CN110977063B - 模块化无阻节能型电火花加工电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化无阻节能型电火花加工电源，包括：包括无阻脉冲电源模块与电压源的两极连接，脉冲放电控制器与无阻脉冲电源模块连接，无阻脉冲电源模块的输出极为电火花加工电源的正负极；无阻脉冲电源模块包括DC/DC电流源和脉冲斩波电路，DC/DC电流源和脉冲斩波电路串联；DC/DC电流源包括：功率开关管VT1、电感L、续流二极管D1、霍尔电流传感器以及脉宽调制器；脉冲斩波电路包括：功率开关管TP1、功率开关管TP2，二极管DP、二极管DP1、二极管DP2、逻辑处理电路和尖峰电压吸收电路。该电源可以减小电能损耗，提高电能利用率，并且提高脉冲电流上升沿、下降沿的陡峭程度，保证电火花加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及电火花技术领域，特别涉及一种模块化无阻节能型电火花加工电源。
背景技术
电火花加工是利用火花放电腐蚀金属以实现金属切削的加工方法。这种加工工艺弥补了机械加工方法的一些不足，已成为模具工业、国防工业和精微制造中的重要手段。电火花电源作为电火花加工系统中的重要组成部分，用于提供脉冲电流来形成火花放电，其性能对电火花加工的精度、效率、电极损耗、电能利用率等技术经济指标有较大影响。
电火花加工工艺中，放电脉冲时间越短，脉冲电流上升沿、下降沿越陡峭，加工质量越精细。相关技术中，为了获得陡峭的脉冲电流上升沿、下降沿，电火花加工电源大都采用在放电主回路串联限流电阻的方式，脉冲宽度可小至100ns以内。但是，这种电源约75％的电能以热量形式消耗在限流电阻上，不仅电能利用率低，也对电源散热系统和电子元器件的工作性能提出了更高的要求。
有相关技术采用开关电源替代串联限流电阻的方式，大幅降低了电能损耗，提高了电能利用率。但是由于回路串联了电感器件，流过电感的电流不能突变，造成脉冲电流上升沿、下降沿变化速率低，进而影响电火花加工精度。
因此，如何在进一步提高电能利用率的同时，保证电火花加工精度，是电火花电源设计中亟待解决的一项关键技术
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种模块化无阻节能型电火花加工电源，该电源可以减小电能损耗，提高电能利用率，并且提高脉冲电流上升沿、下降沿的陡峭程度，保证电火花加工精度。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种模块化无阻节能型电火花加工电源，包括：
电压源、无阻脉冲电源模块、脉冲放电控制器；
所述无阻脉冲电源模块与所述电压源的两极连接，所述脉冲放电控制器与所述无阻脉冲电源模块连接，所述无阻脉冲电源模块的输出极为所述电火花加工电源的正负极；
所述无阻脉冲电源模块包括DC/DC电流源和脉冲斩波电路，所述DC/DC电流源和所述脉冲斩波电路串联；
所述DC/DC电流源包括：功率开关管VT1、电感L、续流二极管D1、霍尔电流传感器以及脉宽调制器；
所述脉冲斩波电路包括：功率开关管TP1、功率开关管TP2，二极管DP、二极管DP1、二极管DP2、逻辑处理电路和尖峰电压吸收电路；
所述功率开关管VT1的集电极与所述电压源正极连接，发射极分别与所述续流二极管D1阴极和所述电感L的一端连接，基极与所述脉宽调制器连接；
所述续流二极管D1阳极与所述电压源负极连接，阴极与所述电感L的一端连接；
所述电感L另一端穿过所述霍尔电流传感器，分别与所述脉冲斩波电路中所述二极管DP阳极、所述二极管DP1阳极和所述功率开关管TP1集电极连接；
所述霍尔电流传感器与所述脉宽调制器连接；
所述功率开关管TP1集电极分别与所述二极管DP阳极和所述二极管DP1阳极连接，基极与所述逻辑处理电路连接，发射极分别与所述电压源负极、所述尖峰电压吸收电路和所述功率开关管TP2发射极连接；
所述功率开关管TP2发射极分别与所述电压源负极和所述尖峰电压吸收电路连接；基极与所述逻辑处理电路连接，集电极与所述二极管DP2阳极连接；
所述二极管DP阴极为所述电火花加工电源输出正极与电极连接；
所述二极管DP1阴极分别与所述二极管DP2阴极和所述尖峰电压吸收电路连接；
所述二极管DP2阴极与所述尖峰电压吸收电路连接，阳极为所述电火花加工电源输出负极与工件连接；
