（电力电子与电力传动专业论文）分布式电流型电火花加工电源的研究与设计.pdf

一坌查塞! ! 堕型! ! 墨垄塑三! ! 塑塑婴壅皇壁生 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h e d i s a d v a n t a g e so fe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) p o w e r c u r r e n t l yu s e d ，t w o - s t a g ed i s t r i b u t e dc u r r e n t m o d ee d m p o w e r h a v eb e e ni n t r o d u c e d a l s o c i r c u i tt o p o l o g y ，o p e r a t i o np r i n c i p l e ，c o n t r o ls c h e m ea n dp a r a m e t e r sd e s i g no ft h ee d m p o w e r sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l o nt h eo t h e rh a n d t h i sp a p e ri sf o c u s i n go nt h ed e s i g no f d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n d s t a b i l i t y b e t w e e n t w o s t a g e c a s c a d e de d mp o w e r , t h e l a r g e s i g n a l a n d s m a l l - s i g n a l m o d e lf o re d mp o w e r s y s t e m i sd e r i v e d b a s e do u c o m p r e h e n s i v es m a l l - s i g n a l m o d e l a n a l y s i s o ft h e t w o s t a g ec o n v e r t e r , c o n t r o l a n d c o m p e n s a t i o nd e s i g na r ep r e s e n t e dr e s p e c t i v e l y a l s o ，m a t c h i n go ft h et w o s t a g ec a s c a d e d e d mp o w e rs u p p l yi s i n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t h et w o s t a g e c a s c a d e de d mp o w e ri s s i m u l a l e di ns a b e rs i t u a t i o n a le n v i r o n m e n t ，p r e d i c t i o no ft h ea n a l y s i si sv e f i f i e dw e l lb y s i n m l a t i o n a ia n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：c u r r e n ts o u r c e ，e d m ，d p s ，i l ls y s t e mp r o g r a m m a b l e ，c o m p e n s a t o r , s t a b i l i t y i i 分布式i u 流型l u 火花自h - 1 1 1 i u 源的研究与设计 符号说明 以下是本文巾的一些主要数学符号，为了方便查i f ! j ，罗列如下： ，。 m 尺 r 。 u 。 【，。 u 。 u 。 电流采样系数 前级变换器的等效占空比 后级变换器的5 空比 目级变换器的等效最小占空比 a i 级变换器等效丌关频率 后级变换器丌关频率 前级变换器实际丌关频率 流经后级功率管m 的电流 滤波电感平均电流 电感电流的最大值 电感f 巳流的最小值 后级功率管 变压器匝比 负载等效电阻 电源变压器、滤波电感、功率器件和线路等的等效电阻 工件击穿放电电压 输入交流电压 输入交流最高i _ lj - i k 输入交流最低i u 压 最高空载电压 i v 酣 q b q z “ t l 南京航空航天大学硕：t 学位论文 【，。