電氣比例閥在液壓夾具中的應用研究

肖秦梁，李更生，喬宇，張永健

(西安電力電子技術研究所，陜西西安710061)

隨著電力電子技術的發展，電力半導體功率器件在各個領域的應用越來越廣［1－6］。特別是特高壓直流輸電換流閥體對器件的參數要求又十分嚴格，而且減少停工檢修期是提高生產力、使生產能力利用系數最大化的一項重要因素。因而測試技術和設備的開發與研制顯得至關重要。器件測試過程中，為了實現高產高效，工件的定位、支撐、夾緊和夾具的快速松開夾緊，以及操作方便、安全都是非常重要的環節，因而大噸位壓力夾具是電力半導體器件測試系統中必不可少的重要支撐環節，壓力夾具性能直接關系到測試的效率和精度。因此電力半導體器件測試過程中的精確定位和裝夾的重復精度也是改進效率和質量的關鍵。

將電氣比例閥應用于液壓夾具中，實現了一種由電氣比例閥控制氣液增壓缸壓力的技術并基于此技術研制了一種新型壓力夾具。

1 大噸位壓力夾具的作用及各種實現方案的對比

在大功率半導體器件測試過程中，大噸位測試夾具為器件測試提供實際應用的工況，如一定的壓力和溫度、保證器件測試中可靠接觸和導熱。在工程實踐中，國內針對電力半導體器件測試所用到的大噸位壓力夾具主要可分為以下3種方案，其特點對比如表1

所示。

表1 大噸位壓力夾具不同方案比較

對比以上3種方案，發現前兩種操作效率高，但控制方式復雜且成本高，第3種方案成本低、控制方式簡單但操作效率低。在分析以上3種方案優缺點的基礎上，提出了基于電氣比例閥控制壓力的氣液增壓缸型大噸位壓力夾具，通過設定電信號來精確控制電氣比例閥的輸出氣壓而后推動氣液增壓缸來達到精確控制夾具壓力的目的。該方案高效環保，目前國內外自動夾具技術的發展趨向于用這種氣液一體化方式產生大壓力，因此在工程實踐中具有相當好的應用前景。

2 新型基于電氣比例閥的氣液增壓缸夾具原理

2.1 氣液增壓缸的工作原理

氣液增壓缸是由增壓油缸與增壓氣缸組裝成的一個集合體。使用凈化壓縮空氣作為動力源，根據帕斯卡定律，利用增壓器中大小活塞面積之比，將較低的氣體壓強轉換為較高的液體壓強，從而使活塞桿輸出大噸位的壓力。其動作原理如圖1所示。

圖1 氣液增壓缸動作原理圖

圖1中，A、D通氣，B、C排氣。此時壓縮空氣作用于增壓活塞表面，使增壓活塞產生位移以擠壓預壓腔液壓油，使液壓油膨脹，從而使預壓活塞桿軸端的模具保持高壓力作用于工件。增壓活塞受力分析如下:若D口壓縮空氣壓力為p1，活塞直徑為D1，活塞桿直徑為d1，預壓活塞直徑為D2，輸出力為F。據力的平衡原理推得［7］

由以上公式可知，當輸入一定壓力的壓縮空氣時，即使壓力不夠大，但只要增大增壓活塞和預壓活塞的直徑D1和D2，減小預壓活塞桿端的直徑d1，就可使增壓缸的輸出壓力F增大數十倍之多。

2.2 電氣比例閥的技術原理

電氣比例閥是一種氣壓隨輸入電壓或電流的變化呈線性比例輸出的減壓閥。它屬于線性連續控制，其特點是輸出量隨輸入量的變化而線性變化。比例控制有開環控制和閉環控制之分。當系統輸出量的實際值偏離希望值時，系統自動進行糾正，使輸出量向著接近希望值的方向變化，從而保持輸出量與輸入量的一定比例關系。閉環控制的電氣比例閥動作原理如圖2所示［8］。

電氣比例閥的輸出氣壓p1與輸入電流I成線性比例關系。其公式為

式中:K1為比例因子。

圖2 電氣比例閥閉環控制框圖

2.3 電氣比例閥對壓力的控制

根據氣液增壓缸和電氣比例閥的特點，提出將氣液增壓缸作為自動壓力夾具的執行機構，用電氣比例閥進行氣壓的精確控制，從而達到對整個夾具工作壓力的精確控制。整臺機構的壓力控制原理框圖如圖3所示。

圖3 夾具壓力控制原理框圖

由圖3可知，若設定電壓信號為Vi，信號放大輸出為Vo。則有如下關系式

壓控恒流源輸出電流為I，則有如下關系式

由式 (1)— (4)可得缸體的輸出力

其中:K2、K3為各級比例因子。由式 (5)可知，缸體的輸出力F與壓力設定Vi成線性比例關系。

由圖3可看到，當壓力設定后，由精度可達0.1%的電氣比例閥線性控制壓縮空氣的壓力，從而為氣缸提供高精度的動力源。由電磁閥1控制氣液增壓缸工作于預壓行程，使氣缸執行高速上升動作，從而提高夾具工作效率;由電磁閥2控制氣液增壓缸工作于增壓行程，使夾具最終達到工作壓力。隨著夾頭上升，壓力不斷接近設定壓力，管道里的氣壓逼近于設定氣壓，直到氣壓達到平衡狀態，此時壓力值穩定。由于氣動控制是一個柔性系統，夾頭上升速度根據需要可在高速和低速間切換，從而有效避免了對被測器件的過壓和沖擊。

3 系統測試結果

測試精度是此方案重點考核的一個指標。為此搭建了試驗機架、邏輯電路和氣路。對系統進行整體調試并運行正常后，經檢驗得到一組實際壓力值和顯示壓力值數據，如表2所示。將這組實驗數據繪制成曲線，如圖4所示。

表2 顯示壓力值和實際壓力值及誤差表

圖4 顯示壓力和實際壓力曲線

由表2和圖4可以看出:在所測試的30～150 kN壓力范圍內，該夾具系統測試精確度較高，完全能滿足工程需要。目前此技術已應用于特高壓器件的測試，使用效果良好。

4 結論

作為特高壓大功率晶閘管制造的重要支撐條件和基本保證手段，測試系統及大噸位測試夾具對晶閘管性能測試至關重要。設計了一種基于電氣比例閥控制壓力的氣液增壓缸型大噸位壓力夾具，通過設定電信號來精確控制電氣比例閥的輸出氣壓而后推動氣液增壓缸來達到精確控制夾具壓力。通過對壓力系統的實際驗證，結果表明用文中方法實現壓力控制在相當大的范圍內具有良好的控制精度和線性度。可以預計未來大噸位自動壓力夾具技術的發展傾向于這種電、氣、液一體化的方向，該技術具有相當好的應用前景。

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