專利名稱：用于電切削的直流電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電切削技術(shù)范疇，尤其涉及一種用于電切削的直流電源裝置。
背景技術(shù)：
電切削技術(shù)是指在一定比例帶壓力水氣混合物工作介質(zhì)的作用下，利用兩個電極之間產(chǎn)生的特殊高能量短電弧放電群組來蝕除金屬或非金屬導(dǎo)電材料的一種切削方法，它屬于特種加工行業(yè)電加工技術(shù)范疇，該技術(shù)經(jīng)濟有效地解決了新型特種導(dǎo)電材料如金屬陶瓷等特硬、超強、高韌性、高紅硬性、高 耐磨性、嚴重冷作硬化材料的加工難題，主要用來切削硬度大于HRC45的導(dǎo)電材料的外圓、內(nèi)圓、平面、切割、大螺距、小孔、開坡口及其它異型、成型加工，形成了電加工技術(shù)的跨越式發(fā)展，是我國特種加工(機床)行業(yè)的一次重大進步和突破。由于其加工工藝可與傳統(tǒng)機械加工工藝有效結(jié)合，因此其工藝適用范圍及高效實用性更加明顯，它是對傳統(tǒng)機械加工工藝的發(fā)展和補充。電切削技術(shù)的核心是直流電源，以工件為陽極，電切削刀盤為陰極，兩極之間以一定比例帶壓力水氣混合物為工作介質(zhì)，兩極接通直流電源，開機則兩個電極之間產(chǎn)生特殊的高能量短電弧放電群組，放電電流高達600(Tl0000安培，作為陽極的工件便被連續(xù)剝蝕切除，并伴隨有爆鳴聲響。該直流電源要求能長時間連續(xù)的產(chǎn)生600(Γ10000安培的直流電，不能停機；由于負載會突變，要耐沖擊電流；為維持精確的切削尺寸及表面粗糙度，要求電流精確恒定，且連續(xù)可調(diào)。由于電切削對直流電源要求高且苛刻，固態(tài)電子器件及其控制電路無論是容量、耐用、穩(wěn)定性等都不適用做電切削電源，故目前電切削電源都是特種變壓器加繼電控制電路，方能勉強適用于電切削應(yīng)用。但問題和缺點明顯硅鋼及銅排制作的特種變壓器體積龐大、重量過重；繼電控制電路不穩(wěn)定，只能分段控制，不能連續(xù)調(diào)整電流及穩(wěn)定電流，導(dǎo)致切削量無法精確控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于電切削的直流電源裝置，它不但體積小、重量輕，而且切削精度大幅提高。本發(fā)明的用于電切削的直流電源裝置，其特征是由主電路、DSP控制電路和檢測保護電路組成，主電路為全橋電路，用于將交流電變換為供應(yīng)負載的直流電；檢測保護電路用于完成對主電路的直流側(cè)的電壓和電流的檢測和故障檢測，以供DSP控制電路對這些信號進行相應(yīng)的處理。主電路由輸入整流濾波部分、逆變器部分和輸出整流濾波部分構(gòu)成；逆變器部分在DSP控制電路的作用下將輸入整流濾波電路產(chǎn)生的直流電變換成交流方波；并經(jīng)輸出整流濾波部分整流和濾波后，變?yōu)橹绷麟妷狠敵?。逆變器部分包括所述全橋電路中的功率電子開關(guān)IGBT和防止該IGBT在關(guān)斷時損壞的阻容吸收保護電路。
所述DSP控制電路的控制核心為TMS320LF2407A。本發(fā)明由于采用固態(tài)電子電路，整個裝置顯得輕小靈便，并由于控制電路的作用，切削量可精確控制。


