专利名称：用于电切削的直流电源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电切削技术范畴，尤其涉及一种用于电切削的直流电源装置。
背景技术：
电切削技术是指在一定比例带压力水气混合物工作介质的作用下，利用两个电极之间产生的特殊高能量短电弧放电群组来蚀除金属或非金属导电材料的一种切削方法，它属于特种加工行业电加工技术范畴，该技术经济有效地解决了新型特种导电材料如金属陶瓷等特硬、超强、高韧性、高红硬性、高 耐磨性、严重冷作硬化材料的加工难题，主要用来切削硬度大于HRC45的导电材料的外圆、内圆、平面、切割、大螺距、小孔、开坡口及其它异型、成型加工，形成了电加工技术的跨越式发展，是我国特种加工(机床)行业的一次重大进步和突破。由于其加工工艺可与传统机械加工工艺有效结合，因此其工艺适用范围及高效实用性更加明显，它是对传统机械加工工艺的发展和补充。电切削技术的核心是直流电源，以工件为阳极，电切削刀盘为阴极，两极之间以一定比例带压力水气混合物为工作介质，两极接通直流电源，开机则两个电极之间产生特殊的高能量短电弧放电群组，放电电流高达600(Tl0000安培，作为阳极的工件便被连续剥蚀切除，并伴随有爆鸣声响。该直流电源要求能长时间连续的产生600(Γ10000安培的直流电，不能停机；由于负载会突变，要耐冲击电流；为维持精确的切削尺寸及表面粗糙度，要求电流精确恒定，且连续可调。由于电切削对直流电源要求高且苛刻，固态电子器件及其控制电路无论是容量、耐用、稳定性等都不适用做电切削电源，故目前电切削电源都是特种变压器加继电控制电路，方能勉强适用于电切削应用。但问题和缺点明显硅钢及铜排制作的特种变压器体积庞大、重量过重；继电控制电路不稳定，只能分段控制，不能连续调整电流及稳定电流，导致切削量无法精确控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于电切削的直流电源装置，它不但体积小、重量轻，而且切削精度大幅提高。本发明的用于电切削的直流电源装置，其特征是由主电路、DSP控制电路和检测保护电路组成，主电路为全桥电路，用于将交流电变换为供应负载的直流电；检测保护电路用于完成对主电路的直流侧的电压和电流的检测和故障检测，以供DSP控制电路对这些信号进行相应的处理。主电路由输入整流滤波部分、逆变器部分和输出整流滤波部分构成；逆变器部分在DSP控制电路的作用下将输入整流滤波电路产生的直流电变换成交流方波；并经输出整流滤波部分整流和滤波后，变为直流电压输出。逆变器部分包括所述全桥电路中的功率电子开关IGBT和防止该IGBT在关断时损坏的阻容吸收保护电路。
所述DSP控制电路的控制核心为TMS320LF2407A。本发明由于采用固态电子电路，整个装置显得轻小灵便，并由于控制电路的作用，切削量可精确控制。
图1是本发明的用于电切削的直流电源装置的功能框图。图2是本发明的用于电切削的逆变直流电源装置的主电路的结构图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。参看图f图2，本发明的技术方案为电切削专用DSP控制的IGBT逆变直流电源，由主电路1、DSP控制电路2和检测保护电路3三部分组成，三相380v的交流电变换为供应负载的直流电，其技术指标输出电流4000 10000ADC ;空载电压20 48VDC，逆变频率8 20KHZ。检测保护电路3主要完成对直流侧和负载侧的电压和电流的检测和故障检测，以供DSP控制电路2对这些信号进行相应的处理。其中，对直流侧的电流检测与电压检测是为系统的保护电路提供必要的信号，当产生过流或过压时，保护电路产生的保护信号经过DSP的处理后，发出相应的控制信号，从而保护了直流电源。故障检测为电源的辅助保护检测，如各部件过热、风扇相续等。DSP控制电路2以TMS320LF2407A为控制核心，少量外围电路为辅助，主要实现驱动信号的产生，检测信号的处理，保护信号的输出，与外界的通讯以及人机界面等功能。