中頻逆變高頻PWM電子束焊機高壓電源

黃小東，費 翔，陸思恒，郭華艷

（桂林獅達機電技術工程有限公司，廣西 桂林 541004）

電子束焊機電源，用于為電子槍提供加速電壓。其性能的好壞，直接決定著電子束焊接工藝和焊接品質。常用的電子束焊機電源控制方法及電源裝置，主要有下列5種類型：

（1）工頻交流輸入→自偶變壓器交流調壓→工頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點是電網諧波干擾較小，但設備笨重，效率低，系統調節速度慢，調節精度差。為早期電子束焊機產品所選用，目前已被淘汰。

（2）工頻交流輸入→工頻晶閘管交流調壓→工頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點是系統調節速度較快，調節精度較高，但高壓濾波電容值較大，對電網諧波干擾較大，為電子束爐產品普遍采用，但在電子束焊機產品中逐漸被淘汰。

（3）工頻交流輸入→中頻交流發電機調壓→中頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點是高壓濾波電容值相對較小，對電網諧波干擾較小，調節精度較高，但系統調節速度慢，且中頻發電機組價格較高，噪音很大。為目前國內電子束焊機產品普遍采用。

（4）工頻交流輸入→工頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波→高壓電子管串聯調壓→高壓濾波輸出。其特點是高壓濾波電容值小，對電網諧波干擾小，系統調節速度最快，調節精度高，但效率低，高壓電子管為特殊器件，制造難度大，設備體積大，制造成本高，僅為俄羅斯、烏克蘭等少數國家電子束焊機產品所采用。

（5）工頻交流輸入→低壓整流濾波→直流脈寬調制調壓→低壓濾波→高頻逆變→高頻隔離變壓器升壓→高壓整流濾波輸出。其特點是高壓濾波電容值小，系統調節速度快，調節精度高，設備體積小，制造成本較低。但高頻逆變器及高頻高壓變壓器制造技術難度大，效率偏低。為目前歐美電子束焊機產品普遍采用。

以下介紹了一種中頻逆變高頻PWM電子束焊機高壓電源的設計。

1 電源結構及其工作原理

電源結構如圖1所示。

圖1 電源結構示意圖

電源由三相市電供電，通過AC→DC→AC→DC電流變換后，由中頻變壓器實現能量的傳遞、電壓值的變換和高壓絕緣；同時將高壓取樣信號和電子束流信號的取樣信號，作為負反饋信號，去控制脈寬調制輸出波的占空比，為電子束焊機提供穩定的電子束功率。

由于實現的是中頻能量傳遞，因而不僅高壓變壓器的制造工藝更簡單，而且在高壓整流輸出的直流電的脈動頻率，是高頻脈寬調制頻率的數倍（倍數等于單元組個數）。

當整流波在脈寬調制的占空比大于50%時（由中頻變壓器設計參數保證），無過零點，這樣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，由于其貯能小，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。

1.1 逆變器

逆變器的電路結構如圖2所示。

圖 2 逆變器電路結構

逆變器，由A、B兩組逆變橋并聯而成。每組逆變橋包括對稱的左橋電路和右橋電路。左右橋電路各包括2個開關功率管、2個續流二極管和1個緩沖電路。上橋臂開關功率管與下橋臂開關功率管串聯、上橋臂續流二極管與下橋臂續流二極管串聯，并同時與橋臂緩沖電路并聯地接于輸入整流濾波器的輸出端。左、右橋電路上的2個開關功率管和2個續流二極管間的導線，各自相互連接，并分別與中頻高壓變壓器的一側繞組的兩端相連。

每個逆變橋輸出的經高頻脈寬調制后的中頻交流電，送入對應的中頻高壓變壓器的一次側繞組，用于將直流電逆變成中頻交流電，同時用于高頻脈寬調制調壓。

1.2 高壓調節器

高壓調節器，采用比例－積分（PI）調節器結構，在正常工作時，其接收高壓設定信號和反饋信號的偏差信號，輸出送入逆變器驅動電路調節脈寬調制輸出波的占空比；在故障判別電路有信號輸出時，調節器的輸出被封鎖，其用于加速電壓的精度控制，并保證加速電源穩定運行。

PI參數的整定，一般是先整定P，再根據P整定I。之后結合實際作調整[1]。

1.3 逆變器驅動電路

逆變器驅動控制，包括各中頻逆變橋的相序控制和高頻脈寬調制的占空比控制。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，逆變器上半橋功率管的驅動信號為中頻方波，下半橋功率管的驅動信號為中頻方波和高頻脈寬調制波相“與”邏輯運算后的波形。各逆變橋間高頻脈寬調制波的相序，亦呈對稱分布，如圖3所示。

圖3 開關功率管驅動信號波形圖

1.4 故障判別電路

故障判別電路，在檢測電子束流取樣電阻上的電子束流信號時，如果超過設定的上限值，就判為電子束流過流故障；在檢測高壓取樣電路的輸出信號時，如果超過設定的上限值，就判為加速電壓過壓故障；在檢測高壓取樣電路的輸出信號時，如果產生負突跳變化，就判為加速電源產生高壓放電故障；在檢測逆變器驅動電路時，檢測逆變器每個逆變橋臂的溫度信號，如果任一橋臂溫度超過設定的上限值，就判為逆變器過載故障；在檢測逆變器驅動電路時，檢測逆變器每個功率開關管的被驅動后的管壓降，如果任一檢測值超過設定的上限值，就判為逆變器短路故障；故障判別電路，在檢測逆變器直流供電電流取樣電路的輸出信號時，如果超過設定的上限值，就判為供電電流過流故障。

上述任一故障的產生，故障判別電路都輸出信號，并立即封鎖高壓調節器的輸出。如果產生高壓放電故障，調節器輸出被封鎖1～3 ms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”，此時與處理其他故障類型的措施一樣，切斷電網供電電源和高壓設定信號，待故障排除后，再手動重啟高壓[2]。

2 實驗結果

實驗參數：加速電壓80 kV，束流50 mA。圖4為實測的運行波形。

圖4 實際運行波形圖

由實驗結果可知，加速電壓取樣電壓波形及束流取樣電壓波形平直，紋波小，運行穩定。

3 結束語

由中頻逆變高頻PWM實現的高壓電源，在交流中間環節實現中頻逆變和高頻調壓后，通過中頻高壓變壓器實現能量的傳遞、電壓值的變換和高壓的絕緣，不需要特殊材料，僅使用中頻高壓變壓器和較小的高壓濾波電容，就可以實現電子束焊機高壓加速電源快速調節，因而制造工藝更簡單，設備體積更小，制造成本也更低，同時具有輸出電壓紋波系數小、故障快速截止保護和放電自動重啟等優點。

[1]莫金海，韋壽祺，何少佳，鄒云屏.新型PWM-BUCK電子束焊機穩定高壓電源的設計[J].焊接學報，2009，30(6)：34-38.

[2]韋壽祺，何少佳.電子束焊機高壓電源快速保護措施[J].電焊機，2004，34(8)：56-58.