第４４卷第ｌ２期 电力电子技术 Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．１２ ２０１０年１２月 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１０ 基于移相全桥的电子束焊机高压电源的研制 樊生文，王泽庭，李正熙 （北方工业大学，电力电子与电力传动工程研究中心．北京 １００１４４） 摘要：传统电子束焊机高压电源采用４００ Ｈｚ中频发电机组，其噪声大、纹波大、效率低．不能满足现代工业实 际需要。为解决上述问题，研制了一台６０ ｋＶ／６ ｋＷ的基于移相全桥的全数字电子束焊机高频高压电源样机。 该电源由ＤＳＰ，ＣＰＬＤ，ＩＰＭ等组成，实现了高压电源的自动调节、过压过流保护及高压自放电快速恢复功能。实 验表明，该电源的各项性能指标都达到了设计目标，能满足焊接工艺的实际要求 关键词：电源；全桥移相；电子束焊机：高频高压 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一ＩＯＯＸ（２０１０）１２—００６２—０３ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂｅａｍ Ｗｅｌｄｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＦＡＮ Ｓｈｅｎｇ—ｗｅｌｌ，ＷＡＮＧ Ｚｅ・ｒｉｎｇ，ＬＩ Ｚｈｅｎｇ—ｘｉ （Ｂｅｒｉｎｇ Ｈｉｇｈｅｒ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｕｓｅｓ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｗｉｔｈ ４００ Ｈｚ￣ｅｑｕｅｎｃｙ， ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｎｏｉｓｙ，ｔｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ，ｉｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｍｏｄｅｍ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａ ６０ ｋＶ／６ ｋＷ ａｌｌ—ｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｗｅｌｄｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｔｆ ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ＤＳＰ，ＣＰＬＤ，ＩＰＭ，ｅｔｃ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ａ ｈｉｇｈ—ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ，ｏｖｅｒ—ｖｏｌｔａｇｅ ｏｖｅｒ—ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｆａｓｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｇｏａｌｓ， ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｆｕｌｌ—ｂｔｉｄｇｅ ｐｈａｓｅ—ｓｈｉｔｆ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂｅａｍ ｗｅｌｄｅｒ；ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｂｙ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．５０７２１０６３，５０６７７０７０） １ 引 言 处结合ＤＳＰ控制技术及电子束焊机高压电源的 电子束焊接是一种利用电子束作为热源的焊 特点．试制了一台６０ ｋＶ／６ ｋＷ基于移相全桥的全 接工艺。电子中的阴极灯丝加热到一定温度时 数字逆变式高频高压电子束焊机的电源样机。 