CN104475886B - 一种斩波式节能型电加工脉冲电源 - Google Patents

一种斩波式节能型电加工脉冲电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种斩波式节能型电加工脉冲电源，包括第二可调直流电源、第一可调直流电源、主控单片机、稳流电路、第一功率开关管、第二功率开关管、第一高压隔离二极管、第二高压隔离二极管、脉冲变换及起弧驱动电路、脉冲变换及斩波驱动电路、电源调节控制电路。本发明不仅取消了耗能严重的限流电阻，提高脉冲电源的利用率，并且具备起弧容易，白适应调压及脉冲电流参数可调的性能，同时可以对脉冲电压、脉冲电流、脉冲宽度及脉冲间隔进行独立的调整。

Description

一种斩波式节能型电加工脉冲电源
技术领域
本发明涉及一种电源，具体涉及一种斩波式节能型电加工脉冲电源。
背景技术
其性能优劣对电火花加工的生产效率、产品加工质量、电极损耗有较大的影响，尤其和电能利用率有决定性的影响。
脉冲电源是电加工系统中的主要组成部分，有多种结构形式。例如，放电间隙和直流电源各自独立、互相隔离的独立式脉冲电源，以及在独立式脉冲电源的基础上派生出的高低压复合脉冲电源、多回路脉冲电源等不同类型脉冲电源。
最常用的串联限流电阻电火花加工脉冲电源的电能利用率小于25％，超过75％的电能则以热量的形式消耗在限流电阻上，不仅降低电能的利用率，同时也对脉冲电源的散热系统和电子元件的工作性能提出了较高的要求。主回路电感限流式的脉冲电源需要设计、使用电感元件或变压器线圈中的电感替代限流电阻进行限流和储能，虽然使脉冲电源的电能利用率得到较大的提高，但限制了脉冲参数的调节范围。也有PWM调压式节能电加工脉冲电源，其在高频PWM工作方式下，受制于功率开关元件的开关损耗很大，很难实现高频脉冲电加工。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种斩波式节能型电加工脉冲电源，该电源不仅取消了耗能严重的限流电阻，提高脉冲电源的利用率，并且具备起弧电压高、可调的特点，容易起弧，自适应调压及脉冲电流参数可调的性能，同时可以对脉冲电压、脉冲电流、脉冲宽度及脉冲间隔进行独立的调整。
为达到上述目的，本发明所述的斩波式节能型电加工脉冲电源斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，包括第二可调直流电源、第一可调直流电源、主控单片机、稳流电路、第一功率开关管、第二功率开关管、第一高压隔离二极管、第二高压隔离二极管、脉冲变换及起弧驱动电路、脉冲变换及斩波驱动电路、电源调节控制电路；
所述第二可调直流电源的负极与第一可调直流电源的正极相连接，第一可调直流电源的负极与待加工工件相连接，第二可调直流电源的正极经第一功率开关管与第一高压隔离二极管的正极相连接，第一可调直流电源的正极依次经稳流电路及第二功率开关管与第二高压隔离二极管的正极相连接，第一高压隔离二极管的负极与第二高压隔离二极管的负极相连接后与电极相连接；
主控单片机经通信接口与直流电源调节控制电路的输入端、脉冲变换及起弧驱动电路的输入端、脉冲变换及斩波驱动电路的输入端及稳流电路的输入端相连接，脉冲变换及起弧驱动电路的输出端与第一功率开关管的控制端相连接，脉冲变换及斩波驱动电路的输出端与第二功率开关管的控制端相连接，电源调节控制电路的输出端分别与第一可调直流电源的控制端及第二可调直流电源的控制端相连接。
所述第一可调直流电源的电流大小及电压大小分别为0-50A及0-60V。
所述第二可调直流电源的电流大小及电压大小分别为200-300V及0-5A。
通过脉冲变换及起弧驱动电路输出的PWM脉冲信号控制第一功率开关管输出的起弧电流脉冲，并在起弧电流产生后关断第一功率开关管；
通过脉冲变换及斩波驱动电路输出的PWM脉冲信号控制第二功率开关管输出的电流脉冲宽度，PWM脉冲信号的脉冲宽度最小为1μs。
所述稳流电路包括第三功率开关管，第三功率开关管与第二可调直流电源的正极及第二功率开关管相连接，第三功率开关管的控制端与主控单片机的输出端相连接。
还包括用于检测第二功率开关管输出电流的检测器，检测器由第一脉冲电流传感器及第二脉冲电流传感器组成，其中，第一脉冲电流传感器与第二功率开关管串联连接，第二脉冲电流传感器与第三功率开关管串联连接。
电极与待加工工件之间的脉冲电流间隙电压Vo≥VQ2+VQ4+VD2+V间隙，其中，VQ2为第二功率开关管的饱和电压降，VQ4为第三功率开关管的稳压电压降，VD2为第二高压隔离二极管的导通电压降，V间隙为放电间隙电弧电压降。
