（机械制造及其自动化专业论文）电火花线切割无阻脉冲电源的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 脉冲电源是电火花线切割机床的主要组成部分，其性能直接 影响到加工的各项工艺指标，因而一直为从事电火花线切割加工 的人士所重视。 本文介绍了当前国内外电火花线切割加工( w e d m ) 的发展状 况以及国内电火花线切割加工存在的阀题，分析了传统电火花线 切割加工脉冲电源的特点，通过比较各种脉冲电源之间的优缺 点，提出了电火花线切割无阻脉冲电源的设想。 d c d c 变换器是无阻脉冲电源的主体，文中对其电路进行了 详细分析，并在此基础上，采用了双管正激并联拓扑结构，设计 了6 0 a 复合结构电火花线切割无阻脉冲电源。 本文对上述电路的拓扑、工作原理、控制方法进行了详细的 分析，并给出了电路元件参数的具体设计方法。研制了6 0 a 峰值 电流复合结构电火花线切割无阻脉冲电源的硬件电路，并通过实 验研究证实了系统的可行性。 关键字：电火花线切割加工，脉冲电源，d c d c 变换器，双管正 激，复合结构 皇坐垄垡塑型垂堕壁壁皇塑堕婴塑 a b s t r a c t p u lseg e n e r a t o rist h ee s se n t i a l c o m p o n e n to f w ir ec u t e le c t r ic a ld is a h a t g em a c h in in g ( w e d m ) ，w h ic hp e r f o r m a n c e d i re c t lyd e t e r m i n esv a r io us te c h n i q u e s o fw e d m t h e r e f o r e ，i t is a l w a y sp a i d i l l o rea t te n t io n b y t h e r e se a r c h e r so nw e d m i nt h isth es is ，t h ed e v e l o p m e n t o fw e d mc u r r e n t l y h a s b e e ni n t r o d u c e di nd o m e s t ica n di n t e r n a t io n a l t h ep r o b le m o fw e d mh a sb e e na n a l yz e dino u rc o u n t r y ，a n dt h e c h a r a c te r i s t ico fp u lseg e n e r a t o ro fw e d mh a sbe e na n a l y z ed a nr e s is t o r l ess p u l s e g e n e r a t e r f o rw e d eh a sb e e n p u t f o r w a r do nt h eb a s iso fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t r a d i t i o n a l b e n e r a t o r s d c d cc o n v e r te rist h e m a in b o d y o ft h ew e d m p u l s e g e n e r a t o r ， w h i c hh a sb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l 。b a s e do n t h is ，a o m b i n e d s t r u c t t l r ew e d m p u l s e g e n e r a t o rh a s be e n i n t r o d u c e d t h e b e n e r a t o r h a sb e e nd e s i g n e db y us in g p a r a l l e ld o u b l e t r a n s i s t o rf o r w a r dw i t hi n te r le a v i n g a n d t r a n s f o r m e rp a r a l l e l i n gt o p 0 1 0 9 y i nt h ist h e s i s ，t h et o p o l o g y ，d r in c i p l e ，c o n c o ls c h e m e a n dp a r a m e t e rso fw e d mp u ls e g e n e r a t o rh a sb e e nd is c uss e d i nd e t a i l f i n a l l y ， ah a r d w a r eo f6 0 a p e a k c u r r e n t c o m b i n e d s