电子束焊电源系统的设计与仿真_孙进.pdf

294 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用等组成。高压电源的能量转换过程如下：380V三相交流电经EMI滤波电路滤波后转换为稳定的直流电压，经BUCK电路调节直流母线电压。高频交流电压转换；LLC谐振电路的分压；最后经高频高压变压器放大，经高压硅堆整流滤波，输出高压直流电，馈入电子枪。电源控制系统由DSP+FPGA组成。FPGA负责采集高压直流输出信号。内部处理后，处理后的数据送入DSP进行PID运算，输出PWM波形驱动主电路，从而形成闭环控制系统7，实现IGBT开关频率控制和导通占空比，最终实现电子枪充电能量控制，实现电子枪的稳定输出。电子束焊接高压电源系统结构如图1所示。（1）直流电动机。直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而被广泛应用于电拖。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励三类，其中自励又分为并励、串励0 引言电子束焊接技术是一种以高压静电场和电磁场加速收敛的高能电子流为热源，对各种工件或材料进行特殊加工的非接触式高能束加工技术1。电子束焊机主要由电子枪、电源系统、真空机组、真空焊接室、电控系统、夹具及工作系统等组成。电源系统是电子束焊机的重要组成部分，主要工作。电子枪提供对焊接质量起决定性作用的能量2。1950年代以来，电子束焊接高压电源技术经历了三个发展阶段，即工频转换阶段、中频发生器和高频斩波电源阶段3。在各个发展阶段，器件的性能都有很大的提升，尤其是高压电源，它的高压控制范围更广，高压纹波更低，光束控制精度更高，电流更低。设备。目前我国电子束焊接领域最成熟的技术仍是高压电源的中频单元，高频逆变电源的研究已积极开展并已在一定领域得到应用4。随着高频逆变开关电源技术的发展，高频逆变电子束焊机用高压电源的开发和应用越来越受到关注5。与传统工频电源相比，高频逆变电源的重量和体积可以大大减小，并且可以实现高压自动控制和调节，显著提高高压的稳定性和可靠性6。1 电源系统电路结构高压加速电源系统的主电路由EMI滤波器、三相不可控桥式整流电路、BUCK电路、桥式逆变电路、LLC谐振变换器、高压变压器、高压整流滤波电路作者简介：孙进，西安交通工程学院；研究方向：电源系统设计。收稿日期：2022-11-16；修回日期：2022-12-22。摘要：阐述Matlab软件建立电子束焊接高压电源主电路模型仿真，结果表明，所设计的电子束焊接高压电源系统可稳定输出60kV直流电压，纹波系数不超过1%，满足电子束焊接高压电源的技术要求。关键词：高压电源，软开关，Matlab仿真。中图分类号：TG439.3 文章编号：1674-2583(2023)01-0294-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.132文献引用格式：孙进.电子束焊电源系统的设计与仿真J.集成电路应用,2023,40(01):294-296.电子束焊电源系统的设计与仿真孙进（西安交通工程学院，陕西 710300）Abstract This paper describes the simulation of the main circuit model of the high voltage power supply for electron beam welding established by Matlab software.The results show that the designed high voltage power supply system for electron beam welding can stably output 60kV DC voltage,and the ripple coefficient does not exceed 1%,which meets the technical requirements of the high voltage power supply for electron beam welding.Index Terms high-voltage power supply,soft switch,Matlab simulation.Design and Simulation of Electron Beam Welding Power Supply SystemSUN Jin(Xian Institute of Transportation Engineering,Shaanxi 710300,China.)图1 电源系统总体结构框图Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 295和复励三类。当直流电源通过电刷给电枢绕组供电时，电枢表面下部的N极导体可以同向传导电流，根据左手定则，导体将受到逆时针方向的力矩。电枢表面S极的底部导体也以相同的方向传导电流，并且根据左手定则，导体也会受到逆时针方向的力矩。这样整个电枢绕组即转子将逆时针旋转，输入的直流电能在转子轴上转化为输出的机械能。（2）逆变器。在焊接过程中，电子束加热模块通过焊点泵提供能量由电子点泵控制模块送入焊点液相压力差驱动电流，驱动直流电动机驱动工作。逆变器采用LDW5301C610型微型逆变器。LDW5301C620采用直流电动机正负极切换方式工作。该逆变器具有多路输出能力和多输入能力。有两个输出端口一个是在输出端的C4202路交流电压；另一个为50Hz的交流电压工作。其中，在该模块电源开关处设有LDW5301C610型微型逆变器，输出端具有三个直流端口；通过开关与PWM模块相连；通过PWM实现不同脉冲信号变换；输出端还设有各种开关来实现对焊接电流、电压、频率等参数控制功能。（3）换向器和转换器。换向器是为整个焊接系统提供交流电流的换向器，用来对直流电压进行转换。