電子束焊機(jī)高壓直流電源設(shè)計(jì)

0 引言

    電子束焊機(jī)高壓電源主要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質(zhì)量。為此，許多電子束焊機(jī)制造商及研究機(jī)構(gòu)均對高壓電源的可靠性、高壓保護(hù)以及高壓打火對焊件的影響進(jìn)行了研究，并相應(yīng)制造出具有較高性能的高壓電源，以滿足不同的電子束焊機(jī)的需要。由于雙金屬焊接要求平行焊縫，故要使用高壓電子束焊機(jī)(100 kV以上)。為此，本文介紹了電子束焊機(jī)用高壓電源的控制方式、保護(hù)技術(shù)與其它類高壓電源的不同之處。

1 電子束焊機(jī)高壓電源的技術(shù)要求

　　電子束焊機(jī)用高壓電源與其它類型的高壓電源相比，具有不同的技術(shù)特性。

1.1 技術(shù)要求

　　電子束焊機(jī)用高壓電源的技術(shù)要求主要是紋波系數(shù)和穩(wěn)定度，紋波系數(shù)要求小于1％，穩(wěn)定度為±1％。德國PTR公司還提出了中壓型的技術(shù)要求，這種標(biāo)準(zhǔn)要求相對紋波系數(shù)應(yīng)小于0.5％，穩(wěn)定度為±0.5％，同時(shí)還提出了重復(fù)性要求要小于0.5％。以上要求都是根據(jù)電子束斑和焊接工藝所決定。

1.2 性能要求

　　電子束焊機(jī)用高壓電源在操作時(shí)必須與有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行連鎖保護(hù)。這些連鎖主要有真空連鎖、陰極連鎖、閘閥連鎖、聚焦連鎖等，可用以確保設(shè)備和人身安全。另外，高壓電源還必須符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)具有軟起動功能，以防止突然合閘對電源的沖擊。

　　該系統(tǒng)包含多種給水控制方式。這些控制方式可使機(jī)組在不同的負(fù)荷階段以及不同的給水控制對象情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)給水的連續(xù)控制，并對一些主要干擾因素起調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而保證即使發(fā)生某些故障仍能自動調(diào)節(jié)。

　　在高壓電源系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓經(jīng)過流抑制電路進(jìn)入高壓升壓整流變壓器的一次和二次側(cè)并升壓到100 kV左右。此交流高壓再經(jīng)12相整流濾波后獲得160 kV左右的直流高壓，加到高壓真空電子管和電子槍上。其中高壓電子管在工作時(shí)承受的電壓為40 kV，這樣，加在電子槍上的高壓為120 kV。高壓真空電子管是用來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出的。圖2所示是根據(jù)圖1設(shè)計(jì)的高壓電源的主電路原理圖。由圖2可知，本電源為典型的串聯(lián)型，是一種可直接在高壓側(cè)進(jìn)行調(diào)節(jié)的高壓直流穩(wěn)壓電源。其主電路主要由過流抑制電路、高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過壓、過流保護(hù)電路、高壓真空電子管調(diào)節(jié)電路等組成。本設(shè)計(jì)將高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過壓、過流保護(hù)電路都放在油箱內(nèi)，油箱內(nèi)充滿變壓器油，這樣可保證電源本體在工作時(shí)的絕緣和散熱需要。南于高壓電源需連續(xù)工作，為確保工作時(shí)的熱量能及時(shí)散出，該油箱內(nèi)部還設(shè)計(jì)了水冷卻系統(tǒng)。

　　本高壓電源中的過流抑制電路由三相橋式整流電路和扼流電感器組成，該方式可有效擬制負(fù)載出現(xiàn)過流或電源由于突然合閘在變壓器內(nèi)引起電磁暫態(tài)過程而出現(xiàn)的大電流和過電流，以保護(hù)電源不受損壞。其原理主要是利用電感電流不能突變的特性限制過電流，從而確保高壓變壓器不損壞。正常時(shí)，三相電流平衡，流入過流抑制電路的電流很小。整流變壓器二次的四線圈分別接成星型和三角型各2組，各組整流后再串聯(lián)可獲得12相直流脈動電壓，這樣，有利于降低諧波電流對電網(wǎng)的污染、減少濾波電容量和減小電源的紋波系數(shù)，提高電源本身性能。整流電路由高壓硅堆和阻容元件組成，主要防止高壓硅堆產(chǎn)生的過電壓，保證高壓硅堆不致?lián)p壞。限流電阻和保護(hù)電阻分別用來限制電源內(nèi)部的過電流、過電壓，保證電源的正常工作，但要求電阻耐壓水平要高、承受發(fā)熱功率要大。當(dāng)電源外部短路時(shí)，保護(hù)電路能在盡可能短的時(shí)問內(nèi)動作，以保證各有關(guān)元器件不致?lián)p壞。高壓濾波電容器可濾除直流輸出中的交流脈動成份，保證加在電子槍和調(diào)整管上的電壓平直。電容芯子直接放置在高壓油箱內(nèi)，能減小電源本體的體積。電路中的調(diào)整管為一多極高壓真空電子管，其工作耐壓達(dá)160kV，主要由陽極、控制極、第一、二、三陽極等組成，調(diào)整管的陽極接在高壓整流器的正極，調(diào)整管陰極則通過束流取樣電阻接地。調(diào)整管能在控制電路的作用下自動調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出。高壓調(diào)整管由于工作電壓高而在工作時(shí)會產(chǎn)生大量的熱量，本文為此設(shè)計(jì)了特殊的散熱裝置，即把整個調(diào)整管放在一裝絕緣油的油箱中，來確保冷卻和絕緣需要。油箱內(nèi)部還裝有專用散熱的水冷系統(tǒng)，以保證調(diào)整管能長期可靠工作。調(diào)整管的輔助電源很多，考慮到散熱和布局需要，也將其放在油箱內(nèi)。調(diào)整管的調(diào)節(jié)原理是其陰極由于加熱而發(fā)射電子。電子在陽極高壓的加速下，分別到達(dá)第二陽極和陽極，如果第二陽極的電壓很高，受加速的電子就會全部到達(dá)第二陽極，此時(shí)電子管處于高阻狀態(tài)，電源上的電壓將全部加在調(diào)整管上。因此，只要調(diào)節(jié)第二陽極的電壓大小，調(diào)整管上的電壓也會得以調(diào)節(jié)，這樣，加在電子槍上的高壓也得以調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對高壓輸出的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