所述第二可调直流电源在每个脉冲周期的工作时间小于0.2μs。
所述第一功率开关管的电流容量及第一高压隔离二极管的电流容量均小于10A，耐压范围均大于等于600V；
所述第二功率开关管及第二高压隔离二极管的电流容量均大于100A，第二功率开关管的耐压范围大于等于150V，第二高压隔离二极管的耐压范围大于等于600V。
还包括用于检测电极与待加工工件之间的脉冲电流间隙电压Vo的检测电路。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的斩波式节能型电加工脉冲电源在使用时，通过电压调节电路来实现电压的调节，同时通过主控单片机和脉冲变换及起弧驱动电路实现第一功率开关管输出的脉冲宽度的调节，通过主控制单片机及脉冲变换及斩波驱动电路实现第二功率开关管输出的脉冲宽度的调节，同时通过稳流电路实现输出的电流的调节，另外，通过主控单片机来实现脉冲间隔的独立调整，操作简单，彻底取消了耗能严重的限流电阻，电能利用率能提高2倍左右。并且本发明的起弧回路中的第一功率开关管与第二功率开关管同步开通，第一功率开关管不参与主脉冲电流供电，故第一功率开关管只有很小的开通损耗和关断损耗，没有产生导通损耗。
进一步，第一功率开关管与第二功率开关管输出脉冲宽度取决于的PWM脉冲信号，在PWM脉冲信号驱动下第二功率开关管只起开关作用，大幅度降低了工作于斩波状态的第二功率开关管的工作电压，改善了第二功率开关管的工作条件。
另外，本发明取消了传统电火花加工脉冲电源所需的大功率工频变压器，同时降低了对直流电源的稳定时间的要求，有效地减少了脉冲电源的体积和重量，并且成本低；本发明彻底取消了大功率限流电阻，因此有效地减少了因电阻发热对脉冲电源中电子元件的影响作用，提高了脉冲电源的工作可靠性。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明中主控单片机的外部电路图；
其中，1为第一可调直流电源、2为第二可调直流电源、3为稳流电路、4为脉冲变换及起弧驱动电路、5为脉冲变换及斩波驱动电路、6为检测电路、7为电源调节控制电路、8为通信接口、9为主控单片机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的斩波式节能型电加工脉冲电源包括第一可调直流电源1、第二可调直流电源2、主控单片机、稳流电路3、第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第一高压隔离二极管D1、第二高压隔离二极管D2、脉冲变换及起弧驱动电路4、脉冲变换及斩波驱动电路5、电源调节控制电路7；所述第二可调直流电源2的负极与第一可调直流电源1的正极相连接，第一可调直流电源1的负极与待加工工件相连接，第二可调直流电源2的正极经第一功率开关管Q1与第一高压隔离二极管D1的正极相连接，第一可调直流电源1的正极依次经稳流电路3及第二功率开关管Q2与第二高压隔离二极管D2的正极相连接，第一高压隔离二极管D1的负极与第二高压隔离二极管D2的负极相连接后与电极相连接，电极位于待加工工件的正上方；主控单片机的输出端与电源调节控制电路8的输入端、脉冲变换及起弧驱动电路4的输入端、脉冲变换及斩波驱动电路5的输入端及稳流电路3的控制端相连接，脉冲变换及起弧驱动电路4的输出端与第一功率开关管Q1的控制端相连接，脉冲变换及斩波驱动电路5的输出端与第二功率开关管Q2的控制端相连接，电源调节控制电路7的输出端分别与第一可调直流电源1的控制端及第二可调直流电源2的控制端相连接；第一可调直流电源1的电流大小及电压大小分别为0-50A及0-60V；第二可调直流电源2的电流大小及电压大小分别为200-300V及0-5A；通过脉冲变换及斩波驱动电路5输出的PWM脉冲信号控制第二功率开关管Q2输出的电流脉冲宽度，其中，第二功率开关管Q2输出的电流脉冲最小宽度达1μs；稳流电路3包括第三功率开关管Q3，第三功率开关管Q3与第二可调直流电源2的正极及第二功率开关管Q2相连接，第三功率开关管Q3的控制端与主控单片机的输出端相连接。
