石必利，張永俊，羅紅平

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

20世紀80年代出現(xiàn)的脈沖電流電解加工較傳統(tǒng)的直流電解加工在精度和穩(wěn)定性上顯示了其發(fā)展?jié)摿1]。電解電源作為電解加工工藝的核心環(huán)節(jié)，其精度和穩(wěn)定性直接決定電解加工的精度和穩(wěn)定性。目前，大多數(shù)電解電源直接采用逆變整流輸出的拓撲結構，具有電路簡單、成本較低的優(yōu)點，但輸出電流波形呈三角波，沒有陡峭的上升沿和下降沿，導致加工效率低、精度不高。隨著電解加工涉及領域日益拓寬，精度要求越來越高，于是出現(xiàn)了逆變加斬波的拓撲結構。國內(nèi)外的研究及工藝試驗表明，高頻、窄脈沖電源能顯著提高加工精度、表面質(zhì)量和腐蝕速度[2]。傳統(tǒng)電源的保護系統(tǒng)采用基本的過壓保護、過流保護及過溫保護，對電源的保護較完善，但沒有針對工具、工件進行保護。

針對電路變化率作出判斷會更迅速地察覺短路危險并作出及時保護，于是本文引入了能量釋放模塊，一方面及時關斷電源，另一方面導通旁路IG-BT，及時為殘留在電感電容中的電能提供泄放通道。針對因斬波IGBT在大電流下的開關損耗引起溫升過高的問題，提出了斬波軟開關的控制方式，實現(xiàn)了低電流時開關IGBT，保護了開關器件。本文研究的電解電源主控芯片選擇FPGA，實現(xiàn)了數(shù)字電源控制及斬波軟開關，同時，開發(fā)了友好的人機界面，實現(xiàn)了數(shù)字化控制和顯示。

1 電源的總體設計

電源結構見圖1。其設計思路主要分為主電路、控制電路和檢測電路三部分。主電路采用全橋逆變加斬波的拓撲結構，控制電路采用FPGA控制驅(qū)動信號，檢測電路將電壓電流的檢測情況反饋給FPGA。

圖1 電源結構框圖

1.1 主電路

主電路采用逆變加斬波的拓撲結構 （圖2）。380 V交流電網(wǎng)輸入，經(jīng)整流濾波變成高壓直流，由全橋逆變器變成高頻交流方波，經(jīng)高頻變壓器降壓后，再進行整流濾波變成低壓直流，最后經(jīng)斬波器得到高頻方波輸出。全橋逆變部分實現(xiàn)輸出電壓峰值的調(diào)節(jié)，斬波部分負責輸出信號的頻率和脈寬調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)電壓、頻率、脈寬均可調(diào)。

圖2 脈沖電解電源主電路

1.2 檢測電路

檢測電路包括基本的電壓檢測和電流檢測。電壓采樣點設置在二次整流之后，即肖特基二極管的負極，這樣能及時跟蹤到電壓信息。電流采樣點設置在輸出端的地線上，使用分流器進行采樣。

此外，為及時保護電源，還設置了電流變化率的采樣電路（圖3）。該電路主要由濾波器、微分器、比例放大器和比較器、與門及觸發(fā)器組成。利用分流器進行采樣，規(guī)格為500 A/75 mV。輸出電壓經(jīng)濾波器后進行微分，輸出階躍信號再次放大，送入比較器LM339的同相端。電流上升率取10%，將其轉化為電壓基準送給LM339的反相端，若LM339輸出高電平，則視為短路。與門74LS08接到高電平發(fā)生翻轉，導致CD4013的Q端輸出高電平，反饋給旁路管子的驅(qū)動電路和控制板。同時，CD4013的端為低電平，封住74LS08的輸出，直到故障排除；復位信號到來后，Q端回到低電平，變?yōu)檎顟B(tài)。其波形見圖4。

圖3 電流變化率采樣電路

圖4 電流變化率采樣波形

2 能量釋放系統(tǒng)

