專(zhuān)利名稱(chēng)：電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子束快速成型制造設(shè)備，具體為電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置及其控制方法。
背景技術(shù)：
電子束快速成型制造技術(shù)是采用電子束在計(jì)算機(jī)的控制下按零件截面輪廓的信息有選擇性地熔化金屬粉末，并通過(guò)層層堆積，直至整個(gè)零件全部熔化完成，最后去除多余的粉末便得到所需的三維產(chǎn)品。與激光及等離子束快速成型相比，電子束快速成型具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)，如能量利用率高、加工材料廣泛、無(wú)反射、加工速度快、真空環(huán)境無(wú)污染及運(yùn)行成本低等。電子束快速成型是高性能復(fù)雜金屬零件的理想快速成型制造技術(shù)，在航空航天、汽車(chē)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。而電子束快速成型制造設(shè)備是一種綜合了真空物理、精密機(jī)械、電子技術(shù)、電子光學(xué)、高電壓技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)等多種技術(shù)的高科技產(chǎn)品，加速電源是其關(guān)鍵部件。電子束快速成型制造設(shè)備對(duì)加速電源要求控制精度高，輸出高壓紋波系數(shù)小，調(diào)節(jié)速度快，輸出電壓動(dòng)態(tài)波動(dòng)小。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)電子束快速成型制造設(shè)備對(duì)加速電源的高性能要求，提供一種電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置及其控制方法，其具有調(diào)節(jié)速度快、輸出高壓紋波小和穩(wěn)壓精度高的特點(diǎn)。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
本發(fā)明一種電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置，包括電網(wǎng)濾波器、晶閘管軟啟動(dòng)單元、高壓變壓器、十二脈波高壓整流單元、高壓整流濾波電容、高壓整流濾波電容放電電阻、輸出聞壓濾波電感、輸出聞壓濾波電容、輸出聞壓濾波電容放電限流電阻、穩(wěn)壓兀件并聯(lián)支路、加速電壓取樣電路、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻、電子束流取樣電阻、高壓電子管、中央控制單元和加速電壓調(diào)節(jié)器。電網(wǎng)濾波器的輸入端與外部電源相連，輸出端經(jīng)晶閘管軟啟動(dòng)單元與高壓變壓器的初級(jí)繞組相連。高壓變壓器次級(jí)繞組連接十二脈波高壓整流單元的輸入端，高壓整流濾波電容和高壓整流濾波電容放電電阻并聯(lián)后接在十二脈波高壓整流單元的輸出端上。輸出高壓濾波電感和輸出高壓濾波電容組成LC濾波電路。其中輸出高壓濾波電感和輸出高壓濾波電容相連的一端通過(guò)輸出高壓濾波電容放電限流電阻后與電子槍的陰極相接，輸出高壓濾波電感的另一端接在十二脈波高壓整流單元的負(fù)輸出端上，輸出高壓濾波電容的另一端則經(jīng)過(guò)電子束流取樣電阻后與大地和電子槍的陽(yáng)極相接。穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路由多個(gè)二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管串聯(lián)組成。穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻串聯(lián)后，再與加速電壓取樣電路并聯(lián)，兩并聯(lián)支路的一端接在輸出高壓濾波電容放電限流電阻的輸出端，另一端與大地相連。高壓電子管的陽(yáng)極與十二脈波高壓整流單元的正輸出端相接，高壓電子管的陰極通過(guò)電子束流取樣電阻與大地相接。高壓電子管的燈絲兩端接外部恒流電源，高壓電子管的簾柵極與其陰極之間接外部恒壓電源。高壓電子管的柵極接加速電壓調(diào)節(jié)器的輸出端上。中央控制單元的2路模擬輸入端分別連接加速電壓取樣電路的取樣信號(hào)輸出端、電子束流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端。中央控制單元的一個(gè)輸出端連接晶閘管軟啟動(dòng)單元。
加速電壓調(diào)節(jié)器的5路輸入端分別連接中央控制單元的加速電壓給定信號(hào)輸出端、中央控制單兀的電子束流給定信號(hào)輸出端、加速電壓取樣電路的取樣信號(hào)輸出端、穩(wěn)壓兀件并聯(lián)支路電流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端和電子束流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端。作為改進(jìn)，上述電子 束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置還進(jìn)一步包括故障判別電路，該故障判別電路的輸入端連接電子束流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端和加速電壓取樣電路的取樣信號(hào)輸出端。故障判別電路的輸出端連接加速電壓調(diào)節(jié)器和中央控制單元。上述方案中，所述加速電壓調(diào)節(jié)器主要由2個(gè)運(yùn)輸放大器IC1、IC2，3個(gè)二極管Dl D3，I個(gè)穩(wěn)壓二極管Zl，11個(gè)電阻Rl R11，以及I個(gè)電壓放大器組成。其中中央控制單元的電子束流給定信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R6接至運(yùn)算放大器IC2的同相輸入端，運(yùn)輸放大器IC2的同相輸入端通過(guò)電阻R7與大地相接，電子束流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R5連接運(yùn)輸放大器IC2的反相輸入端。電阻R8兩端分別接至運(yùn)輸放大器IC2的反相輸入端和輸出端，運(yùn)輸放大器IC2的輸出端先后通過(guò)穩(wěn)壓二極管Zl、二極管D2和電阻R4接至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端。