换向器由三个换向泵、换向器、转换器组成。换向器连接各组件，其中换向器有三个功能：输入信号；换向作用。当电子束输入电压高于输入电流时，换向器会吸起电机转子绕组和焊点并联；当换向作用消失时，换向器会切断供电电源，防止系统出现故障。因此，换向器可以将直流电转换成交流电，供驱动电机使用。（4）换向器。换向器是用来使直流电源的电压不低于交流电压输出，换向器的两个电极之间以一定的距离互相摩擦产生电弧。通过电流输出和电压输出的电流可以控制换向器产生电火花进行焊接工作。换向器用于控制换向器使焊点泵在不同的脉冲压力下分别在两个方向旋转实现熔合。通常用来代替固定电阻点焊焊接位置，而用换向器来调节电压，使焊接电弧始终在最佳位置运行。2 主要器件选型设计在电子束焊接过程中，如果出现了控制不当的情况，不仅会影响到焊接质量，同时也会对工艺的完成造成一定的影响。为了使电机能够实现高的工作效率及低的工作功耗、降低噪声等方面的要求，保证电子束焊过程中焊接件表面质量及可靠性，对焊接变压器在脉冲宽度上有所要求，并需提供高密度和低频率的电弧。在合理设计电路图的基础上，对供电系统的主要元器件进行了选型设计，最终确定了高频变压器、整流模块、功率模块、谐振电感、谐振电容等主要元器件的参数。通过反复调试发现。（1）整流模块。三相整流后，输出电压出现脉动，经计算输出电压范围约为510560V，二极管所能承受的最大反向电压为相电压的2.45倍，约为540V。考虑到可变网络的安全裕度和电压2倍的安全裕度，计算整流桥模块的标称电压为1 080V，最终选用三相整流桥模块MDS50A1200V。（2）功率模块。电气系统使用隔离双极晶体管IGBT作为功率开关器件。在IGBT模块的计算和选型中，主要考虑电压和电流容量，并根据计算结果考虑到一定的安全裕度。选项：高压电气系统的功率开关器件是英飞凌系列的IGBT，型号 FF150R12KS4。（3）谐振元件。谐振元件作为电子束焊接中的核心器件，其质量对电子束焊接工艺、功率器件性能、可靠性都有很大影响，在钢轨焊接用电子束焊机的供电系统中主要起到电力传输的作用。设计谐振元件时，需要计算谐振频率，选择合适的电容和电感值，准备材料。电气系统谐振元件的参数计算如下：高压电源的谐振电感为16H，高压电源的谐振电容为1F，高压电源的励磁电感.电压电源为80H。（4）高频变压器。高频变压器是钢轨焊接用电子束焊机供电系统的主要部件，它在供电系统中具有三种作用：输入输出的分离和隔离，电力传输，电压转换8。在设计高频变压器时，需要选择合适的磁芯材料，计算所需的磁芯参数和绕组参数9。电源变压器的参数如下：高压电源变压器的匝数比为1:134。3 主电路仿真模型本文介绍了一种全新的电子束焊电源系统，在本文中，首先对整个系统进行了详细设计，然后在仿真中使用了电子束焊电源，并结合了高精度的脉冲控制和能量控制算法。结合电子束焊电源系统的结构的设计以及器件参数的选型，在此仿真中需使用电子束焊电源工作前进行精确仿真，以获得所需的参数和电流值为参考值。应用Matlab软件中Simulink可视化仿真工具对所设计的电路进行仿真验证10。在Simulink中建立如图2所示的电源系统的主电路仿真模型。图2所示主电路仿真模型中，采用Simulink中Scope模块来显示主电路各部分的图2 主电路仿真模型296 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月Applications创新应用输出波形，采用current measurement电流测量和voltage measurement电压测量来测量输出的电流电压11,12。根据现有的实际电路，调整主电路与控制电路参数，并利用模型来开展具体的问题研究。4 仿真结果分析根据在Simulink中所建模型，对主电路进行模拟仿真，电路中器件模块参数按本章器件选型所选参数进行设置，主要对整流模块、BUCK电路、逆变谐振模块以及最后高压整流输出进行采集显示，为方便分析对所测波形进行了适当的截取，上述模块输出波形如图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）所示，其中驱动BUCK电路的PWM波的占空比为0.8，高压输出端选用600k的等效负载。从图3中所示仿真波形可知，主电路的主要器件的选型合理，为后续搭建原理样机可提供理论指导。对高压输出的稳态波形进行局部放大，显示两种直流电源能够保证两路电压实现同步控制、稳定工作、控制精度高，且不会出现过载现象，实现了可靠性与稳定性分析等功能。如图4所示，输出电压最高为6.01kV，最低电压为5.99kV，由此可得高压稳态时，高压输出纹波为0.16，满足输出要求。表明该系统还具有较强的鲁棒性，基本实现了预期目标，实现了设计功能，达到了设计要求。5 结语利用先进的逆变技术，设计了一套60kV电子束焊机高压电源。并对所设计的电源系统的主要器件进行了选型，本文采用Simulink仿真软件对所设计的电源系统进行仿真，仿真结果表明，所设计的系统原则上可以满足电子束焊接高压电源的技术要求。本文利用仿真软件验证了设计和参数选择的合理性，为后续构建电子束焊接高压电源样机提供了理论依据。参考文献1 王保民,杨喆,车军,李刚.用于钢轨焊接的电子束焊机电源系统J.电焊机,2017,47(10):16-19+34.2 车军,王保民,马胧,刘潇潇.基于LC谐振变换器的电子束焊机高压电源J.电焊机,2017,47(04):34-38.3 符惜炜.基于DSP控制的电子束焊机高压电源系统的研究D.甘肃：兰州交通大学,2017.4 刘潇潇,车军,任牟华,王保民.无缝线路钢轨电子束焊接研究现状分析J.焊接技术,2015,44(06):1-3.5 Da Wei Gu,Yao Yao,Deng Ming Zhang,Ye Bing Cui,Fan Quan Zeng.Matlab/Simulink Based Modeling and Simulation of Fuzzy PI Control for PMSMJ.Elsevier B.V.,2020,166.