一種電子束加工設備精密加速電源裝置及控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電子束加工設備領域，具體涉及一種電子束加工設備精密加速電源裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002]在精密電子束焊機、電子束打孔機、電子束快速成型機等電子束加工設備中，加速電源采用閉環(huán)控制方式，控制精度以平均值為衡量指標一般都能達到要求，但對以瞬時值為衡量指標的紋波的抑制閉環(huán)控制是無能為力的。加速電源都是經交流升壓再整流濾波獲得，紋波除了正常整流波形的紋波外，高壓整流過程交流電感的作用使得直流輸出波形產生凹陷，從而形成更大的紋波。加速電源工作電流一般較小，電感對正常紋波的濾波作用不大，高壓電容器的電容值又較小(不能用電解電容)，所有這些因數對降低輸出電壓的紋波都不利。另外目前，電子束加工設備的加速電源多采用電力電子脈寬調制(PWM)變流技術實現(xiàn)功率調節(jié)，在PffM變流器中，電感濾波元件有電流連續(xù)與電流斷續(xù)兩種工作狀態(tài)。在電子束加工設備中加速電源的負載由空載到滿載變化，當負載較輕時，其PffM變流器工作于電流斷續(xù)狀態(tài)。電感電流處于斷續(xù)狀態(tài)，當功率管開啟瞬間電感呈阻性，輸出端就會出現(xiàn)尖峰脈沖電壓(約等于輸入電壓)，此尖峰電壓經變壓器放大直接反映到加速電源輸出端。高壓濾波電路中電感和電容存在寄生參數，對尖峰脈沖電壓抑制能力不強。電子束加工設備輕載運行狀態(tài)希望加速電源輸出電壓更加平穩(wěn)，而尖峰脈沖電壓將直接影響到電子束的加工精度。為了提高加速電源的精度，須從電源的結構和控制方法上加以改進。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種利用同步Buck電路調壓，解決輕載電流斷續(xù)出現(xiàn)尖峰脈沖電壓問題的電子束加工設備精密加速電源裝置及控制方法.
[0004]本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下:一種電子束加工設備精密加速電源裝置，包括進線濾波器、低壓整流濾波單元、直流-直流變換單元、逆變單元、高壓單元和調節(jié)器，所述進線濾波器的輸入端與外部電網連接，所述進線濾波器的輸出端、低壓整流濾波單元、直流-直流變換單元、逆變單元和高壓單元的輸入端依次串接，所述高壓單元的高壓輸出端輸出高壓電接至電子槍陰極，所述高壓單元的信號端輸出高壓反饋信號U送至所述調節(jié)器的第二輸入端，所述調節(jié)器的第一輸入端輸入高壓給定信號If，所述調節(jié)器的輸出端與所述直流-直流變換單元的信號端連接；
[0005]所述進線濾波器，其用于接入交流電，消除高頻電磁干擾信號在其輸入端與輸出端間的傳遞；
[0006]所述低壓整流濾波單元，其用于將交流電變換成平直不可控直流電；
[0007]所述直流-直流變換單元，其用于將平直不可控直流電變成平直可控直流電；還用于將調節(jié)信號Uc轉換成PffM信號的占空比，實現(xiàn)輸出高壓的穩(wěn)定調節(jié)；
[0008]所述逆變單元，其用于將平直可控直流電逆變成可控中頻矩形波交流電；
[0009]所述高壓單元，其用于將可控中頻矩形波交流電進行升壓和整流濾波，并輸出平直的直流高壓電，同時對輸出高壓值信號進行線性采樣，輸出高壓反饋信號U ;
[0010]所述調節(jié)器，其用于將高壓給定信號If與高壓反饋信號U的差值進行比例一積分(PD運算，生成調節(jié)信號Uc。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:采用電壓閉環(huán)控制結構，電源由三相市電供電，采用AC — DC — DC — AC — AC — DC電流變換方式，DC — DC利用同步Buck電路實現(xiàn)，在電子束加工設備輕載運行狀態(tài)時，能有效抑制尖峰脈沖電壓，加速電源輸出電壓更加平穩(wěn)，提高了加速電源的精度，提升電子束的加工精度；中間DC — AC逆變環(huán)節(jié)為中頻逆變；由中頻高壓變壓器實現(xiàn)電能的傳遞、升壓和高壓絕緣；調節(jié)器根據高壓給定信號U*和電壓反饋信號U的偏差信號Λ U( Δ U = If-U)進行比例一積分(PI)運算輸出信號Uc去調節(jié)逆變直流-直流變換單元的輸出電壓的幅值，最終實現(xiàn)輸出高壓的穩(wěn)定調節(jié)。
