电流型电火花加工电源工作频率和滤波电感确定方法

1　引言

　　电流型电加工电源后级为一电子负载，它在工作时对前级变换器的输出电流进行连续不断的斩波，在整个负载范围内（即对应不同的消电离时间和脉冲宽度组合），可以看作是频率可以调节的电子负载，后级的斩波频率为250K（对应消电离时间和脉冲宽度均2

）至1.56K（对应于消电离时间480

和脉冲宽度160

），负载工作频段极宽，而前级交错并联双管正激变换器的频率是固定不变的，针对这一情况，我们不禁要提出几点质疑：①前后级工作频率配合上是否合理；②前级变换器能否即时对后级电子负载进行能量补充，即前级是否具有足够快的响应速度；③针对前级变换器所带的这种电子负载，我们应该如何对其主要参数进行设计。为了解决这些问题，有必要从前后级的工作原理特点上着手深入研究。


2　工作分析

　　下图为前、后级变换器的主要电路图。其中电容C的容值很小，它的作用是高压引弧放电。具体过程是这样的：当开关M关断时，由于工件还处于开路状态，所以电感中的大电流给C充电，致使工件两端电压线性急剧上升，直至高压击穿正常放电，此后，电流流经工件进行加工，一直延续到M开通时结束。在此，我们假设前级变换器的开关频率为

，后级电子负载开关M的开关频率为

，那么

和

有以下关系：

　　1）、

，即前级的工作频率远高于后级，这种情况对应于后级大脉宽切割。其前后级的主要工作波形如下图所示：

图2　当

时的主要工作波形
在

时刻以前，M管开通，前级输出短路，理想情况下，变压器副边输出极窄的方波，当

时刻关断M时，电流

经M换流至二极管D，给负载输出电流，由于

之前，前级变换器的占空比极小，突加负载后，由储能电感给负载提供部分电流，随着时间的延长，

减小，受电流环的限制，前级变换器占空比增加，开始调节，使

回升至原值，从这一点，我们可以看到，其实

有一个波动过程。另外，如果电流环设计没有达到最优时，那么电流在调节过程中的超调量也很大，调节时间很长，致使加工电流不稳定，影响加工效率。但从M的一个开关周期看来，由于

，M的一个周期中，前级变换器将要经历多个周期，即当M关断时， 前级变换器有足够多的周期可以调节

，使得

稳定。在此，我们假设允许

的波动范围为

，并假设

在M关断后经过n个周期，进入稳定状态，从能量的角度来看，即要保证在这n个周期中，当前级变换器无输出时，电感的储能要满足负载能量需求，数学上，可以用以下关系式表示：

　　则上式可以简化为

　　从上式中可以看出，要满足稳定加工，

乘积必须满足一定的约束条件。

　 　2）、

，即前级工作频率远低于后级工作频率，对应于后级小脉宽切割。这一情况恰好与情况1）相反，即前级变换器在一个周期内，后级变换器已经经历了

个周期，如图3示，在0时刻，前级变换器输出能量，电感储能，假设负载也在此时同时放电切割，由于变压器输出能量大于负载吸收能量，故电感电流上升，在

时刻开通M，前级输出短路，零功率输出，电感电流继续上升储能，到

时刻关断M，负载又开始放电，重复上述过程，直到

时刻，变压器无输出，电感开始释放能量向负载供电，在前级变换器开始下一周期之前，负载吸收的能量全部来自储能电感。通过这个周期的分析我们可以看到，当后级负载经历

个周期时，前级变换器仅为一个周期，在这个过程中，前级变换器对负载的突变是无法调整的，这种情况下，前级占空比的大小由负载的平均功率决定，不受负载突变的影响，换句话说，只要负载特性不变，则前级占空比恒定。为保证前级有足够能量供给负载，所以必须在一个周期

内，有下式成立：

　　否则，若不满足上式，则输出电流

的波动将变大，影响加工效率和精度。从上式中可以看出，

的取值与

也有关系。

　　3）、

，适当的消电离宽度和脉宽组合能够使得前后级变换器的频率相等。由于前后级工作时钟的任意性，考虑到最恶劣情况，假设在前级续流时，后级M关断，放电加工。波形如图4所示。和以上分析方法相同，我们保证后级在一个周期内所吸收的能量全部由电感储能提供，如果电感储能过少，将会导致前级输出电流下降较大，使前级在下一工作周期中调节占空比，直至占空比增加到一个适当值，这样以来，输出电流波动大，对加工精度不利，因此我们要求储能电感要满足以下能量约束关系。

　　理论上，

的值取无穷大最好，在满足上式的条件下，

减小，则L增大，即当降低前级变换器的工作频率时，就要求加大滤波电感的电感量，这会导致电源体积变大；相反，

越高，L可以越小，即可以通过提高电源工作频率来减小储能电感的电感量，达到减小电源体积的目的，但是