本发明还包括用于检测第二功率开关管Q2输出电流的检测器，检测器由第一脉冲电流传感器及第二脉冲电流传感器组成，其中，第一脉冲电流传感器与第二功率开关管Q2串联连接，第二脉冲电流传感器与第三功率开关管Q3串联连接；电极与待加工工件之间的脉冲电流间隙电压Vo≥VQ2+VQ4+VD2+V间隙，其中，VQ2为第二功率开关管Q2的饱和电压降，VQ4为第三功率开关管Q3的稳压电压降，VD2为第二高压隔离二极管D2的导通电压降，V间隙为放电间隙电弧电压降；第二可调直流电源2的工作时间小于0.2μs；第一功率开关管Q1的电流容量及第一高压隔离二极管D1的电流容量均小于10A，耐压范围均大于等于600V；所述第二功率开关管Q2及第二高压隔离二极管D2的电流容量均大于100A，第二功率开关管Q2的耐压范围大于等于150V，第二高压隔离二极管D2的耐压范围大于等于600V，本发明还包括用于检测电极与待加工工件之间的脉冲电流间隙电压Vo的检测电路6。
如果需要较大输出电流，首先要提高直流电源1的输出功率；其次，限于目前功率开关元件的技术水平，可以并联多个稳流电路3，以加大稳定电流的输出，而第二功率开关Q2也可用多只功率管并联来加大控制电流。
本发明的原理：
主控单片机产生PWM脉冲信号，并通过通信接口8将所述PWM脉冲信号转发至脉冲变换及起弧驱动电路4及脉冲变换及斩波驱动电路5中，脉冲变换及起弧驱动电路4及脉冲变换及斩波驱动电路5根据所述PWM脉冲信号控制第一功率开关管Q1及第二功率开关管Q2开始工作，使第一可调直流电源1及第二可调直流电源2与电极接通，电极输出幅值为第一可调直流电源1和第二可调直流电源2输出电压之和的高电压，进而电极发出的高电压使电极与工件之间的间隙被击穿，从而形成放电间隙，起弧成功后放电间隙压降降低、电流增大，与第一功率开关管Q1同步开通的第二功率开关管Q2自动接续电流维持放电，随着放电电流的增大，当第一功率开关管Q1流过电流达到预设的起弧电流时，脉冲变换及起弧驱动电路4产生关断第一功率开关管Q1的信号使第一功率开关管Q1关断，到这时，间隙放电电流完全由第二功率开关管Q2提供，直到放电周期结束，第二功率开关管在PWM信号驱动下Q2也被关断。到下一放电周期信号到来，重复上述过程，即Q1Q2开通—＞起弧—＞关断第一功率开关管Q1—＞第二功率开关管Q2放电—＞关断第二功率开关管Q2的循环工作过程，如此循环往复地进行下去，第三功率开关管Q3负责放电电流的稳定输出，第一功率开关管Q1负责起弧，第二功率开关管Q2负责电流脉冲输出的通断(斩波)控制，便实现了每一放电脉冲的自动恒流斩波输出。随着起弧电流的形成，间隙电压产生大幅度下降，当间隙电压降至设定电压时，第二功率开关管Q2开始导通续流，间隙电流进一步增加；当流过Q1的起弧电流达到设定值时，驱动电路发出关断Q1控制信号，这个过程中，第二功率开关管Q2维持续流，流过Q2的电流持续增加，直至达到额定放电电流，稳流电路3稳定电流在设定数值，直至PWM信号关断放电为止。第一功率开关管Q1及第二功率开关管Q2采用高开关频率的MOSFET或IGBT等功率元件构成。第一高压隔离二极管D1、第二高压隔离二极管D2要求耐压击穿大于600V为宜，恢复时间越短越好。
设定本发明中待加工工件与电极之间的脉冲电流间隙电压Vo≥VQ2+VQ3+VD2+V间隙，其中，vQ2为第二功率开关管Q2的饱和电压降，vQ3为第三功率开关管Q3的稳压电压降，VD2为第二高压隔离二极管D2的导通电压降，V间隙为放电间隙电弧电压降。由于本发明在工作时，第二可调直流电源2仅起引燃电弧的作用，实测其工作时间小于0.2μs，放电脉冲的电流主要由第二可调直流电源2提供，大部分脉冲电流损失主要在第三功率开关管Q3上产生，正常放电时，当vQ3＝1.75-3V时整个装置主回路的功率损失最小。
另外，一般开关型直流电源稳定时间小于20ms，极限情况下在第三功率开关管Q3上的功率损失为：(60V-第一可调直流电源1调整后输出电压)×25A×20ms＝15W/s；正常稳流时第三功率开关管Q3上的最大功率损失为75W/s，可见，本发明的功率损失接近于功率开关管的饱和导通损失，实现了节能放电。
整个装置中，通过主控单片机才能产生PWM脉冲信号，最高频率达到500kHz，脉冲宽度最小为1μs；PWM脉冲信号经通信接口8分配脉冲变换及起弧驱动电路4及脉冲变换及斩波驱动电路5中；脉冲变换及起弧驱动电路4设有起弧电路监测电路，在PWM脉冲信号正半周(开通期间)检测到起弧电流后关断第一功率开关管Q1，脉冲电流由第二功率开关管Q2接续提供；在PWM脉冲信号的正半周，随着起弧电流产生(起弧成功)，放电间隙电压急速下降，电流快速上升，伴随着第一功率开关管Q1的关断，第二功率开关管Q2完成放电脉冲电流的接续，直到PWM脉冲信号的负半周结束，放电电流的大小由主控单片机经隔离芯片Si84xx发送给稳流电路3，稳流电路3根据指令调节设置稳流值的大小；主控单片机经通信接口8将调节数据发送到电源调节控制电路7，进而通过电源调节控制电路7调节第一可调直流电源1和第二可调直流电源2输出电压。

