CN1325215C - 循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机械加工领域中电火花加工的脉冲电源——循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源。它包括直流电源(2)、主振电路(3)、驱动电路(1)、若干个功率开关管(T₁～T_n)和电火花加工的加工电极(4-1)和工件(4-2)，直流电源(2)的正极输出端连接在(T₁～T_n)的集电极上，(T₁～T_n)的发射极连接(4-1)，(4-2)连接在(2)的负极输出端上，(3)的输出端连接(1)的输入端，功率开关管在驱动电路驱动下导通时间短于集-射极间电流上升宽度。本发明的加工主回路中并不含有限流电阻，这样会去掉大量的功率损耗。采用限制功率管的导通时间的结构就能有效防止功率管被烧毁。

Description

循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源

技术领域：

本发明涉及一种机械加工领域中电火花加工的脉冲电源。

背景技术：

目前电火花加工所使用的脉冲电源可以分成不采用节能技术的传统脉冲电源和采用节能技术的节能型脉冲电源。传统脉冲电源多采用功率开关管按设定的脉宽、脉间开通和关断，将脉冲电压加到加工电极4-1与工件4-2之间的放电间隙上，如图8所示，为防止功率开关管T₁，T₂，…T_n完全导通后流过的电流过大将其烧坏，采用电阻R₁，R₂，…R_n来限制电流的增长，加工电流大小的调节是通过在回路中并联不同数目的“电阻—功率”开关管支路来实现的。但是在常用的100V左右的空载电压情况下，限流电阻的自身发热和强制冷却会消耗掉系统70％～80％左右的能量，只有20％左右的能量被用来进行加工，可见这种脉冲电源的能耗问题是很突出的。除了上述的带限流电阻的脉冲电源外，许多公司和研究机构研制了多种节能式脉冲电源，它们的主回路形式和控制策略多种多样，共同点都是采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，从而使脉冲电源的电能利用率大幅度提高。但是由于电感元件的存在使得这些形式的节能脉冲电源的脉冲电参数调节范围受到限制。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型节能电火花加工脉冲电源，最大限度降低无用的功率损耗，以提高加工时的能源利用率，同时要保证电源参数能够大范围、灵活、精确的调节。本发明的技术方案是：一种循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源，它包括直流电源2、主振电路3、驱动电路1、若干个功率开关管(T₁～T_n)和电火花加工的加工电极4-1与工件4-2，直流电源2的正极输出端连接在功率开关管(T₁～T_n)的集电极上，功率开关管(T₁～T_n)的发射极连接加工电极4-1，工件4-2连接在直流电源2的负极输出端上，产生脉冲信号的主振电路3的输出端连接驱动电路1的输入端，驱动电路1的若干个输出端口分别输出脉冲信号S₁、S₂…S_n，脉冲信号S₁、S₂…S_n分别施加到功率开关管T₁、T₂…T_n的基极上，脉冲信号S₁、S₂…S_n的脉冲宽度h小于功率开关管T₁、T₂…T_n导通后集—射极间电流上升沿宽度h′。它还包括电流检测电路5，电流检测电路5串联在工件4-2与直流电源2之间以提取电流信号，主振电路3由单片机3-1和可编程逻辑器件3-2组成，电流检测电路5的输出端连接主振电路3的单片机3-1的输入端，单片机3-1的输出端连接可编程逻辑器件3-2的输入端，可编程逻辑器件3-2的输出端连接驱动电路1的输入端。主振电路3输出相应的循环叠加斩波驱动信号给驱动电路1去驱动功率开关管T₁、T₂、…T_n，对直流电源2进行循环叠加斩波，将预设脉宽、脉间的加工电压和电流脉冲加到放电加工间隙的两端进行放电加工。本发明的加工主回路中并不含有限流电阻，这样会省掉大量的功率损耗，而功率开关管的能量损耗相对来说非常小，因此本发明的节能效果是很明显的。在不含有限流电阻的情况下，为防止功率开关管在加工短路的情况下过流烧坏，采用如下方法驱动功率开关管的开通和关断。单个功率开关管的开通和关断过程中斩波电流的变化如图2中虚线所示，在没有限流措施的情况下，如果负载短路，功率开关管完全导通时整个回路中阻抗很小，电流将会上升到很高的值，从而将其烧坏。为避免烧坏功率开关管，采用限制导通时间的措施来控制开通和关断过程，如图2，在电流上升过程中的t1或t2时刻就将功率开关管关断，使其电流开始下降，电流波形如图2中实线部分，通过控制关断的时机可以控制电流峰值的大小。使用如图3的驱动波形去驱动n路功率开关管，各路电流叠加在一起便形成了连续的电流波形，如图4所示。再将各路功率开关管循环导通的持续时间设定为选定的脉宽值t_on，见图3，将各路功率开关管全部关断的持续时间设定为选定的脉间值t_off，就可以得到具有预设脉宽、脉间的电流波形。本发明具有结构简单、工作可靠和适于推广的优点。

