CN106964853B - 一种用于放电加工的复合脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电路结构科学合理，控制方案简便易行的用于放电加工的复合脉冲电源。本发明的技术方案：工频交流电源经二极管整流模块、功率因素校正模块变换后得到初级高压直流电源，初级高压直流电源经第一隔离DC/DC降压器转换得到第一次级直流电源，初级高压直流电源经第二隔离DC/DC降压器转换得到第二次级直流电源；第一次级直流电源经第一电压源逆变器变换输出基波脉冲，第二次级直流电源经第二电压源逆变器变换输出放电脉冲，放电脉冲经直流隔离电容一输入至高频脉冲变压器一次绕组，高频脉冲变压器二次绕组与基波脉冲串联后经短路限流电阻与工具电极、工件电极相连，构成放电回路。
Description
技术领域
本发明属于电气加工技术领域，具体是一种用于放电加工的复合脉冲电源。
背景技术
放电加工包括电火花线切割、电火花蚀除成形等。放电加工的工艺参数主要通过电极伺服机构和脉冲电源来调控，其中脉冲电源作为“瞬时电弧”的主要控制手段，对工具电极-工件电极击穿过程、脉冲能量及放电电流的控制性能直接影响加工精度、表面质量及加工效率。传统的放电加工脉冲电源普遍采用多路开关并联结构，各路开关电路中有独立的电力电子开关和限流电阻，加工程序根据不同放电参数选择不同通道组合、放电时间及放电间隔，从而实现对脉冲电压和放电电流的控制。受限于直流斩波与电阻限流的基本原理，此类脉冲电源存在四方面不足：其一，单极性脉冲电压对工件具有显著的直流电解效应，会在工件表面形成腐蚀变质层，并且工具电极损耗大；其二，单次放电时间内电力电子开关维持导通，放电脉冲能量大，会生成较大爆炸坑，导致工件表面粗糙度高；其三，放电间隔期间，放电回路分布电感的储能以无源方式进行续流、击穿路径的去电离过程慢，影响放电脉冲频率的提升；其四，限流电阻产生大量能耗，脉冲电源整体效率低。
为了抑制直流电解效应，降低电极损耗速度，公开号为CN102114559B的中国专利中公开了一种交变极性脉冲电源，用两个独立脉冲电路反并联在工具电极与工件电极间，两个脉冲电路交替工作实现双极性脉冲放电加工；为了加速放电电流关断过程，公开号为CN202824897U的中国专利公开了一种改进型电加工机床脉冲电源，采用有源续流电路将放电回路分布电感储能回馈至直流电源；公开号为CN101003101A的中国专利中公开一种采用受控续流开关快速消除脉冲间隙直流电压的微细电解加工脉冲电源；为了压缩脉冲宽度，公开号为CN103433577A的中国专利公开一种应用于电火花放电加工的脉冲电源，用两个串联开关控制信号的相位偏移发出极窄脉冲；为了提高能效，公开号为CN104475886A的中国专利公开了一种斩波式节能型电加工脉冲电源，采用双电压电源和高压起弧、低压斩波恒流原理取消了放电回路限流电阻；公开号为CN104646775A的中国专利中公开了一种采用同步整流、谐振软开关技术的节能型电火花加工脉冲电源。但上述方案主要还是关于脉冲电源局部性能的改进，在放电加工领域目前还缺少一种针对放电加工工艺特点、充分考虑传统脉冲电源不足，能满足精密与超精密放电加工需求的脉冲电源方案。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种电路结构科学合理，控制方案简便易行的用于放电加工的复合脉冲电源。
