專利名稱：電子束熔敷設備逆變加速電源裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子束熔敷設備領域，具體涉及一種電子束熔敷設備逆變加速電源裝置。
背景技術：
加速電源是電子束加工設備的關鍵部件之一，加速電源的技術指標的靜態要求輸出電壓精度高，紋波小，動態要求調節速度快。根據技術指標要求，在不同時期技術條件下，采用不同的技術策略，如工頻自耦變壓器機械調壓控制方式，工頻晶閘管移相控制方式，中頻發電機組調壓控制方式，不同的技術策略，所達到的技術水平也各不相同。目前隨著半導體器件的發展，加速電源多采用逆變脈寬調制(PWM)調壓控制方式。為了減少輸出電壓的紋波量，采用高頻逆變方式，如2012年10月《電焊機》雜志第42卷第10期刊登的“基于DSP的電子束焊接高壓逆變電源控制系統的研制”，所采用的就是20kHz的逆變PWM調節，10級電容倍壓的方式。這種方式，電容用量太多，由于單個高壓電容的容量較少，而體積較大，整個電源的成本和體積都較大。另外，這種方式由于工作頻率較高，逆變功率管的開關損耗較大，采用單個H橋逆變電路，對于大功率的加速電源需要特殊的大功率高頻開關管，器件解決起來困難較大。另一種逆變方式是采用中頻逆變，高頻脈寬調制調壓方式，如專利號為ZL200810302949.1的中國實用新型專利公開的“電子束焊機加速高壓電源的控制方法及電源裝置”，這種方式的特點，電容用量較少，采用一般冷軋硅鋼鐵芯，能夠實現高壓整流電壓波形為高頻脈動波，但仍存在功率管工作頻率較高，開關損耗較大，且變壓器中高頻分量電流較大，會增加鐵耗，不利于加速電源向大功率方向發展。當代逆變技術中，為了較少輸出交流電壓中的諧波含量，有兩種不同的研究方向。一種是兩電平研究方向，即利用PWM控制方式，通過提高開關頻率的方法，使輸出電壓波形正弦化；另一種方向是多電平研究方向，即利用增加主電路電平數來減少輸出電壓中的諧波，并使逆變器的功率管工作在較低頻率狀態，以減少開關損耗及電磁干擾(EMI)。電子束熔敷設備與電子束 焊機同屬電子束加工設備，加速電源有很多相似之處，但電子束熔敷設備的功率一般較大，在電子束熔敷設備的逆變加速電源中，可以借鑒逆變技術第二種研究方向的方法來降低逆變頻率，便于實現大功率逆變加速電源。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，其采用中頻逆變及脈寬調制調壓方式，具有逆變開關管的開關損耗小，高壓整流波的脈動頻率遠高于逆變頻率的特點。本實用新型的基本構思是以三相中頻逆變橋+中頻升壓變壓器+三相高壓整流橋為基本單元，由若干個基本單元高壓整流橋輸出通過串聯和/或并聯組成電子束熔敷設備加速電源的整流裝置，若干個基本單元的逆變橋的相序呈對稱分布，加速電源整流裝置的輸出電壓的脈動頻率為逆變頻率的6n倍(η為基本單元數)，調壓控制方式為中頻逆變過程兼實現脈寬調制(PWM)，降低逆變功率管的工作頻率即能降低開關損耗。采用工頻交流輸入一低壓整流濾波一中頻逆變兼脈寬調制調壓一中頻變壓器升壓一高壓整流濾波輸出的技術路線，即AC — DC — AC — DC電流變換模式，通過輸出電壓的負反饋信號去控制脈寬調制的占空比，進行自動調壓，使高加速電源輸出電壓保持穩定。為解決上述問題，本實用新型是通過以下方案實現的:一種電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，包括連接的電網濾波器、輸入整流濾波單元、逆變器、高壓變壓器、高壓整流濾波器、高壓放電扼流電路、高壓取樣電路、電子束流取樣電阻、高壓調節器和逆變驅動電路。