150 kV/30 kW逆變式電子束焊接高壓電源設(shè)計

張 偉 杜慧聰 齊鉑金

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

許海鷹

(中國航空工業(yè)集團公司 北京航空制造工程研究所，北京100024)

真空電子束焊接技術(shù)具有能量密度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小等優(yōu)點，在航空、航天、兵器和船舶等國防工業(yè)及民用工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用.真空電子束焊接技術(shù)的關(guān)鍵在于如何獲得穩(wěn)定的電子束流輸出，除了電子槍結(jié)構(gòu)、真空度的影響外，高壓電源對束流的穩(wěn)定度影響尤為顯著.針對三極電子槍配套的高壓電源，主要包括高壓加速電源、燈絲加熱電源和柵極偏壓控制電源，是電子束焊接的動力裝置，其技術(shù)水平的高低直接影響到電子束焊接設(shè)備的整體水平［1-2］.

電子束焊接高壓電源技術(shù)自20世紀50年代以來，主要經(jīng)歷了3個發(fā)展階段，即工頻變壓器、中頻發(fā)電機組、高頻開關(guān)式電源.在每個發(fā)展階段，設(shè)備性能都得到了很大提高，尤其是開關(guān)式高壓電源，其高壓調(diào)節(jié)范圍更廣、輸出紋波更小、束流控制精度更高，設(shè)備體積更小.

德國SST公司生產(chǎn)的高壓電子束焊接設(shè)備的高壓電源輸出最高工作電壓可達150 kV，最大束流400 mA;國外其他電子束焊接設(shè)備生產(chǎn)廠家如德國PTR、法國 TECHMETAR、英國 CVE、烏克蘭PATON也均有成熟的60 kV和150 kV高壓大功率逆變電源(≥30 kW).

目前，國內(nèi)在電子束焊接方面技術(shù)最成熟的仍然是中頻機組方式高壓電源;在高頻逆變電源方面，已經(jīng)積極開展研究，并得到了一定范圍的應(yīng)用，北京航空制造工程研究所、桂林實創(chuàng)、北京中科等均有60 kV高壓逆變電源，但功率均未超過30 kW，而且在穩(wěn)定性和可靠性方面與國外同類技術(shù)相比仍存在一定的差距，特別是對用于大厚度焊接結(jié)構(gòu)的150 kV電子束焊接高壓電源的研究報道就更少［1-4］.

本文采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)逆變技術(shù)，研制了一套先進的150 kV/30 kW逆變式電子束焊接高壓電源.詳細地分析了電子束焊接高壓電源的構(gòu)成，重點討論了逆變式高壓電源的主電路拓撲，設(shè)計了高壓變壓器、倍壓整流電路、高壓采樣電路、束流采樣電路，以及內(nèi)外環(huán)結(jié)合的負反饋控制電路，實現(xiàn)了穩(wěn)定的高電壓和束流輸出.

1 高壓電源的構(gòu)成

所研制的150 kV電子束焊接系統(tǒng)的基本組成如圖1 所示［5-10］.

圖1 電子束焊接高壓電源系統(tǒng)的組成Fig.1 High voltage power supply system of electron beam welding

在圖1中，三級真空電子槍安裝在真空室上，待焊工件放在真空室內(nèi).150 kV高壓加速電源的正極連接至電子槍的陽極，負極通過限流電阻R1，R2和R3后，分別與燈絲加熱電源的正極、負極相連接，然后再連接至陰極(燈絲)，從而在電子槍陰極和陽極之間提供一個150 kV的電子加速電壓;柵極偏壓電源與高壓電源串聯(lián)后，其負極連接至電子槍的柵極.

燈絲加熱電源主要作用是加熱燈絲并使其發(fā)射電子，所發(fā)射的大量電子經(jīng)過高壓電場的加速，再經(jīng)過電子槍的聚焦線圈聚焦后，去轟擊工件，電子束大量的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使工件轟擊位置熔化，形成熔池，從而實現(xiàn)對工件的焊接.柵極偏壓電源的主要作用是在電子槍的陰極和柵極之間提供柵偏壓，用來控制和調(diào)整電子束束流的大小，它的原理是在陰極和柵極之間加一個負偏壓，通過調(diào)節(jié)負偏壓的大小來調(diào)節(jié)電子束流的大小.其中，加速電壓調(diào)節(jié)范圍:-90～-150 kV;柵極偏壓電源輸出電壓范圍 -100～-2 500 V，最大電流30 mA;燈絲電源用來加熱燈絲產(chǎn)生電子，輸出電流0～50 A可調(diào)，輸出電壓12 V.

由于高壓電源的加速電壓高達-150 kV，電子槍內(nèi)的金屬蒸汽、絕緣油中的雜質(zhì)等都很容易引起高壓放電.高壓放電不僅使得高壓電源不穩(wěn)定，而且高壓放電產(chǎn)生的電壓或電流尖峰對電網(wǎng)上的其他設(shè)備(如PLC系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)等)造成很強的電磁干擾，甚至損壞這些設(shè)備.因此，為了有效防止高壓放電產(chǎn)生的電壓和電流尖峰反饋至電網(wǎng)，高壓加速電源、柵極偏壓電源和燈絲加熱電源都采用逆變直流電源(帶隔離變壓器)與380 V工頻電網(wǎng)隔離，可有效減小對電網(wǎng)上其他設(shè)備的干擾，如圖2所示.

