电子束加工设备高压加速电源的研制
2022-04-18
来源:步旅网
第51卷第4期 电力电子技术 Vol:51。No.4 2017年4月 PowerElectronicS April 2017 电子束加工设备高压加速电源的研制 许海鹰 ,范 恺 ,张 伟:,齐铂金2 (1.北京航空制造工程研究所,高能束流加工技术重点实验室,北京100024; 2.北京航空航天大学,机械工程及自动化学院,北京 100191) 摘要:为获得稳定电子束流输出,提高电子束加工质量,采用AC/DC/AC/DC/AC/DC的拓扑电路结构、双闭环控 制电路,研制一种新型高压加速电源。检测分析了高压加速电源空载和带载时,高压变化线性度、逆变功率变 压器初级电压、电流波形,实验结果表明:所研制的高压加速电源的高压输出线性度较好,且能满足最大功率 输出的需求。 关键词:电源;电子束加工:高压 中图分类号:TN86 文献标识码:A 文章编号:lOOO-lOOX(2O17)04 0065—03 Voltage Inverter Power Supply for Electron ̄Beam Machitm XU Hal-ying ,FAN Kai ,ZHANG Wei ,QI Bo-jin (1.Science and Technology On Power Beam Processes Laboratory, Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China) Almtmet:In order to acquire steady output of electron beam and enhance the quality of electron beam machine,l:hte topology circuit of AC/DC/AC/DC/AC/DC and doubh closed・loop control cicruit has been adopted to manufacture high voltage power source.Besides the linearity of output high voltage,the maximal voltage and current waves at original coil of hihg voltage inverter transformer have been detected.Through a series of tests,the result shows that not 0nly hte output of hte hi hg voltage power source has a ifne lineariyt,and it call meet the maximum ̄ebam output. KeYwerds:power supply;electron beam welding;hihg-voltage lFoma&dima|Pl咖:Supported by Ministry of Industry and Information Technology(No.XX一093-03) l 引 言 脉宽逆变,又要变脉宽限流调压。使得PWM脉宽 真空电子束具有能量密度高、能量转化效率 调整频繁,这将导致高压(加速电压)稳定性很差。 高、加工质量高等优点【1-2],已经在航空航天、兵器 而加速电压是影响束流品质的重要参数。加速电 工业、舰船等国防工业及其他民用工业领域得到 压不稳定,将会直接影响加工质量。 广泛的应用【3】。为获得稳定的电子束流输出,除了 采用基于AC/DC/AC/DC/AC ̄C的拓扑电路 高可靠性的电子枪系统外.还需要能稳定可靠工 及先进的控制策略。设计制造一种新型基于IGBT 作的高压电源。 的调压、逆变拓扑电路结构的电子束加工设备高 国内电子束加工设备电源通常采用工频机组 压加速电源。针对高压加速电源在电子束源系统 升压模式或工频整流后逆变升压模式获得高压。 中的作用,设计高压加速电源的主电路拓扑结构 工频机组升压模式不但噪声大,而且响应速度慢, 及其双闭环控制电路,实现了稳定的高压输出。 存在数千伏的高压纹波,此外,放电脉冲尖峰极易 2加速电源l韵作用 耦合到工频电 网中,干扰其他设备正常工作。