z最低空载电压 u l 前级变换器输出等效方波电压幅值 工件加工电压 锯齿波峰峰值 v 分布式电流型电火花加工电源的研究与设计 代换参数说明 本文中如不另加说明，所有数据均按以下参数取 电流采样系数 前级变换器等效丌关频率 前级变换器变压器原、副边匝比 前级变换器输出电流 负载等效电阻 电源变压器、滤波电感、 功率器件和线路等的等效电阻 工件击穿放电电压 交流输入电压 输入交流电压最大值 输入交流电压最小值 最高空载电压 最低空载电压 工件正常加工电压 锯齿波峰峰值 口= o o l = 8 0 k h z n = 7 ，= 2 0 a r = 1 1 2 q r 。= o 1 q u d = 1 2 0 v u 。= 2 2 0 v u ，= 2 4 0 v u 。m = 1 8 0 v u 。l = 1 4 0 v u 2 = 1 2 0 v u d = 2 4 v = 3 5 v 南京航空航天火学硕士学位论文 第一章绪论 半导体技术的发展带来的一个技术革命，就是使得电气系统的处理速度大幅提 高，而逾来逾高的快速、低能耗要求对电源系统提出了新的挑战，传统的集中式电源 系统已经很难适应这种要求。因此，分布式电源系统应运而生，并成功的应用在很多 场合1 1 1 【2 1 【3 1 1 1 分布式电源系统简介 1 1 1 分布式电源系统的几种典型结构 在集中式电源系统中，全部的能量处理过程由一次变换完成，直接向负载提供所 需电压或电流。而分布式电源系统它是由多个能量处理单元共同来完成功率变换， 电能通过多次变换实现得到。整体上看来，分布式电源系统结构大致可以分为五种： 并联结构、串联结构、源独力结构、负载独力结构和堆叠式结构，如图1 1 所示。 囝怔 ( a ) 串联结构 ( b ) ，f 联结构 ( c )源独力结构 ( d ) 负载独力结构 ( e ) 堆叠式结构 图i1分布式电源的几利t 典型结构 1 ) 、串联结构 通过各功率处理单元的中间线路连接，可以构成图1 1 ( a ) 所示的串联结构分布 式电源系统，它有以下优点： 有利于提高效率：高速逻辑器件的供电电压一再降低，应用在低压大电流场合的 集中式电源系统变换效率明显下降，并且体积较庞大。利用串联结构的分布式电 分布式电流型电火花加工电源的研究与设计 源系统，可以适当抬升中间线路的母线电压来减小电流，从而降低线路损耗，提 高整机效率。 改善抗输入电压波动能力：由于是采用两级或者多级的变换器串联，因此抗输入 电压波动能力明显增强。 2 ) 、并联结构 如图1 1 ( b ) 所示为并联结构的分布式电源系统。当前的很多大电流场合均采 用这种结构。它有以下特点： 简化热设计：由于每一个处理单元承担总功率的一部分，因此相对于每一个模块 的功耗将减小，从而简化热设计。 提高可靠性：相对于集中式电源系统，并联结构虽然增加了功率器件，但是由于 它又同时减少了半导体器件的电气和热应力，总体看来。系统的可靠性还是提高 了。另外在高可靠性要求场合。通过冗余设计可以提高可靠性。 可维护性好：通过一些简单的设计，使得每一个模块单元可以在线热插拔便于 在线维护。 缩小体积：模块化的设计可以让每一个小功率单元工作在更高频状态下，从而减 小整机的体积。 3 ) 、源独力结构 有些应用场合需要采用多个独力的电源来向同一负载提供能量供应，这就是一种 典型的源独力结构，如图1 1 ( c ) 所示。这利一结构主要应用在以下几个方面： 后备电池组：很多重要系统都要求不间断供电，最常用的方法就是采用后备电池 组，在线路断电时对系统提供临时逆变电源。 独力相位场合：在一些场合可以通过冗余设计来增加一组独力运作的电源变换装 置，来提供一相备用。 4 ) 、负载独力结构 这种结构通常用在负载为多种且特性不同的场合。如图1 1 ( d ) 所示，它是对应 不同的负载特性来设计不同的变换器，有以下优点： 负载为多利嗬性：在航天、大型计算机等大规模系统中，负载特性各异并且十分 复杂运用这种结构可以有针对性满足负载需求。 调节能力强：由于负载特性复杂，传统的集中式电源的输出阻抗不可能很小，这 样以来调节能力不会很好，而对于分布式电源而言，这种情况将会大大改善。 噪声解耦：通过对负载和变换器之间引入滤波器，负载独力结构可以尽量减小噪 声干扰。 5 ) 、堆叠式结构 通过一些不同的连接方式可以构成分佰式电源的堆叠式结构，图1 1 ( e ) 为堆叠 式结构的一种。这种结构多用于非标准输出情况下可以利用标准的电源模块的一些 组合方式实现。 2 塑室塑窒堕丕奎堂堡主堂堡堡塞 1 1 2 、直流和交流母线的分布式电源系统 前面已经介绍了分布式电源系统的几种典型结构，实际应用中的电源往往是这些 结构的一些组合。