中心議題：

• 電流型電火花加工電源的工作過程分析
• 電流型電火花加工電源的諧波電感和工作頻率確定

本文分析了電流型電火花加工電源工作頻率和所帶電子負載開關頻(pin)率(lv)的(de)配(pei)合(he)問(wen)題(ti)
，詳(xiang)細(xi)推(tui)導(dao)了(le)在(zai)滿(man)足(zu)精(jing)度(du)加(jia)工(gong)條(tiao)件(jian)下(xia)，濾(lv)波(bo)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)要(yao)滿(man)足(zu)的(de)約(yue)束(shu)關(guan)係(xi)。最(zui)後(hou)具(ju)體(ti)確(que)定(ding)了(le)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)和(he)電(dian)感(gan)值(zhi)。

1 引言

電流型電火花加工電源後級為一電子負載，它在工作時對前級變換器的輸出電流進行連續不斷的斬波，在整個負載範圍內（即對應不同的消電離時間和脈衝寬度組合）
，可以看作是頻率可以調節的電子負載，後級的斬波頻率為250kHz（對應消電離時間和脈衝寬度均為2μs）至1.56kHz（對應於消電離時間480μs和脈衝寬度160μs）
，負載工作頻段極寬，而前級交錯並聯雙管正激變換器的頻率是固定不變的
，針對這一情況


，自然要提出幾點質疑：

1）前後級工作頻率配合上是否合理；
2）前級變換器能否即時對後級電子負載進行能量補充
，即前級是否具有足夠快的響應速度；
3）針對前級變換器所帶的這種電子負載
，應該如何對其主要參數進行設計。

為了解決這些問題，有必要從前後級的工作原理特點入手深入研究。

2 工作過程分析

圖1為前、後級變換器的主電路圖。其中電容C的值很小
，它的作用是高壓引弧放電。具體工作過程是這樣的：當開關S關斷時，由於工件還處於開路狀態，所以電感L中的大電流給C充電
，致使工件兩端電壓線性急劇上升，直至高壓擊穿正常放電，此後，電流流經工件進行加工，一直延續到S開通時結束。假設前級變換器的開關頻率為f1，後級電子負載開關S的開關頻率為f2
，那麼f1和f2有以下4種情況。

圖1    前後級等效電路

1）f1》f2，即前級的工作頻率遠高於後級
，這種情況對應於後級大脈寬切割。其前後級的主要工作波形如圖2所示。

圖2    f1》f2時的主要工作波形

在t0時刻以前，S管開通，前級輸出短路，理想情況下
，變壓器副邊輸出極窄的方波(Uo)，當t0時刻S關斷時
，電流iL經S換流至二極管D

，給負載輸出電流。由於t0之前，前級變換器的占空比極小，突加負載後，由儲能電感給負載提供部分電流，隨著時間的延長，iL減小，受電流環的控製，前級變換器占空比增加，使iL回升至原值，故iL有you一yi個ge波bo動dong過guo程cheng。另ling外wai
，如ru果guo電dian流liu環huan設she計ji沒mei有you達da到dao最zui優you時shi

，那na麼me電dian流liu在zai調tiao節jie過guo程cheng中zhong的de超chao調tiao量liang將jiang很hen大da，調tiao節jie時shi間jian很hen長chang，致zhi使shi加jia工gong電dian流liu不bu穩wen定ding
，影ying響xiang加jia工gong效xiao率lv和he精jing度du。但dan從congS的一個開關周期看來，由於f1》f2
，S的一個周期中，前級變換器將要經曆多個周期，即當S關斷時，前級變換器有足夠多的周期可以調節iL，使得iL穩定。假設iL的允許波動範圍為ILmin～ILmax，並假設f1在S關斷後經過n個周期，進入穩定狀態，從能量的角度來看，即要保證在這n個周期中
，當前級變換器無輸出時
，電感的儲能要滿足負載能量需求，這可用式（1）表示。