圖1是本發(fā)明的用于電切削的直流電源裝置的功能框圖。圖2是本發(fā)明的用于電切削的逆變直流電源裝置的主電路的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。參看圖f圖2，本發(fā)明的技術(shù)方案為電切削專用DSP控制的IGBT逆變直流電源，由主電路1、DSP控制電路2和檢測保護電路3三部分組成，三相380v的交流電變換為供應(yīng)負載的直流電，其技術(shù)指標輸出電流4000 10000ADC ;空載電壓20 48VDC，逆變頻率8 20KHZ。檢測保護電路3主要完成對直流側(cè)和負載側(cè)的電壓和電流的檢測和故障檢測，以供DSP控制電路2對這些信號進行相應(yīng)的處理。其中，對直流側(cè)的電流檢測與電壓檢測是為系統(tǒng)的保護電路提供必要的信號，當(dāng)產(chǎn)生過流或過壓時，保護電路產(chǎn)生的保護信號經(jīng)過DSP的處理后，發(fā)出相應(yīng)的控制信號，從而保護了直流電源。故障檢測為電源的輔助保護檢測，如各部件過熱、風(fēng)扇相續(xù)等。DSP控制電路2以TMS320LF2407A為控制核心，少量外圍電路為輔助，主要實現(xiàn)驅(qū)動信號的產(chǎn)生，檢測信號的處理，保護信號的輸出，與外界的通訊以及人機界面等功能。主電路I的拓撲結(jié)構(gòu)為IGBT全橋式逆變主電路，分為輸入整流濾波部分、逆變器部分和輸出整流濾波三個部分。輸入整流濾波部分，電網(wǎng)輸入50HZ，380VAC交流電，經(jīng)大功率整流二極管整流，為逆變器提供直流電壓，具體由濾波電容、整流二極管和限流電阻R組成。Cl，C3為濾波電容，其目的是減小整流輸出后母線直流電的交流分量。C=(3 5)T*PIN/Ud2，其中，T為整流輸出直流電壓的脈動周期1/300秒，PIN為輸入功率W，Ud為電容器平均電壓V，如選用電解電容，由于電容器內(nèi)阻不均，每組電容器需并均壓電阻Rl、R2。由于串聯(lián)等效電阻ESR和串聯(lián)等效電感ESL的存在影響濾波效果，濾波電容還須并上高頻無感無極性電容C2、C4，當(dāng)主電路斷電時，由C2，Rl和C4，R2為Cl，C3提供放電回路。整流二極管，選擇取額定電流1=0. 36911，其中Il為變壓器一次側(cè)電流；耐壓V=I 414*1. l*Ui=l. 414*1. l*380=591v，實際均選 2 倍余量。限流電阻R，電容輸入式整流濾波電路在接通交流電壓時，對電容進行充電，往往會引起較大的浪涌電流，因此會引起一系列可靠性的問題，必須加以抑制。本方案軟啟動設(shè)計分二部分一是輸入電網(wǎng)電壓分段起動，在合閘時，先接入限流電阻R，將合閘浪涌電流限制在設(shè)定范圍之內(nèi)，待輸入電容沖滿電之后，再將該電阻短接；二是逆變器輸入、輸出濾波電容容量較大，若大功率開關(guān)管馬上按照額定負載的脈寬(最大)導(dǎo)通，輸入電容以最大電流放電和輸出電壓的突然建立，將會形成非常大的電容電流，使得功率開關(guān)管的負擔(dān)過重，很有可能在合閘時將開關(guān)管燒壞。對于第二部分軟起動電路通過軟件編程實現(xiàn)，第一部分軟起動電路通過硬件實現(xiàn)。逆變器部分，全橋電路中的功率電子開關(guān)IGBT在以TMS320LF2407A為核心的控制回路的作用下，周期性的開/關(guān)，將輸入整流濾波電路產(chǎn)生的直流電變換成頻率為8 20KHZ的交流方波，之后再經(jīng)中頻變壓器降壓輸出。輸出電壓采用DSP的PWM波進行調(diào)節(jié)，即改變驅(qū)動脈沖的占空比實現(xiàn)。選擇IGBT，這是逆變直流電源的關(guān)鍵核心元件，對它的設(shè)計、選擇直接關(guān)系到整個電源的安全、可靠。因此在計算參數(shù)時應(yīng)留有較大的裕量。額定電壓值的選取為直流母線經(jīng)濾波后直流電壓最大值UM= V 2*1. l*U*a=650v，其中，U為電網(wǎng)電壓有效值380ν，1· I為波動系數(shù)，α為安全系數(shù)取1.1 ；IGBT關(guān)斷時的峰值電壓Us= (UM*1. 15+150) * α =987. 