CN1092345A - 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PWM技术，去掉了 电火花脉冲电源中传统的工频变压器，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 式的主回路。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

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。但正是由于这一电阻的存在，使得系统多消耗许多电能，因为当主回路流过的电流为i时，一般放电时间隙维持电压为20V左右，消耗在放电间隙用于加工的能量为：

P_GAP＝20·i（W）

而消耗在电阻上的能量为：

P_R＝（U-20）·i（W）

因为U＝（80～100V）所以

P_R＝（60～80）·i（W）

消耗的总能量

P＝（80～100）·i（W）

由此可见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u;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工脉冲电流的目的。

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式，由L₂和C₂组成低通滤波器，由限流电阻R₂，功率放大器和放电间隙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，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。

本发明省去了工频变压器，采用将交流电直接整流滤波变成直流。然后以50-100KHZ的频率进行脉宽调制变换。电能经高频功率VMOS晶体管（或其他高频功率开关器件）将直流变换成高频脉冲通过高频变压器变送到副边，由于频率极高，且采用高导磁材料做磁芯，所以变压器的体积很小，转换效率很高。在粗中加工时，系统采用稳流反馈方式进行电流反馈。在这种方式下系统的工作原理如下所述，脉冲电压由脉冲变压器副边的正端经二极管D₁、电感L₁和放电间隙7、传感器6和高频变压器副边形成加工主回路，脉冲电压加到间隙后，当间隙大小合适时，间隙中的工作液介质被击穿产生放电，间隙电压u₇由高电压降至20V左右，间隙中有电流流过，由于这一电流是高频（50K～100KH₂），L₁使有足够的感抗阻止高频电流的迅速变化，当变压器有脉冲传来时电流缓慢上升，电流经D₁、L₁及放电间隙7和6构成放电回路。当副边处于脉冲停歇时L₁中储存的能量经L₁、7、6和D₂构成二次泄放回路产生i，其作用有两个，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是检测电流大小的传感器电阻如霍尔效应式电流传感器。通过6将放电电流信号检测出来，并送至PWM控制器的电流调整端用以调节高频脉冲的宽度大小来控制放电电流维持在设定值的水平上，达到控制加工峰值电流的目的。同时S₁检出的电流信号还用于控制PWM，当加工回路短路等过流时的过流保护。加工脉冲的脉宽、脉间由包络脉冲发生器来产生，并以此来控制PWM控制器的工作与停歇，达到产生分组包络脉冲的效果，即包络脉冲控制的PWM技术。这样就可以有效地控制加工参数、实现对不同工艺参数要求加工的需要。由图1可见整个回路中没有限流电阻。当系统进行精加工或光整加工时继电器将触点切换到另一端，系统的简化原理图如图2所示。此时高频变压器副边一端接成稳压形式，即在C₂两端的是经过PWM稳压的直流电压。此时放电主回路主要由放电间隙、限流电阻R₂和高速功率VMOS管构成，加到放电间隙上的是由纳秒级精加工脉冲发生器产生的50～10000纳秒的脉冲经功率放大器功率放大得到的脉冲电压，因此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R₂，但精加工时本来能量就很小不会产生太大的浪费，而且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和感抗限流技术可以去掉回路中的限流电阻和功率开关元件以及体积庞大的工频变压器，因此可以得到几个方面的综合节约，①可节省40～70%左右的电能消耗，减小发热;②节省铜材、钢材等降低原材料消耗;③去掉众多功率晶体管及驱动线路限流电阻等元器件，大大简化了线路。因此从整体上说可以大大缩小尺寸，降低成本、减少能耗，如能全面推广其综合社会效益和经济效益将是极为可观的。本发明可以应用于电火花加工脉冲电源，线切割脉冲电源，小功率电解加工电源、电镀电源等。若全国电加工机床均采用此项发明，则每年仅节电一项即可达1.08亿千瓦时，而且可节省大量铜、钢等金属。

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：

本发明的一个实例是，采用TL494作为PWM脉冲调宽控制器，采用NE555作为包络脉冲发生器，纳秒级精加工脉冲发生器采用隧道二极管或晶振组成的高频振荡器进行整形成为脉冲发生器，功率晶体管采用VDMOSFET。

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80-100伏的脉冲电压u₅，一个由二极管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]的控制极，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，当用于精加工时其特征在于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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