所述脉冲放电控制器分别与所述脉宽调制器和所述逻辑处理电路连接。
本发明实施例的模块化无阻节能型电火花加工电源，采用开关式拓扑电路调节电流大小，输出回路不需串联限流电阻，电能利用率高，且简化了散热系统的设计；在电路中，采用SiC器件构成斩波式主电路产生脉冲电流，输出回路无感性器件，保证脉冲电流具有较高的上升沿、下降沿变化率，实现窄脉宽加工，提高电火花加工精度；采用模块化设计，可实现多个脉冲电源模块并联，调节输出功率，同时模块化设计便于设备排故及维修。
另外，根据本发明上述实施例的模块化无阻节能型电火花加工电源还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，将多个无阻脉冲电源模块并联在所述电火花加工电源中，所述多个无阻脉冲电源模块分别连接所述电压源两极，所述脉冲放电控制器分别连接所述多个无阻脉冲电源模块。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电压源输入为三相380V/50Hz交流电，输出为直流电，输出电压范围60～150V。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述脉宽调制器生成第一驱动信号P1发送到所述功率开关管VT1的基极，通过所述第一驱动信号P1调节所述功率开关管VT1的占空比，以调节所述DC/DC电流源的输出电流Ia。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过所述脉冲放电控制器生成第二驱动信号P2并输出到所述逻辑处理电路，控制所述逻辑处理电路生成两路互补的第一互补驱动信号PP1和第二互补驱动信号PP2，通过所述第一互补驱动信号PP1和所述第二互补驱动信号PP2分别控制所述功率开关管TP1和所述功率开关管TP2交替导通和关断。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过所述第二驱动信号P2控制所述第一互补驱动信号PP1、所述第二互补驱动信号PP2以及所述电火花加工电源输出电流的脉宽。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过所述尖峰电压吸收电路吸收所述功率开关管TP1、所述功率开关管TP2关断时产生的电压尖峰。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述功率开关管TP1、所述功率开关管TP2，所述二极管DP、所述二极管DP1和所述二极管DP2为SiC或GaN器件。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过所述脉冲放电控制器生成Ctrl信号和Ig信号并输出到所述脉宽调制器，通过所述Ig信号调节所述DC/DC电流源的输出电流大小，通过所述Ctrl信号控制所述DC/DC电流源的输出电流的有无，所述Ctrl信号为低电平时，所述DC/DC电流源有输出电流为零，所述Ctrl信号为高电平时，所述DC/DC电流源的输出电流由零变为Ia。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述Ctrl信号为高电平，当所述功率开关管TP1导通、所述功率开关管TP2关断时，所述DC/DC电流源输出电流Ia由所述DC/DC电流源正端经过所述功率开关管TP1流回所述DC/DC电流源负端，所述电火花加工电源输出电流为零；
当所述功率开关管TP1关断、所述功率开关管TP2导通时，所述DC/DC电流源输出电流Ia经所述二极管DP、电极、工件和所述功率开关管TP2构成回路，流回所述DC/DC电流源负端，所述电火花加工电源输出电流为Ib，Ib大小与电流Ia相等。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的模块化无阻节能型电火花加工电源原理示意图；
图2为根据本发明一个实施例的单个无阻脉冲电源模块时信号逻辑示意图；
图3为根据本发明一个实施例的两个无阻脉冲电源模块并联时的原理示意图；
图4为根据本发明一个实施例的无阻脉冲电源模块并联时的信号逻辑示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的模块化无阻节能型电火花加工电源。
