电子束焊机用高压直流电源的研究

1、电子束焊机用高压直流电源的研究第45卷第1O期2011年10月电力电子技术PowerElectronicsV01.45,No.10October2011电子束焊机用高压直流电源的研究罗进,冯德仁,黄锐,杨涛(1.安徽工业大学,安徽马鞍山243002;2.中国科学技术大学国家同步辐射实验室.安徽合肥230015)摘要:这里给出电子束在束腔内的运动方程并得出解,分析了其运动时的发散情况与加速电压性能间的关系.针对国内应用于电子束焊机的高压直流电源的发展现状,研制了一台基于串联谐振变换技术和多模块串联叠加技术的大功率高频高压直流电源的工程样机,此样机实现了输出电压连续可调和稳定的过流过压保护.以及开

2、关管IGBT工作在软开关状态,有效减小了开关损耗和电磁干扰(EMI),并且利用其固有的特性阻抗.提高了抗短路能力.实验结果表明,所研制的电源能达到80kV/15kW输出,其性能满足电子束焊接装置的要求.关键词:电源;电子束焊机;串联谐振;线性叠加中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:1000一lOOX(2011)10000103ResearchofHighvoltageDCPowerSupplyAppliedinElectronicBeamWelderLU0Jin,FENGDeren一,HUANGRui.YANGTao(1.AnhuiUniversityofTechnology,Moan

3、shan243002,China)Abstract:Thesolutionofelectronbeammotionequationintheweldingequipmentispresented,andtheinfluencesonthebeamspotdiameterbythecapabilityofpowersupplyareanalyzed.AnalysingthedevelopmentsituationofDChigh.voltage,whichmakeapplicationfortheelectronbeamwelderinthedomestic.ADChighpower,highf

4、requencyandhigh-voltageengineeringprototypemachinewhichbasedonseriesresonanttransformstechniqueandmulti.modulesse.riessuperpositiontechniqueisdeveloped.Thisprototypereatizesthecontinuousadjustableoutputvoltage,stableovervoltageprotectionandover?currentprotection,aswellastheswitchtubeIGBTworkinthesof

5、tswitchstate,thuscaneffectivelyreduceswitchlossandelectromagneticinterference(EMI),andmakeuseofitsinherentimpedancecharac-teristictoimprovethecapabilityofantishort-circuit.Theexperimentalresultshowsthatthedevelopedpowercanput80kV/15kW,andalsosatisfytherequirementsoftheelectronbeamweldingdevice.Keywo

6、rds:powersupply;electronicbeamwelder;seriesresonant;linearsuperimposition1引言电子束焊接技术作为高能束流加工技术的一种,具有能量密度高,焊接深度大,焊接变形小,可控精度高,真空环境下焊缝纯净等突出优点.在航空,航天,核工业等领域得到了广泛应用【1.高压直流电源主要为电子束提供加速电压.其性能的好坏直接决定电子束焊接的质量.我国电子束焊接设备制造技术起步较晚,目前主要产品仍使用中频发电机供电技术.该技术虽然相比于工频技术有纹波成分小,维护方便等优点,但相比于高频技术有纹波成分大,噪声高,体积大,效率低,成本高等缺点.因此这

7、里给出电子束在束腔内的运动方程并得出解.分析电子束在束腔内运动时的发散情况与加速电压性能之间的关系,研制出结合定稿日期:20110303作者简介:罗进(1984一),男,湖南岳阳人,硕士,研究方向为高压谐振电源及功率变换技术.串联谐振变换技术和多模块串联叠加技术的大功率高压直流电源,用于取代电子束焊接现用的中频高压直流电源.2加速电源对束流运动的影响由于所有电源都存在一定范围的稳定度和纹波.可能对电子束焊接质量产生影响.因此先讨论束流在加速电场中的运动.假定加速电场为:E=Eoz,则单粒子的运动方程为dp/dt=qE,不考虑空间电荷效应,p=0,p,=0,=g.由于粒子加速能量较大,为80ke

