电子束焊机高压直流电源设计

0 引言

    电子束焊机高压电源主要用于为电子枪提供加速电压。其性能的好坏直接决定着电子束焊接工艺和焊接质量。为此，许多电子束焊机制造商及研究机构均对高压电源的可靠性、高压保护以及高压打火对焊件的影响进行了研究，并相应制造出具有较高性能的高压电源，以满足不同的电子束焊机的需要。由于双金属焊接要求平行焊缝，故要使用高压电子束焊机(100 kV以上)。为此，本文介绍了电子束焊机用高压电源的控制方式、保护技术与其它类高压电源的不同之处。

1 电子束焊机高压电源的技术要求

　　电子束焊机用高压电源与其它类型的高压电源相比，具有不同的技术特性。

1.1 技术要求

　　电子束焊机用高压电源的技术要求主要是纹波系数和稳定度，纹波系数要求小于1％，稳定度为±1％。德国PTR公司还提出了中压型的技术要求，这种标准要求相对纹波系数应小于0.5％，稳定度为±0.5％，同时还提出了重复性要求要小于0.5％。以上要求都是根据电子束斑和焊接工艺所决定。

1.2 性能要求

　　电子束焊机用高压电源在操作时必须与有关系统进行连锁保护。这些连锁主要有真空连锁、阴极连锁、闸阀连锁、聚焦连锁等，可用以确保设备和人身安全。另外，高压电源还必须符合EMC标准，并应具有软起动功能，以防止突然合闸对电源的冲击。

　　该系统包含多种给水控制方式。这些控制方式可使机组在不同的负荷阶段以及不同的给水控制对象情况下，能够实现给水的连续控制，并对一些主要干扰因素起调节作用，进而保证即使发生某些故障仍能自动调节。

　　在高压电源系统中，电网电压经过流抑制电路进入高压升压整流变压器的一次和二次侧并升压到100 kV左右。此交流高压再经12相整流滤波后获得160 kV左右的直流高压，加到高压真空电子管和电子枪上。其中高压电子管在工作时承受的电压为40 kV，这样，加在电子枪上的高压为120 kV。高压真空电子管是用来调节和稳定高压输出的。图2所示是根据图1设计的高压电源的主电路原理图。由图2可知，本电源为典型的串联型，是一种可直接在高压侧进行调节的高压直流稳压电源。其主电路主要由过流抑制电路、高压升压整流变压器、高压整流电路、高压滤波及阻容和过压、过流保护电路、高压真空电子管调节电路等组成。本设计将高压升压整流变压器、高压整流电路、高压滤波及阻容和过压、过流保护电路都放在油箱内，油箱内充满变压器油，这样可保证电源本体在工作时的绝缘和散热需要。南于高压电源需连续工作，为确保工作时的热量能及时散出，该油箱内部还设计了水冷却系统。

　　本高压电源中的过流抑制电路由三相桥式整流电路和扼流电感器组成，该方式可有效拟制负载出现过流或电源由于突然合闸在变压器内引起电磁暂态过程而出现的大电流和过电流，以保护电源不受损坏。其原理主要是利用电感电流不能突变的特性限制过电流，从而确保高压变压器不损坏。正常时，三相电流平衡，流入过流抑制电路的电流很小。整流变压器二次的四线圈分别接成星型和三角型各2组，各组整流后再串联可获得12相直流脉动电压，这样，有利于降低谐波电流对电网的污染、减少滤波电容量和减小电源的纹波系数，提高电源本身性能。整流电路由高压硅堆和阻容元件组成，主要防止高压硅堆产生的过电压，保证高压硅堆不致损坏。限流电阻和保护电阻分别用来限制电源内部的过电流、过电压，保证电源的正常工作，但要求电阻耐压水平要高、承受发热功率要大。当电源外部短路时，保护电路能在尽可能短的时问内动作，以保证各有关元器件不致损坏。高压滤波电容器可滤除直流输出中的交流脉动成份，保证加在电子枪和调整管上的电压平直。电容芯子直接放置在高压油箱内，能减小电源本体的体积。电路中的调整管为一多极高压真空电子管，其工作耐压达160kV，主要由阳极、控制极、第一、二、三阳极等组成，调整管的阳极接在高压整流器的正极，调整管阴极则通过束流取样电阻接地。调整管能在控制电路的作用下自动调节和稳定高压输出。高压调整管由于工作电压高而在工作时会产生大量的热量，本文为此设计了特殊的散热装置，即把整个调整管放在一装绝缘油的油箱中，来确保冷却和绝缘需要。油箱内部还装有专用散热的水冷系统，以保证调整管能长期可靠工作。调整管的辅助电源很多，考虑到散热和布局需要，也将其放在油箱内。调整管的调节原理是其阴极由于加热而发射电子。电子在阳极高压的加速下，分别到达第二阳极和阳极，如果第二阳极的电压很高，受加速的电子就会全部到达第二阳极，此时电子管处于高阻状态，电源上的电压将全部加在调整管上。因此，只要调节第二阳极的电压大小，调整管上的电压也会得以调节，这样，加在电子枪上的高压也得以调节，最终实现对高压输出的稳定调节。

