低电压下微能RC 脉冲电源放电波形研究

2021-02-25陈晓菲杨晓冬

电加工与模具 2021年1期

张桐，陈晓菲，杨晓冬

（ 1. 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001；2. 上海空间推进研究所，上海201112；3. 上海空间发动机工程技术研究中心，上海 201112 ）

RC 脉冲电源也称驰张式脉冲电源，因其具有可实现极窄脉宽和极低能量的特点而被广泛应用在微细电火花加工中。研究表明，低开路电压下RC脉冲电源也能实现电火花加工，并且由于具有更小的放电能量，因此对于进一步提高微细电火花的微细化程度具有积极意义[1-3]。放电过程中的电压和电流信号是放电状态识别的重要依据，为改善低电压下微能RC 脉冲电源的伺服控制效果，进而提高微细电火花的加工效率，有必要对低电压下RC 脉冲电源放电波形进行深入研究，进而提高放电状态识别的准确性。

针对RC 脉冲电源的放电波形，国内外学者开展了相关研究，其中一个具有争议的问题是维持电压是否存在。李文卓[3]、石煜[4]通过波形观测和理论分析得出RC 脉冲电源放电过程中不存在维持电压的结论，但其忽略了电路中寄生参数的影响。孙术发[5]、Qian[6]、Yang[7]、华晗[8]分析电路中寄生参数对于RC 脉冲电源放电波形的影响，并通过观测验证了RC 脉冲电源放电波形也存在维持电压。以上这些研究都是针对40 V 以上较高开路电压的RC 脉冲电源放电波形，但并未针对开路电压低于20 V 情况下微能RC 脉冲电源进行放电波形研究。为明确低电压下微能RC 脉冲电源放电波形特点，本文进行了观测和对比分析。

1 放电波形测量方法

采用表1 所示的参数，形成图1 所示的低电压下RC 脉冲电源放电波形测量电路，将P6100 电压探头接在充电电容两端，测量充电电容两端电压；将TPP0201 电压探头接在电极末端和工件放电点之间，测量放电间隙两端电压；用TCP312 电流探头测量电路电流，并通过TCPA300 放大器转换为电压信号；所测量的波形利用TBS1154 示波器进行观测和记录。图中：U 为开路电压，R 为限流电阻，Ce为充电电容，Lp为寄生电感，Rp为线路电阻，Cp为寄生电容，UCe为电容两端电压，Ugap为放电间隙两端电压；i 为电路电流。

表1 实验条件

图1 低电压下RC 脉冲电源放电波形测量电路示意图

2 测量结果与分析

2.1 充电电容两端电压

图2 是在不同充电电容Ce和不同开路电压U下测量得到的充电电容两端电压UCe，根据波形可知在任何条件下，UCe波形在放电过程中均呈现持续的下降特征，无维持电压存在。

图2 不同充电电容和开路电压下充电电容两端电压波形

此外，还发现当Ce≤100 nF 时，在第一次放电后UCe出现振荡，并且随着Ce增大，振荡周期逐渐增大；当 Ce≥1 μF 时，放电波形振荡逐渐消失。这是由于当放电间隙发生击穿形成放电通道之后，放电回路中的充电电容和线路中的寄生参数（寄生电感、寄生电容、极间阻抗等）在满足一定条件下发生电磁振荡。如图1 所示，测量所得的充电电容两端电压UCe其实包含了线路中寄生参数的影响，因此并不能真实地反映放电间隙两端电压。

2.2 放电间隙两端电压和放电电流

通过对表1 所示条件下测得的大量放电波形进行分析归纳，可知根据放电次数可分为一次放电波形和两次放电波形，一次放电情况下根据放电结束时放电间隙两端电压Ugap值是否降为0 又可分为完全放电波形和不完全放电波形。随着充电电容Ce的增大和开路电压U 的增大，不完全放电比例和两次放电波形比例增大，完全放电比例减小。

2.2.1 完全放电波形

图3 是不同参数条件完全放电情况下间隙两端电压Ugap及放电电流i 放电波形，放电结束时Ugap值均降为0 V。在放电开始后，放电间隙两端电压迅速下降至0~5 V 区间内，之后进入维持阶段。根据参数条件不同，在维持阶段的前半部分间隙两端电压几乎不变（图3a）或略微上升（图3b），在此过程中放电电流逐渐增大，在维持阶段的后半部分间隙两端电压均缓慢下降至0 V 左右并呈现略微的振荡，放电电流也随之逐渐减小并经过振荡后减小到0 A。试验中发现随着开路电压U 增大，完全放电形式出现比例逐渐减少，当U=50 V 时，几乎很难出现完全放电。

电火花加工放电通道的热流体仿真结果表明，稳态后的放电通道两端应该始终存在电势差[9]，这是因为电火花加工中的放电通道存在一定的阻抗。在晶体管脉冲电源情况下，由直流电源可持续为放电间隙提供稳定能量的独立脉冲电源，因此存在稳定的维持电压；而RC 脉冲电源所形成的放电通道是由充电电容Ce来提供能量的，放电过程中随着Ce中存储电荷不断减少，导致放电通道无法维持稳态，其两端电势差逐渐下降，由此导致了维持阶段后半部分的维持电压逐渐减小的情况。而维持阶段的前半部分对应放电通道的形成过程，间隙两端电压和放电电流呈现上升趋势。

2.2.2 不完全放电波形

图3 完全放电情况下间隙两端电压及放电电流放电波形

图4 不完全放电情况下间隙两端电压及放电电流放电波形

图4 是不同参数条件不完全放电情况间隙两端电压Ugap及放电电流i 的放电波形，放电结束时间隙两端电压Ugap值均未降至0 V。当U=12.5 V、Ce=1 μF 时，不完全放电波形存在两个不同的维持电压，其原因可认为较低维持电压下的放电通道易受放电过程中极间状态瞬时变化的影响而发生动态变化，从而出现维持电压的变化，其中较低的维持电压与完全放电时维持电压大小相等，都在5 V 左右，而较高的维持电压则在15~20 V 附近振荡；当U=25 V、Ce=10 nF 时，不完全放电波形存在一个维持电压，也在15~20 V 左右振荡。试验发现，随着开路电压U 的增大，不完全放电比例增大，而且具有单一维持电压的不完全放电比例增大，这是由于随着开路电压U 的增大，充电电容Ce充电后存储的电荷量增加，导致单次放电逐渐难以实现完全放电，因此随着开路电压U 的增大，不完全放电的比例增大。

2.2.3 两次放电波形

图5 是不同参数条件二次放电情况下的间隙两端电压Ugap及放电电流i 的放电波形，经过两次放电后间隙电压Ugap下降至0 V 左右。比较发现，图5a 和图5b 所示不同参数条件第一次放电时的放电间隙两端电压Ugap分别与图4a 和图4b 中不完全放电时的波形特征相同，而第二次放电的Ugap又分别与图3a 和图3b 中完全放电时的波形特征相同。当出现不完全放电时，充电电容Ce中将残余电荷，此时若极间状态受到某种干扰发生变化，则Ce会发生第二次放电，并且由于第二次放电是基于Ce的残余电荷进行的，因此会发生完全放电。