專利名稱：電子束快速成型制造設備加速電源裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及電子束快速成型制造設備，具體為電子束快速成型制造設備加速電源裝置及其控制方法。
背景技術：
電子束快速成型制造技術是采用電子束在計算機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，并通過層層堆積，直至整個零件全部熔化完成，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點，如能量利用率高、加工材料廣泛、無反射、加工速度快、真空環境無污染及運行成本低等。電子束快速成型是高性能復雜金屬零件的理想快速成型制造技術，在航空航天、汽車及生物醫學等領域有廣闊的發展前景。而電子束快速成型制造設備是一種綜合了真空物理、精密機械、電子技術、電子光學、高電壓技術、計算機和控制技術等多種技術的高科技產品，加速電源是其關鍵部件。電子束快速成型制造設備對加速電源要求控制精度高，輸出高壓紋波系數小，調節速度快，輸出電壓動態波動小。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對電子束快速成型制造設備對加速電源的高性能要求，提供一種電子束快速成型制造設備加速電源裝置及其控制方法，其具有調節速度快、輸出高壓紋波小和穩壓精度高的特點。為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的:
本發明一種電子束快速成型制造設備加速電源裝置，包括電網濾波器、晶閘管軟啟動單元、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、穩壓兀件并聯支路、加速電壓取樣電路、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻、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節器。電網濾波器的輸入端與外部電源相連，輸出端經晶閘管軟啟動單元與高壓變壓器的初級繞組相連。高壓變壓器次級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輸出端上，輸出高壓濾波電容的另一端則經過電子束流取樣電阻后與大地和電子槍的陽極相接。穩壓元件并聯支路由多個二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管串聯組成。穩壓元件并聯支路與穩壓元件并聯支路電流取樣電阻串聯后，再與加速電壓取樣電路并聯，兩并聯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節器的輸出端上。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輸出端、電子束流取樣電阻的取樣信號輸出端。中央控制單元的一個輸出端連接晶閘管軟啟動單元。
加速電壓調節器的5路輸入端分別連接中央控制單元的加速電壓給定信號輸出端、中央控制單兀的電子束流給定信號輸出端、加速電壓取樣電路的取樣信號輸出端、穩壓兀件并聯支路電流取樣電阻的取樣信號輸出端和電子束流取樣電阻的取樣信號輸出端。作為改進，上述電子 束快速成型制造設備加速電源裝置還進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輸出端、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻的取樣信號輸出端和加速電壓取樣電路的取樣信號輸出端。故障判別電路的輸出端連接加速電壓調節器和中央控制單元。上述方案中，所述加速電壓調節器主要由2個運輸放大器IC1、IC2，3個二極管Dl D3，I個穩壓二極管Zl，11個電阻Rl R11，以及I個電壓放大器組成。其中中央控制單元的電子束流給定信號輸出端通過電阻R6接至運算放大器IC2的同相輸入端，運輸放大器IC2的同相輸入端通過電阻R7與大地相接，電子束流取樣電阻的取樣信號輸出端通過電阻R5連接運輸放大器IC2的反相輸入端。電阻R8兩端分別接至運輸放大器IC2的反相輸入端和輸出端，運輸放大器IC2的輸出端先后通過穩壓二極管Zl、二極管D2和電阻R4接至運算放大器ICl的反相輸入端。中央控制單元的加速電壓給定信號輸出端通過電阻R1、加速電壓取樣電路的取樣信號輸出端通過電阻R2以及穩壓元件并聯支路電流取樣電阻的取樣信號輸出端通過電阻R3 —起接至運算放大器ICl的反相輸入端。