[0012]在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0013]進一步，所述直流-直流變換單元包括第一驅動脈沖發(fā)生器、開關功率管Vl?V2和電感LI?L2，所述第一驅動脈沖發(fā)生器的信號輸入端與所述調節(jié)器的信號輸出端連接，所述第一驅動脈沖發(fā)生器的輸出端分別與所述開關功率管Vl和開關功率管V2的基極連接，所述開關功率管Vl的集電極與所述低壓整流濾波單元的正輸出端連接，所述開關功率管Vl的發(fā)射極分別與所述開關功率管V2的集電極和所述電感LI的第一端連接，所述電感LI的第二端作為所述直流-直流變換單元的正輸出端，所述開關功率管V2的發(fā)射極分別與所述低壓整流濾波單元的負輸出端和所述電感L2的第一端連接，所述電感L2的第二端作為所述直流-直流變換單元的負輸出端，所述直流-直流變換單元的兩輸出端分別接至所述逆變單元的直流兩輸入端。
[0014]采用上述進一步方案的有益效果是:直流-直流變換單元采用同步Buck電路結構，第一驅動脈沖發(fā)生器將調節(jié)器輸出信號Uc轉換成PffM信號的占空比，Uc越大，gl越寬，直流-直流變換單元的輸出Ud2越大；開關功率管V1、開關功率管V2的驅動信號gl、g2為推挽互補關系，但轉換過程設置2-3微秒的死區(qū)時間，避免開關功率管Vl和開關功率管V2短時直通；同步Buck電路為強迫電流連續(xù)工作模式，避免了電感LI和電感L2電流斷續(xù)時造成變換器輸出端出現(xiàn)尖峰脈沖電壓，加速電源輸出電壓更加平穩(wěn)，提高了加速電源的精度，提升電子束的加工精度。
[0015]進一步，所述逆變單元包括A相逆變器、B相逆變器和第二驅動脈沖發(fā)生器，所述A相逆變器和所述B相逆變器均與所述第二驅動脈沖發(fā)生器連接。
[0016]所述A相逆變器包括開關功率管V3?V4和電容Cl?C2，所述開關功率管V3的集電極接至所述直流-直流變換單元的正輸出端，所述開關功率管V3的發(fā)射極與所述開關功率管V4的集電極相接，并作為第一輸出端，所述開關功率管V4的發(fā)射極接至所述直流-直流變換單元的負輸出端，所述開關功率管V3和開關功率管V4的基極與所述第二驅動脈沖發(fā)生器連接，所述電容Cl和電容C2串聯(lián)連接，電容Cl和電容C2串聯(lián)支路的Cl端與所述開關功率管V3的集電極相接，電容Cl和電容C2串聯(lián)支路的C2端與所述開關功率管V4的發(fā)射極相接，電容Cl和電容C2串聯(lián)支路的中間端作為第二輸出端，第一輸出端和第二輸出端分別接至第一升壓變壓器一次繞組的兩端。
[0017]所述B相逆變器包括開關功率管V5?V6和電容C3?C4，所述開關功率管V5的集電極接至所述直流-直流變換單元的正輸出端，所述開關功率管V5的發(fā)射極與所述開關功率管V6的集電極相接，并作為第一輸出端，所述開關功率管V6的發(fā)射極接至所述直流-直流變換單元的負輸出端，所述開關功率管V5和開關功率管V6的基極與所述第二驅動脈沖發(fā)生器連接，所述電容C3和電容C4串聯(lián)連接，電容C3和電容C4串聯(lián)支路的C3端與所述開關功率管V5的集電極相接，電容C3和電容C4串聯(lián)支路的C4端與所述開關功率管V6的發(fā)射極相接，電容C3和電容C4串聯(lián)支路的中間端作為第二輸出端，第一輸出端和第二輸出端分別接至第二升壓變壓器一次繞組的兩端。
[0018]采用上述進一步方案的有益效果是:所述A相逆變器與B相逆變器采用單相半橋逆變電路，且兩相逆變器的電路結構與參數相同，電容Cl?C4的電容值相同，電容Cl和電容C2串聯(lián)支路和電容C3和電容C4串聯(lián)支路作為所述直流-直流變換單元的輸出濾波電容以及分別作為開關功率管V3和開關管功率管V4和開關管功率管V5和開關管功率管V6的緩沖電容，同時分別作為所述A相逆變器與B相逆變器的直流輸入均壓電容及交流輸出隔直電容。開關功率管V3和開關管功率管V4的驅動信號g3、g4為對稱推挽互補關系，但轉換過程設置2-3微秒的死區(qū)時間，避免開關功率管V3和開關功率管V4短時直通；開關功率管V5、V6的驅動信號g5、g6為對稱推挽互補關系，但轉換過程設置2-3微秒的死區(qū)時間，避免開關功率管V5和開關功率管V6短時直通，所述A相逆變器與B相逆變器驅動波形的相序相差90°，即所述A相逆變器與B相逆變器的輸出為兩相對稱矩形電壓波形，對應的兩相高壓并聯(lián)整流波形脈動頻率為直流-直流變換器PWM波的頻率，且消除了凹陷，由于高壓總整流波的脈動頻率高，而脈動幅值低，選用較小的高壓濾波電容值就能濾掉交流成分，滿足紋波系數指標要求；高壓濾波電容值小一方面系統(tǒng)慣性時間常數小，有利于提高控制系統(tǒng)調節(jié)速度，另一方面貯能小