中央控制單元的加速電壓給定信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R1、加速電壓取樣電路的取樣信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R2以及穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R3 —起接至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端。運(yùn)算放大器ICl的同相輸入端通過(guò)R9與大地相接。故障判別電路的輸出端經(jīng)二極管D3接至運(yùn)算放大器ICl的同相輸入端。二極管D2與電阻RlO并聯(lián)后，二極管D2的陰極接運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端，二極管D2的陽(yáng)極接運(yùn)算放大器ICl的輸出端。運(yùn)算放大器ICl的輸出端通過(guò)電阻RH接至電壓放大器的輸入端，電壓放大器的輸出端為加速電壓調(diào)節(jié)器的輸出端接至高壓電子管的柵極。作為進(jìn)一步改進(jìn)，上述電子束流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端、中央控制單元的電子束流給定信號(hào)輸出端和故障判別電路的輸出端還與電子束快速成型制造設(shè)備中的電子束流調(diào)節(jié)器的輸入端連接。上述方案中，所述高壓變壓器的初級(jí)繞組為三角形或星形接法。高壓變壓器的一組次級(jí)繞組為三角形接法，另一組次級(jí)繞組為星形接法，且兩組次級(jí)繞組的線電壓值相同。上述方案中，所述十二脈波高壓整流單元由兩個(gè)三相高壓整流橋串聯(lián)組成，或由兩個(gè)三相高壓整流橋通過(guò)平衡電抗器并聯(lián)組成。基于上述加速電源裝置所實(shí)現(xiàn)的電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置的控制方法，采用工頻交流輸入一工頻變壓器升壓一高壓整流濾波一高壓電子管串聯(lián)調(diào)整調(diào)節(jié)一二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管為并聯(lián)穩(wěn)壓輸出的技術(shù)路線，通過(guò)輸出高壓的負(fù)反饋信號(hào)和穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路的電流信號(hào)去控制高壓電子管的等效電阻，進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)壓，并限制穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路的電流。
工頻交流輸入在中央控制單元控制下，晶閘管軟啟動(dòng)單元的晶閘管的導(dǎo)通角由0逐漸增大到全導(dǎo)通，進(jìn)入正常工作:如果中央控制單元輸出的加速電壓給定值小于或等于臨界值，并使得加速電源輸出電壓值低于或等于穩(wěn)壓元件的總穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路無(wú)電流通過(guò)，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣信號(hào)為零；加速電壓調(diào)節(jié)器中只有中央控制單元輸出的加速電壓給定信號(hào)和加速電壓取樣電路輸出的加速電壓取樣信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管的柵極，加速電源的輸出電壓值與加速電壓給定值成比例關(guān)系；如果中央控制單元輸出的加速電壓給定值超過(guò)某一個(gè)臨界值，并使得加速電源輸出電壓值達(dá)到穩(wěn)壓元件的穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路中有電流通過(guò)，加速電壓調(diào)節(jié)器中加速電壓給定信號(hào)和加速電壓取樣信號(hào)進(jìn)行比較后，再與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻輸出的穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣信號(hào)進(jìn)行比較，總偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管的柵極，加速電源的輸出電壓值穩(wěn)定在穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路的總穩(wěn)壓值，且穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路的電流值正比于加速電壓給定值與臨界值的差值。 作為改進(jìn)，加速電 壓調(diào)節(jié)器，判斷電子束流超過(guò)其設(shè)定值的某一數(shù)值后，差值將產(chǎn)生截止負(fù)反饋，限制非正常電子束流值。作為改進(jìn)，上述電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置的控制方法還進(jìn)一步包括故障保護(hù)控制，即故障判別電路檢測(cè)電子束流取樣電阻上的電壓信號(hào)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為電子束流過(guò)流故障；故障判別電路檢測(cè)穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻上的電壓信號(hào)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路過(guò)流故障；故障判別電路檢測(cè)加速高壓取樣電路的輸出電壓信號(hào)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為加速電壓過(guò)壓故障，如果產(chǎn)生負(fù)突跳變化判為加速電源產(chǎn)生高壓放電故障；上述任一故障的產(chǎn)生故障判別電路都輸出信號(hào)，并立即封鎖加速電壓調(diào)節(jié)器和電子束流調(diào)節(jié)器的輸出；故障判別電路輸出信號(hào)同時(shí)被送至中央控制單元，用于故障提示及電子束快速成型制造設(shè)備其它控制單元的連鎖保護(hù)；如果產(chǎn)生高壓放電故障，加速電壓調(diào)節(jié)器和電子束流調(diào)節(jié)器的輸出被封鎖1-2毫秒后，自動(dòng)解除封鎖，實(shí)現(xiàn)高壓自動(dòng)重啟；在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)高壓放電故障發(fā)生次數(shù)超過(guò)設(shè)定次數(shù)則判為“永久故障”，此時(shí)與處理其它故障類(lèi)型的措施一樣切斷電網(wǎng)供電電源和加速電壓給定信號(hào)，待故障排除后，再手動(dòng)重啟高壓。