電網濾波器的輸入端與三相市電相連，電網濾波器的輸出端經輸入整流濾波單元連接逆變器的輸入端。逆變器的輸出端連接高壓變壓器的一次側繞組，高壓變壓器的二次側繞組與高壓整流濾波器的輸入端相連。高壓整流濾波器的高壓端經高壓放電扼流電路與電子槍的陰極相連，高壓整流濾波器的低壓端經電子束流取樣電阻后與大地和電子槍的陽極相接。高壓取樣電路并接于高壓放電扼流電路輸出端與大地之間。高壓取樣電路連接高壓調節器的輸入端，高壓調節器的輸出端接至逆變驅動電路的輸入端。逆變驅動電路與逆變器相互連接。上述方案中，所述逆變器包括2個或2個以上的三相逆變橋、高壓變壓器包括2個或2個以上的三相變壓器、高壓整流濾波器包括2個或2個以上的整流橋。I個三相逆變橋、I個三相變壓器和I個整流橋組成一個基本單元。各組基本單元的三相逆變橋的輸入端均接在輸入整流濾波單元的輸出上。每組基本單元的三相逆變橋的輸出端連接同組基本單元的三相變壓器的一次側繞組，同組基本單元的三相變壓器的二次側繞組連接同組基本單元的整流橋的輸入側。各組基本單元的輸出側相互呈串聯和/或并聯連接后輸出。上述方案中，當2個整流橋的輸出側呈并聯連接時，需通過平衡電抗器進行并聯。作為改進，所述高壓調節器為比例一積分調節器結構。此時高壓調節器的輸出端經由一信號綜合器接至逆變驅動電路 的輸入端。上述高壓調節器的另一個輸入端與中央控制單元的高壓給定信號輸出端相連，信號綜合器的另一個輸入端與中央控制單元的束流給定信號輸出端相連。作為進一步改進，本加速電源裝置還進一步包括逆變器供電電壓檢測元件。此時，逆變器供電電壓檢測元件的2個測量端并接在輸入整流濾波單元的輸出端上，逆變器供電電壓檢測元件輸出端連接至信號綜合器的又一個輸入端上。上述方案中，所述高壓放電扼流電路由電感和高壓二極管并聯構成。另外，電子束流取樣電阻的取樣信號輸出端、中央控制單元的電子束流給定信號輸出端和故障判別電路的輸出端還分別連至電子束熔敷設備中電子束流調節器的輸入端。與現有技術相比，本實用新型的技術方案在交流中間環節實現中頻逆變和脈寬調制調壓后，通過高壓變壓器實現能量的傳遞、電壓值的變換和高壓的絕緣，多組三相高壓整流串聯和/或并聯，總整流電壓波的脈動頻率遠高于逆變頻率，使用較小容量的高壓濾波電容就可以滿足加速電源輸出電壓的紋波要求，逆變開關管工作于中頻(IOOOHz以內)，開關損耗遠小于聞頻逆變和聞頻脈寬調制工作狀態。

圖1為本實用新型電子束熔敷設備逆變加速電源裝置一種實施例的結構示意圖；圖中標號為:1 一電網濾波器，2 —輸入整流濾波單元，3 —電壓變送器，4 一電流變送器，5 一逆變器，6 —高壓變壓器，7 —高壓整流濾波器，8 —高壓放電扼流電路，9 一高壓取樣電路，10 —電子束流取樣電阻，11 一故障判別電路，12 —中央控制單元，13 —高壓調節器，14 一信號綜合器，15 一逆變驅動電路。圖2為基本單兀結構不意圖。圖中標號為:5_1 — U相左上橋臂開關功率管,5-2 —U相左下橋臂開關功率管，5-3 - U相左上橋臂續流二極管，5-4 - U相左下橋臂續流二極管，5-5 — U相橋臂緩沖電路，5-6 — V相橋臂電路，5-7 — W相橋臂電路，5_8 —逆變器檢測模塊，6-1 —高壓變壓器一次側繞組，6-2 —高壓變壓器二次側繞組，7-1 —高壓整流橋，7-2 —聞壓濾波電容。圖3為圖1中逆變器各開關功率管驅動信號波形圖(占空比50%)。圖4為本實用新型電子束熔敷設備逆變加速電源裝置另一種實施例的結構示意圖。圖中標號為:1 一電網濾波器，2 —輸入整流濾波單元，3 —電壓變送器，4 一電流變送器，5 —逆變器，6 —高壓變壓器，7 —高壓整流濾波器，7-3 —平衡電抗器，8 —高壓放電扼流電路，9 一高壓取樣電路，10 —電子束流取樣電阻，11 一故障判別電路，12 —中央控制單元，
