專利名稱：電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制方法及電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子束打孔設(shè)備，具體為電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制 方法及電源裝置。
背景技術(shù)：
電子束打孔過程是基于用高能量密度的電子束來轟擊工件，使其局部熔 化和氣化。所產(chǎn)生的氣體毛細(xì)管很容易被電子束穿透，電子束通過工件表面 又去轟擊下一層的材料，這種爆炸性的氣化將熔化了的材料在形成的毛細(xì)管
周圍排出，從而加工出公差為±5%平均孔徑的精度。與其它工藝(電火花加 工EDM、電化學(xué)加工ECM)相比，電子束打孔過程工件和電子束之間可以獨(dú) 立地自由移動(dòng)，這使得打孔頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它工藝。電子束慣性很小，沒有 磨損，并且能夠與電子控制系統(tǒng)同樣的速度進(jìn)行操作。電子束可以精確地將 其能量釋放在金屬表面以下，這使得電子束成為金屬材料打孔的理想手段。 而電子束打孔機(jī)是一種綜合了真空物理、電子技術(shù)、電子光學(xué)、高電壓技術(shù)、 計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)等多種技術(shù)的高科技產(chǎn)品。
電子束打孔機(jī)加速高壓電源是決定電子束打孔機(jī)工作性能的關(guān)鍵部件， 加速高壓電源紋波越小、響應(yīng)速度越高，電子束打孔機(jī)性能越高。目前電子 束打孔機(jī)的加速高壓電源有采用中頻發(fā)電機(jī)組供電方式，也有采用 AC—DC—DC—AC—DC電流變換方式，控制方式采用單閉環(huán)控制。存在的 缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)慣性大，調(diào)節(jié)速度較慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控 制方法及電源裝置，具有控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、輸出加速高 壓電源紋波小、效率較高、體積小等特點(diǎn)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是電子束打孔機(jī)加速高壓電源采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)， 內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。加速高壓電源由三相市電供電，采用 AC—DC—AC—DC電流變換方式，中間DC—AC高頻逆變環(huán)節(jié)以脈寬調(diào)制 的方式調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制 方法，所述電源采用工頻交流輸入一低壓整流濾波一高頻逆變及脈寬調(diào)制調(diào) 壓一高頻隔離變壓器升壓一高壓整流濾波的電流變換方式，在高頻逆變的同 時(shí)進(jìn)行脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓。電壓環(huán)以高壓取樣信號(hào)作為負(fù)反饋信 號(hào)，電流環(huán)以逆變器輸入電流取樣信號(hào)作為負(fù)反饋信號(hào)，電壓環(huán)的調(diào)節(jié)器和電流環(huán)的調(diào)節(jié)器串級(jí)聯(lián)接后去控制逆變波形的脈寬，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓，使電子 束打孔機(jī)加速高壓電源輸出電壓值保持穩(wěn)定。
在上述方案中，加速高壓電源輸出電壓自動(dòng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)的具體方法是將高 壓給定信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高壓給定信號(hào)與高壓取樣信號(hào)比較得到高壓偏差信 號(hào)，高壓偏差信號(hào)送入高壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例一積分運(yùn)算后輸出逆變器輸入電 流給定信號(hào)；逆變器輸入電流給定信號(hào)與逆變器輸入電流取樣信號(hào)比較得到 逆變器輸入電流偏差信號(hào)，逆變器輸入電流偏差信號(hào)送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行比 例一積分運(yùn)算后輸出一控制信號(hào)，用電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)送入逆變器 驅(qū)動(dòng)電路單元去調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓波的占空比。
所述逆變器至少由兩個(gè)逆變橋構(gòu)成。本方案還包括高頻逆變波形的控制， 其具體方法是逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元根據(jù)電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)產(chǎn)生的脈 寬調(diào)制(PWM)波控制各逆變橋輸出的矩形電壓波等寬；逆變器驅(qū)動(dòng)電路單 元還生成逆變器中各功率開關(guān)管的合理的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，控制各逆變橋輸出 的矩形電壓波的相位呈對(duì)稱分布。每橋臂的上半橋功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為方波， 下半橋功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為上半橋功率管的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相后和逆變脈寬 調(diào)制(PWM)波進(jìn)行"與"邏輯運(yùn)算得到的波形。