会逸出电子，电子在高压电场的作用下被加速，通 ２全桥移相原理及工作波形 过电磁透镜聚焦后形成能量密集度极高的电子 图１示出全桥移相ＺＶＳ ＰＷＭ谐振变换器电 束，当电子束轰击焊接表面时，电子的强大动能瞬 路拓扑，其主要工作波形如图２所示。 间转变为热能，使金属熔融，达到焊接的目的… 电子束焊机高压电源主要用于电子加速。其 性能好坏直接决定电子束焊机的焊接质量ｌ ２＿：目 前仅西方少数几个国家能够生产电子束焊机，且 出口给其他国家。国内生产电子束焊机的厂 家很少，且高压电源系统仍采用４００ Ｈｚ中频发电 图１移相全桥ＺＶＳ ＰＷＭ变换器主电路 机组，具有噪声大、电压纹波大、精度低等缺点．急 需高性能电子束焊机高压电源进行更新换代。此 ： ． ＿ ： ！广１： ｊ ． ；。 ；ｉ ｔ： Ｉ ｌ ＩＩ． ｔ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７２１０６３，５０６７７０７０） 、 ： ，一一＿÷——＿｛、； ｒ： 定稿日期：２０１０—１ｌ一０２ ｊ 、 ｉ ｉ／；ｉ ／ ／・ ；ｉ ： ｒ ～ ： ｔ 作者简介：樊生文（１９６９一），男，青海湟源人，副教授，研究 方向为电力电子与电力传动、电子束焊机高压电源。 图２主要工作波形 ６２ 基于移相全桥的电子束焊机高压电源的研制 仅需在全桥电路上增加一个电感 或利用变 压器漏感，便可通过￡ 与功率开关管输出电容Ｃ （ｉ＝１，２，３，４）谐振，在Ｌ 储能释放过程中，使Ｃ 上 的电压 逐步下降到零，而使功率开关管体内的 寄生二极管ＶＤ 开通，从而使电路中４个开关器件 变换器平均电流双闭环系统框图如图５所示。 图４ ＬＣ输出滤波电路Ｓ域数学模型 实现零电压开通或零电流关断，实现恒频软开关。 Ｖｓ 和ｖｓ。构成超前臂，ｖｓ：和ＶＳ 构成滞后臂， ＶＳ 和ＶＳ ，ＶＳ 和ＶＳ 之间的驱动信号存在移相角 Ｏｔ，通过调节 大小，达到控制输出电压的目的ｌ ３ｌ。 ３高压电源设计 图３示出主电路框图。三相市电经不可控整 流及滤波后得到平滑的直流电压。移相全桥逆变 电路完成ＤＣ／ＡＣ变换，在高压油箱中通过高频高 压器升压．然后经高压硅堆整流及滤波后得到稳 定高压。输出高压反馈信号通过精密电阻网络取 得，经信号采集及故障综合后，送入ＤＳＰ进行ＰＩ 调节。改变超前臂和滞后臂ＰＷＭ波的ＯＬ，就能改 变输出高压电压，达到闭环控制的目的。 图３高压电源系统框图 ３．１ ＤＳＰ控制电路 控制电路包括ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ．ＣＰＬＤ． Ａ／Ｄ模块及驱动电路。Ａ／Ｄ模块将各路反馈回来 的模拟量转化为数字量，ＤＳＰ根据Ａ／Ｄ采集的数 字量进行运算和调节后，输出相应ＰＷＭ脉冲信 号。驱动电路主要完成ＰＷＭ波信号的隔离和放 大，将控制回路和主回路电气隔离，能有效地保护 控制回路；ＣＰＬＤ主要完成故障综合、逻辑判断和 封锁ＰＷＭ脉冲，在发生任何故障时，能够快速封 锁ＰＷＭ波进而切断高压电源，达到保护的目的 ３．２高压电源双环调节器模型 该高压电源采用电流内环和电压外环的双环 控制，外环的输出值作为内环的给定值，电压外环 控制高压电源的输出电压，电流内环控制变换器 滤波电感的平均电流。因为电流内环控制输出滤 波电路电感上的平均电流【４Ｊ，在建立ＬＣ输出滤波 电路ｓ域数学模型时，需要将滤波电感电流解耦 出来，其ｓ域数学模型如图４所示。由此可得全桥 ， 分别为电感电流、输出电压的反馈系数 ｕ ，ｉ 电压和电流的给定；Ａｕａ直流母线电压的扰动 图５系统控制框图 综上可知电感电流内环闭环传递函数为［５１： Ｇ （ｓ）＝ （１） ｎ十Ｄ 式中：Ｃ＝Ｋ ～［ ＋（ＲＣ／Ｔ￣＋１） ＋１／Ｔｄ；Ａ＝ＲＬＣｓ ＋（Ｌ＋ Ｋ ｃ）Ｓ ；Ｂ＝［Ｒ＋（１＋ＲＣ／￣）ＫｉＬｆＫｖ．￣ＫＰ】 ＋Ｋｕｌａｋｐ ／ 。 整个系统的开环传递函数为： Ｇｏ（ｓ）＝Ｋ 【 ＋寿Ｇａ（ｓ） Ｋ （２） 按典型Ｉ型系统对电流内环进行设计，按典 型ＩＩ型系统对电压外环进行设计．电压外环和电 流内环均采用ＰＩ调节器 ３．３ 系统软件设计 系统软件主要包括ＤＳＰ程序和ＣＰＬＤ程序设 计。ＤＳＰ主要功能是完成算法、发送ＰＷＭ脉冲和 触摸屏通信。ＣＰＬＤ主要完成故障综合、逻辑判断 和封锁ＰＷＭ脉冲。ＤＳＰ软件程序由主程序和若干 子程序：触摸屏通信程序、采样子程序、焊接逻辑 处理程序、ＰＷＭ中断程序等组成 编程语言采用 Ｃ语言ｌ６＿ 。进入ＰＷＭ中断后，首先对各路反馈信 号进行采集和处理，该流程图如图６所示，然后分 别经高压电源、灯丝电源、栅偏电源和束流的ＰＩ 运算后产生各自ＰＷＭ脉冲输出，经驱动隔离放 大后驱动ＩＧＢＴ，实现整个电源系统的闭环控制。 