但无论是哪种形式如果从中问母线电压来区分，大体可以分为两 类，即直流母线和交流母线分布式电源系统，如图1 2 示。 图1 2 ( a ) 为带有交流母线的分布式电源系统【4 】【5 1 。相对于直流母线的分布式电 源系统而言，交流母线分布式电源系统具有较高的变换效率。这一点是显而易见的， 因为能量的变换次数相对较少。另外，由于有变压器的存在方便电压或电流变换， 直流 直帼 ( a ) 交流母线的分布式电源系统 ( b ) 直流母线的分布式电源系统 幽i 2 直流母线和交流母线分布式电源系统示意图 而且可以有效的进行地噪声隔离等等。但是，在我们的实际生活中，这种交流母线的 分布式电源系统却没有得到广泛应用，主要是基于以下几个方面的原因：1 ) 、由母线 映射的共模噪声会对一些敏感器件造成干扰。因此就要求采取一些屏蔽措施来减小噪 声干扰，从而增加了成本；2 ) 、趋肤效应的存在，使得高频时线路的等效电阻较大， 由此带来的另一个问题就是损耗加大，为了减小线路损耗，就是降低开关频率，这样 以来，又增加了滤波器的体积；3 ) 、在交流母线分布式电源中，变换器的并联牵扯到 精确的同步和阻抗匹配，将变的异常困难；4 ) 、通常为减小交流母线的谐波电流，通 常要加入有源功率因数校正电路( 6 j 。 图1 2 ( b ) 为带有直流母线的分布式电源系统【_ ”。这种类型的分布式电源系统已 经发展的比较成熟，目前正在得到同益广泛的应用。它的特点就是低噪声、线路损耗 小等，这里就不再赘述。 廿睁 一罚 回喝 分布式电流型电火花加工电源的研究与设计 1 1 3 、分布式电源发展面临的一些问题 勿庸置疑，分布式电源将最终取代集中式电源而应用在大多数场合。当然，为了 使分布式电源更好的发挥作用，服务于大众，还有很多问题需要解决，还面对着多方 面的挑战： 封装技术：必须开发新的封装技术以及高压集成电路技术来适应大功率密度的需 求。 高效变换技术：为获取较高的变换效率即就是尽可能的降低变换器的功耗，这就 要求在变换技术上做文章，比如使用同步整流技术【g j 等。 削减噪声：高频变换技术带来的另一个问题就是大的电磁干扰，因此需要进一步 研究如何降低电磁干扰p i 。 降低成本：目前，制作分布式电源的成本还高于集中式电源。这会导致由于经济 方面的考虑，而限制到分布式电源在一些场合的使用0 1 。 1 2 分布式电流型电火花加工电源 传统的电火花加工电源均存在加工速度慢、电能利用率低、体积庞大、笨重且成 本高的缺点。正是鉴于此，本文才致力于开发出一种廉价、高效且轻巧实用的高频开 关型电火花加工电源。也正是基于前面我们介绍的分布式电源系统的众多优点，我们 的电流型电火花加工电源也采用了分布式结构。总体看来，整个电源系统呈现出串联 分布式电源结构，分为前后两级，前级为交错并联双管正激变换器舭1 构成的恒流 一 厂 j 蠢惮 掣i lj i 燃h i 控制电路k il 前级变换器 后级变换器 圈1 3 分布式电流型电火花加： 电源系统框图 源，后级为向负载提供能量变换的电子变换装置。图1 3 为分布式电流型电火花加工 电源的系统框图。 1 2 1 、前级交换器的实现 在图1 3 中，市电经过整流滤波后变为直流电压，经变换得到一个恒流电源。前 级主电路采用的是交错并联双管正激变换器。之所以在众多的电路拓扑中选用交错并 联双管正激变换器构成恒流源，也是基于它的以下优点： 南京航空航天大学硕士学位论文 滤波电感体积小。在同样工作频率下，与双管正激变换器相比，输出滤波电感上 电压的频率提高了一倍，减小了输出滤波电感的体积； 响应速度快。副边整流侧电压的等效占空比增加一倍，提高了电路的响应，并有 利于驱动电路的设计。 功率器件更容易选取。在同样输出电压的情况下，整流侧峰值电压减小一半，续 流时间减小，有利于续流管的选择。 简化热设计。每个并联支路流过更小的功率，消除变换器的“热点”，使热分布 均匀，减轻了散热设计的难度。 滤波器体积减小。输入电流脉动频率提高一倍，减小了输入滤波器的体积，从而 进一步减小整机体积。 另外，两路双管正激变换器相当于一个全桥电路，所用的器件数量基本相同，但 是交错并联双管正激变换器克服了全桥变换器的变压器偏磁、桥臂直通和控制驱动复 杂等缺点。 1 2 2 、后级变换器的实现 后级变换器主电路的实现比较简单，它的设计主要是体现在控制电路上，这是因 为我们的电火花加工电源的工作条件及淇恶劣，整个系统不断的经历着空载开路、满 载输出和短路输出的考验，电源输出特性极其复杂。这些均会在第二章中做详细介绍， 这里就不再多做叙述。 本文的主要内容梗概 本文将主要介绍分稚式电流型电火花加工电源的工程实现方法，并且对电火花加 工电源在加工过程中出现的一些特殊现象做了一些简要研究，另外对两级式电火花加 工电源的稳定性做了一些简要分析，最终通过仿真和实验验证了理论分析和设计的合 理性。 