本發(fā)明電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制方法還包括有故障保護(hù)控制， 即對(duì)加速電源控制過程中的高壓取樣信號(hào)、電子束流取樣信號(hào)、逆變器輸入 電流取樣信號(hào)和逆變器各開關(guān)功率管工作狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行故障判別，上述任一 故障產(chǎn)生，立即封鎖高壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸出，同時(shí)封鎖逆變器的驅(qū) 動(dòng)脈沖，并通過電子束打孔機(jī)總控單元實(shí)現(xiàn)加速高壓電源的多重保護(hù)及整機(jī) 邏輯連鎖控制。
根據(jù)上述方法所設(shè)計(jì)的電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置，包括電網(wǎng)濾波 器、輸入整流濾波電路單元、逆變器、高頻高壓變壓器、高壓整流濾波電路 單元、高壓放電扼流電路單元、高壓取樣電路單元、電子束流取樣電阻、逆
變器輸入電流檢測電路單元、逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元和雙閉環(huán)控制單元；電網(wǎng) 濾波器的輸入端與三相電網(wǎng)相接，其輸出送入輸入整流濾波電路單元中整流 橋的交流輸入側(cè)；輸入整流濾波電路單元輸出的平直的不可控直流電送入逆 變器各逆變橋的直流輸入端；逆變器包括至少兩個(gè)逆變橋組成，每個(gè)逆變橋 輸出的脈寬可調(diào)的高頻矩形波交流電送入與逆變橋相數(shù)相同的高頻高壓變壓 器的初級(jí)繞組；每個(gè)高頻高壓變壓器次級(jí)繞組輸出的高頻高壓電送入與高頻 高壓變壓器相數(shù)相同的高壓整流濾波電路單元中高壓整流橋的交流輸入側(cè)； 多個(gè)高壓整流橋輸出經(jīng)高壓電容濾波后再串聯(lián)或并聯(lián)輸出，高壓整流濾波電 路單元輸出的高壓端接至高壓放電扼流電路單元，低壓端經(jīng)電子束流取樣電 阻與大地相接，電子槍的陽極亦與大地相接；高壓放電扼流電路單元的輸出 接至電子槍的陰極；高壓取樣電路單元并接于高壓放電扼流電路單元輸出端 與大地之間，輸出的高壓取樣信號(hào)送入雙閉環(huán)控制單元；逆變器輸入電流檢 測電路單元實(shí)時(shí)檢測逆變器直流輸入電流值，其輸出信號(hào)作為逆變器輸入電流取樣信號(hào)送入雙閉環(huán)控制單元；雙閉環(huán)控制單元產(chǎn)生控制信號(hào)送入逆變器 驅(qū)動(dòng)電路單元的輸入端；逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)波形經(jīng)隔離放大后 分別接至逆變器中各個(gè)功率開關(guān)管的控制極，各個(gè)功率開關(guān)管的集電極有信 號(hào)反饋回逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元用于監(jiān)控開關(guān)管工作狀況。
上述方案中，所述雙閉環(huán)控制單元包括高壓給定信號(hào)發(fā)生器、電壓環(huán)比 較器、高壓調(diào)節(jié)器、電流環(huán)比較器和電流調(diào)節(jié)器；高壓給定信號(hào)發(fā)生器的輸 出由計(jì)算機(jī)或可編程控制器數(shù)字設(shè)定后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生或由模擬電路產(chǎn)生， 高壓給定信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)作為高壓給定信號(hào)送入電壓環(huán)比較器；電壓 環(huán)比較器同時(shí)接收高壓取樣電路單元輸出的高壓取樣信號(hào)，將高壓給定信號(hào) 與高壓取樣信號(hào)比較得到的高壓偏差信號(hào)送入高壓調(diào)節(jié)器；高壓調(diào)節(jié)器為比 例一積分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將接收的高壓偏差信號(hào)進(jìn)行比例一積分運(yùn)算后輸出逆 變器輸入電流給定信號(hào)至電流環(huán)比較器；電流環(huán)比較器同時(shí)接收逆變器輸入 電流檢測電路單元輸出的逆變器輸入電流取樣信號(hào)，將逆變器輸入電流給定 信號(hào)與逆變器輸入電流取樣信號(hào)比較得到逆變器輸入電流偏差信號(hào)送入電流 調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器為比例一積分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將接收的逆變器輸入電流偏 差信號(hào)進(jìn)行比例一積分運(yùn)算后輸出控制信號(hào)至逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元去調(diào)節(jié)逆 變器輸出電壓波的占空比。
所述逆變器(3)由A、 B兩個(gè)H型逆變橋構(gòu)成，逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15) 根據(jù)電流調(diào)節(jié)器(14)輸出的控制信號(hào)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波控制A、 B兩逆變橋 輸出的矩形電壓波等寬；逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(14)還產(chǎn)出逆變器(3)中各 功率開關(guān)管的合理的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，控制A、 B兩逆變橋輸出的矩形電壓波的 相位相差90 波形呈對(duì)稱分布。
