抑制電子束焊機加速高壓電源過電壓的措施

莫力林

(桂林獅達機電技術工程有限公司，廣西桂林541004)

電子束焊機是一種綜合了真空物理、電子技術、電子光學、高電壓技術、計算機和控制技術等多種技術的高科技產品。電子束焊機高壓加速電源，用于為電子束提供加速電場，其性能的好壞，直接決定著電子束焊接質量。加速高壓電源，是電子束焊機的關鍵部件之一，其可靠性對整個設備的可靠性至關重要。而影響加速高壓電源可靠性的主要原因，就是過電壓。過電壓，一方面作為一種加速電壓干擾波動源，而影響設備的電子束的品質，影響焊接質量；另一方面，還可能損害加速高壓電源，縮短其使用壽命。因此需要采取有效措施，抑制加速高壓電源過電壓的幅值。

1 過電壓的產生及特點

電子束焊機加速高壓電源的原理如圖1所示。由升壓變壓器 T1、高壓硅堆整流橋 ZL1、高壓 π 型濾波電路（C1、C2、L1）、高壓分壓采樣電路（R1、R2）、束流取樣電阻R3等組成。

圖1 電子束焊機高壓電源原理圖

引起電子束焊機加速高壓電源運行過程產生過電壓的因數有：

（1）高壓變壓器T1的初級與市電電網相連，如果電網受到雷擊，雷電波將自輸入線路入侵加速高壓電源裝置，產生過電壓，威脅加速高壓電源裝置。電子束焊機為室內設備，受雷擊概率很小，只要在設備電源進線端設置避雷裝置，就能防雷保護設備。

（2）電子束焊機加速高壓電源的結構，不僅存在感性和容性的元件，還存在感性和容性的分布參數，在操作或換流過程產生大的電流變化率或大的電壓變化率（，從而產生瞬時過電壓，或高頻諧振現象。這種過電壓脈沖較窄，峰值較高，概率較大，但能量較低。

（3）電子束焊機加速高壓電源的濾波電路，采用π型LC濾波電路結構，與常規電源濾波電路的區別在于高壓電容值很小，濾波電路不得不采用小電容值與大電感值相配合方式。電子束焊機在運行中，如果電子槍放電，相當于圖1中高壓輸出短路，電子槍上的高壓急劇下降，電子槍的真空絕緣恢復而截流。此時L1所積聚的能量無法回饋電網，只能通過C2充電釋放能量，C1電壓舊會升至危險值。電子槍放電引起的過電壓，對電子束焊機加速高壓電源威脅是最嚴重的。下面以THDW-15型電子束焊機為例，作進一步說明。

在HDW-15型電子束焊機加速高壓電源中，L1為8.5H，C1、C2為 0.003 9 μF，放電峰值電流 Ibk=6.7A。那么 L1積聚的最高能量為

當L1的能量全部轉移到C2上，此時

該電壓值已遠遠超過了額定電壓（75 kV），必須加以抑制，出現超高幅值的截止過電壓，是大電感小電容LC濾波電路所特有的缺陷。

2 抑制措施

具備抑制瞬時過電壓的電子束焊機加速高壓電源的原理如圖2所示，包括升壓整流單元、高壓濾波單元和取樣單元。升壓整流單元包括升壓變壓器T1和高壓整流硅堆ZL1，實現電壓等級變換及交流、直流變換，其輸出端接高壓濾波單元；高壓濾波單元是由電感L1和電容C1、C2組成的無源濾波電路，使得加速高壓電源輸出電壓波形平直，其高壓輸出端接至電子槍的陰極，電子槍的陽極接地；高壓濾波單元的輸出端還接有取樣單元，取樣單元有加速電壓分壓取樣電阻R1、R2和電子束流取樣電阻R3，取樣單元輸出加速高壓電源工作電壓取樣信號Ug和電子束流取樣信號Ib。本高壓加速電源，還包括有整流端氧化鋅避雷器Ry1和輸出端氧化鋅避雷器Ry2。整流端氧化鋅避雷器Ry1一端接于升壓整流單元的高壓輸出端。整流端氧化鋅避雷器Ry1，可對升壓變壓器T1高壓輸出端的多相過電壓同時抑制保護，其起始動作電壓為加速高壓電源額定電壓的1.5～1.8倍。輸出端氧化鋅避雷器Ry2一端接于高壓濾波單元的高壓輸出端，Ry2為加速高壓電源內部瞬時過電壓主抑制元件，由于加速電源采用閉環控制，正常工作電壓波動范圍很小，一般為1%以內，此避雷器的起始動作電壓，為加速高壓電源額定電壓的1.1～1.15倍，實現過電壓高精度抑制保護。

