半橋逆變型電子束焊機用直流高壓電源的設計
http://www.dcyhziu.cn 2007/6/26 源自:中華職工學習網 【字體：
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1引言
電子束焊機用高壓電源的高效小型化是電子束焊機的發展需要[1]。電子束焊機從當初的試驗室應用發展到應用于工業領域以來，其高壓電源亦經過了近50年的 發展歷程。從高壓電源的發展階段看，最初的高壓電源由調壓器人工開環控制和調節高壓，整流器件為閘流管，這種原始的控制和調節僅滿足于試驗研究和要求不高 的應用場合。體積大、效率低、操作復雜和可靠性差是該種電源的主要缺點。隨著近代電子技術及電力電子技術的快速發展，一些先進的元器件如晶閘管被成功地應 用到高壓電源的設計和制造領域。由于電源采用閉環控制，實現了高壓的自動控制和調節，這使電源的穩定性、紋波電壓及可靠性等技術指標都得到了顯著的提高， 而高壓電源性能的提高也改善了電子束焊機的焊接質量，促進了電子束焊機的發展。
自上世紀90年代以來，新型電力電子器件（如IGBT）、數字控制技術及自動控制技術的快速發展和廣泛應用，更加促進了電子束焊機電源的發展。西方國家開 始應用現代新技術和新材料研制電子束焊機，如比較大型的電子束焊機及電子束技術應用生產線均采用計算機控制，實現人工智能化操作和管理。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，容易實現對電子束焊機的可靠控制。
2高壓電源的主電路系統和參數
高壓電源的系統框圖如圖1所示，其主電路如圖2所示。它主要由以下電路組成。
2.1EMC濾波電路
開關電源工作時會產生傳導噪聲返回到市電網絡，影響電源控制電路的正常工作，并對其它的電器設備產生干擾，因此必須加以克服[2]。本電源采用EMC濾波 電路，主要由L和C組成的電源線路濾波器，包括差模抑制和共模抑制電路，能有效抑制差模和共模噪聲。
2.2可控整流電路
可控整流電路由集成一體化智能調壓模塊組成，電感L1和電容C3組成濾波電路以獲得較為平穩的直流電壓，Rc和Rd組成精密的反饋取樣電路，確保輸出電壓在控制電路的作用下保持穩定。
2.3IGBT逆變電路
逆變電路由半橋電容C、IGBT、高壓變壓器、保護元件等組成。IGBT為富士公司的快速系列模塊，其型號為1MBH600-100。T為高壓變壓器，經 IGBT逆變后的方波電壓經高壓變壓器升壓到40kV左右的高頻交流電壓。由于高壓線圈的匝數較多，在高頻時，寄生電容和自感會影響電源的輸出特性 [3]，因此須對線圈采取靜電屏蔽，另外由于對地電容的作用，束流取樣電阻上會疊加一高頻交流信號[4]，必須采取補償措施加以消除。本電源采用雙屏蔽措 施來消除束流干擾信號，即在高低壓線圈之間加裝雙層屏蔽，第一層屏蔽接地，第二層接在束流取樣電阻上。VL11、R9、C9、VL21、R19、C19組 成IGBT的尖峰電壓吸收電路，確保IGBT的安全工作。
2.4高壓整流電路
高壓整流電路由高頻高壓硅堆、高壓濾波電容器、保護電阻及取樣電路組成。由于經高壓變壓器升壓后的電壓具有較高的頻率，所以選用高頻高壓快速整流硅堆以滿 足高頻高壓整流的需要。濾波電容器選用高壓聚苯乙烯電容器，這種電容器具有較小的tgδ及高頻性能，對電源的輸出特性影響小。為有效地限制短路電流及電源 內部過電壓的限流電阻和保護電阻，均采用具有熱性能穩定、自感小、通流容量大，具有較強的耐受過電壓、電流沖擊能力的實體電阻。取樣電路中的高壓取樣信號 由精密電阻分壓器獲得，分壓器由精密線繞無感電阻制成，頂部加裝屏蔽電極，保證取樣電壓的穩定。電子束流取樣亦通過精密無感線繞電阻制成，兩種取樣電阻均 放在電磁屏蔽盒里，防止干擾信號進入控制電路。
3控制電路
控制電路由PI給定調節電路、PWM及其驅動電路等組成。整流控制電路保證市電整流后輸出電壓的穩定。PI給定調節電路和PWM及其驅動電路實現直流高壓的穩定和自動調節。各部分電路的工作原理如下。
3.1整流移相控制電路
整流控制電路為集成在調壓模塊內的厚模集成電路。整流后的直流電壓經電阻分壓器取樣并經電量隔離電路送入PI調節器的反饋端，PI調節器在給定和反饋的共 同作用下，并經放大后輸出一直流信號給智能調壓模塊控制端，以控制晶閘管的觸發角，實現直流輸出電壓的穩定調節。輔助電源采用集成一體化高精度線性電源， 各電源地分別獨立，以減小地電流干擾信號對控制電路的影響。
3.2PI給定調節電路