圖2 高壓電源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high voltage power supply

在圖2中，高壓加速電源、柵極偏壓電源和燈絲加熱電源的低壓部分都采用逆變直流電源和逆變電路串聯(lián)的結(jié)構(gòu).考慮到高壓加速電源的功率較大(30 kW)，其直流電源和逆變電路均采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，而柵極偏壓電源和燈絲加熱電源的功率較小，其直流電源和逆變電路均采用半橋逆變結(jié)構(gòu).

2 高壓加速電源主電路拓撲

高壓加速電源由高壓部分和低壓部分組成，其中低壓部分又包括全橋逆變直流電源和全橋逆變電路，高壓部分主要由高壓變壓器和倍壓整流電路組成.

2.1 全橋逆變直流電源

全橋逆變直流電源主電路拓撲如圖3所示.

圖3 全橋逆變直流電源主電路拓撲Fig.3 Main circuit topology of full bridge inverter DC power supply

在圖3中，三相AC380 V動力電源經(jīng)全橋整流濾波電路后得到約500 V的直流電，再輸入由IGBT開關(guān)管Q1～Q4組成的全橋逆變電路變換成約20kHz的交流方波，然后經(jīng)隔離變壓器LT1耦合至副邊進行整流濾波，最后得到電壓穩(wěn)定可調(diào)的直流輸出.其中，電容C2為隔直電容，電感L1和電容C3為直流輸出濾波電感和濾波電容，逆變直流電源輸出電壓為0～500 V連續(xù)可調(diào).

2.2 全橋逆變電路

為了實現(xiàn)150 kV高壓輸出，全橋逆變直流電源輸出的直流電壓還必須再進行逆變，然后才能通過高壓變壓器進行升壓.

圖2中的全橋逆變電路就是將逆變直流電源輸出的直流再次變換成20 kHz的交流方波，其輸出連接至高壓變壓器的原邊，這樣在高壓變壓器的副邊就可以得到幅值約為18 kV的交流方波信號.全橋逆變電路的主電路拓撲與全橋逆變直流電源中的IGBT全橋逆變電路完全一樣，如圖3所示.

2.3 高壓變壓器設(shè)計

考慮到高壓變壓器的原邊輸入交流方波的幅值最大為500 V，要實現(xiàn)150 kV高壓輸出，如果僅采用變壓器進行升壓，則變壓器的變比為1∶300，如此高的變比，以及30 kW的高功率輸出使得變壓器設(shè)計和制作非常困難.同時，150kV的高壓也會使得后級整流濾波電路器件的耐壓值選擇非常困難，成本增加.因此，綜合考慮變壓器升壓技術(shù)難度、器件成本及可靠性等因素，采用變壓器升壓與倍壓整流電路相結(jié)合的高壓升壓方案.高壓變壓器的變比為1∶36，倍壓整流電路為10倍壓整流電路.

同時，考慮到高壓加速電源的輸出功率為30 kW，輸出功率較大，因此高壓部分采用3組升壓變壓器與10倍壓整流電路的串聯(lián)結(jié)構(gòu)進行并聯(lián)輸出，由3組高壓變壓器和倍壓整流電路來共同輸出30 kW功率，這樣每一組的額定輸出功率降到10 kW，很好地解決高壓絕緣、高壓硅堆和電容的耐壓及容量的問題.

2.4 Cockcroft-Walton全波倍壓整流電路

Cockcroft-Walton 10倍壓整流電路采用對稱全波整流方式，與普通的倍壓整流電路相比，對稱全波整流電路，不僅可以減小濾波電容的容量，而且還可以降低輸出高壓的紋波電壓.其中，一組2倍壓整流電路的原理圖如圖4所示［11-13］.

圖4 Cockcroft-Walton 2倍壓整流電路Fig.4 Cockcroft-Walton voltage doubling rectifier

由圖4的倍壓整流電路分析可以得知，電容C8和C9上的最高電壓為變壓器副邊的峰值電壓U，電容C7的最高電壓為2U.當高壓變壓器原邊輸入電壓為500 V時，其副邊的峰值電壓為18 kV，則倍壓整流電路中電容和二極管承受的最高電壓為36kV.因此，在實際的倍壓整流電路中，電容參數(shù)為50 nF/40 kV，整流二極管參數(shù)為6 A/40 kV.