上述方案中，所述電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置還包括有故障判別電 路單元，該故障判別電路單元接受來自高壓取樣電路單元、電子束取樣電阻、 逆變器輸入電流檢測電路單元和逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元的信號(hào)，對(duì)高壓電源運(yùn) 行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，上述任一信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)故障判別電路單元輸出信號(hào)有效， 該輸出信號(hào)分四路輸出， 一路送入高壓調(diào)節(jié)器用于封鎖電壓調(diào)節(jié)器的輸出； 一路送入電流調(diào)節(jié)器用于封鎖電流調(diào)節(jié)器的輸出； 一路送入逆變器驅(qū)動(dòng)電路 單元用于封鎖逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖；最后一路送入電子束打孔機(jī)總控單元用于加 速高壓電源的多重保護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。
所述逆變器至少由兩個(gè)逆變橋組成，逆變橋中每個(gè)橋臂電路各包括兩個(gè) 開關(guān)功率管、兩個(gè)續(xù)流二極管和一個(gè)緩沖電路；每個(gè)開關(guān)功率管與一個(gè)續(xù)流 二極管反并聯(lián)，上橋臂開關(guān)功率管與下橋臂開關(guān)功率管串聯(lián)后與橋臂緩沖電 路并聯(lián)地接至輸入整流濾波電路單元的輸出端。
本發(fā)明電子束打孔機(jī)主電源，即電子束加速高壓電源直接由三相市電整 流后供電，逆變器把直流電逆變成高頻交流電，通過高頻高壓變壓器升壓后 整流輸出高壓直流電；加速電源采用雙閉環(huán)控制方式，逆變器在逆變過程同 時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻脈寬調(diào)制調(diào)壓。逆變變壓器的鐵心采用高頻鐵心材料做成，與工頻或中頻變壓器相比，高頻變壓器的截面積小，繞組匝數(shù)少，體積及功耗都
小。高壓總整流輸出電壓波的脈動(dòng)頻率是高頻逆變頻率的2n倍(n等于逆變 橋個(gè)數(shù))，高壓總整流電壓波在脈寬調(diào)制占空比大于50%時(shí)(由高頻高壓變壓 器設(shè)計(jì)參數(shù)保證)已無過零點(diǎn)。這樣高壓總整流電壓波的脈動(dòng)頻率高，而脈 動(dòng)幅值低，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(shù)指 標(biāo)要求。高壓濾波電容值小一方面加速高壓電源控制系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)小， 有利于提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，另一方面加速高壓電源貯能小，高壓放電 產(chǎn)生的電磁沖擊自然小，有利于提高加速高壓電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。雙閉 環(huán)控制的加速電源較之單閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起更及時(shí)抗 擾的作用，在動(dòng)態(tài)過程電流內(nèi)環(huán)限制逆變器輸入電流的最大值，起快速的自 動(dòng)保護(hù)作用。
本發(fā)明的最大特點(diǎn)是采用多相高頻逆變及高頻脈寬調(diào)制調(diào)壓方式，加速 電壓采用雙閉環(huán)控制的技術(shù)方案，電子束打孔機(jī)高壓加速電源控制系統(tǒng)調(diào)節(jié) 速度快、抗干擾能力強(qiáng)；高壓加速電源輸出電壓紋波系數(shù)小，效率高；高壓 變壓器的體積小。


圖1為本發(fā)明電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中標(biāo)號(hào)為1、電網(wǎng)濾波器；2、輸入整流濾波電路單元；3、逆變器； 4、高頻高壓變壓器；5、高壓整流濾波電路單元；6、高壓放電扼流電路單元； 7、高壓取樣電路單元；8、電子束流取樣電阻；9、高壓給定信號(hào)發(fā)生器；10、 電壓環(huán)比較器；11、高壓調(diào)節(jié)器；12、逆變器輸入電流檢測電路單元；13、 電流環(huán)比較器；14、電流調(diào)節(jié)器；15、逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元；16、故障判別 電路單元。
圖2為圖1中逆變器結(jié)構(gòu)示意圖中標(biāo)號(hào)為3-1、 A組左上橋臂開關(guān)功率管；3-2、 A組左下橋臂開關(guān)功 率管；3-3、 A組左上橋臂續(xù)流二極管；3-4、 A組左下橋臂續(xù)流二極管；3-5、 A組左橋臂緩沖電路；3-6、 A組高頻高壓變壓器初級(jí)繞組；3-7、 A組右橋臂 電路；3-8、 B組逆變橋電路。
圖3為圖2中逆變器各開關(guān)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形圖4為本發(fā)明電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意 圖，圖中標(biāo)號(hào)的含義與圖l相同。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制方法，其電源由三相市電供電， 采用AC—DC—AC—DC電流變換方式，即電源采用工頻交流輸入一低壓整 流濾波一高頻逆變及脈寬調(diào)制調(diào)壓一高頻變壓器升壓一高壓整流濾波的電流 變換方式輸出。中間DC—AC逆變環(huán)節(jié)為高頻逆變，在逆變過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)高 頻脈寬調(diào)制調(diào)壓功能；由高頻高壓變壓器實(shí)現(xiàn)電能的傳遞、電壓值的變換和
8高壓絕緣；加速高壓電源采用雙閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)輸出高壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