則上式可以簡化為

從式（2）可以看出
，要滿足穩定加工
，Lf1乘積必須滿足一定的約束條件。
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2）f1《f2，即(ji)前(qian)級(ji)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)遠(yuan)低(di)於(yu)後(hou)級(ji)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)，對(dui)應(ying)於(yu)後(hou)級(ji)小(xiao)脈(mai)寬(kuan)切(qie)割(ge)。這(zhe)一(yi)情(qing)況(kuang)恰(qia)好(hao)與(yu)前(qian)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)相(xiang)反(fan)，即(ji)前(qian)級(ji)變(bian)換(huan)器(qi)在(zai)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)內(nei)
，後(hou)級(ji)變(bian)換(huan)器(qi)已(yi)經(jing)經(jing)曆(li)了(le)f2/f1個周期
，如圖3所示

，在0shike，qianjibianhuanqishuchunengliang
，dianganchuneng，jiashefuzaiyezaicishitongshifangdianqiege

，youyubianyaqishuchunengliangdayufuzaixishounengliang，gudiangandianliushangsheng，zait1時刻開通S，前級輸出短路，零功率輸出，電感電流繼續上升儲能，到t2時刻關斷S，負載又開始放電

，重複上述過程，直到tn時shi刻ke，變bian壓ya器qi無wu輸shu出chu，電dian感gan開kai始shi釋shi放fang能neng量liang向xiang負fu載zai供gong電dian，在zai前qian級ji變bian換huan器qi開kai始shi下xia一yi周zhou期qi之zhi前qian，負fu載zai吸xi收shou的de能neng量liang全quan部bu來lai自zi儲chu能neng電dian感gan。通tong過guo分fen析xi可ke以yi看kan到dao，當dang後hou級ji負fu載zai經jing曆lif2/f1gezhouqishi
，qianjibianhuanqijinweiyigezhouqi
，zaizhegeguochengzhong，qianjibianhuanqiduifuzaidetubianshiwufatiaozhengde，zhezhongqingkuangxia，qianjizhankongbidedaxiaoyoufuzaidepingjungonglvjueding，bushoufuzaitubiandeyingxiang，huanjuhuashuo，zhiyaofuzaitexingbubian，zeqianjizhankongbihengding。weibaozhengqianjiyouzugounenglianggonggeifuzai，bixuzaiyigezhouqi(T1=1/f1）內都能滿足式（3）要求。

式中：D′2=1－D2，D2為S的占空比。
則有：

圖3    f1《f2時的主要工作波形

若不滿足式（4），則輸出電流iL的波動將變大
，影響加工效率和精度。從式（4）中可以看出，Lf1的取值與D′2也有關係。

3）f1=f2，適(shi)當(dang)的(de)消(xiao)電(dian)離(li)寬(kuan)度(du)和(he)脈(mai)寬(kuan)組(zu)合(he)能(neng)夠(gou)使(shi)得(de)前(qian)後(hou)級(ji)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)頻(pin)率(lv)相(xiang)等(deng)。由(you)於(yu)前(qian)後(hou)級(ji)工(gong)作(zuo)時(shi)鍾(zhong)的(de)任(ren)意(yi)性(xing)，考(kao)慮(lv)到(dao)最(zui)惡(e)劣(lie)情(qing)況(kuang)
，假(jia)設(she)在(zai)前(qian)級(ji)續(xu)流(liu)時(shi)，後(hou)級(ji)S關斷，放電加工。波形如圖4所suo示shi。和he以yi上shang分fen析xi方fang法fa相xiang同tong，保bao證zheng後hou級ji在zai一yi個ge周zhou期qi內nei所suo需xu的de能neng量liang全quan部bu由you電dian感gan儲chu能neng提ti供gong，如ru果guo電dian感gan儲chu能neng過guo少shao，將jiang導dao致zhi前qian級ji輸shu出chu電dian流liu下xia降jiang較jiao大da，使shi之zhi在zai下xia一yi工gong作zuo周zhou期qi中zhong調tiao節jie占zhan空kong比bi，直zhi至zhi占zhan空kong比bi增zeng加jia到dao一yi個ge適shi當dang值zhi，這zhe樣yang，輸shu出chu電dian流liu波bo動dong大da
，對dui加jia工gong精jing度du不bu利li，因yin此ci，要yao求qiu儲chu能neng電dian感gan要yao滿man足zu式shi（5）能量約束關係。

