專利名稱：脈寬調(diào)制電火花加工脈沖電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于機(jī)械領(lǐng)域電火花加工的脈沖電源。
目前電火花加工所使用的脈沖電源多采用工頻變壓器將380V電壓變壓后整流濾波成80～100V左右的直流電壓，加工時靠脈沖發(fā)生器的脈沖經(jīng)電流放大后驅(qū)動功率晶體管按一定脈寬脈間開通和斷開使放電間隙GAP上加上脈沖電壓。當(dāng)間隙被擊穿即可流過脈沖電流i，實現(xiàn)電火花加工，這一系統(tǒng)存在以下幾個問題，①系統(tǒng)中的工頻變壓器體積大、效率低;②放電主回路中由于用電阻R來限制電流，一方面防止過流燒壞晶體管，另一方面可以按工藝參數(shù)要求設(shè)定加工電流的大小。但正是由于這一電阻的存在，使得系統(tǒng)多消耗許多電能，因為當(dāng)主回路流過的電流為i時，一般放電時間隙維持電壓為20V左右，消耗在放電間隙用于加工的能量為PGAP＝20·i(W)而消耗在電阻上的能量為PR＝(U-20)·i(W)因為U＝(80～100V)所以PR＝(60～80)·i(W)消耗的總能量P＝(80～100)·i(W)由此可見真正用于加工的能量只占總消耗能量的20～25%，而其余75～80%的能量被白白消耗在限流電阻R上變成焦?fàn)枱岫速M掉，而且還要為此加一組強(qiáng)行冷卻用的風(fēng)扇來吹去這部分熱量，又要增加幾十瓦到上百瓦的能量。考慮到變壓器的銅損、鐵損、整機(jī)電能利用率將低于20%。因此從節(jié)約能源和節(jié)省銅、鋼等金屬資源來看，這一系統(tǒng)存在嚴(yán)重問題。
本發(fā)明的目的是采用新的原理和技術(shù)方案設(shè)計出一種新型、高效、節(jié)能型的電火花加工脈沖電源，以提高加工時能源的利用率，最大限度降低無用的功率消耗，同時節(jié)省制造成本，降低材料(包括鋼材、銅材)消耗、大大縮小裝置的體積，更易于實現(xiàn)機(jī)電一體化設(shè)計。
本發(fā)明脈寬調(diào)制電火花加工脈沖電源，包括一個全波整流電路1，將工頻交流電壓u;變換成直流電壓u1;一個脈沖寬度可調(diào)的脈沖調(diào)制電路2，將整流電路1輸出的直流電壓u1調(diào)制成頻率為50-100KHZ且脈寬可調(diào)的脈沖電壓，本發(fā)明的要點在于包括一個包絡(luò)脈沖發(fā)生器3，該脈沖發(fā)生器3產(chǎn)生一個脈寬為20-2000微秒的包絡(luò)脈沖電壓u3，u3做為調(diào)制信號耦合到2的調(diào)制極，使2輸出一個其包絡(luò)按u3變化的高頻脈沖電壓，該電壓經(jīng)開關(guān)功率放大器4進(jìn)行功率放大后經(jīng)高頻脈沖變壓器5變換成一個幅值為80-100V的脈沖電壓u5;一個由二極管D1，D2和電感L1組成的限流續(xù)流電路，u5經(jīng)限流續(xù)流電路加到加工間隙7上形成放電回路，一個電流傳感器6串接在放電回路中，由傳感器6取出反映加工電流大小的電壓反饋信號加到脈寬調(diào)制電路2的控制極，作為脈寬調(diào)整的控制信號以達(dá)到穩(wěn)定加工脈沖電流的目的。
本發(fā)明的另一種形式是當(dāng)用于精加工時將高頻脈沖變壓器5的副邊接成穩(wěn)壓電路的形式，由L2和C2組成低通濾波器，由限流電阻R2，功率放大器和放電間隙7組成放電回路;一個納秒級精加工脈沖發(fā)生器9產(chǎn)生一個周期為50-10000納秒的脈沖電壓，該電壓耦合到功率放大器8的控制輸入端，由R1和W1組成的分壓電路，由該電路取出的反饋電壓耦合到脈寬調(diào)制電路2的控制極作為脈寬調(diào)整的控制信號。