t r u c t u r ew e d mp u ls eg e n e r a t o rh a sb e e nd e v e i o p e d a n dt h e f e a s i b i l i t yo fs y s te mh a sb e e nc o n f i r m e db vt h e e x p e r i m e n t k e yw or ds ：w i r ec u te l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n b ( w e d m ) ，p u l s e g e n er a t o r ，d c d cc o n v e r t e r ，d o u b l e t r a n s is t o rf or w a r d i i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 壹室堕窒堕丕奎兰堡主兰垡堡三 一 第一牵绪论 电火花加t ( e 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 ) 是前苏联学者拉扎 林科夫妇于1 9 4 3 年研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏现象和原因的过 程中发明的加工方法。电火花加工，是在一定介质中利用工具电极和工件 之间脉冲性火花放电对工件材料进行去除，以达到一定的形状尺寸和表面 粗糙度要求的一种加工方法。电火花加工与传统的机械加工有着本质的区 别，它是一种非接触式加工，能够实现对高硬度、高强度、高韧性和易脆 等导电材料的加工；另外。在加工过程中基本没有宏观作用力，能够加工 窄槽、异形孑l 、微细孔及薄壁零件。由于电火花加工特有的工艺优势，弥 补了机械加工的某些不足，使其成为模具工业、国防工业和精微制造中的 重要手段i i 】【“。电火花线切割加- 1 - ( w i r ec u te d m ，w e d m ) 是在电火花加工 基础上于上世纪5 0 年代末最早在前苏联发展起来的一种新的加工工艺形 式，是用线状电极( 铜丝或钼丝) 靠火花放电对工件进行切割故称为电火 花线切割。电火花线切割加工是我国应用最为广泛的特种加工方法之一 3 1 1 9 1 。 1 1 电火花线切割加工国内外的发展状况 电火花线切割加工技术经过半个世纪的发展。无论是技术水平、工艺 指标、还是年产销量、或者是应用领域都有极大的发展。 国外电火花线切割机床的发展，在原则上离不开三大趋势，即高速化、 高精度( 包括表面质量) 和高自动化，近年来经济型机床也是一样的发展趋 势。国外高档电火花线切割机的加工精度可达1 5 , a m ，加工表面粗糙度达 到r a o 1 m ，加工生产率达到3 5 0 r a m 2 f m i n 左右7 】【2 l 】。目前，在高效加 工技术方面，瑞士夏米尔( c h a r m i l l e s ) 公司处于领先水平。它经过5 年的努 力，打破了1 0 年前创下的3 0 0 r a m 2 m i n 最大切割速度纪录，使最大切割速 度达到了4 0 0 r a m 2 m i n ( 3 7 i n 2 h ) 。夏米尔公司在r o b o f i l 2 4 0c c 4 4 0c c 皇盔垄垡塑型至堕壁壁皇鎏塑婴茎一 成为高效加工机床的代表。c c 电源具有以下特点： ( 1 ) 数字化、高峰值电流、窄脉宽、无电解作用：c c 电源的最大峰值 电流可达1 2 0 0 a ，加工精度的单个放电脉冲能量控制技术，使得最大切割 速度达到了4 0 0 r a m 2 r a i n ，跃上了新的台阶。与普通电源相比，在切割工件 厚度约为1 5 0 m m 时，其切割速度约增加l 倍左右； ( 2 ) 粗加工基本上为气相抛出：粗加工时采用窄脉宽，以实现粗加工 基本上为气相抛出的加工方式，使表面不产生微观裂纹( 特别是对于脆硬材 料) ，而且变质层很薄，这样可减少多次切割的次数，简化了工序，节省了 时间，同样达到高效加工的目的 6 1 1 7 1 2 h 。 此外，瑞士的a g i e 公司配备m m d ( 2 7 a ) 电源的a c l 0 0 、2 0 0 、3 0 0 系列 的各型机床，其最高生产率为1 8 5 r a m 2 m i n ，配备m m e ( 3 3 a ) 电源的a c l 7 0 、 2 7 0 、3 7 0 型机床、其最高生产率为2 2 0 2 4 0 r a m 2 m i n ，而配备h m c ( 4 5 a ) 电 源的a c s p r i n t 系列机床，最高生产率达3 0 0 r a m 2 m i n ( 采用西0 3 3 r a m 的c s s 电极丝工件5 0 m m ) 厚钢件。三菱电机公司的标准型d w c h 系列机床，采用g 2 5 电源，最高生产率达到2 5 0 r a m 2 m i n ，其经济型d w c c 2 系列机床也是 2 5 0 r a m 2 r a i n ，而高速型d w c u 系列机床，采用w i i u 控制柜与g 2 5 电源，最 高生产率达3 0 0 m m 2 m i n 【5 】【6 】【7 】【2 。 