13—高壓調節器，14 一信號綜合器，15 一逆變驅動電路。
具體實施方式
本實施例的電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，如圖1所示，主要由電網濾波器1、輸入整流濾波單元2、電壓變送器3、電流變送器4、逆變器5、高壓變壓器6、高壓整流濾波器7、高壓放電扼流電路8、高壓取樣電路9、電子束流取樣電阻IO、故障判別電路11、中央控制單元12、高壓調節器13、信號綜合器14和逆變驅動電路15構成。電網濾波器I的輸入端與三相四線制電網相接，其輸出送入輸入整流濾波單元2的交流側，用于切斷電磁干擾(EMI)傳播途徑。輸入整流濾波單元2用于將三相交流電變換成平直的不可控正負直流電，正負直流電的中點與電網的零線相接，其輸出的平直的正負直流電送入逆變器5各逆變橋的正負輸入端。電壓變送器3即逆變器供電電壓檢測元件用于檢測輸入整流濾波單元2輸出正負直流電的幅值，其輸出電壓信號Us與逆變橋輸入電壓成比例，其輸入端并接在輸入整流濾波器2輸出正負極之間,輸出端送入信號綜合器14的一輸入端。電流變送器4即逆變器供電電流檢測元件用于檢測輸入整流濾波單元2輸出正負電流的總和，其輸出電壓信號Uis與逆變器工作電流成比例。電流變送器4的輸入端串接在輸入整流濾波單元2輸出端與逆變器5的輸入端之間，輸出端送入故障判別電路11的輸入端。逆變器5由2個或2個以上的三相逆變橋組成，用于將直流電逆變成中頻交流電，同時用于脈寬調制調壓。每個三相逆變橋輸出的經脈寬調制后的中頻交流電送入對應的高壓變壓器6的一次側繞組。高壓變壓器6包括2 個或2個以上的三相變壓器，其個數與逆變橋的個數相同，每個變壓器的鐵心采用冷軋硅鋼片材料，用于實現電量的傳遞、電壓值的變換和高壓絕緣。每個變壓器二次側繞組輸出的中頻高壓電送入對應的整流橋的交流輸入側。[0027]高壓整流濾波器7包括2個或2個以上的整流橋，其個數也與逆變橋的個數相同。高壓整流濾波器7將高壓中頻交流電變換成平直的高壓直流電。每個整流橋輸出經高壓電容濾波后再串聯和/或并聯輸出，該輸出高壓端接至高壓放電扼流電路8，輸出低壓端經電子束流取樣電阻10后與大地和電子槍的陽極相接。I個逆變器加I個高壓變壓器加I個高壓整流橋組成一個基本單元。基本單元的結構如圖2所示。每個逆變器由一個三相逆變橋和逆變器檢測模塊5-8組成，三相逆變橋的每個橋臂由2個開關功率管(如U相左上橋臂開關功率管5-1和U相左下橋臂開關功率管5-2)、2個快速二極管(如U相左上橋臂續流二極管5-3和U相左下橋臂續流二極管5-4)以及緩沖電路(如U相橋臂緩沖電路5-5)組成。三相逆變橋工作于180ο逆變方式，逆變器檢測模塊5-8用于檢測每個開關功率管是否短路和是否過載，其輸出接至故障判斷電路11的一輸入端。每個三相變壓器的一次側繞組6-1為帶中線的星形接法，中線與電網的零線相接，每個三相變壓器二次側繞組6-2為星形或三角形接法。每個整流橋7-1由6只高壓二極管組成。高壓放電扼流電路8用于抑制高壓放電電流的上升速率，減緩放電產生的電磁沖擊強度，其輸出接至電子槍的陰極。在本實用新型中，所述高壓放電扼流電路8由電感和高壓二極管并聯構成。