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(fù)載開關(guān)頻率的配合問題，詳細(xì)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(jí)為一電子負(fù)載，它在工作時(shí)對(duì)前級(jí)變換器的輸出電流進(jìn)行連續(xù)不斷的斬波，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)（即對(duì)應(yīng)不同的消電離時(shí)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(fù)載，后級(jí)的斬波頻率為250kHz（對(duì)應(yīng)消電離時(shí)間和脈沖寬度均為2μs）至1.56kHz（對(duì)應(yīng)于消電離時(shí)間480μs和脈沖寬度160μs），負(fù)載工作頻段極寬，而前級(jí)交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器的頻率是固定不變的，針對(duì)這一情況，自然要提出幾點(diǎn)質(zhì)疑：

1）前后級(jí)工作頻率配合上是否合理；
2）前級(jí)變換器能否即時(shí)對(duì)后級(jí)電子負(fù)載進(jìn)行能量補(bǔ)充，即前級(jí)是否具有足夠快的響應(yīng)速度；
3）針對(duì)前級(jí)變換器所帶的這種電子負(fù)載，應(yīng)該如何對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了解決這些問題，有必要從前后級(jí)的工作原理特點(diǎn)入手深入研究。

2 工作過程分析

圖1為前、后級(jí)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(shí)，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(jìn)行加工，一直延續(xù)到S開通時(shí)結(jié)束。假設(shè)前級(jí)變換器的開關(guān)頻率為f1，后級(jí)電子負(fù)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(jí)等效電路

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

圖2    f1》f2時(shí)的主要工作波形

在t0時(shí)刻以前，S管開通，前級(jí)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(shí)刻S關(guān)斷時(shí)，電流iL經(jīng)S換流至二極管D，給負(fù)載輸出電流。由于t0之前，前級(jí)變換器的占空比極小，突加負(fù)載后，由儲(chǔ)能電感給負(fù)載提供部分電流，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，iL減小，受電流環(huán)的控制，前級(jí)變換器占空比增加，使iL回升至原值，故iL有一個(gè)波動(dòng)過程。另外，如果電流環(huán)設(shè)計(jì)沒有達(dá)到最優(yōu)時(shí)，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(shí)間很長(zhǎng)，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(gè)開關(guān)周期看來，由于f1》f2，S的一個(gè)周期中，前級(jí)變換器將要經(jīng)歷多個(gè)周期，即當(dāng)S關(guān)斷時(shí)，前級(jí)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(dòng)范圍為ILmin～I(xiàn)Lmax，并假設(shè)f1在S關(guān)斷后經(jīng)過n個(gè)周期，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，從能量的角度來看，即要保證在這n個(gè)周期中，當(dāng)前級(jí)變換器無輸出時(shí)，電感的儲(chǔ)能要滿足負(fù)載能量需求，這可用式（1）表示。

則上式可以簡(jiǎn)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(jí)工作頻率遠(yuǎn)低于后級(jí)工作頻率，對(duì)應(yīng)于后級(jí)小脈寬切割。這一情況恰好與前一種情況相反，即前級(jí)變換器在一個(gè)周期內(nèi)，后級(jí)變換器已經(jīng)經(jīng)歷了f2/f1個(gè)周期，如圖3所示，在0時(shí)刻，前級(jí)變換器輸出能量，電感儲(chǔ)能，假設(shè)負(fù)載也在此時(shí)同時(shí)放電切割，由于變壓器輸出能量大于負(fù)載吸收能量，故電感電流上升，在t1時(shí)刻開通S，前級(jí)輸出短路，零功率輸出，電感電流繼續(xù)上升儲(chǔ)能，到t2時(shí)刻關(guān)斷S，負(fù)載又開始放電，重復(fù)上述過程，直到tn時(shí)刻，變壓器無輸出，電感開始釋放能量向負(fù)載供電，在前級(jí)變換器開始下一周期之前，負(fù)載吸收的能量全部來自儲(chǔ)能電感。通過分析可以看到，當(dāng)后級(jí)負(fù)載經(jīng)歷f2/f1個(gè)周期時(shí)，前級(jí)變換器僅為一個(gè)周期，在這個(gè)過程中，前級(jí)變換器對(duì)負(fù)載的突變是無法調(diào)整的，這種情況下，前級(jí)占空比的大小由負(fù)載的平均功率決定，不受負(fù)載突變的影響，換句話說，只要負(fù)載特性不變，則前級(jí)占空比恒定。為保證前級(jí)有足夠能量供給負(fù)載，必須在一個(gè)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(shí)的主要工作波形

若不滿足式（4），則輸出電流iL的波動(dòng)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(jí)變換器的頻率相等。由于前后級(jí)工作時(shí)鐘的任意性，考慮到最惡劣情況，假設(shè)在前級(jí)續(xù)流時(shí)，后級(jí)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(jí)在一個(gè)周期內(nèi)所需的能量全部由電感儲(chǔ)能提供，如果電感儲(chǔ)能過少，將導(dǎo)致前級(jí)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(gè)適當(dāng)值，這樣，輸出電流波動(dòng)大，對(duì)加工精度不利，因此，要求儲(chǔ)能電感要滿足式（5）能量約束關(guān)系。

即：


圖4    f1=f2時(shí)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(jí)占空比頻繁調(diào)節(jié)，電流波動(dòng)大，加工效率和精度差。
（2）f1<f2    類似于f1《f2，加工情況同（1）。

對(duì)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(jí)變換器輸出電流平穩(wěn)，并且能夠及時(shí)對(duì)負(fù)載進(jìn)行能量補(bǔ)充，則對(duì)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(duì)上述約束關(guān)系中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中，一般要求消電離時(shí)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(jí)變換器的工作頻率時(shí)，就要求加大濾波電感的電感量，這會(huì)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(chǔ)能電感的電感量，達(dá)到減小電源體積的目的。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，f1不可能無限制增大，因?yàn)楫?dāng)f1很大時(shí)，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(duì)L和f1的選取進(jìn)行折衷，取一最優(yōu)值，并且當(dāng)f1足夠大時(shí)，應(yīng)采用軟開關(guān)技術(shù)。這里不妨取f1=200kHz，對(duì)應(yīng)于交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激變換器各路頻率為100kHz，此時(shí)可以計(jì)算出濾波電感L=156μH，取L=160μH。

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析可知，在電流型電火花加工電源中，由于其負(fù)載是一個(gè)開關(guān)型負(fù)載，所以濾波電感和電源開關(guān)工作頻率的設(shè)計(jì)不同于以往阻性或感性負(fù)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(dá)到減小電源整機(jī)重量和體積的目的。同時(shí)，當(dāng)電源頻率較高時(shí)，從提高電源效率角度考慮，建議采用軟開關(guān)技術(shù)。