电火花线切割加工是我国应用最为广泛的一种特种加工方法。目前我 国生产和使用的绝大多数为高速走丝的电火花线切割机，高速走丝线切割 机是我国数控机床产量最大、应用最为广泛的机床，在模具制造和零件加 工中发挥着重要作用。其性能价格比，适合于目前国内的需求，在中低档 模具和零件加工中适用性好。目前它的切割速度有的已超过l o o m m 2 m i n ， 加工精度达到i , o o l m m ，工件表面粗糙度为r a l 2 5 2 m 。但是技术发展较慢， 在较低水平上重复生产。我国高速走丝电火花线切割机整体水平仍属于低 档产品，其加工精度低、精度保持性差、自动化程度低，数控功能简单f 4 】。 低速走丝电火花线切割机的研制和生产我国起步较晚，在八十年代才 开始。目前在产品性能、精度、稳定性、电源系统和数控系统等方面与国 外产品还有很大差距，尤其在电源、数控系统的开发应用上差距更大。国 产低速走丝线切割机的最好技术指标大体是加工精度+ 5 a m ，加工表面粗糙 度r a o 5 p r o ，加工生产率为1 7 0 1 8 0 r a m 2 w i n 。目前，国内能够生产低速走 丝线切割机的厂商主要有苏州电加工机床研究所、北京机床研究所、苏州 南京航空航天大学硕士学位论文 三光科技有限公司、汉川i 机床厂等。苏州电加工机床研究所的慢走丝机床 是完全国产化机床，功能较全，性能价格比较高。北京机床研究所是引进 日本j a p a x 公司的l s 3 5 0 x 慢走丝机床，苏州三光科技有限公司是通过与大 同机械合作，汉川机床厂的h c x 2 5 0 系统是引进日本s o d i c k 公司的1 1 系统， 机床部分由该厂自己设计制造、系统功能较全。同国外低速走丝线切割机 相比，差距很明显的，而且是多方面的【4 1 【5 州l ”。 从技术的角度来讲，影响我国电火花线切割机水平的因素有很多，在 众多因素中，脉冲电源是电火花线切割机的核心技术，直接制约着线切割 加工的工艺技术水平。电火花线切割加工的加工精度、表面粗糙度、生产 率与脉冲电源的单个脉冲放电能量、脉冲宽度、脉冲放电电流有直接的关 系。要获得r a o 4 1 t i n 以下的表面粗糙度，脉冲宽度需要做到0 1 l z s 的数量级。 要取得更好的表面粗糙度，脉冲宽度要达到纳秒级。对于保证生产率而言， 电源需要提供上千安培的峰值电流，高生产率的电源所提供的峰值电流已 超过1 0 0 0 a 。这样的电源，对于传统的r c 回路是傲不到的。就目前的认识 来看，必须是人们称为无电阻( 脉冲) 电源才能保证。而目前国外的电火花 线切割机应用的就是无阻脉冲电源”“m 3 “删“1 。 1 2 传统的电火花加工脉冲电源 电火花加工脉冲电源经历了多次发展和变革。到现在已有多种类型的 电火花加工脉冲电源，如驰张式r c 脉冲电源、脉冲发电机式脉冲电源、 晶体管式脉冲电源等。 1 ) 弛张式r c 脉冲电源 驰张式r c 脉冲电源是最早使用的电 火花脉冲电源，其电路原理如图1 1 所示。 它由两个回路组成：一个是充电回路，由 直流电源e 、充电电阻r ( 可调节充电速度， 同时限流以防电流过大及转变为电弧放电， 圈1 1 驰张式r c 脉冲电源 故又称为限流电阻) 和电容器 c ( 储能元件) 所组成；另一个回路是放电回路，由电容器c 、工具电极和工 件及其间的放电间隙所组成。当直流电源接通后，电流经限流电阻r 向电 电火花线切割无阻脉冲电源的研究 容c 充电，电容c 两端的电压按指数曲线逐步上升，因为电容两端的电压 就是工具电极和工件间隙两端的电压，因此当电容c 两端的电压上升到等 于工具电极和工件间隙的击穿电压u 。时，间隙就被击穿，电阻变得很小， 电容器上存储的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流。电容上的能量释放 后，电压下降到接近于零，间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态。此后电 容器再次充电，又重复前述过程【1 】【”。 这种电源结构简单，但它存在如下缺点： ( 1 ) 击穿电压与间隙大小、介质导电情况有关，电参数不稳定； ( 2 ) 加工速度低，r c 脉冲电源的充电时间相对放电时间较长，加 工频率低： ( 3 ) 电能利用率低 2 ) 晶体管式脉冲电源 一般为2 5 3 5 。 晶体管式电火花加工脉冲 电源是目前国内普遍使用的电 火花加工电源。晶体管式电火 花加工脉冲电源如图1 2 所示。 功率开关管q 按一定规律导通 图1 2 晶体管式电火花加工 脉冲电源 和关断，实现电火花加工击穿延迟、击穿放电、消电离三个状态的循环反 复，完成电能的转化，达到加工的目的。功率管q 开通时，电压u 加到加 工间隙上，使间隙击穿放电。击穿后间隙电压将下降到电火花维持电压 值，电阻r 起到限流的作用 2 1 。 