即：


圖4    f1=f2時的主要工作波形
4）f2與f1接近
（1）f1>f2    類似於f1》f2，不同之處在於前級占空比頻繁調節，電流波動大，加工效率和精度差。
（2）f1<f2    類似於f1《f2，加工情況同（1）。

對於f2與f1接近，但f1≠f2的情況
，在能量關係上也必須滿足以上分析結果。

綜上所述，為使得級變換器輸出電流平穩
，並且能夠及時對負載進行能量補充
，則對Lf1乘積有一定要求，即Lf1要滿足不等式（7）。

為求出Lf1的確切值，必須對上述約束關係中的各個參數進行代換。這裏取平均值Uδ=25V

；D′1=1－D1，在0～1之間變化
，故取D′1max≈1；，取ΔI=0.02IL=0.02×20=0.4A
；D′2=1-D2，由於在實際應用中，一般要求消電離時間≥脈衝寬度，故取0.5≤D2<1
，即0<D′2≤0.5
，這裏取D′2max=0.5。將上述各參數代入約束關係可得式（8）
（Lf2）min≥31.25（8）

理論上，Lf1的值取無窮大最好。在滿足式（8）的條件下，f1減小，則L增大，即當降低前級變換器的工作頻率時，就要求加大濾波電感的電感量，這會導致電源體積變大；相反，f1越高
，L可以越小
，即可以通過提高電源工作頻率來減小儲能電感的電感量，達到減小電源體積的目的。但是，在實際應用中，f1不可能無限製增大，因為當f1很大時，電源寄生參數的影響明顯增大，開關損耗也加大。因此，這就要求對L和f1的選取進行折衷，取一最優值


，並且當f1足夠大時，應采用軟開關技術。這裏不妨取f1=200kHz，對應於交錯並聯雙管正激變換器各路頻率為100kHz
，此時可以計算出濾波電感L=156μH，取L=160μH。

3 結語

通(tong)過(guo)以(yi)上(shang)分(fen)析(xi)可(ke)知(zhi)
，在(zai)電(dian)流(liu)型(xing)電(dian)火(huo)花(hua)加(jia)工(gong)電(dian)源(yuan)中(zhong)
，由(you)於(yu)其(qi)負(fu)載(zai)是(shi)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)型(xing)負(fu)載(zai)，所(suo)以(yi)濾(lv)波(bo)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)的(de)設(she)計(ji)不(bu)同(tong)於(yu)以(yi)往(wang)阻(zu)性(xing)或(huo)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)的(de)情(qing)況(kuang)
，其(qi)電(dian)感(gan)量(liang)和(he)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)乘(cheng)積(ji)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)一(yi)定(ding)的(de)約(yue)束(shu)條(tiao)件(jian)。在(zai)滿(man)足(zu)約(yue)束(shu)條(tiao)件(jian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，適(shi)當(dang)提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)，可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)濾(lv)波(bo)電(dian)感(gan)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)減(jian)小(xiao)電(dian)源(yuan)整(zheng)機(ji)重(zhong)量(liang)和(he)體(ti)積(ji)的(de)目(mu)的(de)。同(tong)時(shi)，當(dang)電(dian)源(yuan)頻(pin)率(lv)較(jiao)高(gao)時(shi)，從(cong)提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)角(jiao)度(du)考(kao)慮(lv)
，建(jian)議(yi)采(cai)用(yong)軟(ruan)開(kai)關(guan)技(ji)術(shu)。