的初级绕组相连。高压变压器次级绕组连接十二脉波高压整流单元的输入端，高压整流滤波电容和高压整流滤波电容放电电阻并联后接在十二脉波高压整流单元的输出端上。

输出高压滤波电感和输出高压滤波电容组成LC滤波电路。其中输出高压滤波电感和输出高压滤波电容相连的一端通过输出高压滤波电容放电限流电阻后与电子枪的阴极相接，输出高压滤波电感的另一端接在十二脉波高压整流单元的负输出端上，输出高压滤波电容的另一端则经过电子束流取样电阻后与大地和电子枪的阳极相接。

稳压元件并联支路由多个二氧化锌压敏电阻或稳压二极管串联组成。稳压元件并联支路与稳压元件并联支路电流取样电阻串联后，再与加速电压取样电路并联，两并联支路的一端接在输出高压滤波电容放电限流电阻的输出端，另一端与大地相连。

高压电子管的阳极与十二脉波高压整流单元的正输出端相接，高压电子管的阴极通过电子束流取样电阻与大地相接。高压电子管的灯丝两端接外部恒流电源，高压电子管的帘栅极与其阴极之间接外部恒压电源。高压电子管的栅极接加速电压调节器的输出端上。

中央控制单元的2路模拟输入端分别连接加速电压取样电路的取样信号输出端、电子束流取样电阻的取样信号输出端。中央控制单元的一个输出端连接晶闸管软启动单元。

加速电压调节器的5路输入端分别连接中央控制单元的加速电压给定信号输出端、中央控制单元的电子束流给定信号输出端、加速电压取样电路的取样信号输出端、稳压元件并联支路电流取样电阻的取样信号输出端和电子束流取样电阻的取样信号输出端。

作为改进，上述电子束快速成型制造设备加速电源装置还进一步包括故障判别电路，该故障判别电路的输入端连接电子束流取样电阻的取样信号输出端、稳压元件并联支路电流取样电阻的取样信号输出端和加速电压取样电路的取样信号输出端。故障判别电路的输出端连接加速电压调节器和中央控制单元。

上述方案中，所述加速电压调节器主要由2个运输放大器IC1、IC2，3个二极管D1～D3，1个稳压二极管Z1，11个电阻R1～R11，以及1个电压放大器组成。其中中央控制单元的电子束流给定信号输出端通过电阻R6接至运算放大器IC2的同相输入端，运输放大器IC2的同相输入端通过电阻R7与大地相接，电子束流取样电阻的取样信号输出端通过电阻R5连接运输放大器IC2的反相输入端。电阻R8两端分别接至运输放大器IC2的反相输入端和输出端，运输放大器IC2的输出端先后通过稳压二极管Z1、二极管D2和电阻R4接至运算放大器IC1的反相输入端。中央控制单元的加速电压给定信号输出端通过电阻R1、加速电压取样电路的取样信号输出端通过电阻R2以及稳压元件并联支路电流取样电阻的取样信号输出端通过电阻R3一起接至运算放大器IC1的反相输入端。运算放大器IC1的同相输入端通过R9与大地相接。故障判别电路的输出端经二极管D3接至运算放大器IC1的同相输入端。二极管D2与电阻R10并联后，二极管D2的阴极接运算放大器IC1的反相输入端，二极管D2的阳极接运算放大器IC1的输出端。运算放大器IC1的输出端通过电阻R11接至电压放大器的输入端，电压放大器的输出端为加速电压调节器的输出端接至高压电子管的栅极。

作为进一步改进，上述电子束流取样电阻的取样信号输出端、中央控制单元的电子束流给定信号输出端和故障判别电路的输出端还与电子束快速成型制造设备中的电子束流调节器的输入端连接。

上述方案中，所述高压变压器的初级绕组为三角形或星形接法。高压变压器的一组次级绕组为三角形接法，另一组次级绕组为星形接法，且两组次级绕组的线电压值相同。

上述方案中，所述十二脉波高压整流单元由两个三相高压整流桥串联组成，或由两个三相高压整流桥通过平衡电抗器并联组成。

基于上述加速电源装置所实现的电子束快速成型制造设备加速电源装置的控制方法，采用工频交流输入→工频变压器升压→高压整流滤波→高压电子管串联调整调节→二氧化锌压敏电阻或稳压二极管为并联稳压输出的技术路线，通过输出高压的负反馈信号和稳压元件并联支路的电流信号去控制高压电子管的等效电阻，进行自动稳压，并限制稳压元件并联支路的电流。

