黃瑞寧　李　毅　劉曉飛

哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，深圳，518055

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節(jié)能型電火花加工脈沖電源的研究

黃瑞寧李毅劉曉飛

哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，深圳，518055

設(shè)計(jì)了一種采用LCL-T主電路結(jié)構(gòu)的新型節(jié)能型脈沖電源系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)思路，分析了脈沖電源主要能耗部分的電能損耗，并且利用設(shè)計(jì)的脈沖電源樣機(jī)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，檢驗(yàn)了節(jié)能型電火花加工脈沖電源的加工工藝性能，考察了系統(tǒng)方案的可行性，試驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的節(jié)能型脈沖電源具有良好的加工功效。

電火花加工；節(jié)能；脈沖電源；LCL-T

0　引言

脈沖電源是電火花加工系統(tǒng)的重要組成部分，其性能參數(shù)直接影響電火花加工質(zhì)量，因此關(guān)于脈沖電源的研究是電火花加工系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的重要組成部分之一[1]。隨著能源的日益枯竭，節(jié)能型工業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)越來(lái)越重要，對(duì)于大型工件的電火花粗加工，節(jié)能型脈沖電源的研究與設(shè)計(jì)變得極其有意義，節(jié)能型脈沖電源在大功率電火花加工領(lǐng)域已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)電火花脈沖電源一般利用電阻限流，這類電源簡(jiǎn)單耐用，但由于電阻功耗隨電流的增大而增加，因此在輸出大電流時(shí)電阻電能損耗難以承受，且當(dāng)極間短路時(shí)，加工脈沖電流幅值將顯著增大，惡化加工狀態(tài)，而且容易造成拉弧現(xiàn)象甚至燒傷工件。另外，在大功率脈沖電源電火花加工領(lǐng)域，采用限流電阻傳統(tǒng)的脈沖電源大部分能量消耗在限流電阻上，其比例甚至高達(dá)70%，并且會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)熱，縮短系統(tǒng)的使用壽命。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了一系列節(jié)能型脈沖電源，如日本三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的節(jié)能型脈沖電源FPII，其能效能量效率接近70%。Rosario等[2]研發(fā)的LCC串并聯(lián)諧振新型脈沖電源能夠提供短路保護(hù)，從而可保證放電時(shí)負(fù)載電路的整體穩(wěn)定性。沈蓉等[3]設(shè)計(jì)的節(jié)能型雙路MOSFET脈沖電源采用電感替代電阻限制電流,并用兩路MOSFET管替代一路MOS管,電感通過(guò)續(xù)流二極管將儲(chǔ)存的電能返回給電源,從而提高電能利用率。李謝峰等[4]采用電流階梯波脈沖電源進(jìn)行加工，可獲得較高加工效率，同時(shí)減少了電極損耗。Li等[5]采用的基于雙臂功率放大器、單臂脈寬調(diào)制策略的無(wú)電阻式脈沖電源,比傳統(tǒng)電阻限流式電源節(jié)能16%，電能效率顯著提高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的三級(jí)串聯(lián)型高效能電火花加工脈沖電源[6]平均效率在70%左右，最高效率可達(dá)74%。但此節(jié)能型脈沖電源脈寬與脈間的時(shí)間要求大于200μs，并且脈沖電流幅值波動(dòng)大,因此不能用于精加工。其主要原因在于此脈沖電源利用的PSFB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有電壓源的性質(zhì)，采用的電感限流，需要將電壓轉(zhuǎn)化為電流進(jìn)行控制，由于限流電感沒(méi)有續(xù)流回路，在未放電狀態(tài)時(shí)電感的能量需要消耗在電阻上，當(dāng)放電脈沖頻率在10kHz以上時(shí)限流電感的功耗很大，因此電源不能用于精加工，限制了它的使用范圍。并且變壓器二次側(cè)輸出電壓較高，導(dǎo)致整流功耗較大，不適合采用同步整流技術(shù)。

本文設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)能脈沖電源，其平均能效可達(dá)到80%，該節(jié)能型脈沖電源可適用于電火花精粗加工。

1　節(jié)能型脈沖電源硬件的研究與設(shè)計(jì)