    该电源控制电路中，电路由反馈信号隔离电路、PI给定调节电路、自动重加高压电路、功率放大电路及附属电路组成。

2.1 反馈电路

　　本系统中的反馈电路由高压电阻分压器、信号隔离电路、过压过流抑制元件等组成。高压电阻分压器由两路相互独立的精密金属膜电阻构成，一路用来测量高压，另一路提供反馈信号给控制电路以控制和调节高压。高压电阻分压器放置在有机玻璃制成的支架上。考虑到绝缘和散热的需要也将其放在高压油箱里，以保证电源工作时电阻值的稳定，最终保证取样信号的稳定。

　　高压电源在工作时，由于电子枪放电或外部其它原因，电源内部会产生过电压。为防止过电压窜入控制电路损坏低压电子元器件，应在取样电阻两端并联高压放电管和压敏电阻及电容吸收电路，同时将取样电阻都放在电磁屏蔽盒里，这样能有效防止各种电磁干扰信号进入控制电路。高压分压器的取样信号在进入控制电路以前，还应设置信号隔离电路以使得反馈信号与控制电路相互隔离，并同时转化为标准电平信号给控制电路。以上措施可确保控制电路中的反馈信号的准确性。

2.2 自动重加高压电路

　　自动重加高压电路主要利用三极管的控制原理来实现对高压的快速截止和导通。它由运算放大器和三极管等电路组成。它的工作原理是。

　　当反馈信号超过给定信号时，使比例放大器IC2的输出为高电平，V4导通，IC3输出低电平，V3导通，V2截止，以封锁PI调节器的输出，从而关断高压调整管以切断高压。反之，当反馈信号小于给定时，IC2输出低电平，V4截止，IC3输出高电平，V3截止。PI调节器正常工作。由于三极管从导通到截止的恢复时间很快，因此加在电子枪上的高压在控制电路的作用下可很快恢复正常而不停机，从而确保了电子束焊机的正常工作。

2.3 功率放大电路

　　功率放大电路由前级预放管VL33和功率放大管VL32组成，工作过程是在V2处于负电源工作时，将PI调节器输入的调节量经V2放大后送到真空管VL33的控制极，并将V2阳极接到辅助电源的正极，阴极接地，这样，控制极电压越高(负)，VL33的阳极对地电压就越高，而高压调整管VL32的阳极电压越高，电子枪上的电压就越低。相反，控制电路也可以按以上相反的过程调节电子枪上的高压，最终实现电子枪上高压的稳定。

3 高压电源的技术指标

　　该高压电源在焊接生产线上的工作十分稳定。该电源的实测具体性能指标参数如下：

　　◇额定加速电压：120 kV；

　　◇纹波系数<1％；

　　◇稳定度<1％；

　　◇额定电子束流：50mA；

　　◇纹波系数<1％；

　　◇稳定度<1％。

　　电源在电子枪内打火时，高压电源能快速恢复而不停机。

4 结束语

　　该设计在高压侧由高压真空管来调节高压直流电源的输出，因而具有输出特性好，纹波系数小，稳定度高等优点。由于调整管隔离了滤波电容器，因此，该电源在过压保护停机时，电容器上的能量不会泄放到工件上而导致工件的损坏。目前，该电源经生产线上的实际运行证明：各项技术指标均满足生产线的工艺要求。