一種120kV電子束焊機用的高壓直流電源裝置

摘要：介紹了雙金屬鋸帶電子束焊機用的高壓直流電源裝置的技術(shù)要求，結合電子束焊機用高壓電源的特點(diǎn)，提出一種真空管直接調整式高壓直流電源裝置。詳細介紹了電源的主電路結構和控制電路的工作原理。經(jīng)試驗和現場(chǎng)運行表明：電源的各項技術(shù)指標均達到了預期的設計目標，具有較高的穩定度和較小的紋波電壓。

關(guān)鍵詞：電子束焊機雙金屬鋸帶高壓直流電源穩定性紋波

A Kind of High Voltage DC Source Device for Use

in Electron Beam Welder Abstract:This paper reports the technolongy requirements of high voltage DC source for use in electron beam welder(EBW) in bi metal saw strip production line.According to character of high voltage source,the vacuum tube is used to realize output regulation of high voltage source.The frame of main circuit and working principle of control circuit is introduced.

Experimental results and operation of the machine show the technical parameters of the source meet the designing target in advance,and the source has higher stability and smaller ripple voltage.

Keywords: EBW,Bi metal saw strip,High voltage DC source,Stability, Ripple

1引言

電子束焊接因具有不用焊條、不易氧化、工藝重復性好及熱變形量小的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應用于航空航天、原子能、國防及軍工、汽車(chē)和電氣電工儀表等眾多行業(yè)。電子束焊接的基本原理是電子槍中的陰極由于直接或間接加熱而發(fā)射電子，該電子在高壓靜電場(chǎng)的加速下再通過(guò)電磁場(chǎng)的聚焦就可以形成能量密度極高的電子束，用此電子束去轟擊工件，巨大的動(dòng)能轉化為熱能，使焊接處工件熔化，形成熔池，從而實(shí)現對工件的焊接。根據電子束焊接的基本原理，西方國家在70年代末期研究開(kāi)發(fā)出雙金屬鋸帶電子束焊接新工藝生產(chǎn)線(xiàn)，代替傳統的普通高速鋼鋸帶生產(chǎn)工藝，從而大量節省了高速鋼，并提高了鋸帶的使用壽命。雙金屬鋸帶就是把具有彈性性能好的彈簧鋼和切削能力強的高速鋼通過(guò)電子束焊接方法而獲得的一種新型鋸帶。我國在80年代后期相繼從德國引進(jìn)若干條生產(chǎn)線(xiàn)以滿(mǎn)足國內市場(chǎng)高速發(fā)展的需要，但還不能完全滿(mǎn)足其市場(chǎng)要求[1]。由于電子束焊接包含了機械、真空、高電壓和電磁場(chǎng)理論、電子光學(xué)、自動(dòng)控制和計算機等多學(xué)科技術(shù)，對國內一般廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)技術(shù)難度較大，而引進(jìn)費用又昂貴，為此桂林電氣科學(xué)研究所結合國外技術(shù)及多年從事電子束技術(shù)研究開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，研制成功了我國第一條國產(chǎn)雙金屬鋸帶生產(chǎn)線(xiàn)設備。其中高壓電源是雙金屬鋸帶焊接設備的關(guān)鍵技術(shù)之一，它主要為電子槍提供加速電壓，其性能好壞直接決定電子束焊接工藝和焊接質(zhì)量。為此許多電子束焊機制造商及研究機構均對高壓電源的可靠性、高壓保護、高壓打火對焊件的影響進(jìn)行了研究，并相應制造出具有較高性能的高壓電源，以滿(mǎn)足不同的電子束焊機的需要[2～3]。由于雙金屬焊接要求平行焊縫,要用高壓電子束焊機(100kV以上)焊接雙金屬鋸帶。目前我國還不能生產(chǎn)高壓電子束焊機，為此開(kāi)展高壓電源的開(kāi)發(fā)和研究工作是非常必要的。本文介紹的是雙金屬鋸帶生產(chǎn)線(xiàn)上的高壓焊機用的高壓電源，其控制方式、高壓保護技術(shù)與其它類(lèi)高壓電源具有不同之處，對研究高壓電源的調節技術(shù)、高壓打火保護具有借鑒意義。

圖1高壓電源系統框圖

圖2高壓電源主電路原理圖

2電子束焊機用高壓電源的技術(shù)要求

電子束焊機用高壓電源與其它類(lèi)型的高壓電源相比，具有不同的技術(shù)特性。根據國外電子束焊機制造商的出廠(chǎng)標準、德國DIN標準和我國電子束焊機的技術(shù)要求，電子束焊機用高壓電源的要求具體如下：

2.1技術(shù)要求

電子束焊機用高壓電源的技術(shù)要求由于在國內外還沒(méi)有一個(gè)統一的標準，根據一些廠(chǎng)商提出的技術(shù)要求主要為紋波系數和穩定度，紋波系數要求小于1％，穩定度為±1％，幾乎所有的電子束焊機制造商都提出這樣要求。其中德國PTR公司還提出了中壓型的技術(shù)要求，它要求相對紋波系數小于0.5％，穩定度為±0.5％，同時(shí)還提出了重復性要求小于0.5％。以上要求均根據電子束斑和焊接工藝所決定。

