2. 中国航空工业集团公司 北京航空制造工程研究所, 北京 100024
2. Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Aviation Industry Corporation of China, Beijing 100024, China
真空电子束焊接技术具有能量密度高、焊缝深宽比大、热影响区小等优点,在航空、航天、兵器和船舶等国防工业及民用工业领域得到了广泛的应用.真空电子束焊接技术的关键在于如何获得稳定的电子束流输出,除了电子枪结构、真空度的影响外,高压电源对束流的稳定度影响尤为显著.针对三极电子枪配套的高压电源,主要包括高压加速电源、灯丝加热电源和栅极偏压控制电源,是电子束焊接的动力装置,其技术水平的高低直接影响到电子束焊接设备的整体水平[1,2].
电子束焊接高压电源技术自20世纪50年代以来,主要经历了3个发展阶段,即工频变压器、中频发电机组、高频开关式电源.在每个发展阶段,设备性能都得到了很大提高,尤其是开关式高压电源,其高压调节范围更广、输出纹波更小、束流控制精度更高,设备体积更小.
德国SST公司生产的高压电子束焊接设备的高压电源输出最高工作电压可达150 kV,最大束流400 mA;国外其他电子束焊接设备生产厂家如德国PTR、法国TECHMETAR、英国CVE、乌克兰PATON也均有成熟的60 kV和150 kV高压大功率逆变电源(≥30 kW).
目前,国内在电子束焊接方面技术最成熟的仍然是中频机组方式高压电源;在高频逆变电源方面,已经积极开展研究,并得到了一定范围的应用,北京航空制造工程研究所、桂林实创、北京中科等均有60 kV高压逆变电源,但功率均未超过30 kW,而且在稳定性和可靠性方面与国外同类技术相比仍存在一定的差距,特别是对用于大厚度焊接结构的150 kV电子束焊接高压电源的研究报道就更少[1,2,3,4].
本文采用绝缘栅双极晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)逆变技术,研制了一套先进的150 kV/30 kW逆变式电子束焊接高压电源.详细地分析了电子束焊接高压电源的构成,重点讨论了逆变式高压电源的主电路拓扑,设计了高压变压器、倍压整流电路、高压采样电路、束流采样电路,以及内外环结合的负反馈控制电路,实现了稳定的高电压和束流输出. 1 高压电源的构成
所研制的150 kV电子束焊接系统的基本组成如图 1所示[5,6,7,8,9,10].
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| 图 1 电子束焊接高压电源系统的组成Fig 1 High voltage power supply system of electron beam welding |
在图 1中,三级真空电子枪安装在真空室上,待焊工件放在真空室内.150 kV高压加速电源的正极连接至电子枪的阳极,负极通过限流电阻R1，R2和R3后,分别与灯丝加热电源的正极、负极相连接,然后再连接至阴极(灯丝),从而在电子枪阴极和阳极之间提供一个150 kV的电子加速电压;栅极偏压电源与高压电源串联后,其负极连接至电子枪的栅极.
灯丝加热电源主要作用是加热灯丝并使其发射电子,所发射的大量电子经过高压电场的加速,再经过电子枪的聚焦线圈聚焦后,去轰击工件,电子束大量的动能转化为热能,使工件轰击位置熔化,形成熔池,从而实现对工件的焊接.栅极偏压电源的主要作用是在电子枪的阴极和栅极之间提供栅偏压,用来控制和调整电子束束流的大小,它的原理是在阴极和栅极之间加一个负偏压,通过调节负偏压的大小来调节电子束流的大小.其中,加速电压调节范围:-90~-150 kV;栅极偏压电源输出电压范围-100~-2 500 V,最大电流30 mA;灯丝电源用来加热灯丝产生电子,输出电流0~50 A可调,输出电压12 V.
由于高压电源的加速电压高达-150 kV,电子枪内的金属蒸汽、绝缘油中的杂质等都很容易引起高压放电.高压放电不仅使得高压电源不稳定,而且高压放电产生的电压或电流尖峰对电网上的其他设备(如PLC系统、伺服控制系统等)造成很强的电磁干扰，甚至损坏这些设备.因此,为了有效防止高压放电产生的电压和电流尖峰反馈至电网,高压加速电源、栅极偏压电源和灯丝加热电源都采用逆变直流电源(带隔离变压器)与380 V工频电网隔离,可有效减小对电网上其他设备的干扰,如图 2所示.