25ν，1. 15為過電壓系數(shù)，150ν為Ldi/dt引起的尖峰電壓，實際選取1200v。 中頻變壓器的一次側(cè)電流I1=I2*N2/N1，全橋電路每只IGBT管上的平均電流為Il的一半，該電流即為IGBT導(dǎo)通時能流過管子的最大持續(xù)電流(結(jié)溫25°C)，即可確定額定電流1C。IGBT阻容吸收保護電路為了防止IGBT在關(guān)斷時損壞，本方案中采用RCD緩沖電路，其組成如圖2中所示VD1、R3、C6，其作用是在IGBT關(guān)斷時負載電流通過VDl向C6分流，減輕IGBT負擔(dān)，抑制du/dt和過電壓。IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計非常重要，直接關(guān)系的系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。根據(jù)驅(qū)動功率和頻率，選擇合適的驅(qū)動器，要滿足下面三點驅(qū)動器能夠輸出所需要的頻率。驅(qū)動器的最大輸出電壓必須等于或者大于最大的門級電壓。驅(qū)動器的最大工作頻率必須等于或者大于開關(guān)管的最大開關(guān)頻率。本方案采用三菱公司的專用混合集成M579系列IGBT驅(qū)動器。輸出整流濾波部分，中頻變壓器輸出的交流方波電壓再經(jīng)VD7，VD8整流和電感濾波后，變?yōu)橹绷麟妷狠敵?。采用全波中心抽頭整流，其優(yōu)點是電壓損失少，使用二極管少，成本低。中頻變壓器中頻變壓器的作用是電壓電流變換、功率傳遞和實現(xiàn)輸入、輸出之間的隔離，由于工作頻率高達20KHZ，因此要求這種變壓器磁芯材料高頻損耗盡可能小，此外更重要的是要求避免磁芯飽和，因此選擇磁通密度時按最惡劣條件來選擇工作磁通密度。原因是磁芯的飽和意味著中頻變壓器的勵磁電流的急劇增加，這顯然會導(dǎo)致與之連接的功率開關(guān)承受極大的電壓、電流而損壞。考慮以上要求，本方案采用鐵基納米晶軟磁材料作變壓器磁芯，其飽和磁通密度BS約為1. 25T。工作磁通B取小于1/3BS，本方案是全橋逆變，所以磁芯中的磁通是交變的，B也是交變的，所以ΛΒ=2Β=0.8Τ。此外變壓器工作在低電壓、大電流的條件下，二次側(cè)繞組電流較大，導(dǎo)線較粗，因而選用E型磁芯，便于繞制。變壓器磁芯選取設(shè)計公式SW*SC=P/(0. 53*F*AB*J*10-2)，Sff磁芯窗口面積CM2，SC磁芯有效截面積CM2，P電源輸出功率W，O. 53為經(jīng)驗系數(shù)，F(xiàn)為逆變工作頻率HZ，J為導(dǎo)線電流密度取3.5A/MM2,整流二極管，因為是高頻整流，所以選擇的是快恢復(fù)二極管，它具有短的反向恢復(fù)時間和小的反向恢復(fù)電流。對于單向全波整流電路，整流二極管額定電流為IN=2*I2，其中，12為電源輸出電流，二極管承受最大反向電壓nN=2*U2，U2為變壓器2次側(cè)電壓幅值。輸出濾波電容可得到平滑的直流電流，設(shè)計公式RL*C> (3 8)T。輸出直流電抗器其作用有兩個，一是濾波和儲能，二是改善電源的動特性，限制短路電流的上升速度和峰值電流，改善電切削性能，防止電源頻繁保護，提供切削精度。本方案設(shè)計時選用線性電抗器，其具有空氣隙較大，在大電流時不飽和特性。采用條形硅鋼片鐵心，其價格低廉。為了滿足輸出電流的連續(xù)，電抗器的電感量L應(yīng)滿足L ^ (U2-U0)*ton/2Imin, L為直流電抗器的電感量H，U2為變壓器2次側(cè)電壓幅值V，UO為電源輸出電壓V，ton為IGBT最大導(dǎo)通時間μ s,Imin為最小電流單位A (Imin彡O. 5 Δ IL) ( Δ IL為電源輸出電流5%)本電源的性能如下；1、本機具有工作/待機。置工作時有輸出電壓電流O—額定值可調(diào)，待機時無輸出。2、本機具有穩(wěn)壓/穩(wěn)流功能。置“穩(wěn)壓”狀態(tài)時，輸出電壓在機器額定電流范圍內(nèi)