图1为根据本发明一个实施例的模块化无阻节能型电火花加工电源原理示意图。
如图1所示，该块化无阻节能型电火花加工电源包括：电压源1、无阻脉冲电源模块2、脉冲放电控制器3。
无阻脉冲电源模块2与电压源1的两极连接，脉冲放电控制器3与无阻脉冲电源模块2连接，无阻脉冲电源模块2的输出极为电火花加工电源的正负极。电源输出正端接电极4，负端接工件5。
电压源1输入为三相380V/50Hz交流电，输出为直流电，输出电压范围60～150V，输出端并联电解电容、薄膜电容及放电电阻(未在图中示出)。
无阻脉冲电源模块2由DC/DC电流源20和脉冲斩波电路21串联构成，DC/DC电流源和脉冲斩波电路串联。
DC/DC电流源20由功率开关管VT1、电感L、续流二极管D1、霍尔电流传感器201以及脉宽调制器202构成，DC/DC电流源20输出电流Ia为大小可调的直流电流，通过脉宽调制器202生成第一驱动信号P1，调节功率开关管VT1的占空比，进而调节电流Ia的大小。
脉冲斩波电路21包含功率开关管TP1、TP2，二极管DP、二极管DP1、二极管DP2、逻辑处理电路211以及尖峰吸收钳位电路212。
脉冲放电控制器3为电火花加工电源的整机控制系统。
如图1所示，电火花加工电源的具体连接关系为：
功率开关管VT1的集电极与电压源正极连接，发射极分别与续流二极管D1阴极和电感L的一端连接，基极与脉宽调制器连接；
续流二极管D1阳极与电压源负极连接，阴极与电感L的一端连接；
电感L的另一端穿过霍尔电流传感器，分别与脉冲斩波电路中二极管DP阳极、二极管DP1阳极和功率开关管TP1集电极连接；
霍尔电流传感器与脉宽调制器连接；
功率开关管TP1集电极分别与二极管DP阳极和二极管DP1阳极连接，基极与逻辑处理电路连接，发射极分别与电压源负极、尖峰电压吸收电路和功率开关管TP2发射极连接；
功率开关管TP2发射极分别与电压源负极和尖峰电压吸收电路连接；基极与逻辑处理电路连接，集电极与二极管DP2阳极连接；
二极管DP阴极为电火花加工电源输出正极与电极连接；
二极管DP1阴极分别与二极管DP2阴极和尖峰电压吸收电路连接；
二极管DP2阴极与尖峰电压吸收电路连接，阳极为电火花加工电源输出负极与工件连接；
脉冲放电控制器分别与脉宽调制器和逻辑处理电路连接。
进一步地，通过脉冲放电控制器生成第二驱动信号P2并输出到逻辑处理电路，控制逻辑处理电路生成两路互补的第一互补驱动信号PP1和第二互补驱动信号PP2，通过第一互补驱动信号PP1和第二互补驱动信号PP2分别控制功率开关管TP1和功率开关管TP2交替导通和关断。
第二驱动信号P2可以控制第一互补驱动信号PP1、第二互补驱动信号PP2以及电火花加工电源输出电流的脉宽。
尖峰吸收钳位电路212用于吸收开关管TP1、TP2关断时产生的电压尖峰，保护TP1、TP2不被损坏。
开关管TP1、TP2、二极管DP为SiC或GaN器件，开通、关断时间短，因此保证实现窄脉宽电流加工。
脉冲放电控制器3为电火花加工电源的整机控制系统，其输出电流给定信号Ig到脉宽调制器202，用于调节电流源20的输出电流Ia的大小；生成Ctrl信号送到脉宽调制器202用于控制电流Ia的输出有无。
进一步地，通过脉冲放电控制器生成Ctrl信号和Ig信号并输出到脉宽调制器，通过Ig信号调节DC/DC电流源的输出电流大小，通过Ctrl信号控制DC/DC电流源的输出电流的有无，Ctrl信号为低电平时，DC/DC电流源有输出电流为零，Ctrl信号为高电平时，DC/DC电流源的输出电流由零变为Ia。
在工作时，电火花加工电源输出正端接电极4，负端接工件5，当脉冲放电控制器发出的Ctrl信号为高电平时，电源启动并输出脉冲电流，在电极和工件之间形成放电火花从而进行电火花加工。
如图2所示，为图1中的电火花加工电源工作时，脉冲放电控制器给出的控制信号时序，及对应的驱动和脉冲电流波形示意图。
电源启动时，Ctrl信号由低电平变为高电平，DC/DC电流源20输出电流由零变为Ia，逻辑处理电路211将第二驱动信号P2处理成两路互补的驱动信号PP1、PP2，分别控制开关管TP1与TP2。当TP1导通TP2关断时，DC/DC电流源20输出电流Ia由电流源20正端经过TP1流回电流源20负端，此时电火花加工电源输出电流为零；当TP1关断TP2导通时，电流Ia经二极管DP、电极、工件、TP2构成回路，流回电流源20负端，此时电火花加工电源输出电流Ib，其大小与电流Ia相等。