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| 图 2 高压电源结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of high voltage power supply |
在图 2中,高压加速电源、栅极偏压电源和灯丝加热电源的低压部分都采用逆变直流电源和逆变电路串联的结构.考虑到高压加速电源的功率较大(30 kW),其直流电源和逆变电路均采用全桥逆变结构,而栅极偏压电源和灯丝加热电源的功率较小,其直流电源和逆变电路均采用半桥逆变结构. 2 高压加速电源主电路拓扑
高压加速电源由高压部分和低压部分组成,其中低压部分又包括全桥逆变直流电源和全桥逆变电路,高压部分主要由高压变压器和倍压整流电路组成. 2.1 全桥逆变直流电源
全桥逆变直流电源主电路拓扑如图 3所示.
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| 图 3 全桥逆变直流电源主电路拓扑Fig. 3 Main circuit topology of full bridge inverter DC power supply |
在图 3中,三相AC380 V动力电源经全桥整流滤波电路后得到约500 V的直流电,再输入由IGBT开关管Q1～Q4组成的全桥逆变电路变换成约20 kHz的交流方波,然后经隔离变压器LT1耦合至副边进行整流滤波,最后得到电压稳定可调的直流输出.其中,电容C2为隔直电容,电感L1和电容C3为直流输出滤波电感和滤波电容,逆变直流电源输出电压为0～500 V连续可调. 2.2 全桥逆变电路
为了实现150 kV高压输出,全桥逆变直流电源输出的直流电压还必须再进行逆变,然后才能通过高压变压器进行升压.
图 2中的全桥逆变电路就是将逆变直流电源输出的直流再次变换成20 kHz的交流方波,其输出连接至高压变压器的原边,这样在高压变压器的副边就可以得到幅值约为18 kV的交流方波信号.全桥逆变电路的主电路拓扑与全桥逆变直流电源中的IGBT全桥逆变电路完全一样,如图 3所示. 2.3 高压变压器设计
考虑到高压变压器的原边输入交流方波的幅值最大为500 V,要实现150 kV高压输出,如果仅采用变压器进行升压,则变压器的变比为1∶300,如此高的变比,以及30 kW的高功率输出使得变压器设计和制作非常困难.同时,150 kV的高压也会使得后级整流滤波电路器件的耐压值选择非常困难,成本增加.因此,综合考虑变压器升压技术难度、器件成本及可靠性等因素,采用变压器升压与倍压整流电路相结合的高压升压方案.高压变压器的变比为1∶36,倍压整流电路为10倍压整流电路.
同时,考虑到高压加速电源的输出功率为30 kW,输出功率较大,因此高压部分采用3组升压变压器与10倍压整流电路的串联结构进行并联输出,由3组高压变压器和倍压整流电路来共同输出30 kW功率,这样每一组的额定输出功率降到10 kW,很好地解决高压绝缘、高压硅堆和电容的耐压及容量的问题. 2.4 Cockcroft-Walton全波倍压整流电路
Cockcroft-Walton 10倍压整流电路采用对称全波整流方式,与普通的倍压整流电路相比,对称全波整流电路,不仅可以减小滤波电容的容量,而且还可以降低输出高压的纹波电压.其中,一组2倍压整流电路的原理图如图 4所示[11,12,13].
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| 图 4 Cockcroft-Walton 2倍压整流电路 Fig. 4 Cockcroft-Walton voltage doubling rectifier |
由图 4的倍压整流电路分析可以得知,电容C8和C9上的最高电压为变压器副边的峰值电压U,电容C7的最高电压为2U.当高压变压器原边输入电压为500 V时,其副边的峰值电压为18 kV,则倍压整流电路中电容和二极管承受的最高电压为36 kV.因此,在实际的倍压整流电路中,电容参数为50 nF/40 kV,整流二极管参数为6 A/40 kV. 3 偏压电源和灯丝电源主电路拓扑
如图 1所示,偏压电源和灯丝电源都连接在150 kV高压加速电源的负极,对地电压绝对值在150 kV以上,因此为了防止高压放电,也分为高压部分和低压部分.高压部分主要包括高压变压器和整流滤波电路,低压部分则由隔离直流电源与后级逆变电路串联而成.考虑到偏压电源和灯丝电源的功率较小,直流电源和逆变电路均采用半桥逆变电路拓扑,其中IGBT半桥隔离直流电源的主电路拓扑及半桥逆变电路如图 5所示.