本发明的技术方案如下：一种用于放电加工的复合脉冲电源，其特征在于：工频交流电源经二极管整流模块、功率因素校正模块变换后得到初级高压直流电源，初级高压直流电源经第一隔离DC/DC降压器转换得到第一次级直流电源，初级高压直流电源经第二隔离DC/DC降压器转换得到第二次级直流电源；第一次级直流电源经第一电压源逆变器变换输出基波脉冲，第二次级直流电源经第二电压源逆变器变换输出放电脉冲，放电脉冲经直流隔离电容一输入至高频脉冲变压器一次绕组，高频脉冲变压器二次绕组与基波脉冲串联后经短路限流电阻与工具电极、工件电极相连，构成放电回路；工具电极、工件电极上并联脉冲电压传感器，短路限流电阻上并联电流传感电路，脉冲电源控制器的第一路控制信号、第二路控制信号分别与第一隔离DC/DC降压器、第二隔离DC/DC降压器相连，以调控第一次级直流电源、第二次级直流电源的电压；第三路控制信号至第六路控制信号与第一电压源逆变器中逆变桥的电力电子开关连接，第七路控制信号至第十路控制信号与第二电压源逆变器中逆变桥的电力电子开关连接，以控制基波脉冲和放电脉冲正负半波的脉宽；脉冲电源控制器的第一路输入信号与放电加工控制器连接，以接收放电参数设置数据，第二路输入信号、第三路输入信号分别与脉冲电压传感器和电流传感电路相连，以检测工具电极与工件电极间的脉冲电压及放电电流的实际值。
在所述的一种用于放电加工的复合脉冲电源中，所述的第一隔离DC/DC降压器中设有采用MOSFET开关模块一、MOSFET开关模块二、MOSFET开关模块三、MOSFET开关模块四构成的全桥逆变电路，初级高压直流电源通过该全桥逆变电路转换为高频交流方波，并通过直流隔离电容二输入至高频隔离变压器的一次绕组，高频隔离变压器的二次绕组通过MOSFET开关模块五、MOSFET开关模块六构成的同步整流电路、LC滤波电路得到第一次级直流电源；
在所述的一种用于放电加工的复合脉冲电源中，所述的第一隔离DC/DC降压器中设有DC/DC降压控制器，DC/DC降压控制器与脉冲电源控制器的第一路控制信号相连，得到第一次级直流电源的调压指令；DC/DC降压控制器与线性光耦电路相连得到第一次级直流电源7的实测信号；DC/DC降压控制器与MOSFET开关模块一、MOSFET开关模块二、MOSFET开关模块三、MOSFET开关模块四的门极相连控制全桥逆变电路的工作；DC/DC降压控制器以第一路控制信号为参考信号，以实测信号为反馈信号构建负反馈闭环控制环路，进而输出占空比可调PWM开关信号至MOSFET开关模块一、MOSFET开关模块二、MOSFET开关模块三、MOSFET开关模块四，实现对第一次级直流电源输出电压的调节。
在所述的一种用于放电加工的复合脉冲电源中，所述的第一电压源逆变器采用MOSFET开关模块七、MOSFET开关模块八、MOSFET开关模块九、MOSFET开关模块十构成的全桥逆变电路，第一次级直流电源通过第一电压源逆变器转换为基波脉冲；所述的第二电压源逆变器采用MOSFET开关模块十一、MOSFET开关模块十二、MOSFET开关模块十三、MOSFET开关模块十四构成的全桥逆变电路，第二次级直流电源通过第二电压源逆变器转换为放电脉冲。
开始放电加工时，放电加工控制器先将放电参数设置数据发送至脉冲电源控制器；脉冲电源控制器从放电参数设置数据中提取基波脉冲与放电脉冲的幅值数据，通过第一路控制信号、第二路控制信号发送至第一和第二隔离DC/DC降压器，得到相应输出电压的第一和第二次级直流电源；而后脉冲电源控制器从放电参数设置数据中提取放电时间和放电间隔数据，并通过第三路控制信号至六路控制信号发送至第一电压源逆变器，输出相应正负半波宽度的基波脉冲；脉冲电源控制器从放电参数设置数据中提取放电脉冲数据，并通过第七路控制信号至十路控制信号发送至第二电压源逆变器，输出相应脉宽与排列紧密程度的放电脉冲；最后，放电脉冲通过直流隔离电容一和高频脉冲变压器耦合后与基波脉冲串联叠加，得到本发明复合脉冲电源的总输出，并通过短路限流电阻施加到工具电极和工件电极上。放电加工期间，工具电极和工件电极间的实际脉冲电压和放电电流通过脉冲电压传感器和电流传感电路实时反馈至脉冲电源控制器，作为调控放电电流、判断电极开路与短路故障的依据。