運算放大器ICl的同相輸入端通過R9與大地相接。故障判別電路的輸出端經二極管D3接至運算放大器ICl的同相輸入端。二極管D2與電阻RlO并聯后，二極管D2的陰極接運算放大器ICl的反相輸入端，二極管D2的陽極接運算放大器ICl的輸出端。運算放大器ICl的輸出端通過電阻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節器的輸出端接至高壓電子管的柵極。作為進一步改進，上述電子束流取樣電阻的取樣信號輸出端、中央控制單元的電子束流給定信號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備中的電子束流調節器的輸入端連接。上述方案中，所述高壓變壓器的初級繞組為三角形或星形接法。高壓變壓器的一組次級繞組為三角形接法，另一組次級繞組為星形接法，且兩組次級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三相高壓整流橋串聯組成，或由兩個三相高壓整流橋通過平衡電抗器并聯組成。基于上述加速電源裝置所實現的電子束快速成型制造設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調整調節一二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管為并聯穩壓輸出的技術路線，通過輸出高壓的負反饋信號和穩壓元件并聯支路的電流信號去控制高壓電子管的等效電阻，進行自動穩壓，并限制穩壓元件并聯支路的電流。
工頻交流輸入在中央控制單元控制下，晶閘管軟啟動單元的晶閘管的導通角由0逐漸增大到全導通，進入正常工作: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壓元件的總穩壓值時，穩壓元件并聯支路無電流通過，穩壓元件并聯支路電流取樣信號為零；加速電壓調節器中只有中央控制單元輸出的加速電壓給定信號和加速電壓取樣電路輸出的加速電壓取樣信號進行比較，兩者的偏差通過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系；如果中央控制單元輸出的加速電壓給定值超過某一個臨界值，并使得加速電源輸出電壓值達到穩壓元件的穩壓值時，穩壓元件并聯支路中有電流通過，加速電壓調節器中加速電壓給定信號和加速電壓取樣信號進行比較后，再與穩壓元件并聯支路電流取樣電阻輸出的穩壓元件并聯支路電流取樣信號進行比較，總偏差通過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定在穩壓元件并聯支路的總穩壓值，且穩壓元件并聯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，加速電 壓調節器，判斷電子束流超過其設定值的某一數值后，差值將產生截止負反饋，限制非正常電子束流值。作為改進，上述電子束快速成型制造設備加速電源裝置的控制方法還進一步包括故障保護控制，即故障判別電路檢測電子束流取樣電阻上的電壓信號，如果超過設定的上限值判為電子束流過流故障；故障判別電路檢測穩壓元件并聯支路電流取樣電阻上的電壓信號，如果超過設定的上限值判為穩壓元件并聯支路過流故障；故障判別電路檢測加速高壓取樣電路的輸出電壓信號，如果超過設定的上限值判為加速電壓過壓故障，如果產生負突跳變化判為加速電源產生高壓放電故障；上述任一故障的產生故障判別電路都輸出信號，并立即封鎖加速電壓調節器和電子束流調節器的輸出；故障判別電路輸出信號同時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備其它控制單元的連鎖保護；如果產生高壓放電故障，加速電壓調節器和電子束流調節器的輸出被封鎖1-2毫秒后，自動解除封鎖，實現高壓自動重啟；在設定時間段內高壓放電故障發生次數超過設定次數則判為“永久故障”，此時與處理其它故障類型的措施一樣切斷電網供電電源和加速電壓給定信號，待故障排除后，再手動重啟高壓。本發明針對電子束快速成型制造設備對加速電源的高性能要求，提供一種以高壓電子管為串聯調整管，以二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管為并聯穩壓元件構成的直流高壓電源及其控制方法，其優點為控制系統調節速度快、輸出高壓紋波小、穩壓精度高；與現有技術相比，本發明的創新點如下:1、以高壓電子管為串聯調整管，以二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管為并聯穩壓元件構成的直流高壓電源的結構；2、高壓調節器為比例調節器結構，反饋信號為加速電壓取樣信號和并聯穩壓元件支路的電流取樣信號；3、高壓調節器在加速電源輸出電壓未達到并聯穩壓元件支路的總穩壓值時起到穩定調節輸出電壓的作用，在加速電源輸出電壓達到并聯穩壓元件支路的總穩壓值后起到限制并聯穩壓元件支路電流的作用；4、以電子束流取樣信號為反饋信號，采用截止負反饋手段對加速電源的最大輸出電流進行限制，達到過流保護功能。
