半橋逆變型電子束焊機用直流高壓電源的設計

1、半橋逆變型電子束焊機用直流高壓電源的設計摘 要：本文介紹了一種半橋逆變式電子束焊機高壓電源的工作原理和控制電路的工作過程。結(jié)合PLC的控制技術(shù)及電子束焊機用高壓電源的特點，提出一種以IGBT元件作為逆變器件來實現(xiàn)高壓電源的高效小型化。采用PLC控制技術(shù)實現(xiàn)電源的軟啟動功能,自動調(diào)節(jié)電路采用A/D和D/A轉(zhuǎn)換技術(shù),提高了電源的可靠性。經(jīng)過試驗，電源的各項性能指標都達到了預期的設計目標，電源的技術(shù)性能滿足電子束焊機的焊接工藝的需要。 關(guān)鍵詞：電子束焊機 高壓電源 PWM 半橋逆變 原理 Design of HV Source with half-bridge Inverter for Electr

2、on Beam WelderDepartment of Electron and Computer, GuiLin Institute of Technology (541004) Ye Hanmin Abstract： This paper introduces the working principle on high voltage source with half-bridge inverter for electronic beam welder, and analyzes operational principle of controlling circuits. Accordin

3、g to specialty of the source and PLC controlling technology, we use IGBT as inverter to realize a small volume of the source and soft -start of the source. We use A/D and D/A technology in auto-adjusting circuits to improve the source of stabilization. There are protecting circuits and high efficien

4、cy in the source. The experiments show the technology requirements of the source meet requirements of welding technology. Key words： Electronic Beam Welder (EBW) high voltage source PWM half-bridge inverter principle 1 概 述 電子束焊機用高壓電源的高效小型化是電子束焊接機的發(fā)展需要1。電子束焊機自試驗室的應用發(fā)展到當今的工業(yè)領(lǐng)域以來，其高壓電源的發(fā)展亦經(jīng)過了近50年的發(fā)展歷程，

5、從高壓電源發(fā)展階段看，高壓電源主要有以下幾種形式：最初的高壓電源為調(diào)壓器人工開環(huán)控制和調(diào)節(jié)高壓，整流器件為閘流管，這種原始的控制和調(diào)節(jié)僅滿足于試驗研究和要求不高的應用。體積大、效率低、操作復雜和可靠性差是該種電源的典型缺點。隨著近代電子技術(shù)及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，一些先進的元器件如可控硅控制技術(shù)被成功應用到高壓電源的制造工藝和設計領(lǐng)域。由于電源采用閉環(huán)控制高壓，實現(xiàn)了高壓的自動控制和調(diào)節(jié)，在電源的穩(wěn)定性、紋波電壓降低及可靠性等技術(shù)性能方面得到顯著的提高，與此同時，高壓電源性能的提高也改善了電子束焊接機的焊接質(zhì)量，電子技術(shù)的應用也促進了電子束焊機的發(fā)展，如自動化技術(shù)的提高使操作簡單、設備可靠等

6、。進入80年代以來，新型功率電子器件、數(shù)字控制技術(shù)及自動控制技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛應用，如IGBT器件在電源技術(shù)的獲得了廣泛的成功應用。西方國家開始應用現(xiàn)代新技術(shù)和新材料研究和制造電子束焊機如比較大型的電子束焊機及電子束技術(shù)應用生產(chǎn)線均采用計算機控制，實現(xiàn)人工智能化操作和 target=_blank class=infotextkey管理。一般小型機則采用PLC控制，由于PLC具有較強的抗干擾能力及控制功能強等特點，容易實現(xiàn)對電子束焊機的可靠控制。2 高壓電源的主電路系統(tǒng)和參數(shù) 高壓電源的主電路系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主電路如圖2所示。主要由以下電路組成。 2.1 EMC濾波回路 研究表明：

7、路和主電路的可靠隔離，具有動態(tài)響應快、取樣電流信號與輸出電流線性度好的特點，能有效克服高壓回路的干擾信號對取樣回路的影響。反饋信號和給定信號在PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后經(jīng)TL494調(diào)制成兩路互補的PWM脈沖。TL494輸出的脈沖送入到IGBT的專用驅(qū)動模塊EXB840的輸入端，IGBT的驅(qū)動電路采用富士公司的EXB840專用驅(qū)動1200V、70A的模塊，內(nèi)部采用2500V光電隔離電路，其輸入電壓為+20V，其中+15V作為IGBT的正向驅(qū)動電壓，-5V是IGBT關(guān)斷時加在IGBT的柵極與發(fā)射極之間的反向電壓，使之可靠關(guān)斷。14腳外接TL494輸出的PWM信號驅(qū)動IGBT，6腳通過二極管接到IGBT來檢測

