专利名称：电子束熔敷设备逆变加速电源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电子束熔敷设备领域，具体涉及一种电子束熔敷设备逆变加速电源装置。
背景技术：
加速电源是电子束加工设备的关键部件之一，加速电源的技术指标的静态要求输出电压精度高，纹波小，动态要求调节速度快。根据技术指标要求，在不同时期技术条件下，采用不同的技术策略，如工频自耦变压器机械调压控制方式，工频晶闸管移相控制方式，中频发电机组调压控制方式，不同的技术策略，所达到的技术水平也各不相同。目前随着半导体器件的发展，加速电源多采用逆变脉宽调制(PWM)调压控制方式。为了减少输出电压的纹波量，采用高频逆变方式，如2012年10月《电焊机》杂志第42卷第10期刊登的“基于DSP的电子束焊接高压逆变电源控制系统的研制”，所采用的就是20kHz的逆变PWM调节，10级电容倍压的方式。这种方式，电容用量太多，由于单个高压电容的容量较少，而体积较大，整个电源的成本和体积都较大。另外，这种方式由于工作频率较高，逆变功率管的开关损耗较大，采用单个H桥逆变电路，对于大功率的加速电源需要特殊的大功率高频开关管，器件解决起来困难较大。另一种逆变方式是采用中频逆变，高频脉宽调制调压方式，如专利号为ZL200810302949.1的中国实用新型专利公开的“电子束焊机加速高压电源的控制方法及电源装置”，这种方式的特点，电容用量较少，采用一般冷轧硅钢铁芯，能够实现高压整流电压波形为高频脉动波，但仍存在功率管工作频率较高，开关损耗较大，且变压器中高频分量电流较大，会增加铁耗，不利于加速电源向大功率方向发展。当代逆变技术中，为了较少输出交流电压中的谐波含量，有两种不同的研究方向。一种是两电平研究方向，即利用PWM控制方式，通过提高开关频率的方法，使输出电压波形正弦化；另一种方向是多电平研究方向，即利用增加主电路电平数来减少输出电压中的谐波，并使逆变器的功率管工作在较低频率状态，以减少开关损耗及电磁干扰(EMI)。电子束熔敷设备与电子束 焊机同属电子束加工设备，加速电源有很多相似之处，但电子束熔敷设备的功率一般较大，在电子束熔敷设备的逆变加速电源中，可以借鉴逆变技术第二种研究方向的方法来降低逆变频率，便于实现大功率逆变加速电源。
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电子束熔敷设备逆变加速电源装置，其采用中频逆变及脉宽调制调压方式，具有逆变开关管的开关损耗小，高压整流波的脉动频率远高于逆变频率的特点。本实用新型的基本构思是以三相中频逆变桥+中频升压变压器+三相高压整流桥为基本单元，由若干个基本单元高压整流桥输出通过串联和/或并联组成电子束熔敷设备加速电源的整流装置，若干个基本单元的逆变桥的相序呈对称分布，加速电源整流装置的输出电压的脉动频率为逆变频率的6n倍(η为基本单元数)，调压控制方式为中频逆变过程兼实现脉宽调制(PWM)，降低逆变功率管的工作频率即能降低开关损耗。采用工频交流输入一低压整流滤波一中频逆变兼脉宽调制调压一中频变压器升压一高压整流滤波输出的技术路线，即AC — DC — AC — DC电流变换模式，通过输出电压的负反馈信号去控制脉宽调制的占空比，进行自动调压，使高加速电源输出电压保持稳定。为解决上述问题，本实用新型是通过以下方案实现的:一种电子束熔敷设备逆变加速电源装置，包括连接的电网滤波器、输入整流滤波单元、逆变器、高压变压器、高压整流滤波器、高压放电扼流电路、高压取样电路、电子束流取样电阻、高压调节器和逆变驱动电路。电网滤波器的输入端与三相市电相连，电网滤波器的输出端经输入整流滤波单元连接逆变器的输入端。逆变器的输出端连接高压变压器的一次侧绕组，高压变压器的二次侧绕组与高压整流滤波器的输入端相连。高压整流滤波器的高压端经高压放电扼流电路与电子枪的阴极相连，高压整流滤波器的低压端经电子束流取样电阻后与大地和电子枪的阳极相接。高压取样电路并接于高压放电扼流电路输出端与大地之间。高压取样电路连接高压调节器的输入端，高压调节器的输出端接至逆变驱动电路的输入端。逆变驱动电路与逆变器相互连接。上述方案中，所述逆变器包括2个或2个以上的三相逆变桥、高压变压器包括2个或2个以上的三相变压器、高压整流滤波器包括2个或2个以上的整流桥。