晶体管式电火花加工脉冲电源存在如下缺点： ( 1 ) 电能利用率低，一般低于2 5 。电能浪费大且通风散热条件要求 高； ( 2 ) 输出短路时加工电流大，会烧伤加工工件表面。 3 ) 单级式高频开关电火花加工电源 随着电力电子技术的不断发展，基于现代开关型d c d c 变换技术的 无限流电阻电火花加工电源的研究受到了人们的关注。当前，无限流电阻 高频开关型电火花加工电源主要采用单级式结构，如图1 3 所示。主要采 用高频d c d c 变换器，利用电感限流【2 1 。 单级式高频开关电火花加工电源效率远高于电阻限流式，可达到8 5 南京航空航天大学硕士学位论文 以上。但还存在如下的缺点： ( 1 ) 加工效率低。击穿放电时电流存在着上升和下降阶段，且上升时 间和下降时间随着电流设定值和滤波电感值的增大而增大，为了保证加工 电流上升到设定值和下降到零，加工脉宽和消电离时间必须足够长； ( 2 ) n - t 精度不高。电源的滤波 电感始终与加工间隙构成回路，当 开关管关断时滤波电感储存的能量 向加工间隙释放，加工电流拖尾， 因此加工精度不高。 1 3 电火花线切割加工特性 图1 3 单级式高频开关 电火花加工电源 电火花线切割加工过程是一种受多参数影响的复杂随机过程，这一过 程的特性通常用闻隙放电状态进行描述。一般，间隙放电状态既可以按单 个电压脉冲波形分类，也可以按其所含高频分量和电压波形综合考虑进行 分类。前者以放电的单个电压脉冲波形的放电击穿延时为判别标准，将放 电电压脉冲分为四类：开路、火花放电、电弧放电、短路，但这种分类方 法不能反应电弧 前兆；后者综合 考虑放电延时及 放电波形中所含 高频分量的情 况，将放电电压 波形分为五类， 如图1 4 所示： 开路、稳定火花 满酗炼删椒胁 图1 4 电火花加工过程中不同放电状态波形图 放电、不稳定火花放电、电弧放电及短路，这里不稳定火花放电是电弧放 电的前兆川f 2 】【1 5 】【1 7 j 2 9 】。 放电间隙是脉冲电源的负载，它是一个特性极为复杂的非线性负载， 很难用准确的数学表达式来描述。为了确保每来一个电脉冲时在电极丝和 皇查垄垡塑型垂堕壁壁皇塑堕堕壅 一 一 工件之间产生的是火花放电而不是电弧放电，必须使两个电脉冲之间有足 够的间隔时间，使放电间隙中的介质消电离，即使放电通道中的带电粒子 复合为中性粒子，恢复本次放电通道处间隙中介质的绝缘强度，以免总在 同一处发生放电而导致电弧放电。一般脉冲间隔应为脉冲宽度的4 倍以上。 但对于低速走丝线切割加工中电极丝的运行速度比较慢和一般应用在中、 精加工中，往往采用某一规准将工件一次加工成型，所以为了保证火花放 电时电极丝不被烧断，同时满足加工的工艺指标，电火花线切割加工必须 保证窄脉宽、高频等技术指标。研究表明，高频、窄脉宽、大峰值电流可 从根本上改善电加工过程的理化特性，从而可以提高电加工的精度、表面 质量和效率。现代功率电子技术的发展给出了实现中高频、窄脉冲、大电 流电源的现实性，从而为高频、窄脉冲电流电加工的工程应用提供了关键 的设备条件，为电加工的进一步发展开辟了一个新的前景【2 】【1 5 】 1 6 】【1 7 【2 9 f 3 0 】。 1 4 课题的研究背景 目前国内广泛使用是高速走丝电火花线切割机，它的脉冲电源是一种 独立式脉冲电源，一般又称为电阻限流式。它由直流电压源、限流电阻、 功率开关串联而成，脉冲电源输出两极连接到工具电极和工件电极上。控 制功率开关管的通断，实现电火花加工击穿延迟、击穿放电、极间消电离 三个状态的循环往复，完成电能的转换、达到加工的目的。虽然这种独立 式脉冲电源及其多种形式的派生电路已经广泛应用于电火花加工中，但是 它存在着两个方面的不足：一是电能利用率低，低于2 5 ，体积庞大，重 量惊人。正常放电时，脉冲电源输出电压8 0 伏与间隙电压2 5 伏之差近为 5 5 伏全部消耗在限流电阻上，由此脉冲电源输出功率的大部分消耗在限流 电阻上。这样，不仅造成电能的极大浪费，限流电阻由于散热需要体积庞 大、材料昂贵、而且脉冲电源内部的散热问题一直是电源电柜结构设计的 关键。二是加工电流峰值调整响应速度低，而且加工电流值不稳定，随加 工状态变化而变化。当直流电源通过开关电路向间隙供给电能时，要使通 过问隙流动的电流的上升沿很陡，也就是窄脉宽、大电流，电源电路中的 r l 必须尽可能最小。而电阻限流式脉冲电源由于人为引入了限流电阻，使 南京航空航天大学硕士学位论文 流过放电间隙的电流上升率受到极大限制，不可能做到窄脉宽、大电流的 基本要求。很难提高加工的精度和速度。目前在我国，人们为了提高加工 速度，往往采用提高脉冲频率，增加单个脉冲能量的办法。但是频率过高， 脉冲间隔时间过短，将产生电弧放电和断丝现象：随着单个脉冲能量的增 加，加工表面粗糙度也随之恶化。因此，要提高我国高速走丝电火花线切 割机的工艺水平，必须加速研制窄脉宽、大电流的无阻脉冲电源 2 】【2 1 】【2 4 】【2 酗。 1 5 课题的研究工作 本课题是企业合作项目，根据前面关于传统电火花加工脉冲电源和线 切割加工特性的分析，以及在前期研究的电火花线切割加工脉冲电源的基 础上提出了电火花线切割无阻脉冲电源的研究f 2 】f 1 4 】1 1 5 1 【1 6 】【 7 l t 8 1 1 1 9 】1 2 i 【2 5 】1 2 6 】 2 8 j 。 