CN1037498C - 脉宽调制电火花加工脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明采用包络脉冲控制技术，去掉了电火花脉冲电源中传统的互频变压器，可直接产生出加工用的包络式脉冲，在高频变压器的副边有两种形式的主回管，粗加工时在主回路中串入电感限制高频电流及续流二极管二次续流节能使电流平滑，节省了消耗在限流电阻上的电能。利用电流传感器信号反馈给PWM控制器调节加工电流。在精加工时将高频变压器副边接成稳压式，提供稳定的直流电压，配合纳秒级精加工功放电路构成放电主回路。

Description

脉宽调制电火花加工脉冲电源

本发明涉及一种用于机械领域电火花加工的脉冲电源。

目前电火花加工所使用的脉冲电源多采用工频变压器将380V电压变压后整流滤波成80～100V左右的直流电压。加工时靠脉冲发生器的脉冲经电流放大后驱动功率晶体管按一定脉宽脉间开通和断开使放电间隙GAP上加上脉冲电压。当间隙被击穿即可流过脉冲电流i，实现电火花加工。这一系统存在以下几个问题，①系统中的工频变压器体积大、效率低；②放电主回路中由于用电阻R来限制电流，一方面防止过流烧坏晶体管，另一方面可以按工艺参数要求设定加工电流的大小。但由于这一电阻的存在，使得系统多消耗许多电能。真正用于加工的能量只占总消耗能量的20～25％，而其余75～80％的能量被白白消耗在限流电阻R上变成焦尔热而浪费掉，而且还要为此加一组强行冷却用的风扇来吹去这部分热量，又要增加几十瓦到上百瓦的能量。考虑到变压器的铜损、铁损、整机电能利用率将低于20％。因此从节约能源和节省铜、钢等金属资源来看，这一系统存在严重问题。

本发明的目的是采用新的原理和技术方案设计出一种新型、高效、节能型的电火花加工脉冲电源，以提高加工时能源的利用率，最大限度降低无用的功率消耗，同时节省制造成本，降低材料(包括钢材、铜材)消耗、大大缩小装置的体积，更易于实现机电一体化设计。

本发明脉宽调制电火花加工脉冲电源，包括一个全波整流电路1，将工频交流电压u₁变换成直流电压u₁；一个脉冲宽度可调的脉冲调制电路2，将整流电路1输出的直流电压u₁调制成频率为50-100KHZ且脉宽可调的脉冲电压，本发明的要点在于包括一个包络脉冲发生器3，该脉冲发生器3产生一个脉宽为20-2000微秒的包络脉冲电压u₃，u₃做为调制信号耦合到2的调制极，使2输出一个其包络按u₃变化的高频脉冲电压，该电压经开关功率放大器4进行功率放大后经高频脉冲变压器5变换成一个幅值为80-100V的脉冲电压u₅；一个由二极管D₁、D₂和电感L₁组成的限流续流电路，u₅经限流续流电路加到加工间隙7上形成放电回路，一个电流传感器6串接在放电回路中，由传感器6取出反映加工电流大小的电压反馈信号加到脉宽调制电路2的控制极，作为脉宽调整的控制信号以达到稳定加互脉冲电流的目的。

本发明的另一种形式是当用于精加工时将高频脉冲变压器5的副边接成稳压电路的形成，由L₂和C₂组成低通滤波器，由限流电阻R₃，功率放大器和放电间隙7组成放电回路；一个纳秒级精加互脉冲发生器9产生一个周期为50-10000纳秒的脉冲电压，该电压耦合到功率放大器8的控制输入端，由R₂和W₁组成的分压电路，由该电路取出的反馈电压耦合到脉宽调制电路2的控制极作为脉宽调整的控制信号。

图1为本发明用于粗加工时的电原理图

图2为本发明用于精加工时的电原理图

图3为本发明的电压波形示意图

实施例：

本发明与常规电火花加工脉冲电源相比，去掉了庞大笨重的工频变压器(见图1，图2)，采用将交流电经桥式整流电路1和滤波电容C₁直接整流滤波变成直流电的方法。然后以50-100KHZ的频率进行脉宽调制变换一将直流电经高频功率VMOS晶体管(或其它高频功率开关器件)4变成高频脉冲，通过高频变压器5变送到副边。由于开关频率极高，变压器5采用高导磁材料做磁芯，所以变压器体积很小，转换效率很高。从变压器副边到火花间隙7，对粗加工(见图1)和对精加工(见图2)，构造有所不同。

在粗加工时加工回路的工作原理如下：

脉冲电压由高频变压器副边的正端经二极管D₁、电感L₁加到放电间隙7，与传感器6以及变压器副边的负端一起构成加工主回路。二级管D₂与D₁一起，保证在D₂两端得到的是单向脉冲电压。脉冲电压加到间隙7后，当间隙大小合适时，间隙中的工作液介质被击穿产生火花放电，间隙电压U₇由高电压降至20V左右，间隙中有加工电流流过。由于这一电流是高频(50～100KHZ)，使L₁有足够的感抗阻止高频电流的迅速变化，放电加工时电流以一定速率(由L₁的值及脉冲频率决定)上升(参见图3)，升至控制电路设定的值。当脉冲停歇时L₁中储存的能量经L₁、7、6和D₂构成二次泄放回路，维持电流i。这种电路的作用有两个，一是进一步增加节能效果，二是阻止放电电流的突然降低。6是检测放电电流大小的传感器，如霍尔效应式电流传感器。