本发明第一电压源逆变器输出的基波脉冲，其单周期包括持续时间等于放电时间的正半波以及持续时间等于放电间隔的负半波；基波脉冲的正负半波幅值均为第一次级直流电源的电压值，并可通过第一隔离DC/DC降压器进行灵活调节；本发明基波脉冲正负半波的幅值低于工具电极和工件电极之间放电通道的击穿电压；基波脉冲的功能是：第一，检测放电通道是否处于短路状态，为第二电压源逆变器发出放电脉冲提供使能条件；第二，放电间隔的负半波加速释放放电回路分布电感的储能、加速击穿路径去电离化过程，抑制工具电极损耗和直流电解效应；第三，通过与放电脉冲串联叠加降低第二电压源逆变器工作电压及开关损耗，提升放电脉冲频率及能量控制精度。
本发明第二电压源逆变器输出的放电脉冲，其频率远大于基波脉冲并仅出现在基波脉冲正半波期间，放电脉冲通过高频脉冲变压器隔离后与基波脉冲串联叠加；放电脉冲的正负半波幅值均为第二次级直流电源的电压值，并可通过第二隔离DC/DC降压器进行灵活调节；每个基波脉冲正半波所对应的放电脉冲数量由平均放电电流确定，但任意两个相邻脉冲的间隔时间按伪随机数规律生成，放电脉冲占空比恒定为50％；放电脉冲串随机分布规律可避免放电加工表面形成规则性纹理、改善表面质量。
本发明第二电压源逆变器输出的放电脉冲，其幅值、脉宽及脉冲串密度由放电参数设置数据中的加工速度和加工精度共同确定，加工速度设置越大，放电脉冲的幅值和脉宽越大、脉冲串排列越紧密，所形成的表面质量越差；加工速度设置越小，放电脉冲的幅值和脉宽越小、脉冲串排列越稀疏，所形成的表面质量越高；本发明的放电脉冲通过高频脉冲变压器作用于工具电极和工件电极间，高频变压器不仅有电气隔离作用，也限制了每个放电脉冲的最大能量，在工具电极和工件电极短路时可限制短路电流峰值、防止工具电极和工件严重损伤等情况的发生。
本发明复合脉冲电源采用两个隔离DC/DC降压器和两个电压源逆变器，分别生成基波脉冲和放电脉冲，并用高频脉冲变压器将放电脉冲串联叠加至基波脉冲，而后用于放电加工；基波脉冲主要用于确定放电时间和放电间隔以及检测电极短路状态，放电脉冲则用于确定脉冲能量和平均放电电流；本发明复合脉冲电源的平均放电电流通过改变放电脉冲幅值、脉宽及脉冲串排列紧密程度来调节，不依赖于多路开关、限流电阻并联组合的传统方式，放电回路仅保留短路限流电阻，脉冲电源工作效率高。
附图说明
图1为本发明实施例的主电路结构图。
图2为本发明实施例的控制信号连接图。
图3为本发明实施例的第一隔离DC/DC降压器电路图。
图4为本发明实施例的第一/第二电压源逆变器电路图。
图5为本发明实施例高速加工时输出的典型脉冲电压波形。
图6为本发明实施例精密加工时输出的典型脉冲电压波形。
在附图1～6中，1表示工频交流电源；2表示二极管整流模块；3表示功率因素校正模块；4表示初级高压直流电源；5表示第一隔离DC/DC降压器；6表示第二隔离DC/DC降压器；7表示第一次级直流电源；8第二次级直流电源；9表示第一电压源逆变器；10表示第二电压源逆变器；11表示基波脉冲；12表示放电脉冲；13表示直流隔离电容一；14表示高频脉冲变压器；15表示短路限流电阻；16表示工具电极；17表示工件电极；18表示脉冲电压传感器；19表示电流传感电路；20表示实测信号；21表示放电加工控制器；22表示脉冲电源控制器；23表示电压反馈信号；24表示电流反馈信号；25表示电压波形一；26表示电压波形二；27表示MOSFET开关模块七；28表示MOSFET开关模块八；29表示MOSFET开关模块九；30表示MOSFET开关模块十；31表示第一路控制信号；32表示第二路控制信号；33表示第三路控制信号；34表示第四路控制信号；35表示第五路控制信号；36表示第六路控制信号；37表示第七路控制信号；38表示第八路控制