CN201231375Y

CN201231375Y - 电子束焊机加速高压电源装置

Info

Publication number: CN201231375Y
Application number: CNU2008203015757U
Authority: CN
Inventors: 韦寿祺; 莫远林; 费翔; 陆思恒; 黄小东; 郭华艳; 罗达琪
Original assignee: Guilin Shida Electrical And Mechanical Technology Engineering Co Ltd
Current assignee: Guilin Shida Electrical And Mechanical Technology Engineering Co Ltd
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2018-07-23

Abstract

本实用新型所公开的电子束焊机加速高压电源装置，由三相市电供电，采用AC→DC→AC→DC电流变换方式，中间DC→AC逆变环节为中频逆变，在逆变过程同时实现高频脉宽调制调压功能；由中频高压变压器实现电能的传递、电压值的变换和高压绝缘；以高压取样信号作为负反馈信号去控制高频脉宽调制输出波的占空比，实现输出高压自动稳定调节，其具有对电网谐波干扰小、系统调节速度快、输出高压纹波小、制造简便、效率较高的特点。

Description

电子束焊机加速高压电源装置

(一)技术领域

本实用新型涉及电子束焊接设备，具体为电子束焊机加速高压电源装置。

(二)背景技术

电子束焊利用空间定向高速运动电子束，撞击工件表面后，将动能转化成热能，使被焊金属熔化，冷却结晶后形成焊缝。与常规焊接方法相比，电子束焊具有加热功率密度高、焊缝深宽比大、焊接速度快、热影响区小、焊接变形小、焊缝纯度高、焊接工艺参数调节范围广、适应性强和可焊材料多等优点。而电子束焊机是一种综合了真空物理、电子技术、电子光学、高电压技术、计算机和控制技术等多种技术的高科技产品。目前市面上常用的电子束焊机加速高压电源控制方法及加速高压电源装置主要有下列5种类型：

(1)工频交流输入→自偶变压器交流调压→工频隔离变压器升压→高压整流滤波输出。特点是电网谐波干扰较小，但设备笨重，效率低，系统调节速度慢，调节精度差。为早期电子束焊机产品所选用，目前已被淘汰。

(2)工频交流输入→工频晶闸管交流调压→工频隔离变压器升压→高压整流滤波输出。特点是系统调节速度较快，调节精度较高，但高压滤波电容值较大，对电网谐波干扰较大，为电子束炉产品普遍采用，但在电子束焊机产品中逐渐被淘汰。

(3)工频交流输入→中频交流发电机调压→中频隔离变压器升压→高压整流滤波输出。特点是高压滤波电容值相对较小，对电网谐波干扰较小，调节精度较高，但系统调节速度慢，中频发电机组价格较高，噪音很大。为目前中国电子束焊机产品普遍采用。

(4)工频交流输入→工频隔离变压器升压→高压整流滤波→高压电子管串联调压→高压滤波输出。特点是高压滤波电容值小，对电网谐波干扰小，系统调节速度快，调节精度高，但效率低，高压电子管为特殊器件，制造难度大，设备体积大，制造成本高，仅为俄罗斯、乌克兰等少数国家电子束焊机产品所采用。

(5)工频交流输入→低压整流滤波→直流脉宽调制调压→低压滤波→高频逆变→高频隔离变压器升压→高压整流滤波输出。特点是高压滤波电容值小，系统调节速度快，调节精度高，设备体积小，制造成本较低。但高频逆变器及高频高压变压器制造技术难度大，效率偏低。为目前欧美电子束焊机产品普遍采用。

(三)实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种中频逆变高频脉宽调制调压式的电子束焊机加速高压电源装置。特点为对电网谐波干扰小、系统调节速度快、输出高压纹波小、制造简便、效率较高。

本实用新型的基本构思是采用工频交流输入→低压整流滤波→中频逆变高频脉宽调制调压→中频隔离变压器升压→高压整流滤波输出的技术路线，在中频逆变的同时，通过输出电压的负反馈信号去控制高频脉宽调制的占空比，进行自动调压，使高压电源输出电压值保持稳定。

