抑制电子束焊机加速高压电源过电压的措施

2010-02-26莫力林

装备制造技术 2010年4期

莫力林

(桂林狮达机电技术工程有限公司，广西桂林541004)

电子束焊机是一种综合了真空物理、电子技术、电子光学、高电压技术、计算机和控制技术等多种技术的高科技产品。电子束焊机高压加速电源，用于为电子束提供加速电场，其性能的好坏，直接决定着电子束焊接质量。加速高压电源，是电子束焊机的关键部件之一，其可靠性对整个设备的可靠性至关重要。而影响加速高压电源可靠性的主要原因，就是过电压。过电压，一方面作为一种加速电压干扰波动源，而影响设备的电子束的品质，影响焊接质量；另一方面，还可能损害加速高压电源，缩短其使用寿命。因此需要采取有效措施，抑制加速高压电源过电压的幅值。

1 过电压的产生及特点

电子束焊机加速高压电源的原理如图1所示。由升压变压器 T1、高压硅堆整流桥 ZL1、高压 π 型滤波电路（C1、C2、L1）、高压分压采样电路（R1、R2）、束流取样电阻R3等组成。

图1 电子束焊机高压电源原理图

引起电子束焊机加速高压电源运行过程产生过电压的因数有：

（1）高压变压器T1的初级与市电电网相连，如果电网受到雷击，雷电波将自输入线路入侵加速高压电源装置，产生过电压，威胁加速高压电源装置。电子束焊机为室内设备，受雷击概率很小，只要在设备电源进线端设置避雷装置，就能防雷保护设备。

（2）电子束焊机加速高压电源的结构，不仅存在感性和容性的元件，还存在感性和容性的分布参数，在操作或换流过程产生大的电流变化率或大的电压变化率（，从而产生瞬时过电压，或高频谐振现象。这种过电压脉冲较窄，峰值较高，概率较大，但能量较低。

（3）电子束焊机加速高压电源的滤波电路，采用π型LC滤波电路结构，与常规电源滤波电路的区别在于高压电容值很小，滤波电路不得不采用小电容值与大电感值相配合方式。电子束焊机在运行中，如果电子枪放电，相当于图1中高压输出短路，电子枪上的高压急剧下降，电子枪的真空绝缘恢复而截流。此时L1所积聚的能量无法回馈电网，只能通过C2充电释放能量，C1电压旧会升至危险值。电子枪放电引起的过电压，对电子束焊机加速高压电源威胁是最严重的。下面以THDW-15型电子束焊机为例，作进一步说明。

在HDW-15型电子束焊机加速高压电源中，L1为8.5H，C1、C2为 0.003 9 μF，放电峰值电流 Ibk=6.7A。那么 L1积聚的最高能量为

当L1的能量全部转移到C2上，此时

该电压值已远远超过了额定电压（75 kV），必须加以抑制，出现超高幅值的截止过电压，是大电感小电容LC滤波电路所特有的缺陷。

2 抑制措施

具备抑制瞬时过电压的电子束焊机加速高压电源的原理如图2所示，包括升压整流单元、高压滤波单元和取样单元。升压整流单元包括升压变压器T1和高压整流硅堆ZL1，实现电压等级变换及交流、直流变换，其输出端接高压滤波单元；高压滤波单元是由电感L1和电容C1、C2组成的无源滤波电路，使得加速高压电源输出电压波形平直，其高压输出端接至电子枪的阴极，电子枪的阳极接地；高压滤波单元的输出端还接有取样单元，取样单元有加速电压分压取样电阻R1、R2和电子束流取样电阻R3，取样单元输出加速高压电源工作电压取样信号Ug和电子束流取样信号Ib。本高压加速电源，还包括有整流端氧化锌避雷器Ry1和输出端氧化锌避雷器Ry2。整流端氧化锌避雷器Ry1一端接于升压整流单元的高压输出端。整流端氧化锌避雷器Ry1，可对升压变压器T1高压输出端的多相过电压同时抑制保护，其起始动作电压为加速高压电源额定电压的1.5～1.8倍。输出端氧化锌避雷器Ry2一端接于高压滤波单元的高压输出端，Ry2为加速高压电源内部瞬时过电压主抑制元件，由于加速电源采用闭环控制，正常工作电压波动范围很小，一般为1%以内，此避雷器的起始动作电压，为加速高压电源额定电压的1.1～1.15倍，实现过电压高精度抑制保护。

图2 抑制电子束焊机高压电源过电压原理图

两个氧化锌避雷器Ry1和Ry2对过电压的抑制，是通过钳位方式，将对设备有危害的过电压经避雷器泄流，过电压能量转化成热量被吸收掉，不同电压保护等级，可用多个低压氧化锌避雷器串联组合，单个氧化锌避雷器选用动作电压为1 500 V、通流容量为3 kA，即可满足容量要求。氧化锌避雷器的动作响应速度为纳秒（ns）级，几乎可以看成是没有延时的，故有效地抑制瞬时过电压，避免了过电压对加速高压电源的损害。氧化锌避雷器具有较大的寄生电容，有利于在高压加速电源这种直流场合的使用。

二避雷器Ry1、Ry2的低压端，接避雷器漏电流取样电路后接地，避雷器泄漏电流取样电路，连接避雷器泄漏电流检测单元K1，避雷器泄漏电流检测单元输出超压信号Uer，其输出端与电子束焊机的高压加速电源的供电电源的控制装置相连接。

避雷器泄漏电流取样电路，由并联的压敏电阻Ry3、泄漏电流取样电阻R4和滤波电容C3组成，泄漏电流取样电阻R4为10 W/1 kΩ，压敏电阻Ry3的压敏电压为33 V，通流容量选为0.5 kA，滤波电容C3选用0.01μF/100 V的瓷介电容。

当未达到氧化锌避雷器Ry1或Ry2的起始动作电压时，Ry1和Ry2的泄漏电流仅为微安（μA）级，此时避雷器泄漏电流取样电路输出电压信号近乎为零。当有Ry1和Ry2的起始动作电压的过电压时，Ry1或Ry2起钳位作用，流过Ry1或Ry2的电流大大增加，避雷器泄漏电流检测单元K1得到避雷器泄漏电流取样电路输出的电压信号，与设定值5 V进行比较。如果为宽脉冲过电压，避雷器泄漏电流取样电路输出的电压信号将超过5 V，表明流过Ry1或Ry2的平均电流已超过5 mA安全值。为了避免避雷器热击穿，此时避雷器泄漏电流检测单元K1输出超压信号Uer给电子束焊机高压加速电源的供电电源的控制装置，用来降低供电电压或切断供电电源。如果是尖锋脉冲过电压，由于避雷器泄漏电流取样电路中滤波电容C3的平缓作用，使得避雷器泄漏电流取样电路的输出电压不会超过5 V，避免了避雷器泄漏电流检测单元K1输出错误信号；当宽脉冲大电流通过避雷器泄漏电流取样电路时，压敏电阻Ry4动作限压于33 V，保护取样电阻R4和滤波电容C3避免被损毁。