Ctrl信号由高电平变为低电平时，电源停止，DC/DC电流源20输出电流Ia逐渐减小至零。电火花加工电源输出电流Ib也变为零。在Ctrl信号保持高电平期间，电火花加工电源输出电流Ib为一系列脉冲电流，其脉冲幅值等于前级电流源输出电流Ia，改变电流Ia的大小以及第二驱动信号的脉冲宽度与脉冲周期即可满足不同能量等级的电火花加工工艺需求。
进一步地，无阻脉冲电源模块可多个并联，实现更大功率的电能输出。将多个无阻脉冲电源模块并联在电火花加工电源中，多个无阻脉冲电源模块分别连接电压源两极，脉冲放电控制器分别连接多个无阻脉冲电源模块。
如图3所示，电火花加工电源由两个无阻脉冲电源模块(简称模块)并联而成，以提高脉冲电流幅值。AC/DC电压源1输出正端与模块2_1输入正端及模块2_2输入正端相连，电极4与模块2_1输出正端及模块2_2输出正端相连，工件5与模块2_1输出负端及模块2_2输出负端相连。脉冲放电控制卡输出电流控制信号Ig1、Ctrl1给模块2_1中DC/DC电流源20_1，控制电流Ia1的大小及有无；控制信号Ig2、Ctrl2进入模块2_2中的DC/DC电流源20_2，控制电流Ia2的大小及有无。脉冲放电控制器输出两路驱动信号P2_1及P2_2，分别进入到模块2_1的脉冲斩波电路21_1及模块2_2的脉冲斩波电路21_2，用于控制电流Ib1及电流Ib2的脉冲宽度。电火花加工电源输出电流Ic等于电流Ib1与电流Ib2之和。
如图4所示，为图3中的电火花加工电源工作时，脉冲放电控制器给出的控制信号时序，及对应的驱动信号和脉冲电流波形示意图。电源启动时，Ctrl1及Ctrl2信号由低电平变为高电平，电流源20_1输出电流由零变为Ia1，电流源20_2输出电流由零变为Ia2；模块2_1输出脉冲电流Ib1，其大小与电流Ia1相等，模块2_2输出脉冲电流Ib2，其大小与电流Ia2相等。Ctrl1、Ctrl2信号由高电平变为低电平时，电源停止，电流源20_1输出电流Ia1逐渐减小至零，电流源20_2输出电流Ia2逐渐减小至零。相应的Ib1、Ib2也变为零。在Ctrl1、Ctrl2信号保持高电平期间，电火花加工电源输出电流Ic为一系列脉冲电流，其脉冲幅值等于模块2_1输出电流Ib1与模块2_2输出电流Ib2之和。通过模块2_1与模块2_2并联，提高了电火花加工电源的电流输出能力，可满足不同规范的电火花加工工艺需求。
根据本发明实施例提出的模块化无阻节能型电火花加工电源，采用开关式拓扑电路调节电流大小，输出回路不需串联限流电阻，电能利用率高，且简化了散热系统的设计；在电路中，采用SiC器件构成斩波式主电路产生脉冲电流，输出回路无感性器件，保证脉冲电流具有较高的上升沿、下降沿变化率，实现窄脉宽加工，提高电火花加工精度；采用模块化设计，可实现多个脉冲电源模块并联，调节输出功率，同时模块化设计便于设备排故及维修。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，包括：电压源、无阻脉冲电源模块、脉冲放电控制器；
所述无阻脉冲电源模块与所述电压源的两极连接，所述脉冲放电控制器与所述无阻脉冲电源模块连接，所述无阻脉冲电源模块的输出极为所述电火花加工电源的正负极；
所述无阻脉冲电源模块包括DC/DC电流源和脉冲斩波电路，所述DC/DC电流源和所述脉冲斩波电路串联；
所述DC/DC电流源包括：功率开关管VT1、电感L、续流二极管D1、霍尔电流传感器以及脉宽调制器；
所述脉冲斩波电路包括：功率开关管TP1、功率开关管TP2，二极管DP、二极管DP1、二极管DP2、逻辑处理电路和尖峰电压吸收电路；
所述功率开关管VT1的集电极与所述电压源正极连接，发射极分别与所述续流二极管D1阴极和所述电感L的一端连接，基极与所述脉宽调制器连接；
所述续流二极管D1阳极与所述电压源负极连接，阴极与所述电感L的一端连接；
所述电感L另一端穿过所述霍尔电流传感器，分别与所述脉冲斩波电路中所述二极管DP阳极、所述二极管DP1阳极和所述功率开关管TP1集电极连接；
所述霍尔电流传感器与所述脉宽调制器连接；
所述功率开关管TP1集电极分别与所述二极管DP阳极和所述二极管DP1阳极连接，基极与所述逻辑处理电路连接，发射极分别与所述电压源负极、所述尖峰电压吸收电路和所述功率开关管TP2发射极连接；
