一种数控短电弧直流叠加脉冲电源的制作方法

本实用新型涉及电源技术领域，具体是一种数控短电弧直流叠加脉冲电源。

背景技术：

短电弧铣削加工技术对高强度、超硬材料的加工具有高效率、优质的表面加工质量等特性得到了广泛的应用。传统短电弧机床所使用的稳压式脉冲加工电源是无基波的脉冲调制电源，此类电源具有两级调制电路，能够实现输出脉冲电压的幅值、频率、占空比连续可调的功能。随着短电弧铣削加工技术的发展，此类电源已不能很好的满足加工需求。根据实际短电弧铣削加工系统及电弧放电原理，分析电参数与加工效率的关系，构建出高效节能短电弧加工脉冲电源总体方案，设计了数控短电弧直流叠加脉冲电源主电路拓扑。该方案主体保留了逆变式结构，摒弃传统的输入级采用工频变压器的缺点，整机体积和重量相对较小，输出波形可调，且较以往脉冲电源输出类型更加全面。但是由于该电源主体由两套逆变结构组成，工作时噪音和电源的散热缺陷较为明显，加工中不可动态调节参数。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种数控短电弧直流叠加脉冲电源，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种数控短电弧直流叠加脉冲电源，包括两个回路，第一回路包括一级调制单元及与该一级调制单元相连接的二级调制单元，一级调制单元包括依次连接的全桥逆变电路、高频变压电路和次级整流滤波电路,二级调制单元包括均流斩波电路，第二回路包括三级调制单元，三级调制单元与一级调制单元结构相同，全桥逆变电路包括由8个igbt组成的2组全桥逆变电路、隔直电容以及每个igbt所对应的软开关电路，隔直电容连接在所述桥式逆变电路的直流母线上形成一母线电压缓冲型缓冲电路，软开关电路与每个igbt并联，所述高频变压电路包括：高频变压器及一与该高频变压器相连，并能隔离该高频变压器初级的直流分量的电容，次级整流滤波电路包括：肖特二极管、稳流电感和铝电解储能电容；所述肖特二极管与所述稳流电感一端相连接，该稳流电感另一端与所述铝电解储能电容一端相连接，该铝电解储能电容另一端与所述高频变压器相连接，均流斩波电路由四个相并联的大功率开关管组成，还包括与两个回路相连接的输出电路、寄生电感和续流二极管，所述寄生电感一端与输出电路的正极相连接，该输出电路的负极通过续流二极管与所述寄生电感的另一端相连接，还包括与一级调制单元、二级调制单元和三级调制单元相连接并且用于控制其动作的控制板，控制板上还连接有数控面板以及二级控制板。

作为本实用新型的进一步方案：所述高频变压器的磁芯采用软磁铁氧体材料制成。

作为本实用新型的进一步方案：还包括主体电路，主体电路包括三相不可控整流模块、emi滤波电路、输入软启动电路、风冷系统和辅助电源系统，emi滤波电路和滤波电感l7、l8在电源入口处与市电相连，市电进入电源后经过空开和三相不可控整流模块相连，emi滤波电路与全桥逆变电路相连接。

作为本实用新型的进一步方案：所述控制板采用stm32f103系列高速单片机，所述二级控制板为移相集成控制芯片uc3895，数控面板为plc。

作为本实用新型的进一步方案：还包括工滤波电路、输入软启动电路、风冷系统和辅助电源系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型数控短电弧直流叠加脉冲电源能实现对输出脉冲幅值、基波幅值、频率、占空比的调节,并且能对输出频率参数、幅值参数、占空比参数、波形参数进行连续调节,以达到对不同加工条件的需求,而且整机具有体积小、重量轻、效率高等优点，易于实现，成本低，利于广泛推广应用，特别适用于短电弧、电火花等各种加工应用。