上述雙閉環(huán)控制方式的外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。即將高壓給定信 號(hào)與高壓取樣信號(hào)比較得到高壓偏差信號(hào)，高壓偏差信號(hào)送入高壓調(diào)節(jié)器進(jìn) 行比例一積分運(yùn)算后輸出逆變器輸入電流給定信號(hào)；逆變器輸入電流給定信
號(hào)與逆變器輸入電流取樣信號(hào)比較得到逆變器輸入電流偏差信號(hào)，逆變器輸 入電流偏差信號(hào)送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例 一積分運(yùn)算后輸出一控制信號(hào)，用 電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)去調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓波形的占空比。
本發(fā)明還包括有逆變器逆變波形控制，所述逆變器由A、 B兩個(gè)H型逆變 橋構(gòu)成，逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元根據(jù)電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)產(chǎn)生的脈寬調(diào) 制(PWM)波控制A、 B兩逆變橋輸出的矩形電壓波等寬；逆變器驅(qū)動(dòng)電路 單元還產(chǎn)出逆變器中各功率開關(guān)管的合理的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，控制A、 B兩逆變 橋輸出的矩形電壓波的相位相差9(A實(shí)現(xiàn)兩逆變橋輸出的電壓波形呈對(duì)稱分 布。逆變器中每橋臂的上半橋功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為方波，下半橋功率管的驅(qū) 動(dòng)信號(hào)為上半橋功率管的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相后和逆變脈寬調(diào)制(PWM)波進(jìn) 行"與"邏輯運(yùn)算得到的波形。
為了對(duì)加速高壓電源進(jìn)行保護(hù)，本發(fā)明還包括有故障保護(hù)控制，即對(duì)加 速高壓電源運(yùn)行過程中的高壓取樣信號(hào)、電子束流取樣信號(hào)、逆變器輸入電 流取樣信號(hào)和逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元產(chǎn)生的逆變橋橋臂上下開關(guān)功率管直通短 路信號(hào)進(jìn)行故障判別，上述任一故障產(chǎn)生，立即輸出信號(hào)封鎖逆變器的驅(qū)動(dòng) 脈沖，同時(shí)封鎖高壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的輸出，并通過電子束打孔機(jī)總控 單元實(shí)現(xiàn)加速高壓電源的多重保護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。
根據(jù)上述控制方法所設(shè)計(jì)的電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置如圖1或圖 4所示。該電源主要由電網(wǎng)濾波器1、輸入整流濾波電路單元2、逆變器3、 高頻高壓變壓器4、高壓整流濾波電路單元5、高壓放電扼流電路單元6、高 壓取樣電路單元7、電子束流取樣電阻8、高壓給定信號(hào)發(fā)生器9、電壓環(huán)比 較器10、高壓調(diào)節(jié)器11、逆變器輸入電流檢測電路單元12、電流環(huán)比較器 13、電流調(diào)節(jié)器14、逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元15和故障判別電路單元16構(gòu)成。
電網(wǎng)濾波器l用于切斷電磁干擾(EMI)的傳播途徑。電網(wǎng)濾波器l的輸 入端與三相380V的電網(wǎng)相接，其輸出送入輸入整流濾波電路單元2中整流橋 的交流輸入側(cè)。
輸入整流濾波電路單元2用于將三相交流電變換成平直的不可控直流電。 輸入整流濾波電路單元2輸出的平直的直流電送入逆變器3兩逆變橋的直流輸 入端。
逆變器3由兩個(gè)單相逆變橋組成，兩個(gè)逆變橋輸出的脈寬可調(diào)的高頻交流 電分別送入兩個(gè)單相高頻高壓變壓器4的初級(jí)繞組。逆變器3用于將直流電逆 變成高頻交流電，同時(shí)用于脈寬調(diào)制調(diào)壓。本實(shí)施例的逆變器3的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由A、 B兩個(gè)H型逆變橋組成，每個(gè)逆變橋包括對(duì)稱的左橋臂電路和右 橋臂電路，左、右橋臂電路各包括兩個(gè)開關(guān)功率管、兩個(gè)續(xù)流二極管和一個(gè)
9緩沖電路；左上橋臂開關(guān)功率管3-l與左上橋臂續(xù)流二極管3-3反并聯(lián)，左下橋 臂開關(guān)功率管3-2與左下橋臂續(xù)流二極管3-4反并聯(lián)，左上橋臂電路與左下橋臂 串聯(lián)后再與左橋臂緩沖電路3-5并聯(lián)地接至輸入整流濾波電路單元2的輸出 端；逆變橋的輸出端接至高頻高壓變壓器4的初級(jí)繞組。上述逆變器3中兩逆 變橋的逆變波相位和脈寬調(diào)制波相位受同一時(shí)鐘(CL)控制，兩逆變橋逆變 波相位差為90。，輸出波形的相位呈對(duì)稱分布，逆變器3中每橋臂的上半橋功 率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高頻方波(25kHz),下半橋功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為上半橋功 率管的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相后和逆變脈寬調(diào)制(PWM)波進(jìn)行"與"邏輯運(yùn)算 得到的波形，如圖3所示。兩個(gè)逆變橋輸出電壓波形嚴(yán)格對(duì)稱。高頻脈寬調(diào)制 波的占空比正比于電流調(diào)節(jié)器14的輸出信號(hào)Uc。
高頻高壓變壓器4用于實(shí)現(xiàn)電能的傳遞、電壓值的變換和高壓絕緣。高頻 高壓變壓器4包括兩個(gè)單相變壓器，變壓器的鐵心采用高頻導(dǎo)磁材料做成，每 個(gè)變壓器次級(jí)輸出的高頻高壓電送入高壓整流濾波電路單元5中一組單相高 壓整流橋的交流輸入側(cè)。