系统采用稳流反馈的PWM方式工作。即：通过控制电路2中的PWM控制器，根据加工所需峰值电流来设定电流的给定值，经与电流传感器6反馈回来的电流值比较，调整高频脉冲的宽度大小，使放电电流维持在设定值的水平上，达到控制加工回中峰值电流的目的。同时6检测出来的电流信号还用于加工回路的过流保护，即当加工出现短路时，关闭大功率开关管4的输出。

实际加工时的脉冲宽度和脉冲间隔，由包络脉冲发生器3来产生，并以此来控制PWM控制器的工作和停歇，达到产生分组包络脉冲的效果，即实现包络脉冲控制的PWM技术。这样就可以有效地控制加工参数，满足不同工艺参数要求的加工需要，由图1可见整个回路中没有限流电阻的存在。当系统进行精加工或光整加工时，通过一个继电器将电路切换为精加工回路。

精加工时加工回路的原理如下(见图2)：

此时高频变压器的副边接成稳压电源的形式，即在粗加工回路中加入电容C₂，在C₂两端产生的是经PWM稳压的直流电压。此时放电回路主要由放电间隙7、限流电阻R₃和高速功率VMOS管8构成。由纳秒级精加工脉冲发生器9产生的50～10000纳秒的脉冲，经驱动电路控制功率管8，将加工电压加到放电间隙7上。如此高的频率，可以很好地满足精加工和光整加工的要求。这里虽然使用了限流电阻R₃，但因为精加工时电流很小，所以不会产生太大的能量浪费。精加工时主要以达到精加工规准的工艺指标为目的，采用这样的回路，可以很容易得到和控制微小的放电脉冲能量。这里也是采用PWM技术实现由交流到直流的变换，省去了工频变压器。

采用PWM和感抗阻流技术，可以去掉回路中的限流电阻和体积庞大的工频变压器以及功率开关元件，因此可以得到几个方面的综合节约：①可以节省40％～70％左右的电能消耗，减少发热；②节省铜材、钢材等降低原材料消耗；③去掉为数众多的功率晶体管、驱动电路和限流电阻等元器件，大大简化了线路；④可以大大减小电源体积，降低电源重量，便于整机小型化。因此从总体上说可以大大减少能耗、缩小尺寸、降低成本。

已经试制出了试验样机，采用TL494作为PWM脉冲宽度控制器，采用NE555作为包络脉冲发生器，纳秒级精加工脉冲由隧道二极管和晶振组成的高频振荡器整形后构成的脉冲发生器产生，功率晶体管采用VDMOSFET。大量的实际加工试验表明：这种新型电源达到或超过了预期设计目标，获得了较为理想的加工和节能效果。

Claims (2)

1、一种脉宽调制电火花加工脉冲电源，包括一个全波整流电路[1]，将工频交流电压u₁变换成直流电压u₁，一个脉冲宽度可调的脉冲调制电路[2]，将整流电路[1]输出的直流电压u₁调制成频率为50-100千赫兹且脉宽可调的脉冲电压，本发明特征在于包括一个包络脉冲发生器[3]，该脉冲发生器[3]产生一个脉宽为20-2000微秒的包络脉冲电压u₃，u₃做为调制信号耦合到[2]的调制极，使[2]输出一个其包括络按u₃变化的高频脉冲电压，该电压经开关动率放大器[4]进行功率放大后经高频脉冲变压器[5]变换成一个幅值为80-100伏的脉冲电压u₅，一个由二级管D₁、D₂和电感L₁组成的限流和续流电路，u₅经上述限流和续流电路加到加工间隙[7]形成放电回路，一个电流传感器[6]串接在放电回路中，由传感器[1]取出反映加工电流大小的电压信号反馈到脉宽调制电路[2]的控制级，作为脉宽调整的控制信号以达到稳定加工脉冲电流的目的。

2、根据权利要求1所述的脉冲电源，其特征在于当用于精加工时其功率变换电路的高频脉冲变压器[5]的副边接成稳压电路的形式，由L₂和C₂组成低通滤波器，由限流电阻R₂，脉冲功率放大器[8]和放电间隙[7]组成放电回路，一个纳秒级精加工脉冲发生器[9]产生一个周期为50-10000纳秒的脉冲电压，该电压耦合到功率放大器[8]的控制输入端，经功率晶体管产生微小能量精加工脉冲，由R₁和W₁组成的分压电路，由该电路取出的反馈电压耦合到脉宽调制电路[2]的控制极作为脉宽调整的控制信号。

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