中心議題：
- 電流型電火花加工電源的工作過(guò)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(kāi)關(guān)頻率的配合問(wèn)題，詳細推導了在滿(mǎn)足精度加工條件下，濾波電感和電源工作頻率要滿(mǎn)足的約束關(guān)系。最后具體確定了開(kāi)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(shí)對前級變換器的輸出電流進(jìn)行連續不斷的斬波，在整個(gè)負載范圍內（即對應不同的消電離時(shí)間和脈沖寬度組合），可以看作是頻率可以調節的電子負載，后級的斬波頻率為250kHz（對應消電離時(shí)間和脈沖寬度均為2μs）至1.56kHz（對應于消電離時(shí)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(diǎn)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(shí)對后級電子負載進(jìn)行能量補充，即前級是否具有足夠快的響應速度；
3）針對前級變換器所帶的這種電子負載，應該如何對其主要參數進(jìn)行設計。
為了解決這些問(wèn)題，有必要從前后級的工作原理特點(diǎn)入手深入研究。
2 工作過(guò)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(guò)程是這樣的：當開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)，由于工件還處于開(kāi)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(xiàn)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，一直延續到S開(kāi)通時(shí)結束。假設前級變換器的開(kāi)關(guān)頻率為f1，后級電子負載開(kāi)關(guān)S的開(kāi)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(shí)的主要工作波形
在t0時(shí)刻以前，S管開(kāi)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(zhù)時(shí)間的延長(cháng)，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(gè)波動(dòng)過(guò)程。另外，如果電流環(huán)設計沒(méi)有達到最優(yōu)時(shí)，那么電流在調節過(guò)程中的超調量將很大，調節時(shí)間很長(cháng)，致使加工電流不穩定，影響加工效率和精度。但從S的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期看來(lái)，由于f1》f2，S的一個(gè)周期中，前級變換器將要經(jīng)歷多個(gè)周期，即當S關(guān)斷時(shí)，前級變換器有足夠多的周期可以調節iL，使得iL穩定。假設iL的允許波動(dòng)范圍為ILmin～ILmax，并假設f1在S關(guān)斷后經(jīng)過(guò)n個(gè)周期，進(jìn)入穩定狀態(tài)，從能量的角度來(lái)看，即要保證在這n個(gè)周期中，當前級變換器無(wú)輸出時(shí)，電感的儲能要滿(mǎn)足負載能量需求，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(mǎn)足穩定加工，Lf1乘積必須滿(mǎn)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(gè)周期內，后級變換器已經(jīng)經(jīng)歷了f2/f1個(gè)周期，如圖3所示，在0時(shí)刻，前級變換器輸出能量，電感儲能，假設負載也在此時(shí)同時(shí)放電切割，由于變壓器輸出能量大于負載吸收能量，故電感電流上升，在t1時(shí)刻開(kāi)通S，前級輸出短路，零功率輸出，電感電流繼續上升儲能，到t2時(shí)刻關(guān)斷S，負載又開(kāi)始放電，重復上述過(guò)程，直到tn時(shí)刻，變壓器無(wú)輸出，電感開(kāi)始釋放能量向負載供電，在前級變換器開(kāi)始下一周期之前，負載吸收的能量全部來(lái)自?xún)δ茈姼?。通過(guò)分析可以看到，當后級負載經(jīng)歷f2/f1個(gè)周期時(shí)，前級變換器僅為一個(gè)周期，在這個(gè)過(guò)程中，前級變換器對負載的突變是無(wú)法調整的，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(huà)說(shuō)，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(gè)周期(T1=1/f1）內都能滿(mǎn)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(mǎn)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，適當的消電離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(shí)鐘的任意性，考慮到最?lèi)毫忧闆r，假設在前級續流時(shí)，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(gè)周期內所需的能量全部由電感儲能提供，如果電感儲能過(guò)少，將導致前級輸出電流下降較大，使之在下一工作周期中調節占空比，直至占空比增加到一個(gè)適當值，這樣，輸出電流波動(dòng)大，對加工精度不利，因此，要求儲能電感要滿(mǎn)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(lèi)似于f1》f2，不同之處在于前級占空比頻繁調節，電流波動(dòng)大，加工效率和精度差。
（2）f1<f2 類(lèi)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(mǎn)足以上分析結果。
綜上所述，為使得級變換器輸出電流平穩，并且能夠及時(shí)對負載進(jìn)行能量補充，則對Lf1乘積有一定要求，即Lf1要滿(mǎn)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(gè)參數進(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。將上述各參數代入約束關(guān)系可得式（8）
（Lf2）min≥31.25（8）
理論上，Lf1的值取無(wú)窮大最好。在滿(mǎn)足式（8）的條件下，f1減小，則L增大，即當降低前級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 )導致電源體積變大；相反，f1越高，L可以越小，即可以通過(guò)提高電源工作頻率來(lái)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(shí)際應用中，f1不可能無(wú)限制增大，因為當f1很大時(shí)，電源寄生參數的影響明顯增大，開(kāi)關(guān)損耗也加大。因此，這就要求對L和f1的選取進(jìn)行折衷，取一最優(yōu)值，并且當f1足夠大時(shí)，應采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。這里不妨取f1=200kHz，對應于交錯并聯(lián)雙管正激變換器各路頻率為100kHz，此時(shí)可以計算出濾波電感L=156μH，取L=160μH。
3 結語(yǔ)
通過(guò)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(gè)開(kāi)關(guān)型負載，所以濾波電感和電源開(kāi)關(guān)工作頻率的設計不同于以往阻性或感性負載的情況，其電感量和開(kāi)關(guān)頻率的乘積必須滿(mǎn)足一定的約束條件。在滿(mǎn)足約束條件的情況下，適當提高電源工作頻率，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(shí)，當電源頻率較高時(shí)，從提高電源效率角度考慮，建議采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。