不變，電流會根據(jù)負載大小做出相應(yīng)的顯示；置“穩(wěn)流”狀態(tài)時，輸出電流在機器額定電壓范圍內(nèi)不變，電壓會根據(jù)負載大小做出相應(yīng)顯示；具體根據(jù)用戶所需功能置“穩(wěn)壓”或“穩(wěn)流”檔。3、主線路板保護功能全面，具有輸入過壓欠壓保護、缺相保護、輸出短路保護、過熱、輸出過流保護及自動開啟功能，IGBT鎖定保護。當(dāng)電源出現(xiàn)故障保護時，電源報警。過欠壓保護三相輸入電源超過額定的±15%時將進入保護狀態(tài)，同時發(fā)出光報警信號設(shè)備無輸出。缺相保護三相電源有一相無電或三相嚴重不平衡時將進入保護狀態(tài)，同時發(fā)出光報警信號設(shè)備無輸出。過熱保護電源長時間超載等，可能會使內(nèi)部溫度升高至85°C以上，溫度繼電器內(nèi)部常開觸頭閉合，使控制電路保護報警，電源處于保護狀態(tài)，同時發(fā)出光報警信號，此時須降溫后，溫度開關(guān)觸頭斷開自動恢復(fù)正常工作。短路保護控制電路電源出現(xiàn)故障時，內(nèi)部熔絲熔斷，會立即斷開電源由于操作或其他原因造成的主電路短路，會自動切斷電源，使設(shè)備安全。過流保護電流輸出超過額定電流的15%時，(即Iout=IeX 115%)電源會立即報警，進入保護狀態(tài)。4、驅(qū)動線路板具有獨立驅(qū)動，檢測等功能。檢測本單元有故障時鎖定保護本單元，不影響其他單元正常工作，同時該單元指示燈滅。5、輸出靜、動態(tài)性能優(yōu)良。輸出動態(tài)響應(yīng)時間在100微秒以下，因此可獲得極高的穩(wěn)定電壓或穩(wěn)定電流輸出，輸出電壓精度(波動)< ±1%，輸出電流精度(波動)< ±1%。6、極強的抗網(wǎng)壓干擾能力，寬電壓工作范圍可在±20%的網(wǎng)壓波動情況下，保證設(shè)備正常工作。7、先進的啟動、停止和保護功能。先進的軟啟動及軟停止功能,從根本上防止了帶載，停止和短路時的瞬時沖擊，可隨意帶載停、啟。過流、過壓、欠壓、缺相、過熱、輸出短路等多重保護功能，保證了設(shè)備長使用壽命，能高穩(wěn)定進行工作。8、先進的微機遠程數(shù)字化RS485數(shù)字接口控制模式，也可采用微機遠程控制PLC模式。此功能具有以下特點(1)高可靠性經(jīng)過創(chuàng)新設(shè)計，采用超高集成度，超高速的DSP芯片，使用雙單片機系統(tǒng)，使元器件數(shù)字大幅度減少，采用優(yōu)質(zhì)進口器件，控制電路使用獨特技術(shù)，可靠性得到大幅度提高；(2)高穩(wěn)定性系統(tǒng)反應(yīng)速度快,對電網(wǎng)及負載變化具有極強的適應(yīng)性，輸出精度小于1%;(3)參數(shù)自動記憶通過按鍵所設(shè)定的參數(shù)自動記憶，掉電時不丟失。過流、短路、超溫自動保護，有漢字提示功能，故障而定位；(4)自動化程度高，可通過計算機或PLC的RS232 (或RS485)標準接口，對生產(chǎn)線的電源實現(xiàn)自動控制?？傊倦娫吹闹饕攸c是1、效率高，體積小，只有原普通電源的1/4 ;重量輕，只有原普通電源的1/8，這樣方便移動、運輸、操作，使很多場合不能使用電切削技術(shù)的情況成為可行；2、穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度高；3、對電網(wǎng)干擾小，紋波低；4、可靠性高，有多種保護電路；5、操作維護簡單，可遠端控制。