圖1為本發明電子束快速成型制造設備加速電源裝置實施例原理圖；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為加速電壓調節器原理圖；圖中標號為:1、電網濾波器；2、晶閘管軟啟動單元；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、穩壓兀件并聯支路；11、加速電壓取樣電路；12、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻；13、電子束流取樣電阻；14、高壓電子管；15、中央控制單元；16、加速電壓調節器；16-1、電壓放大器；17、故障判別電路。
具體實施例方式一種電子束快速成型制造設備加速電源裝置，如圖1所示，其主要由電網濾波器
1、晶閘管軟啟動單元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、穩壓元件并聯支路10、加速電壓取樣電路11、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻12、電子束流取樣電阻13、高壓電子管14、中央控制單元15、加速電壓調節器16、故障判別電路17組成。電網濾波器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。晶閘管軟啟動單元2的輸出端與高壓變壓器3的初級繞組相連。晶閘管軟啟動單元2作為高壓變壓器3進線開關，用于抑制高壓變壓器3的起動電流。高壓變壓器3起動時，晶閘管導通角逐漸增大到全導通。出現故障或停機時，晶閘管處于截止狀態。高壓變壓器3的初級繞組為三角形或星形接法；高壓變壓器3的一組次級繞組為三角形接法，另一組次級繞組為星形接法，且兩組次級繞組的線電壓值相同。高壓變壓器3的初級與晶閘管軟啟動單元2的輸出相連，次級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可以由兩個三相高壓整流橋串聯組成(如圖2所示)，也可以由兩個三相高壓整流橋通過平衡電抗器4-1并聯組成(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的負輸出端上，輸出高壓濾波電容8的另一端則經過電子束流取樣電阻13后與大地和電子槍的陽極相接。
穩壓元件并聯支路10由多個二氧化鋅壓敏電阻或穩壓硅堆(即穩壓二極管)串聯組成，加速電源最高輸出電壓由穩壓元件并聯支路10的穩壓元件串聯穩壓值決定。穩壓元件并聯支路電流取樣電阻12與穩壓元件并聯支路10串聯連接。用于測量流過穩壓元件并聯支路10的電流值，輸出與電流值成正比的電壓信號uy。穩壓元件并聯支路10與穩壓元件并聯支路電流取樣電阻12串聯后，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。用于測量加速電壓值，輸出正比于加速電壓的電壓信號Ua。電子束流取樣電阻13用于檢測電子束流值，此電阻兩端輸出正比于電子束流(含穩壓元件并聯支路和加速電壓取樣電路的電流)大小的電壓信號Ue。高壓電子管14的陽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節器16的輸出端上。高壓電子管14的工作狀態由柵極電壓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輸出端11、電子束流取樣電阻13的取樣信號輸出端。中央控制單元15的一個輸出端連接晶閘管軟啟動單元2。中央控制單元15由工業計算機或可編程控制器PLC組成，中央控制單元15在加速電源系統中的作用為:1、控制高壓變壓器3的軟起動；2、數字設定經數模轉換DAC產生加速電壓給定信號U:送入加速電壓調節器16，用于產生加速電壓的設定波形，包括升降斜率 和工作電壓的設定；3、數字設定經數模轉換DAC產生電子束流給定信號U/送入加速電壓調節器16和電子束流調節器，用于產生電子束流的設定波形，包括升降斜率和工作電子束流的設定；4、接收加速電壓取樣電路11送來的加速電壓取樣信號Ua，用于指示等；5、接收電子束流取樣電阻13送來的電子束流取樣信號Ue，用于指示等；