工频 通常电子束通过加热阴极产生的屯子,再经 整流后逆变升压模式一般采用脉宽调制( ) 过电子枪阴极、阳极间的加速电压加速,经电子光 控制,该模式的拓扑电路中,功率开关器件既要定 学系统汇聚后,形成能量高度集中饷电子束流。高 压逆变电源与电子枪的连接如图1所示。图中 , l50 kV加速电源的正端接地 .负端通过限流电阻 基金项目l_工信部基金资助项目(Xx-O93-03) R 接栅极电源的正端 ,栅极电源的负端接电子枪 定麓圈鞠=舶瞄捆 灏 的栅极。灯丝加热电源的正 负端接电子枪的灯丝 作者简介:许海鹰(1973一),男,山西临猗人,博士,高级工 两端。同时灯丝加热电源的正、负两端分别通过 程师 。研究方向为高能柬流加工设备技术。 ,R。及 悬浮于I50 kV加速电源的负端。 第51卷第4期 2017年4月 电力电子技术 PowerElectronics Vo1.51.No.4 April 2017 l I R2 灯丝加热电源 尼 5攀0kVl 0 ̄2 50V/300mA 工 图1连接示意图 Fig.1 Connection schematic diagram 3加速电源拓扑电路 高压加速电源由低压部分和高压部分组成。 低压部分包括全桥逆变直流电源和全桥逆变电 路。其电路结构如图2所示。高压部分主要由高压 功率变压器、倍压整流电路、高压采样电路等组 成.其电路结构如图3所示。 2 VD2 _r- l  ̄380V V 本 Vo t VD150Hz c, 2 ‘VD32 VD4 ……L¨i I平 L L一 .- 0■-—--—-.-----—一-...J ‘ - 一.1 . 0 嘉雾 ・ a I’ll I 图2低压部分电路 Fig.2 Circuit of low voltage part 图3高压部分电路 Fig.3 Cicruit of high voltage part 图2中.三相380 V交流电经三相全桥整流 滤波电路MD。后得到约500 V的直流电,输入到由 IGBT开关管vm—V∞组成的第1全桥逆变电路,变 换成约20kHz的交流方波,然后经1:1隔离变压 器T 耦合至次级,再经由二极管VD,一VD4组成 的全波整流电路整流,电感三。和电容G2组成的 滤波电路滤波后。得到电压稳定可调的直流电。该 直流电作为V,~V 组成的第2全桥逆变电路的输 入。第2全桥逆变电路将所述直流电转化成20 kHz 的交流电,作为高压部分输入,其中电容c ,G为 隔直电容。低压部分电路的电流变化过程为:AC/ DC/AC/DC/AC.第1级AC/DC变化是380 V/50 Hz 66 的交流电经过三相全波整流滤波后变成稳定的约 500V的直流电:第2级AC/DC变化是经过第1级 全桥逆变电路所形成的20 kHz左右的交流电经 过滤波整流电路后变成的电压可调的直流电。调节 第1级逆变电路IGBT的导通时间,可调整第2级 AC/DC变化电路的输出电压,所设计电路的输出 电压0~500 V连续可调。 加速电源的拓扑电路采用3级AC/DC转化, 第1,2级AC/DC均为小于500 V的低压,第3级 AC/DC既包括20 kHz交流方波的低压,又包括 150 kV的高压。低压与高压部分通过高压逆变功 率变压器隔离。 高压部分由3组同等功率、电路拓扑的倍压 电路组成,图3是其中的一组,高压逆变功率变压 器(HV rR)的输入为第2级全桥逆变电路输出的 20 kHz左右的交流方波,HVTR的变比为1:22,将 输入0~500 V变化的低压交流电转化为0~11 kV 频率相同的高压交流电,该交流电再经过 Cockcroft.Walton 16倍压整流电路。变成负高压直 流电,经过 限流电路后,连接到偏压电源、灯丝 加热电源。 图3倍压整流电路中,C , 上的最高电压为 高压变压器次级的峰值电压 ,则c2的最高电压 为2U。当高压变压器初级输入电压峰值为500 V 时,其次级峰值电压为1l kV,则倍压整流电路中 各电容和二极管承受最高电压为22 kV。倍压整 流电路中各电容均为25 nF/40 kV,由两只50 nF/ 2O kV电容串联而成,整流二极管参数为5 M40 kV。 当高压部分的输入电压在0~500 V间变化 时,输出高压直流电的变化范围为0—176 kV。带 载后电压会降低。