工频交流输入在中央控制单元控制下，晶闸管软启动单元的晶闸管的导通角由0逐渐增大到全导通，进入正常工作：

如果中央控制单元输出的加速电压给定值小于或等于临界值，并使得加速电源输出电压值低于或等于稳压元件的总稳压值时，稳压元件并联支路无电流通过，稳压元件并联支路电流取样信号为零；加速电压调节器中只有中央控制单元输出的加速电压给定信号和加速电压取样电路输出的加速电压取样信号进行比较，两者的偏差通过放大后去控制高压电子管的栅极，加速电源的输出电压值与加速电压给定值成比例关系；

如果中央控制单元输出的加速电压给定值超过某一个临界值，并使得加速电源输出电压值达到稳压元件的稳压值时，稳压元件并联支路中有电流通过，加速电压调节器中加速电压给定信号和加速电压取样信号进行比较后，再与稳压元件并联支路电流取样电阻输出的稳压元件并联支路电流取样信号进行比较，总偏差通过放大后去控制高压电子管的栅极，加速电源的输出电压值稳定在稳压元件并联支路的总稳压值，且稳压元件并联支路的电流值正比于加速电压给定值与临界值的差值。

作为改进，加速电压调节器，判断电子束流超过其设定值的某一数值后，差值将产生截止负反馈，限制非正常电子束流值。

作为改进，上述电子束快速成型制造设备加速电源装置的控制方法还进一步包括故障保护控制，即故障判别电路检测电子束流取样电阻上的电压信号，如果超过设定的上限值判为电子束流过流故障；故障判别电路检测稳压元件并联支路电流取样电阻上的电压信号，如果超过设定的上限值判为稳压元件并联支路过流故障；故障判别电路检测加速高压取样电路的输出电压信号，如果超过设定的上限值判为加速电压过压故障，如果产生负突跳变化判为加速电源产生高压放电故障；上述任一故障的产生故障判别电路都输出信号，并立即封锁加速电压调节器和电子束流调节器的输出；故障判别电路输出信号同时被送至中央控制单元，用于故障提示及电子束快速成型制造设备其它控制单元的连锁保护；如果产生高压放电故障，加速电压调节器和电子束流调节器的输出被封锁1-2毫秒后，自动解除封锁，实现高压自动重启；在设定时间段内高压放电故障发生次数超过设定次数则判为“永久故障”，此时与处理其它故障类型的措施一样切断电网供电电源和加速电压给定信号，待故障排除后，再手动重启高压。

本发明针对电子束快速成型制造设备对加速电源的高性能要求，提供一种以高压电子管为串联调整管，以二氧化锌压敏电阻或稳压二极管为并联稳压元件构成的直流高压电源及其控制方法，其优点为控制系统调节速度快、输出高压纹波小、稳压精度高；

与现有技术相比，本发明的创新点如下：

1、以高压电子管为串联调整管，以二氧化锌压敏电阻或稳压二极管为并联稳压元件构成的直流高压电源的结构；

2、高压调节器为比例调节器结构，反馈信号为加速电压取样信号和并联稳压元件支路的电流取样信号；

3、高压调节器在加速电源输出电压未达到并联稳压元件支路的总稳压值时起到稳定调节输出电压的作用，在加速电源输出电压达到并联稳压元件支路的总稳压值后起到限制并联稳压元件支路电流的作用；

4、以电子束流取样信号为反馈信号，采用截止负反馈手段对加速电源的最大输出电流进行限制，达到过流保护功能。

附图说明

图1为本发明电子束快速成型制造设备加速电源装置实施例原理图；

图2为一种十二脉波高压整流单元的原理图；

图3为另一种十二脉波高压整流单元的原理图；

图4为加速电压调节器原理图；

图中标号为：1、电网滤波器；2、晶闸管软启动单元；3、高压变压器；4、十二脉波高压整流单元；4-1、平衡电抗器；5、高压整流滤波电容；6、高压整流滤波电容放电电阻；7、输出高压滤波电感；8、输出高压滤波电容；9、输出高压滤波电容放电限流电阻；10、稳压元件并联支路；11、加速电压取样电路；12、稳压元件并联支路电流取样电阻；13、电子束流取样电阻；14、高压电子管；15、中央控制单元；16、加速电压调节器；16-1、电压放大器；17、故障判别电路。