2.2性能要求

電子束焊機用高壓電源在操作時(shí)必須與有關(guān)系統進(jìn)行連鎖保護，主要有真空連鎖、陰極連鎖、閘閥連鎖、聚焦連鎖等，以確保設備和人身安全。高壓電源必須符合EMC標準，具有軟起動(dòng)功能，防止突然合閘對電源的沖擊。

2.3其它要求

較高的可靠性，屬戶(hù)內設備，要求連續工作，外觀(guān)滿(mǎn)足工業(yè)設備要求，維修方便等。

3高壓電源的工作原理和主電路

高壓電源的系統框圖如圖1所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)流抑制電路進(jìn)入高壓升壓整流變壓器的一次，二次升壓到100kV左右。此交流高壓再經(jīng)12相整流濾波獲得160kV左右的直流高壓，加到高壓真空電子管和電子槍上，其中高壓電子管在工作時(shí)承受的電壓為40kV，這樣加在電子槍上的高壓為120kV。高壓真空電子管是用來(lái)調節和穩定高壓輸出的。根據圖1設計的高壓電源的主電路原理圖見(jiàn)圖2，由圖2知本電源為典型的串聯(lián)型直接在高壓側調節的高壓直流穩壓電源，其主電路主要由過(guò)流抑制電路、高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過(guò)壓、過(guò)流保護電路、高壓真空電子管調節電路等組成。高壓升壓整流變壓器、高壓整流電路、高壓濾波及阻容和過(guò)壓、過(guò)流保護電路都放在油箱內，油箱內充滿(mǎn)變壓器油，保證電源本體在工作時(shí)的絕緣和散熱需要。由于高壓電源需連續工作，為確保工作時(shí)的熱量能及時(shí)散出，油箱內部還設計了水冷卻系統。

電源各電路的組成和作用如下：過(guò)流抑制電路由三相橋式整流電路和扼流電感器組成，如果負載出現過(guò)流或電源由于突然合閘在變壓器內引起電磁暫態(tài)過(guò)程而出現大電流等現象時(shí)，過(guò)流抑制電路能有效限制電源內部出現過(guò)電流，以保護電源不受損壞。其原理主要是利用電感電流不能突變的特性限制過(guò)電流，確保高壓變壓器不損壞。正常時(shí)，三相電流平衡，流入過(guò)

流抑制電路的電流很小。整流變壓器二次為四線(xiàn)圈分別接成星型和三角型各2組，各組整流后串聯(lián)獲得12相直流脈動(dòng)電壓，有利于降低諧波電流對電網(wǎng)的污染、減少濾波電容量和減小電源的紋波系數，提高電源本身性能。整流電路由高壓硅堆和阻容元件組成，阻容電路主要防止高壓硅堆產(chǎn)生的過(guò)電壓，保證高壓硅堆不致?lián)p壞。限流電阻和保護電阻分別用來(lái)限制電源內部的過(guò)電流、過(guò)電壓，保證電源的正常工作，要求電阻耐壓水平較高、承受發(fā)熱功率較大。當電源外部短路時(shí)，保護電路能在盡可能短的時(shí)間內動(dòng)作，使得各有關(guān)元器件不致?lián)p壞。高壓濾波電容器濾除直流輸出中的交流脈動(dòng)成份，保證加在電子槍和調整管上的電壓平直。電容芯子直接放置在高壓油箱內，能減小電源本體的體積。調整管為一多極高壓真空電子管，其工作耐壓水平達160kV，主要有陽(yáng)極、控制極、第一、二、三陽(yáng)極等組成，調整管的陽(yáng)極接在高壓整流器的正極，調整管陰極通過(guò)束流取樣電阻連接到大地。調整管能在控制電路的作用下自動(dòng)調節和穩定高壓輸出。高壓調整管由于工作電壓高，在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，為此設計了特殊的散熱裝置，即把整個(gè)調整管放在一裝絕緣油的油箱中，以確保冷卻和絕緣需要，油箱內部還裝有專(zhuān)用散熱的水冷系統，以保證調整管能長(cháng)期可靠工作。調整管的輔助電源很多，考慮到散熱和布局需要也放在油箱內。調整管的調節原理是其陰極由于加熱而發(fā)射電子。電子在陽(yáng)極高壓的加速下，分別到達第二陽(yáng)極和陽(yáng)極，如果第二陽(yáng)極的電壓很高，受加速的電子就會(huì )全部到達第二陽(yáng)極，此時(shí)電子管處于高阻狀態(tài)，電源上的電壓全加在調整管上。只要調節第二陽(yáng)極電壓的大小，調整管上的電壓也得以調節，這樣加在電子槍上的高壓也得以調節，最終實(shí)現對高壓輸出的穩定調節。