附图说明

图1为数控短电弧直流叠加脉冲电源功能结构框图；

图2为数控短电弧直流叠加脉冲电源主电路拓扑图；

图3为数控短电弧直流叠加脉冲电源总体原理图；

图4为单相电压型移相全桥逆变拓扑原理图；

图5为高效节能短电弧铣削加工脉冲电源的第一种输出波形如图；

图6为高效节能短电弧铣削加工脉冲电源的第二种输出波形如图；

图7为高效节能短电弧铣削加工脉冲电源的第三种输出波形如图；

图8为主电路拓扑第一种简化电路图；

图9为主电路拓扑第二种简化电路图；

图10为输入整流滤波电路原理图；

图11为后级斩波电路工作示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-2，实施例1：本实用新型实施例中，一种数控短电弧直流叠加脉冲电源，该电源有两个回路：第一回路包括一级调制单元及与该一级调制单元相连接的二级调制单元,一级调制单元包括依次连接的全桥逆变电路、高频变压电路和次级整流滤波电路,二级调制单元包括均流斩波电路。第二回路包括三级调制单元，三级调制单元包括全桥逆变电路、高频变压电路和次级整流滤波电路。

该电源次级整流滤波电路包括肖特二极管d1、d2、d4、d5，滤波电感l3、l6和大容量铝电解储能电容c9、c18，所述肖特二极管d1、d2分别与所述稳流电感l3一端相连接,该稳流电感另一端与所述电容c9相连；所述肖特二极管d4、d5分别与所述稳流电感l6一端相连接,该稳流电感另一端与所述电容c18相连。其中脉冲结构中均流斩波电路，每个斩波电路由四个mosfet相并联的组成。输出电路中续流二极管d3、d6防止电源受外电路的反向电压时损坏电源。

主体电路主要包括三相不可控整流模块、emi滤波电路、输入软启动电路、风冷系统和辅助电源系统。emi滤波电路和滤波电感l7、l8在电源入口处与市电相连，市电进入电源后经过空开和三相不可控整流模块相连，前级滤波电容与全桥逆变电路相连接；与一级调制单元和二级调制单元相连接的驱动电路、控制板核心为单片机为stm32f103系列高速单片机和移相集成控制芯片uc3895。

全桥逆变电路有两组，每组包括4个igbt。每组逆变电路都有一个隔直电容(c8和c17)连接在所述桥式逆变电路的直流母线上形成一母线电压缓冲型缓冲电路。高频变压电路包括高频变压器及一个能够隔离该高频变压器初级的直流分量的电容，高频变压器的磁芯采用软磁铁氧体材料制成。

实施例2：在实施例1的基础上，单相电压型移相全桥逆变拓扑原理如图4所示。可以将单相电压型全桥逆变拓扑看作由两个半桥组合而成，共有四个桥臂，斜对角的两个晶体管(v1和v4或v2和v3)组成两对桥臂，同一对桥臂上的晶体管同时导通，两对桥臂间各交替导通半个周期，如果忽略晶体管上的导通压降，则施加到变压器的初级电压是幅值为vdc、宽度为ton的交变方波。该拓扑输出为vout，其值的大小可通过调节ton值确定，通过反馈环路对输出电压vout幅值检测，并用于脉宽ton的调制，可以实现输出电压稳压调节。

移相pwm控制方式是谐振变换技术与常规pwm变换技术的结合，其基本工作原理是：逆变全桥两桥臂上的两个晶体管不考虑死区时呈180°互补导通，超前与滞后桥臂间相差一个相位导通，此相位大小即为移相角。通过调节此移相角的大小来调节输出的控制信号脉冲宽度，在变压器二次侧获得占空比连续可调的正负半周对称的交流方波电压，达到调节输出电压的目的。