具体实施方式

一种电子束快速成型制造设备加速电源装置，如图1所示，其主要由电网滤波器1、晶闸管软启动单元2、高压变压器3、十二脉波高压整流单元4、高压整流滤波电容5、高压整流滤波电容放电电阻6、输出高压滤波电感7、输出高压滤波电容8、输出高压滤波电容放电限流电阻9、稳压元件并联支路10、加速电压取样电路11、稳压元件并联支路电流取样电阻12、电子束流取样电阻13、高压电子管14、中央控制单元15、加速电压调节器16、故障判别电路17组成。

电网滤波器1的输入端与外部电源相连，输出端与晶闸管软启动单元2的输入端连接。用于切断电磁干扰EMI传播途径。

晶闸管软启动单元2的输出端与高压变压器3的初级绕组相连。晶闸管软启动单元2作为高压变压器3进线开关，用于抑制高压变压器3的起动电流。高压变压器3起动时，晶闸管导通角逐渐增大到全导通。出现故障或停机时，晶闸管处于截止状态。

高压变压器3的初级绕组为三角形或星形接法；高压变压器3的一组次级绕组为三角形接法，另一组次级绕组为星形接法，且两组次级绕组的线电压值相同。高压变压器3的初级与晶闸管软启动单元2的输出相连，次级与十二脉波高压整流单元4的输入相连。

十二脉波高压整流单元4可以由两个三相高压整流桥串联组成（如图2所示），也可以由两个三相高压整流桥通过平衡电抗器4-1并联组成（如图3所示）。

高压整流滤波电容5和高压整流滤波电容放电电阻6并联后接在十二脉波高压整流单元4的输出端上。其中高压整流滤波电容放电电阻6的作用是为停机后给高压整流滤波电容5提供放电回路。

输出高压滤波电感7和输出高压滤波电容8组成LC滤波电路。其中输出高压滤波电感7和输出高压滤波电容8相连的一端通过输出高压滤波电容放电限流电阻9后与电子枪的阴极相接，输出高压滤波电感7的另一端接在十二脉波高压整流单元4的负输出端上，输出高压滤波电容8的另一端则经过电子束流取样电阻13后与大地和电子枪的阳极相接。

稳压元件并联支路10由多个二氧化锌压敏电阻或稳压硅堆（即稳压二极管）串联组成，加速电源最高输出电压由稳压元件并联支路10的稳压元件串联稳压值决定。

稳压元件并联支路电流取样电阻12与稳压元件并联支路10串联连接。用于测量流过稳压元件并联支路10的电流值，输出与电流值成正比的电压信号U_y。

稳压元件并联支路10与稳压元件并联支路电流取样电阻12串联后，并接在加速电源的输出端，即高压端与输出高压滤波电容放电限流电阻9的输出端即电子枪的阴极相接，低压端与大地相接。

加速电压取样电路11并接在加速电源的输出端，即高压端与输出高压滤波电容放电限流电阻9的输出端即电子枪的阴极相接，低压端与大地相接。用于测量加速电压值，输出正比于加速电压的电压信号U_a。

电子束流取样电阻13用于检测电子束流值，此电阻两端输出正比于电子束流（含稳压元件并联支路和加速电压取样电路的电流）大小的电压信号U_e。

高压电子管14的阳极与十二脉波高压整流单元4的正输出端相接，高压电子管14的阴极通过电子束流取样电阻13与大地相接；高压电子管14的灯丝两端接外部恒流电源，高压电子管14的帘栅极与阴极间接外部恒压电源。高压电子管14的栅极接加速电压调节器16的输出端上。高压电子管14的工作状态由栅极电压U_c控制。