电火花线切割加工电源主要由三部分组成：即输入回路、恒流源、加 工回路。输入回路由线路滤波器、浪涌电流抑制回路、整流回路构成，提 供d c d c 变换器高效直流输入电压。恒流源部分主要由d c d c 变换器、输 出整流、输出滤波、控制电路组成。加工回路由脉冲形成电路和高压引弧 电路构成【8 1 。 本文研制的电火花加工电源既保持了逆变式电源的优点，又具备了独 立式脉冲电源相近的加工性能。具有如下特点： 具有较大的脉冲峰值电流，并便于调整。 脉冲频率高。 只输出单向矩形脉冲。 脉冲波形的前沿和后沿陡直。 脉冲参数能在较宽的范围内可调，能实现窄脉宽，且各自的调节是 独立的。 本文的主要研究工作为： 介绍了电火花加工电源的发展及现状，研究了各种传统的电火花加 工电源，分析其优缺点，并在研究电火花放电加工特性的基础上，提出了 新的电源方案。 7 电火花线切割无阻脉冲电源的研究 详细介绍了本文研究的电源中使用的恒流输出双管正激交错并联 d c d c 变换器的工作原理，并详细分析了其工作模态。 设计了6 0 a 2 5 v 恒流输出双管正激交错并联d c d c 变换器。 提出了复合结构电火花线切割加工电源拓扑结构。 详细分析了复合结构电火花线切割加工电源工作原理，并设计了 6 0 a 峰值电流复合结构电火花线切割加工电源参数。 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章恒流输出双管正激交错并联d c d c 变换器 本文提出的复合结构电火花线切割加工电源前级电路是恒流输出 d c d c 变换器，提供电火花线切割加工放电能量。其电路拓扑采用双管正 激交错并联结构，故称为垣逾输出巫筻正邀銮赞菱壁巳雹g 窆蛰器。 本章首先介绍了一些常用的d c d c 变换器，然后分析了采用双管正 激交错并联d c d c 变换嚣来作为电火花线切割加工电源前级电路的优点， 介绍了正激交错并联d c d c 变换器工作在恒流输出状态下的工作原理， 并对其工作模态进行了详细分析。 2 1 常用隔离式d o d o 变换器的简介 2 1 1 常用隔离式d c d g 变换器的简介 常用d c d c 变换器的拓扑很多，考虑到电火花线切割加工的负载变 化的实际要求，采用的d c d c 变换器必须具有强抗干扰能力的特性，因 此本文采用的d c d c 变换器必须有电气隔离特性，但带隔离变压器有一 个固有的缺陷，就是它的变压器必须进行磁复位，因此必须采用复位电路。 本文首先介绍几种常用的隔离式d c d c 变换器电路结构优缺点及其复位 方式。 1 ) 单端正激式变换器 正激式变换器电路拓扑简单( 如图2 1 ) ，在变压器绕组中加一去磁绕 组即可实现变压器去磁，是中小功率变换器常用的设计方案。但这种拓扑 结构存在许多的缺陷：变压器磁芯单向磁化，变压器利用率低：主功率管 承星西蟹丝楚全皇匿：只适合低压输入电路；考虑到变压器去磁，主功率 管占空比小于o 5 ；此外由于变压器添加了去磁绕组，使变压器的结构复 杂，变压器工艺水平的高低将直接影响到电路的总体性能【8 1 。 2 ) 单端反激式变换器 单端反激式变换器的电路形式与单端正激式变换器相似( 如图2 2 ) ， 只是二极管的接法不同。反激式变换器中的电感变压器起着电感和变压器 皇坐垄垡塑型垂堕坠、冲皇塑塑婴茎 的双重作用，因而反激式变换器输出回路中不需要滤波电感。磁复位是通 过续流二极管把电感能量逐步转变为电场能量向负载放电和向电容充电。 另外，单端反激式变换器同单端正激式变换器一样，圭垫空筻盂丞受逦鱼 蝗熊血压碑1 a 图2 1 单端正激式变换器图2 2 单端反激式变换器 3 ) 推挽式变换器 推挽式变换器电路拓扑结构简单( 如图2 3 ) ，变压器双向磁化，相同 的磁芯尺寸，推挽式变换器比正激式交换器输出的功率大，但是推挽式变 换器电路必须具有良好的对称，如果正负脉冲宽度或幅值稍有不对称，或 初级线圈不对称，就会产生直流磁化分量一一偏磁而导致磁芯饱和。此外， 由于变压器初级线圈不可能完全耦合，总有一些漏感，在转换时会引起电 压尖峰，功率管承受较大的电压应力，因而大多应用于电源电压较低的场 合【8 1 。 图2 3 推挽式变换器 4 ) 半桥式变换器 图2 4 半桥式变换器 半桥式变换器电路中，推挽工作的功率管串联为一个桥式接到电源 上，用两个大电容串联获得q 2 电压，一般情况下，用变压器输出( 如图 2 4 ) 。将变压器的初级接在晶体管连接点与电容连接点之间，与推挽式变 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 换器一样，d i 、d 2 是感性负载时返回能量的鐾远；拯笔。两个功率管以 相同于推挽式变换器的工作方式驱动，但不能同时导通，否则会将电源短 路，造成晶体管损坏。半桥式变换器的变压器磁芯不存在直流偏磁现象， 变压器两象限工作，利用率高。电路中功兰曼签筻墨鬓笪曳匡但垄皂塑皇 压，是推挽电路的一半1 8 】。 