本实用新型所设计的电子束焊机加速高压电源装置，包括电网滤波器、输入整流滤波电路单元、逆变器、中频高压变压器、高压整流滤波电路单元、高压放电扼流单元、高压取样电路单元、电子束流取样电阻、高压设定信号发生器、高压调节器、逆变器驱动电路单元。电网滤波器的输入端与三相电网相接，其输出送入输入整流滤波电路单元中整流桥的交流输入侧；输入整流滤波电路单元输出的平直的直流电送入逆变器各逆变桥的直流输入端；逆变器包括至少两个逆变桥组成，每个逆变桥输出的经高频脉宽调制后的中频交流电送入与逆变桥相数相同的中频高压变压器的初级绕组；每个中频高压变压器次级输出的中频高压电送入与中频高压变压器相数相同的高压整流滤波电路单元中高压整流桥的交流输入侧；各个高压整流桥输出经高压电容滤波后再串联或并联输出，高压整流滤波电路单元的高压端接至高压放电扼流电路单元，低压端经电子束流取样电阻与大地和电子枪的阳极相接；高压放电扼流电路单元的输出接至电子枪的阴极；高压取样电路单元并接于高压放电扼流电路单元输出端与大地之间，输出的信号一路送入高压调节器作为负反馈信号；电子束流取样电阻串接于加速电源输出回路的低压端，输出的信号一路送入电子束流调节器作为负反馈信号；高压设定信号发生器的输出由计算机或可编程控制器数字设定经数模转换产生或由模拟电路产生后送入高压调节器；高压调节器为比例—积分调节器结构，正常工作时，接收高压设定信号和反馈信号的偏差信号，输出送入逆变器驱动电路单元调节脉宽调制输出波的占空比；逆变器驱动电路单元产生的驱动波形经隔离放大后分别接至逆变器中各个功率开关管的控制极。

上述方案所述的逆变器主要由A、B两组H型逆变桥并联而成，每组逆变桥包括对称的左桥臂电路和右桥臂电路，每个桥臂电路各包括两个开关功率管、两个续流二极管和一个缓冲电路；每个开关功率管与一个续流二极管反并联，上桥臂开关功率管与下桥臂开关功率管串联后与桥臂缓冲电路并联地接至输入整流滤波器的输出端；逆变桥的输出端接至中频高压变压器的初级绕组的。本电源装置还包括故障判别电路单元，故障判别电路单元接受来自高压取样电路单元、电子束流取样电阻、逆变器驱动电路单元、逆变器输入电流检测电路单元的信号，对高压电源运行状态实时监控，出现异常时输出信号，一路输出信号送入高压调节器用于封锁调节器的输出；另一路送入电子束焊机总控装置用于实现电源的多重保护。

上述电网滤波器，用于切断电磁干扰(EMI)传播途径；输入整流滤波电路单元，将三相交流电变换成平直的不可控直流电；逆变器，将直流电逆变成中频交流电，同时用于高频脉宽调制调压；中频高压变压器，用于实现电能的传递、电压值的变换和高压绝缘；高压整流滤波电路单元，将高压中频交流电变换成平直的高压直流电；高压放电扼流电路单元，用于抑制高压放电电流的上升速率，减缓放电产生的电磁冲击强度；高压取样电路单元，用于测量加速电压值，输出正比于加速电压的取样信号；电子束流取样电阻，用于测量电子束流值，此电阻两端输出正比于电子束流大小的取样信号；故障判别电路单元，用于判断加速电压是否超越设定的上限值、电子束流是否超越设定的上限值、是否产生高压放电现象及逆变器任一功率开关管是否异常、逆变器直流供电回路电流是否超越设定的上限值，任一事件的发生都输出信号；高压设定信号发生器，用于产生加速电压的设定波形，包括升降斜率和工作电压的设定；高压调节器，用于加速电压的精度控制，并保证加速电源稳定运行；逆变器驱动电路单元，用于产生逆变器中各功率开关管合理的驱动脉冲，并实时检测各开关功率管的工作状态；逆变器输入电流检测电路单元，用于实时检测逆变器直流输入电流值是否过流。