中央控制单元有2路模拟输入端，这2路模拟输入端分别连接加速电压取样电路的取样信号输出端11、电子束流取样电阻13的取样信号输出端。中央控制单元15的一个输出端连接晶闸管软启动单元2。中央控制单元15由工业计算机或可编程控制器PLC组成，中央控制单元15在加速电源系统中的作用为：1、控制高压变压器3的软起动；2、数字设定经数模转换DAC产生加速电压给定信号U_a ^*送入加速电压调节器16，用于产生加速电压的设定波形，包括升降斜率和工作电压的设定；3、数字设定经数模转换DAC产生电子束流给定信号U_e ^*送入加速电压调节器16和电子束流调节器，用于产生电子束流的设定波形，包括升降斜率和工作电子束流的设定；4、接收加速电压取样电路11送来的加速电压取样信号U_a，用于指示等；5、接收电子束流取样电阻13送来的电子束流取样信号U_e，用于指示等；6、接收故障判别电路17的输出信号U_er，用于故障多重保护、设备其它部分的连锁保护和故障提示。

加速电压调节器16的5路输入端分别接收中央控制单元15的加速电压给定信号U_a ^*、中央控制单元15的电子束流给定信号U_e ^*、加速电压取样电路11的取样信号U_a、稳压元件并联支路电流取样电阻12的取样信号U_y和电子束流取样电阻13的取样信号U_e。正常工作时，当加速电压低于稳压元件的稳压值时，加速电压给定信号U_a ^*和加速电压取样信号U_a进行比较，偏差通过放大后去控制高压电子管14的栅极；当加速电压达到稳压元件的稳压值时，加速电压给定信号U_a ^*和加速电压取样信号U_a进行比较后，再与稳压元件并联支路电流取样信号U_y进行比较，总偏差通过放大后去控制高压电子管14的栅极。此外，在故障判别电路17有输出时，加速电压调节器16的输出将被封锁，使得高压电子管14截止。

在本发明中，所述加速电压调节器16如图4所示，其主要由2个运输放大器IC1、IC2，3个二极管D1～D3，稳压二极管Z1，11个电阻R1～R11，以及电压放大器16-1组成。其中中央控制单元15的电子束流给定信号U_e ^*通过电阻R6接至运算放大器IC2的同相输入端，运输放大器IC2的同相输入端通过电阻R7与大地相接，电子束流取样电阻13的取样信号U_e通过电阻R5连接运输放大器IC2的反相输入端。电阻R8两端分别接至运输放大器IC2的反相输入端和输出端，运输放大器IC2的输出端先后通过稳压二极管Z1、二极管D2和电阻R4接至运算放大器IC1的反相输入端。中央控制单元15的加速电压给定信号U_a ^*通过电阻R1、加速电压取样电路11的取样信号U_a通过电阻R2、以及稳压元件并联支路电流取样电阻12的取样信号U_y通过电阻R3一起接至运算放大器IC1的反相输入端。故障判别电路17的输出信号U_er经二极管D3接至运算放大器IC1的同相输入端。运算放大器IC1的同相输入端通过R9与大地相接。二极管D2与电阻R10并联后，二极管D2的阴极接运算放大器IC1的反相输入端，二极管D2的阳极接运算放大器IC1的输出端。运算放大器IC1的输出信号U₁通过电阻R11接至电压放大器16-1的输入端，电压放大器16-1的输出电压U_c为送至高压电子管14的栅极。

故障判别电路17的输入端接收电子束流取样电阻13的取样信号U_e、稳压元件并联支路电流取样电阻12的取样信号U_y和加速电压取样电路11的取样信号U_a；故障判别电路17的输出信号U_er送至加速电压调节器16、中央控制单元15和电子束流调节器。故障判别电路17检测电子束流取样电阻13上的电压信号U_e，如果超过设定的上限值判为电子束流过流故障；故障判别电路17检测稳压元件并联支路电流取样电阻12上的电压信号U_y，如果超过设定的上限值判为稳压元件过流故障；故障判别电路17检测加速高压取样电路11的输出电压信号U_a，如果超过设定的上限值判为加速电压过压故障，如果产生负突跳变化判为加速电源产生高压放电故障；上述任一故障的产生故障判别电路17输出信号U_er都变为高电平，并立即封锁加速电压调节器16和电子束流调节器的输出；如果产生高压放电故障，加速电压调节器16、电子束流调节器和中央控制单元15的输出U_a ^*和U_e ^*信号被封锁1-3毫秒后，自动解除封锁，实现高压自动重启；在设定时间段内高压放电故障发生次数超过设定次数则判为“永久故障”，此时与处理其它故障类型的措施一样切断电网供电电源和加速电压给定信号，待故障排除后，再手动重启高压。