I个三相逆变桥、I个三相变压器和I个整流桥组成一个基本单元。各组基本单元的三相逆变桥的输入端均接在输入整流滤波单元的输出上。每组基本单元的三相逆变桥的输出端连接同组基本单元的三相变压器的一次侧绕组，同组基本单元的三相变压器的二次侧绕组连接同组基本单元的整流桥的输入侧。各组基本单元的输出侧相互呈串联和/或并联连接后输出。上述方案中，当2个整流桥的输出侧呈并联连接时，需通过平衡电抗器进行并联。作为改进，所述高压调节器为比例一积分调节器结构。此时高压调节器的输出端经由一信号综合器接至逆变驱动电路 的输入端。上述高压调节器的另一个输入端与中央控制单元的高压给定信号输出端相连，信号综合器的另一个输入端与中央控制单元的束流给定信号输出端相连。作为进一步改进，本加速电源装置还进一步包括逆变器供电电压检测元件。此时，逆变器供电电压检测元件的2个测量端并接在输入整流滤波单元的输出端上，逆变器供电电压检测元件输出端连接至信号综合器的又一个输入端上。上述方案中，所述高压放电扼流电路由电感和高压二极管并联构成。另外，电子束流取样电阻的取样信号输出端、中央控制单元的电子束流给定信号输出端和故障判别电路的输出端还分别连至电子束熔敷设备中电子束流调节器的输入端。与现有技术相比，本实用新型的技术方案在交流中间环节实现中频逆变和脉宽调制调压后，通过高压变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压的绝缘，多组三相高压整流串联和/或并联，总整流电压波的脉动频率远高于逆变频率，使用较小容量的高压滤波电容就可以满足加速电源输出电压的纹波要求，逆变开关管工作于中频(IOOOHz以内)，开关损耗远小于闻频逆变和闻频脉宽调制工作状态。
图1为本实用新型电子束熔敷设备逆变加速电源装置一种实施例的结构示意图；图中标号为:1 一电网滤波器，2 —输入整流滤波单元，3 —电压变送器，4 一电流变送器，5 一逆变器，6 —高压变压器，7 —高压整流滤波器，8 —高压放电扼流电路，9 一高压取样电路，10 —电子束流取样电阻，11 一故障判别电路，12 —中央控制单元，13 —高压调节器，14 一信号综合器，15 一逆变驱动电路。图2为基本单兀结构不意图。图中标号为:5_1 — U相左上桥臂开关功率管,5-2 —U相左下桥臂开关功率管，5-3 - U相左上桥臂续流二极管，5-4 - U相左下桥臂续流二极管，5-5 — U相桥臂缓冲电路，5-6 — V相桥臂电路，5-7 — W相桥臂电路，5_8 —逆变器检测模块，6-1 —高压变压器一次侧绕组，6-2 —高压变压器二次侧绕组，7-1 —高压整流桥，7-2 —闻压滤波电容。图3为图1中逆变器各开关功率管驱动信号波形图(占空比50%)。图4为本实用新型电子束熔敷设备逆变加速电源装置另一种实施例的结构示意图。图中标号为:1 一电网滤波器，2 —输入整流滤波单元，3 —电压变送器，4 一电流变送器，5 —逆变器，6 —高压变压器，7 —高压整流滤波器，7-3 —平衡电抗器，8 —高压放电扼流电路，9 一高压取样电路，10 —电子束流取样电阻，11 一故障判别电路，12 —中央控制单元，
13—高压调节器，14 一信号综合器，15 一逆变驱动电路。
具体实施方式
本实施例的电子束熔敷设备逆变加速电源装置，如图1所示，主要由电网滤波器1、输入整流滤波单元2、电压变送器3、电流变送器4、逆变器5、高压变压器6、高压整流滤波器7、高压放电扼流电路8、高压取样电路9、电子束流取样电阻IO、故障判别电路11、中央控制单元12、高压调节器13、信号综合器14和逆变驱动电路15构成。电网滤波器I的输入端与三相四线制电网相接，其输出送入输入整流滤波单元2的交流侧，用于切断电磁干扰(EMI)传播途径。输入整流滤波单元2用于将三相交流电变换成平直的不可控正负直流电，正负直流电的中点与电网的零线相接，其输出的平直的正负直流电送入逆变器5各逆变桥的正负输入端。电压变送器3即逆变器供电电压检测元件用于检测输入整流滤波单元2输出正负直流电的幅值，其输出电压信号Us与逆变桥输入电压成比例，其输入端并接在输入整流滤波器2输出正负极之间,输出端送入信号综合器14的一输入端。