信号；39表示第九路控制信号；40表示第十路控制信号；41表示MOSFET开关模块一；42表示MOSFET开关模块二；43表示MOSFET开关模块三；44表示MOSFET开关模块四；45表示直流隔离电容二；46表示高频隔离变压器；47表示MOSFET开关模块五；48表示MOSFET开关模块六；49表示LC滤波电路；50表示DC/DC降压控制器；51表示线性光耦电路；52表示MOSFET开关模块十一；53表示MOSFET开关模块十二；54表示MOSFET开关模块十三；55表示MOSFET开关模块十四。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细描述。
如图1～6所示，一种用于放电加工的复合脉冲电源，其特征在于：
图1中，工频交流电源1连接至二极管整流模块2的交流输入，二极管整流模块2的直流输出连接至功率因素校正模块3的输入，功率因素校正模块3的输出为初级高压直流电源4；
初级高压直流电源4连接至第一隔离DC/DC降压器5和第二隔离DC/DC降压器6，第一隔离DC/DC降压器5的输出为第一次级直流电源7，第二隔离DC/DC降压器6的输出为第二次级直流电源8；
第一次级直流电源7连接至第一电压源逆变器9的直流输入，第二次级直流电源8连接至第二电压源逆变器10的直流输入，第一电压源逆变器9的交流输出为基波脉冲11，第二电压源逆变器10的交流输出为放电脉冲12；
放电脉冲12通过直流隔离电容一13连接至高频脉冲变压器14的一次绕组，高频变压器14的二次绕组与基波脉冲11串联连接，并通过短路限流电阻15后负极接至工件电极17、正极接至工具电极16；
工具电极16和工件电极17上并联脉冲电压传感器18，短路限流电阻15上并联电流传感电路19。
图2中，放电加工控制器21连接至脉冲电源控制器22，脉冲电源控制器22输出的第一路控制信号31连接至第一隔离DC/DC降压器5，第二路控制信号32连接至第二隔离DC/DC降压器6，第三路控制信号33、第四路控制信号34、第五路控制信号35、第六路控制信号36均连接至第一电压源逆变器9，第七路控制信号37、第八路控制信号38、第九路控制信号39、第十路控制信号40连接至第二电压源逆变器10；
脉冲电压传感器18输出的电压反馈信号23连接至脉冲电源控制器22，电流传感电路19输出的电流反馈信号24连接至脉冲电源控制器22；
第一隔离DC/DC降压器5与第二隔离DC/DC降压器6结构相同，以第一隔离DC/DC降压器5为例说明其电路结构；
图3中，初级高压直流电源4通过MOSFET开关模块一41、MOSFET开关模块二42、MOSFET开关模块三43、MOSFET开关模块四44构成的全桥逆变电路转换高频交流方波，并通过直流隔离电容二45输入至高频隔离变压器46的一次绕组，高频隔离变压器46的二次绕组通过MOSFET开关模块五47、MOSFET开关模块六48构成的同步整流电路、LC滤波电路49得到第一次级直流电源7；
DC/DC降压控制器50与脉冲电源控制器22的第一路控制信号31相连，得到第一次级直流电源7的调压指令；DC/DC降压控制器50与线性光耦电路51相连得到第一次级直流电源7的实测信号20；DC/DC降压控制器50与MOSFET开关模块一41、MOSFET开关模块二42、MOSFET开关模块三43、MOSFET开关模块四44的门极相连控制全桥逆变电路的工作；
DC/DC降压控制器50以第一路控制信号31为参考信号，以实测信号20为反馈信号构建负反馈闭环控制环路，进而输出占空比可调PWM开关信号至MOSFET开关模块一41、MOSFET开关模块二42、MOSFET开关模块三43、MOSFET开关模块四44，实现对第一次级直流电源7输出电压的调节；