另外电子束流取样电阻13的取样信号U_e、中央控制单元15的电子束流给定信号U_e ^*和故障判别电路17的输出信号U_er还分别被送入电子束快速成型制造设备中电子束流调节器的输入端。

基于上述加速电源装置所实现的一种电子束快速成型制造设备加速电源装置的控制方法，采用工频交流输入→工频变压器升压→高压整流滤波→高压电子管14串联调整调节→二氧化锌压敏电阻或稳压二极管为并联稳压输出的技术路线，通过输出高压的负反馈信号U_a和稳压元件并联支路10的电流信号U_y去控制高压电子管14的等效电阻，进行自动稳压，并限制稳压元件并联支路10的电流。

工频交流输入在中央控制单元15控制下，晶闸管软启动单元2晶闸管的导通角由0逐渐增大到全导通，进入正常工作。

如果加速电压给定值Ua*较低，而加速电源输出电压值低于稳压元件并联支路10的总稳压值时，稳压元件并联支路10无电流通过，此时稳压元件并联支路10电流取样信号U_y为零，那么只有加速电压给定信号U_a ^*和加速电压取样信号U_a进行比较，偏差通过放大后去控制高压电子管14的栅极，加速电源的输出电压值与加速电压给定值成比例关系；如果加速电压给定值U_a ^*超过某一个临界值，而加速电压达到稳压元件的稳压值，此时稳压元件并联支路中有电流通过，那么加速电压给定信号U_a ^*和加速电压取样信号U_a进行比较后，再与稳压元件并联支路10电流取样信号U_y进行比较，总偏差通过放大后去控制高压电子管14的栅极，加速电源的输出电压值稳定在稳压元件并联支路10的总稳压值，且稳压元件并联支路10的电流值正比于加速电压给定值U_a ^*与临界值U_aN ^*的差值；如果加速电压给定值U_a ^*等于临界值U_aN ^*，加速电源的输出电压值等于稳压元件并联支路10的总稳压值，但稳压元件并联支路仍无电流通过。上述高压调节器采用比例调节，结构简单，调节速度快。非正常工作：1、电子束流超过其给定值，而偏差超过设定的上限值，通过电子束流取样信号截止负反馈作用，降低高压调节器16的输出，从而限制电子束流；2、故障判别电路17有输出时，加速电压调节器16的输出将被封锁，使得高压电子管14截止。

高压调节器16结构如图4所示，电子束流给定信号U_e ^*通过电阻R6送至运算放大器IC2的同相输入端，运算放大器IC2的同相输入端通过电阻R7与大地相接，电子束流取样信号U_e通过电阻R5送至运算放大器IC2的反相输入端，电阻R8两端分别接至运算放大器IC2的反相输入端和输出端，运算放大器IC2的输出信号U₂先后通过稳压二极管Z1、二极管D2和电阻R4送至运算放大器IC1的反相输入端。运算放大器IC2的输出

为了便于分析，令R7=R8，R5=R6，则

正常工作时，电子束流在电子束流调节器的作用下不会超过设定值，即U_e≤U_e ^*，所以U₂为正，二极管D2承受反压而阻断U₂送至运算放大器IC1的反相输入端；如果非正常原因引起电子束流超过设定值，即U_e＞U_e ^*，U₂变为负，当U₂负值足够大，扣除稳压二极管Z1的稳压降V_Z1，即（U₂-V_Z1）信号通过电阻R4送至运算放大器IC1的反相输入端。

加速电压给定信号U_a ^*通过电阻R1，加速电压取样信号U_a通过电阻R2，稳压元件并联支路的电流取样信号U_y通过电阻R3一起送至运算放大器IC1的反相输入端。运算放大器IC1的同相输入端通过电阻R9与大地相接，故障信号U_er通过二极管D3送至运算放大器IC1的同相输入端。二极管D2与电阻R10并联后二极管D2的阴极接运算放大器IC1的反相输入端，二极管D2的阳极接运算放大器IC1的输出端，运算放大器IC1的输出信号U₁通过电阻电阻R11送至电压放大器16-1的控制端，电压放大器16-1的输出信号U_c送至高压电子管14的栅极。故障信号无效时U_er为低电平，二极管D3的阻断作用U_er对加速电压调节器无作用，且稳压二极管Z1和/或二极管D1处于阻断状态，运算放大器IC1的输出信号