    該電源控制電路中，電路由反饋信號隔離電路、PI給定調(diào)節(jié)電路、自動重加高壓電路、功率放大電路及附屬電路組成。

2.1 反饋電路

　　本系統(tǒng)中的反饋電路由高壓電阻分壓器、信號隔離電路、過壓過流抑制元件等組成。高壓電阻分壓器由兩路相互獨(dú)立的精密金屬膜電阻構(gòu)成，一路用來測量高壓，另一路提供反饋信號給控制電路以控制和調(diào)節(jié)高壓。高壓電阻分壓器放置在有機(jī)玻璃制成的支架上。考慮到絕緣和散熱的需要也將其放在高壓油箱里，以保證電源工作時(shí)電阻值的穩(wěn)定，最終保證取樣信號的穩(wěn)定。

　　高壓電源在工作時(shí)，由于電子槍放電或外部其它原因，電源內(nèi)部會產(chǎn)生過電壓。為防止過電壓竄入控制電路損壞低壓電子元器件，應(yīng)在取樣電阻兩端并聯(lián)高壓放電管和壓敏電阻及電容吸收電路，同時(shí)將取樣電阻都放在電磁屏蔽盒里，這樣能有效防止各種電磁干擾信號進(jìn)入控制電路。高壓分壓器的取樣信號在進(jìn)入控制電路以前，還應(yīng)設(shè)置信號隔離電路以使得反饋信號與控制電路相互隔離，并同時(shí)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電平信號給控制電路。以上措施可確保控制電路中的反饋信號的準(zhǔn)確性。

2.2 自動重加高壓電路

　　自動重加高壓電路主要利用三極管的控制原理來實(shí)現(xiàn)對高壓的快速截止和導(dǎo)通。它由運(yùn)算放大器和三極管等電路組成。它的工作原理是。

　　當(dāng)反饋信號超過給定信號時(shí)，使比例放大器IC2的輸出為高電平，V4導(dǎo)通，IC3輸出低電平，V3導(dǎo)通，V2截止，以封鎖PI調(diào)節(jié)器的輸出，從而關(guān)斷高壓調(diào)整管以切斷高壓。反之，當(dāng)反饋信號小于給定時(shí)，IC2輸出低電平，V4截止，IC3輸出高電平，V3截止。PI調(diào)節(jié)器正常工作。由于三極管從導(dǎo)通到截止的恢復(fù)時(shí)間很快，因此加在電子槍上的高壓在控制電路的作用下可很快恢復(fù)正常而不停機(jī)，從而確保了電子束焊機(jī)的正常工作。

2.3 功率放大電路

　　功率放大電路由前級預(yù)放管VL33和功率放大管VL32組成，工作過程是在V2處于負(fù)電源工作時(shí)，將PI調(diào)節(jié)器輸入的調(diào)節(jié)量經(jīng)V2放大后送到真空管VL33的控制極，并將V2陽極接到輔助電源的正極，陰極接地，這樣，控制極電壓越高(負(fù))，VL33的陽極對地電壓就越高，而高壓調(diào)整管VL32的陽極電壓越高，電子槍上的電壓就越低。相反，控制電路也可以按以上相反的過程調(diào)節(jié)電子槍上的高壓，最終實(shí)現(xiàn)電子槍上高壓的穩(wěn)定。

3 高壓電源的技術(shù)指標(biāo)

　　該高壓電源在焊接生產(chǎn)線上的工作十分穩(wěn)定。該電源的實(shí)測具體性能指標(biāo)參數(shù)如下：

　　◇額定加速電壓：120 kV；

　　◇紋波系數(shù)<1％；

　　◇穩(wěn)定度<1％；

　　◇額定電子束流：50mA；

　　◇紋波系數(shù)<1％；

　　◇穩(wěn)定度<1％。

　　電源在電子槍內(nèi)打火時(shí)，高壓電源能快速恢復(fù)而不停機(jī)。

4 結(jié)束語

　　該設(shè)計(jì)在高壓側(cè)由高壓真空管來調(diào)節(jié)高壓直流電源的輸出，因而具有輸出特性好，紋波系數(shù)小，穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。由于調(diào)整管隔離了濾波電容器，因此，該電源在過壓保護(hù)停機(jī)時(shí)，電容器上的能量不會泄放到工件上而導(dǎo)致工件的損壞。目前，該電源經(jīng)生產(chǎn)線上的實(shí)際運(yùn)行證明：各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足生產(chǎn)線的工藝要求。