高壓整流濾波電路單元5將高頻高壓交流電變換成平直的高壓直流電。高 壓整流濾波電路單元5中兩個(gè)高壓整流橋輸出經(jīng)高壓電容濾波后再串聯(lián)總輸 出，或按如圖4所示，兩個(gè)高壓整流橋輸出經(jīng)高壓電容濾波后再并聯(lián)總輸出。 總輸出高壓端接至高壓放電扼流電路單元6，低壓端經(jīng)電子束流取樣電阻8與 大地相接，電子槍的陽極亦與大地相接。
高壓放電扼流電路單元6的輸出接至電子槍的陰極，用于抑制高壓放電電 流的上升速率，減緩高壓放電所產(chǎn)生的電磁沖擊強(qiáng)度。
高壓取樣電路單元7用于測量加速龜壓值，輸出的高壓取樣信號(hào)UJE比于 加速高壓電源輸出的電壓值。高壓取樣電路單元7并接于高壓放電扼流電路單 元6輸出端與大地之間，輸出的高壓取樣信號(hào)Ua—路作為電壓外環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的 負(fù)反饋信號(hào)送入電壓環(huán)比較器10的負(fù)反饋輸入端，另一路送入故障判別電路 單元16用于判斷高壓過壓及電子槍高壓放電的依據(jù)。
電子束流取樣電阻8用于測量電子束流值，輸出Ib正比于電子束流的大小。 電子束流取樣電阻8串接于高壓整流濾波電路單元5輸出回路的低壓端與大地 之間，輸出的電子束流取樣信號(hào)Ib—路送入故障判別電路單元16用于判斷電子 束流過流的依據(jù)，另一路送入電子束流調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為電子束流負(fù)反饋信號(hào)。
高壓給定信號(hào)發(fā)生器9用于產(chǎn)生加速電壓的設(shè)定波形，包括升降斜率和工 作電壓的設(shè)定。高壓給定信號(hào)發(fā)生器9的輸出信號(hào)U/由計(jì)算機(jī)或可編程控制 器(PLC)數(shù)字設(shè)定后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)產(chǎn)生或由模擬電路產(chǎn)生，lC作為 電壓外環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的高壓給定信號(hào)送入電壓環(huán)比較器10的給定輸入端。
電壓環(huán)比較器10接受來自高壓給定信號(hào)發(fā)生器9的高壓給定信號(hào)信號(hào)Ua' 和高壓取樣電路單元7的高壓取樣信號(hào)Ua，并將兩者進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出高壓
偏差信號(hào)^Ua，即ZlUa-lV-Ua，送入高壓調(diào)節(jié)器ll。
高壓調(diào)節(jié)器11為比例一積分(PI)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。正常工作時(shí)，高壓調(diào)節(jié)
10器ll接收來自電壓環(huán)比較器10的高壓偏差信號(hào)」Ua，對(duì)高壓偏差信號(hào)ZlUa進(jìn) 行比例-積分運(yùn)算后輸出一控制信號(hào)l/作為電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定信號(hào)送
入電流環(huán)比較器13的給定輸入端。故障判別電路單元16的輸出信號(hào)l^有效
時(shí)，高壓調(diào)節(jié)器ll的輸出被封鎖。高壓調(diào)節(jié)器ll作為加速高壓電源的主導(dǎo)調(diào)
節(jié)器的作用加速高壓電源輸出電壓的精度控制，并保證加速電源穩(wěn)定運(yùn)行; 對(duì)負(fù)載變化起抗擾；其輸出IcT限幅值Idn;決定了逆變器3允許的最大電流值。
逆變器輸入電流檢測電路單元12用于測量逆變器3直流輸入電流值，其輸 出正比于逆變器3直流輸入電流值的逆變輸入電流信號(hào)Id。信號(hào)I廣路作為電 流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)反饋信號(hào)送入電流環(huán)比較器13的負(fù)反饋輸入端，另一路 送入故障判別電路單元16用于判斷逆變器3輸入電流過流的依據(jù)。
電流環(huán)比較器13接受來自高壓調(diào)節(jié)器ll的輸出信號(hào)l/和逆變器輸入電流 檢測電路單元12的逆變器輸入電流取樣信號(hào)Id，并將兩者進(jìn)行比較運(yùn)算后輸出 逆變器輸入電流偏差信號(hào)JId，即』1(1=1<;-1(1，送入電流調(diào)節(jié)器14。
電流調(diào)節(jié)器14為比例一積分(PI)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。正常工作時(shí)，接收來自 電流環(huán)比較器13的逆變器輸入電流偏差信號(hào)」Id，對(duì)逆變器3輸入電流偏差信 號(hào)JId進(jìn)行比例-積分運(yùn)算后輸出一控制信號(hào)Ue，控制信號(hào)Ue送入逆變器驅(qū)動(dòng) 電路單元15用于調(diào)節(jié)逆變器3輸出電壓波的占空比；故障判別電路單元16的輸 出信號(hào)l^有效時(shí)，電流調(diào)節(jié)器14的輸出被封鎖。電流調(diào)節(jié)器14的作用在電 壓外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，電流調(diào)節(jié)器14使逆變器3輸入電流緊緊跟隨其給定信號(hào) l/變化；對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；在高壓動(dòng)態(tài)過程中，限制了 逆變器3輸入電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用；其輸出Ue限幅值U③決 定了逆變器3輸出電壓波的最大占空比<100%，避免逆變橋中同一橋臂上下 兩開關(guān)功率管產(chǎn)生直通的危險(xiǎn)。
逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元15接受來自電流調(diào)節(jié)器14的控制信號(hào)Ue，產(chǎn)生如圖3 所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形經(jīng)隔離放大后分別接至逆變器3中各個(gè)對(duì) 應(yīng)功率開關(guān)管的控制極，各個(gè)功率開關(guān)管的集電極有信號(hào)反饋回逆變器驅(qū)動(dòng) 電路單元15用于監(jiān)控開關(guān)管工作狀況，任一開關(guān)管工作狀況出現(xiàn)異常，逆變 器驅(qū)動(dòng)電路單元15將輸出一個(gè)信號(hào)送入故障判別電路單元16。逆變器驅(qū)動(dòng)電 路單元15用于產(chǎn)生逆變器3中各功率開關(guān)管合理的驅(qū)動(dòng)脈沖，并實(shí)時(shí)檢測各管 的工作狀態(tài)。
故障判別電路單元16接受來自高壓取樣電路單元7、電子束流取樣電阻8、 逆變器輸入電流檢測電路單元12和逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元15的信號(hào)，對(duì)高壓電 源運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常時(shí)故障判別電路單元16輸出信號(hào)Uer變?yōu)?br> 有效。該輸出信號(hào)Uer分四路輸出，U^的第一路送入高壓調(diào)節(jié)器ll用于封鎖高 壓調(diào)節(jié)器ll的輸出，Uer的第二路送入電流調(diào)節(jié)器14用于封鎖電流調(diào)節(jié)器14的 輸出，Uer的第三路送入逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元15用于封鎖逆變器3驅(qū)動(dòng)脈沖的 輸出，Uer的第四路送入電子束打孔機(jī)總控裝置用于實(shí)現(xiàn)加速高壓電源的多重 保護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。上述故障判別電路單元16的具體工作過程是故障判別電路單元16檢測
電子束流取樣電阻8上的電子束流信號(hào)Ib，如果超過設(shè)定的上限值判為電子束 流過流故障；故障判別電路單元16檢測高壓取樣電路單元7的輸出信號(hào)Ua，如 果超過設(shè)定的上限值判為加速電壓過壓故障；故障判別電路單元16檢測高壓 取樣電路單元7的輸出信號(hào)Ua，如果產(chǎn)生負(fù)突跳變化判為電子槍產(chǎn)生高壓放電 故障；故障判別電路單元16檢測逆變器輸入電流檢測電路單元12的輸出信號(hào) Id，如果超過設(shè)定的上限值判為逆變器3輸入電流過流故障；逆變器驅(qū)動(dòng)電路 單元15檢測逆變器3每個(gè)功率開關(guān)管的被驅(qū)動(dòng)1 2微秒后的管壓降，任一檢測 值超過設(shè)定的上限值逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元15向故障判別電路單元16發(fā)送一信 號(hào)Uq，故障判別電路單元16檢測到逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元15有回饋信號(hào)Uq判為 逆變器3短路故障。上述任一故障的產(chǎn)生故障判別電路單元16輸出信號(hào)l^都 變?yōu)橛行?，并立即封鎖高壓調(diào)節(jié)器ll、電流調(diào)節(jié)器14和逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元 15驅(qū)動(dòng)脈沖的輸出。1^有效時(shí)，電子束打孔機(jī)總控裝置利用信號(hào)l^實(shí)現(xiàn)加速 高壓電源的多重保護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。
本實(shí)施例電子束打孔機(jī)主電源(電子束加速高壓電源)直接由三相市電 整流后供電，逆變器3把直流電逆變成高頻交流電，通過高頻高壓變壓器4 升壓后整流輸出高壓直流電；加速電源采用雙閉環(huán)控制方式，逆變器3在逆 變過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻脈寬調(diào)制調(diào)壓。逆變器3由兩個(gè)H型橋式逆變電路組成， 每個(gè)逆變橋的高頻逆變頻率相同，高頻脈寬調(diào)制波的占空比亦相同，兩個(gè)逆 變橋輸出電壓波形的相位差為90。，輸出電壓波形呈對(duì)稱分布。 一組逆變橋加 一個(gè)高頻高壓變壓器加一個(gè)高壓整流橋組成高壓電源的一個(gè)逆變供電單元 組，兩個(gè)單元組的輸出經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)后總輸出作為電子束的加速電源。逆 變變壓器的鐵心采用高頻鐵心材料做成，與工頻或中頻變壓器相比，高頻變 壓器的截面積小，繞組匝數(shù)少，體積及功耗都小。高壓整流輸出的直流電的 脈動(dòng)頻率是高頻逆變頻率(25kHz)的4倍(100kHz)，總整流波在脈寬調(diào)制 占空比大于50%時(shí)(由高頻高壓變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)保證)已無過零點(diǎn)。這樣高 壓總整流波的脈動(dòng)頻率高，而脈動(dòng)幅值低，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(shù)指標(biāo)要求。高壓濾波電容值小一方面加速高壓 電源控制系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)小，有利于提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，另一方面 加速高壓電源貯能小，高壓放電產(chǎn)生的電磁沖擊自然小，有利于提高加速高 壓電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。雙閉環(huán)控制的加速電源較之單閉環(huán)控制，電流內(nèi) 環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起更及時(shí)抗擾的作用，在動(dòng)態(tài)過程電流內(nèi)環(huán)限制逆變器 3輸入電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。