式中U_a ^*、U_a和U_y以绝对值计算，为了便于分析令R1=R2=R3，则

如果加速电压给定值U_a ^*较低，而加速电源输出电压值低于稳压元件的总稳压值时，稳压元件并联支路10无电流通过，即U_y=0，那么

U₁为可变负电压，高压调节器3中只有加速电压给定信号U_a ^*和加速电压取样信号U_a进行比较，偏差通过放大后去控制高压电子管14的栅极，加速电源的输出电压值与加速电压给定值U_a ^*成比例关系。如果加速电压给定值U_a ^*超过某一个临界值U_aN ^*，而加速电压达到稳压元件的总稳压值，此时稳压元件并联支路10中有电流通过，即U_y≠0，那么

U₁为可变负电压，加速电压给定信号U_a ^*和加速电压取样信号U_a进行比较后，再与稳压元件并联支路电流取样信号U_y进行比较，总偏差通过放大后去控制高压电子管14的栅极，加速电源的输出电压值稳定在稳压元件并联支路的总稳压值，加速电压取样信号U_a为固定值U_aN，稳压元件并联支路10的电流值正比于加速电压给定值U_a ^*与临界值U_aN ^*的差值。如果加速电压给定值U_a ^*等于临界值U_aN ^*，加速电源的输出电压值等于稳压元件并联支路的总稳压值，但稳压元件并联支路10仍无电流通过，

U₁为可变负电压；如果U₂为负且已达Z1的稳压值，此时 $U_1=-\frac{R11}{R1}(U_a^{*}-U_a-U_y)+\frac{R11}{R4}(U_2-V_{Z1})$ 或 $U_1=-\frac{R11}{R1}(U_a^{*}-U_a-U_y)+\frac{R11}{R4}(U_2-V_{Z1})$ 式中U_a ^*、U_a、U_y、U₂和V_Z1用绝对值计算，U₁为可变负电压，由于电阻R4远小于电阻R1、R2和R3，信号（U₂-V_Z1）形成截止负反馈，使得U₂负最大值被限制在V_Z1附近；一旦故障信号有效，U_er为正电平，U_er即通过D3送至IC1的同相输入端，在D2的作用下，IC1变成电压跟随器而输出正电平，U₁为正时，电压放大器16-1输出负最大电压信号，高压电子管14被截止。

作为改进，上述电子束快速成型制造设备加速电源装置的控制方法，还进一步包括故障保护控制，即故障判别电路17检测电子束流取样电阻13上的电压信号U_e，如果超过设定的上限值判为电子束流过流故障。故障判别电路17检测稳压元件并联支路电流取样电阻12上的电压信号U_y，如果超过设定的上限值判为稳压元件并联支路10过流故障。故障判别电路17检测加速高压取样电路11的输出电压信号，如果超过设定的上限值判为加速电压过压故障，如果产生负突跳变化判为加速电源产生高压放电故障。上述任一故障的产生故障判别电路输出信号U_er都变为高电平，并立即封锁加速电压调节器16和电子束流调节器的输出。故障判别电路17输出信号同时被送至中央控制单元15，用于故障显示及电子束快速成型制造设备其它控制单元的连锁保护。如果产生高压放电故障，加速电压调节器16和电子束流调节器的输出、中央控制单元15的输出信号U_a ^*和U_e ^*同时被封锁1-2毫秒后，自动解除封锁，实现高压自动重启。在设定时间段内高压放电故障发生次数超过设定次数则判为“永久故障”，此时与处理其它故障类型的措施一样切断电网供电电源和给定信号，待故障排除后，再手动重启高压。

Claims (9)

1.电子束快速成型制造设备加速电源装置，其特征在于：包括电网滤波器（1）、晶闸管软启动单元（2）、高压变压器（3）、十二脉波高压整流单元（4）、高压整流滤波电容（5）、高压整流滤波电容放电电阻（6）、输出高压滤波电感（7）、输出高压滤波电容（8）、输出高压滤波电容放电限流电阻（9）、稳压元件并联支路（10）、加速电压取样电路（11）、稳压元件并联支路电流取样电阻（12）、电子束流取样电阻（13）、高压电子管（14）、中央控制单元（15）和加速电压调节器（16）；