平均压降为【 】: A =,d(2n +3n +4n)/(12fc) (1) 式中:△ 为电压降;,d为输出束流 为工作频率;C为单 只电容容量:/t'为倍压电路级数。 与普通的倍压整流电路相比.采用Cockcroft. Walton对称全波整流电路不仅可减小滤波电容的 容量,而且还可降低输出高压的纹波电压。输出的 纹波电压AU=nld(4fC)。 当需要输出200 mA束流时,每一组倍压电路 需提供66.7 mA束流,可通过式(1)计算△ ,根 据所选参数,则输出电压降低了13.873 kV。设计 时选择较多倍压电路的级数。是为了弥补由于 HVTR漏感、高压二极管压降等所引起的压降。并 可根据AU=nld(4fc)计算出最大束流输出时纹波 电压为533 V 电子束加工设备高压加速电源的研制 4控制电路设计 加速电源的低压部分电路中的第1逆变电路 与第2逆变电路采用不同的控制模式,其中第2 逆变电路采用定频满脉宽的控制方式。加速电源 的输出特性通过改变第1逆变电路的输出电压来 调节。这种控制方式有效避免了单级逆变电源在 小功率工作时,逆变电路的脉宽过窄导致输出电 流电压脉动过大的问题。同时,为提高加速电源的 输出稳定度,第1级逆变电路采用了内、外环控制 相结合的方式进行调节。 4.1加速电源控制电路设计 图4为高压加速电源的电压闭环控制电路原 理框图。图中,高压加速电源输出电压经过一组由 高压电阻组成的采样电路后获得高压反馈信号 ‰,所设计的‰最大反馈信号为一9 V。 趱薯…… 。圆_ 耐 函商 圆圈 圆圈 幽 l哩 ID 一2 I 图4加速电源控制电路框图 Fig.4 Block diagram of acceleration power control circuit 外部高压给定信号‰作为外环比例积分微 分(PID)调节电路的输入,其输出值 与第2级 AC/DC输出电压的反馈信号 作为内环PID调 节电路的输入,内环PID调节电路输出 再调节 PWM发生及保护电路1所产生的PWM脉冲宽 度。从而改变第1级逆变电路中IGBT开通时间, 继而导致第2级AC/DC输出的直流电压改变,从 而使高压输出得到调节。因此,当闭环调节电路稳 定时,加速电源的输出高压就与设定值相等,大大 提高了加速电压输出的稳定度。 为增强加速电源抑制电子枪放电引起的高压 脉冲电流、电压尖峰的能力,如图4所示,将‰ 输入到PWM发生及保护电路2,在此控制电路 中,若检测到‰大于最大设定值0.1 m8,则关断 第2级逆变电路中的IGBT.在1 m8后重新开通 第2级逆变电路中的IGBT。当检测到输出高压恢 复到稳定的设定值。则PWM发生及保护电路2 正常输出满脉宽。否则,当连续多次检测到 大 于最大设定值0.1 ms时.则关闭第2级逆变电路 中的IGBT,同时输出报警信号,通过人工干预排 除故障。该电路的采用将极大提高加速电源工作 的可靠性。 4.2高压采样电路设计 高压采样信号通过电阻分压方式获得,高压采 样电路如图5所示。采样电阻网络为一个91 kit 电阻和一个2 kQ可调电位器串联组成。2 kll可调 电位器用于调节采样电阻网络的阻值。使其达到 90 kft;50 MQ/5 W的高压电阻3个一组串联,共 计10组.组成1 500 MQ的电阻串联网络连接高 压‰和采样电阻。相对于1 500 MQ的高压电阻 网络,采样电阻网络阻值太小,则 =1 500 / 0.09,当采样电压信号达到9 V,则高压达到150 kV, 满足设计要求。 。 一v —o_—_c 8 图5高压采样电路 Fig.5 Hish voltage sampling cicruit 5 实验分析 5.1空载实验 不连接电子枪,空载时,第2级AC/DC变化 电路的输出直流电压从零逐渐增加,在高压输出 60 kv以上,记录直流电压对应的高压输出,直到 最高电压达到150 kV,实验结果如图6所示。由 图可见,输出高压随给定直流电压的增大而增大, 在输入电压为350 V时。输出电压达到150 kV,达 到设计要求,且高压输出的线性度较好。 矾n/V 图6输入、输出对应关系曲线图 Fig.6 Input and output curve graph 图7为 达到9 V时,用TPS2024示波器 采样得到的高压逆变功率变压器初级电压 的 波形。