本發(fā)明針對(duì)電子束快速成型制造設(shè)備對(duì)加速電源的高性能要求，提供一種以高壓電子管為串聯(lián)調(diào)整管，以二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管為并聯(lián)穩(wěn)壓元件構(gòu)成的直流高壓電源及其控制方法，其優(yōu)點(diǎn)為控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度快、輸出高壓紋波小、穩(wěn)壓精度高；與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)如下:1、以高壓電子管為串聯(lián)調(diào)整管，以二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管為并聯(lián)穩(wěn)壓元件構(gòu)成的直流高壓電源的結(jié)構(gòu)；2、高壓調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，反饋信號(hào)為加速電壓取樣信號(hào)和并聯(lián)穩(wěn)壓元件支路的電流取樣信號(hào)；3、高壓調(diào)節(jié)器在加速電源輸出電壓未達(dá)到并聯(lián)穩(wěn)壓元件支路的總穩(wěn)壓值時(shí)起到穩(wěn)定調(diào)節(jié)輸出電壓的作用，在加速電源輸出電壓達(dá)到并聯(lián)穩(wěn)壓元件支路的總穩(wěn)壓值后起到限制并聯(lián)穩(wěn)壓元件支路電流的作用；4、以電子束流取樣信號(hào)為反饋信號(hào)，采用截止負(fù)反饋手段對(duì)加速電源的最大輸出電流進(jìn)行限制，達(dá)到過(guò)流保護(hù)功能。
圖1為本發(fā)明電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置實(shí)施例原理圖；圖2為一種十二脈波高壓整流單元的原理圖；圖3為另一種十二脈波高壓整流單元的原理圖；圖4為加速電壓調(diào)節(jié)器原理圖；圖中標(biāo)號(hào)為:1、電網(wǎng)濾波器；2、晶閘管軟啟動(dòng)單元；3、高壓變壓器；4、十二脈波高壓整流單元；4-1、平衡電抗器；5、高壓整流濾波電容；6、高壓整流濾波電容放電電阻；7、輸出聞壓濾波電感；8、輸出聞壓濾波電容；9、輸出聞壓濾波電容放電限流電阻；10、穩(wěn)壓兀件并聯(lián)支路；11、加速電壓取樣電路；12、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻；13、電子束流取樣電阻；14、高壓電子管；15、中央控制單元；16、加速電壓調(diào)節(jié)器；16-1、電壓放大器；17、故障判別電路。
具體實(shí)施例方式一種電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置，如圖1所示，其主要由電網(wǎng)濾波器
1、晶閘管軟啟動(dòng)單元2、高壓變壓器3、十二脈波高壓整流單元4、高壓整流濾波電容5、高壓整流濾波電容放電電阻6、輸出高壓濾波電感7、輸出高壓濾波電容8、輸出高壓濾波電容放電限流電阻9、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10、加速電壓取樣電路11、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻12、電子束流取樣電阻13、高壓電子管14、中央控制單元15、加速電壓調(diào)節(jié)器16、故障判別電路17組成。電網(wǎng)濾波器I的輸入端與 外部電源相連，輸出端與晶閘管軟啟動(dòng)單元2的輸入端連接。用于切斷電磁干擾EMI傳播途徑。晶閘管軟啟動(dòng)單元2的輸出端與高壓變壓器3的初級(jí)繞組相連。晶閘管軟啟動(dòng)單元2作為高壓變壓器3進(jìn)線開(kāi)關(guān)，用于抑制高壓變壓器3的起動(dòng)電流。高壓變壓器3起動(dòng)時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角逐漸增大到全導(dǎo)通。出現(xiàn)故障或停機(jī)時(shí)，晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。高壓變壓器3的初級(jí)繞組為三角形或星形接法；高壓變壓器3的一組次級(jí)繞組為三角形接法，另一組次級(jí)繞組為星形接法，且兩組次級(jí)繞組的線電壓值相同。高壓變壓器3的初級(jí)與晶閘管軟啟動(dòng)單元2的輸出相連，次級(jí)與十二脈波高壓整流單元4的輸入相連。十二脈波高壓整流單元4可以由兩個(gè)三相高壓整流橋串聯(lián)組成(如圖2所示)，也可以由兩個(gè)三相高壓整流橋通過(guò)平衡電抗器4-1并聯(lián)組成(如圖3所示)。高壓整流濾波電容5和高壓整流濾波電容放電電阻6并聯(lián)后接在十二脈波高壓整流單元4的輸出端上。其中高壓整流濾波電容放電電阻6的作用是為停機(jī)后給高壓整流濾波電容5提供放電回路。輸出高壓濾波電感7和輸出高壓濾波電容8組成LC濾波電路。其中輸出高壓濾波電感7和輸出高壓濾波電容8相連的一端通過(guò)輸出高壓濾波電容放電限流電阻9后與電子槍的陰極相接，輸出高壓濾波電感7的另一端接在十二脈波高壓整流單元4的負(fù)輸出端上，輸出高壓濾波電容8的另一端則經(jīng)過(guò)電子束流取樣電阻13后與大地和電子槍的陽(yáng)極相接。
穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10由多個(gè)二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓硅堆(即穩(wěn)壓二極管)串聯(lián)組成，加速電源最高輸出電壓由穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的穩(wěn)壓元件串聯(lián)穩(wěn)壓值決定。穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻12與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10串聯(lián)連接。用于測(cè)量流過(guò)穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的電流值，輸出與電流值成正比的電壓信號(hào)uy。穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻12串聯(lián)后，并接在加速電源的輸出端，即高壓端與輸出高壓濾波電容放電限流電阻9的輸出端即電子槍的陰極相接，低壓端與大地相接。加速電壓取樣電路11并接在加速電源的輸出端，即高壓端與輸出高壓濾波電容放電限流電阻9的輸出端即電子槍的陰極相接，低壓端與大地相接。用于測(cè)量加速電壓值，輸出正比于加速電壓的電壓信號(hào)Ua。電子束流取樣電阻13用于檢測(cè)電子束流值，此電阻兩端輸出正比于電子束流(含穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路和加速電壓取樣電路的電流)大小的電壓信號(hào)Ue。高壓電子管14的陽(yáng)極與十二脈波高壓整流單元4的正輸出端相接，高壓電子管14的陰極通過(guò)電子束流取樣電阻13與大地相接；高壓電子管14的燈絲兩端接外部恒流電源，高壓電子管14的簾柵極與陰極間接外部恒壓電源。高壓電子管14的柵極接加速電壓調(diào)節(jié)器16的輸出端上。高壓電子管14的工作狀態(tài)由柵極電壓U。控制。中央控制單元有2路模擬輸入端，這2路模擬輸入端分別連接加速電壓取樣電路的取樣信號(hào)輸出端11、電子束流取樣電阻13的取樣信號(hào)輸出端。中央控制單元15的一個(gè)輸出端連接晶閘管軟啟動(dòng)單元2。中央控制單元15由工業(yè)計(jì)算機(jī)或可編程控制器PLC組成，中央控制單元15在加速電源系統(tǒng)中的作用為:1、控制高壓變壓器3的軟起動(dòng)；2、數(shù)字設(shè)定經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC產(chǎn)生加速電壓給定信號(hào)U:送入加速電壓調(diào)節(jié)器16，用于產(chǎn)生加速電壓的設(shè)定波形，包括升降斜率 和工作電壓的設(shè)定；3、數(shù)字設(shè)定經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC產(chǎn)生電子束流給定信號(hào)U/送入加速電壓調(diào)節(jié)器16和電子束流調(diào)節(jié)器，用于產(chǎn)生電子束流的設(shè)定波形，包括升降斜率和工作電子束流的設(shè)定；4、接收加速電壓取樣電路11送來(lái)的加速電壓取樣信號(hào)Ua，用于指示等；5、接收電子束流取樣電阻13送來(lái)的電子束流取樣信號(hào)Ue，用于指示等；
6、接收故障判別電路17的輸出信號(hào)Uot，用于故障多重保護(hù)、設(shè)備其它部分的連鎖保護(hù)和故障提不。加速電壓調(diào)節(jié)器16的5路輸入端分別接收中央控制單元15的加速電壓給定信號(hào)Ua'中央控制單元15的電子束流給定信號(hào)U/、加速電壓取樣電路11的取樣信號(hào)Ua、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻12的取樣信號(hào)Uy和電子束流取樣電阻13的取樣信號(hào)Ue。正常工作時(shí)，當(dāng)加速電壓低于穩(wěn)壓兀件的穩(wěn)壓值時(shí)，加速電壓給定信號(hào)U/和加速電壓取樣信號(hào)Ua進(jìn)行比較，偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管14的柵極；當(dāng)加速電壓達(dá)到穩(wěn)壓元件的穩(wěn)壓值時(shí)，加速電壓給定信號(hào)U:和加速電壓取樣信號(hào)Ua進(jìn)行比較后，再與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣信號(hào)Uy進(jìn)行比較，總偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管14的柵極。此外，在故障判別電路17有輸出時(shí)，加速電壓調(diào)節(jié)器16的輸出將被封鎖，使得高壓電子管14截止。在本發(fā)明中，所述加速電壓調(diào)節(jié)器16如圖4所示，其主要由2個(gè)運(yùn)輸放大器ICl、IC2，3個(gè)二極管Dl D3，穩(wěn)壓二極管Zl，11個(gè)電阻Rl R11，以及電壓放大器16_1組成。其中中央控制單元15的電子束流給定信號(hào)Uj通過(guò)電阻R6接至運(yùn)算放大器IC2的同相輸入端，運(yùn)輸放大器IC2的同相輸入端通過(guò)電阻R7與大地相接，電子束流取樣電阻13的取樣信號(hào)Ue通過(guò)電阻R5連接運(yùn)輸放大器IC2的反相輸入端。電阻R8兩端分別接至運(yùn)輸放大器IC2的反相輸入端和輸出端，運(yùn)輸放大器IC2的輸出端先后通過(guò)穩(wěn)壓二極管Z1、二極管D2和電阻R4接至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端。中央控制單元15的加速電壓給定信號(hào)Ua*通過(guò)電阻R1、加速電壓取樣電路11的取樣信號(hào)Ua通過(guò)電阻R2、以及穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻12的取樣信號(hào)Uy通過(guò)電阻R3 —起接至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端。故障判別電路17的輸出信號(hào)Uct經(jīng)二極管D3接至運(yùn)算放大器ICl的同相輸入端。運(yùn)算放大器ICl的同相輸入端通過(guò)R9與大地相接。二極管D2與電阻RlO并聯(lián)后，二極管D2的陰極接運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端，二極管D2的陽(yáng)極接運(yùn)算放大器ICl的輸出端。運(yùn)算放大器ICl的輸出信號(hào)U1通過(guò)電阻Rll接至電壓放大器16-1的輸入端，電壓放大器16-1的輸出電壓U。