上述實(shí)施例是以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施的，給出了兩個(gè)逆變 橋的實(shí)施方法。但本發(fā)明的保護(hù)不限于上述兩個(gè)逆變橋?qū)嵤├?，只要電子?打孔機(jī)加速高壓電源裝置采用多相高頻逆變及高頻脈寬調(diào)制調(diào)壓方式，加速 電壓采用雙閉環(huán)控制的技術(shù)方案即屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制方法，其特征在于所述電源采用工頻交流輸入→低壓整流濾波→高頻逆變及脈寬調(diào)制調(diào)壓→高頻變壓器升壓→高壓整流濾波的電流變換方式輸出，采用雙閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)輸出高壓自動(dòng)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制方法， 其特征在于所述雙閉環(huán)控制方式的外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)；將高 壓給定信號(hào)與高壓取樣信號(hào)比較得到高壓偏差信號(hào)，高壓偏差信號(hào)送入高 壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例一積分運(yùn)算后輸出逆變器輸入電流給定信號(hào)；逆變器輸 入電流給定信號(hào)與逆變器輸入電流取樣信號(hào)比較得到逆變器輸入電流偏 差信號(hào)，逆變器輸入電流偏差信號(hào)送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例一積分運(yùn)算后 輸出一控制信號(hào)，用電流調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)送入逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元 去調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓波的占空比。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制方法，其 特征在于還包括高頻逆變波形的控制，逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元根據(jù)電流調(diào) 節(jié)器輸出的控制信號(hào)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波控制各逆變橋輸出的矩形電壓波 等寬；逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元還生成逆變器中各功率開關(guān)管的合理的驅(qū)動(dòng)脈 沖信號(hào)，控制各逆變橋的逆變相序，實(shí)現(xiàn)各逆變橋輸出的電壓波形的相位 呈對(duì)稱分布。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制方法，其 特征在于還包括故障保護(hù)控制，即對(duì)加速高壓電源運(yùn)行過程中的高壓取 樣信號(hào)、電子束流取樣信號(hào)、逆變器輸入電流取樣信號(hào)和逆變器驅(qū)動(dòng)電路 單元產(chǎn)生的逆變橋橋臂上下開關(guān)功率管直通短路信號(hào)進(jìn)行故障判別，上述 任一故障產(chǎn)生，立即輸出信號(hào)封鎖逆變器的驅(qū)動(dòng)脈沖、高壓調(diào)節(jié)器和電流 調(diào)節(jié)器的輸出，并通過電子束打孔機(jī)總控單元實(shí)現(xiàn)加速高壓電源的多重保 護(hù)及整機(jī)邏輯連鎖控制。
5、 電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置，其特征在于包括電網(wǎng)濾波器 (1)、輸入整流濾波電路單元(2)、逆變器(3)、高頻高壓變壓器(4)、高壓整流濾波電路單元(5)、高壓放電扼流電路單元(6)、高壓取樣電路 單元(7)、電子束流取樣電阻(8)、逆變器輸入電流檢測電路單元(12)、 逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15)和雙閉環(huán)控制單元；電網(wǎng)濾波器(1)的輸入 端與三相電網(wǎng)相接，其輸出送入輸入整流濾波電路單元(2)中整流橋的 交流輸入側(cè)；輸入整流濾波電路單元(2)輸出的平直的不可控直流電送 入逆變器(3)各逆變橋的直流輸入端；逆變器(3)包括至少2個(gè)逆變橋組成，每個(gè)逆變橋輸出的脈寬可調(diào)的高頻矩形波交流電送入與逆變橋相數(shù) 相同的高頻高壓變壓器(4)的初級(jí)繞組；每個(gè)高頻高壓變壓器(4)次級(jí) 繞組輸出的高頻高壓電送入與高頻高壓變壓器(4)相數(shù)相同的高壓整流 濾波電路單元(5)中高壓整流橋的交流輸入側(cè)；多個(gè)高壓整流橋輸出經(jīng) 高壓電容濾波后再串聯(lián)或并聯(lián)輸出，高壓整流濾波電路單元(5)輸出的 高壓端接至高壓放電扼流電路單元(6)，低壓端經(jīng)電子束流取樣電阻(8) 與大地相接，電子槍的陽極亦與大地相接；高壓放電扼流電路單元(6) 的輸出接至電子槍的陰極；高壓取樣電路單元(7)并接于高壓放電扼流 電路單元(6)輸出端與大地之間，輸出的高壓取樣信號(hào)輸入雙閉環(huán)控制 單元；逆變器輸入電流檢測電路單元(12)實(shí)時(shí)檢測逆變器(3)直流輸 入電流值，并將其輸出信號(hào)作為逆變器輸入電流取樣信號(hào)輸入雙閉環(huán)控制 單元；雙閉環(huán)控制單元產(chǎn)生控制信號(hào)送入逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15)的輸 入端；逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)波形經(jīng)隔離放大后分別接至 逆變器中各個(gè)功率開關(guān)管的控制極，各個(gè)功率開關(guān)管的集電極有信號(hào)反饋 回逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15)用于監(jiān)控開關(guān)管工作狀況。