黄瑞宁　李　毅　刘晓飞

哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳，518055



节能型电火花加工脉冲电源的研究

黄瑞宁李毅刘晓飞

哈尔滨工业大学深圳研究生院，深圳，518055

设计了一种采用LCL-T主电路结构的新型节能型脉冲电源系统，给出了系统硬件电路和软件设计思路，分析了脉冲电源主要能耗部分的电能损耗，并且利用设计的脉冲电源样机进行了工艺试验，检验了节能型电火花加工脉冲电源的加工工艺性能，考察了系统方案的可行性，试验证明所设计的节能型脉冲电源具有良好的加工功效。

电火花加工；节能；脉冲电源；LCL-T

0　引言

脉冲电源是电火花加工系统的重要组成部分，其性能参数直接影响电火花加工质量，因此关于脉冲电源的研究是电火花加工系统研究领域中的重要组成部分之一[1]。随着能源的日益枯竭，节能型工业产品的研发越来越重要，对于大型工件的电火花粗加工，节能型脉冲电源的研究与设计变得极其有意义，节能型脉冲电源在大功率电火花加工领域已经成为一个重要的发展方向。

传统电火花脉冲电源一般利用电阻限流，这类电源简单耐用，但由于电阻功耗随电流的增大而增加，因此在输出大电流时电阻电能损耗难以承受，且当极间短路时，加工脉冲电流幅值将显著增大，恶化加工状态，而且容易造成拉弧现象甚至烧伤工件。另外，在大功率脉冲电源电火花加工领域，采用限流电阻传统的脉冲电源大部分能量消耗在限流电阻上，其比例甚至高达70%，并且会导致整个系统发热，缩短系统的使用寿命。随着电力电子技术的快速发展，国内外企业及研究机构研发了一系列节能型脉冲电源，如日本三菱电机公司生产的节能型脉冲电源FPII，其能效能量效率接近70%。Rosario等[2]研发的LCC串并联谐振新型脉冲电源能够提供短路保护，从而可保证放电时负载电路的整体稳定性。沈蓉等[3]设计的节能型双路MOSFET脉冲电源采用电感替代电阻限制电流,并用两路MOSFET管替代一路MOS管,电感通过续流二极管将储存的电能返回给电源,从而提高电能利用率。李谢峰等[4]采用电流阶梯波脉冲电源进行加工，可获得较高加工效率，同时减少了电极损耗。Li等[5]采用的基于双臂功率放大器、单臂脉宽调制策略的无电阻式脉冲电源,比传统电阻限流式电源节能16%，电能效率显著提高。哈尔滨工业大学研发的三级串联型高效能电火花加工脉冲电源[6]平均效率在70%左右，最高效率可达74%。但此节能型脉冲电源脉宽与脉间的时间要求大于200μs，并且脉冲电流幅值波动大,因此不能用于精加工。其主要原因在于此脉冲电源利用的PSFB拓扑结构具有电压源的性质，采用的电感限流，需要将电压转化为电流进行控制，由于限流电感没有续流回路，在未放电状态时电感的能量需要消耗在电阻上，当放电脉冲频率在10kHz以上时限流电感的功耗很大，因此电源不能用于精加工，限制了它的使用范围。并且变压器二次侧输出电压较高，导致整流功耗较大，不适合采用同步整流技术。

本文设计了一种新型节能脉冲电源，其平均能效可达到80%，该节能型脉冲电源可适用于电火花精粗加工。

1　节能型脉冲电源硬件的研究与设计

节能型脉冲电源的主电路硬件原理如图1所示，由LCL-T电流源、同步整流电路以及放电软开关电路三部分组成。该脉冲电源利用了LCL拓扑结构[7-8]的恒流源及软开关特性，采用LCL半桥全波整流。非对称占空比方法与斩波调节电流的方法都适用于半桥全波整流，但是移相调节方法随着负载的增大零电压开通范围逐渐减小，因此本文采用零电压开通范围较大的非对称占空比方法调节输出电流。LCL拓扑结构的关键在于谐振点频率以及两个谐振电感的感量选择，谐振点频率对变压器体积及功耗影响较大，两个谐振电感的感量对LCL的软开关特性具有决定性影响。