电子束焊机主电源枛电子束加速高压电源直接由三相市电整流后供电，逆变器把直流电逆变成中频交流电，通过中频高压变压器升压后整流输出高压直流电；加速电源采用输出电压负反馈控制方式，逆变器在逆变过程同时实现高频脉宽调制调压；逆变器由多个(两个或两个以上)单相或三相桥式逆变电路组成，每个逆变桥的中频逆变频率相同，高频脉宽调制的频率及占空比亦相同，多个逆变桥之间中频逆变波形的相位呈对称分布，高频脉宽调制波形的相位亦呈对称分布；一个逆变桥加一个相数相同的中频高压变压器加一个高压整流桥组成高压电源的一个逆变供电单元组，多个单元组的输出经过串联或并联连接后总输出作为电子束的加速电源。这样中频高压变压器的铁心可采用0.2mm～0.35mm厚的常用冷轧硅钢片叠成，整个中频高压变压器制造工艺简单，而高压整流输出的直流电的脉动频率却是高频脉宽调制频率的几倍(倍数等于逆变供电单元组个数)，总整流波在脉宽调制占空比大于50％时(由中频高压变压器设计参数保证)已无过零点。这样高压总整流波的脉动频率高，而脉动幅值低，选用较小的高压滤波电容值就能滤掉交流成分，满足纹波系数指标要求。高压滤波电容值小一方面系统惯性时间常数小，有利于提高控制系统调节速度，另一方面贮能小，高压放电产生的冲击自然小，有利于提高电源系统运行可靠性。

本实用新型的最大特点是采用中频逆变高频脉宽调制方式，技术方案实现容易，中频高压变压器铁心采用通用冷轧硅钢片材料，可获得电子束焊机高压加速电源快速调节、输出电压纹波系数小、故障快速截止保护和放电自动重启等效果。

(四)附图说明

图1为本实用新型电子束焊机加速高压电源装置实施例1结构示意图，图中标号为：1、电网滤波器；2、输入整流滤波电路单元；3、逆变器；4、中频高压变压器；5、高压整流滤波电路单元；6、高压放电扼流电路单元；7、高压取样电路单元；8、电子束流取样电阻；9、故障判别电路单元；10、高压设定信号发生器；11、高压调节器；12、逆变器驱动电路单元；13、逆变器3输入电流检测电路单元。

图2为图1中逆变器结构示意图；图中标号为：3-1、A组左上桥臂开关功率管；3-2、A组左下桥臂开关功率管；3-3、A组左上桥臂续流二极管；3-4、A组左下桥臂续流二极管；3-5、A组左桥臂缓冲电路；3-6、A组中频高压变压器初级绕组；3-7、A组右桥臂电路；3-8、B组逆变器电路。

图3为为图1中逆变器各开关功率管驱动信号波形图。

图4为本实用新型电子束焊机加速高压电源装置另一种实施例的结构示意图。

(五)具体实施方式

实施例1：

本实施例的电子束焊机加速高压电源装置，如图1所示，主要由电网滤波器1、输入整流滤波电路单元2、逆变器3、中频高压变压器4、高压整流滤波电路单元5、高压放电扼流电路单元6、高压取样电路单元7、电子束流取样电阻8、故障判别电路单元9、高压设定信号发生器10、高压调节器11、逆变器驱动电路单元12、逆变器3输入电流检测电路单元13构成。