8、V,而电子静态能量为511keY,因此需要考虑相对论效应,即:=const,pc)=m赢一p,o+qEotem2/E=mec/,/m2c2+p2+p,o2+(p+qEot).由E=Eoz,dp/dt=qE及式(1)可分别解得:1第45卷第l0期2011年l0月电力电子技术PowerElectronicsVo1.45,No.10October2011t篙log2棚而+1ogi2(w+丽)】,t,YqEomo(po+qEot)+(2)lj_,/m22柏22柏2L凸0式中:.,Yo,.分别为电子的初始位置.令z)=(z0+嵩,/+p印,02+p)Cc,上n/从而得到:g(z)=Vf(z)-(me2枷

9、2,02)(3)log(4)在此所关心的是粒子在平面上的分散度.由于玩(z一)>7OkV,而.(加速腔长度)一般在几十厘米,由f(z)表达式及式(3)可得(z)(z.),g(z)g(zo),即厂(z)+g()】/厂(zo)+g(zo)=1,将其代入式(4)可见,粒子通过不足1m的加速距离后,其在,Y方向上的位置与初始位置几乎相等,由此可知,粒子加速后的分散度与加速电压的稳定度和纹波关系不大.因此加速电源的设计主要考虑为达到一定焊接深度所必需的电压值,影响焊接质量的电压纹波与稳定度,电源效率等因素.3加速电源系统构成3.1单模块主电路拓扑结构图1为模块主电路拓扑结构.采用不控整流后接DC/

10、DC直流斩波电路,将输出端电压取样.经控制电路单元实现电压的大范围调节及较高的稳压精度.系统还设有过流,过压保护电路,提高了系统可靠性.全桥逆变电路将母线直流电压转换为高频方波交流电压,该交流电压作为谐振电容和高频变压器漏感所构成谐振网络的输入,经过高频高压变压器初级,经50倍升压和高压硅堆整流后转换为约30kV直流高压输出.图1单模块主电路拓扑结构图3,2串联谐振变换器的工作模式分析依据逆变器开关频率与谐振频率的关系,串联谐振逆变电路有3种工作模式:/22电流不连续工作模式(DCM),软开关状态,零电流导通,零电流关断/零电压关断,适用于中,小功率高压电源;2电流连续工作模式(CCM),谐振

11、回路呈容性.开关管处于软关断,硬开通状态,适用于大功率高压电源;电流CCM,谐振回路呈感性,开关管呈软开通,硬关断状态,一般较少采用.鉴于设计要求,从改善开关环境和功率角度考虑,采用f,=fj2的CCM,实现开关管IGBT的零电流关断,微小电流开通,减少开关损耗,电流连续有利于提高输出功率.在-fj2情况下电路的一个周期可分为4个区间,即4种工作模态3,波形如图2所示.一!厂_!IIllIIIj.0l:1.!IL.L_JIl一1?厂r?.I.-_J1._L:一/:.:i.!/,.:一:/,:/:toVttVU4t2Vs3t3Vt4VV图2f,-fj2模式下的波形图模态1.(tof1)设t0时刻

12、起VS1,VS导通,VS,VS,关断,回路正向流过谐振电流(>0),通过变压器及高压硅堆向负载提供能量.该状态结束后,过零,C上的电压0达到正最大值.模态2(t一t2)t时刻过零,VS.,VS自然关断.由于控制信号设有死区时间,VS,VS,未导通,谐振电流(iLr<0)流过VD.,VD向电源反馈能量.模态3(t2t.)t3时刻起VS,VS3导通,VS,VS关断,回路反向流过谐振电流(<0),通过变压器及高压硅堆向负载提供能量.该状态结束后,i再次过零,o达到负最大值.模态4(t3t4)在t3时刻过零,VS,VS3自然关断.同理由于信号设有死区时间,VS.,VS未导通,谐振电流

