一種120kV電子束焊機(jī)用的高壓直流電源裝置
2022-06-20
一種120kV電子束焊機(jī)用的高壓直流電源裝置
摘要：介紹了雙金屬鋸帶電子束焊機(jī)用的高壓直流電源裝置的技術(shù)要求，結(jié)合電子束焊機(jī)用高壓電源的特點(diǎn)，提出一種真空管直接調(diào)整式高壓直流電源裝置。詳細(xì)介紹了電源的主電路結(jié)構(gòu)和控制電路的工作原理。經(jīng)試驗(yàn)和現(xiàn)場運(yùn)行表明：電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有較高的穩(wěn)定度和較小的紋波電壓。
關(guān)鍵詞：電子束焊機(jī)雙金屬鋸帶高壓直流電源穩(wěn)定性紋波
A Kind of High Voltage DC Source Device for Use
in Electron Beam Welder Abstract:This paper reports the technolongy requirements of high voltage DC source for use in electron beam welder(EBW) in bi? metal saw strip producTIon line.According to character of high voltage source,the vacuum tube is used to realize output regulaTIon of high voltage source.The frame of main circuit and working principle of control circuit is introduced.
Experimental results and operaTIon of the machine show the technical parameters of the source meet the designing target in advance,and the source has higher stability and smaller ripple voltage.
Keywords: EBW,Bi? metal saw strip,High voltage DC source,Stability, Ripple
1引言
電子束焊接因具有不用焊條、不易氧化、工藝重復(fù)性好及熱變形量小的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、國防及軍工、汽車和電氣電工儀表等眾多行業(yè)。電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場的加速下再通過電磁場的聚焦就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接處工件熔化，形成熔池，從而實(shí)現(xiàn)對工件的焊接。根據(jù)電子束焊接的基本原理，西方國家在70年代末期研究開發(fā)出雙金屬鋸帶電子束焊接新工藝生產(chǎn)線，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通高速鋼鋸帶生產(chǎn)工藝，從而大量節(jié)省了高速鋼，并提高了鋸帶的使用壽命。雙金屬鋸帶就是把具有彈性性能好的彈簧鋼和切削能力強(qiáng)的高速鋼通過電子束焊接方法而獲得的一種新型鋸帶。我國在80年代后期相繼從德國引進(jìn)若干條生產(chǎn)線以滿足國內(nèi)市場高速發(fā)展的需要，但還不能完全滿足其市場要求[1]。由于電子束焊接包含了機(jī)械、真空、高電壓和電磁場理論、電子光學(xué)、自動控制和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科技術(shù)，對國內(nèi)一般廠商來說技術(shù)難度較大，而引進(jìn)費(fèi)用又昂貴，為此桂林電氣科學(xué)研究所結(jié)合國外技術(shù)及多年從事電子束技術(shù)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，研制成功了我國第一條國產(chǎn)雙金屬鋸帶生產(chǎn)線設(shè)備。其中高壓電源是雙金屬鋸帶焊接設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)之一，它主要為電子槍提供加速電壓，其性能好壞直接決定電子束焊接工藝和焊接質(zhì)量。為此許多電子束焊機(jī)制造商及研究機(jī)構(gòu)均對高壓電源的可靠性、高壓保護(hù)、高壓打火對焊件的影響進(jìn)行了研究，并相應(yīng)制造出具有較高性能的高壓電源，以滿足不同的電子束焊機(jī)的需要[2～3]。由于雙金屬焊接要求平行焊縫,要用高壓電子束焊機(jī)(100kV以上)焊接雙金屬鋸帶。目前我國還不能生產(chǎn)高壓電子束焊機(jī)，為此開展高壓電源的開發(fā)和研究工作是非常必要的。本文介紹的是雙金屬鋸帶生產(chǎn)線上的高壓焊機(jī)用的高壓電源，其控制方式、高壓保護(hù)技術(shù)與其它類高壓電源具有不同之處，對研究高壓電源的調(diào)節(jié)技術(shù)、高壓打火保護(hù)具有借鑒意義。
圖1高壓電源系統(tǒng)框圖
圖2高壓電源主電路原理圖