电网滤波器1的输入端与三相380V的电网相接，其输出送入输入整流滤波电路单元2中整流桥的交流输入侧。电网滤波器1用于切断电磁干扰(EMI)传播途径。

输入整流滤波电路单元2输出的平直的直流电送入逆变器3各逆变桥的直流输入端。输入整流滤波电路单元2用于将三相交流电变换成平直的不可控直流电。

逆变器3由两个单相逆变桥组成，每个逆变桥输出的经高频脉宽调制后的中频交流电分别送入两个单相中频高压变压器4的初级绕组。逆变器3用于将直流电逆变成中频交流电，同时用于高频脉宽调制调压。本实施例的逆变器3如图2所示，主要由A、B两组H型逆变桥并联而成，每组逆变桥包括对称的左桥臂电路和右桥臂电路，左、右桥臂电路各包括两个开关功率管、两个续流二极管和一个缓冲电路；左上桥臂开关功率管3-1与左上桥臂续流二极管3-3反并联，左下桥臂开关功率管3-2与左下桥臂续流二极管3-4反并联，左上桥臂电路与左下桥臂串联后再与左桥臂缓冲电路3-5并联地接至输入整流滤波电路单元的输出端；逆变桥的输出端接至中频高压变压器4的初级绕组。

中频高压变压器4包括两个单相变压器，变压器的铁心采用冷轧硅钢片材料，每个变压器次级输出的中频高压电送入高压整流滤波电路单元5中一组单相高压整流桥的交流输入侧。中频高压变压器4用于实现电能的传递、电压值的变换和高压绝缘。

高压整流滤波电路单元5中每个高压整流桥输出经高压电容滤波后再串联输出，总输出高压端接至高压放电扼流电路单元6，低压端经电子束流取样电阻8与大地及电子枪的阳极相接。高压整流滤波电路单元5将高压中频交流电变换成平直的高压直流电。

高压放电扼流电路单元6的输出接至电子枪的阴极。高压放电扼流电路单元6用于抑制高压放电电流的上升速率，减缓高压放电所产生的电磁冲击强度。

高压取样电路单元7并接于高压放电扼流电路单元6输出端与大地之间，输出的信号一路送入高压调节器11作为负反馈信号，另一路送入故障判别电路单元9用于判断高压过压及高压放电的依据。高压取样电路单元7用于测量加速电压值，输出正比于加速电压的电压取样信号。

电子束流取样电阻8串接于加速电源输出回路的低压端，输出的信号一路送入故障判别电路单元9用于判断电子束过流的依据，另一路送入电子束流调节器作为负反馈信号。电子束流取样电阻8用于测量电子束流值，此电阻两端输出正比于电子束流大小的电压取样信号。

故障判别电路单元9接受来自高压取样电路单元7、电子束流取样电阻8、逆变器驱动电路单元12和逆变器3输入电流检测电路单元13的信号，对高压电源运行状态实时监控，出现异常时输出信号，一路输出信号送入高压调节器11用于封锁调节器的输出，另一路输出信号U_err送入电子束焊机总控装置用于实现电源的多重保护。故障判别电路单元9用于判断加速电压是否超越设定的上限值、电子束流是否超越设定的上限值、是否产生高压放电现象及逆变器3任一功率开关管是否异常、逆变器3直流供电回路电流是否超越设定的上限值，任一事件的发生都输出信号。

高压设定信号发生器10的输出由计算机或可编程控制器(PLC)数字设定经数模转换(DAC)产生或由模拟电路产生后送入高压调节器。高压设定信号发生器10用于产生加速电压的设定波形，包括升降斜率和工作电压的设定。

高压调节器11为比例—积分(PI)调节器结构，正常工作时，接收高压设定信号U_a ^*和反馈信号U_a的偏差信号⊿U_a，输出送入逆变器驱动电路单元12调节高频脉宽调制输出波的占空比；故障判别电路单元9有信号输出时，调节器11的输出被封锁。高压调节器11用于加速电源输出电压的精度控制，并保证加速电源稳定运行。

逆变器驱动电路单元12产生的驱动波形经隔离放大后分别接至逆变器3中各个功率开关管的控制极，各个功率开关管的集电极有信号反馈回逆变器驱动电路单元12用于监控开关管工作状况，任一开关管工作状况出现异常，逆变器驱动电路单元12将输出一个信号送入故障判别电路单元9。逆变器驱动电路单元12用于产生逆变器3中各功率开关管合理的驱动脉冲，并实时检测各管的工作状态。