全桥变换器使用的开关管为igbt模组，内部有反向并联二极管。在t1时刻以前，电路初始状态为q1、q4导通，输出电压为+vdc；t1时刻q3和q4的门极驱动信号反向，q4截止，而由于负载电流具有连续不可突变特性，v3不能瞬间导通，其内部反向并联二极管导通续流，输出电压为零；在t2时刻q1、q2门极驱动信号反向，q1截止，此时的q2同样不能瞬间导通，在续流二极管作用下导通，与q3的续流二极管共同形成通路，输出电压为﹣vdc，在负载电流过零反向后，q2和q3导通并形成闭合通路，输出电压保持不变；t3时刻，v3及v4的门极驱动信号再次反向，q3截止，而q4不能瞬间导通，其内部续流二极管导通续流，输出电压再次变为零。后面的每个周期和前面的类似，因此可以得到正负脉冲宽度为ton的输出电压，只需通过改变控制信号移相角来改变脉冲宽度ton，就可以获得幅值可调的电压输出vout。

本设计的拓扑如图2所示，电路结构可以视作以直流源电路和脉冲源电路为基础构建而成。其具体原理为：拓扑输入端接入可满足大功率用电的380v三相交流市电，然后经过三相桥式整流电路和输入级电容滤波电路，转变为波形质量较好的直流电，作为脉冲源电路和直流源电路中dc/dc逆变电路的输入，分别经过高频变压器隔离降压、全波整流和lc滤波器滤波后，得到电压幅值可调的直流电，其中，直流源电路可以直接接至输出端铜排端子直流+、直流-，脉冲源电路则需要通过斩波电路调节脉冲电压的占空比和频率后，连接至输出端铜排端子脉冲+、脉冲-，在输出端将端子直流+与脉冲-串接。在电源使用时可以根据需要，通过以plc和dsp为核心的控制系统对电源输出模式及参数进行预置，方便快捷的实现直流、脉冲、梳形波的稳定加工波形输出。

高效节能短电弧铣削加工脉冲电源的三种输出波形如图5-7所示。图5和图6中u1、u2分别为直流、脉冲源输出电压，图7中u3、u1分别为梳形波电压幅值、基值。脉冲的周期t为t1、t2之和，占空比d为t1与t的比值，三种波形的参数均可以实现一定范围内的连续可调。

为了方便分析梳形波产生原理，可将电路进行等效简化，将直流源电路等效为一直流电压源e1，将脉冲源电路中斩波电路前的直流部分等效为直流电压源e2，简化后的电路原理图如图8和9所示。电路中斩波器q的通断受驱动信号控制，当q断开时，其电路如图8所示，肖特基二极管d5在e1的作用下正向导通，与负载构成闭合回路，负载两端电压为e1输出电压，即脉基u1；当q导通时，其电路如图9所示，由于e2的存在，将肖特基二极管d5两端电压钳位在u2，处于反向截止状态，负载两端电压为e1、e2输出电压u1、u2之和，即梳形波幅值u3。

输入级整流滤波电路主要作用是为全桥逆变器提供稳定的直流信号，根据短电弧脉冲电源设计要求，选择三相不可控整流电路，该电路具有结构简单，输出电压纹波小等优点。输入级整流滤波电路如图10所示。

为了解决在总开关zk开启瞬间浪涌电流对整个电源系统的冲击问题，在全桥整流电路后接入限流电阻rl，其作用是减小在电源启动瞬间浪涌电流对电源系统的影响，当电源正常工作时，为了减少限流电阻的功耗，由电源的控制板会发出电源正常工作的信号，使交流接触器发生触发动作，将限流电阻短接，从而避免了限流电阻增大整个电源系统功耗的问题。

实施例3：为了实现短电弧脉冲电源电压的占空比、频率等电参数连续可调，选择斩波电路实现上述提到的连续可调的脉冲电压，后级斩波电路设计的好坏对短电弧加工的研究有着十分重要的影响，图11为短电弧脉冲电源后级斩波电路工作示意图。

后级斩波电路由功率开关管及反向续流二极管组成，为了提高功率开关管电路结构可靠性及降低购买成本，用四个功率开关管并联，构成开关管组实现斩波功能，该结构电路具有简单，性能可靠等优点，只需要通过arm单片机控制开关管组的状态，即可对电源的输出进行控制。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。