双频输出脉冲电源和电火花线切割设备的制作方法

本实用新型涉及电火花线切割工艺技术领域，具体涉及一种双频输出脉冲电源和一种电火花线切割设备。

背景技术：

电火花线切割是利用脉冲火花放电蚀除被加工材料来进行加工，加工电极与被加工材料之间因存在液态电介质并不接触，所以可用较软的电极(工具)加工硬而脆的金属等导体和半导体材料。电火花加工中以移动的线电极切割加工最为广泛。特别适合机械加工难以胜任的高硬度、高强度、高熔点、高韧性、高脆性材料(如：钨钼合金、记忆合金、镁合金、硬质合金、聚晶金钢石、钕铁硼等)的加工，广泛应用于模具制做、航天航空、医疗器械、仪器仪表、电子电器、机械制造等各领域的精密或异型零部件的加工、制造。

传统脉冲电源，是将工业电网提供的380V电压经铁芯变压器降低到75V交流电压，再经整流、滤波后输出110V直流电压；经整流、滤波后输出110V直流电压经电阻R限流，再经V-MOS功率管斩波为短波段的直流脉冲，该脉冲输送至工件电极和工具电极之间，形成电火花放电。

铁芯变压器降压过程中产生大量的功率损耗：

⑴变压器原边耦合到副边产生励磁电流损耗，简称“磁损”约4％；

⑵变压器原、副边漆包铜线在电压传输时产生的线路损耗，简称“铜损”约2％；

⑶变压器铁芯(硅钢片)在耦合传输电压时产生的损耗，简称“铁损”约1％；

⑷电网电压波动时(国标允值±10％)，变压器的欠磁饱和量和过磁饱和量的损耗，简称“调整损耗”约2％。

即降压过程的总功率损耗约9％。

另外，放电回路中切割加工时损耗更大：

⑴正常放电时，功率消耗在限流电阻R上约33％损耗；

⑵放电间隙短路，功耗在限流电阻R和放电间隙上约45％。

综上，采用铁芯变压器的传统脉冲电源会产生的综合损耗约87％(9％+33％+45％)，存在着巨大的能源浪费。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种双频输出脉冲电源和电火花线切割设备，以降低脉冲电源的能源浪费，减少功率损耗。

第一方面，本实用新型提供的一种双频输出脉冲电源，包括：开关电源电路，第一频段脉冲变换电路和第二频段脉冲变换电路；其中，

所述开关电源电路的输入端与外部交流电源连接，所述开关电源电路对输入的外部交流电进行整流、斩波和电压变换后，输出第一电压的交流电至第一频段脉冲变换电路，输出第二电压的交流电至第二频段脉冲变换电路；

所述第一频段脉冲变换电路对所述第一电压的交流电进行整流和脉冲变换后，输出第一频段的脉冲直流电；

所述第二频段脉冲变换电路对所述第二电压的交流电进行整流和脉冲变换后，输出第二频段的脉冲直流电。

可选的，所述开关电源电路包括：整流电路、斩波电路和脉冲变压电路；其中，

所述整流电路的输入端与外部交流电源连接，所述整流电路的输出端与所述斩波电路的输入端连接，所述整流电路在工作时将从所述外部交流电源输入的交流电转换为直流电输出到所述斩波电路；

所述斩波电路的输出端与所述脉冲变压电路的输入端连接，所述斩波电路在工作时将所述直流电斩波为脉冲直流电，以及将所述脉冲直流电输出到所述脉冲变压电路；

所述脉冲变压电路在工作时将所述脉冲直流电转换为第一电压的交流电和第二电压的交流电，以及输出所述第一电压的交流电至第一频段脉冲变换电路，输出所述第二电压的交流电至第二频段脉冲变换电路。

可选的，所述外部交流电源为三相交流电，所述整流电路包括由多个二极管组成的三相整流电路。

可选的，所述斩波电路、所述第一频段脉冲变换电路和所述第二频段脉冲变换电路均至少由二极管、电容、电感和功率开关管组成。

可选的，所述功率开关管包括场效应管、双极型绝缘效应管或晶闸管。

可选的，所述场效应管包括VMOS管。

可选的，所述斩波电路、所述第一频段脉冲变换电路和第二频段脉冲变换电路中的各个功率开关管的栅极均连接到同一个脉冲数字管理器，由所述脉冲数字管理器统一控制各所述功率开关管的开关时序。