高壓取樣電路9并接于高壓放電扼流電路8輸出端與大地之間，用于測量加速電壓值，輸出正比于加速電壓的電壓信號Ua，其輸出的信號同時送入高壓調節器13作為負反饋信號，和送入故障判別電路11用于判斷高壓過壓及高壓放電的依據。電子束流取樣電阻10串接于加速電源輸出回路的低壓端與大地之間，用于檢測電子束流值，此電阻兩端輸出正比于電子束流大小的電壓信號ue。其輸出的信號分別送入故障判別電路11用于判斷電子束過·流的依據，和送入電子束熔敷設備中央控制單元12的電子束流調節器作為電子束流負反饋信號。故障判別電路11接受來自高壓取樣電路9、電子束流取樣電阻10和電流變送器4的輸出信號ua、Ue和Uis,故障判別電路11同時接受來自逆變器檢測模塊5-8，對加速電源運行狀態實時監控，出現異常時輸出故障信號Uer,第一路送入高壓調節器13用于封鎖高壓調節器的輸出，第二路送入逆變驅動電路15用于封鎖驅動電路的輸出，第三路送入電子束流調節器用于封鎖電子束流調節器的輸出，第四送入電子束熔敷設備中央控制單元12，用于實現加速電源的多重保護、與其它部分的連鎖保護和故障提示。故障判別電路11用于判斷加速電壓是否超越設定的上限值、電子束流是否超越設定的上限值、是否產生高壓放電現象及逆變器5任一功率開關管是否異常、供電回路電流是否超越設定的上限值，任一事件的發生都輸出信號即Uer為高電平。中央控制單元12由計算機或可編程控制器(PLC)承擔數字設定經數模轉換(DAC)產生高壓設定信號Ua*送入高壓調節器13，用于產生加速電壓的設定波形，包括升降斜率和工作電壓的設定。高壓調節器13為比例一積分(PI)調節器結構，用于加速電壓的精度控制，并保證加速電源穩定運行。正常工作時，接收中央控制單元12輸出的高壓設定信號U/和高壓取樣電路9輸出的反饋信號Ua，其輸出U。送入信號綜合器14 ;故障判別電路11有信號輸出時，高壓調節器13的輸出被封鎖。[0035]信號綜合器14還接受電壓變送器3的輸出信號Us和中央控制單元12數字設定經數模轉換(DAC)產生電子束流設定信號U:。把高壓調節器13的輸出信號U。、電壓變送器3的輸出信號Us和電子束流給定信號U:線性疊加后輸出信號接至逆變驅動電路15，調節脈寬調制輸出波的占空比。逆變驅動電路15用于產生逆變器5中各功率開關管合理的驅動脈沖。其產生的驅動波形經隔離放大后分別接至逆變器5中各個功率開關管的控制極。故障判別電路11有信號輸出時，逆變驅動電路15的輸出被封鎖。電子束熔敷設備逆變加速電源的控制方法，包括輸出高壓的穩定調節控制，逆變器5驅動控制及故障保護控制。所述輸出高壓的穩定調節控制:電子束熔敷設備逆變加速電源采用工頻交流輸入—低壓整流濾波一中頻逆變兼脈寬調制調壓一中頻變壓器升壓一高壓整流濾波輸出的電流變換方式，即通過AC — DC — AC — DC電流變換方式，由中頻變壓器實現能量的傳遞、電壓值的變換和高壓絕緣，在交流中間環節采用脈寬調制技術調節加速電源的輸入。高壓調節器13根據高壓設定信號和反饋信號進行比較、比例一積分運算輸出信號去調節逆變器5的脈寬調制輸出波的占空比，最終實現輸出高壓的穩定調節。此外，所述輸出高壓的穩定調節控制還包括電網波動和負載變化的動態抗干擾調節，把電網電壓取樣信號Us和電子束流給定信號U/作為前饋信號與高壓調節器13的輸出信號U。綜合后輸出信號去調節逆變器5的脈寬調制輸出波的占空比，抑制電網波動負載波動弓I起加速電源電壓的動態波動。此外，所述逆變器5驅動控制還包括各中頻逆變橋的相序控制，各逆變橋的逆變相序和脈寬調制波相序受同一時鐘CL控制，各逆變橋間中頻逆變相序呈對稱分布，如圖3所示。
