电子束焊机用高压电源的应用及发展趋势

  电子束焊机的工作原理是阴极加热发射的电子经高压电场加速后形成单位体积内的包含的能量极高的电子束，如果用此高能电子束撞击工件，巨大的动能转变为热能使工件熔化，以此来实现对工件的焊接[1]。它涉及到高电压技术、电子光学、真空技术、精密机械制造、自动化技术、电子计算机技术等，是一高科技工业产品。在上世纪中叶，由于一些特别的材料的焊接需要，人们开始利用电子束焊满足特殊焊接要求，另外也由于电子束焊具有优良的焊接性能，在西方国家获得了广泛的应用和发展。上世纪60年代以来，我国因国防工业、航空航天、原子能工业等高科技产业对一些特殊焊接工艺的需要，开始从西方国家引进电子束焊接设备，特别是自改革开放以来，电子束焊机引进的数量愈来愈多，其应用场景范围也扩展到别的工业领域。与此同时国内的有关科研单位和制造厂家也开始联合研制电子束焊机，以满足国民经济发展的需要。1978年桂林电器科学研究所研制出我国第一台电子束焊机，实现了我国电子束焊机制造和研究零的突破，并具体应用到火箭发动机零件的焊接。到目前为止，据不完全统计，我国有关部门应用电子束焊机已达100多台，其中引进焊机约占一半左右。国产电子束焊机经过二十多年的发展，在技术及可靠性方面虽已有了极大的提高，但与西方发达国家的电子束应用技术相比还有很大的差距，特别是在高压电源的制造及控制技术方面尤其如此（目前我国还不能生产150kV高压型电子束焊机）。由于高压电源在电子束焊机中举足轻重，为此国外的电子束焊接设备制造公司专门成立研究开发机构，以满足电子束技术发展的需要。鉴于此我国更需加强高压电源本体制造技术和控制技术方面的研究[2]。本文重点介绍目前国内外电子束焊机用高压电源的应用实例。根据高压电源的特点及其在使用的过程中出现的新问题，分析高压电源的发展趋势。其目的是使我国一些应用部门较全方面了解高压电源的发展的新趋势，推动高压电源研究的深入开展，从整体上提高我国电子束焊机的制造水平。

  电子束焊机用高压电源与别的类型的高压电源相比，具有不一样的技术特性。由于电子束焊机用高压电源国内外还没有一个统一的标准，本文只能根据国外电子束焊机制造商的出厂标准、德国DIN标准和我国电子束焊机的技术标准，归纳如下：

  纹波系数小于1％，稳定度为±1％，几乎所有的电子束焊机制造商都提出这样的要求。其中德国PTR公司还要求中压型的相对纹波系数小于0.5％，稳定度为±0.5％，同时还提出了重复性要求小于0.5％。以上要求均根据电子束和焊接工艺决定。

  电子束焊机用高压电源在操作时必须与有关系统来进行连锁保护，主要有真空连锁、阴极连锁、闸阀连锁、聚焦连锁等，以确保设备和人身安全。高压电源一定要符合EMC标准，具有软起动功能，防止突然合闸对电源的冲击。

  较高的可靠性，属户内设备，要求连续工作，外观满足工业设施要求，维修方便等。

  电子束焊机用高压电源按控制方式、调节方式、绝缘介质使用、电压等级及功率、供电方式等进行分类，具体如下：

  小功率输出功率在3kW及以下，适用于薄件的焊接；中功率通用性较强，适合于通用零件的焊接；大功率大多数都用在大厚件的焊接如汽轮机隔板的焊接等。

  前者俗称高压油箱，常用变压器油或者十二烷基苯等绝缘介质；后者正处在研究之中，适用于便携式焊机。

  用网供电，中频一般用中频机组供电，高频供电频率在10kHz以上，一般都会采用大功率晶体管振荡器、晶闸管变流器及别的类型的逆变器。

  管调压型、脉宽调制（PWM）逆变型、中频机组调压型、高压线）按调节方式可分为直接调整式和间接调整式，

  前者指的是调节和稳定直接在高压侧进行；后者指的是调节和稳定在低压侧进行，一般是通过调节升压变压器的原边电压来实现。

  电子束焊机用高压电源的主电路原理基本相同，通常经过高压变压器升压，再通过十二相整流（也有六相全波整流、单相全波整流等）和滤波后获得直流高压加到电子枪上，所不同的是调节控制电路的形式。国外有代表性的制造公司有法国的Sciaky公司、Techmeta公司，英国的CVE公司、Wantgate公司，德国的PTR公司（以前的L?B公司）、M?G公司（igm公司），乌克兰的Paton焊接研究所等，这些制造商代表了目前国际电子束焊机制造的水平，现就一些典型的高压电源应用实例进行介绍。

  Techmeta公司电子束焊机用高压电源的控制原理框图如图1所示。控制和调节反馈信号由高压电阻分压器的低压臂获得，PI调节器在给定信号和反馈信号的作用下输出一直流信号给电压频率转换电路，转换成一定频率的脉冲，此脉冲送入驱动电源驱动步进电机，步进电机带动调压器手柄来调节其输出电压，以此来实现对高压输出的稳定和调节。输出电压的变化反映到调压器的手柄调压位置，依靠一套高精度的伺服系统来完成。由于主电路中的调压元件为接触调压器，稳定性和可靠性高，没有谐波对电网的干扰，比较适用于中小功率的高压电源使用。这种电源由于采用工频供电，滤波电容较大，直接影响到系统的响应时间，不易实现快速调节和对高压打火的快速保护，在大功率时接触调压器易发热影响电源的长期工作，高精度的伺服系统调试和维修相对困难。