在電解加工過程中，加工間隙微小是其最基本的特征。極小的間隙空間使加工生成的大量電解產(chǎn)物積蓄在加工區(qū)內(nèi)[3]。同時，間隙內(nèi)混有導電微粒，往往會產(chǎn)生火花放電，引起短路，工件和工具因大電流流經(jīng)而被燒傷，并損壞電源。因此，研制快速短路保護系統(tǒng)極其重要[4]。

陰陽極之間發(fā)生短路或產(chǎn)生火花時，電流基本成線性增長。相關研究表明，當電流上升率超過每秒1%～20%時，可視為極間產(chǎn)生火花或短路[5]。因此，可利用電流上升率作為檢測標準。為達到有效保護，應做出快速反應關斷電源，并將極間電容和電感存儲的殘留能量釋放出去。

電流變化率可由圖3所示的檢測電路檢測。從圖4所示波形可看出，當電流上升率超過10%，便輸出高電平作為反饋信號。能量釋放裝置包括關斷逆變部分及導通并聯(lián)管子，這兩個動作都由反饋信號來決定。其中，并聯(lián)管子釋放結構見圖5。當發(fā)現(xiàn)短路或火花現(xiàn)象時，導通IGBT管子，釋放電路中的能量。

圖5 能量釋放的并聯(lián)管子部分

檢測電路的響應時間不到2 μs，直到反饋信號傳到控制板關閉全橋，同時傳到旁路管子驅(qū)動電路導通釋放管，整個過程也只有數(shù)μs。因此，能量釋放系統(tǒng)也稱為快速保護系統(tǒng)。

3 軟開關控制

軟開關的基本原理主要基于電流變化率的正負符號反應電流變化的趨勢，電流上升，斜率di/dt＞0；電流下降，斜率di/dt＜0。在全橋逆變并經(jīng)整流之后，電路的電壓電流波形見圖6?？梢?，電流呈周期上升和下降的趨勢，即每個周期內(nèi)電流都出現(xiàn)一個最小值，當開關管在最小電流的時候打開和關斷，開關管的開關損耗就會最小，產(chǎn)生的溫升也會相應減小，這便是軟開關的實質(zhì)。

圖6 整流后的電壓、電流波形

電流變化率di/dt將傳送到FPGA，分配2個寄存器分別記錄di/dt初值v0和di/dt變值vt，其中：

從圖6可看出，電流最小值出現(xiàn)之前的變化率為負值，之后變化率為正值。因此，v0為負時有效，每次符號翻轉正，則將其清零，直到再次翻轉為負，再次將此值賦給v0，周而復始。每次v0重新賦值前，判斷 s=v0·vt的符號，若 s＞0，則未達到最小值不作處理；若s＜0，則可判定t時刻為電流最低的點，此時可打開或關斷開關管。單次動作流程見圖7。

圖7 軟開關單次動作流程

4 試驗結果

圖8是電源輸出波形。電源能長時間穩(wěn)定輸出，可靠性高。

圖8 電源輸出波形

試驗在電解加工實驗機床上進行。在軸承鋼板上加工圓環(huán)，結果見圖9?？梢?，加工處留料多、留痕少，加工效果良好。

圖9 電解加工的圓環(huán)

5 結語

本文研制的高頻脈沖電解電源性能穩(wěn)定。電源采用了能量釋放系統(tǒng)，實現(xiàn)了短路快速保護，為殘余在電路中的電能提供了泄放通路，給電源提供了保障且有效保護了工件。同時，電源采用了FPGA實現(xiàn)了軟開關功能，在一定程度上減少了開關損耗，降低了電源溫升。

[1] 王建業(yè).電解加工技術的新發(fā)展 [J].電加工，1998（2）：37-41.

[2] 陳柱春，張永俊，許志永.電解加工電源的發(fā)展及應用[J].機電工程技術，2007，36（6）：13-16.

[3] 馬曉寧，李勇，呂善進，等.加工間隙內(nèi)電解產(chǎn)物對微細電解加工的影響分析[J].電加工與模具，2008（6）：31-35.

[4] 朱樹敏，陳遠龍.電化學加工技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[5] 陳遠龍，楊勝.高頻脈沖電解加工電源的研制[J].機電工程技術，2012，41（9）：75-78.