可选的，在所述第一频段脉冲变换电路的输出端和所述第二频段脉冲变换电路的输出端设置有电流传感器和电压传感器，所述电流传感器和所述电压传感器均与所述脉冲数字管理器连接，以分别向所述脉冲数字管理器反馈电流信息和电压信息。

可选的，所述双频输出脉冲电源用于电火花线切割设备；

所述第一频段脉冲变换电路的输出端两极分别与加工电极和加工工件连接，所述第二频段脉冲变换电路的输出端两极分别与所述加工电极和所述加工工件连接；

所述第一频段脉冲变换电路输出的第一频段的脉冲直流电在所述加工电极和所述加工工件之间形成放电通道，所述第二频段脉冲变换电路输出的第二频段的脉冲直流电在所述加工电极和所述加工工件之间放电时实现对所述加工工件的刻蚀。

第二方面，本实用新型提供的一种电火花线切割设备，采用本实用新型提供的任一项所述的双频输出脉冲电源。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型提供的一种双频输出脉冲电源，包括：开关电源电路，第一频段脉冲变换电路和第二频段脉冲变换电路；其中，所述开关电源电路的输入端与外部交流电源连接，所述开关电源电路对输入的外部交流电进行整流、斩波和电压变换后，输出第一电压的交流电至第一频段脉冲变换电路，输出第二电压的交流电至第二频段脉冲变换电路；所述第一频段脉冲变换电路对所述第一电压的交流电进行整流和脉冲变换后，输出第一频段的脉冲直流电；所述第二频段脉冲变换电路对所述第二电压的交流电进行整流和脉冲变换后，输出第二频段的脉冲直流电。相较于现有技术，本实用新型采用开关电源电路取代传统的铁芯变压器和电阻等元器件，从而能够有效降低能源浪费，减少功率损耗。

本实用新型提供一种电火花线切割设备采用本实用新型提供的所述双频输出脉冲电源，属于相同的发明构思，具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了本实用新型第一实施例所提供的一种双频输出脉冲电源的示意图；

图2示出了本实用新型第二实施例所提供的一种双频输出脉冲电源的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属领域技术人员所理解的通常意义。

本实用新型提供一种双频输出脉冲电源和电火花线切割设备。下面结合附图对本实用新型的实施例进行说明。

第一实施例：

图1示出了本实用新型第一实施例所提供的一种双频输出脉冲电源的示意图；本实用新型第一实施例所提供的一种双频输出脉冲电源，包括：开关电源电路1，第一频段脉冲变换电路2和第二频段脉冲变换电路3；其中，

所述开关电源电路1的输入端与外部交流电源连接，所述开关电源电路1对输入的外部交流电进行整流、斩波和电压变换后，输出第一电压的交流电至第一频段脉冲变换电路2，输出第二电压的交流电至第二频段脉冲变换电路3；

所述第一频段脉冲变换电路2对所述第一电压的交流电进行整流和脉冲变换后，输出第一频段的脉冲直流电；

所述第二频段脉冲变换电路3对所述第二电压的交流电进行整流和脉冲变换后，输出第二频段的脉冲直流电。

其中，所述开关电源电路1根据其功能可以分为整流电路11、斩波电路12和脉冲变压电路13三部分，所述整流电路11的输入端与外部交流电源连接，所述整流电路11的输出端与所述斩波电路12的输入端连接，所述整流电路11在工作时将从所述外部交流电源输入的交流电转换为直流电输出到所述斩波电路12；

所述斩波电路12的输出端与所述脉冲变压电路13的输入端连接，所述斩波电路12在工作时将所述直流电斩波为脉冲直流电，以及将所述脉冲直流电输出到所述脉冲变压电路13；

所述脉冲变压电路13在工作时将所述脉冲直流电转换为第一电压的交流电和第二电压的交流电，以及输出所述第一电压的交流电至第一频段脉冲变换电路2，输出所述第二电压的交流电至第二频段脉冲变换电路3。

基于上述开关电源电路1，可以实现良好的整流、滤波、变压等功能，从而完全替代由铁芯变压器和电阻等元器件组成的传统电路，解决铁芯变压器和电阻带来的功率损耗大，电能浪费严重的问题。