主电路I的拓扑结构为IGBT全桥式逆变主电路，分为输入整流滤波部分、逆变器部分和输出整流滤波三个部分。输入整流滤波部分，电网输入50HZ，380VAC交流电，经大功率整流二极管整流，为逆变器提供直流电压，具体由滤波电容、整流二极管和限流电阻R组成。Cl，C3为滤波电容，其目的是减小整流输出后母线直流电的交流分量。C=(3 5)T*PIN/Ud2，其中，T为整流输出直流电压的脉动周期1/300秒，PIN为输入功率W，Ud为电容器平均电压V，如选用电解电容，由于电容器内阻不均，每组电容器需并均压电阻Rl、R2。由于串联等效电阻ESR和串联等效电感ESL的存在影响滤波效果，滤波电容还须并上高频无感无极性电容C2、C4，当主电路断电时，由C2，Rl和C4，R2为Cl，C3提供放电回路。整流二极管，选择取额定电流1=0. 36911，其中Il为变压器一次侧电流；耐压V=I 414*1. l*Ui=l. 414*1. l*380=591v，实际均选 2 倍余量。限流电阻R，电容输入式整流滤波电路在接通交流电压时，对电容进行充电，往往会引起较大的浪涌电流，因此会引起一系列可靠性的问题，必须加以抑制。本方案软启动设计分二部分一是输入电网电压分段起动，在合闸时，先接入限流电阻R，将合闸浪涌电流限制在设定范围之内，待输入电容冲满电之后，再将该电阻短接；二是逆变器输入、输出滤波电容容量较大，若大功率开关管马上按照额定负载的脉宽(最大)导通，输入电容以最大电流放电和输出电压的突然建立，将会形成非常大的电容电流，使得功率开关管的负担过重，很有可能在合闸时将开关管烧坏。对于第二部分软起动电路通过软件编程实现，第一部分软起动电路通过硬件实现。逆变器部分，全桥电路中的功率电子开关IGBT在以TMS320LF2407A为核心的控制回路的作用下，周期性的开/关，将输入整流滤波电路产生的直流电变换成频率为8 20KHZ的交流方波，之后再经中频变压器降压输出。输出电压采用DSP的PWM波进行调节，即改变驱动脉冲的占空比实现。选择IGBT，这是逆变直流电源的关键核心元件，对它的设计、选择直接关系到整个电源的安全、可靠。因此在计算参数时应留有较大的裕量。额定电压值的选取为直流母线经滤波后直流电压最大值UM= V 2*1. l*U*a=650v，其中，U为电网电压有效值380ν，1· I为波动系数，α为安全系数取1.1 ；IGBT关断时的峰值电压Us= (UM*1. 15+150) * α =987. 25ν，1. 15为过电压系数，150ν为Ldi/dt引起的尖峰电压，实际选取1200v。 中频变压器的一次侧电流I1=I2*N2/N1，全桥电路每只IGBT管上的平均电流为Il的一半，该电流即为IGBT导通时能流过管子的最大持续电流(结温25°C)，即可确定额定电流1C。IGBT阻容吸收保护电路为了防止IGBT在关断时损坏，本方案中采用RCD缓冲电路，其组成如图2中所示VD1、R3、C6，其作用是在IGBT关断时负载电流通过VDl向C6分流，减轻IGBT负担，抑制du/dt和过电压。IGBT驱动电路的设计非常重要，直接关系的系统的稳定性与可靠性。根据驱动功率和频率，选择合适的驱动器，要满足下面三点驱动器能够输出所需要的频率。驱动器的最大输出电压必须等于或者大于最大的门级电压。驱动器的最大工作频率必须等于或者大于开关管的最大开关频率。本方案采用三菱公司的专用混合集成M579系列IGBT驱动器。输出整流滤波部分，中频变压器输出的交流方波电压再经VD7，VD8整流和电感滤波后，变为直流电压输出。采用全波中心抽头整流，其优点是电压损失少，使用二极管少，成本低。中频变压器中频变压器的作用是电压电流变换、功率传递和实现输入、输出之间的隔离，由于工作频率高达20KHZ，因此要求这种变压器磁芯材料高频损耗尽可能小，此外更重要的是要求避免磁芯饱和，因此选择磁通密度时按最恶劣条件来选择工作磁通密度。原因是磁芯的饱和意味着中频变压器的励磁电流的急剧增加，这显然会导致与之连接的功率开关承受极大的电压、电流而损坏。