本控制方法的故障保護控制包括下列步驟:故障判別電路11檢測電子束流取樣電阻10上的電壓信號ue，如果超過設定的上限值判為電子束流過流故障；故障判別電路11檢測高壓取樣電路9的輸出電壓信號Ua，如果超過設定的上限值判為加速電壓過壓故障，如果產生負突跳變化判為加速電源產生高壓放電故障；逆變器檢測模塊5-8檢測每個功率開關管的溫度信號，任一功率開關管溫度超過設定的上限值判為逆變器5過載故障；逆變器檢測模塊5-8檢測每個功率開關管的被驅動后的管壓降，任一檢測值超過設定的上限值判為逆變器5短路故障；故障判別電路11檢測逆變器5直流供電電流取樣電路的輸出信號，如果超過設定的上限值判為供電電流過流故障。上述任一故障的產生故障判別電路11輸出信號Uer都變為高電平，并立即封鎖高壓調節器13和逆變驅動電路15的輸出。如果產生高壓放電故障，封鎖高壓調節器13、逆變驅動電路15和電子束流調節器的輸出，同時中央控制單元12將輸出信號UaIP U:置零，1-3毫秒后自動解除封鎖，實現高壓自動重啟；在設定時間段內高壓放電故障發生次數超過設定次數則判為“永久故障”，此時與處理其它故障類型的措施一樣切斷電網供電電源和設定信號，待故障排除后，再手動重啟高壓。下面對本實施例的實施方式進行說明:電子束熔敷設備逆變加速電源直接由三相市電整流后供電，逆變器5把直流電逆變成中頻交流電，通過中頻變壓器升壓后整流輸出高壓直流電；加速電源采用輸出電壓負反饋控制方式，逆變器5在逆變過程同時實現脈寬調制調壓。動態過程脈寬調制的占空比還受電網電壓取樣信號U/和電子束流給定信號Uj控制。逆變器5由兩個三相橋式逆變電路組成，每個逆變橋的逆變頻率相同，脈寬調制的頻率及占空比亦相同，兩個逆變橋之間中頻逆變波形的相位差呈對稱分布。一個逆變器5加一個高壓變壓器6加一個高壓整流器7組成一個逆變供電基本單元，兩個單元的輸出經過串聯和/并聯連接后總輸出作為電子束的加速電源。這樣中頻變壓器的鐵心可采用
0.2mm 0.35mm厚的常用冷軋硅鋼片疊成，整個中頻變壓器制造工藝簡單，而高壓整流輸
出的直流電的脈動頻率卻是中頻逆變頻率的12倍，總整流波在脈寬調制占空比大于*時
(由中頻變壓器設計參數保證)無過零點，選用較小的高壓濾波電容值就能濾掉交流成分，滿足紋波系數指標要求，一方面有利于提高控制系統調節速度，另一方面貯能小，高壓放電產生的沖擊自然小，有利于提高電源系統運行可靠性。逆變功率管工作頻率較低，開關損耗小。本實施例在以本實用新型技術方案為前提下進行實施，給出了兩組逆變橋的實施方法，其圖1中兩組高壓整流后相串聯輸出，圖4中兩組高壓整流后通過平衡電抗器7-3并聯輸出，其余部分功能與圖1相同。但本實用新型的保護不限于上述兩組逆變橋實施例，只要電子束熔敷設備的逆變加速電 源在交流中間環節實現中頻逆變和脈沖調制調壓即屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，其特征在于:包括連接的電網濾波器(1)、輸入整流濾波單元(2)、逆變器(5)、高壓變壓器(6)、高壓整流濾波器(7)、高壓放電扼流電路(8 )、高壓取樣電路(9 )、電子束流取樣電阻(IO )、高壓調節器(13 )和逆變驅動電路(15 );電網濾波器(1)的輸入端與三相市電相連，電網濾波器(I)的輸出端經輸入整流濾波單元(2)連接逆變器(5)的輸入端；逆變器(5)的輸出端連接高壓變壓器(6)的一次側繞組，高壓變壓器(6)的二次側繞組與高壓整流濾波器(7)的輸入端相連；高壓整流濾波器(7)的高壓端經高壓放電扼流電路(8)與電子槍的陰極相連，高壓整流濾波器(7)的低壓端經電子束流取樣電阻(10)后與大地和電子槍的陽極相接；高壓取樣電路(9)并接于高壓放電扼流電路(8)輸出端與大地之間；高壓取樣電路(9)連接高壓調節器(13)的輸入端，高壓調節器(13)的輸出端接至逆變驅動電路(15)的輸入端；逆變驅動電路(15)與逆變器(5)相互連接。