節(jié)能型脈沖電源的主電路硬件原理如圖1所示，由LCL-T電流源、同步整流電路以及放電軟開(kāi)關(guān)電路三部分組成。該脈沖電源利用了LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7-8]的恒流源及軟開(kāi)關(guān)特性，采用LCL半橋全波整流。非對(duì)稱占空比方法與斬波調(diào)節(jié)電流的方法都適用于半橋全波整流，但是移相調(diào)節(jié)方法隨著負(fù)載的增大零電壓開(kāi)通范圍逐漸減小，因此本文采用零電壓開(kāi)通范圍較大的非對(duì)稱占空比方法調(diào)節(jié)輸出電流。LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于諧振點(diǎn)頻率以及兩個(gè)諧振電感的感量選擇，諧振點(diǎn)頻率對(duì)變壓器體積及功耗影響較大，兩個(gè)諧振電感的感量對(duì)LCL的軟開(kāi)關(guān)特性具有決定性影響。

圖1　節(jié)能型脈沖電源的整體框架圖

LCL拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為恒流源，因而采用電流型自驅(qū)動(dòng)同步整流電路，該整流電路具有驅(qū)動(dòng)波形無(wú)死區(qū)、不受輸入電壓的影響和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同步性好等特點(diǎn)，由于利用電流互感器，較低的壓降就能獲得較高的電壓檢測(cè)信號(hào)，因此，檢測(cè)大電流時(shí)具備很大的優(yōu)勢(shì)。放電軟開(kāi)關(guān)電路中，由于電感自身特性的限制以及放電頻率較高，不能將其能量全部由電阻來(lái)消耗，故增加了續(xù)流回路，當(dāng)極間開(kāi)路或者短路時(shí)續(xù)流回路工作，極間擊穿正常放電時(shí)的脈沖放電回路工作，續(xù)流與脈沖放電回路二者交替工作,如圖1所示。此外，該脈沖電源為DSP和CPLD控制電路以及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)設(shè)計(jì)了供電電路。

2　節(jié)能型脈沖電源軟件設(shè)計(jì)

基于嵌入式微控制器的系統(tǒng)軟件主要包括電流電壓實(shí)時(shí)采樣通信程序、控制環(huán)路軟件及LCL控制模塊、放電電路控制模塊等。電流電壓實(shí)時(shí)采樣通信程序?qū)崿F(xiàn)了電流電壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，DSP采集電壓與電流數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示界面，可以實(shí)時(shí)觀察電壓與電流的動(dòng)態(tài)變化，便于分析電源的當(dāng)前工作狀態(tài)。電源系統(tǒng)為恒流源，因而利用霍爾傳感器對(duì)電流進(jìn)行采樣控制。由于脈沖放電時(shí)系統(tǒng)的負(fù)載在不斷變化，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[7-8]，對(duì)電抗器的電壓采用采樣負(fù)反饋，構(gòu)成電壓內(nèi)環(huán)、電流外環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。在建立系統(tǒng)電壓內(nèi)環(huán)、電流外環(huán)及前饋環(huán)之后，采樣程序獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)入控制環(huán)路，利用軟件數(shù)字控制代替模擬電路實(shí)現(xiàn)電壓內(nèi)環(huán)PI校正為Ⅰ型系統(tǒng)，提高其跟隨性能，電流外環(huán)PI校正為Ⅱ型系統(tǒng)提高其動(dòng)態(tài)性能，并且對(duì)電流環(huán)串聯(lián)超前校正以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖2所示。LCL控制模塊、放電電路控制模塊實(shí)現(xiàn)輸出電流的調(diào)節(jié)，控制續(xù)流與脈沖放電回路交替工作。

圖2　系統(tǒng)電壓、電流及前饋控制環(huán)路

3　節(jié)能型脈沖電源系統(tǒng)功效分析

本文設(shè)計(jì)的節(jié)能型脈沖電源輸出滿載功率理論值Pout=750W，電源效率η=0.9 ，輸入功率為

脈沖電源的關(guān)鍵性能參數(shù)是能效水平。利用功率分析儀測(cè)量輸入交流功耗，由于在放電時(shí)電流幾乎不變且極間電壓保持在放電維持電壓20 V左右，因此輸出功率Pout及加工效率η分別為

式中，Ipulse_out為輸出脈沖電流平均值;Vout為放電極間維持電壓;D為脈寬與放電周期比例；Ton為脈沖電流放電時(shí)間;Tclose為脈沖電流續(xù)流時(shí)間。

當(dāng)放電輸出平均電流為4 A、6 A、8 A、10 A，脈沖放電占空比分別為0.2、0.4、0.6與0.8時(shí)，電源能效如表1～表4所示。由表5可知，電源平均能效達(dá)80%，遠(yuǎn)大于采用電阻限流網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)脈沖電源的能效，這也正是節(jié)能型脈沖電源的優(yōu)勢(shì)所在。在大功率電火花加工領(lǐng)域，節(jié)能型脈沖電源已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