PI給定調節電路由PLC和D/A模塊、PI調節器、反饋信號取樣及隔離電路等組成。給定信號由PLC程序設置，它包含了上升斜波函數及下降斜波函數，運 算后的數字量經D/A模塊輸出到給定電位器，調節電位器能調節PI調節的給定信號的大小。反饋信號取自高精密電阻分壓器的低壓臂并經電量隔離電路輸入到 PI調節器的反饋端。PI調節器由TL494[6]內部放大器和外接電阻電容組成，具體原理電路如圖3所示。
3.3PWM及其驅動電路
PWM及其驅動電路的電原理圖如圖3所示。PWM信號由TL494調制，TL494內部的另一放大器外接電流信號作為過流保護用。電流傳感器采用LEM公 司生產的電流檢測隔離器件，能保證控制電路和主電路的可靠隔離，具有動態響應快、取樣電流信號與輸出電流線性度好的特點，能有效克服高壓電路的干擾信號對 取樣電路的影響。反饋信號和給定信號在PI調節器調節后經TL494調制成兩路互補的PWM脈沖。TL494輸出的脈沖送入到IGBT的專用驅動模塊 EXB840的輸入端，IGBT的驅動電路采用富士公司的EXB840專用驅動1200V、70A的模塊，內部采用2500V光電隔離電路，其輸入電壓為 ＋20V，其中＋15V作為IGBT的正向驅動電壓，－5V是IGBT關斷時加在IGBT的柵極與發射極之間的反向電壓，使之可靠關斷。腳14外接 TL494輸出的PWM信號驅動IGBT，腳6通過二極管接到IGBT來檢測IGBT的過流信號，腳4外接控制電路把過流信號輸入到PLC，PLC對其進 行運算和處理后發出過流信號。控制電路的工作過程為經PI調節器作用后的信號輸入到TL494內部，TL494輸出PWM脈沖，其占空比由PI調節器輸出 信號的大小來決定，具有一定占空比的PWM脈沖經EXB840作用后驅動IGBT，從而實現變壓器輸出電壓的穩定調節。
4保護電路
高壓電源在工作時，電源的內部會產生過電壓或過電流以致損壞電源或IGBT，因此必須設置保護電路來保證電源的安全。電源設置了過壓保護、梯度上升及下降 電路和過流保護電路。過流保護采用了三級保護：第一級是EXB840電路本身的過流保護檢測功能，即在IGBT過流時，IGBT驅動模塊的腳6會檢測到過 流信號而直接封鎖輸出脈沖，關斷IGBT，同時EXB840的腳4經過外接電路輸出信號給PLC，PLC經過程序運算后，一方面發出過流信號指示，另一方 面給晶閘管移相控制電路提供封鎖脈沖信號，關斷晶閘管主電路。第二級保護是利用TL494的內部放大器的腳15、16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，從而實現對IGBT的關斷。第三級保護是高壓側電子束流過流保護，當出現過電流時，束流取樣信號反饋到控制電 路，控制電路發出過流信號給PLC，PLC分別發出關斷主電路和過流顯示信號，從而實現過流保護。電源還設置了過壓保護電路，能有效地對電源的過電壓進行 保護，在高壓電源的內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內部程序設置了軟啟動斜坡 函數，經D/A模塊運算后作為PI調節器的給定，實現電源的軟啟動。
5電源系統的技術指標
電源的技術指標如下：
輸入電壓220V，50Hz；
輸出電壓0～60kV，紋波系數<1％，穩定度10－4；
電子束流0～167mA，紋波系數<1％；
逆變頻率20kHz；
輸出功率0～10kW；
效率>80％。
6結語
經試驗，電源的各項技術指標均達到了預期的設計目標。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，特別適用于便攜式電子束焊機，提高了設備的使用效率，較容易實現對高壓的自動化聯鎖保護，使得設備操作更加簡單。
大功率電子束焊機用高壓電源采用逆變電源還需要進一步地研究。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、高頻變壓器的制造技術、逆變控制技術等有待于進一步地研究和開發。
由于可靠性和電源效率的提高，中等功率的焊機采用本設計的高壓電源（3～15kW）值得推廣和應用。在高壓打火時電源對低壓電路的影響、IGBT的過流和過壓保護、EMC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，在高壓聯鎖保護方面優點明顯，對電子束斑品質的改善、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的新課題，本電源的經驗和設計數據對高壓焊機用高壓電源的研究具有參考意義。