為送至高壓電子管14的柵極。故障判別電路17的輸入端接收電子束流取樣電阻13的取樣信號(hào)Ue、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻12的取樣信號(hào)Uy和加速電壓取樣電路11的取樣信號(hào)Ua ;故障判別電路17的輸出信號(hào)送至加速電壓調(diào)節(jié)器16、中央控制單元15和電子束流調(diào)節(jié)器。故障判別電路17檢測(cè)電子束流取樣電阻13上的電壓信號(hào)Ue，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為電子束流過(guò)流故障；故障判別電路17檢測(cè)穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻12上的電壓信號(hào)Uy，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為穩(wěn)壓元件過(guò)流故障；故障判別電路17檢測(cè)加速高壓取樣電路11的輸出電壓信號(hào)Ua，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為加速電壓過(guò)壓故障，如果產(chǎn)生負(fù)突跳變化判為加速電源產(chǎn)生高壓放電故障；上述任一故障的產(chǎn)生故障判別電路17輸出信號(hào)Uer都變?yōu)楦唠娖剑⒘⒓捶怄i加速電壓調(diào)節(jié)器16和電子束流調(diào)節(jié)器的輸出；如果產(chǎn)生高壓放電故障，加速電壓調(diào)節(jié)器16、電子束流調(diào)節(jié)器和中央控制單元15的輸出Ua*和U6*信號(hào)被封鎖1-3毫秒后，自動(dòng)解除封鎖，實(shí)現(xiàn)高壓自動(dòng)重啟；在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)高壓放電故障發(fā)生次數(shù)超過(guò)設(shè)定次數(shù)則判為“永久故障”，此時(shí)與處理其它故障類(lèi)型的措施一樣切斷電網(wǎng)供電電源和加速電壓給定信號(hào)，待故障排除后，再手動(dòng)重啟高壓。另外電子束流取樣電阻13的取樣信號(hào)Ue、中央控制單元15的電子束流給定信號(hào)Ue*和故障判別電路17的輸出信號(hào)Uot還分別被送入電子束快速成型制造設(shè)備中電子束流調(diào)節(jié)器的輸入端。基于上述加速電源裝置所實(shí)現(xiàn)的一種電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置的控制方法，采用工頻交流輸入一工頻變壓器升壓一高壓整流濾波一高壓電子管14串聯(lián)調(diào)整調(diào)節(jié)一二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管為并聯(lián)穩(wěn)壓輸出的技術(shù)路線，通過(guò)輸出高壓的負(fù)反饋信號(hào)Ua和穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的電流信號(hào)Uy去控制高壓電子管14的等效電阻，進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)壓，并限制穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的電流。工頻交流輸入在中央控制單元15控制下，晶閘管軟啟動(dòng)單元2晶閘管的導(dǎo)通角由0逐漸增大到全導(dǎo)通，進(jìn)入正常工作。如果加速電壓給定值Ua*較低，而加速電源輸出電壓值低于穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的總穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10無(wú)電流通過(guò)，此時(shí)穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10電流取樣信號(hào)Uy為零，那么只有加速電壓給定信號(hào)Ua*和加速電壓取樣信號(hào)Ua進(jìn)行比較，偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管14的柵極，加速電源的輸出電壓值與加 速電壓給定值成比例關(guān)系；如果加速電壓給定值U:超過(guò)某一個(gè)臨界值，而加速電壓達(dá)到穩(wěn)壓元件的穩(wěn)壓值，此時(shí)穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路中有電流通過(guò)，那么加速電壓給定信號(hào)U:和加速電壓取樣信號(hào)Ua進(jìn)行比較后，再與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10電流取樣信號(hào)Uy進(jìn)行比較，總偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管14的柵極，加速電源的輸出電壓值穩(wěn)定在穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的總穩(wěn)壓值，且穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的電流值正比于加速電壓給定值U:與臨界值U:的差值；如果加速電壓給定值Ua*等于臨界值UaN%加速電源的輸出電壓值等于穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的總穩(wěn)壓值，但穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路仍無(wú)電流通過(guò)。上述高壓調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)速度快。非正常工作:1、電子束流超過(guò)其給定值，而偏差超過(guò)設(shè)定的上限值，通過(guò)電子束流取樣信號(hào)截止負(fù)反饋?zhàn)饔?，降低高壓調(diào)節(jié)器16的輸出，從而限制電子束流；2、故障判別電路17有輸出時(shí)，加速電壓調(diào)節(jié)器16的輸出將被封鎖，使得高壓電子管14截止。高壓調(diào)節(jié)器16結(jié)構(gòu)如圖4所示，電子束流給定信號(hào)Ue*通過(guò)電阻R6送至運(yùn)算放大器IC2的同相輸入端，運(yùn)算放大器IC2的同相輸入端通過(guò)電阻R7與大地相接，電子束流取樣信號(hào)Ue通過(guò)電阻R5送至運(yùn)算放大器IC2的反相輸入端，電阻R8兩端分別接至運(yùn)算放大器IC2的反相輸入端和輸出端，運(yùn)算放大器IC2的輸出信號(hào)U2先后通過(guò)穩(wěn)壓二極管Z1、二極管D2和電阻R4送至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端。運(yùn)算放大器IC2的輸出