逆变器3输入电流检测电路单元13的输出信号送入故障判别电路单元9。逆变器3输入电流检测电路单元13用于测量逆变器3直流输入电流值，输出正比于逆变器3直流输入电流值的取样信号。

本实施例电子束焊机加速高压电源的控制方法，包括输出高压的稳定调节，逆变器驱动控制及故障保护控制。

所述输出高压的稳定调节：电子束焊机加速高压电源由三相市电供电，采用AC→DC→AC→DC电流变换方式，中间DC→AC逆变环节为中频逆变，在逆变过程同时实现高频脉宽调制调压功能；由中频高压变压器实现电能的传递、电压值的变换和高压绝缘；高压调节器11根据高压设定信号U_a ^*和反馈信号U_a的偏差信号⊿U_a进行比例—积分(PI)运算输出信号U_c去调节逆变器3的高频脉宽调制输出波的占空比，最终实现输出高压的稳定调节。

所述逆变器驱动控制包括各中频逆变桥的相序控制和高频脉宽调制的占空比控制。两逆变桥的逆变相序和脉宽调制波相序受同一时钟(CL)控制，两逆变桥中频逆变波相位差为90°，相序呈对称分布，逆变器3上半桥功率管的驱动信号为中频方波(800H_z)，下半桥功率管的驱动信号为中频方波和高频脉宽调制波相“与”逻辑运算后的波形。两逆变桥的高频脉宽调制波的相位差亦为90°，即相序亦呈对称分布，如图3所示。高频脉宽调制波频率是中频逆变频率的16倍(12800H_z)，两组逆变桥输出波形严格对称。高频脉宽调制波的占空比正比于高压调节器的输出信号U_c。

所述故障保护控制包括下列步骤：故障判别电路单元9检测电子束流取样电阻8上的电子束流信号I_b，如果超过设定的上限值判为电子束流过流故障；故障判别电路单元9检测高压取样电路单元7的输出信号U_a，如果超过设定的上限值判为加速电压过压故障；故障判别电路单元9检测高压取样电路单元7的输出信号U_a，如果产生负突跳变化判为加速电源产生高压放电故障；逆变器驱动电路单元12检测逆变器3每个功率开关管的温度信号，任一功率开关管的温度超过设定的上限值判为逆变器3过载故障；逆变器驱动电路单元12检测逆变器3每个功率开关管的被驱动后的管压降，任一检测值超过设定的上限值判为逆变器3短路故障；故障判别电路单元9检测逆变器3输入电流检测电路单元13的输出信号I_d，如果超过设定的上限值判为供电电流过流故障。上述任一故障的产生故障判别电路单元9都输出信号，并立即封锁高压调节器的输出。如果产生高压放电故障，调节器输出被封锁1～3毫秒后，自动解除封锁，实现高压自动重启；在设定时间段内高压放电故障发生次数超过设定次数则判为“永久故障”，此时与处理其它故障类型的措施一样切断电网供电电源和高压设定信号，待故障排除后，再手动重启高压。

本实施例电子束焊机主电源(电子束加速高压电源)直接由三相市电整流后供电，逆变器3把直流电逆变成中频交流电，通过中频高压变压器4升压后整流输出高压直流电；加速电源采用输出电压负反馈控制方式，逆变器3在逆变过程同时实现高频脉宽调制调压。逆变器3由两个H型桥式逆变电路组成，每组逆变桥的中频逆变频率相同，高频脉宽调制的频率及占空比亦相同，两组逆变桥中频逆变波形的相位差为90°，呈对称分布，两高频脉宽调制波形的相位差亦为90°，亦呈对称分布。一组逆变桥加一个中频高压变压器加一个高压整流桥组成高压电源的一个逆变供电单元组，两个单元组的输出经过串联连接后总输出作为电子束的加速电源。这样中频高压变压器的铁心可采用0.2mm～0.35mm厚的常用冷轧硅钢片叠成，整个中频高压变压器4制造工艺简单，而高压整流输出的直流电的脉动频率却是高频脉宽调制频率的两倍(25600H_z)，总整流波在脉宽调制占空比大于50％时(由中频高压变压器设计参数保证)已无过零点。这样高压总整流波的脉动频率高，而脉动幅值低，选用较小的高压滤波电容值就能滤掉交流成分，满足纹波系数指标要求。高压滤波电容值小一方面系统惯性时间常数小，有利于提高控制系统调节速度，另一方面贮能小，高压放电产生的冲击自然小，有利于提高电源系统运行可靠性。