電子束焊機用高壓電源的高效小型化是電子束焊機的發展需要[1]。電子束焊機從當初的試驗室應用發展到應用于工業領域以來，其高壓電源亦經過了近50年的 發展歷程。從高壓電源的發展階段看，最初的高壓電源由調壓器人工開環控制和調節高壓，整流器件為閘流管，這種原始的控制和調節僅滿足于試驗研究和要求不高 的應用場合。體積大、效率低、操作復雜和可靠性差是該種電源的主要缺點。隨著近代電子技術及電力電子技術的快速發展，一些先進的元器件如晶閘管被成功地應 用到高壓電源的設計和制造領域。由于電源采用閉環控制，實現了高壓的自動控制和調節，這使電源的穩定性、紋波電壓及可靠性等技術指標都得到了顯著的提高， 而高壓電源性能的提高也改善了電子束焊機的焊接質量，促進了電子束焊機的發展。
自上世紀90年代以來，新型電力電子器件（如IGBT）、數字控制技術及自動控制技術的快速發展和廣泛應用，更加促進了電子束焊機電源的發展。西方國家開 始應用現代新技術和新材料研制電子束焊機，如比較大型的電子束焊機及電子束技術應用生產線均采用計算機控制，實現人工智能化操作和管理。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，容易實現對電子束焊機的可靠控制。
2高壓電源的主電路系統和參數
高壓電源的系統框圖如圖1所示，其主電路如圖2所示。它主要由以下電路組成。
2.1EMC濾波電路
開關電源工作時會產生傳導噪聲返回到市電網絡，影響電源控制電路的正常工作，并對其它的電器設備產生干擾，因此必須加以克服[2]。本電源采用EMC濾波 電路，主要由L和C組成的電源線路濾波器，包括差模抑制和共模抑制電路，能有效抑制差模和共模噪聲。
2.2可控整流電路
可控整流電路由集成一體化智能調壓模塊組成，電感L1和電容C3組成濾波電路以獲得較為平穩的直流電壓，Rc和Rd組成精密的反饋取樣電路，確保輸出電壓在控制電路的作用下保持穩定。
2.3IGBT逆變電路
逆變電路由半橋電容C、IGBT、高壓變壓器、保護元件等組成。IGBT為富士公司的快速系列模塊，其型號為1MBH600-100。T為高壓變壓器，經 IGBT逆變后的方波電壓經高壓變壓器升壓到40kV左右的高頻交流電壓。由于高壓線圈的匝數較多，在高頻時，寄生電容和自感會影響電源的輸出特性 [3]，因此須對線圈采取靜電屏蔽，另外由于對地電容的作用，束流取樣電阻上會疊加一高頻交流信號[4]，必須采取補償措施加以消除。本電源采用雙屏蔽措 施來消除束流干擾信號，即在高低壓線圈之間加裝雙層屏蔽，第一層屏蔽接地，第二層接在束流取樣電阻上。VL11、R9、C9、VL21、R19、C19組 成IGBT的尖峰電壓吸收電路，確保IGBT的安全工作。
2.4高壓整流電路
高壓整流電路由高頻高壓硅堆、高壓濾波電容器、保護電阻及取樣電路組成。由于經高壓變壓器升壓后的電壓具有較高的頻率，所以選用高頻高壓快速整流硅堆以滿 足高頻高壓整流的需要。濾波電容器選用高壓聚苯乙烯電容器，這種電容器具有較小的tgδ及高頻性能，對電源的輸出特性影響小。為有效地限制短路電流及電源 內部過電壓的限流電阻和保護電阻，均采用具有熱性能穩定、自感小、通流容量大，具有較強的耐受過電壓、電流沖擊能力的實體電阻。取樣電路中的高壓取樣信號 由精密電阻分壓器獲得，分壓器由精密線繞無感電阻制成，頂部加裝屏蔽電極，保證取樣電壓的穩定。電子束流取樣亦通過精密無感線繞電阻制成，兩種取樣電阻均 放在電磁屏蔽盒里，防止干擾信號進入控制電路。
3控制電路
控制電路由PI給定調節電路、PWM及其驅動電路等組成。整流控制電路保證市電整流后輸出電壓的穩定。PI給定調節電路和PWM及其驅動電路實現直流高壓的穩定和自動調節。各部分電路的工作原理如下。
3.1整流移相控制電路
整流控制電路為集成在調壓模塊內的厚模集成電路。整流后的直流電壓經電阻分壓器取樣并經電量隔離電路送入PI調節器的反饋端，PI調節器在給定和反饋的共 同作用下，并經放大后輸出一直流信號給智能調壓模塊控制端，以控制晶閘管的觸發角，實現直流輸出電壓的穩定調節。輔助電源采用集成一體化高精度線性電源， 各電源地分別獨立，以減小地電流干擾信號對控制電路的影響。
3.2PI給定調節電路
PI給定調節電路由PLC和D/A模塊、PI調節器、反饋信號取樣及隔離電路等組成。給定信號由PLC程序設置，它包含了上升斜波函數及下降斜波函數，運 算后的數字量經D/A模塊輸出到給定電位器，調節電位器能調節PI調節的給定信號的大小。反饋信號取自高精密電阻分壓器的低壓臂并經電量隔離電路輸入到 PI調節器的反饋端。PI調節器由TL494[6]內部放大器和外接電阻電容組成，具體原理電路如圖3所示。