图4中，第一次级直流电源7通过第一电压源逆变器9中MOSFET开关模块七27、MOSFET开关模块八28、MOSFET开关模块九29、MOSFET开关模块十30构成的全桥逆变电路转换为基波脉冲11，第二次级直流电源8通过第二电压源逆变器10中MOSFET开关模块十一52、MOSFET开关模块十二53、MOSFET开关模块十三54、MOSFET开关模块十四55构成的全桥逆变电路转换为放电脉冲12；
脉冲电源控制器22输出的第三路控制信号33、第四路控制信号34、第五路控制信号35、第六路控制信号36依次分别连接至MOSFET开关模块七27、MOSFET开关模块八28、MOSFET开关模块九29、MOSFET开关模块十30的门极，第七路控制信号37、第八路控制信号38、第九路控制信号39、第十路控制信号40依次分别连接至MOSFET开关模块十一52、MOSFET开关模块十二53、MOSFET开关模块十三54、MOSFET开关模块十四55的门极；
脉冲电源控制器22从放电加工控制器21接收放电参数设置数据，并根据放电参数设置数据确定每个放电周期基波脉冲11的正负半波宽度、以及放电脉冲的脉宽和脉冲串数量，并输出第三路控制信号33、第四路控制信号34、第五路控制信号35、第六路控制信号36至第一电压源逆变器9，输出第七路控制信号37、第八路控制信号38、第九路控制信号39、第十路控制信号40至第二电压源逆变器10，以输出相应的基波脉冲11和放电脉冲12；同时脉冲电源控制器22发出第一路控制信号31至第一隔离DC/DC降压器5、第二路控制信号32至第二隔离DC/DC降压器6，以调节基波脉冲11和放电脉冲12的幅值；
图5中，本发明复合脉冲电源为高速加工模式时，基波脉冲11的正半波宽度大，负半波宽度小；基波脉冲11正半波期间，放电脉冲12的幅值大、宽度大，脉冲串密集；基波脉冲11和放电脉冲12串联叠加后的电压波形一25是本发明复合脉冲电源高速加工模式下的典型输出形态。
图6中，本发明复合脉冲电源为精密加工模式时，基波脉冲11的正半波宽度小，负半波宽度大；基波脉冲11正半波期间，放电脉冲12的幅值小、宽度窄，脉冲串稀疏；基波脉冲11和放电脉冲12串联叠加后的电压波形二26是本发明复合脉冲电源精密加工模式下的典型输出形态。
本发明采用第一电压源逆变器和第二电压源逆变器分别发出基波脉冲与放电脉冲，通过高频脉冲变压器将放电脉冲串联叠加至基波脉冲，所得到总脉冲电压用于放电加工；本发明第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的额定工作电压约为总脉冲电压的50％，这使得低压、高性能MOSFET开关模块可用于第一/二电压源逆变器中的全桥逆变电路，能大幅提升脉冲电源的高频性能和脉冲能量控制精度。
本发明的基波脉冲为双极型波形，基波脉冲在放电期间为正半波、在放电间隔为负半波；基波脉冲负半波用于检测工具电极和工件电极短路状态、加速之前放电周期击穿路径的去电离化过程；本发明的放电脉冲是占空比为50％、无直流偏置的高频交流脉冲，且仅在基波脉冲正半波期间输出并与之串联叠加；放电加工期间施加到工具电极和工件电极之间的脉冲电压，其直流偏置等于基波脉冲正半波幅值、峰峰值为两倍放电脉冲幅值。
本发明的第二电压源逆变器在单次放电时间内发出多个放电脉冲，并根据放电参数设置数据调节放电脉冲宽度及脉冲串数量，通过第二隔离DC/DC降压器调节放电脉冲幅值，以实现对单脉冲能量和平均放电电流的有效调节；本发明的复合脉冲电源处于高速加工模式时，第二电压源逆变器输出幅值大、宽度大、排列紧密的放电脉冲串；本发明的复合脉冲电源处于精密加工模式时，第二电压源逆变器输出幅值小、宽度小、排列稀疏的放电脉冲串；工具电极与工件电极短路时，短路电流峰值受短路限流电阻和高频脉冲变压器额定容量的双重限制，安全性能好。