如、全桥式变换器 将半桥变换器的两个电容用两个晶体管代替，就得到全桥变换器。如 受的电压为电源电压，而推挽电路为电源电压的两倍。但是桥式变换器功 率器件较多，控制及驱动较复杂，并且存在直通现象，因而一般在大功率 场合【8 】。 r i 。，。t 本出ci lt j 图2 5 全桥式变换器 2 1 2 正激式变换器常用的磁复位技术 正激式变换器磁复位除了用去磁绕组以外，还有：r c d 箝位技术， l c d 箝位技术、有源箝位技术和z v t 箝位技术等引。各种磁复位技术的 优缺点如下： 1 ) 采用r c d 箝位技术的正激式变换器电路结构简单、成本低廉， 开关管的电压应力比采用复位绕组时低；但部分励磁能量会消耗在箝位网 络中，同时开关管是硬开通的，存在开通损耗，效率低等缺点。因此使用 r c d 箝位技术的正激式变换器适用于对效率要求不高，但对成本要求严格 电火花线切割无阻脉冲电源的研究 的小容量应用场合。 2 ) 采用l c d 箝位技术的正激式变换器开关管的电压应力比采用复 位绕组时低，l c d 箝位网络无损耗，励磁能量和漏感能量全部回馈到电网 中去；但箝位元件在谐振时峰值电流较大，此电流流过开关管，增加了开 关管的电流定额和通态损耗，同时开关管是硬开通的，存在着开通损耗。 3 ) 采用有源箝位技术的正激式变换器箝位开关管是零电压开关的， 励磁能量和漏感能量全部回馈到电网中去，变压器的双向磁化，变压器得 到充分的利用；但主功率管是硬开通的，存在开通损耗。 4 ) z v t 箝位技术的正激式变换器的优点是，变压器双向磁化，主功 率管零电压开关，辅助开关管零电压关断和零电流导通励磁能量和漏感 能量全部回馈到电网中，无需另加磁复位电路；但辅助开关管是容性开通 的，存在容性开通损耗，主功率开关管的电压应力很高，大于2 倍的输入 电压最大值。 另外，采用l c d 箝位技术、有源箝位技术、z v t 筘位技术实现磁复 位电路结构复杂。 2 1 3 双管正激式变换器 正激变换器的输出功率不像反激变换器那样受变压器储能的限制，输 出功率较反激变换器大，但是正激变换器的开关管电压应力高，为输入电 压的两倍，有时甚至更高，成为限制正激变换嚣应用范围的主要关键因素 图2 6 双管正激变换器 之一。为了降低开关管的电压应力，提出了双管正激变换器f 8 】【1 6 】【i7 1 ，如图 2 - 6 所示。同单管正激变换器相比，双管正激变换器在变压器的原边增加 了个开关管，并增加两个二极管，一方面起到箝位的作用，将开关管电 2 南京航空航天大学硕士学位论文 压簿毽韵嘶喟扩簪开关锄压箝位在输入电压，另一方面为变压器的去磁 电流提供通路。 双管正激变换器克服了延塑变拯箍主匠差簟皇蜃鏖盔基塑继枣，不需 要采用特殊的复位电路就可以保证变压器的可靠磁复位，而且更重要的是， 与全桥变换器或半桥变换器比较，它的每一个桥臂都是由一个二极管和一 个开关管串联组成，从结构上消除了桥臂直通现象，可靠性高。因此双管 芷激变换器在工业界得到了广泛的应用，特别适合输出中等功率、输入电 压较高的应用场合。 ( a ) 电路拓扑 鼢“e l 啊七一 i ； 色= 墨璺； i j ：e je a ：；! ， ( b ) 滤波电感电流和副边整流电压 图2 7 双管正激变换器交叉并联方式 但是双管正激变换器自身也有一些缺点。为了保证变换器可靠磁复位， 变换器的工作占空比只能小于0 5 ，因此为了获得更高的输出电压，必须靠 提高变压器的变比，从而使变压器副边二极管电压应力增大，特别是在考 虑到副边续流二极管的反向恢复特性后，这又成为制约副边整流电路设计 的主要因素，不适合于高输出电压场合的主要原因。占空比不大带来的另 一问题是变换器输出电压和电流脉动大，需要增大输出滤波器体积。另外， 变压器磁芯单向磁化，降低了变压器磁芯的和用率，增大了变压器的体积。 为了提高双管正激变换器等效占空比，减少副边二极管电压应力和滤 波器体积，讨论了共用输出续流管和输出l c 滤波器的两组双管正激变换 器交叉并联电路，电路拓扑如图2 7 ( a ) 所示，输出滤波器电流和副边整流 电火花线切割无阻脉冲电源的研究 电压波形如图2 7 ( b ) 所示。 2 1 4 双管正激交错并联d c d c 变换器电路的选用 电流型电火花线切割加工电源的后级电路工作在高频开关状态，并伴 随着频繁的输出开路和短路。因此前级变换器负载特性较为复杂，这要求 变换器动态响应快，稳定性好。综合以上考虑本文选用两路双管正激电路 交错并联结构来实现其前级电路。正如前面所述的这种变换器存在着一个 固有的缺陷，就是要对变压器进行磁复位，必须采取复位电路。所以对电 路结构进行了改进。 1 采用双功率管正激电路的原因是： ( 1 ) 去除正激式d c d c 变换器的去磁绕组，使变压器绕制方便，电 路结构简单； ( 2 ) 电路损耗小，励磁能量和漏感能量回馈到电源： ( 3 ) 功率管只承受电源电压，电压应力小。单管正激电路的主功率 管承受两倍的电源电压，这在选择功率管就要求选电压定额高的，功率管 的通态电阻就会越大，这就影响了变换器的变换效率以及功率管的通态损 耗。 