3 偏壓電源和燈絲電源主電路拓撲

如圖1所示，偏壓電源和燈絲電源都連接在150 kV高壓加速電源的負極，對地電壓絕對值在150kV以上，因此為了防止高壓放電，也分為高壓部分和低壓部分.高壓部分主要包括高壓變壓器和整流濾波電路，低壓部分則由隔離直流電源與后級逆變電路串聯(lián)而成.考慮到偏壓電源和燈絲電源的功率較小，直流電源和逆變電路均采用半橋逆變電路拓撲，其中IGBT半橋隔離直流電源的主電路拓撲及半橋逆變電路如圖5所示.

圖5 半橋隔離直流電源主電路拓撲Fig.5 Main circuit topology of half bridge inverter DC power supply

4 控制電路設(shè)計

控制電路主要包括高壓采樣電路、束流采樣電路以及閉環(huán)負反饋控制電路等［14-16］.

4.1 高壓采樣電路設(shè)計

高壓加速電源輸出電壓高達150 kV，采用電阻分壓的方式采樣，如圖6所示.

圖6 高壓采樣電路Fig.6 Voltage sample circuit of high voltage power supply

圖6中，RM為分壓電阻(采用大功率高壓電阻通過串并聯(lián)方式獲得)，RV為采樣電阻，則高壓反饋電壓為

式中，UVf為高壓反饋電壓;UV為輸出高壓

當高壓輸出150 kV時，高壓反饋電壓為9 V.

4.2 束流采樣電路設(shè)計

束流采樣電路如圖7所示.

在圖7中，R1為高壓放電限流電阻，RLOAD為束流等效負載，RC為束流取樣電阻，則束流IC為

當焊接束流為200 mA時，電壓UC為9 V.

圖7 束流采樣電路Fig.7 Current sample circuit of electron beam

4.3 閉環(huán)控制電路設(shè)計

高壓加速電源、柵極偏壓電源和燈絲電源的低壓部分的逆變直流電源和逆變電路分開進行控制，其中逆變電路均采用定頻滿脈寬的控制方式，高壓電源的輸出特性通過改變逆變直流電源的輸出電壓來調(diào)節(jié).這種控制方式有效地避免了單級逆變電源在小功率工作時，逆變電路的脈寬過窄導(dǎo)致倍壓整流后高壓輸出脈動太大的問題.同時，為了減小高壓變壓器和倍壓整流電路內(nèi)阻對輸出高壓的影響，提高電壓閉環(huán)控制精度，逆變直流電源采用內(nèi)、外環(huán)控制相結(jié)合的方式進行調(diào)節(jié).如圖8所示為高壓加速電源的電壓閉環(huán)控制電路原理框圖.

圖8 高壓加速電源的電壓閉環(huán)控制電路原理框圖Fig.8 Schematic diagram of voltage closed loop control circuit in high voltage accelerating power supply

在圖8中，高壓加速電源輸出電壓的反饋電壓信號UVf與上位機設(shè)定的高壓給定值UVg作為外環(huán)PID調(diào)節(jié)電路的輸入，其調(diào)節(jié)輸出值Ug與逆變直流電源輸出電壓的反饋信號Uf作為內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)電路的輸入，內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)電路的輸出再調(diào)節(jié)逆變直流電源的PWM脈沖寬度，從而改變直流電源的輸出電壓.因此，當閉環(huán)調(diào)節(jié)電路穩(wěn)定時，高壓加速電源的輸出電壓就與設(shè)定值相等，大大提高了加速電壓的輸出精度.

同理，采用束流反饋信號IC閉環(huán)調(diào)節(jié)偏壓電源的輸出電壓，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的束流控制.

5 實驗結(jié)果

進行了高壓加速電源空載電壓測試實驗，當高壓升壓變壓器的原邊輸入20 kHz、幅值400 V的交流方波時，高壓加速電源的空載電壓輸出波形如圖9所示.

圖9 高壓加速電源逆變電路輸出波形Fig.9 Output waveform of high voltage accelerating power supply

在圖9中，高壓加速電源的輸出電壓反饋值為10 V，根據(jù)式(1)可計算出輸出電壓約為167 kV，完全可以達到150 kV輸出高壓的要求.

圖10為高壓電源的輸出特性，其中圖10a是電阻負載狀態(tài)下測得的高壓加速電源的輸出特性;圖10b是加速電壓為150kV，燈絲電流為40A時，調(diào)節(jié)束流時得到的束流輸出特性.

圖10 高壓電源的輸出特性Fig.10 Output characteristic of high voltage power supply

從圖10可以看出，高壓加速電源的輸出線性度和束流輸出線性度較好，同時高壓穩(wěn)定度和束流穩(wěn)定度均在0.5%左右，能夠滿足電子束焊接的要求.

6 結(jié)論

1)采用IGBT逆變技術(shù)，研制了一套先進的150 kV逆變式電子束焊接高壓電源.

2)采用3組升壓變壓器與10倍壓整流電路的串聯(lián)結(jié)構(gòu)進行并聯(lián)輸出的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了150 kV/30 kW高電壓大功率輸出.

3)實驗測試表明高壓加速電源的輸出線性度和束流輸出線性度較好，同時高壓穩(wěn)定度和束流穩(wěn)定度均在0.5%左右，能夠滿足電子束焊接的要求.

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