与本实施例相似，当第一电压源逆变器在放电时间输出基波脉冲负半波、在放电间隔输出基波脉冲正半波，并且第二电压源逆变器在放电时间输出放电脉冲与基波脉冲负半波串联叠加，则本发明的复合脉冲电源亦可进行放电加工类型中的负极性加工；负极性加工方式一般适用于加工余量较小的场合。
Claims (4)
1.一种用于放电加工的复合脉冲电源，其特征在于：工频交流电源经二极管整流模块、功率因素校正模块变换后得到初级高压直流电源，初级高压直流电源经第一隔离DC/DC降压器转换得到第一次级直流电源，初级高压直流电源经第二隔离DC/DC降压器转换得到第二次级直流电源；第一次级直流电源经第一电压源逆变器变换输出基波脉冲，第二次级直流电源经第二电压源逆变器变换输出放电脉冲，放电脉冲经直流隔离电容一输入至高频脉冲变压器一次绕组，高频脉冲变压器二次绕组与基波脉冲串联后经短路限流电阻与工具电极、工件电极相连构成放电回路；工具电极、工件电极上并联脉冲电压传感器，短路限流电阻上并联电流传感电路，脉冲电源控制器的第一路控制信号、第二路控制信号分别与第一隔离DC/DC降压器、第二隔离DC/DC降压器相连，以调控第一次级直流电源、第二次级直流电源的电压；第三路控制信号至第六路控制信号与第一电压源逆变器中逆变桥的电力电子开关连接，第七路控制信号至第十路控制信号与第二电压源逆变器中逆变桥的电力电子开关连接，以控制基波脉冲和放电脉冲正负半波的脉宽；脉冲电源控制器的第一路输入信号与放电加工控制器连接，以接收放电参数设置数据，第二路输入信号、第三路输入信号分别与脉冲电压传感器和电流传感电路相连，以检测工具电极与工件电极间的脉冲电压及放电电流的实际值。
2.根据权利要求1所述的一种用于放电加工的复合脉冲电源，其特征在于所述的第一隔离DC/DC降压器中设有采用MOSFET开关模块一、MOSFET开关模块二、MOSFET开关模块三、MOSFET开关模块四构成的全桥逆变电路，初级高压直流电源通过该全桥逆变电路转换为高频交流方波，并通过直流隔离电容二输入至高频隔离变压器的一次绕组，高频隔离变压器的二次绕组通过MOSFET开关模块五、MOSFET开关模块六构成的同步整流电路、LC滤波电路得到第一次级直流电源。
3.根据权利要求2所述的一种用于放电加工的复合脉冲电源，其特征在于所述的第一隔离DC/DC降压器中设有DC/DC降压控制器，DC/DC降压控制器与脉冲电源控制器的第一路控制信号相连，得到第一次级直流电源的调压指令；DC/DC降压控制器与线性光耦电路相连得到第一次级直流电源的实测信号；DC/DC降压控制器与MOSFET开关模块一、MOSFET开关模块二、MOSFET开关模块三、MOSFET开关模块四的门极相连控制全桥逆变电路的工作；DC/DC降压控制器以第一路控制信号为参考信号，以实测信号为反馈信号构建负反馈闭环控制环路，进而输出占空比可调PWM开关信号至MOSFET开关模块一、MOSFET开关模块二、MOSFET开关模块三、MOSFET开关模块四，实现对第一次级直流电源输出电压的调节。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于放电加工的复合脉冲电源，其特征在于所述的第一电压源逆变器采用MOSFET开关模块七、MOSFET开关模块八、MOSFET开关模块九、MOSFET开关模块十构成的全桥逆变电路，第一次级直流电源通过第一电压源逆变器转换为基波脉冲；所述的第二电压源逆变器采用MOSFET开关模块十一、MOSFET开关模块十二、MOSFET开关模块十三、MOSFET开关模块十四构成的全桥逆变电路，第二次级直流电源通过第二电压源逆变器转换为放电脉冲。
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