考虑以上要求，本方案采用铁基纳米晶软磁材料作变压器磁芯，其饱和磁通密度BS约为1. 25T。工作磁通B取小于1/3BS，本方案是全桥逆变，所以磁芯中的磁通是交变的，B也是交变的，所以ΛΒ=2Β=0.8Τ。此外变压器工作在低电压、大电流的条件下，二次侧绕组电流较大，导线较粗，因而选用E型磁芯，便于绕制。变压器磁芯选取设计公式SW*SC=P/(0. 53*F*AB*J*10-2)，Sff磁芯窗口面积CM2，SC磁芯有效截面积CM2，P电源输出功率W，O. 53为经验系数，F为逆变工作频率HZ，J为导线电流密度取3.5A/MM2,整流二极管，因为是高频整流，所以选择的是快恢复二极管，它具有短的反向恢复时间和小的反向恢复电流。对于单向全波整流电路，整流二极管额定电流为IN=2*I2，其中，12为电源输出电流，二极管承受最大反向电压nN=2*U2，U2为变压器2次侧电压幅值。输出滤波电容可得到平滑的直流电流，设计公式RL*C> (3 8)T。输出直流电抗器其作用有两个，一是滤波和储能，二是改善电源的动特性，限制短路电流的上升速度和峰值电流，改善电切削性能，防止电源频繁保护，提供切削精度。本方案设计时选用线性电抗器，其具有空气隙较大，在大电流时不饱和特性。采用条形硅钢片铁心，其价格低廉。为了满足输出电流的连续，电抗器的电感量L应满足L ^ (U2-U0)*ton/2Imin, L为直流电抗器的电感量H，U2为变压器2次侧电压幅值V，UO为电源输出电压V，ton为IGBT最大导通时间μ s,Imin为最小电流单位A (Imin彡O. 5 Δ IL) ( Δ IL为电源输出电流5%)本电源的性能如下；1、本机具有工作/待机。置工作时有输出电压电流O—额定值可调，待机时无输出。2、本机具有稳压/稳流功能。置“稳压”状态时，输出电压在机器额定电流范围内
不变，电流会根据负载大小做出相应的显示；置“稳流”状态时，输出电流在机器额定电压范围内不变，电压会根据负载大小做出相应显示；具体根据用户所需功能置“稳压”或“稳流”档。3、主线路板保护功能全面，具有输入过压欠压保护、缺相保护、输出短路保护、过热、输出过流保护及自动开启功能，IGBT锁定保护。当电源出现故障保护时，电源报警。过欠压保护三相输入电源超过额定的±15%时将进入保护状态，同时发出光报警信号设备无输出。缺相保护三相电源有一相无电或三相严重不平衡时将进入保护状态，同时发出光报警信号设备无输出。过热保护电源长时间超载等，可能会使内部温度升高至85°C以上，温度继电器内部常开触头闭合，使控制电路保护报警，电源处于保护状态，同时发出光报警信号，此时须降温后，温度开关触头断开自动恢复正常工作。短路保护控制电路电源出现故障时，内部熔丝熔断，会立即断开电源由于操作或其他原因造成的主电路短路，会自动切断电源，使设备安全。过流保护电流输出超过额定电流的15%时，(即Iout=IeX 115%)电源会立即报警，进入保护状态。4、驱动线路板具有独立驱动，检测等功能。检测本单元有故障时锁定保护本单元，不影响其他单元正常工作，同时该单元指示灯灭。5、输出静、动态性能优良。输出动态响应时间在100微秒以下，因此可获得极高的稳定电压或稳定电流输出，输出电压精度(波动)< ±1%，输出电流精度(波动)< ±1%。6、极强的抗网压干扰能力，宽电压工作范围可在±20%的网压波动情况下，保证设备正常工作。7、先进的启动、停止和保护功能。先进的软启动及软停止功能,从根本上防止了带载，停止和短路时的瞬时冲击，可随意带载停、启。过流、过压、欠压、缺相、过热、输出短路等多重保护功能，保证了设备长使用寿命，能高稳定进行工作。8、先进的微机远程数字化RS485数字接口控制模式，也可采用微机远程控制PLC模式。此功能具有以下特点(1)高可靠性经过创新设计，采用超高集成度，超高速的DSP芯片，使用双单片机系统，使元器件数字大幅度减少，采用优质进口器件，控制电路使用独特技术，可靠性得到大幅度提高；(2)高稳定性系统反应速度快,对电网及负载变化具有极强的适应性，输出精度小于1%;(3)参数自动记忆通过按键所设定的参数自动记忆，掉电时不丢失。