3.3PWM及其驅動電路
PWM及其驅動電路的電原理圖如圖3所示。PWM信號由TL494調制，TL494內部的另一放大器外接電流信號作為過流保護用。電流傳感器采用LEM公 司生產的電流檢測隔離器件，能保證控制電路和主電路的可靠隔離，具有動態響應快、取樣電流信號與輸出電流線性度好的特點，能有效克服高壓電路的干擾信號對 取樣電路的影響。反饋信號和給定信號在PI調節器調節后經TL494調制成兩路互補的PWM脈沖。TL494輸出的脈沖送入到IGBT的專用驅動模塊 EXB840的輸入端，IGBT的驅動電路采用富士公司的EXB840專用驅動1200V、70A的模塊，內部采用2500V光電隔離電路，其輸入電壓為 ＋20V，其中＋15V作為IGBT的正向驅動電壓，－5V是IGBT關斷時加在IGBT的柵極與發射極之間的反向電壓，使之可靠關斷。腳14外接 TL494輸出的PWM信號驅動IGBT，腳6通過二極管接到IGBT來檢測IGBT的過流信號，腳4外接控制電路把過流信號輸入到PLC，PLC對其進 行運算和處理后發出過流信號。控制電路的工作過程為經PI調節器作用后的信號輸入到TL494內部，TL494輸出PWM脈沖，其占空比由PI調節器輸出 信號的大小來決定，具有一定占空比的PWM脈沖經EXB840作用后驅動IGBT，從而實現變壓器輸出電壓的穩定調節。
4保護電路
高壓電源在工作時，電源的內部會產生過電壓或過電流以致損壞電源或IGBT，因此必須設置保護電路來保證電源的安全。電源設置了過壓保護、梯度上升及下降 電路和過流保護電路。過流保護采用了三級保護：第一級是EXB840電路本身的過流保護檢測功能，即在IGBT過流時，IGBT驅動模塊的腳6會檢測到過 流信號而直接封鎖輸出脈沖，關斷IGBT，同時EXB840的腳4經過外接電路輸出信號給PLC，PLC經過程序運算后，一方面發出過流信號指示，另一方 面給晶閘管移相控制電路提供封鎖脈沖信號，關斷晶閘管主電路。第二級保護是利用TL494的內部放大器的腳15、16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，從而實現對IGBT的關斷。第三級保護是高壓側電子束流過流保護，當出現過電流時，束流取樣信號反饋到控制電 路，控制電路發出過流信號給PLC，PLC分別發出關斷主電路和過流顯示信號，從而實現過流保護。電源還設置了過壓保護電路，能有效地對電源的過電壓進行 保護，在高壓電源的內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內部程序設置了軟啟動斜坡 函數，經D/A模塊運算后作為PI調節器的給定，實現電源的軟啟動。
5電源系統的技術指標
電源的技術指標如下：
輸入電壓220V，50Hz；
輸出電壓0～60kV，紋波系數<1％，穩定度10－4；
電子束流0～167mA，紋波系數<1％；
逆變頻率20kHz；
輸出功率0～10kW；
效率>80％。
6結語
經試驗，電源的各項技術指標均達到了預期的設計目標。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，特別適用于便攜式電子束焊機，提高了設備的使用效率，較容易實現對高壓的自動化聯鎖保護，使得設備操作更加簡單。
大功率電子束焊機用高壓電源采用逆變電源還需要進一步地研究。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、高頻變壓器的制造技術、逆變控制技術等有待于進一步地研究和開發。
由于可靠性和電源效率的提高，中等功率的焊機采用本設計的高壓電源（3～15kW）值得推廣和應用。在高壓打火時電源對低壓電路的影響、IGBT的過流和過壓保護、EMC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，在高壓聯鎖保護方面優點明顯，對電子束斑品質的改善、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的新課題，本電源的經驗和設計數據對高壓焊機用高壓電源的研究具有參考意義。
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