图６ 中断函数流程图 所有参数设置均通过触摸屏完成。实现了高 压电源的全数字化操作，并且触摸屏能够实时显 ６３ 第４４卷第ｌ２期 ２０１０年１２月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．１２ Ｄｅｅｅｍｂｅｒ ２０１０ 示高压电源系统的主要参数、运行状态、故障信息 等。当发生故障时，ＣＰＬＤ将所有ＰＷＭ脉冲封锁， 率：时问从０．５～６０ Ｓ可调：束流调节范围０～１００ ｍＡ 连续可调，实测可达１２０ ｍＡ；电源效率大于８０％。 然后将过压、过流、过热以及ＩＰＭ故障等故障信 号进行优先编码，送入ＤＳＰ进行处理后．并通过 触摸屏将故障信息显示出来。 ５ 结 论 基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２型ＤＳＰ的全数字逆变式 高频高压电子束焊机电源具有高精度、小体积、全 数字等特点，所有电源参数直接通过触摸屏设定 并存储，无需Ｄ／Ａ中间转换环节，直接ＰＷＭ输 出，能够实现全输出范围内设定和输出相等，是真 ４实验结果分析 ４．１焊接实验波形 采用研制的电源样机替代国内某知名电子束 焊机原有的中频发电机组高压电源系统，进行实 正意义上的全数字逆变电源。在实际焊接实验过 际焊接实验。高压电压，单位为ｋＶ，取样比为 程中．当发生高压放电现象时，该电源系统能够在 １１ ｋＶ：ｌ Ｖ，束流单位为ｍＡ，取样比为２５：１。图７ａ １ ｍｓ内迅速切断高压电源达到自我保护的目的， 为高压电源空载７０ ｋＶ时的上升和下降波形，上 从未损坏过ＩＧＢＴ等功率元器件。实践证明，该高 升和下降时间均设为１．５ Ｓ。高压电压能够在设定 压电源系统达到了国内领先水平，能够直接取代 时间内线性上升，并且几乎无超调现象。图７ｈ为 电子束焊机上现有的高压电源系统。 额定功率（６０ ｋＶ／１００ ｍＡ）焊接过程中的信号波 形．分别是高压反馈和束流反馈信号，当束流上升 和下降时高压几乎没有波动，说明该高压电源具 参考文献 ｆ１１李正熙，王磊，赵仁涛．一种全桥逆变式电子束焊机 有很好的稳定度。 高压电源『Ｊ１．自动化与仪器仪表，２００８，２８（３）：１５—１７． 【２】周 钦，杨俊友．电子束焊机高压直流电源设计［Ｊ］．设 计参考，２００７，９（５）：４９—５１． …● ｆ３］林渭勋．现代电力电子电路【Ｍ】．浙江：浙江大学出版 ：ｆ １ 社，２００６． 。 【４］ 阮新波，严仰光．直流开关电源的软开关技术【Ｍ】．北 Ｏ ５ ｌ ０ ｌ ５ ２０ ２ ５ （ａ）７０ ｋＶ 载波形 京：北京科学技术出版社，２０００． 图７实际焊接信号波形图 ［５］王兆安，黄俊．电力电子技术（第四版）【Ｍ】．北京：北 京机械工业出版社，２０００． ４．２电源技术指标 【６］ 苏奎峰．ＴＭＳ３２０ｘ２８ｘｘｘ原理与开发［Ｍ】．北京：电子工 高压输出极性：负极性；额定功率６ ｋＷ；开关 业出版社．２００９． 频率２０ ｋＨｚ；高压范围一１０～６０ ｋＶ连续可调，空载 ［７］ 苏奎峰．ＴＭＳ３２０ｘ２８１ｘ ＤＳＰ原理及Ｃ程序开发【Ｍ】．北 时输出一７０ ｋＶ：高压稳定度小于Ｏ．５％；高压上升速 京：北京航空航天大学出版社，２００９． （上接第３３页）Ｐｒｏｃ．［Ｃ】．２００５：８３７－８４２． ２００５．５２（１）：８８—９７． 【９］Ｗａｎｆｅｎｇ Ｚｈａｎｇ，Ｇｕａｎｇ Ｆｅｎｇ，Ｙａｎ—Ｆｅｉ Ｌｉｕ，ｅｔ ａ１．Ａ Ｄｉｇｉ— ［１３】Ｑｉａｎ Ｌｉ，Ｆｒｅｄ Ｃ Ｌｅｅ，Ｍｉｎｇ Ｘｕ，ｅｔ ａ１．Ｌｉｇｈｔ Ｌｏａｄ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｔａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ）Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｏｐｔｉ— Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆｒ ＰＦＣ［Ａ］．ＩＥＥＥ ＥＣＣＥ Ｃｏｎｆ．Ｐｍｃ．【Ｃ】．