电网滤波器（1）的输入端与外部电源相连，输出端经晶闸管软启动单元（2）与高压变压器（3）的初级绕组相连；高压变压器（3）次级绕组连接十二脉波高压整流单元（4）的输入端，高压整流滤波电容（5）和高压整流滤波电容放电电阻（6）并联后接在十二脉波高压整流单元（4）的输出端上；

输出高压滤波电感（7）和输出高压滤波电容（8）组成LC滤波电路；其中输出高压滤波电感（7）和输出高压滤波电容（8）相连的一端通过输出高压滤波电容放电限流电阻（9）后与电子枪的阴极相接，输出高压滤波电感（7）的另一端接在十二脉波高压整流单元（4）的负输出端上，输出高压滤波电容（8）的另一端则经过电子束流取样电阻（13）后与大地和电子枪的阳极相接；

稳压元件并联支路（10）由多个二氧化锌压敏电阻或稳压二极管串联组成。稳压元件并联支路（10）与稳压元件并联支路电流取样电阻（12）串联后，再与加速电压取样电路（11）并联，两并联支路的一端接在输出高压滤波电容放电限流电阻（9）的输出端，另一端与大地相连；

高压电子管（14）的阳极与十二脉波高压整流单元（4）的正输出端相接，高压电子管（14）的阴极通过电子束流取样电阻（13）与大地相接；高压电子管（14）的灯丝两端接外部恒流电源，高压电子管（14）的帘栅极与其阴极间接外部恒压电源；高压电子管（14）的栅极接加速电压调节器（16）的输出端上；

中央控制单元有2路模拟输入端分别连接加速电压取样电路（11）的取样信号输出端和电子束流取样电阻的取样信号输出端（13）；中央控制单元（15）的一个输出端连接晶闸管软启动单元（2）；

加速电压调节器（16）的5路输入端分别连接中央控制单元（15）的加速电压给定信号输出端、中央控制单元（15）的电子束流给定信号输出端、加速电压取样电路（11）的取样信号输出端、稳压元件并联支路电流取样电阻（12）的取样信号输出端和电子束流取样电阻（13）的取样信号输出端。

2.根据权利要求1所述的电子束快速成型制造设备加速电源装置，其特征在于：还进一步包括故障判别电路（17），该故障判别电路（17）的输入端连接电子束流取样电阻（13）的取样信号输出端、稳压元件并联支路电流取样电阻（12）的取样信号输出端和加速电压取样电路（11）的取样信号输出端；故障判别电路（17）的输出端连接加速电压调节器（16）和中央控制单元（15）。

3.根据权利要求2所述的电子束快速成型制造设备加速电源装置，其特征在于：所述加速电压调节器（16）主要由2个运输放大器IC1、IC2，3个二极管D1～D3，稳压二极管Z1，11个电阻R1～R11，以及电压放大器（16-1）组成；其中

中央控制单元（15）的电子束流给定信号输出端通过电阻R6接至运算放大器IC2的同相输入端，运输放大器IC2的同相输入端通过电阻R7与大地相接，电子束流取样电阻（13）的取样信号输出端通过电阻R5连接运输放大器IC2的反相输入端；电阻R8两端分别接至运输放大器IC2的反相输入端和输出端，运输放大器IC2的输出端先后通过稳压二极管Z1、二极管D2和电阻R4接至运算放大器IC1的反相输入端；

中央控制单元（15）的加速电压给定信号输出端通过电阻R1、加速电压取样电路（11）的取样信号输出端通过电阻R2、以及稳压元件并联支路电流取样电阻（12）的取样信号输出端通过电阻R3一起接至运算放大器IC1的反相输入端；运算放大器IC1的同相输入端通过R9与大地相接；故障判别电路（17）的输出端经二极管D3接至运算放大器IC1的同相输入端；二极管D2与电阻R10并联后，二极管D2的阴极接运算放大器IC1的反相输入端，二极管D2的阳极接运算放大器IC1的输出端；运算放大器IC1的输出端通过电阻R11接至电压放大器(16-1)的输入端，电压放大器（16-1）的输出端为加速电压调节器（16）的输出端接至高压电子管的栅极。