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置，其特征在 于所述雙閉環(huán)控制單元包括高壓給定信號(hào)發(fā)生器(9)、電壓環(huán)比較器(10) 、高壓調(diào)節(jié)器(11)、電流環(huán)比較器(13)和電流調(diào)節(jié)器(14);高 壓給定信號(hào)發(fā)生器(9)的輸出信號(hào)由計(jì)算機(jī)或可編程控制器數(shù)字設(shè)定后 經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生或由模擬電路產(chǎn)生，高壓給定信號(hào)發(fā)生器(9)的輸出信 號(hào)作為高壓給定信號(hào)送入電壓環(huán)比較器(10);電壓環(huán)比較器(10)同時(shí) 接收高壓取樣電路單元(7)輸出的高壓取樣信號(hào)，將高壓給定信號(hào)與高 壓取樣信號(hào)比較得到的高壓偏差信號(hào)送入高壓調(diào)節(jié)器(11);高壓調(diào)節(jié)器(11) 為比例一積分調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將接收的高壓偏差信號(hào)進(jìn)行比例一積分 運(yùn)算后輸出逆變器輸入電流給定信號(hào)，逆變器輸入電流給定信號(hào)送入電流 環(huán)比較器(13);電流環(huán)比較器(13)同時(shí)接收逆變器輸入電流檢測電路 單元(12)輸出的逆變器輸入電流取樣信號(hào)，將逆變器輸入電流給定信號(hào) 與逆變器輸入電流取樣信號(hào)比較得到逆變器輸入電流偏差信號(hào)，逆變器輸 入電流偏差信號(hào)送入電流調(diào)節(jié)器(14);電流調(diào)節(jié)器(14)為比例一積分 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，將接收的逆變器輸入電流偏差信號(hào)進(jìn)行比例一積分運(yùn)算后輸 出控制信號(hào)至逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15)的輸入端去調(diào)節(jié)逆變器(3)輸 出電壓波的占空比。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置，其特征在 于所述逆變器(3)由A、 B兩個(gè)H型逆變橋構(gòu)成，逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15)根據(jù)電流調(diào)節(jié)器(14)輸出的控制信號(hào)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波控制A、 B兩逆變橋輸出的矩形電壓波等寬；逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(14)還生成逆 變器(3)中各功率開關(guān)管的合理的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，控制A、 B兩逆變橋輸出的矩形電壓波的相位相差9(A實(shí)現(xiàn)兩逆變橋輸出的電壓波形呈對(duì)稱分布。
8、根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子束打孔機(jī)加速高壓電源裝置，其特征在 于所述還包括故障判別電路單元(16)，該故障判別電路單元(16)接 受來自高壓取樣電路單元(7)、電子束取樣電阻(8)、逆變器輸入電流檢 測電路單元(12)和逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15)的信號(hào)，對(duì)高壓電源運(yùn)行 狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，上述任一信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)故障判別電路單元(16)輸出信 號(hào)有效，該輸出信號(hào)分四路輸出， 一路送入高壓調(diào)節(jié)器(11)用于封鎖高 壓調(diào)節(jié)器(11)的輸出； 一路送入電流調(diào)節(jié)器(14)用于封鎖電流調(diào)節(jié)器 (14)的輸出； 一路送入逆變器驅(qū)動(dòng)電路單元(15)用于封鎖逆變器驅(qū)動(dòng) 脈沖；最后一路送入電子束打孔機(jī)總控單元用于加速高壓電源的多重保護(hù) 及整機(jī)邏輯連鎖控制。
全文摘要
本發(fā)明電子束打孔機(jī)加速高壓電源的控制方法及電源裝置，其電源由三相市電供電，采用AC→DC→AC→DC電流變換方式，中間DC→AC逆變環(huán)節(jié)為高頻逆變，在逆變過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制調(diào)壓功能；采用雙閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)輸出高壓的穩(wěn)定調(diào)節(jié)；逆變器至少由兩個(gè)逆變橋組成，各逆變橋輸出波的相位差呈對(duì)稱分布，輸出波等寬。電源裝置包括電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波電路、逆變器、高頻高壓變壓器、高壓整流濾波電路、高壓放電扼流電路、高壓取樣電路、電子束流取樣電阻、逆變器輸入電流檢測電路、雙閉環(huán)控制單元、逆變器驅(qū)動(dòng)電路和故障判別電路等。本發(fā)明具有控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快、抗擾性能強(qiáng)、加速高壓電源紋波小、效率高、體積小等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M1/12GK101510732SQ20091011396
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者羅達(dá)琪, 莫力林, 莫遠(yuǎn)林, 翔 費(fèi), 郭華艷, 陸思恒, 韋壽祺, 馬曉東, 黃小東 申請(qǐng)人:桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司