本發(fā)明省去了工頻變壓器，采用將交流電直接整流濾波變成直流。然后以50-100KHZ的頻率進(jìn)行脈寬調(diào)制變換。電能經(jīng)高頻功率VMOS晶體管(或其他高頻功率開關(guān)器件)將直流變換成高頻脈沖通過高頻變壓器變送到副邊，由于頻率極高，且采用高導(dǎo)磁材料做磁芯，所以變壓器的體積很小，轉(zhuǎn)換效率很高。在粗中加工時，系統(tǒng)采用穩(wěn)流反饋方式進(jìn)行電流反饋。在這種方式下系統(tǒng)的工作原理如下所述，脈沖電壓由脈沖變壓器副邊的正端經(jīng)二極管D1、電感L1和放電間隙7、傳感器6和高頻變壓器副邊形成加工主回路，脈沖電壓加到間隙后，當(dāng)間隙大小合適時，間隙中的工作液介質(zhì)被擊穿產(chǎn)生放電，間隙電壓u7由高電壓降至20V左右，間隙中有電流流過，由于這一電流是高頻(50K～100KH2)，L1使有足夠的感抗阻止高頻電流的迅速變化，當(dāng)變壓器有脈沖傳來時電流緩慢上升，電流經(jīng)D1、L1及放電間隙7和6構(gòu)成放電回路。當(dāng)副邊處于脈沖停歇時L1中儲存的能量經(jīng)L1、7、6和D2構(gòu)成二次泄放回路產(chǎn)生i，其作用有兩個，一是進(jìn)一步增加節(jié)能效果，二是阻止放電電流的突然降低。6是檢測電流大小的傳感器電阻如霍爾效應(yīng)式電流傳感器。通過6將放電電流信號檢測出來，并送至PWM控制器的電流調(diào)整端用以調(diào)節(jié)高頻脈沖的寬度大小來控制放電電流維持在設(shè)定值的水平上，達(dá)到控制加工峰值電流的目的。同時S1檢出的電流信號還用于控制PWM，當(dāng)加工回路短路等過流時的過流保護(hù)。加工脈沖的脈寬、脈間由包絡(luò)脈沖發(fā)生器來產(chǎn)生，并以此來控制PWM控制器的工作與停歇，達(dá)到產(chǎn)生分組包絡(luò)脈沖的效果，即包絡(luò)脈沖控制的PWM技術(shù)。這樣就可以有效地控制加工參數(shù)、實現(xiàn)對不同工藝參數(shù)要求加工的需要。由

圖1可見整個回路中沒有限流電阻。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行精加工或光整加工時繼電器將觸點切換到另一端，系統(tǒng)的簡化原理圖如圖2所示。此時高頻變壓器副邊一端接成穩(wěn)壓形式，即在C2兩端的是經(jīng)過PWM穩(wěn)壓的直流電壓。此時放電主回路主要由放電間隙、限流電阻R2和高速功率VMOS管構(gòu)成，加到放電間隙上的是由納秒級精加工脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的50～10000納秒的脈沖經(jīng)功率放大器功率放大得到的脈沖電壓，因此可以很好地滿足精加工和光整加工的要求，這里雖然使用了限流電阻R2，但精加工時本來能量就很小不會產(chǎn)生太大的浪費，而且精加工時主要以達(dá)到精加工規(guī)準(zhǔn)的工藝指標(biāo)為目的，采用這樣的回路，可以很容易得到和控制微小的放電脈沖能量。這里也是采用PWM技術(shù)實現(xiàn)由交流到直流的變換、省去了工頻變壓器。
采用PWM和感抗限流技術(shù)可以去掉回路中的限流電阻和功率開關(guān)元件以及體積龐大的工頻變壓器，因此可以得到幾個方面的綜合節(jié)約，①可節(jié)省40～70%左右的電能消耗，減小發(fā)熱;②節(jié)省銅材、鋼材等降低原材料消耗;③去掉眾多功率晶體管及驅(qū)動線路限流電阻等元器件，大大簡化了線路。因此從整體上說可以大大縮小尺寸，降低成本、減少能耗，如能全面推廣其綜合社會效益和經(jīng)濟(jì)效益將是極為可觀的。本發(fā)明可以應(yīng)用于電火花加工脈沖電源，線切割脈沖電源，小功率電解加工電源、電鍍電源等。若全國電加工機(jī)床均采用此項發(fā)明，則每年僅節(jié)電一項即可達(dá)1.08億千瓦時，而且可節(jié)省大量銅、鋼等金屬。