图1　节能型脉冲电源的整体框架图

LCL拓扑结构设计为恒流源，因而采用电流型自驱动同步整流电路，该整流电路具有驱动波形无死区、不受输入电压的影响和驱动信号的同步性好等特点，由于利用电流互感器，较低的压降就能获得较高的电压检测信号，因此，检测大电流时具备很大的优势。放电软开关电路中，由于电感自身特性的限制以及放电频率较高，不能将其能量全部由电阻来消耗，故增加了续流回路，当极间开路或者短路时续流回路工作，极间击穿正常放电时的脉冲放电回路工作，续流与脉冲放电回路二者交替工作,如图1所示。此外，该脉冲电源为DSP和CPLD控制电路以及MOSFET驱动电路单独设计了供电电路。

2　节能型脉冲电源软件设计

基于嵌入式微控制器的系统软件主要包括电流电压实时采样通信程序、控制环路软件及LCL控制模块、放电电路控制模块等。电流电压实时采样通信程序实现了电流电压数据的实时显示，DSP采集电压与电流数据发送到显示界面，可以实时观察电压与电流的动态变化，便于分析电源的当前工作状态。电源系统为恒流源，因而利用霍尔传感器对电流进行采样控制。由于脉冲放电时系统的负载在不断变化，为了提高系统的动态响应速度[7-8]，对电抗器的电压采用采样负反馈，构成电压内环、电流外环的双闭环系统。在建立系统电压内环、电流外环及前馈环之后，采样程序获得的数据进入控制环路，利用软件数字控制代替模拟电路实现电压内环PI校正为Ⅰ型系统，提高其跟随性能，电流外环PI校正为Ⅱ型系统提高其动态性能，并且对电流环串联超前校正以提高系统的稳定性，如图2所示。LCL控制模块、放电电路控制模块实现输出电流的调节，控制续流与脉冲放电回路交替工作。

图2　系统电压、电流及前馈控制环路

3　节能型脉冲电源系统功效分析

本文设计的节能型脉冲电源输出满载功率理论值Pout=750W，电源效率η=0.9 ，输入功率为

脉冲电源的关键性能参数是能效水平。利用功率分析仪测量输入交流功耗，由于在放电时电流几乎不变且极间电压保持在放电维持电压20 V左右，因此输出功率Pout及加工效率η分别为

式中，Ipulse_out为输出脉冲电流平均值;Vout为放电极间维持电压;D为脉宽与放电周期比例；Ton为脉冲电流放电时间;Tclose为脉冲电流续流时间。

当放电输出平均电流为4 A、6 A、8 A、10 A，脉冲放电占空比分别为0.2、0.4、0.6与0.8时，电源能效如表1～表4所示。由表5可知，电源平均能效达80%，远大于采用电阻限流网络的传统脉冲电源的能效，这也正是节能型脉冲电源的优势所在。在大功率电火花加工领域，节能型脉冲电源已经得到广泛应用。

表1　脉冲电流为4 A时电源能效表

表2　脉冲电流为6 A时电源能效表

表3　脉冲电流为8 A时电源能效表

表4　脉冲电流为10 A时电源能效表

表5　输出平均能效记录表

4　加工工艺试验

为了检验节能型脉冲电源的加工性能，对比节能型脉冲电源与传统脉冲电源的加工性能，笔者针对加工质量、加工效率展开了加工工艺试验。加工工艺试验硬件系统主要由数控系统、节能型脉冲电源/传统脉冲电源、电极及工件四部分组成。工艺试验时采用实验室自行设计的五轴电火花数控加工机床，将节能型脉冲电源和传统脉冲电源分别接入机床，对试验各项参数进行测量记录。

试验时所采用的电极材料为直径1 mm的圆柱紫铜电极，工件材料为45钢。用节能型脉冲电源与传统型脉冲电源在脉宽、脉间、输出电流峰值保持一致的情况下分别加工一个直径为1 mm、深度为0.5 mm的圆孔。节能型脉冲电源加工工艺指标如表6所示。传统脉冲电源加工工艺指标如表7所示。两者加工质量如图3所示，圆孔较为平整，底部较为均匀。

