并联高能量电容电火花加工脉冲电源

摘要

本发明涉及一种机械加工领域中的电火花加工脉冲电源——并联高能量电容电火花加工脉冲电源。该电源包括整流电路(1)、功率因数校正电路(2)、电压调节电路(3)、高能量电容充放电电路(4)、电压及电流检测电路(6)、加工控制模块电路(7)、PWM控制电路(8)。该脉冲电源在单次放电过程中可以为放电加工间隙(5)提供150V左右的空载击穿电压和100～500J的放电能量。电源采用储能器结构并且并联多路大容量电容各自独立充放电，电容储存的高能量不经过限流电阻直接释放于放电间隙，可以产生高的瞬时放电能量和强的放电爆炸力，适用于加工工程陶瓷、聚晶金刚石等难加工材料，彻底取消了耗能严重的限流电阻，电能利用率可提高2-3倍。

权利要求

1.一种并联高能量电容电火花加工脉冲电源，它包括整流电路(1)、功率因数校正电路(2)、电压调节电路(3)、高能量电容充放电电路(4)、电压及电流检测电路(6)、加工控制模块电路(7)、PWM控制电路(8)，其特征是：电压调节电路(3)由功率开关元件(Q2、Q3、Q4、Q5)、高频脉冲变压器(T1)、二极管(D2、D3)、续流二极管(D4)、电感(L2)和储能电容(C2)组成，高能量电容充放电电路(4)由门极可关断晶闸管(Q6、Q7、Q8、Q9)、充放电电容(C4、C5)组成；功率开关元件(Q2、Q3、Q4、Q5)构成全桥逆变器，该全桥逆变器在PWM控制电路(8)所发出的控制信号作用下向高频脉冲变压器(T1)的初级边输送高频脉冲电压，二极管(D2、D3)构成全波整流连接于变压器(T1)的次级边，储能电容(C2)为充放电电容(C4、C5)提供能量，门极可关断晶闸管(Q6、Q7、Q8、Q9)根据加工控制模块电路(7)发送的控制命令按一定顺序导通，充放电电容(C4、C5)轮流充电和放电，放电时电容中储存的能量不经过限流电阻直接释放于放电间隙。

2.如权利要求1所述的并联高能量电容电火花加工脉冲电源，其特征在于：整流电路(1)输出直流电压给功率因数校正电路(2)，经过功率因数校正之后输出给电压调节电路(3)，电压调节电路(3)根据PWM控制电路(8)发送的控制命令自动调节输出电压给高能量电容充放电电路(4)，高能量电容充放电电路(4)在加工控制模块电路(7)发送的控制命令作用下接收并储存电压调节电路(3)中的能量，并输送到放电加工间隙(5)，电压及电流检测电路(6)采集放电间隙的电压和电流信号，输送给加工控制模块电路(7)，加工控制模块电路(7)在对所接收到的电压、电流信号进行分析处理的基础上分别向PWM控制电路(8)和高能量电容充放电电路(4)发送控制信号。

说明书

并联高能量电容电火花加工脉冲电源

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机械加工领域中的电火花加工脉冲电源。

背景技术

[0002] 脉冲电源是电火花加工系统中的一个重要组成部分，其性能的高低直接影响着电火花加工的速度、精度、效率、稳定性和可靠性等。电火花加工脉冲电源种类很多，传统脉冲电源在放电主回路中串联限流电阻，使得脉冲电源的电能利用率低于25%，将近75%的电能以热量的形式消耗在限流电阻上，既降低了电能利用率，又对电源的散热系统和电子元器件的工作性能提出了更高的要求。随着电力电子技术的发展及大功率器件的出现，国内外科技工作者对传统电火花加工脉冲电源主回路的拓扑结构和控制策略进行了改进，研制出了逆变式、高低压复合式、两级结构电流型以及谐振型等脉冲电源，用电感、电容限流取代电阻限流，用高频脉冲变压器取代工频变压器，使脉冲电源的电能利用率得到了较大提高。