由图可见,当高压逆变功率变压器初级输入 350 V左右的交流方波时。高压电源输出达到150 kV。电压波形出现谐振,初步分析是由高压逆变 功率变压器漏感、层间电容、倍压整流电路的寄生 电感等引起的。 (下转第74页) 67 第51卷第4期 2017年4月 电力电子技术 Power Electronics Vo1.51.No.4 April 2017 在规定的时间内无法促使PCC电压频率偏移至 确保电网断电后PCC电压频率更快地从电网频 阈值之外,孤岛检测失败。而改进SMS算法能避 免临界稳定状态的发生,断网后工作点处于严重 不稳定状态,因此,PCC电压频率能快速从电网频 率切出,显著提高了孤岛检测速度。 率处切出.提高算法在高负载品质因数时检测到 孤岛的快速性及正确性。仿真与实验表明,所提改 进方案不仅能保持传统算法对电能质量影响小和 无检测盲区的优点。且极大地提高了孤岛检测速 度.在高负载品质因数时依然能高效快速地无盲 区检测到孤岛状态。 参考文献 【1】刘方锐,段善旭,康勇,等.多机光伏并网逆变器的孤 岛检测技术[J].电工技术学报,2010,25(1):167—171. Chowdhury S P,Chowdhury S,Crossley P A.Islanding Pro— tection of Active Distribution Networks With Renewable Distributed Generators:A Comprehensive Survey[J].Elec— trie Power Systems Research,2009,79(6):984-992. 图8实验结果 Fig.8 Experimental results 杨秋霞。赵清林,郭小强.三相光伏并网逆变器电流扰动 孤岛检测建模及分析[J].电力系统自动化,2012,36(4): 45-49. 5 结 论 针对传统SMS算法在高负载品质因数时检 张凯航,袁丁浩。何嘲 越,傅质馨,等.基于正切滑模频移法的孤 宇,漆汉宏,等.基于抛物线型SMS算法 岛检测方法[J].电力自动化设各,2013,33(12):66—72. 测时间变长甚至检测失败的缺陷。根据椭圆曲线 在顶点处斜率为无穷大的特性。将传统SMS算法 中正弦频率偏移函数替换为椭圆频率偏移函数。 (上接第67页) 的孤岛检测[J].电工技术学报,2013,28(10):233—240. 王斯成,杨鸿雁,王连贵,等.GB/T 19939—2005光伏系 统并网技术要求【s】.中华人民共和国国家标准,2005. 电流采样用变比为500的霍尔传感器,采样 电阻3O Q,可以看出,//,m峰值达到了660 V,i.m峰 值达到了150 A.第2级逆变电路功率器件均为 BSM300GB120DLC型IGBT.能满足高压加速电源 辇窭 >> 毒 t/(10 us/格) 最大功率稳定输出需求。 图7初级电压与高压采样波形 Fig.7 Primary voltage and hish voltage sampling waveforms 6 结 论 采用AC/DC/AC/DC,AC/DC的拓扑电路结构、 Cockcroft.Walton 16倍压整流电路、双闭环控制技 术等,设计制造了高压加速电源,实验表明所研制 5.2 带载实验 高压加速电源连接电子枪等束源系统,在灯 丝加热电流25 A,偏压给定电压一12 V,高压输出 电源不但高压输出线性度好,工作稳定,达到最大 功率输出,且其拓扑电路有利于提高其抗干扰能力。 147 kV时.在45 Q采样电阻上检测到最大束流 反馈信号为9 V,实现了最大200 mA束流输出。 分别对第2逆变电路中.输入到功率变压器的电 压和电流波形进行检测,测试波形如图8所示。 寒冬 > 参考文献 【1】李晓延,武传松,李午申.中国加工制造领域学科发展 研究[J].机械工程学报,2012,48(6):19—31. 【2】C Y Ho.Fusion Zone During Focused Electron—beam Weld- ing[J].Journal of Mateirlas Processing Technology,2005, 167(2):265-272. 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