中心議題：

• 電流型電火花加工電源的工作過程分析
• 電流型電火花加工電源的諧波電感和工作頻率確定

本文分析了電流型電火花加工電源工作頻率和所帶電子負載開關(guān)頻率的配合問題，詳細推導(dǎo)了在滿足精度加工條件下，濾波電感和電源工作頻率要滿足的約束關(guān)系。最后具體確定了開關(guān)頻率和電感值。

1 引言

電流型電火花加工電源后級為一電子負載，它在工作時對前級變換器的輸出電流進行連續(xù)不斷的斬波，在整個負載范圍內(nèi)（即對應(yīng)不同的消電離時間和脈沖寬度組合），可以看作是頻率可以調(diào)節(jié)的電子負載，后級的斬波頻率為250kHz（對應(yīng)消電離時間和脈沖寬度均為2μs）至1.56kHz（對應(yīng)于消電離時間480μs和脈沖寬度160μs），負載工作頻段極寬，而前級交錯并聯(lián)雙管正激變換器的頻率是固定不變的，針對這一情況，自然要提出幾點質(zhì)疑：

1）前后級工作頻率配合上是否合理；
2）前級變換器能否即時對后級電子負載進行能量補充，即前級是否具有足夠快的響應(yīng)速度；
3）針對前級變換器所帶的這種電子負載，應(yīng)該如何對其主要參數(shù)進行設(shè)計。

為了解決這些問題，有必要從前后級的工作原理特點入手深入研究。

2 工作過程分析

圖1為前、后級變換器的主電路圖。其中電容C的值很小，它的作用是高壓引弧放電。具體工作過程是這樣的：當(dāng)開關(guān)S關(guān)斷時，由于工件還處于開路狀態(tài)，所以電感L中的大電流給C充電，致使工件兩端電壓線性急劇上升，直至高壓擊穿正常放電，此后，電流流經(jīng)工件進行加工，一直延續(xù)到S開通時結(jié)束。假設(shè)前級變換器的開關(guān)頻率為f1，后級電子負載開關(guān)S的開關(guān)頻率為f2，那么f1和f2有以下4種情況。

圖1    前后級等效電路

1）f1》f2，即前級的工作頻率遠高于后級，這種情況對應(yīng)于后級大脈寬切割。其前后級的主要工作波形如圖2所示。

圖2    f1》f2時的主要工作波形

在t0時刻以前，S管開通，前級輸出短路，理想情況下，變壓器副邊輸出極窄的方波(Uo)，當(dāng)t0時刻S關(guān)斷時，電流iL經(jīng)S換流至二極管D，給負載輸出電流。由于t0之前，前級變換器的占空比極小，突加負載后，由儲能電感給負載提供部分電流，隨著時間的延長，iL減小，受電流環(huán)的控制，前級變換器占空比增加，使iL回升至原值，故iL有一個波動過程。另外，如果電流環(huán)設(shè)計沒有達到最優(yōu)時，那么電流在調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)量將很大，調(diào)節(jié)時間很長，致使加工電流不穩(wěn)定，影響加工效率和精度。但從S的一個開關(guān)周期看來，由于f1》f2，S的一個周期中，前級變換器將要經(jīng)歷多個周期，即當(dāng)S關(guān)斷時，前級變換器有足夠多的周期可以調(diào)節(jié)iL，使得iL穩(wěn)定。假設(shè)iL的允許波動范圍為ILmin～ILmax，并假設(shè)f1在S關(guān)斷后經(jīng)過n個周期，進入穩(wěn)定狀態(tài)，從能量的角度來看，即要保證在這n個周期中，當(dāng)前級變換器無輸出時，電感的儲能要滿足負載能量需求，這可用式（1）表示。