电流变送器4即逆变器供电电流检测元件用于检测输入整流滤波单元2输出正负电流的总和，其输出电压信号Uis与逆变器工作电流成比例。电流变送器4的输入端串接在输入整流滤波单元2输出端与逆变器5的输入端之间，输出端送入故障判别电路11的输入端。逆变器5由2个或2个以上的三相逆变桥组成，用于将直流电逆变成中频交流电，同时用于脉宽调制调压。每个三相逆变桥输出的经脉宽调制后的中频交流电送入对应的高压变压器6的一次侧绕组。高压变压器6包括2 个或2个以上的三相变压器，其个数与逆变桥的个数相同，每个变压器的铁心采用冷轧硅钢片材料，用于实现电量的传递、电压值的变换和高压绝缘。每个变压器二次侧绕组输出的中频高压电送入对应的整流桥的交流输入侧。[0027]高压整流滤波器7包括2个或2个以上的整流桥，其个数也与逆变桥的个数相同。高压整流滤波器7将高压中频交流电变换成平直的高压直流电。每个整流桥输出经高压电容滤波后再串联和/或并联输出，该输出高压端接至高压放电扼流电路8，输出低压端经电子束流取样电阻10后与大地和电子枪的阳极相接。I个逆变器加I个高压变压器加I个高压整流桥组成一个基本单元。基本单元的结构如图2所示。每个逆变器由一个三相逆变桥和逆变器检测模块5-8组成，三相逆变桥的每个桥臂由2个开关功率管(如U相左上桥臂开关功率管5-1和U相左下桥臂开关功率管5-2)、2个快速二极管(如U相左上桥臂续流二极管5-3和U相左下桥臂续流二极管5-4)以及缓冲电路(如U相桥臂缓冲电路5-5)组成。三相逆变桥工作于180ο逆变方式，逆变器检测模块5-8用于检测每个开关功率管是否短路和是否过载，其输出接至故障判断电路11的一输入端。每个三相变压器的一次侧绕组6-1为带中线的星形接法，中线与电网的零线相接，每个三相变压器二次侧绕组6-2为星形或三角形接法。每个整流桥7-1由6只高压二极管组成。高压放电扼流电路8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，其输出接至电子枪的阴极。在本实用新型中，所述高压放电扼流电路8由电感和高压二极管并联构成。高压取样电路9并接于高压放电扼流电路8输出端与大地之间，用于测量加速电压值，输出正比于加速电压的电压信号Ua，其输出的信号同时送入高压调节器13作为负反馈信号，和送入故障判别电路11用于判断高压过压及高压放电的依据。电子束流取样电阻10串接于加速电源输出回路的低压端与大地之间，用于检测电子束流值，此电阻两端输出正比于电子束流大小的电压信号ue。其输出的信号分别送入故障判别电路11用于判断电子束过·流的依据，和送入电子束熔敷设备中央控制单元12的电子束流调节器作为电子束流负反馈信号。故障判别电路11接受来自高压取样电路9、电子束流取样电阻10和电流变送器4的输出信号ua、Ue和Uis,故障判别电路11同时接受来自逆变器检测模块5-8，对加速电源运行状态实时监控，出现异常时输出故障信号Uer,第一路送入高压调节器13用于封锁高压调节器的输出，第二路送入逆变驱动电路15用于封锁驱动电路的输出，第三路送入电子束流调节器用于封锁电子束流调节器的输出，第四送入电子束熔敷设备中央控制单元12，用于实现加速电源的多重保护、与其它部分的连锁保护和故障提示。故障判别电路11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5任一功率开关管是否异常、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即Uer为高电平。中央控制单元12由计算机或可编程控制器(PLC)承担数字设定经数模转换(DAC)产生高压设定信号Ua*送入高压调节器13，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13为比例一积分(PI)调节器结构，用于加速电压的精度控制，并保证加速电源稳定运行。正常工作时，接收中央控制单元12输出的高压设定信号U/和高压取样电路9输出的反馈信号Ua，其输出U。送入信号综合器14 ;故障判别电路11有信号输出时，高压调节器13的输出被封锁。[0035]信号综合器14还接受电压变送器3的输出信号Us和中央控制单元12数字设定经数模转换(DAC)产生电子束流设定信号U:。