附图说明：

图1是本发明的电路结构示意图，图2是单只功率开关管的开通过程集—射极电流i波形示意图，图3是本发明实施方式一中脉冲信号S₁、S₂…S₈的时序图，图4至图6分别是三种功率开关管循环通断的电流波形及叠加后电流波形的示意图，图7是本发明实施方式二中主振电路3的结构示意图，图8是现有的电火花加工脉冲电源的电路结构示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：下面结合图1至图3具体说明本实施方式。它由直流电源2、主振电路3、驱动电路1、若干个功率开关管(T₁～T_n)和电火花加工的加工电极4-1与工件4-2组成，直流电源2的正极输出端连接在功率开关管(T₁～T_n)的集电极上，功率开关管(T₁～T_n)的发射极连接加工电极4-1，工件4-2连接在直流电源2的负极输出端上，产生脉冲信号的主振电路3的输出端连接驱动电路1的输入端，驱动电路1的若干个输出端口分别输出脉冲信号S₁、S₂…S_n，脉冲信号S₁、S₂…S_n分别施加到功率开关管T₁、T₂…T_n的基极上，在每只功率开关管(T₁～T_n)与直流电源2之间串联的限流电阻被去掉，脉冲信号S₁、S₂…S_n的脉冲宽度h小于功率开关管T₁、T₂…T_n导通后集—射极间电流上升沿宽度h′。脉冲信号S₁、S₂…S_n相邻的两信号间存在脉冲延迟时间t_d。

具体实施方式二：下面结合图2至图7具体说明本实施方式。本实施方式还包括电流检测电路5，电流检测电路5串联在工件4-2与直流电源2之间以提取电流信号，主振电路3由单片机3-1和可编程逻辑器件3-2组成，电流检测电路5的输出端连接主振电路3的单片机3-1的输入端，单片机3-1的输出端连接可编程逻辑器件3-2的输入端，可编程逻辑器件3-2的输出端连接驱动电路1的输入端。采用单片机3-1对单片机3-1内预设参数和电流检测电路5检测到的电流信号进行分析，控制可编程逻辑器件3-2发出驱动信号给驱动电路1。电流检测电路5作为负反馈的反向通道，把放电加工间隙之间的电流信号反馈到单片机3-1中，单片机3-1中的程序对电流信号的变化做负反馈处理，调节脉冲信号S₁、S₂…S_n之间的脉冲延迟时间td或者脉冲信号S₁、S₂…S_n的脉冲宽度，从而使放电加工间隙处的电流保持平稳，提高加工质量。图3画出了八只功率开关管的驱动信号S₁，S₁，…S₈的示意图，t_g为单只功率开关管开通时间，td为相邻功率开关管驱动信号上升沿延迟时间。为使电流连续，间隔时间为td的驱动信号S₁，S₁，…S₈相继到达，在S₈的驱动信号上升沿到达之后经过t_d时间，S₁的下一循环的驱动信号上升沿必须到达。就这样循环往复地驱动功率开关管进行斩波，得到的每只功率开关管的斩波电流波形示意图见图4中i₁，i₂，…i₈所示，各个波形重叠在一起而不相加的示意图见i_ol所示，叠加(重叠并相加)后的波形示意图见i_sum所示。从i_sum波形可见，上述驱动方法可以得到带有一定纹波的连续电流波形。本发明是通过控制单只功率开关管开通时间和相邻开关管之间的延迟时间来控制电流幅值和纹波的。图4和图5的单只功率开关管开通时间相等，均为tg₁，而延迟时间的关系为td₂＞td₁，对比两种情况下叠加后的电流波形可知延迟时间增加则电流幅值减小，同时纹波周期和幅值均增加。图5和图6的相邻开关管之间的延迟时间相等，均为td₂，而两图的单只开关管开通时间的关系为tg₂＞tg₁，对比叠加后的电流波形可知单只开关管开通时间增加则电流幅值增加，同时纹波的幅值变化不大，而周期不变。

具体实施方式三：下面结合图3至图6具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是，对功率开关管(T₁～T_n)进行驱动斩波时，一次驱动循环最后一只功率开关管T_n的驱动信号到达后经过设定的延迟时间t_d后，功率开关管T₁的驱动信号到达，从而开始下一个驱动循环。其它组成和连接关系与实施方式一相同。如此设置，节省功率开关管的数目。

Claims (2)

1、一种循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源，它包括直流电源(2)、主振电路(3)、驱动电路(1)、若干个功率开关管(T₁～T_n)和电火花加工的加工电极(4-1)与工件(4-2)，直流电源2的正极输出端连接在功率开关管(T₁～T_n)的集电极上，功率开关管(T₁～T_n)的发射极连接加工电极(4-1)，工件(4-2)连接在直流电源(2)的负极输出端上，产生脉冲信号的主振电路(3)的输出端连接驱动电路(1)的输入端，驱动电路(1)的若干个输出端口分别输出脉冲信号(S₁、S₂…S_n)，脉冲信号(S₁、S₂…S_n)分别施加到功率开关管(T₁、T₂…T_n)的基极上，其特征是脉冲信号(S₁、S₂…S_n)的脉冲宽度(h)小于功率开关管(T₁、T₂…T_n)导通后集-射极间电流上升沿宽度(h′)；它还包括电流检测电路(5)，电流检测电路(5)串联在工件(4-2)与直流电源(2)之间，主振电路(3)由单片机(3-1)和可编程逻辑器件(3-2)组成，电流检测电路(5)的输出端连接主振电路(3)的单片机(3-1)的输入端，单片机(3-1)的输出端连接可编程逻辑器件(3-2)的输入端，可编程逻辑器件(3-2)的输出端连接驱动电路(1)的输入端。

2、根据权利要求1所述的循环叠加斩波式节能电火花加工脉冲电源，其特征是对功率开关管(T₁～T_n)进行驱动斩波时，一次驱动循环最后一只功率开关管(T_n)的驱动信号到达后经过设定的延迟时间(t_d)后，功率开关管(T₁)的驱动信号到达，从而开始下一个驱动循环。

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