２００９． ｍｉｚｅｄ ｆｏｒ ＤＳＰ【Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｃ｝ｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ［１４］Ｙｕｎｇｔａｅｋ Ｊａｎｇ，Ｍ Ｍ Ｊｏｖａｎｏｖｉｅ．Ｌｉｇｈｔ—ｌｏａｄ Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ Ｏｐｔｉ－ ２００４，１９（６）：１４７４—１４８５． ｍｉｚａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｏｒｎｉｃｓ， ［１０】Ｙｕ Ｔｚｕｎｇ Ｌｉｎ，Ｙｉｎｇ Ｙｕ Ｔｚｏｕ．Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｂｏｏｓｔ ２０１０，２５（ｉ）：６７－７４． ＰＦＣ ＡＣ／ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ＬＯＷ ＴＨＤ ａｎｄ Ｆａｓｔ Ｄｙ— ［１５］Ｌ Ｒｏｇｇｉａ，Ｊ Ｅ Ｂａｇｇｉｏ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ ＣｏｎｔｍＨｅｒ ｎａｍｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ［Ａ］．ＩＥＥＥ ＩＰＥＭＣ Ｃｏｎｆ．Ｐｒｏｃ．［Ｃ］．２００９． ｆｏｒ ａ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｂｏｏｓｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ［１ １】ＭｉｎｇＨａｕ Ｃｈａｎ，Ｙｕ—Ｔｚｕｎｇ Ｌｉｎ，Ｙｉｎｇ—Ｙｕ Ｔｚｏｕ．Ｌｏａｄ Ａｄａｐ— ｉｎ Ｍｉｘｅｄ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ［Ａ］．１３ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｍｉｘｅｄ—ｓｉｇｎａｌ ＰＦＣ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＩＣ ｆＪ］．ＩＥＥＥ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ（ＥＰＥ）【Ｃ】．２００９： Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ．２００９：１２２２—１２２７． １—１０． ［１２】Ｋ Ｄｅ Ｇｕｓｓｅｍｅ，Ｄ Ｍ Ｖａｎ ｄｅ Ｓｙｐｅ，Ａ Ｐ Ｖａｎ ｄｅｎ Ｂｏｓｓｃｈｅ， ［１６］Ｆ Ｚ Ｃｈｅｎ，Ｄ Ｍａｋｓｉｍｏｖｉｃ．Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｔｍｌ ｆｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｅｔ ａ１．Ｄｉｇｉｔａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｏｏｓｔ Ｐｏｗｅｒ—ｆａｃｔｏｒ—ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ｏｖｅｒ Ｗｉｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ Ｂｏｔｈ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ａｎｄ Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎ— Ｌｏａｄ Ｒａｎｇｅ ｉｎ Ｂｏｏｓｔ ＰＦＣ Ｒｅｃｔｉｉｆｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ ＵＯＵＳ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ＭｏｄｅⅢ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃ ｔｒｏｎ．， Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，２５（１０）：２６８３—２６９２． ６４