所述功率开关管TP2发射极分别与所述电压源负极和所述尖峰电压吸收电路连接；基极与所述逻辑处理电路连接，集电极与所述二极管DP2阳极连接；
所述二极管DP阴极为所述电火花加工电源的输出正极，所述二极管DP阴极与电极连接；
所述二极管DP1阴极分别与所述二极管DP2阴极和所述尖峰电压吸收电路连接；
所述二极管DP2阴极与所述尖峰电压吸收电路连接，阳极为所述电火花加工电源的输出负极，所述二极管DP2阳极与工件连接；
所述脉冲放电控制器分别与所述脉宽调制器和所述逻辑处理电路连接。
2.根据权利要求1所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，将多个无阻脉冲电源模块并联在所述电火花加工电源中，所述多个无阻脉冲电源模块分别连接所述电压源两极，所述脉冲放电控制器分别连接所述多个无阻脉冲电源模块。
3.根据权利要求1所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，所述电压源输入为三相380V/50Hz交流电，输出为直流电，输出电压范围60～150V。
4.根据权利要求1所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，所述脉宽调制器生成第一驱动信号P1发送到所述功率开关管VT1的基极，通过所述第一驱动信号P1调节所述功率开关管VT1的占空比，以调节所述DC/DC电流源的输出电流Ia。
5.根据权利要求1所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，通过所述脉冲放电控制器生成第二驱动信号P2并输出到所述逻辑处理电路，控制所述逻辑处理电路生成两路互补的第一互补驱动信号PP1和第二互补驱动信号PP2，通过所述第一互补驱动信号PP1和所述第二互补驱动信号PP2分别控制所述功率开关管TP1和所述功率开关管TP2交替导通和关断。
6.根据权利要求5所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，通过所述第二驱动信号P2控制所述第一互补驱动信号PP1、所述第二互补驱动信号PP2以及所述电火花加工电源输出电流的脉宽。
7.根据权利要求1所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，通过所述尖峰电压吸收电路吸收所述功率开关管TP1、所述功率开关管TP2关断时产生的电压尖峰。
8.根据权利要求1所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，
所述功率开关管TP1、所述功率开关管TP2，所述二极管DP、所述二极管DP1和所述二极管DP2为SiC或GaN器件。
9.根据权利要求1所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，
通过所述脉冲放电控制器生成Ctrl信号和Ig信号并输出到所述脉宽调制器，通过所述Ig信号调节所述DC/DC电流源的输出电流大小，通过所述Ctrl信号控制所述DC/DC电流源的输出电流的有无，所述Ctrl信号为低电平时，所述DC/DC电流源有输出电流为零，所述Ctrl信号为高电平时，所述DC/DC电流源的输出电流由零变为Ia。
10.根据权利要求9所述的模块化无阻节能型电火花加工电源，其特征在于，
所述Ctrl信号为高电平，当所述功率开关管TP1导通、所述功率开关管TP2关断时，所述DC/DC电流源输出电流Ia由所述DC/DC电流源正端经过所述功率开关管TP1流回所述DC/DC电流源负端，所述电火花加工电源输出电流为零；
其中，所述DC/DC电流源正端为与所述功率开关管TP1集电极连接的一端，所述DC/DC电流源负端为与所述功率开关管TP1发射极连接的一端；
当所述功率开关管TP1关断、所述功率开关管TP2导通时，所述DC/DC电流源输出电流Ia经所述二极管DP、电极、工件和所述功率开关管TP2构成回路，流回所述DC/DC电流源负端，所述电火花加工电源输出电流为Ib，Ib大小与电流Ia相等。
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