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| 图 5 半桥隔离直流电源主电路拓扑 Fig. 5 Main circuit topology of half bridge inverter DC power supply |
控制电路主要包括高压采样电路、束流采样电路以及闭环负反馈控制电路等[14,15,16]. 4.1 高压采样电路设计
高压加速电源输出电压高达150 kV,采用电阻分压的方式采样,如图 6所示.
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| 图 6 高压采样电路 Fig. 6 Voltage sample circuit of high voltage power supply |
图 6中,RM为分压电阻(采用大功率高压电阻通过串并联方式获得),RV为采样电阻,则高压反馈电压为
当高压输出150 kV时,高压反馈电压为9 V. 4.2 束流采样电路设计
束流采样电路如图 7所示.
在图 7中,R1为高压放电限流电阻,RLOAD为束流等效负载,RC为束流取样电阻,则束流IC为
当焊接束流为200 mA时,电压UC为9 V.
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| 图 7 束流采样电路 Fig. 7 Current sample circuit of electron beam |
高压加速电源、栅极偏压电源和灯丝电源的低压部分的逆变直流电源和逆变电路分开进行控制,其中逆变电路均采用定频满脉宽的控制方式,高压电源的输出特性通过改变逆变直流电源的输出电压来调节.这种控制方式有效地避免了单级逆变电源在小功率工作时,逆变电路的脉宽过窄导致倍压整流后高压输出脉动太大的问题.同时,为了减小高压变压器和倍压整流电路内阻对输出高压的影响,提高电压闭环控制精度,逆变直流电源采用内、外环控制相结合的方式进行调节.如图 8所示为高压加速电源的电压闭环控制电路原理框图.
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| 图 8 高压加速电源的电压闭环控制电路原理框图 Fig. 8 Schematic diagram of voltage closed loop control circuit in high voltage accelerating power supply |
在图 8中,高压加速电源输出电压的反馈电压信号UVf与上位机设定的高压给定值UVg作为外环PID调节电路的输入,其调节输出值Ug与逆变直流电源输出电压的反馈信号Uf作为内环PID调节电路的输入,内环PID调节电路的输出再调节逆变直流电源的PWM脉冲宽度,从而改变直流电源的输出电压.因此,当闭环调节电路稳定时,高压加速电源的输出电压就与设定值相等,大大提高了加速电压的输出精度.
同理,采用束流反馈信号IC闭环调节偏压电源的输出电压,从而实现稳定的束流控制. 5 实验结果
进行了高压加速电源空载电压测试实验,当高压升压变压器的原边输入20 kHz、幅值400 V的交流方波时,高压加速电源的空载电压输出波形如图 9所示.
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| 图 9 高压加速电源逆变电路输出波形 Fig. 9 Output waveform of high voltage accelerating power supply |
在图 9中,高压加速电源的输出电压反馈值为10 V,根据式(1)可计算出输出电压约为167 kV,完全可以达到150 kV输出高压的要求.
图 10为高压电源的输出特性,其中图 10a是电阻负载状态下测得的高压加速电源的输出特性;图 10b是加速电压为150 kV,灯丝电流为40 A时,调节束流时得到的束流输出特性.
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| 图 10 高压电源的输出特性 Fig. 10 Output characteristic of high voltage power supply |
从图 10可以看出,高压加速电源的输出线性度和束流输出线性度较好,同时高压稳定度和束流稳定度均在0.5%左右,能够满足电子束焊接的要求. 6 结 论
1) 采用IGBT逆变技术,研制了一套先进的150 kV逆变式电子束焊接高压电源.
2) 采用3组升压变压器与10倍压整流电路的串联结构进行并联输出的主电路拓扑结构,实现了150 kV/30 kW高电压大功率输出.
3) 实验测试表明高压加速电源的输出线性度和束流输出线性度较好,同时高压稳定度和束流稳定度均在0.5%左右,能够满足电子束焊接的要求.
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