2.根據權利要求1所述的電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，其特征在于:所述逆變器(5)包括2個或2個以上的三相逆變橋、高壓變壓器(6)包括2個或2個以上的三相變壓器、高壓整流濾波器(7)包括2個或2個以上的整流橋；1個三相逆變橋、I個三相變壓器和I個整流橋組成一個基本單元；各組基本單元的三相逆變橋的輸入端均接在輸入整流濾波單元(2)的輸出上；每組基本單元的三相逆變橋的輸出端連接同組基本單元的三相變壓器的一次側繞組，同組基本單元的三相變壓器的二次側繞組連接同組基本單元的整流橋的輸入側；各組基本單元的輸出側相互呈串聯和/或并聯連接后輸出。
3.根據權利要求2所述的電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，其特征在于:當2個整流橋的輸出側呈并聯連接時，需通過平衡電抗器(16)進行并聯。
4.根據權利要求1 3中任意一項所述的電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，其特征在于:所述高壓調節器(13)為比例一積分調節器結構；此時高壓調節器(13)的輸出端經由一信號綜合器(14)接至逆變驅動電路(15)的輸入端；上述高壓調節器(13)的另一個輸入端與中央控制單元的高壓給定信號輸出端相連，信號綜合器(14)的另一個輸入端與中央控制單元的束流給定信號輸出端相連。
5.根據權利要求4所述的電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，其特征在于:還進一步包括逆變器供電電壓檢測元件(3);此時，逆變器供電電壓檢測元件(3)的2個測量端并接在輸入整流濾波單元(2)的輸出端上，逆變器供電電壓檢測元件(3)輸出端連接至信號綜合器(14)的又一個輸入端上。
6.根據權利要求5所述的電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，其特征在于:所述高壓放電扼流電路(8)由電感和高壓二極管并聯構成。
專利摘要本實用新型公開一種電子束熔敷設備逆變加速電源裝置，其以三相中頻逆變橋+中頻升壓變壓器+三相高壓整流橋為基本單元，由若干個基本單元高壓整流橋輸出通過串聯和/或并聯組成電子束熔敷設備加速電源的整流裝置，若干個基本單元的逆變橋的相序呈對稱分布，加速電源整流裝置的輸出電壓的脈動頻率為逆變頻率的6n倍(n為基本單元數)，調壓控制方式為中頻逆變過程兼實現脈寬調制(PWM)，降低逆變功率管的工作頻率即能降低開關損耗。本實用新型采用中頻逆變及脈寬調制調壓方式，具有逆變開關管的開關損耗小，高壓整流波的脈動頻率遠高于逆變頻率的特點。
文檔編號B23K15/02GK203091963SQ201320068490
公開日2013年7月31日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者黃小東, 韋壽祺, 陸思恒, 郭華艷, 王偉, 蔣思遠, 陸葦, 黃海, 黃地送 申請人:桂林獅達機電技術工程有限公司