2電子束焊機(jī)用高壓電源的技術(shù)要求
電子束焊機(jī)用高壓電源與其它類型的高壓電源相比，具有不同的技術(shù)特性。根據(jù)國外電子束焊機(jī)制造商的出廠標(biāo)準(zhǔn)、德國DIN標(biāo)準(zhǔn)和我國電子束焊機(jī)的技術(shù)要求，電子束焊機(jī)用高壓電源的要求具體如下：
2.1技術(shù)要求
電子束焊機(jī)用高壓電源的技術(shù)要求由于在國內(nèi)外還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)一些廠商提出的技術(shù)要求主要為紋波系數(shù)和穩(wěn)定度，紋波系數(shù)要求小于1％，穩(wěn)定度為±1％，幾乎所有的電子束焊機(jī)制造商都提出這樣要求。其中德國PTR公司還提出了中壓型的技術(shù)要求，它要求相對紋波系數(shù)小于0.5％，穩(wěn)定度為±0.5％，同時還提出了重復(fù)性要求小于0.5％。以上要求均根據(jù)電子束斑和焊接工藝所決定。
2.2性能要求
電子束焊機(jī)用高壓電源在操作時必須與有關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行連鎖保護(hù)，主要有真空連鎖、陰極連鎖、閘閥連鎖、聚焦連鎖等，以確保設(shè)備和人身安全。高壓電源必須符合EMC標(biāo)準(zhǔn)，具有軟起動功能，防止突然合閘對電源的沖擊。
2.3其它要求
較高的可靠性，屬戶內(nèi)設(shè)備，要求連續(xù)工作，外觀滿足工業(yè)設(shè)備要求，維修方便等。
3高壓電源的工作原理和主電路
高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過流抑制電路進(jìn)入高壓升壓整流變壓器的一次，二次升壓到100kV左右。此交流高壓再經(jīng)12相整流濾波獲得160kV左右的直流高壓，加到高壓真空電子管和電子槍上，其中高壓電子管在工作時承受的電壓為40kV，這樣加在電子槍上的高壓為120kV。高壓真空電子管是用來調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出的。根據(jù)圖1設(shè)計(jì)的高壓電源的主電路原理圖見圖2，由圖2知本電源為典型的串聯(lián)型直接在高壓側(cè)調(diào)節(jié)的高壓直流穩(wěn)壓電源，其主電路主要由過流抑制電路、高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過壓、過流保護(hù)電路、高壓真空電子管調(diào)節(jié)電路等組成。高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過壓、過流保護(hù)電路都放在油箱內(nèi)，油箱內(nèi)充滿變壓器油，保證電源本體在工作時的絕緣和散熱需要。由于高壓電源需連續(xù)工作，為確保工作時的熱量能及時散出，油箱內(nèi)部還設(shè)計(jì)了水冷卻系統(tǒng)。
電源各電路的組成和作用如下：過流抑制電路由三相橋式整流電路和扼流電感器組成，如果負(fù)載出現(xiàn)過流或電源由于突然合閘在變壓器內(nèi)引起電磁暫態(tài)過程而出現(xiàn)大電流等現(xiàn)象時，過流抑制電路能有效限制電源內(nèi)部出現(xiàn)過電流，以保護(hù)電源不受損壞。其原理主要是利用電感電流不能突變的特性限制過電流，確保高壓變壓器不損壞。正常時，三相電流平衡，流入過
流抑制電路的電流很小。整流變壓器二次為四線圈分別接成星型和三角型各2組，各組整流后串聯(lián)獲得12相直流脈動電壓，有利于降低諧波電流對電網(wǎng)的污染、減少濾波電容量和減小電源的紋波系數(shù)，提高電源本身性能。整流電路由高壓硅堆和阻容元件組成，阻容電路主要防止高壓硅堆產(chǎn)生的過電壓，保證高壓硅堆不致?lián)p壞。限流電阻和保護(hù)電阻分別用來限制電源內(nèi)部的過電流、過電壓，保證電源的正常工作，要求電阻耐壓水平較高、承受發(fā)熱功率較大。當(dāng)電源外部短路時，保護(hù)電路能在盡可能短的時間內(nèi)動作，使得各有關(guān)元器件不致?lián)p壞。高壓濾波電容器濾除直流輸出中的交流脈動成份，保證加在電子槍和調(diào)整管上的電壓平直。電容芯子直接放置在高壓油箱內(nèi)，能減小電源本體的體積。調(diào)整管為一多極高壓真空電子管，其工作耐壓水平達(dá)160kV，主要有陽極、控制極、第一、二、三陽極等組成，調(diào)整管的陽極接在高壓整流器的正極，調(diào)整管陰極通過束流取樣電阻連接到大地。調(diào)整管能在控制電路的作用下自動調(diào)節(jié)和穩(wěn)定高壓輸出。高壓調(diào)整管由于工作電壓高，在工作時會產(chǎn)生大量的熱量，為此設(shè)計(jì)了特殊的散熱裝置，即把整個調(diào)整管放在一裝絕緣油的油箱中，以確保冷卻和絕緣需要，油箱內(nèi)部還裝有專用散熱的水冷系統(tǒng)，以保證調(diào)整管能長期可靠工作。調(diào)整管的輔助電源很多，考慮到散熱和布局需要也放在油箱內(nèi)。調(diào)整管的調(diào)節(jié)原理是其陰極由于加熱而發(fā)射電子。電子在陽極高壓的加速下，分別到達(dá)第二陽極和陽極，如果第二陽極的電壓很高，受加速的電子就會全部到達(dá)第二陽極，此時電子管處于高阻狀態(tài)，電源上的電壓全加在調(diào)整管上。只要調(diào)節(jié)第二陽極電壓的大小，調(diào)整管上的電壓也得以調(diào)節(jié)，這樣加在電子槍上的高壓也得以調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)對高壓輸出的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。