8、IGBT的過流信號，4腳外接控制電路把過流信號輸入到PLC，PLC對其進行運算和處理發(fā)出過流信號?？刂齐娐返墓ぷ鬟^程為經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用后的信號輸入到TL494內(nèi)部，TL494輸出PWM脈沖，其占空比由PI調(diào)節(jié)器輸出信號的大小來決定，具有一定占空比的PWM脈沖經(jīng)EXB840作用后驅(qū)動IGBT，從而實現(xiàn)變壓器輸出電壓的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。4 保護電路 研究表明：高壓電源在工作時，電源的內(nèi)部會產(chǎn)生過電壓或過電流以致?lián)p壞電源或IGBT，因此必須采取保護電路來保證電源的安全工作。電源設置過壓保護、梯度上升及下降電路和過流保護電路。過流保護采用分三種形式進行保護。一是EXB840電路本身的過流保護檢測功能，即在I

9、GBT過流時，IGBT驅(qū)動模塊的6腳會檢測到過流信號而直接封鎖輸出脈沖，關(guān)斷IGBT，同時EXB840的4腳經(jīng)過外接電路輸出信號給PLC，PLC經(jīng)過程序運算后，一方面發(fā)出過流信號指示，另一方面給可控硅移相控制電路提供封鎖脈沖信號，關(guān)斷可控硅主電路。第二級保護是利用TL494的內(nèi)部放大器的15、16腳外接電流隔離傳感器，當檢測到的電流信號超過設定值時，TL494封鎖輸出脈沖，從而實現(xiàn)對IGBT的關(guān)斷。第三級保護是高壓側(cè)電子束流過流保護，當出現(xiàn)過電流時，束流取樣信號反饋到控制電路，控制電路發(fā)出過流信號給PLC，PLC分別發(fā)出關(guān)斷主電路和過流顯示信號，從而實現(xiàn)過流保護。電源還設置了過壓保護電路，能有

10、效地對電源的過電壓的保護，在高壓電源的內(nèi)部還加裝了限流電阻及保護電阻，能有效地限制過電流和過電壓。為了克服開機時市電對電源的沖擊，通過PLC內(nèi)部程序設置了軟啟動斜坡函數(shù)，經(jīng)D/A模塊運算后作為PI調(diào)節(jié)器的給定，實現(xiàn)電源的軟啟動。5 電源系統(tǒng)的技術(shù)指標 電源的技術(shù)指標如下： 輸入電壓：220V 50Hz； 輸出電壓：060kV 紋波系數(shù)：1% 穩(wěn)定度：10-4； 電子束流：0167mA 紋波系數(shù)：1% ； 逆變頻率：20kHz； 輸出功率：010kW 效率80%6 結(jié) 論 經(jīng)試驗電源的各項技術(shù)指標均達到了預期的設計要求，電子束焊機用高壓電源采用逆變式高壓電源有利于整個設備的小型化，特別適用于便攜

11、式電子束焊機，提高了設備的使用效率，較容易地實現(xiàn)對高壓的自動化聯(lián)鎖保護，使得設備操作更加簡單。 大功率電子束焊接機用高壓電源采用逆變電源需要進一步的研究。對于大功率焊機電源（30kW以上）體積和能耗處于相對非突出位置，另一方面大功率電源的高壓放電時的保護技術(shù)、高頻變壓器制造技術(shù)、逆邊控制技術(shù)等有待于進一步的研究和開發(fā)。 由于可靠性和電源效率方面的提高，中等功率的焊機采用本設計的高壓電源（315kW）值得推廣和應用。在高壓打火時電源對低壓回路的影響、IGBT的過流和過壓保護、EMC電磁兼容等方面采取了有效的措施，保證了電子束焊機的工作需要。高壓焊機用高壓電源（150kV）采用逆變高壓電源，在高壓連鎖保護方面優(yōu)點明顯，對電子束斑品質(zhì)的改善、焊接工藝的提高方面尤其如此。開展高壓焊機用高壓電源的研究是我國電子束焊機制造業(yè)的新課題，本電源的經(jīng)驗和設計數(shù)據(jù)對高壓焊機用高壓電源的研究具有參考意義。參考文獻： 1 葉漢民. 電子束焊機中的高電壓技術(shù)問題. 高電壓技術(shù). 1999（2） 2 Schafener 公司（瑞士）. 電力電子技術(shù). 1995（3） 3 張仁豫. 高電壓試驗技術(shù). 北京：清華大學出版社,1982 4 葉漢民. 一種高性能的電子束焊機用高壓電源. 電工技術(shù)雜志. 2000