一種斬波式節能型電加工脈衝電源的製作方法

2023-06-07 19:29:11

一種斬波式節能型電加工脈衝電源的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種斬波式節能型電加工脈衝電源，包括第二可調直流電源、第一可調直流電源、主控單片機、穩流電路、第一功率開關管、第二功率開關管、第一高壓隔離二極體、第二高壓隔離二極體、脈衝變換及起弧驅動電路、脈衝變換及斬波驅動電路、電源調節控制電路。本發明不僅取消了耗能嚴重的限流電阻，提高脈衝電源的利用率，並且具備起弧容易，白適應調壓及脈衝電流參數可調的性能，同時可以對脈衝電壓、脈衝電流、脈衝寬度及脈衝間隔進行獨立的調整。
【專利說明】一種斬波式節能型電加工脈衝電源

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電源，具體涉及一種斬波式節能型電加工脈衝電源。

【背景技術】
[0002]其性能優劣對電火花加工的生產效率、產品加工質量、電極損耗有較大的影響，尤其和電能利用率有決定性的影響。
[0003]脈衝電源是電加工系統中的主要組成部分，有多種結構形式。例如，放電間隙和直流電源各自獨立、互相隔離的獨立式脈衝電源，以及在獨立式脈衝電源的基礎上派生出的高低壓複合脈衝電源、多迴路脈衝電源等不同類型脈衝電源。
[0004]最常用的串聯限流電阻電火花加工脈衝電源的電能利用率小於25%，超過75%的電能則以熱量的形式消耗在限流電阻上，不僅降低電能的利用率，同時也對脈衝電源的散熱系統和電子元件的工作性能提出了較高的要求。主迴路電感限流式的脈衝電源需要設計、使用電感元件或變壓器線圈中的電感替代限流電阻進行限流和儲能，雖然使脈衝電源的電能利用率得到較大的提高，但限制了脈衝參數的調節範圍。也有PWM調壓式節能電加工脈衝電源，其在高頻PWM工作方式下，受制於功率開關元件的開關損耗很大，很難實現高頻脈衝電加工。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種斬波式節能型電加工脈衝電源，該電源不僅取消了耗能嚴重的限流電阻，提高脈衝電源的利用率，並且具備起弧電壓高、可調的特點，容易起弧，自適應調壓及脈衝電流參數可調的性能，同時可以對脈衝電壓、脈衝電流、脈衝寬度及脈衝間隔進行獨立的調整。
[0006]為達到上述目的，本發明所述的斬波式節能型電加工脈衝電源斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，包括第二可調直流電源、第一可調直流電源、主控單片機、穩流電路、第一功率開關管、第二功率開關管、第一高壓隔離二極體、第二高壓隔離二極體、脈衝變換及起弧驅動電路、脈衝變換及斬波驅動電路、電源調節控制電路；
[0007]所述第二可調直流電源的負極與第一可調直流電源的正極相連接，第一可調直流電源的負極與待加工工件相連接，第二可調直流電源的正極經第一功率開關管與第一高壓隔離二極體的正極相連接，第一可調直流電源的正極依次經穩流電路及第二功率開關管與第二高壓隔離二極體的正極相連接，第一高壓隔離二極體的負極與第二高壓隔離二極體的負極相連接後與電極相連接；
[0008]主控單片機經通信接口與直流電源調節控制電路的輸入端、脈衝變換及起弧驅動電路的輸入端、脈衝變換及斬波驅動電路的輸入端及穩流電路的輸入端相連接，脈衝變換及起弧驅動電路的輸出端與第一功率開關管的控制端相連接，脈衝變換及斬波驅動電路的輸出端與第二功率開關管的控制端相連接，電源調節控制電路的輸出端分別與第一可調直流電源的控制端及第二可調直流電源的控制端相連接。
[0009]所述第一可調直流電源的電流大小及電壓大小分別為0-50A及0-60V。
[0010]所述第二可調直流電源的電流大小及電壓大小分別為200-300V及0-5A。