本文的主要内容具体是这样安排的： 第一章介绍分布式电源的一些典型结构及其优点，同时分别介绍带有直流母线和 交流母线的分布式电源系统的差异及分布式电源所面临的一些实际问题；另外简要介 绍了分布式电流型电火花加工电源的主要结构。 第二章介绍电火花加工电源的工作原理，并且给出了两种控制电路的实现方法， 同时还对机内辅助电源的主要器件变压器做了简要设计。 第三章主要介绍电流型电火花加工电源在实际加工过程中所出现的一些问题，并 对这些问题做了一些比较合理的解释。比如研究了电加工电源在几种不同模式加工过 程中电感电流的变化规律，还有确定电加工电源在后级短路和开路情况下的实际工作 频率等。 分布式电流型电火花加工电源的研究与设计 第四章主要对电流型电火花加工电源系统做了小信号分析，研究了在不同补偿环 节控制下系统的动态性能，最终确定了采用p i d 补偿器做为电源的调节器；另外对于 两级分布式电火花加工电源的大系统稳定性做了简要分析。 第五章将主要针对电流型电火花加工电源进行仿真和实验验证，并且给出了一些 相关的仿真、实验波形，同时也给出了一些样机图片。 6 南京航空航天火学硕士学位论文 第二章电加工电源的工作原理和设计 本章将介绍电流型电火花加工电源的硬件实现。总体上可以分为四个部分：首先 介绍电火花加工电源的工作原理，然后给出一些主要参数设计和器件选择，最后介绍 两种控制电路的实现和机内辅助电源高频变压器的设计。 2 1 电加工电源工作原理介绍 如图2 1 示整体上看来电流型电火花加工电源可以分为前后两级。前级为交 错并联双管正激变换器构成的恒流源。后级是对加工工件提供脉冲功率变换的电子装 置。采用交错并联的双管正激变换器技术，其实是一项十分成熟的变换技术，这里为 了节省篇幅，就对其工作原理不再赘述，详细内容可以参见文献【1 2 1 1 3 l 【1 4 】【1 5 】。下面 我们就着重介绍后级变换器的工作原理。图2 2 是后级变换器的主要电路图，由于前 级变换器为电流源，如果我们忽略电感电流的波动，就可以将前级近似看作恒流源。 根据图2 2 并参考图2 3 ，后级变换器的工作过程总共有5 种模态。 图2 1电流型电火花加工电源主电路示意图 图2 2 后级变换器的等效电路 1 、【0 f 。】模态( 1 ) ，消电离时间，见图2 4 ( a ) ： 工 件 分布式电流型电火花加工电源的研究与设计 l 厂 厂 、 洲： i 。7 删” j 。 刊i i hnt ： | j | h | 几厂t ： 一糊k 图2 3屙级变挟器的主要l 玻形图 f 。时刻之前，功率管m 开通前级输出恒流流经m 管，二极管d 断开， 电容电压为零，被加工工件开路。并且机床对工件排除铁屑。 2 、【f o r l 】，模态( 2 ) ，第一次换流，2 4 ( b ) ： t 。时刻，关断m 管，电感电流从m 向二极管d 换流，由于器件均为非理想器件， 自身存在关断时间和开通时间，使得换流不是瞬问完成而要维持一段时间。同时，流 过二极管的电流f 。给电容充电，电容c 的电压上升。加工工件仍然开路。并且这个 过程中有下式成立： i l = i d + i m 3 、【，2 ，模态( 3 ) 电容充电，2 4 ( c ) ： t 时刻，功率管m 和二极管d 换流结束，前级输出的大电流给电容c 线性充电， 电容c 的电压迅速抬升，直至f ，时刻，整个过程中，功率管m 和工件均保持开路状 态。 4 、【f 2 f 3 ，模态( 4 ) 击穿引弧，2 4 ( d ) ： r ：时刻，电容电压上升到工件的击穿放电电压致使工件被击穿引弧放电， 一直到f ，时刻之前的过程中，前级变换器的输出电流和电容c 的放电电流共同流向工 件进行加工，电容电压迅速下降。 5 、【r ，f 。】，模态( 5 ) ，正常加工，2 4 ( d ) ： 堕塞堕窒堕蒌盔堂堡圭堂垡丝奎 时刻，当电容电压下降到正常加工电压后不再下降，之后，对工件进行稳 定放电加工，前级变换器输出的恒定电流全部流经工件加工，功率管m 一直保持关 断状态。 6 、【，4 一， ，模态( 6 ) ，第二次换流，2 4 ( e ) ： ，。时刻开通功率管m ，和模态( 2 ) 一样考虑到器件的非理想性，流经工件 的加工电流从二极管向功率管m 换流，同时电容c 也开始向工件放电，工件两端的 电压逐渐下降。 7 、【t 5 ，6 】，模态( 1 ) ，消电离时间，2 4 ( a ) ： f ，时刻以后，前级输出的大电流完全换流至功率管，二极管关断，工件开路，进 行消电离。从此以后的加工完全重复以上过程。 蚓2 4 ( a ) 消电离时间图2 4 ( b ) 第一次换流 图2 4 ( c ) 电容充电升压图2 4 ( d ) 正常加工 工 件 图2 4 ( e )第二次换流 图2 4 电自n 3 - 电源后级的各模态等效