短电弧机床数控脉冲电源的研制❋

时间：2024-08-31

何强，周建平，章翔峰，许燕

（新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

0 引言

超硬材料的加工是机械加工领域普遍面临的一道技术难题，短电弧技术能有效地解决超硬、超强度、高韧性、高红硬性、高耐磨性、严重冷作硬化等新型特种材料的加工难题［1］。它利用两个电极（工件为阳极，工具电极为阴极）之间产生的短电弧放电来蚀除工件电极表面的金属材料，从而达到尺寸加工的目的。但是短电弧加工技术的机理仍处于研究阶段，该技术的高效加工与它本身很高的工作电流有着直接关系，是否与它的脉冲宽度和频率有关是下一步研究的重要内容。因此，本文研制一台瞬时脉冲功率最高可达72 kW的大功率脉冲电源样机，为短电弧加工技术的研究提供了重要的实验依据。

1 脉冲实验电源方案

该脉冲实验电源为短电弧机床提供多参数可调输出需求，具有电压型、电流型两种输出模式，可任意切换，同时具备输入过压、欠压、缺相、超温、输出过压、输出短路等保护电路，其结构框图如图1所示。电源采用两级信号调制方式，其中，一级调制电路包括整流滤波、全桥逆变、高频变压；二级调制电路包括倍流整流、电容储能、直流斩波。前者核心为全桥逆变电路，后者核心为直流斩波电路。电源输出电压幅值为5V～36 V，输出电流为0A～2 000A，脉冲频率为50Hz～20 kHz，占空比为0%～75%。

2 脉冲电源系统设计

2．1 脉冲电源主电路设计

图2为脉冲电源主电路拓扑结构。其具体工作过程是：三相交流经限流电感和EMI滤波、三相不控整流、工频滤波环节后，采用软开关技术［2］将整流滤波后的直流电由IGBT全桥逆变电路变换成正负极性的交流电，此高频交流电再经高频变压器和倍流整流电路后，将能量存储于储能电容中，最终，直流斩波电路将电容输出直流电变换为频率与占空比可调的电压脉冲供给负载。

图1 脉冲电源结构框图

图2 脉冲电源主电路拓扑结构

储能电容为功率脉冲提供持续的能量，选用高频低阻电解电容与高频高压大电流电容，可充分发挥高功率密度和高能量密度优势，从而使得电源系统具有短时间大功率输出的能力，又具备持久的动力性能。在直流斩波电路中，功率器件选用相同型号的大功率MOSFET，采用4个降压斩波电路并联组成多相多重均流斩波电路，采用移相倍频控制技术［3］。4路PWM信号彼此相移1／4周期，在输出端就会得到4倍的脉冲频率，该方法称为移相倍频控制技术。

该电路具有如下特点：电路输出脉冲频率高；单个开关管开关频率低，降低了系统的发热；有效避免了由于功率开关管的死区时间带来的影响；单个开关器件的电流低；各降压斩波电路单元可互为备用；4个开关器件的驱动信号来自于单片机，每个驱动信号分别轮流延时驱动开关管，最终在输出端可得到频率和占空比可调的脉冲。

2．2 脉冲电源控制系统设计

图3为脉冲电源控制系统结构框图。本控制系统以移相式PWM集成控制芯片UC3879为控制核心，主要任务为全桥IGBT模块提供驱动信号，并完成对器件以及放电回路的实时保护，另外参与输出电压调节。单片机编程产生斩波MOSFET模块驱动信号，并实现人机接口通讯。

图3 脉冲电源控制系统结构框图

脉冲电源加工过程中处于稳压源型输出方式，针对稳压源型脉冲电源，本电源采用自适应调压原理［4］，对放电回路输出电压进行采集对比，然后对PWM波占空比进行控制，使得放电加工时电压能够维持恒定，保持加工的效率与精确度。

图4为PI自适应电压调节原理图。其中，P1端为UC3879误差放大器反相输入端，通常接基准电压Vf，P2端为同向输入端，接在与输出电压相连的电阻分压器上。同相端采样电压Vi与基准电压Vf比较，其输出信号Ve与振荡器产生的三角波比较，交接点决定移相角的大小，从而改变输出脉冲的占空比，最终维持输出电压的恒定。该控制方法没有稳态误差，但系统动态响应稍慢。

2．3 脉冲电源保护系统设计

本脉冲电源的保护系统主要分为功率器件的保护和放电回路的保护［5］，前者防止功率器件过压和过流击穿，后者防止放电回路短路影响加工工件的表面质量。

在电源保护系统设计中，功率器件的过压、过流保护可通过驱动芯片以及相应的外围电路组成检查电路，若发生过压、过流情况，驱动芯片将产生的故障信号送入UC3879的CS端口，控制器则对全桥电路逐波关脉冲、直流斩波电路直接关脉冲或跳闸。放电回路的保护通过电流传感器检测直流斩波输出处的电流，控制器判断电流大于保护设定值时，同样对全桥电路逐波关脉冲、直流斩波电路直接关脉冲，并采用RCD吸收电路防止过电压。

图4 PI自适应电压调节原理图

在短电弧切削加工过程中，脉冲电源正负极在水汽喷雾作用下会不断产生放电通道，在放电通道内电流会迅速上升至上千安培，此时，直流斩波电路快速响应，瞬间输出大电流。电流传感器不断对回路电流进行采样比较，超过电流设定值后，可在1μs内迅速关断脉冲以保护器件和加工工件的安全。

3 基于MATLAB的电源主电路仿真分析

脉冲电源由直流开关电源和直流斩波器组成，前者为直流斩波电路提供恒定直流源，后者将恒压直流源变换为高频单脉冲电压。采用MATLAB下的Simulink和Simpowersystems模块建立仿真模型［6］，如图5所示。该脉冲电源设计方案可行，并且控制简单、方便。

4 电源实验分析及存在的问题

该数控脉冲电源最终实现的输出为：脉冲电压幅值5V～36V，占空比0%～75%，频率50Hz～20 kHz。图6为电源输出不同参数的脉冲电压波形。

根据短电弧加工实验结果可知，该短电弧机床数控脉冲电源设计方法有效可行，能为短电弧加工提供稳定的持续高能脉冲，达到了预期的加工效果，并满足设计指标。但在实验过程中该电源存在着如下问题：①电源在低频时波形趋于理想，但在高频段时，开关管出现无法关断的情况，导致波形发生畸变成为非方波脉冲（如图6（b））；②单片机编程计算产生驱动信号，但在高频段时容易产生死机现象；③放电回路必须严格布线，否则产生较大分布电感，导致回路续流二极管承受大电流而被击穿。所以有待于进一步对电源系统改进，以完善电源的各功能。