把高压调节器13的输出信号U。、电压变送器3的输出信号Us和电子束流给定信号U:线性叠加后输出信号接至逆变驱动电路15，调节脉宽调制输出波的占空比。逆变驱动电路15用于产生逆变器5中各功率开关管合理的驱动脉冲。其产生的驱动波形经隔离放大后分别接至逆变器5中各个功率开关管的控制极。故障判别电路11有信号输出时，逆变驱动电路15的输出被封锁。电子束熔敷设备逆变加速电源的控制方法，包括输出高压的稳定调节控制，逆变器5驱动控制及故障保护控制。所述输出高压的稳定调节控制:电子束熔敷设备逆变加速电源采用工频交流输入—低压整流滤波一中频逆变兼脉宽调制调压一中频变压器升压一高压整流滤波输出的电流变换方式，即通过AC — DC — AC — DC电流变换方式，由中频变压器实现能量的传递、电压值的变换和高压绝缘，在交流中间环节采用脉宽调制技术调节加速电源的输入。高压调节器13根据高压设定信号和反馈信号进行比较、比例一积分运算输出信号去调节逆变器5的脉宽调制输出波的占空比，最终实现输出高压的稳定调节。此外，所述输出高压的稳定调节控制还包括电网波动和负载变化的动态抗干扰调节，把电网电压取样信号Us和电子束流给定信号U/作为前馈信号与高压调节器13的输出信号U。综合后输出信号去调节逆变器5的脉宽调制输出波的占空比，抑制电网波动负载波动弓I起加速电源电压的动态波动。此外，所述逆变器5驱动控制还包括各中频逆变桥的相序控制，各逆变桥的逆变相序和脉宽调制波相序受同一时钟CL控制，各逆变桥间中频逆变相序呈对称分布，如图3所示。
本控制方法的故障保护控制包括下列步骤:故障判别电路11检测电子束流取样电阻10上的电压信号ue，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11检测高压取样电路9的输出电压信号Ua，如果超过设定的上限值判为加速电压过压故障，如果产生负突跳变化判为加速电源产生高压放电故障；逆变器检测模块5-8检测每个功率开关管的温度信号，任一功率开关管温度超过设定的上限值判为逆变器5过载故障；逆变器检测模块5-8检测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5短路故障；故障判别电路11检测逆变器5直流供电电流取样电路的输出信号，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11输出信号Uer都变为高电平，并立即封锁高压调节器13和逆变驱动电路15的输出。如果产生高压放电故障，封锁高压调节器13、逆变驱动电路15和电子束流调节器的输出，同时中央控制单元12将输出信号UaIP U:置零，1-3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设定信号，待故障排除后，再手动重启高压。下面对本实施例的实施方式进行说明:电子束熔敷设备逆变加速电源直接由三相市电整流后供电，逆变器5把直流电逆变成中频交流电，通过中频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5在逆变过程同时实现脉宽调制调压。动态过程脉宽调制的占空比还受电网电压取样信号U/和电子束流给定信号Uj控制。逆变器5由两个三相桥式逆变电路组成，每个逆变桥的逆变频率相同，脉宽调制的频率及占空比亦相同，两个逆变桥之间中频逆变波形的相位差呈对称分布。一个逆变器5加一个高压变压器6加一个高压整流器7组成一个逆变供电基本单元，两个单元的输出经过串联和/并联连接后总输出作为电子束的加速电源。这样中频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中频逆变频率的12倍，总整流波在脉宽调制占空比大于*时