表1　脈沖電流為4 A時(shí)電源能效表

表2　脈沖電流為6 A時(shí)電源能效表

表3　脈沖電流為8 A時(shí)電源能效表

表4　脈沖電流為10 A時(shí)電源能效表

表5　輸出平均能效記錄表

4　加工工藝試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)節(jié)能型脈沖電源的加工性能，對(duì)比節(jié)能型脈沖電源與傳統(tǒng)脈沖電源的加工性能，筆者針對(duì)加工質(zhì)量、加工效率展開(kāi)了加工工藝試驗(yàn)。加工工藝試驗(yàn)硬件系統(tǒng)主要由數(shù)控系統(tǒng)、節(jié)能型脈沖電源/傳統(tǒng)脈沖電源、電極及工件四部分組成。工藝試驗(yàn)時(shí)采用實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的五軸電火花數(shù)控加工機(jī)床，將節(jié)能型脈沖電源和傳統(tǒng)脈沖電源分別接入機(jī)床，對(duì)試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量記錄。

試驗(yàn)時(shí)所采用的電極材料為直徑1 mm的圓柱紫銅電極，工件材料為45鋼。用節(jié)能型脈沖電源與傳統(tǒng)型脈沖電源在脈寬、脈間、輸出電流峰值保持一致的情況下分別加工一個(gè)直徑為1 mm、深度為0.5 mm的圓孔。節(jié)能型脈沖電源加工工藝指標(biāo)如表6所示。傳統(tǒng)脈沖電源加工工藝指標(biāo)如表7所示。兩者加工質(zhì)量如圖3所示，圓孔較為平整，底部較為均勻。

表6　節(jié)能型脈沖電源加工工藝參數(shù)表

表7　傳統(tǒng)型脈沖電源加工工藝參數(shù)表

圖3　兩種脈沖電源加工圓孔工件放大圖

試驗(yàn)中每隔20 min記錄一次工件加工軸向深度，加工時(shí)間為10 h，圖4為加工效率對(duì)比圖。

圖4　節(jié)能與傳統(tǒng)脈沖電源加工效率對(duì)比圖

由圖3、表5可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的節(jié)能型脈沖電源能達(dá)到與傳統(tǒng)脈沖電源相同的加工質(zhì)量、較為相近的加工效率，但其平均能效達(dá)到80%，遠(yuǎn)大于采用電阻限流網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)脈沖電源的能效，并且達(dá)到了與傳統(tǒng)脈沖電源相同的加工速度和電極損耗等工藝指標(biāo)。

5　結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電火花特種加工對(duì)節(jié)能型脈沖電源的需求，在現(xiàn)有節(jié)能型脈沖電源基礎(chǔ)上研發(fā)了新型節(jié)能型脈沖電源，其主要特點(diǎn)是：①首次將LCL-T拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所具有的電流源特性及軟開(kāi)關(guān)性質(zhì)應(yīng)用于脈沖電源并研發(fā)出樣機(jī)；②變壓器二次側(cè)采用同步整流技術(shù)，并研發(fā)設(shè)計(jì)了軟開(kāi)關(guān)放電電路，使得LCL-T節(jié)能型脈沖電源平均能效達(dá)到80%；③建立了電壓內(nèi)環(huán)、電流外環(huán)及前饋環(huán)三環(huán)控制系統(tǒng)以提高脈沖電源系統(tǒng)電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

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(編輯華中平)

Research on energy-saving EDM Pulse Power Supply

Huang RuiningLi YiLiu Xiaofei

Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School , Shenzhen, Guangdong, 518055

The system of a new type of energy-saving pulse power supply which had LCL-T topology circuit was designed. This paper presented the schematic circuit and software design ,and analyzed the power efficiency of major energy-consuming components. The performance and feasibility in machining processes were demonstrated by using the designed pulse power prototype. The experiments show that the designed energy-saving pulse power supply possesses ideal processing effect.

electrical discharge machining(EDM ); energy-saving; pulse supply ; LCL-T

2015-11-02

國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目(51471507);深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(JCYJ20130329153408574，JCYJ20140417172620449)

TG661

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.18.018

黃瑞寧，男，1977年生。哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)槲⒓?xì)特種加工。發(fā)表論文40余篇。李毅，男，1987年生。哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。劉曉飛，男，1991年生。哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院機(jī)電工程及自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。