实施例2：

本实施例的电子束焊机加速高压电源装置，如图4所示，与实施例1的区别在于高压整流滤波电路单元5的两个高压整流桥并联输出(实施例1为串联输出)，而其它部分完全相同。

上述实施例是以本实用技术方案为前提下进行实施的，给出了两组逆变桥的实施方法。但本实用的保护不限于上述两组逆变桥实施例，只要电子束焊机的加速高压电源采取中频逆变及逆变过程采取高频脉宽调制调压的方式即属于本实用的保护范围。

Claims

【权利要求1】电子束焊机加速高压电源装置，其特征在于：包括电网滤波器、输入整流滤波电路单元、逆变器、中频高压变压器、高压整流滤波电路单元、高压放电扼流电路单元、高压取样电路单元、电子束流取样电阻、高压设定信号发生器、高压调节器、逆变器驱动电路单元；电网滤波器的输入端与三相电网相接，其输出送入输入整流滤波电路单元中低压整流桥的交流输入侧；输入整流滤波电路单元输出的平直的直流电送入逆变器各逆变桥的直流输入端；逆变器包括至少两组逆变桥组成，每个逆变桥输出的经高频脉宽调制后的中频交流电送入与逆变桥相数对应的中频高压变压器的初级绕组；每个中频高压变压器次级输出的中频高压电送入与中频高压变压器相数对应的高压整流滤波电路单元中高压整流桥的交流输入侧；各个高压整流桥输出经高压电容滤波后再串联或并联输出，高压整流滤波电路单元的高压端接至高压放电扼流电路单元，低压端经电子束流取样电阻与大地和电子枪的阳极相接；高压放电扼流电路单元的输出接至电子枪的阴极；高压取样电路单元并接于高压放电扼流电路单元输出端与大地之间，输出的信号一路送入高压调节器作为负反馈信号；电子束流取样电阻串接于加速电源输出回路的低压端，输出的信号一路送入电子束流调节器作为负反馈信号；高压设定信号发生器的输出由计算机或可编程控制器数字设定经数模转换产生或由模拟电路产生后送入高压调节器；高压调节器为比例—积分调节器结构，正常工作时，接收高压设定信号和反馈信号的偏差信号，输出送入逆变器驱动电路单元调节脉宽调制输出波的占空比；逆变器驱动电路单元产生的驱动波形经隔离放大后分别接至逆变器中各个功率开关管的控制极。
【权利要求2】根据权利要求1所述的电子束焊机加速高压电源装置，其特征在于：所述逆变器主要由A、B两组H型逆变桥并联而成，每组逆变桥包括对称的左桥臂电路和右桥臂电路，左、右桥臂电路各包括两个开关功率管、两个续流二极管和一个缓冲电路；左上桥臂开关功率管与左上桥臂续流二极管反并联，左下桥臂开关功率管与左下桥臂续流二极管反并联，左上桥电路与左下桥臂电路串联后再与左桥臂缓冲电路并联地接至输入整流滤波电路单元的输出端；逆变桥的输出端接至中频高压变压器的初级绕组。
【权利要求3】根据权利要求1或2所述的电子束焊机加速高压电源装置，其特征在于：所述还包括故障判别电路单元，故障判别电路单元接受来自高压取样电路单元、电子束流取样电阻、逆变器驱动电路单元、逆变器输入电流检测电路单元的信号，对高压电源运行状态实时监控，出现异常时输出信号，输出信号一路送入高压调节器用于封锁调节器的输出；另一路送入电子束焊机总控装置用于实现电源的多重保护。