13、(>0)流过VD:,VD向电源反馈能量,t后进入下一个周期循环.由此可见,调节开关频率实现Vs一Vs小电流值条件下导通,零电流条件下自然关断,因此仅存在很小的开关损耗.利于逆变器的高频运行,并且经变压器耦合后.馈入高频整流电路的电压不再是连续方波,而是准正弦波,避免了连续方波脉冲中含有的高次谐波与次级倍压回路构成谐振回路.从而产生谐振高压打火和损坏倍压器件【4】等现象.如果续流二极管具有良好的反向恢复特性,可电子束焊机用高压直流电源的研究以避免较大的峰值电流流过开关元件.也能减小二极管的关断损耗.3.3多模块串联叠加技术由于目前电子器件通流,耐压的限制和制作工艺的局限性,要获得大功率的高

14、压直流电源.需以增加器件为代价.该系统采用多模块串联叠加技术实现大功率高压直流电源,即将多个单一电源模块进行串联线性叠加而最终获得高压输出.系统高压输出端增设了阻容电路来吸收高压整流硅堆产生的过电压,保护高压硅堆不被损坏.直流80kV加速电源正端接地,输出为负高压.整个电路中升压变压器和高压整流硅堆都放在一个油箱中,油箱内充满变压器油.保证电源本体在工作时的绝缘和散热需要.3.4控制电路的软,硬件设计控制器以单片机为核心,分别利用单片机STC89S52定时器T0输出占空比可调且带死区的两路互补的PWM驱动信号,定时器T输出时钟频率可调且带死区的两路互补的PFM驱动信号.分别作为DC/DC.DC

15、/AC全桥变换电路开关的驱动时钟,还包含过流过压保护,A/D转换.软件主流程以及T0(T中频率变量控制频率输出)中断流程如图3所示,过流过压采用外部中断实现.肩动T0,Tl定时l中断与A/Dl匝鲴豳睡(a)主电路程序流程图(b)qu断流程图图3主程序与中断流程图T0输出的时钟频率为15kHz,脉宽实现从O45%可调;T输出脉宽约为40%,频率实现从1025kHz可调.驱动信号再经EXB841后控制IGBT的导通与关断.前级DC/DC全桥调压斩波电路直流电压的输出端进行直流电压取样.电压检测电路采用光耦隔离.使输出端与控制电路实现电气隔离,提高电路的抗干扰能力.4样机实验测试模块Cr0.35F,

16、实测L50H,根据理论计算.38kHz,由图4a所示的谐振电流与驱动电压波形可知,当.19kHz时,实现零电流关断,基本上为零电流开通,有效的减少了开关损耗.系统高压直流电源由3个模块串联叠加而成.高压取样按1000:1的电阻取样,输出电压波形如图4b所示难>,衄曼滚2.t/(25s/格)(a)谐振电流羽I驰动电压图4实验波形可见,各模块在相同输入电压下其输出直流电压基本一致,说明各模块主要器件和电路参数基本一致,无大范围偏差.输出电压在低压段满足线性叠加,但在高压段逐渐偏离,电压越高偏离越严重.其原因可能是:由于3台高频升压变压器在同一油箱内.在高压段相互EMI较严重.影响变压器磁通变化,导致输出总电压减小;由于3模块同时运行.电压急剧升高,从而引起高压油箱内部产生电晕,此现象随电压升高而加剧.5结论由理论推导可知.电子束在束腔内加速后的分散度受加速电压影响不大,说明电子束加速电源的设计仅需考虑为达到必要的焊接深度而需要的加速电压,电源效率等因素.为克服传统大功率高压直流电源的弊端.采用串联谐振变换器作为输入功率源,可以有效增大功率密度.在各种器件现有制作工艺的前提下.为获得更高的电压.采用新的拓扑结构,即多模块串联叠加技术