Claims (8)

1.一种斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，包括第二可调直流电源(2)、第一可调直流电源(1)、主控单片机、稳流电路(3)、第一功率开关管(Q1)、第二功率开关管(Q2)、第一高压隔离二极管(D1)、第二高压隔离二极管(D2)、脉冲变换及起弧驱动电路(4)、脉冲变换及斩波驱动电路(5)及电源调节控制电路(7)；
所述第二可调直流电源(2)的负极与第一可调直流电源(1)的正极相连接，第一可调直流电源(1)的负极与待加工工件相连接，第二可调直流电源(2)的正极经第一功率开关管(Q1)与第一高压隔离二极管(D1)的正极相连接，第一可调直流电源(1)的正极依次经稳流电路(3)及第二功率开关管(Q2)与第二高压隔离二极管(D2)的正极相连接，第一高压隔离二极管(D1)的负极与第二高压隔离二极管(D2)的负极相连接后与电极相连接；
主控单片机经通信接口(8)与直流电源调节控制电路(7)的输入端、脉冲变换及起弧驱动电路(4)的输入端、脉冲变换及斩波驱动电路(5)的输入端及稳流电路(3)的输入端相连接，脉冲变换及起弧驱动电路(4)的输出端与第一功率开关管(Q1)的控制端相连接，脉冲变换及斩波驱动电路(5)的输出端与第二功率开关管(Q2)的控制端相连接，电源调节控制电路(7)的输出端分别与第一可调直流电源(1)的控制端及第二可调直流电源(2)的控制端相连接；
所述稳流电路(3)包括第三功率开关管(Q3)，第三功率开关管(Q3)与第二可调直流电源(2)的正极及第二功率开关管(Q2)相连接，第三功率开关管(Q3)的控制端与主控单片机的输出端相连接；
所述第一可调直流电源(1)的电流大小及电压大小分别为0-50A及0-60V。
2.根据权利要求1所述的斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，所述第二可调直流电源(2)的电流大小及电压大小分别为200-300V及0-5A。
3.根据权利要求1所述的斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，
通过脉冲变换及起弧驱动电路(4)输出的PWM脉冲信号控制第一功率开关管(Q1)输出的起弧电流脉冲，并在起弧电流产生后关断第一功率开关管(Q1)；
通过脉冲变换及斩波驱动电路(5)输出的PWM脉冲信号控制第二功率开关管(Q2)输出的电流脉冲宽度，其中，第二功率开关管(Q2)输出的电流脉冲宽度最小为1μs。
4.根据权利要求3所述的斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，还包括用于检测第二功率开关管(Q2)输出电流的检测器，检测器由第一脉冲电流传感器及第二脉冲电流传感器组成，其中，第一脉冲电流传感器与第二功率开关管(Q2)串联连接，第二脉冲电流传感器与第三功率开关管(Q3)串联连接。
5.根据权利要求1所述的斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，电极与待加工工件之间的脉冲电流间隙电压Vo≥VQ2+VQ4+VD2+V间隙，其中，VQ2为第二功率开关管(Q2)的饱和电压降，VQ4为第三功率开关管(Q3)的稳压电压降，VD2为第二高压隔离二极管(D2)的导通电压降，V间隙为放电间隙电弧电压降。
6.根据权利要求1所述的斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，所述第二可调直流电源(2)在每个脉冲周期的工作时间小于0.2μs。
7.根据权利要求1所述的斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，
所述第一功率开关管(Q1)的电流容量及第一高压隔离二极管(D1)的电流容量均小于10A，耐压范围均大于等于600V；
所述第二功率开关管(Q2)及第二高压隔离二极管(D2)的电流容量均大于100A，第二功率开关管(Q2)的耐压范围大于等于150V，第二高压隔离二极管(D2)的耐压范围大于等于600V。
8.根据权利要求1所述的斩波式节能型电加工脉冲电源，其特征在于，还包括用于检测电极与待加工工件之间的脉冲电流间隙电压Vo的检测电路(7)。
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