權(quán)利要求
1.一種用于電切削的直流電源裝置，其特征是由主電路、DSP控制電路和檢測保護電路組成，主電路為全橋電路，用于將交流電變換為供應(yīng)負載的直流電；檢測保護電路用于完成對主電路的直流側(cè)的檢測，以供DSP控制電路對檢測信號進行處理。
2.如權(quán)利要求1所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是主電路由輸入整流濾波部分、逆變器部分和輸出整流濾波部分構(gòu)成；逆變器部分在DSP控制電路的作用下將輸入整流濾波電路產(chǎn)生的直流電變換成交流方波；并經(jīng)輸出整流濾波部分整流和濾波后，變?yōu)橹绷麟妷狠敵觥?br> 3.如權(quán)利要求2所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是逆變器部分包括所述全橋電路中的功率電子開關(guān)IGBT和防止該IGBT在關(guān)斷時損壞的阻容吸收保護電路。
4.如權(quán)利要求3所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是所述IGBT的驅(qū)動器屬于混合集成M579系列。
5.如權(quán)利要求1所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是所述DSP控制電路的控制核心為TMS320LF2407A。
6.如權(quán)利要求2所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是輸入整流濾波部分由濾波電容、整流二極管和限流電阻構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是濾波電容為電解電容，該電解電容并有均壓電阻和高頻無感無極性電容。
8.如權(quán)利要求2所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是輸出整流濾波部分采用全波中心抽頭整流，由中頻變壓器、整流二極管、輸出濾波電容和輸出直流電抗器構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求8所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是中頻變壓器的磁芯為鐵基納米晶軟磁材料。
10.如權(quán)利要求8所述的用于電切削的直流電源裝置，其特征是中頻變壓器的磁芯為E型磁芯。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電切削的直流電源裝置，由主電路、DSP控制電路和檢測保護電路組成，主電路為全橋電路，用于將交流電變換為供應(yīng)負載的直流電；檢測保護電路用于完成對主電路的直流側(cè)的檢測，以供DSP控制電路對這些信號進行相應(yīng)的處理。主電路由輸入整流濾波部分、逆變器部分和輸出整流濾波部分構(gòu)成；逆變器部分在DSP控制電路的作用下將輸入整流濾波電路產(chǎn)生的直流電變換成交流方波；并經(jīng)輸出整流濾波部分整流和濾波后，變?yōu)橹绷麟妷狠敵觥Ｄ孀兤鞑糠职ㄋ鋈珮螂娐分械墓β孰娮娱_關(guān)IGBT和防止該IGBT在關(guān)斷時損壞的阻容吸收保護電路。本發(fā)明由于采用固態(tài)電子電路，整個裝置顯得輕小靈便，并由于控制電路的作用，切削量可精確控制。
文檔編號B23H1/02GK103008804SQ20121053568
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者徐宏輝, 高保哲 申請人:上海新維機電工程技術(shù)有限公司, 徐宏輝, 高保哲