所述整流电路11用于将外部交流电整流为直流电，其主要构成器件为二极管或晶闸管，根据外部交流电源的相数可以灵活采用单相整流电路或三相整流电路，根据实际需求可以灵活采用不可控整流电路、半控整流电路、全控整流电路等任一种，根据电路结构也可以设置为半波整流电路或桥式整流电路等任意形式，本申请不做具体限制，其均在本申请的保护范围之内，例如，若外部交流电源为三相交流电，则所述整流电路11可以采用多个二极管设置成简单的三相整流电路。

所述斩波电路12主要用于将整流后的直流电斩波为脉冲直流电，主要起到滤波的作用，可以采用功率开关管和电容、电感等元器件实现，其中，功率开关管主要起到斩波的作用，电容主要起到储能的作用，电感也属于储能器件，将电感设置在电容前端，以限制对电容的充电电流，避免电容损坏，为了避免电容在充电过程中被反向脉冲击穿，可以为电容并联一续流二极管，以起到保护作用。所述斩波电路12的实现方式有多种，附图2中给出了一个具体示例，请参照理解，但其并不限制本申请的具体实施方式，其他能够实现本申请提供的斩波电路12的功能的变更实施方式，也在本申请的保护范围之内。

其中，所述功率开关管可以选用场效应管、双极型绝缘效应管(IGBT)或晶闸管等，以实现高速稳压开关功能，例如，在本申请提供的一个实施例中，采用VMOS管(V型槽MOS场效应管)作为功率开关管，不仅具有MOS场效应管输入阻抗高(≥108W)、驱动电流小(左右0.1μA左右)的特性，还具有耐压高(最高可耐压1200V)、工作电流大(1.5A～100A)、输出功率高(1～250W)、跨导线性好、开关速度快等优良特性。

所述脉冲变压电路13可以采用脉冲变压器实现，从而在对脉冲直流电进行变压的同时还能够起到良好的隔离作用。

所述第一频段脉冲变换电路2和所述第二频段脉冲变换电路3均可以采用二极管、电容、电感和功率开关管等实现，其中，二极管主要起到整流的作用，功率开关管主要起到脉冲变换的作用，其实现方式有多种，附图2中给出了一个具体示例，请参照理解，但其并不限制本申请的具体实施方式，其他能够实现相同功能的变更实施方式，也在本申请的保护范围之内。

为了保证所述开关电源电路1、第一频段脉冲变换电路2和第二频段脉冲变换电路3的协调工作，在本申请提供的一个实施例中，所述斩波电路12、所述第一频段脉冲变换电路2和第二频段脉冲变换电路3中的各个功率开关管的栅极均连接到同一个脉冲数字管理器，由所述脉冲数字管理器统一控制各所述功率开关管的开关时序，以按需输出额定的第一频段的脉冲直流电和第二频段的脉冲直流电。

所述脉冲数字管理器可以采用单片机、PLC等实现，例如可以采用常用的51单片机即可实现，本申请并不限制其具体实施方式，任何能够实现相同功能的变更实施方式，均在本申请的保护范围之内。

为了保障所述脉冲数字管理器的稳定运行，在本申请提供的一个实施例中，在所述第一频段脉冲变换电路2的输出端和所述第二频段脉冲变换电路3的输出端设置有电流传感器和电压传感器，所述电流传感器和所述电压传感器均与所述脉冲数字管理器连接，以分别向所述脉冲数字管理器反馈电流信息和电压信息，从而使所述脉冲数字管理器根据反馈信息灵活调整管控方案。

以上为本实用新型第一实施例提供的一种双频输出脉冲电源的实施例说明，相较于现有技术，本实用新型采用开关电源电路1取代传统的铁芯变压器和电阻等元器件，整个电路可以实现无电阻化，从而能够避免铁芯变压器和电阻产生的功率损耗，有效地降低电能浪费，减少功率损耗。此外，由于整个电路结构集成化程度高，采用的各元器件体积小巧，相较于采用铁芯变压器的传统脉冲电源(尤其是铁芯变压器的体积较大)，体积能够有效缩小40％左右。

需要说明的是，本申请提供的所述双频输出脉冲电源，可以应用于任何需要双拼脉冲输出的电子电气设备，以降低功率损耗，减少电能的浪费，例如，所述双频输出脉冲电源可以应用于电火花线切割设备、脉冲激光设备等等。在本申请提供的一个实施例中，所述双频输出脉冲电源用于电火花线切割设备；