6、接收故障判別電路17的輸出信號Uot，用于故障多重保護、設備其它部分的連鎖保護和故障提不。加速電壓調節器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Ua'中央控制單元15的電子束流給定信號U/、加速電壓取樣電路11的取樣信號Ua、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻12的取樣信號Uy和電子束流取樣電阻13的取樣信號Ue。正常工作時，當加速電壓低于穩壓兀件的穩壓值時，加速電壓給定信號U/和加速電壓取樣信號Ua進行比較，偏差通過放大后去控制高壓電子管14的柵極；當加速電壓達到穩壓元件的穩壓值時，加速電壓給定信號U:和加速電壓取樣信號Ua進行比較后，再與穩壓元件并聯支路電流取樣信號Uy進行比較，總偏差通過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，加速電壓調節器16的輸出將被封鎖，使得高壓電子管14截止。在本發明中，所述加速電壓調節器16如圖4所示，其主要由2個運輸放大器ICl、IC2，3個二極管Dl D3，穩壓二極管Zl，11個電阻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Uj通過電阻R6接至運算放大器IC2的同相輸入端，運輸放大器IC2的同相輸入端通過電阻R7與大地相接，電子束流取樣電阻13的取樣信號Ue通過電阻R5連接運輸放大器IC2的反相輸入端。電阻R8兩端分別接至運輸放大器IC2的反相輸入端和輸出端，運輸放大器IC2的輸出端先后通過穩壓二極管Z1、二極管D2和電阻R4接至運算放大器ICl的反相輸入端。中央控制單元15的加速電壓給定信號Ua*通過電阻R1、加速電壓取樣電路11的取樣信號Ua通過電阻R2、以及穩壓元件并聯支路電流取樣電阻12的取樣信號Uy通過電阻R3 —起接至運算放大器ICl的反相輸入端。故障判別電路17的輸出信號Uct經二極管D3接至運算放大器ICl的同相輸入端。運算放大器ICl的同相輸入端通過R9與大地相接。二極管D2與電阻RlO并聯后，二極管D2的陰極接運算放大器ICl的反相輸入端，二極管D2的陽極接運算放大器ICl的輸出端。運算放大器ICl的輸出信號U1通過電阻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Ue、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻12的取樣信號Uy和加速電壓取樣電路11的取樣信號Ua ;故障判別電路17的輸出信號送至加速電壓調節器16、中央控制單元15和電子束流調節器。故障判別電路17檢測電子束流取樣電阻13上的電壓信號Ue，如果超過設定的上限值判為電子束流過流故障；故障判別電路17檢測穩壓元件并聯支路電流取樣電阻12上的電壓信號Uy，如果超過設定的上限值判為穩壓元件過流故障；故障判別電路17檢測加速高壓取樣電路11的輸出電壓信號Ua，如果超過設定的上限值判為加速電壓過壓故障，如果產生負突跳變化判為加速電源產生高壓放電故障；上述任一故障的產生故障判別電路17輸出信號Uer都變為高電平，并立即封鎖加速電壓調節器16和電子束流調節器的輸出；如果產生高壓放電故障，加速電壓調節器16、電子束流調節器和中央控制單元15的輸出Ua*和U6*信號被封鎖1-3毫秒后，自動解除封鎖，實現高壓自動重啟；在設定時間段內高壓放電故障發生次數超過設定次數則判為“永久故障”，此時與處理其它故障類型的措施一樣切斷電網供電電源和加速電壓給定信號，待故障排除后，再手動重啟高壓。另外電子束流取樣電阻13的取樣信號Ue、中央控制單元15的電子束流給定信號Ue*和故障判別電路17的輸出信號Uot還分別被送入電子束快速成型制造設備中電子束流調節器的輸入端。基于上述加速電源裝置所實現的一種電子束快速成型制造設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串聯調整調節一二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管為并聯穩壓輸出的技術路線，通過輸出高壓的負反饋信號Ua和穩壓元件并聯支路10的電流信號Uy去控制高壓電子管14的等效電阻，進行自動穩壓，并限制穩壓元件并聯支路10的電流。