[0011]通過脈衝變換及起弧驅動電路輸出的PWM脈衝信號控制第一功率開關管輸出的起弧電流脈衝，並在起弧電流產生後關斷第一功率開關管；
[0012]通過脈衝變換及斬波驅動電路輸出的PWM脈衝信號控制第二功率開關管輸出的電流脈衝寬度，PWM脈衝信號的脈衝寬度最小為1 μ S。
[0013]所述穩流電路包括第三功率開關管，第三功率開關管與第二可調直流電源的正極及第二功率開關管相連接，第三功率開關管的控制端與主控單片機的輸出端相連接。
[0014]還包括用於檢測第二功率開關管輸出電流的檢測器，檢測器由第一脈衝電流傳感器及第二脈衝電流傳感器組成，其中，第一脈衝電流傳感器與第二功率開關管串聯連接，第二脈衝電流傳感器與第三功率開關管串聯連接。
[0015]電極與待加工工件之間的脈衝電流間隙電壓Vo彡VQ2+VQ4+VD2+V間隙，其中，VQ2為第二功率開關管的飽和電壓降，vQ4為第三功率開關管的穩壓電壓降，V D2為第二尚壓隔尚二極體的導通電壓降，v_:為放電間隙電弧電壓降。
[0016]所述第二可調直流電源在每個脈衝周期的工作時間小於0.2 μ s。
[0017]所述第一功率開關管的電流容量及第一高壓隔離二極體的電流容量均小於10Α，耐壓範圍均大於等於600V ;
[0018]所述第二功率開關管及第二高壓隔離二極體的電流容量均大於100Α，第二功率開關管的耐壓範圍大於等於150V，第二高壓隔離二極體的耐壓範圍大於等於600V。
[0019]還包括用於檢測電極與待加工工件之間的脈衝電流間隙電壓Vo的檢測電路。
[0020]本發明具有以下有益效果:
[0021 ] 本發明所述的斬波式節能型電加工脈衝電源在使用時，通過電壓調節電路來實現電壓的調節，同時通過主控單片機和脈衝變換及起弧驅動電路實現第一功率開關管輸出的脈衝寬度的調節，通過主控制單片機及脈衝變換及斬波驅動電路實現第二功率開關管輸出的脈衝寬度的調節，同時通過穩流電路實現輸出的電流的調節，另外，通過主控單片機來實現脈衝間隔的獨立調整，操作簡單，徹底取消了耗能嚴重的限流電阻，電能利用率能提高2倍左右。並且本發明的起弧迴路中的第一功率開關管與第二功率開關管同步開通，第一功率開關管不參與主脈衝電流供電，故第一功率開關管只有很小的開通損耗和關斷損耗，沒有產生導通損耗。
[0022]進一步，第一功率開關管與第二功率開關管輸出脈衝寬度取決於的PWM脈衝信號，在PWM脈衝信號驅動下第二功率開關管只起開關作用，大幅度降低了工作於斬波狀態的第二功率開關管的工作電壓，改善了第二功率開關管的工作條件。
[0023]另外，本發明取消了傳統電火花加工脈衝電源所需的大功率工頻變壓器，同時降低了對直流電源的穩定時間的要求，有效地減少了脈衝電源的體積和重量，並且成本低；本發明徹底取消了大功率限流電阻，因此有效地減少了因電阻發熱對脈衝電源中電子元件的影響作用，提高了脈衝電源的工作可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的原理圖；
[0025]圖2為本發明中主控單片機的外部電路圖；
[0026]其中，1為第一可調直流電源、2為第二可調直流電源、3為穩流電路、4為脈衝變換及起弧驅動電路、5為脈衝變換及斬波驅動電路、6為檢測電路、7為電源調節控制電路、8為通信接口、9為主控單片機。

【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述:
[0028]參考圖1及圖2，本發明所述的斬波式節能型電加工脈衝電源包括第一可調直流電源1、第二可調直流電源2、主控單片機、穩流電路3、第一功率開關管Q1、第二功率開關管Q2、第一高壓隔離二極體D1、第二高壓隔離二極體D2、脈衝變換及起弧驅動電路4、脈衝變換及斬波驅動電路5、電源調節控制電路7 ;所述第二可調直流電源2的負極與第一可調直流電源1的正極相連接，第一可調直流電源1的負極與待加工工件相連接，第二可調直流電源2的正極經第一功率開關管Q1與第一高壓隔離二極體D1的正極相連接，第一可調直流電源1的正極依次經穩流電路3及第二功率開關管Q2與第二高壓隔離二極體D2的正極相連接，第一高壓隔離二極體D1的負極與第二高壓隔離二極體D2的負極相連接後與電極相連接，電極位於待加工工件的正上方；主控單片機的輸出端與電源調節控制電路8的輸入端、脈衝變換及起弧驅動電路4的輸入端、脈衝變換及斬波驅動電路5的輸入端及穩流電路3的控制端相連接，脈衝變換及起弧驅動電路4的輸出端與第一功率開關管Q1的控制端相連接，脈衝變換及斬波驅動電路5的輸出端與第二功率開關管Q2的控制端相連接，電源調節控制電路7的輸出端分別與第一可調直流電源1的控制端及第二可調直流電源2的控制端相連接；第一可調直流電源1的電流大小及電壓大小分別為0-50A及0-60V ;第二可調直流電源2的電流大小及電壓大小分別為200-300V及0-5A ;通過脈衝變換及斬波驅動電路5輸出的PWM脈衝信號控制第二功率開關管Q2輸出的電流脈衝寬度，其中，第二功率開關管Q2輸出的電流脈衝最小寬度達1 μ s ;穩流電路3包括第三功率開關管Q3，第三功率開關管Q3與第二可調直流電源2的正極及第二功率開關管Q2相連接，第三功率開關管Q3的控制端與主控單片機的輸出端相連接。
[0029]本發明還包括用於檢測第二功率開關管Q2輸出電流的檢測器，檢測器由第一脈衝電流傳感器及第二脈衝電流傳感器組成，其中，第一脈衝電流傳感器與第二功率開關管Q2串聯連接，第二脈衝電流傳感器與第三功率開關管Q3串聯連接；電極與待加工工件之間的脈衝電流間隙電壓Vo ^ VQ2+VQ4+VD2+V_:，其中，VQ2為第二功率開關管Q2的飽和電壓降，VQ4為第三功率開關管Q3的穩壓電壓降，VD2為第二高壓隔離二極體D2的導通電壓降，V間隙為放電間隙電弧電壓降；第二可調直流電源2的工作時間小於0.2 μ s ;第一功率開關管Q1的電流容量及第一高壓隔離二極體D1的電流容量均小於10Α，耐壓範圍均大於等於600V ;所述第二功率開關管Q2及第二高壓隔離二極體D2的電流容量均大於100Α，第二功率開關管Q2的耐壓範圍大於等於150V，第二高壓隔離二極體D2的耐壓範圍大於等於600V，本發明還包括用於檢測電極與待加工工件之間的脈衝電流間隙電壓Vo的檢測電路6。
[0030]如果需要較大輸出電流，首先要提高直流電源1的輸出功率；其次，限於目前功率開關元件的技術水平，可以並聯多個穩流電路3，以加大穩定電流的輸出，而第二功率開關Q2也可用多隻功率管並聯來加大控制電流。
[0031]本發明的原理:
[0032]主控單片機產生PWM脈衝信號，並通過通信接口 8將所述PWM脈衝信號轉發至脈衝變換及起弧驅動電路4及脈衝變換及斬波驅動電路5中，脈衝變換及起弧驅動電路4及脈衝變換及斬波驅動電路5根據所述PWM脈衝信號控制第一功率開關管Q1及第二功率開關管Q2開始工作，使第一可調直流電源1及第二可調直流電源2與電極接通，電極輸出幅值為第一可調直流電源1和第二可調直流電源2輸出電壓之和的高電壓，進而電極發出的高電壓使電極與工件之間的間隙被擊穿，從而形成放電間隙，起弧成功後放電間隙壓降降低、電流增大，與第一功率開關管Q1同步開通的第二功率開關管Q2自動接續電流維持放電，隨著放電電流的增大，當第一功率開關管Q1流過電流達到預設的起弧電流時，脈衝變換及起弧驅動電路4產生關斷第一功率開關管Q1的信號使第一功率開關管Q1關斷，到這時，間隙放電電流完全由第二功率開關管Q2提供，直到放電周期結束，第二功率開關管在PWM信號驅動下Q2也被關斷。到下一放電周期信號到來，重複上述過程，即Q1Q2開通一>起弧一>關斷第一功率開關管01—>第二功率開關管Q2放電一>關斷第二功率開關管Q2的循環工作過程，如此循環往復地進行下去，第三功率開關管Q3負責放電電流的穩定輸出，第一功率開關管Q1負責起弧，第二功率開關管Q2負責電流脈衝輸出的通斷(斬波)控制，便實現了每一放電脈衝的自動恆流斬波輸出。