U2=(^^)(-^-)U；-||ue，為了便于分析，令 R7=R8，R5=R6，則U2=f^(U:-Ue);正常 tO Ko-1-K / to
工作時(shí)，電子束流在電子束流調(diào)節(jié)器的作用下不會(huì)超過(guò)設(shè)定值，即Ue ( U/，所以U2為正，二極管D2承受反壓而阻斷U2送至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端；如果非正常原因引起電子束流超過(guò)設(shè)定值，即Ue > U/，U2變?yōu)樨?fù)，當(dāng)U2負(fù)值足夠大，扣除穩(wěn)壓二極管Zl的穩(wěn)壓降VZ1，即(U2-Vzi)信號(hào)通過(guò)電阻R4送至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端。加速電壓給定信號(hào)U:通過(guò)電阻R1，加速電壓取樣信號(hào)Ua通過(guò)電阻R2，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路的電流取樣信號(hào)Uy通過(guò)電阻R3—起送至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端。運(yùn)算放大器ICl的同相輸入端通過(guò)電阻R9與大地相接，故障信號(hào)Uer通過(guò)二極管D3送至運(yùn)算放大器ICl的同相輸入端。二極管D2與電阻RlO并聯(lián)后二極管D2的陰極接運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端，二極管D2的陽(yáng)極接運(yùn)算放大器ICl的輸出端，運(yùn)算放大器ICl的輸出信號(hào)U1通過(guò)電阻電 阻Rll送至電壓放大器16-1的控制端，電壓放大器16-1的輸出信號(hào)U。送至高壓電子管14的柵極。故障信號(hào)無(wú)效時(shí)Uer為低電平，二極管D3的阻斷作用Uer對(duì)加速電壓調(diào)節(jié)器無(wú)作用，且穩(wěn)壓二極管Zl和/或二極管Dl處于阻斷狀態(tài)，運(yùn)算
放大器ici的輸出信號(hào)，式中Ua'比和Uy以絕對(duì)值計(jì)算，為了便
'Rl R2 R3y
R I I
于分析令RI =R2=R3，則U1 =-: (Ua -Ua -UY )，如果加速電壓給定值Ua*較低，而加速電源
Rl
輸出電壓值低于穩(wěn)壓元件的總穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10無(wú)電流通過(guò)，即Uy=O,那么 Rn ,
U1=-1^OU1為可變負(fù)電壓，高壓調(diào)節(jié)器3中只有加速電壓給定信號(hào)Ua*和加速電壓
取樣信號(hào)Ua進(jìn)行比較，偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管14的柵極，加速電源的輸出電壓
值與加速電壓給定值Ua*成比例關(guān)系。如果加速電壓給定值U:超過(guò)某一個(gè)臨界值Ua/,而
加速電壓達(dá)到穩(wěn)壓元件的總穩(wěn)壓值，此時(shí)穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10中有電流通過(guò)，即Uy幸0，那 R 11
-Ua-Uv)，U1為可變負(fù)電壓，加速電壓給定信號(hào)Ua*和加速電壓取樣信號(hào)Ua進(jìn)
Rl
行比較后，再與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣信號(hào)Uy進(jìn)行比較，總偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管14的柵極，加速電源的輸出電壓值穩(wěn)定在穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路的總穩(wěn)壓值，加速電壓取樣信號(hào)Ua為固定值UaN，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10的電流值正比于加速電壓給定值U:與臨界值Ua/的差值。如果加速電壓給定值Ua*等于臨界值UaN%加速電源的輸出電壓值等于穩(wěn)
壓元件并聯(lián)支路的總穩(wěn)壓值，但穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路10仍無(wú)電流通過(guò)
權(quán)利要求
1.電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置，其特征在于:包括電網(wǎng)濾波器(I)、晶閘管軟啟動(dòng)單元(2)、高壓變壓器(3)、十二脈波高壓整流單元(4)、高壓整流濾波電容(5)、高壓整流濾波電容放電電阻(6 )、輸出高壓濾波電感(7 )、輸出高壓濾波電容(8 )、輸出高壓濾波電容放電限流電阻(9)、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)、加速電壓取樣電路(11)、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻(12)、電子束流取樣電阻(13)、高壓電子管(14)、中央控制單元(15)和加速電壓調(diào)節(jié)器(16); 電網(wǎng)濾波器(I)的輸入端與外部電源相連，輸出端經(jīng)晶閘管軟啟動(dòng)單元(2)與高壓變壓器(3)的初級(jí)繞組相連；高壓變壓器(3)次級(jí)繞組連接十二脈波高壓整流單元(4)的輸入端，高壓整流濾波電容(5)和高壓整流濾波電容放電電阻(6)并聯(lián)后接在十二脈波高壓整流單元(4)的輸出端上； 輸出高壓濾波電感(7 )和輸出高壓濾波電容(8 )組成LC濾波電路；其中輸出高壓濾波電感(7)和輸出高壓濾波電容(8)相連的一端通過(guò)輸出高壓濾波電容放電限流電阻(9)后與電子槍的陰極相接，輸出高壓濾波電感(7)的另一端接在十二脈波高壓整流單元(4)的負(fù)輸出端上，輸出高壓濾波電容(8)的 另一端則經(jīng)過(guò)電子束流取樣電阻(13)后與大地和電子槍的陽(yáng)極相接； 穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)由多個(gè)二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管串聯(lián)組成。穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10 )與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻(12 )串聯(lián)后，再與加速電壓取樣電路(11)并聯(lián)，兩并聯(lián)支路的一端接在輸出高壓濾波電容放電限流電阻(9)的輸出端，另一端與大地相連； 高壓電子管(14)的陽(yáng)極與十二脈波高壓整流單元(4)的正輸出端相接，高壓電子管(14)的陰極通過(guò)電子束流取樣電阻(13)與大地相接；高壓電子管(14)的燈絲兩端接外部恒流電源，高壓電子管(14)的簾柵極與其陰極間接外部恒壓電源；高壓電子管(14)的柵極接加速電壓調(diào)節(jié)器(16)的輸出端上； 中央控制單元有2路模擬輸入端分別連接加速電壓取樣電路(11)的取樣信號(hào)輸出端和電子束流取樣電阻的取樣信號(hào)輸出端(13);中央控制單兀(15)的一個(gè)輸出端連接晶閘管軟啟動(dòng)單元(2)； 加速電壓調(diào)節(jié)器(16)的5路輸入端分別連接中央控制單元(15)的加速電壓給定信號(hào)輸出端、中央控制單元(15)的電子束流給定信號(hào)輸出端、加速電壓取樣電路(11)的取樣信號(hào)輸出端、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻(12)的取樣信號(hào)輸出端和電子束流取樣電阻(13)的取樣信號(hào)輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置，其特征在于:還進(jìn)一步包括故障判別電路(17)，該故障判別電路(17)的輸入端連接電子束流取樣電阻(13)的取樣信號(hào)輸出端、穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻(12)的取樣信號(hào)輸出端和加速電壓取樣電路(11)的取樣信號(hào)輸出端；故障判別電路(17)的輸出端連接加速電壓調(diào)節(jié)器(16)和中央控制單元(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置，其特征在于:所述加速電壓調(diào)節(jié)器(16)主要由2個(gè)運(yùn)輸放大器IC1、IC2，3個(gè)二極管Dl D3，穩(wěn)壓二極管Z1，11個(gè)電阻Rl R11，以及電壓放大器(16-1)組成；其中 中央控制單元(15)的電子束流給定信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R6接至運(yùn)算放大器IC2的同相輸入端，運(yùn)輸放大器IC2的同相輸入端通過(guò)電阻R7與大地相接，電子束流取樣電阻(13)的取樣信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R5連接運(yùn)輸放大器IC2的反相輸入端；電阻R8兩端分別接至運(yùn)輸放大器IC2的反相輸入端和輸出端,運(yùn)輸放大器IC2的輸出端先后通過(guò)穩(wěn)壓二極管Zl、二極管D2和電阻R4接至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端； 中央控制單元(15)的加速電壓給定信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R1、加速電壓取樣電路(11)的取樣信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R2、以及穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻(12)的取樣信號(hào)輸出端通過(guò)電阻R3 —起接至運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端；運(yùn)算放大器ICl的同相輸入端通過(guò)R9與大地相接；故障判別電路(17)的輸出端經(jīng)二極管D3接至運(yùn)算放大器ICl的同相輸入端；二極管D2與電阻RlO并聯(lián)后，二極管D2的陰極接運(yùn)算放大器ICl的反相輸入端，二極管D2的陽(yáng)極接運(yùn)算放大器ICl的輸出端；運(yùn)算放大器ICl的輸出端通過(guò)電阻Rll接至電壓放大器(16-1)的輸入端，電壓放大器(16-1)的輸出端為加速電壓調(diào)節(jié)器(16)的輸出端接至高壓電子管的柵極。
4.據(jù)權(quán)利要求2所述的電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置，其特征在于:電子束流取樣電阻(13)的取樣信號(hào)輸出端、中央控制單元(15)的電子束流給定信號(hào)輸出端和故障判別電路(17)的輸出端還與電子束快 速成型制造設(shè)備中的電子束流調(diào)節(jié)器(19)的輸入端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置，其特征在于:所述高壓變壓器(3)的初級(jí)繞組為三角形或星形接法；高壓變壓器(3)的一組次級(jí)繞組為三角形接法，另一組次級(jí)繞組為星形接法，且兩組次級(jí)繞組的線電壓值相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置，其特征在于:所述十二脈波高壓整流單元(4)由兩個(gè)三相高壓整流橋串聯(lián)組成，或由兩個(gè)三相高壓整流橋通過(guò)平衡電抗器(4-1)并聯(lián)組成。