工頻交流輸入在中央控制單元15控制下，晶閘管軟啟動單元2晶閘管的導通角由0逐漸增大到全導通，進入正常工作。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壓元件并聯支路10的總穩壓值時，穩壓元件并聯支路10無電流通過，此時穩壓元件并聯支路10電流取樣信號Uy為零，那么只有加速電壓給定信號Ua*和加速電壓取樣信號Ua進行比較，偏差通過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系；如果加速電壓給定值U:超過某一個臨界值，而加速電壓達到穩壓元件的穩壓值，此時穩壓元件并聯支路中有電流通過，那么加速電壓給定信號U:和加速電壓取樣信號Ua進行比較后，再與穩壓元件并聯支路10電流取樣信號Uy進行比較，總偏差通過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定在穩壓元件并聯支路10的總穩壓值，且穩壓元件并聯支路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壓元件并聯支路10的總穩壓值，但穩壓元件并聯支路仍無電流通過。上述高壓調節器采用比例調節，結構簡單，調節速度快。非正常工作:1、電子束流超過其給定值，而偏差超過設定的上限值，通過電子束流取樣信號截止負反饋作用，降低高壓調節器16的輸出，從而限制電子束流；2、故障判別電路17有輸出時，加速電壓調節器16的輸出將被封鎖，使得高壓電子管14截止。高壓調節器16結構如圖4所示，電子束流給定信號Ue*通過電阻R6送至運算放大器IC2的同相輸入端，運算放大器IC2的同相輸入端通過電阻R7與大地相接，電子束流取樣信號Ue通過電阻R5送至運算放大器IC2的反相輸入端，電阻R8兩端分別接至運算放大器IC2的反相輸入端和輸出端，運算放大器IC2的輸出信號U2先后通過穩壓二極管Z1、二極管D2和電阻R4送至運算放大器ICl的反相輸入端。運算放大器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，電子束流在電子束流調節器的作用下不會超過設定值，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設定值，即Ue > U/，U2變為負，當U2負值足夠大，扣除穩壓二極管Zl的穩壓降VZ1，即(U2-Vzi)信號通過電阻R4送至運算放大器ICl的反相輸入端。加速電壓給定信號U:通過電阻R1，加速電壓取樣信號Ua通過電阻R2，穩壓元件并聯支路的電流取樣信號Uy通過電阻R3—起送至運算放大器ICl的反相輸入端。運算放大器ICl的同相輸入端通過電阻R9與大地相接，故障信號Uer通過二極管D3送至運算放大器ICl的同相輸入端。二極管D2與電阻RlO并聯后二極管D2的陰極接運算放大器ICl的反相輸入端，二極管D2的陽極接運算放大器ICl的輸出端，運算放大器ICl的輸出信號U1通過電阻電 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U。送至高壓電子管14的柵極。故障信號無效時Uer為低電平，二極管D3的阻斷作用Uer對加速電壓調節器無作用，且穩壓二極管Zl和/或二極管Dl處于阻斷狀態，運算
放大器ici的輸出信號，式中Ua'比和Uy以絕對值計算，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
輸出電壓值低于穩壓元件的總穩壓值時，穩壓元件并聯支路10無電流通過，即Uy=O,那么 Rn ,
U1=-1^OU1為可變負電壓，高壓調節器3中只有加速電壓給定信號Ua*和加速電壓
取樣信號Ua進行比較，偏差通過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*成比例關系。如果加速電壓給定值U:超過某一個臨界值Ua/,而
加速電壓達到穩壓元件的總穩壓值，此時穩壓元件并聯支路10中有電流通過，即Uy幸0，那 R 11
-Ua-Uv)，U1為可變負電壓，加速電壓給定信號Ua*和加速電壓取樣信號Ua進
Rl
行比較后，再與穩壓元件并聯支路電流取樣信號Uy進行比較，總偏差通過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定在穩壓元件并聯支路的總穩壓值，加速電壓取樣信號Ua為固定值UaN，穩壓元件并聯支路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
壓元件并聯支路的總穩壓值，但穩壓元件并聯支路10仍無電流通過