隨著起弧電流的形成，間隙電壓產生大幅度下降，當間隙電壓降至設定電壓時，第二功率開關管Q2開始導通續流，間隙電流進一步增加；當流過Q1的起弧電流達到設定值時，驅動電路發出關斷Q1控制信號，這個過程中，第二功率開關管Q2維持續流，流過Q2的電流持續增加，直至達到額定放電電流，穩流電路3穩定電流在設定數值，直至PWM信號關斷放電為止。第一功率開關管Q1及第二功率開關管Q2採用高開關頻率的MOSFET或IGBT等功率元件構成。第一高壓隔離二極體D1、第二高壓隔離二極體D2要求耐壓擊穿大於600V為宜，恢復時間越短越好。
[0033]設定本發明中待加工工件與電極之間的脈衝電流間隙電壓Vo ^ VQ2+VQ3+VD2+Vralpg ,其中，為第二功率開關管Q2的飽和電壓降，v Q3為第三功率開關管Q3的穩壓電壓降，V D2為第二高壓隔離二極體D2的導通電壓降，為放電間隙電弧電壓降。由於本發明在工作時，第二可調直流電源2僅起引燃電弧的作用，實測其工作時間小於0.2 μ s，放電脈衝的電流主要由第二可調直流電源2提供，大部分脈衝電流損失主要在第三功率開關管Q3上產生，正常放電時，當vQ3= 1.75-3V時整個裝置主迴路的功率損失最小。
[0034]另外，一般開關型直流電源穩定時間小於20ms，極限情況下在第三功率開關管Q3上的功率損失為:(60V-第一可調直流電源1調整後輸出電壓)X25AX20ms = 15ff/s ;正常穩流時第三功率開關管Q3上的最大功率損失為75W/s，可見，本發明的功率損失接近於功率開關管的飽和導通損失，實現了節能放電。
[0035]整個裝置中，通過主控單片機才能產生PWM脈衝信號，最高頻率達到500kHz，脈衝寬度最小為1 μ s ;PWM脈衝信號經通信接口 8分配脈衝變換及起弧驅動電路4及脈衝變換及斬波驅動電路5中；脈衝變換及起弧驅動電路4設有起弧電路監測電路，在PWM脈衝信號正半周(開通期間)檢測到起弧電流後關斷第一功率開關管Q1，脈衝電流由第二功率開關管Q2接續提供；在PWM脈衝信號的正半周，隨著起弧電流產生(起弧成功)，放電間隙電壓急速下降，電流快速上升，伴隨著第一功率開關管Q1的關斷，第二功率開關管Q2完成放電脈衝電流的接續，直到PWM脈衝信號的負半周結束，放電電流的大小由主控單片機經隔離晶片Si84xx發送給穩流電路3，穩流電路3根據指令調節設置穩流值的大小；主控單片機經通信接口 8將調節數據發送到電源調節控制電路7，進而通過電源調節控制電路7調節第一可調直流電源1和第二可調直流電源2輸出電壓。
【權利要求】
1.一種斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，包括第二可調直流電源(2)、第一可調直流電源(I)、主控單片機、穩流電路(3)、第一功率開關管(Ql)、第二功率開關管(Q2)、第一高壓隔離二極體(Dl)、第二高壓隔離二極體(D2)、脈衝變換及起弧驅動電路(4)、脈衝變換及斬波驅動電路(5)及電源調節控制電路(7); 所述第二可調直流電源(2)的負極與第一可調直流電源(I)的正極相連接，第一可調直流電源(I)的負極與待加工工件相連接，第二可調直流電源(2)的正極經第一功率開關管(Ql)與第一高壓隔離二極體(Dl)的正極相連接，第一可調直流電源(I)的正極依次經穩流電路(3)及第二功率開關管(Q2)與第二高壓隔離二極體(D2)的正極相連接，第一高壓隔離二極體(Dl)的負極與第二高壓隔離二極體(D2)的負極相連接後與電極相連接； 主控單片機經通信接口(8)與直流電源調節控制電路(7)的輸入端、脈衝變換及起弧驅動電路(4)的輸入端、脈衝變換及斬波驅動電路(5)的輸入端及穩流電路(3)的輸入端相連接，脈衝變換及起弧驅動電路(4)的輸出端與第一功率開關管(Ql)的控制端相連接，脈衝變換及斬波驅動電路(5)的輸出端與第二功率開關管(Q2)的控制端相連接，電源調節控制電路(7)的輸出端分別與第一可調直流電源⑴的控制端及第二可調直流電源⑵的控制端相連接。