过流、短路、超温自动保护，有汉字提示功能，故障而定位；(4)自动化程度高，可通过计算机或PLC的RS232 (或RS485)标准接口，对生产线的电源实现自动控制。总之，本电源的主要特点是1、效率高，体积小，只有原普通电源的1/4 ;重量轻，只有原普通电源的1/8，这样方便移动、运输、操作，使很多场合不能使用电切削技术的情况成为可行；2、稳压、稳流精度高；3、对电网干扰小，纹波低；4、可靠性高，有多种保护电路；5、操作维护简单，可远端控制。
权利要求
1.一种用于电切削的直流电源装置，其特征是由主电路、DSP控制电路和检测保护电路组成，主电路为全桥电路，用于将交流电变换为供应负载的直流电；检测保护电路用于完成对主电路的直流侧的检测，以供DSP控制电路对检测信号进行处理。
2.如权利要求1所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是主电路由输入整流滤波部分、逆变器部分和输出整流滤波部分构成；逆变器部分在DSP控制电路的作用下将输入整流滤波电路产生的直流电变换成交流方波；并经输出整流滤波部分整流和滤波后，变为直流电压输出。
3.如权利要求2所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是逆变器部分包括所述全桥电路中的功率电子开关IGBT和防止该IGBT在关断时损坏的阻容吸收保护电路。
4.如权利要求3所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是所述IGBT的驱动器属于混合集成M579系列。
5.如权利要求1所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是所述DSP控制电路的控制核心为TMS320LF2407A。
6.如权利要求2所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是输入整流滤波部分由滤波电容、整流二极管和限流电阻构成。
7.如权利要求6所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是滤波电容为电解电容，该电解电容并有均压电阻和高频无感无极性电容。
8.如权利要求2所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是输出整流滤波部分采用全波中心抽头整流，由中频变压器、整流二极管、输出滤波电容和输出直流电抗器构成。
9.如权利要求8所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是中频变压器的磁芯为铁基纳米晶软磁材料。
10.如权利要求8所述的用于电切削的直流电源装置，其特征是中频变压器的磁芯为E型磁芯。
全文摘要
本发明涉及一种用于电切削的直流电源装置，由主电路、DSP控制电路和检测保护电路组成，主电路为全桥电路，用于将交流电变换为供应负载的直流电；检测保护电路用于完成对主电路的直流侧的检测，以供DSP控制电路对这些信号进行相应的处理。主电路由输入整流滤波部分、逆变器部分和输出整流滤波部分构成；逆变器部分在DSP控制电路的作用下将输入整流滤波电路产生的直流电变换成交流方波；并经输出整流滤波部分整流和滤波后，变为直流电压输出。逆变器部分包括所述全桥电路中的功率电子开关IGBT和防止该IGBT在关断时损坏的阻容吸收保护电路。本发明由于采用固态电子电路，整个装置显得轻小灵便，并由于控制电路的作用，切削量可精确控制。
文档编号B23H1/02GK103008804SQ20121053568
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者徐宏辉, 高保哲 申请人:上海新维机电工程技术有限公司, 徐宏辉, 高保哲