  PTR公司的电子束焊机用高压电源的控制原理框图如图2所示。PI调节器在给定信号和从高压分压器取得的反馈信号作用下，输出一直流电压信号控制晶闸管的导通角，以此来实现高压的稳定和调节。德国igm公司、英国CVE、Wantgate公司、国产HDZ系列电子束焊机均采用这种形式的高压电源，适用于各种功率及电压等级，应用场景范围广，工作比较可靠。但移相控制电路相对复杂，对电网有谐波污染，要求高压滤波电容量较大，电源的体积相对较大，效率较低。由于滤波电容量较大，控制管理系统的响应时间比较久，不易实现高压打火的快速保护。

  乌克兰Paton焊接研究所的电子束焊机用高压电源的控制原理框图如图3所示。它的典型特点是高压的稳定和调节直接在高压侧，具有自动再加高压系统，即在高压打火时通过高压真空管快速切断和恢复高压而不停机，不影响设备的正常焊接。PI调节器在给定信号和从高压分压器获得的反馈信号作用下，输出一直流电压信号到功率放大电路，经放大的调节信号输出到真空管的第二阳极以调节真空管的导通程度，输出直流高压便得到稳定和调节。这种电源的优点是在高压打火时滤波电容器上的能量由于真空管的隔离而不能泄放到工件上，确保工件不至于因高压打火而损坏。另外在产生过电压时，高压反馈信号反馈到自动再加高压系统上快速切断高压，一旦过压消失，系统迅速恢复高压，整个作用时间在ms级内。这种高压电源还具有调制功能，非常适合于电子束打孔用，稳定度高、纹波系数小。由于采用高压真空管直接调节高压，其附加电源多，电路结构较为复杂，体积加大（两台油箱），电子管在工作时散发大量的热量，需加散热装置，电源效率相比来说较低，不适宜用于电网电压波动较大的地区，另外电子管还存在着寿命问题。

  国产HDZ系列电子束焊机用高压电源的控制原理框图如图4所示，是桂林电器科学研究所于上世纪90年代推出的一种电子束焊机用的高可靠性高压电源。它采用电动中频发电机组供电，依靠调节发电机的励磁电流实现高压的稳定和调节。PI调节器在给定信号和反馈信号的作用下输出到控制功率放大电路，以调节发电机的励磁电流，实现高压的稳定和调节。给定信号实现了数字化控制，可编程逻辑控制器（PLC）的程序通过D/A特殊模块转变为模拟量给PI调节器，能较容易实现高压的软起动和软关机。由于中频机组与电网隔离，故电网电压的波动对电源影响较小。采用中频供电，电源的纹波小，滤波电容量小，能相对减小电源本体的体积。不足之处是发电机的噪声较大，中频机组也增大了整个电源的占地面积。控制管理系统响应时间相对较长，较适宜于30kW及以下的应用场合。

  综上所述可知电子束焊机用高压电源主要存在两个问题：体积大和效率低。为此在高压电源的研究方面主要应从电源本体和控制技术等几个维度进行。

  研究表明：采取高强度的绝缘介质能有效地减小电源的体积和重量，特别是SF6高强度绝缘气体在电气设备中的成功应用，为电子束焊机用高压电源采取高强度绝缘气体开辟了广阔的前景。西方国家已推出用SF6气体作为绝缘介质的电子束焊机用高压电源如图5所示[7]。这种焊机的高压电源和电子枪做成一体化，主要使用在于小功率。在高压及大功率方面需对以下课题进行研究：直流电压下SF6气体绝缘特性的研究、低压电子元器件与SF6气体绝缘兼容性的研究、气体绝缘变压器的制造技术、SF6气体绝缘结构的优化设计、气体绝缘型高压电阻分压器的研制及对地杂散电容对高压电源输出特性的影响等。

  为了减小电源本体的体积，也有研究者希望采用固体介质绝缘，如合成在允许电压下不导电的材料或树脂绝缘材料，能使高压电源集成一体化，从而有效地减小电源的体积。此类电源的研究课题有结构符合常理的模具的制造、合理的工艺配方的研究、绝缘结构的优化设计、热性能和电性能良好的在允许电压下不导电的材料等。

  随着电子技术、自动控制技术、功率电子器件技术的加快速度进行发展，人们开始研究采用开关电源技术来控制和调节高压，这种电源的工作原理框图如图6所示。德国PTR公司和igm公司已开展这方面的研究，并制造出小功率的样机。开关型高压电源能保证电子枪在打火时，以极快的速度关断电源，并在很快的时间内恢复高压，保证焊接过程的顺利进行，具有理想的高压放电保护性能。开关型高压电源由于供电频率的提高，在以下几个方面要进行研究：高压打火时对低压电路的影响及保护技术的研究、高频高压变压器的制造技术、滤波电容器的高频性能的研究、克服对地杂散电容对高压电源的电压降落的措施及高频下的绝缘特性的研究等。另外电力电子器件承受高电压能力（过电压）较差，采取合适的保护的方法，提高电力电子器件的安全和稳定能力，以及如何应用于高压和大容量的电子束焊机是今后要逐步研究的课题。

  目前高压测量及电子束流的测量和取样均从高压分压器取得，不进行有效的隔离，有时导致干扰信号，使控制电路误动作，为此需增加抗干扰电路。在高压电路中采用光电耦合技术能有效地解决干扰问题[8]，使控制电路不受高压打火的影响，没有高压干扰信号的影响，测量结果准确可靠。

  （3）开关型高压电源有利于提高电源的效率和减小电源的体积，是高压电源的发展方向；

  （4）进一步研究和开发高电压及大功率电子束焊机用高压开关电源，是电子束焊机发展的需要；

  （5）光耦技术在高压电源中的采用，能提高控制管理系统的可靠性和测量精度，值得推广和应用。