2 采用两路交错并联结构的优点： ( 1 ) 并联结构使得功率管工作在同样的频率下，输出电压的频率提 高了两倍，这样使得d c d c 变换器的输出滤波电感量减少。 ( 2 ) 在两路并联的情况下，可以使输出电压的占空比增加一倍。虽 然功率管工作在占空比小于0 5 的情况下，但整流侧输出电压占空比可以 在0 1 之间变化，提高了电路的响应速度；在同样输出电流的情况下，整 流、续流二极管平均电流减少，有利于选取反向恢复时间更短的快恢复二 图2 8 恒流输出双管正激交镨并联d c d c 变换器 南京航空航天大学硕士学位论文 极管。 恒流输出双管正激交错并联d c d c 变换器主电路结构如图2 8 所示。 m 、m ：、d i 、d 2 构成一路双管正激变换器，m ，、m 。、d 3 、d 4 构 成另一路双管正激变换器，r d , 、鸩分别为两路变换器的整流二极管，d 5 为续流管，l 为滤波电感。 2 2d 0 d 0 变换器电路的工作模态分析 在分析双管正激交错并联d c d c 变换器电路的工作模态之前，作如 下假设： 所有开关管及二极管均为理想器件： 电容、电感均为理想器件； 肘，、鸠的漏源结电容c = ，= c 矗2 ，鸠、的漏源结电容 c = c o s 3 = c 赢； 变压器碣、碣原边激磁电感为l = 厶= l 。： 在不同的占空比下，电路的工作情况有所不同。当占空比d i 4 时， 磁复位时间大于死区时间：当占空比d i 4 变换器主要原理波形如图2 9 所示，共有六种工作模态。电路各模态 的等效电路如图2 1 0 所示【刖。 ( 1 ) 开关模态l ， t 。，t ； ， 参考图2 1 0 ( a ) t o 时刻，m l 、m 2 管关断，m 3 、m 4 管也关断，d 1 、d 2 开通。此时，存 储在t r 、线圈中的能量通过二极管d l 、d 2 回馈到电源，变压器t r 进行磁 复位。t r i 原边电压 j p ( t l t l ) 箝位为一u 。励磁电流通过d l 、d 2 续流，r d i 关 断，输出回路通过d 5 续流。在此过程中，由于r d 2 、d 5 的作用，t 凡副边 绕组电压被箝位为0 ，u 。、u 。箝位为u 。2 ( u 。；。、u 。分别为m 3 、m 4 管 的漏源电压) 。 ( 2 ) 开关模态2 ， t ，t 。 ， 参考图2 1 0 ( b ) t 时刻，m 3 ，m 4 导通，d 5 停止续流，r d 2 导通，t r ：原边电压up ( t i c z ) = u 。 电火花线切割无阻脉冲电源的研究 m 1 m 2 li m 3 m 4 l m 1 m 2 j m 3 m 4 ? 当蚴一一一 一j 一：j 一 吲ll 一 气卜u声曩：矗ljv l 一 一”i 一 一行i卜i 1 一j ： ! ： ： ： u 口r 嘞 。 ! l 。 f 门 ? ： u o 。 i i i ： i l + ：il 图2 ，9d i 4 时变换器主要原理图波形 1 6 ( b ) 【t l ，t 2 诗嶂i 善：a 畔i 隧 l 品i i ： j 抖j 翮2 斗r d 2 ， 掣 ( 畔j 抖 螽珊“ ( e ) t 4 ，t 5 】 ( 0 t 5 ，t 6 图2 1 0 d i 4 时变换器各开关模态等效电路图 南京航空航天大学硕士学位论文 在此m l 、m 2 这一路继续着模态( 1 ) 所示的工作状态。 ( 3 ) 开关模态3 ， t ：，t ：。 ， 参考图2 1 0 ( c ) t 。时刻，变压器t r 。原边磁复位电流lo ( t r i ) = o ， 变压器t r ，磁复位结束，d l 、d 2 截止。m l 、m 2 的漏源电容c 。、c 。和t r 原边激磁电感k j 开始谐振，c 。、c m 放电，i m 开始反向流动， u 和u o s 2 从u 【下降，u p ( t rl ) 从一u j 上升。 图2 1 l 模态5 电路分析图 图2 1 l 为m 1 、m 2 这一路的电路分析图，列电路方程 “。+ “舾：+ 上。1 d i p ( 厂t r i ) = 乩 c d u 出。s l = f p ( 口i ) c 了d 2 。l o s 2 = 俐 对上式进行拉普拉斯变换，得 ( 式2 - 1 ) u 册，( s ) + u 。：( s ) + 。，陋，( 豫，) ( s ) 一i ，( 。) ( ：。) 】= u 。s c s u n 鲥( s ) 一u d s l 0 2 一) 】= ( ，) ( s ) ( 式2 - 2 ) c s u d s 2 ( s ) 一i d s 2 ( r 2 一) 】= ，p ( r r i ) ( s ) 件：陵誊 解方程得 三o s l ( s ) = 2 u 煮十生 吲 u 删 ) - 一瓦卷丽十争 电火花线切割无阻脉冲电源的研究 拉普拉斯反变换得 所以，。“，) ：一c 0 。 l ( 式2 - 5 ) 理论上，u 。和u 。：最小值为0 ，u m m 最大值为u 。但是，由于回路 中存在变压器原边绕组电阻以及线路电阻，实际上u 。和u 。波形最低点 不能到达0 ，u 。最高不超过u 。 