權利要求
1.電子束快速成型制造設備加速電源裝置，其特征在于:包括電網濾波器(I)、晶閘管軟啟動單元(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)、穩壓元件并聯支路(10)、加速電壓取樣電路(11)、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻(12)、電子束流取樣電阻(13)、高壓電子管(14)、中央控制單元(15)和加速電壓調節器(16); 電網濾波器(I)的輸入端與外部電源相連，輸出端經晶閘管軟啟動單元(2)與高壓變壓器(3)的初級繞組相連；高壓變壓器(3)次級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)的負輸出端上，輸出高壓濾波電容(8)的 另一端則經過電子束流取樣電阻(13)后與大地和電子槍的陽極相接； 穩壓元件并聯支路(10)由多個二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管串聯組成。穩壓元件并聯支路(10 )與穩壓元件并聯支路電流取樣電阻(12 )串聯后，再與加速電壓取樣電路(11)并聯，兩并聯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節器(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)的取樣信號輸出端和電子束流取樣電阻的取樣信號輸出端(13);中央控制單兀(15)的一個輸出端連接晶閘管軟啟動單元(2)； 加速電壓調節器(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輸出端、中央控制單元(15)的電子束流給定信號輸出端、加速電壓取樣電路(11)的取樣信號輸出端、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻(12)的取樣信號輸出端和電子束流取樣電阻(13)的取樣信號輸出端。
2.根據權利要求1所述的電子束快速成型制造設備加速電源裝置，其特征在于:還進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)的取樣信號輸出端、穩壓元件并聯支路電流取樣電阻(12)的取樣信號輸出端和加速電壓取樣電路(11)的取樣信號輸出端；故障判別電路(17)的輸出端連接加速電壓調節器(16)和中央控制單元(15)。
3.根據權利要求2所述的電子束快速成型制造設備加速電源裝置，其特征在于:所述加速電壓調節器(16)主要由2個運輸放大器IC1、IC2，3個二極管Dl D3，穩壓二極管Z1，11個電阻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輸出端通過電阻R6接至運算放大器IC2的同相輸入端，運輸放大器IC2的同相輸入端通過電阻R7與大地相接，電子束流取樣電阻(13)的取樣信號輸出端通過電阻R5連接運輸放大器IC2的反相輸入端；電阻R8兩端分別接至運輸放大器IC2的反相輸入端和輸出端,運輸放大器IC2的輸出端先后通過穩壓二極管Zl、二極管D2和電阻R4接至運算放大器ICl的反相輸入端； 中央控制單元(15)的加速電壓給定信號輸出端通過電阻R1、加速電壓取樣電路(11)的取樣信號輸出端通過電阻R2、以及穩壓元件并聯支路電流取樣電阻(12)的取樣信號輸出端通過電阻R3 —起接至運算放大器ICl的反相輸入端；運算放大器ICl的同相輸入端通過R9與大地相接；故障判別電路(17)的輸出端經二極管D3接至運算放大器ICl的同相輸入端；二極管D2與電阻RlO并聯后，二極管D2的陰極接運算放大器ICl的反相輸入端，二極管D2的陽極接運算放大器ICl的輸出端；運算放大器ICl的輸出端通過電阻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節器(16)的輸出端接至高壓電子管的柵極。
4.據權利要求2所述的電子束快速成型制造設備加速電源裝置，其特征在于:電子束流取樣電阻(13)的取樣信號輸出端、中央控制單元(15)的電子束流給定信號輸出端和故障判別電路(17)的輸出端還與電子束快 速成型制造設備中的電子束流調節器(19)的輸入端連接。
5.根據權利要求1所述的電子束快速成型制造設備加速電源裝置，其特征在于:所述高壓變壓器(3)的初級繞組為三角形或星形接法；高壓變壓器(3)的一組次級繞組為三角形接法，另一組次級繞組為星形接法，且兩組次級繞組的線電壓值相同。