表6　节能型脉冲电源加工工艺参数表

表7　传统型脉冲电源加工工艺参数表

图3　两种脉冲电源加工圆孔工件放大图

试验中每隔20 min记录一次工件加工轴向深度，加工时间为10 h，图4为加工效率对比图。

图4　节能与传统脉冲电源加工效率对比图

由图3、表5可见，所设计的节能型脉冲电源能达到与传统脉冲电源相同的加工质量、较为相近的加工效率，但其平均能效达到80%，远大于采用电阻限流网络的传统脉冲电源的能效，并且达到了与传统脉冲电源相同的加工速度和电极损耗等工艺指标。

5　结语

本文针对电火花特种加工对节能型脉冲电源的需求，在现有节能型脉冲电源基础上研发了新型节能型脉冲电源，其主要特点是：①首次将LCL-T拓扑结构所具有的电流源特性及软开关性质应用于脉冲电源并研发出样机；②变压器二次侧采用同步整流技术，并研发设计了软开关放电电路，使得LCL-T节能型脉冲电源平均能效达到80%；③建立了电压内环、电流外环及前馈环三环控制系统以提高脉冲电源系统电流动态响应速度。

[1]宋博岩，王玉魁，赵万生.高效节能电火花加工脉冲电源的研究进展[J].电加工与模具,2004,29(6):1-4.

Song Boyan, Wang Yukun, Zhao Wansheng. Research Progress of High Efficiency and Energy Saving EDM Pulse Power Supply[J]. Electromachining & Mould, 2004,29(6):1-4.

[2]Rosario C, Christian B, Salvador B, et al. Analysis, Design and Experimental Results of a High-frequency Power Supply for Spark Erosion[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2005, 20(2):361-369.

[3]沈蓉, 刘永红, 纪仁杰. 非导电材料电火花铣削加工节能型双路MOSFET脉冲电源研究[J].机床与液压，2010，39(9):9-10.

Shen Rong, Liu Yonghong, Ji Renjie. Research on Energy Saving Dual-path MOSFET Pulse Power Supply for Non-conductive Material EDM Milling Machining[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2010，39(9):9-10.

[4]李谢峰，刘志东，张旭东，等. 往复走丝电火花线切割高效低损耗切割研究[J].中国机械工程，2014,25(1)：71-76.

Li Xiefeng，Liu Zhidong，Zhang Xudong，et al. Research on High Efficiency and Low-loss Cutting of Reciprocating Wire Cutting EDM[J]. China Mechanical Engineering，2014,25(1)：71-76.

[5]Li Chaojiang, Bai Jicheng, Guo Yongfeng, et al. Study of Energy-saving Pulse Power for WEDM Based on Pulse Width Modulation[C]//Power and Energy Engineering Conference.Asia-Pacific, 2009:10662670.

[6]王玉魁. 节能式电火花加工脉冲电源及其相关技术研究 [D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[7]Mangesh B B，Sunil T, Swarna K. LCL-T Resonant Converter with Clamp Diodes[J]. IEEE Transaction on Power Electronics,2009,5(3):2268-2274.

[8]Mangesh B B, Sunil T, Swarna K. Analysis and Design of an LCL-T Resonant Converter as a Constant-Current Power Supply[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2005,52(6):1547-1554.

(编辑华中平)

Research on energy-saving EDM Pulse Power Supply

Huang RuiningLi YiLiu Xiaofei

Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School , Shenzhen, Guangdong, 518055

The system of a new type of energy-saving pulse power supply which had LCL-T topology circuit was designed. This paper presented the schematic circuit and software design ,and analyzed the power efficiency of major energy-consuming components. The performance and feasibility in machining processes were demonstrated by using the designed pulse power prototype. The experiments show that the designed energy-saving pulse power supply possesses ideal processing effect.

electrical discharge machining(EDM ); energy-saving; pulse supply ; LCL-T

2015-11-02

国家自然基金资助项目(51471507);深圳市基础研究计划资助项目(JCYJ20130329153408574，JCYJ20140417172620449)

TG661

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.18.018

黄瑞宁，男，1977年生。哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院副教授。主要研究方向为微细特种加工。发表论文40余篇。李毅，男，1987年生。哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院硕士研究生。刘晓飞，男，1991年生。哈尔滨工业大学深圳研究生院机电工程及自动化学院硕士研究生。