[0003] 工程陶瓷、聚晶金刚石等难加工材料在进行电火花加工时大都依靠内部的导电网络来传递电流，具有导电性差、熔点高和导热性好等特点，采用通常的电火花脉冲电源加工时效率低，能耗高，放电均匀性差，加工效果难以达到使用要求，因此这类难加工材料在进行电火花加工时需要专用的脉冲电源。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种新型并联高能量电容电火花加工脉冲电源，电源采用储能器结构并且并联多路大容量电容各自独立充放电，电容储存的高能量不经过限流电阻直接释放于放电间隙，可以产生高的瞬时放电能量和强的放电爆炸力，适用于加工工程陶瓷、聚晶金刚石等难加工材料，彻底取消了耗能严重的限流电阻，电能利用率得到了大幅度提高。

[0005] 本发明的原理是：所发明的并联高能量电容电火花加工脉冲电源主要由整流电路1、功率因数校正电路2、电压调节电路3、高能量电容充放电电路4、电压及电流检测电路6、加工控制模块电路7、PWM控制电路8等组成。电火花放电加工时该脉冲电源与工具和工件相连，放电蚀除加工时所需要的能量由高能量电容充放电电路4提供；电压及电流检测电路6把所检测到的电压、电流信号传送给加工控制模块电路7；加工控制模块电路7在对所接收到的电压、电流信号进行分析处理的基础上，一路向高能量电容充放电电路4发送控制信号来控制门极可关断晶闸管(Q6、Q7、Q8、Q9)的开通关断次序，另一路向PWM控制电路8发送控制信号，PWM控制电路8根据所接收到的加工控制模块电路7和电压调节电路3的信号，来向电压调节电路3发送相应的控制命令，使电压调节电路3输出合适的电压给高能量电容充放电电路4。

[0006] 所发明的并联高能量电容电火花加工脉冲电源一个工作周期可分为四个阶段：(1) 电容(C5)放电，电容(C4)充电：加工控制模块电路7发出控制信号，首先关断门极可关断晶闸管(Q7)，使电容(C5)与电压调节电路3断开，然后开通门极可关断晶闸管(Q9)，电容(C5)中存储的能量被迅速释放到放电加工间隙5中，同时关断门极可关断晶闸管(Q8)并开通门极可关断晶闸管(Q6)，使电压调节电路3对电容(C4)进行充电；(2) 电容(C5)放电完毕，电容(C4)继续充电：电容(C5)中存储的能量释放到放电加工间隙完毕，电压及电流检测电路6将检测到的电压、电流信号传送给加工控制模块电路7，加工控制模块电路7发出控制信号，关断门极可关断晶闸管(Q9)，加工间隙进行消电离，此时门极可关断晶闸管(Q6)继续开通为电容(C4)充电，电容(C4)中的能量继续增加，门极可关断晶闸管(Q7、Q8)持续为关断状态；(3) 电容(C4)放电，电容(C5)充电：电容(C4)充电完毕，放电加工间隙5充分消电离，加工控制模块电路7发出控制信号，关断门极可关断晶闸管(Q6)，使电容(C4)与电压调节电路3断开，然后开通门极可关断晶闸管(Q8)，电容(C4)中存储的能量被迅速释放到放电加工间隙5中，同时开通门极可关断晶闸管(Q7)，使储能电路4对电容(C5)进行充电，门极可关断晶闸管(Q9)持续为关断状态；(4) 电容(C4)放电完毕，电容(C5)继续充电：电容(C4)中存储的能量释放到放电加工间隙完毕，电压及电流检测电路6将检测到的电压、电流信号传送给加工控制模块电路7，加工控制模块电路7发出控制信号，关断门极可关断晶闸管(Q8)，加工间隙进行消电离，此时门极可关断晶闸管(Q7)继续开通为电容(C5)充电，电容(C5)中的能量继续增加，门极可关断晶闸管(Q6、Q9)持续为关断状态。下一个阶段电容C5放电电容C4充电，电源进入下一个工作周期，如此循环往复地进行下去，本发明的脉冲电源便实现了充放电电容(C4、C5)中存储的高能量不经过限流电阻直接释放到加工间隙中，产生高的瞬时放电能量和强的放电爆炸力，并且取消了传统电火花脉冲电源中的限流电阻，较好的实现了高效节能放电加工难加工材料的目的。