7.電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置的控制方法，其特征在于:采用工頻交流輸入一工頻變壓器升壓一高壓整流濾波一高壓電子管(14)串聯(lián)調(diào)整調(diào)節(jié)一二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管為并聯(lián)穩(wěn)壓輸出的技術(shù)路線，通過(guò)輸出高壓的負(fù)反饋信號(hào)和穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)的電流信號(hào)去控制高壓電子管的等效電阻，進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)壓，并限制穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)的電流； 工頻交流輸入在中央控制單元(15)控制下，晶閘管軟啟動(dòng)單元(2)的晶閘管的導(dǎo)通角由0逐漸增大到全導(dǎo)通，進(jìn)入正常工作； 如果中央控制單元(15)輸出的加速電壓給定值小于或等于臨界值，并使得加速電源輸出電壓值低于或等于穩(wěn)壓元件的總穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)無(wú)電流通過(guò)，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)電流取樣信號(hào)為零；加速電壓調(diào)節(jié)器(16)中只有中央控制單元(15)輸出的加速電壓給定信號(hào)和加速電壓取樣電路(11)輸出的加速電壓取樣信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管(14)的柵極，加速電源的輸出電壓值與加速電壓給定值成比例關(guān)系； 如果中央控制單元(15)輸出的加速電壓給定值超過(guò)某一個(gè)臨界值，并使得加速電源輸出電壓值達(dá)到穩(wěn)壓元件的穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)中有電流通過(guò)，加速電壓調(diào)節(jié)器(16 )中加速電壓給定信號(hào)和加速電壓取樣信號(hào)進(jìn)行比較后，再與穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻(12)輸出的穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)電流取樣信號(hào)進(jìn)行比較，總偏差通過(guò)放大后去控制高壓電子管(14)的柵極，加速電源的輸出電壓值穩(wěn)定在穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)的總穩(wěn)壓值，且穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)的電流值正比于加速電壓給定值與臨界值的差值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置的控制方法，其特征在于:還包括加速電壓調(diào)節(jié)器(15)判斷電子束流超過(guò)其設(shè)定值的某一數(shù)值后，差值將產(chǎn)生截止負(fù)反饋，限制非正常電子束流值的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置的控制方法，其特征在于:還進(jìn)一步包括故障保護(hù)控制，即故障判別電路(17)檢測(cè)電子束流取樣電阻(13)上的電壓信號(hào)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為電子束流過(guò)流故障；故障判別電路(17)檢測(cè)穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路電流取樣電阻(12)上的電壓信號(hào)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路(10)過(guò)流故障；故障判別電路(17)檢測(cè)加速高壓取樣電路(11)的輸出電壓信號(hào)，如果超過(guò)設(shè)定的上限值判為加速電壓過(guò)壓故障，如果產(chǎn)生負(fù)突跳變化判為加速電源產(chǎn)生高壓放電故障；上述任一故障的產(chǎn)生故障判別電路(17)都輸出信號(hào)，并立即封鎖加速電壓調(diào)節(jié)器(16)和電子束流調(diào)節(jié)器的輸出；故障判別電路(17)輸出信號(hào)同時(shí)被送至中央控制單元，用于故障提示及電子束快速成型制造設(shè)備其它控制單元的連鎖保護(hù)；如果產(chǎn)生高壓放電故障，加速電壓調(diào)節(jié)器(16)和電子束流調(diào)節(jié)器的輸出被封鎖1-2毫秒后，自動(dòng)解除封鎖，實(shí)現(xiàn)高壓自動(dòng)重啟；在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)高壓放電故障發(fā)生次數(shù)超過(guò)設(shè)定次數(shù)則判為“永久故障”，此時(shí)與處理其它故障類(lèi)型的措施一樣切斷電網(wǎng)供電電源和加速電壓給定信號(hào)，待故障排除后，再手動(dòng)重啟高壓。`
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種電子束快速成型制造設(shè)備加速電源裝置及其控制方法，其采用工頻交流輸入→工頻變壓器升壓→高壓整流濾波→高壓電子管串聯(lián)調(diào)整調(diào)節(jié)→二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管為并聯(lián)穩(wěn)壓輸出的技術(shù)路線，通過(guò)輸出高壓的負(fù)反饋信號(hào)和穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路的電流信號(hào)去控制高壓電子管的等效電阻，進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)壓，并限制穩(wěn)壓元件并聯(lián)支路的電流。本發(fā)明提供一種以高壓電子管為串聯(lián)調(diào)整管，以二氧化鋅壓敏電阻或穩(wěn)壓二極管為并聯(lián)穩(wěn)壓元件構(gòu)成的直流高壓電源及其控制方法，具有調(diào)節(jié)速度快、輸出高壓紋波小和穩(wěn)壓精度高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02H3/20GK103235626SQ20131004749
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者韋壽祺, 黃小東, 陸思恒, 郭華艷, 王偉, 蔣思遠(yuǎn), 陸葦, 黃海, 黃地送 申請(qǐng)人:桂林獅達(dá)機(jī)電技術(shù)工程有限公司