則上式可以簡化為

從式（2）可以看出，要滿足穩(wěn)定加工，Lf1乘積必須滿足一定的約束條件。
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2）f1《f2，即前級工作頻率遠低于后級工作頻率，對應(yīng)于后級小脈寬切割。這一情況恰好與前一種情況相反，即前級變換器在一個周期內(nèi)，后級變換器已經(jīng)經(jīng)歷了f2/f1個周期，如圖3所示，在0時刻，前級變換器輸出能量，電感儲能，假設(shè)負載也在此時同時放電切割，由于變壓器輸出能量大于負載吸收能量，故電感電流上升，在t1時刻開通S，前級輸出短路，零功率輸出，電感電流繼續(xù)上升儲能，到t2時刻關(guān)斷S，負載又開始放電，重復(fù)上述過程，直到tn時刻，變壓器無輸出，電感開始釋放能量向負載供電，在前級變換器開始下一周期之前，負載吸收的能量全部來自儲能電感。通過分析可以看到，當(dāng)后級負載經(jīng)歷f2/f1個周期時，前級變換器僅為一個周期，在這個過程中，前級變換器對負載的突變是無法調(diào)整的，這種情況下，前級占空比的大小由負載的平均功率決定，不受負載突變的影響，換句話說，只要負載特性不變，則前級占空比恒定。為保證前級有足夠能量供給負載，必須在一個周期(T1=1/f1）內(nèi)都能滿足式（3）要求。

式中：D′2=1－D2，D2為S的占空比。
則有：

圖3    f1《f2時的主要工作波形

若不滿足式（4），則輸出電流iL的波動將變大，影響加工效率和精度。從式（4）中可以看出，Lf1的取值與D′2也有關(guān)系。

3）f1=f2，適當(dāng)?shù)南婋x寬度和脈寬組合能夠使得前后級變換器的頻率相等。由于前后級工作時鐘的任意性，考慮到最惡劣情況，假設(shè)在前級續(xù)流時，后級S關(guān)斷，放電加工。波形如圖4所示。和以上分析方法相同，保證后級在一個周期內(nèi)所需的能量全部由電感儲能提供，如果電感儲能過少，將導(dǎo)致前級輸出電流下降較大，使之在下一工作周期中調(diào)節(jié)占空比，直至占空比增加到一個適當(dāng)值，這樣，輸出電流波動大，對加工精度不利，因此，要求儲能電感要滿足式（5）能量約束關(guān)系。

即：


圖4    f1=f2時的主要工作波形
4）f2與f1接近
（1）f1>f2    類似于f1》f2，不同之處在于前級占空比頻繁調(diào)節(jié)，電流波動大，加工效率和精度差。
（2）f1<f2    類似于f1《f2，加工情況同（1）。

對于f2與f1接近，但f1≠f2的情況，在能量關(guān)系上也必須滿足以上分析結(jié)果。

綜上所述，為使得級變換器輸出電流平穩(wěn)，并且能夠及時對負載進行能量補充，則對Lf1乘積有一定要求，即Lf1要滿足不等式（7）。

為求出Lf1的確切值，必須對上述約束關(guān)系中的各個參數(shù)進行代換。這里取平均值Uδ=25V；D′1=1－D1，在0～1之間變化，故取D′1max≈1；，取ΔI=0.02IL=0.02×20=0.4A；D′2=1-D2，由于在實際應(yīng)用中，一般要求消電離時間≥脈沖寬度，故取0.5≤D2<1，即0<D′2≤0.5，這里取D′2max=0.5。將上述各參數(shù)代入約束關(guān)系可得式（8）
（Lf2）min≥31.25（8）

理論上，Lf1的值取無窮大最好。在滿足式（8）的條件下，f1減小，則L增大，即當(dāng)降低前級變換器的工作頻率時，就要求加大濾波電感的電感量，這會導(dǎo)致電源體積變大；相反，f1越高，L可以越小，即可以通過提高電源工作頻率來減小儲能電感的電感量，達到減小電源體積的目的。但是，在實際應(yīng)用中，f1不可能無限制增大，因為當(dāng)f1很大時，電源寄生參數(shù)的影響明顯增大，開關(guān)損耗也加大。因此，這就要求對L和f1的選取進行折衷，取一最優(yōu)值，并且當(dāng)f1足夠大時，應(yīng)采用軟開關(guān)技術(shù)。這里不妨取f1=200kHz，對應(yīng)于交錯并聯(lián)雙管正激變換器各路頻率為100kHz，此時可以計算出濾波電感L=156μH，取L=160μH。

3 結(jié)語

通過以上分析可知，在電流型電火花加工電源中，由于其負載是一個開關(guān)型負載，所以濾波電感和電源開關(guān)工作頻率的設(shè)計不同于以往阻性或感性負載的情況，其電感量和開關(guān)頻率的乘積必須滿足一定的約束條件。在滿足約束條件的情況下，適當(dāng)提高電源工作頻率，可以減小濾波電感，從而達到減小電源整機重量和體積的目的。同時，當(dāng)電源頻率較高時，從提高電源效率角度考慮，建議采用軟開關(guān)技術(shù)。