(由中频变压器设计参数保证)无过零点，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，一方面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。逆变功率管工作频率较低，开关损耗小。本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了两组逆变桥的实施方法，其图1中两组高压整流后相串联输出，图4中两组高压整流后通过平衡电抗器7-3并联输出，其余部分功能与图1相同。但本实用新型的保护不限于上述两组逆变桥实施例，只要电子束熔敷设备的逆变加速电 源在交流中间环节实现中频逆变和脉冲调制调压即属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.电子束熔敷设备逆变加速电源装置，其特征在于:包括连接的电网滤波器(1)、输入整流滤波单元(2)、逆变器(5)、高压变压器(6)、高压整流滤波器(7)、高压放电扼流电路(8 )、高压取样电路(9 )、电子束流取样电阻(IO )、高压调节器(13 )和逆变驱动电路(15 );电网滤波器(1)的输入端与三相市电相连，电网滤波器(I)的输出端经输入整流滤波单元(2)连接逆变器(5)的输入端；逆变器(5)的输出端连接高压变压器(6)的一次侧绕组，高压变压器(6)的二次侧绕组与高压整流滤波器(7)的输入端相连；高压整流滤波器(7)的高压端经高压放电扼流电路(8)与电子枪的阴极相连，高压整流滤波器(7)的低压端经电子束流取样电阻(10)后与大地和电子枪的阳极相接；高压取样电路(9)并接于高压放电扼流电路(8)输出端与大地之间；高压取样电路(9)连接高压调节器(13)的输入端，高压调节器(13)的输出端接至逆变驱动电路(15)的输入端；逆变驱动电路(15)与逆变器(5)相互连接。
2.根据权利要求1所述的电子束熔敷设备逆变加速电源装置，其特征在于:所述逆变器(5)包括2个或2个以上的三相逆变桥、高压变压器(6)包括2个或2个以上的三相变压器、高压整流滤波器(7)包括2个或2个以上的整流桥；1个三相逆变桥、I个三相变压器和I个整流桥组成一个基本单元；各组基本单元的三相逆变桥的输入端均接在输入整流滤波单元(2)的输出上；每组基本单元的三相逆变桥的输出端连接同组基本单元的三相变压器的一次侧绕组，同组基本单元的三相变压器的二次侧绕组连接同组基本单元的整流桥的输入侧；各组基本单元的输出侧相互呈串联和/或并联连接后输出。
3.根据权利要求2所述的电子束熔敷设备逆变加速电源装置，其特征在于:当2个整流桥的输出侧呈并联连接时，需通过平衡电抗器(16)进行并联。
4.根据权利要求1 3中任意一项所述的电子束熔敷设备逆变加速电源装置，其特征在于:所述高压调节器(13)为比例一积分调节器结构；此时高压调节器(13)的输出端经由一信号综合器(14)接至逆变驱动电路(15)的输入端；上述高压调节器(13)的另一个输入端与中央控制单元的高压给定信号输出端相连，信号综合器(14)的另一个输入端与中央控制单元的束流给定信号输出端相连。
5.根据权利要求4所述的电子束熔敷设备逆变加速电源装置，其特征在于:还进一步包括逆变器供电电压检测元件(3);此时，逆变器供电电压检测元件(3)的2个测量端并接在输入整流滤波单元(2)的输出端上，逆变器供电电压检测元件(3)输出端连接至信号综合器(14)的又一个输入端上。
6.根据权利要求5所述的电子束熔敷设备逆变加速电源装置，其特征在于:所述高压放电扼流电路(8)由电感和高压二极管并联构成。
专利摘要本实用新型公开一种电子束熔敷设备逆变加速电源装置，其以三相中频逆变桥+中频升压变压器+三相高压整流桥为基本单元，由若干个基本单元高压整流桥输出通过串联和/或并联组成电子束熔敷设备加速电源的整流装置，若干个基本单元的逆变桥的相序呈对称分布，加速电源整流装置的输出电压的脉动频率为逆变频率的6n倍(n为基本单元数)，调压控制方式为中频逆变过程兼实现脉宽调制(PWM)，降低逆变功率管的工作频率即能降低开关损耗。本实用新型采用中频逆变及脉宽调制调压方式，具有逆变开关管的开关损耗小，高压整流波的脉动频率远高于逆变频率的特点。
文档编号B23K15/02GK203091963SQ201320068490
公开日2013年7月31日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者黄小东, 韦寿祺, 陆思恒, 郭华艳, 王伟, 蒋思远, 陆苇, 黄海, 黄地送 申请人:桂林狮达机电技术工程有限公司