圖1為本發(fā)明用于粗加工時的電原理2為本發(fā)明用于精加工時的電原理3為本發(fā)明的電壓波形示意圖實施例本發(fā)明的一個實例是，采用TL494作為PWM脈沖調(diào)寬控制器，采用NE555作為包絡(luò)脈沖發(fā)生器，納秒級精加工脈沖發(fā)生器采用隧道二極管或晶振組成的高頻振蕩器進(jìn)行整形成為脈沖發(fā)生器，功率晶體管采用VDMOSFET。
權(quán)利要求
1.一種脈寬調(diào)制電火花加工脈沖電源，包括一個全波整流電路[1]，將工頻交流電壓u1變換成直流電壓u1；一個脈沖寬度可調(diào)的脈沖調(diào)制電路[2]，將整流電路[1]輸出的直流電壓u1調(diào)制成頻率為50-100千赫茲且脈寬可調(diào)的脈沖電壓，本發(fā)明特征在于包括一個包絡(luò)脈沖發(fā)生器[3]，該脈沖發(fā)生器[3]產(chǎn)生一個脈寬為20-2000微秒的包絡(luò)脈沖電壓u3，u3做為調(diào)制信號耦合到[2]的調(diào)制極，使[2]輸出一個其包絡(luò)按u3變化的高頻脈沖電壓，該電壓經(jīng)開關(guān)功率放大器[4]進(jìn)行功率放大后經(jīng)高頻脈沖變壓器[5]變換成一個幅值為80-100伏的脈沖電壓u5，一個由二極管D1、D2和電感L1組成的限流和續(xù)流電路，u5經(jīng)上述限流和續(xù)流電路加到加工間隙[7]形成放電回路，一個電流傳感器[6]串接在放電回路中，由傳感器[1]取出反映加工電流大小的電壓信號反饋到脈寬調(diào)制電路[2]的控制極，作為脈寬調(diào)整的控制信號以達(dá)到穩(wěn)定加工脈沖電流的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖電源，當(dāng)用于精加工時其特征在于其功率變換電路的高頻脈沖變壓器[5]的副邊接成穩(wěn)壓電路的形式，由L2和C2組成低通濾波器，由限流電阻R2、脈沖功率放大器[8]和放電間隙[7]組成放電回路;一個納秒級精加工脈沖發(fā)生器[9]產(chǎn)生一個周期為50-10000納秒的脈沖電壓，該電壓耦合到功率放大器[8]的控制輸入端，經(jīng)功率晶體管產(chǎn)生微小能量精加工脈沖，由R1和W1組成的分壓電路，由該電路取出的反饋電壓耦合到脈寬調(diào)制電路[2]的控制極作為脈寬調(diào)整的控制信號。
全文摘要
本發(fā)明采用包絡(luò)脈沖控制PWM技術(shù)，去掉了電火花脈沖電源中傳統(tǒng)的工頻變壓器，可直接產(chǎn)生出加工用的包絡(luò)式脈沖，在高頻變壓器的副邊有兩種形式的主回路。粗加工時在主回路中串入電感限制高頻電流及續(xù)流二極管二次續(xù)流節(jié)能使電流平滑，節(jié)省了消耗在限流電阻上的電能。利用電流傳感器信號反饋給PWM控制器調(diào)節(jié)加工電流。在精加工時將高頻變壓器副邊接成穩(wěn)壓式，提供穩(wěn)定的直流電壓，配合納秒級精加工功放電路構(gòu)成放電主回路。
文檔編號B23H1/02GK1092345SQ9310287
公開日1994年9月21日 申請日期1993年3月17日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月17日
發(fā)明者趙萬生, 王致良, 梁海濤, 劉晉春, 何永輝 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)