所述第一频段脉冲变换电路2的输出端两极分别与加工电极和加工工件连接，所述第二频段脉冲变换电路3的输出端两极分别与所述加工电极和所述加工工件连接；

所述第一频段脉冲变换电路2输出的第一频段的脉冲直流电在所述加工电极和所述加工工件之间形成放电通道，所述第二频段脉冲变换电路3输出的第二频段的脉冲直流电在所述加工电极和所述加工工件之间放电时实现对所述加工工件的刻蚀，其中，所述第一频段的脉冲直流电可以是短波频段(3MHz-30MHz)的脉冲直流电，所述第二频段的脉冲直流电可以是微波频段(300MHz-300GHz)的脉冲直流电。

第二实施例：

请参考图2，图2示出了本实用新型第二实施例所提供的一种双频输出脉冲电源的电路图，其提供了一种应用于电火花线切割设备的具体的实施例，可结合上述第一实施例的说明进行理解，此处仅作简要说明。

图2中，各元器件符号为电子电路技术领域通用符号，D表示二极管，L表示电感，TR表示功率开关管，U表示脉冲数字管理器(图中多个U为同一个)，T表示脉冲变压器，C表示电容，外接电源为380V交流电源，图中采用虚线框对电路进行划分(请结合第一实施例说明进行理解)，具体连接关系请参照附图所示。

本第二实施例提供所述双频输出脉冲电源，整流电路11、斩波电路12和脉冲变压电路13共同组成AC→DC→AC降压型交流开关电源，可以取代铁芯变压器。其工作原理为：首先将电网馈送的380V交流(AC)电压经二极管整流变成直流(DC)电压后经由电感L1限流和功率开关管TR1向电容C1充电，电容C1充电完成后再由功率开关管TR2向高频脉冲变压器T放电，放电形成的高频直流(DC)脉冲经脉冲变压器T原边馈送至负边，输出到第一频段脉冲变换电路2电压为75V的交流电，输出到第二频段脉冲变换电路3电压为30V的交流电。

脉冲数字管理器U采用PWM脉冲数字化管理器，根据线切割放电间隙电压、电流检测和元胞型电流传感VMOS(功率开关管)的反馈信息，实施控制TR1和TR2的开通和截止，实现对电容C1的充电、放电频率和时序的实时控制。由此实现：

1、电网电压±10％波动率的稳压功能和放电间隙电流的稳压功能；

2、放电间隙短路时关断TR1的功率输出，节约电能。

第一频段脉冲变换电路2和第二频段脉冲变换电路3构建能量优化型线切割脉冲回路，即采用电感L2限制TR3对电容C2的充电电流，当电容C2充电完成后，再由TR4对经过L3限制向火花放电间隙(加工电极和工件电极)馈送短波频段的高电压(110V)直流脉冲，以形成放电通道和维持放电通道的时间常数与运动控制器时间常数匹配，控制各运动轴的运动节律，实现快速有效的间隙伺服功能。在TR4向火花放电间隙馈送的脉冲形成放电通道的时刻，由TR6将C3上的电压以微波频段的直流脉冲馈送至放电间隙，工作在微波频段的电子流以剧烈高速的振荡和高热，将工件材料高频率地集束剥离式蚀除，从而实现优良的加工表面完整性工艺指标。

TR3、TR4及TR5、TR6的开关频率和时序，均由PWM脉冲数字管理器按照火花放电间隙和元胞型电流传感VMOS检测反馈的信息实施实时控制。

上述第二实施例提供的用于电火花线切割设备的双频输出脉冲电源，采用开关电源取代铁芯变压器，应用PWM脉冲数字化管理技术方案，并采用无电阻电路和元胞型电流传感VMOS功率管及其控制技术，间隙短路时关闭功率输出。其中，高速开关稳压电源功率损耗﹤5％，无电阻电路功率损耗﹤1％，间隙短路时功率损耗﹤1％，综合功率损耗约﹤7％，相较于传统采用铁芯变压器和电阻的脉冲电源可节约电能80％以上。

而且，体积缩小为传统脉冲电源的40％，并将电网与放电间隙的电气阻抗合理匹配，使整机电磁辐射量大幅下降，保护人身健康。

本实用新型还提供一种电火花线切割设备，所述电火花线切割设备采用本实用新型提供的任一项所述的双频输出脉冲电源。其中，所述电火花线切割设备可以是数控机床等切割设备。

本实用新型提供一种电火花线切割设备采用本实用新型提供的所述双频输出脉冲电源，属于相同的发明构思，具有相同的有益效果，此处不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。