此时，m 3 、m 4 这一路处于能量输出状态，r d l 反偏截止。 m i 哟 m 3 叫i m l m 、1 j d 8 ( m 2 ) 1 、 一1 ： ： 、 1 ： = - - j 、1 j 盘q 蚺) - ，、 1 、 ：厂、 7 ： if 、 岖t r i ) ： ? 、】 z ? 。 ：碴f r r 2 ) ：广、 ? 7 j o ljl 、 i l ： 图2 1 2d i 4 时变换器主要原理图波形 开关模态4 、5 、6 分别参考图2 1 0 ( d 、e 、f ) j ，与开关模态1 、2 、3 相似，只是m 3 、m 4 这一路与5 f 【l 、m 2 这一路互换工作状态。 2 占空比d l 4 主要原理波形如图2 1 2 所示，电路各模态的等效电路如图2 1 3 所示， 厣豫1 辱哮 一一 叫 卜， 1 | 什 同 南京航空航天大学硕士学位论文 共分为1 0 种工作模态。 ( 1 ) 开关模态l ， t 。tl ， 参考图2 1 3 ( a ) t 。时刻，m 1 、m 2 管关断，m 3 、m 4 管也关断，d 1 、d 2 开通。此时，存 储在t r 线圈中的能量通过二极管d l 、d 2 回馈到电源，变压器t r i 进行磁 复位。t r 原边电压u 。m 筘位为一u ，。励磁电流通过d l 、d 2 续流，r d l 关 断at 。时刻，舻续流，黟 通使得t r z 原边电压u m m 迅速回零，c “、 c 。上电压立即被充至u ，。2 。在t 。t 。时间里，在正向流动的i 。作用 下，c 。、c 。和t r ：激磁电感k 谐振，u 。，变为负电压。 ( 2 ) 开关模态2 ， t 。，t 。 ， 参考图2 1 3 ( b ) t ；时刻，t r l 复位完成。c 。、c 。和t r 。激磁电感l 开始谐振。谐振方 程见公式( 2 - 4 ) 。此过程中，她、m 4 这一路继续着模态( 1 ) 所示的工作状态， 直到t 。时刻，由于r d 2 和d 5 的作用，u 。被箝位为0 ，谐振停止。 ( 3 ) 开关模态3 ， t ：，t 。 ， 参考图2 1 3 ( c ) c 。、c 。和t r 激磁电感l 继续谐振。t 。时刻，u 。上升到0 ，u 。、 u o s 。下降到u 。2 。由于r d l 、d 5 的作用，谐振停止，u m 被箝位为0 ，u 。、 u d s 2 箝位为u 2 。此过程中，r d 2 开通，d 5 续流。u m 。被箝位为0 ，u 。、 u w 箝位为u 。2 。 ( 4 ) 开关模态4 ， t 。，t j ， 参考图2 1 3 ( d ) u 洲1 ) 、u p ( t r 2 ) 被箝位为0 ，u 、u d mu d s 3 、u 箝位为u 。2 。 ( 5 ) 开关模态5 ， t 。，t 。 ， 参考图2 1 3 ( e ) m 3 、m 4 导通，u n s 。、u 。为0 ，1 1 m t r 2 ) = u 。r d 2 导通，d 5 停止续流。此 过程中，r d l 由于承受反压截止。由于r d l 有结电容，在电压u 。作用下， d 5 结电容c r d 5 、c m 、c m 和t r 。漏感l 。会谐振，u 。、u 。从u ，。2 减小，u 从o 增大，直至ts 时刻。ts t 。n 的五个模态与前面t 。t i 的五个模态相似， 只是m 1 、m 2 这一路与m 3 、m 4 这一路互换了工作状态。开关模态6 、7 、8 、 9 、l o 分别对应 t s ，t e t 。，t ， t ，t 。 t 。，t 。 t 。，t ，。 ，分别参考 图2 1 3 ( f ) ( g ) ( h ) ( i ) ( j ) 。 电火花线切割无阻脉冲电源的研究 船a d ；每，猷i - 2 r d 1 叫1薯黪h d 4 j d 2l h 【9 i ! 一7 1 7 i 一扩7 i 一斟淞“ 2 0 南京航空航天大学硕七学位论文 0 ) t 9 ，t 1 0 】 图2 1 3 d 1 4 时变换器各开关模态等效电路图 2 3 变压器的工作状态分析 变压器t r 原边电压u p ( t r i ) 及磁芯磁感应强度b 的波形如图2 1 4 所示 ( 1 ) t 。t t ： m l 、m 2 导通，t r l 原边电压u p 盯2 u - n ，5 。d 万b u 。， b 从b ，线性上升至b 。 ( 2 ) “t 2 ：m 1 、m 2 关断，t r l 原边电压u p ( r r t ) = - u n p 蔓警；一u 。 b 从b 线性上弭至b ，。 下鹃 b + - j u 心口“ 图2 1 4 变压器原边电压u p ( t w 及磁芯磁感应强度b 的波形 电火花线切割无阻脉冲电源的研究 ( 3 ) tz t “ c o 引、c m 和l 谐振，t r 原边电压u 从一u ，。上升，b 从b r 继续下降。t 。时刻u 。( t r i ) ：o ，b 降至最低( 可能为负) 。 ( 4 ) t 。t t ： c 。一c m 和l 。- 继续谐振，u 从o 继续上升直到t 。时 刻m 3 、m 4 关断。t 。