6.根據權利要求1所述的電子束快速成型制造設備加速電源裝置，其特征在于:所述十二脈波高壓整流單元(4)由兩個三相高壓整流橋串聯組成，或由兩個三相高壓整流橋通過平衡電抗器(4-1)并聯組成。
7.電子束快速成型制造設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)串聯調整調節一二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管為并聯穩壓輸出的技術路線，通過輸出高壓的負反饋信號和穩壓元件并聯支路(10)的電流信號去控制高壓電子管的等效電阻，進行自動穩壓，并限制穩壓元件并聯支路(10)的電流； 工頻交流輸入在中央控制單元(15)控制下，晶閘管軟啟動單元(2)的晶閘管的導通角由0逐漸增大到全導通，進入正常工作； 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壓元件的總穩壓值時，穩壓元件并聯支路(10)無電流通過，穩壓元件并聯支路(10)電流取樣信號為零；加速電壓調節器(16)中只有中央控制單元(15)輸出的加速電壓給定信號和加速電壓取樣電路(11)輸出的加速電壓取樣信號進行比較，兩者的偏差通過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系； 如果中央控制單元(15)輸出的加速電壓給定值超過某一個臨界值，并使得加速電源輸出電壓值達到穩壓元件的穩壓值時，穩壓元件并聯支路(10)中有電流通過，加速電壓調節器(16 )中加速電壓給定信號和加速電壓取樣信號進行比較后，再與穩壓元件并聯支路電流取樣電阻(12)輸出的穩壓元件并聯支路(10)電流取樣信號進行比較，總偏差通過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定在穩壓元件并聯支路(10)的總穩壓值，且穩壓元件并聯支路(10)的電流值正比于加速電壓給定值與臨界值的差值。
8.根據權利要求7所述的電子束快速成型制造設備加速電源裝置的控制方法，其特征在于:還包括加速電壓調節器(15)判斷電子束流超過其設定值的某一數值后，差值將產生截止負反饋，限制非正常電子束流值的步驟。
9.根據權利要求7或8所述的電子束快速成型制造設備加速電源裝置的控制方法，其特征在于:還進一步包括故障保護控制，即故障判別電路(17)檢測電子束流取樣電阻(13)上的電壓信號，如果超過設定的上限值判為電子束流過流故障；故障判別電路(17)檢測穩壓元件并聯支路電流取樣電阻(12)上的電壓信號，如果超過設定的上限值判為穩壓元件并聯支路(10)過流故障；故障判別電路(17)檢測加速高壓取樣電路(11)的輸出電壓信號，如果超過設定的上限值判為加速電壓過壓故障，如果產生負突跳變化判為加速電源產生高壓放電故障；上述任一故障的產生故障判別電路(17)都輸出信號，并立即封鎖加速電壓調節器(16)和電子束流調節器的輸出；故障判別電路(17)輸出信號同時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備其它控制單元的連鎖保護；如果產生高壓放電故障，加速電壓調節器(16)和電子束流調節器的輸出被封鎖1-2毫秒后，自動解除封鎖，實現高壓自動重啟；在設定時間段內高壓放電故障發生次數超過設定次數則判為“永久故障”，此時與處理其它故障類型的措施一樣切斷電網供電電源和加速電壓給定信號，待故障排除后，再手動重啟高壓。`
全文摘要
本發明公開一種電子束快速成型制造設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→高壓電子管串聯調整調節→二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管為并聯穩壓輸出的技術路線，通過輸出高壓的負反饋信號和穩壓元件并聯支路的電流信號去控制高壓電子管的等效電阻，進行自動穩壓，并限制穩壓元件并聯支路的電流。本發明提供一種以高壓電子管為串聯調整管，以二氧化鋅壓敏電阻或穩壓二極管為并聯穩壓元件構成的直流高壓電源及其控制方法，具有調節速度快、輸出高壓紋波小和穩壓精度高的特點。
文檔編號H02H3/20GK103235626SQ20131004749
公開日2013年8月7日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者韋壽祺, 黃小東, 陸思恒, 郭華艷, 王偉, 蔣思遠, 陸葦, 黃海, 黃地送 申請人:桂林獅達機電技術工程有限公司