4電源的控制電路
電源的控制電路如圖3所示，由圖3知，控制電路由反饋信號隔離電路、PI給定調(diào)節(jié)電路、自動重加高壓電路、功率放大電路及其附屬電路等組成，各電路的組成及工作原理如下：
4.1反饋電路
反饋電路由高壓電阻分壓器、信號隔離電路、過壓過流抑制元件等組成。高壓電阻分壓器由2路相互獨(dú)立的精密金屬膜電阻制成，1路用來測量高壓，1路提供反饋信號給控制電路用以控制和調(diào)節(jié)高壓。高壓電阻分壓器放置在由有機(jī)玻璃制成的支架上，考慮到絕緣和散熱的需要將其放在高壓油箱里，以保證電源工作時電阻值的穩(wěn)定，最終保證取樣信號的穩(wěn)定。高壓電源在工作時，由于電子槍放電或外部其它原因，電源內(nèi)部會產(chǎn)生過電壓，為防止過電壓竄入控制電路損壞低壓電子元器件，在取樣電阻兩端并聯(lián)高壓放電管、壓敏電阻及電容吸收電路，同時取樣電阻都放在電磁屏蔽盒里，能有效地防止各種電磁干擾信號進(jìn)入控制電路。高壓分壓器的取樣信號在進(jìn)入控制電路以前還設(shè)置了信號隔離電路使得反饋信號與控制電路相互隔離，并同時轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電平信號給控制電路，以上措施確保了控制電路中的反饋信號的準(zhǔn)確性。
圖3高壓電源控制電路電原理圖
4.2PI調(diào)節(jié)電路
PI調(diào)節(jié)電路[4]由運(yùn)算放大器及外接電阻、電容元件組成，它把給定信號與反饋信號進(jìn)行比較，其差值經(jīng)放大后給預(yù)放大管，以控制放大管的輸出。在PI調(diào)節(jié)電路中還設(shè)置了調(diào)試給定電路，其目的是為了高壓電源調(diào)試用。在試驗(yàn)時，給定信號由Rtest供給，調(diào)節(jié)Rp的值，高壓輸出即可由零到額定值調(diào)節(jié)，有利于焊接工藝試驗(yàn)和高壓電源的參數(shù)調(diào)整。
4.3自動重加高壓電路
自動重加高壓電路的原理是利用三極管的控制原理來實(shí)現(xiàn)對高壓的快速截止和導(dǎo)通。它由運(yùn)算放大器和三極管等電路組成。它的工作原理是當(dāng)反饋信號超過給定信號時，比例放大器IC2的輸出為高電平，V4導(dǎo)通，IC3輸出低電平，V3導(dǎo)通，V2截止，封鎖PI調(diào)節(jié)器的輸出，從而關(guān)斷高壓調(diào)整管以切斷高壓。反之，當(dāng)反饋信號小于給定時IC2輸出低電平，V4截止，IC3輸出高電平，V3截止，PI調(diào)節(jié)器正常工作，由于三極管從導(dǎo)通到截止，恢復(fù)時間很快，因此加在電子槍上高壓在控制電路的作用下很快恢復(fù)正常工作狀態(tài)而不停機(jī)，確保電子束焊機(jī)能夠正常生產(chǎn)。
4.4功率放大電路
功率放大電路由前級預(yù)放管VL33和功率放大管VL32組成，工作過程是V2在負(fù)電源的作用下，由PI調(diào)節(jié)器輸入的調(diào)節(jié)量經(jīng)V2放大后送到真空管VL33的控制極，陽極接到輔助電源的正極，陰極接地，控制極電壓越高（負(fù)），VL33的陽極對地電壓越高，高壓調(diào)整管VL32的陽極電壓越高，電子槍上的電壓越低，相反時控制電路按以上相反的過程調(diào)節(jié)電子槍上的高壓，最終實(shí)現(xiàn)電子槍上高壓的穩(wěn)定。
5高壓電源的技術(shù)指標(biāo)
高壓電源應(yīng)用到雙金屬鋸帶焊接生產(chǎn)線時，工作穩(wěn)定，通過對電源技術(shù)指標(biāo)的測量，具體參數(shù)如下：
額定加速電壓：120kV，紋波系數(shù)<1％，穩(wěn)定度<1％；
額定電子束流：50mA，紋波系數(shù)<1％，穩(wěn)定度<1％。
電源在電子槍內(nèi)打火時，高壓電源能快速恢復(fù)而不停機(jī)。
6結(jié)語
在高壓側(cè)由高壓真空管調(diào)節(jié)高壓直流電源的輸出，其輸出特性好，紋波系數(shù)小，穩(wěn)定度高。由于調(diào)整管隔離濾波電容器，電源在過壓保護(hù)停機(jī)時，電容器上的能量不會泄放到工件上而導(dǎo)致工件的損壞。經(jīng)在雙金屬鋸帶生產(chǎn)線上的實(shí)際運(yùn)行，電源的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足生產(chǎn)線的工藝要求。
參考文獻(xiàn)
1葉漢民.手用雙金屬鋸帶的市場開發(fā)前景.適用技術(shù)市場,1996(6):40～43
2葉漢民.電子束焊機(jī)用的一種高性能高壓電源.電工技術(shù)雜志,2000(1):48～50
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