2.根據權利要求1所述的調壓式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，所述第一可調直流電源(I)的電流大小及電壓大小分別為0-50A及0-60V。
3.根據權利要求1所述的斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，所述第二可調直流電源(2)的電流大小及電壓大小分別為200-300V及0-5A。
4.根據權利要求1所述的斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於， 通過脈衝變換及起弧驅動電路(4)輸出的PWM脈衝信號控制第一功率開關管(Ql)輸出的起弧電流脈衝，並在起弧電流產生後關斷第一功率開關管(Ql); 通過脈衝變換及斬波驅動電路(5)輸出的PWM脈衝信號控制第二功率開關管(Q2)輸出的電流脈衝寬度，其中，第二功率開關管(Q2)輸出的電流脈衝寬度最小為I μ S。
5.根據權利要求1所述的斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，所述穩流電路(3)包括第三功率開關管(Q3)，第三功率開關管(Q3)與第二可調直流電源(2)的正極及第二功率開關管(Q2)相連接，第三功率開關管(Q3)的控制端與主控單片機的輸出端相連接。
6.根據權利要求4所述的斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，還包括用於檢測第二功率開關管(Q2)輸出電流的檢測器，檢測器由第一脈衝電流傳感器及第二脈衝電流傳感器組成，其中，第一脈衝電流傳感器與第二功率開關管(Q2)串聯連接，第二脈衝電流傳感器與第三功率開關管(Q3)串聯連接。
7.根據權利要求5所述的斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，電極與待加工工件之間的脈衝電流間隙電壓Vo ^ VQ2+VQ4+VD2+V_:，其中，Vq2為第二功率開關管(Q2)的飽和電壓降，Vq4為第三功率開關管(Q3)的穩壓電壓降，Vd2為第二高壓隔離二極體(D2)的導通電壓降，Vfaipg為放電間隙電弧電壓降。
8.根據權利要求1所述的斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，所述第二可調直流電源(2)在每個脈衝周期的工作時間小於0.2 μ S。
9.根據權利要求1所述的斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於， 所述第一功率開關管(Ql)的電流容量及第一高壓隔離二極體(Dl)的電流容量均小於10A，耐壓範圍均大於等於600V ； 所述第二功率開關管(Q2)及第二高壓隔離二極體(D2)的電流容量均大於100A，第二功率開關管(Q2)的耐壓範圍大於等於150V，第二高壓隔離二極體(D2)的耐壓範圍大於等於 600V。
10.根據權利要求1所述的斬波式節能型電加工脈衝電源，其特徵在於，還包括用於檢測電極與待加工工件之間的脈衝電流間隙電壓Vo的檢測電路(7)。
【文檔編號】B23H1/02GK104475886SQ201410827127
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】張立材, 武劍, 王民, 孫曉豔, 王稚慧, 陳羽 申請人:西安建築科技大學