圖2 抑制電子束焊機高壓電源過電壓原理圖

兩個氧化鋅避雷器Ry1和Ry2對過電壓的抑制，是通過鉗位方式，將對設備有危害的過電壓經避雷器泄流，過電壓能量轉化成熱量被吸收掉，不同電壓保護等級，可用多個低壓氧化鋅避雷器串聯組合，單個氧化鋅避雷器選用動作電壓為1 500 V、通流容量為3 kA，即可滿足容量要求。氧化鋅避雷器的動作響應速度為納秒（ns）級，幾乎可以看成是沒有延時的，故有效地抑制瞬時過電壓，避免了過電壓對加速高壓電源的損害。氧化鋅避雷器具有較大的寄生電容，有利于在高壓加速電源這種直流場合的使用。

二避雷器Ry1、Ry2的低壓端，接避雷器漏電流取樣電路后接地，避雷器泄漏電流取樣電路，連接避雷器泄漏電流檢測單元K1，避雷器泄漏電流檢測單元輸出超壓信號Uer，其輸出端與電子束焊機的高壓加速電源的供電電源的控制裝置相連接。

避雷器泄漏電流取樣電路，由并聯的壓敏電阻Ry3、泄漏電流取樣電阻R4和濾波電容C3組成，泄漏電流取樣電阻R4為10 W/1 kΩ，壓敏電阻Ry3的壓敏電壓為33 V，通流容量選為0.5 kA，濾波電容C3選用0.01μF/100 V的瓷介電容。

當未達到氧化鋅避雷器Ry1或Ry2的起始動作電壓時，Ry1和Ry2的泄漏電流僅為微安（μA）級，此時避雷器泄漏電流取樣電路輸出電壓信號近乎為零。當有Ry1和Ry2的起始動作電壓的過電壓時，Ry1或Ry2起鉗位作用，流過Ry1或Ry2的電流大大增加，避雷器泄漏電流檢測單元K1得到避雷器泄漏電流取樣電路輸出的電壓信號，與設定值5 V進行比較。如果為寬脈沖過電壓，避雷器泄漏電流取樣電路輸出的電壓信號將超過5 V，表明流過Ry1或Ry2的平均電流已超過5 mA安全值。為了避免避雷器熱擊穿，此時避雷器泄漏電流檢測單元K1輸出超壓信號Uer給電子束焊機高壓加速電源的供電電源的控制裝置，用來降低供電電壓或切斷供電電源。如果是尖鋒脈沖過電壓，由于避雷器泄漏電流取樣電路中濾波電容C3的平緩作用，使得避雷器泄漏電流取樣電路的輸出電壓不會超過5 V，避免了避雷器泄漏電流檢測單元K1輸出錯誤信號；當寬脈沖大電流通過避雷器泄漏電流取樣電路時，壓敏電阻Ry4動作限壓于33 V，保護取樣電阻R4和濾波電容C3避免被損毀。

3 結束語

上述抑制電子束焊機高壓加速電源瞬時過電壓的措施，具有如下優點：

（1）避雷器能將雷擊或電源內部產生的瞬時過電壓能量，轉化成熱量吸收掉，加速高壓電源各部件得到保護，保證正常運行，延長使用壽命。

（2）整流端氧化鋅避雷器，對升壓變壓器高壓輸出側的多相過電壓，同時抑制保護，較之在交流側進行多相過電壓抑制保護，節省避雷器數目，且結構簡單，降低成本。

（3）避雷器泄漏電流取樣電路連接避雷器泄漏電流檢測單元，在過壓為寬脈沖產生的避雷器平均電流過大時，送出超壓信號，使設備電源控制裝置能及時降低供電電壓，或切斷供電電源保護避雷器。

（4）尖鋒脈沖電流和寬脈沖大電流時，避雷器泄漏電流取樣電路能得到保護。

[1]王興貴，李慶玲，李效珍，梁志鈺.氧化鋅避雷器應用研究[J].高壓電器，2008，44（2）：175-177.

[2]萬 毅，陸繼明，王 丹，毛承雄.高壓大功率電力電子裝置的防雷保護[J].電力系統及其自動化學報，2005，17（4）：76-78，97.

[3]許保彬.機電設備中電動機電磁干擾現象抑制[J].微電機，2008，41（3）：59-61.

[4]張懋魯.電爐變壓器的操作過電壓沖擊及其抑制[J].工業加熱，2006，35（1）：45-50.

[5]周澤存，沈其工，方 瑜，王大忠.高電壓技術（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2006.