[0007] 本发明与目前常用的电火花加工脉冲电源相比具有如下优点：

[0008] 1. 充放电电容中存储的高能量不经过限流电阻直接释放于放电间隙，可以产生高的瞬时放电能量和强的放电爆炸力，加工工程陶瓷和聚晶金刚石等难加工材料时，效率可提高3-5倍。

[0009] 2. 取消了耗能严重的限流电阻，电能利用率可提高2-3倍。

[0010] 3. 采用功率因数校正，可降低谐波污染。

[0011] 4. 由于取消了传统电火花脉冲电源中的大功率限流电阻，因此有效地减少了因电阻发热对脉冲电源中电子元器件的影响作用，提高了脉冲电源的工作可靠性。

[0012] 5. 有较好的电磁兼容性。

附图说明

[0013] 图1是本发明的并联高能量电容电火花加工脉冲电源组成框图。

[0014] 图2是本发明的并联高能量电容电火花加工脉冲电源的电路结构示意图。

[0015] 上图中的符号名称：

[0016] Q1~Q5为功率开关元件，T1为高频脉冲变压器，D1~D4为二极管，L1、L2为电感、C1、C2为电解电容，C4、C5为大容量充放电电容，Q6~Q9为门极可关断晶闸管。具体实施方案

[0017] 参见图1。本发明的并联高能量电容电火花加工脉冲电源包括整流电路1、功率因数校正电路2、电压调节电路3、高能量电容充放电电路4、电压及电流检测电路6、加工控制模块电路7、PWM控制电路8。整流电路1把交流电变成直流电，输送给功率因数校正电路2，进行功率因数校正；校正后的直流电压输出给电压调节电路3；电压调节电路3根据PWM控制电路8发送的控制命令自动调节电压，并输送给高能量电容充放电电路4；高能量电容充放电电路4根据加工控制模块电路7发送的控制信号来向放电加工间隙5提供高放电能量，用来蚀除工件材料；电压及电流检测电路6采集放电间隙的电压和电流信号，输送给加工控制模块电路7；加工控制模块电路7在对所接收到的电压、电流信号进行分析处理的基础上分别向高能量电容充放电电路4和PWM控制电路8发送控制信号；PWM控制电路8根据所接收到的加工控制模块电路7和电压调节电路3的信号，调整其输出脉冲的占空比，进而使电压调节电路3输出合适的电压。

[0018] 参见图2。本发明的并联高能量电容电火花加工脉冲电源的电路中，电感L1、功率开关元件Q1、二极管D1、电容C1和PFC控制器组成功率因数校正电路2，将整流之后的直流电进行功率因数校正，以减少对电网的谐波污染。功率开关元件Q2、Q3、Q4、Q5构成全桥逆变器，该全桥逆变器在PWM控制电路8所发出的控制信号作用下产生高频交流方波，并传送给高频脉冲变压器T1的初级边，在高频脉冲变压器T1的次级边产生频率、相位相同，幅值降低的高频交流方波，并传送给D2、D3构成全波整流电路，该全波整流电路把高频交流方波转换成高频直流方波，输送给由电感L2和电容C2构成的滤波电路，由该滤波电路把高频直流方波变为直流电，电容C2为大容量的储能电容，因此较多的能量存储在电容C2中，二极管D4提供续流回路。门极可关断晶闸管Q6、Q7、Q8、Q9根据加工控制模块电路7发送的控制命令按一定顺序导通，电容C4、C5轮流充电和放电，放电时电容C4、C5中所存储的能量直接释放于放电间隙，产生高的瞬时放电能量和强的放电爆炸力来蚀除工件材料。电压检测电路9并联于由工具和工件组成的放电加工间隙5两端，采集放电电压信号，传送给加工控制模块电路7；电流检测电路10串联于放电主回路中，采集放电电流信号，传送给加工控制模块电路7；PFC控制器11通过控制功率开关元件Q1的开通与关断，使输入电流跟随输入电压的变化，提高功率因数。