4.据权利要求2所述的电子束快速成型制造设备加速电源装置，其特征在于：电子束流取样电阻（13）的取样信号输出端、中央控制单元（15）的电子束流给定信号输出端和故障判别电路（17）的输出端还与电子束快速成型制造设备中的电子束流调节器（19）的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的电子束快速成型制造设备加速电源装置，其特征在于：所述高压变压器（3）的初级绕组为三角形或星形接法；高压变压器（3）的一组次级绕组为三角形接法，另一组次级绕组为星形接法，且两组次级绕组的线电压值相同。

6.根据权利要求1所述的电子束快速成型制造设备加速电源装置，其特征在于：所述十二脉波高压整流单元（4）由两个三相高压整流桥串联组成，或由两个三相高压整流桥通过平衡电抗器（4-1）并联组成。

7.电子束快速成型制造设备加速电源装置的控制方法，其特征在于：采用工频交流输入→工频变压器升压→高压整流滤波→高压电子管（14）串联调整调节→二氧化锌压敏电阻或稳压二极管为并联稳压输出的技术路线，通过输出高压的负反馈信号和稳压元件并联支路（10）的电流信号去控制高压电子管的等效电阻，进行自动稳压，并限制稳压元件并联支路（10）的电流；

工频交流输入在中央控制单元（15）控制下，晶闸管软启动单元（2）的晶闸管的导通角由0逐渐增大到全导通，进入正常工作；

如果中央控制单元（15）输出的加速电压给定值小于或等于临界值，并使得加速电源输出电压值低于或等于稳压元件的总稳压值时，稳压元件并联支路（10）无电流通过，稳压元件并联支路（10）电流取样信号为零；加速电压调节器（16）中只有中央控制单元（15）输出的加速电压给定信号和加速电压取样电路（11）输出的加速电压取样信号进行比较，两者的偏差通过放大后去控制高压电子管（14）的栅极，加速电源的输出电压值与加速电压给定值成比例关系；

如果中央控制单元（15）输出的加速电压给定值超过某一个临界值，并使得加速电源输出电压值达到稳压元件的稳压值时，稳压元件并联支路（10）中有电流通过，加速电压调节器（16）中加速电压给定信号和加速电压取样信号进行比较后，再与稳压元件并联支路电流取样电阻（12）输出的稳压元件并联支路（10）电流取样信号进行比较，总偏差通过放大后去控制高压电子管（14）的栅极，加速电源的输出电压值稳定在稳压元件并联支路（10）的总稳压值，且稳压元件并联支路（10）的电流值正比于加速电压给定值与临界值的差值。

8.根据权利要求7所述的电子束快速成型制造设备加速电源装置的控制方法，其特征在于：还包括加速电压调节器（15）判断电子束流超过其设定值的某一数值后，差值将产生截止负反馈，限制非正常电子束流值的步骤。

9.根据权利要求7或8所述的电子束快速成型制造设备加速电源装置的控制方法，其特征在于：还进一步包括故障保护控制，即故障判别电路（17）检测电子束流取样电阻（13）上的电压信号，如果超过设定的上限值判为电子束流过流故障；故障判别电路（17）检测稳压元件并联支路电流取样电阻（12）上的电压信号，如果超过设定的上限值判为稳压元件并联支路（10）过流故障；故障判别电路（17）检测加速高压取样电路（11）的输出电压信号，如果超过设定的上限值判为加速电压过压故障，如果产生负突跳变化判为加速电源产生高压放电故障；上述任一故障的产生故障判别电路（17）都输出信号，并立即封锁加速电压调节器（16）和电子束流调节器的输出；故障判别电路（17）输出信号同时被送至中央控制单元，用于故障提示及电子束快速成型制造设备其它控制单元的连锁保护；如果产生高压放电故障，加速电压调节器（16）和电子束流调节器的输出被封锁1-2毫秒后，自动解除封锁，实现高压自动重启；在设定时间段内高压放电故障发生次数超过设定次数则判为“永久故障”，此时与处理其它故障类型的措施一样切断电网供电电源和加速电压给定信号，待故障排除后，再手动重启高压。

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