间热式电子束熔炼炉电源的研究与设计
1绪论
电子束溶炼技术（EBM)是冶金溶炼技术领域里的一个重要分支技术，在尖端金属冶炼领域中占有着重要地位，同时也是未来冶炼领域里的一个重要组成部分。从本质上来讲，电子束的冶炼就是在真空环境较高的条件下，先通过加热的手段使负载电阻丝产生电子，然后通过一定的高压使电子进行高速运动，最后将高速运动的电子束流的动能转化为热能从而冶炼金属的一种溶炼方法。它主要针对于难溶金属进行冶炼，比如鹤、钽、银、银、铪、铬、银、错和钛等溶点较高，轻易难以融化的金属。在难溶金属的冶炼领域里面，钛合金是其中一种使用开发程度较高的金属。金属钛是自上世纪中叶被人们逐步发现并加以利用的一种金属，相比于其他难溶金属而言，金属鈦的强度很高，且不容易被腐烛，在温度较高的条件下依然能保持自己本身的特性，所以钛合金在高温、恶劣、特殊的环境下被广泛使用；如航空航天领域、军工化工制造领域、汽车医疗领域等。在钛合金的优质特性逐渐被人们发现之后，慢慢被人们所熟知，许多国家开始着手于钛合金的冶炼与开发。到了上个世纪五六十年代，钛合金在航空航天飞行器的发动机的使用上发挥了重要的作用。到了上个世纪80年代以后，钛合金的应用得到了进一步的发展，得益于军工领域的进步，钛合金在火箭、导弹等装备设施上得到了更多的应用[2]。正由于以钛合金为代表的难溶金属在工业以及民用发展的进程中得到了广泛的应用，为电子束焰炼技术的发展提供了重要的基础[3]。
电子束溶炼炉电源的发展趋势是大功率、高频化、小型化。目前国内的开发应用水平与国外发达国家的先进水平仍有很非常明显的差距；其中美国ATI公司已经成功生产出由8支电子枪同时工作，总功率达到5.6MW的溶炼炉，冶炼功率等级为世界最大;德国溶炼炉产业以ALD公司为主要代表，公司成功生产出单台功率为600kW的电子枪，4台电子枪同时运转功率能够达到2000kW。在我国，北京有色金属研究院开发出4台电子枪同时工作可提供2.4MW的大型高效电子束冷床炉。但是目前世界各大公司生产的电子束溶炼炉电源主要还是釆用传统的工频升压方式，高频电源的开发仍是未来电子束溶炼炉的发展的难点和热点。
1.2.1电子束溶炼炉的发展历史
电子束的概念第一次出现在人们的视野中是在上个世纪的80年代，美国的Temescal冶金公司在1957年首度使用电子束进行了对金属钛等难溶金属的冶炼，此时才正式开启了商业方面对电子束溶炼的运用的时代。而到了 20世纪60年代，横向电子枪技术相对成熟起来，能够投入使用，并且己经能够对直径达到80的组锭和鹤锭进行冶炼。到了上世纪80年代中期，过去的横向电子枪己经完全被现在新式的轴向电子枪所取代，现在电子束溶炼炉的溶炼能力得到了质的飞越。在90年代后期美国提出了冶炼的新思路，将需要溶炼的金属放置在溶炼的容器内进行冶炼的同时，另一个溶炼装置同时进行准备，这样的搭配使溶炼的效率和能力都已经大幅提高[9]。
1.2.2电子束溶炼炉的工作原理
电子束溶炼是利用大功率电子束流，通过控制电子束流的功率，束流的大小，进行难溶金属的溶化与冶炼，通过凝固结晶后将杂质去掉，提纯、结晶的一种冶炼方法[4]。电子束熔炼炉的主要结构包括三个部分组成：（1)电子枪。（2)电源系统（3)电子束控制系统。电子枪是用于发射电子束的设备，电源系统分别由灯丝电源、轰击电源、加速电源三部分组成,用于电子枪不同部分的供电使用。电子束控制系统负责完成对电子束的聚焦和偏转。电子束以极快的速度发射到金属表面，将动能转化为热能并将金属溶化达到溶炼的目的。
3)灯丝电源通过输出稳定的电流对灯丝进行加热，灯丝通入电流后产生高温并在其周围溢出少量电子；
4)轰击电源将灯丝周围产生的电子轰击到阴极板上；
5)阴极板受到高速电子的轰击，温度急剧升高，并在其周围产生电子密度极大的电子
6)在阴极板与馆炼金属之间加入高压加速电源，使电子形成电子束，溶化金属，达到冶炼、提纯的目的。
2灯丝电源系统结构设计及控制策略
灯丝电源是电子束溶炼炉电源系统的重要组成部分。灯丝电源系统主要功能是对灯丝负载两端进行加热，负载在通过较大的电流之后温度升高发射出大量电子，然后供给后级电源继续进行处理。在已经成熟的电子束系统中最常用的办法是通过闭环的调节和控制使电流最终达到一个稳定的状态，从而让灯丝电流达到稳定的电流输出，能够使溢出电子的数量达到一个稳定的平衡，如果灯丝的电流能够稳定，最终会促使懷炼炉电子束流也随之稳定。在电子束溶炼的过程中，灯丝电流的大小与稳定程度直接影响电子束流的大小，从而成为影响溶炼功率的重要因素。
2.1电子束溶炼炉灯丝电源的结构
电子束溶炼炉灯丝电源系统的结构主要包括：1)不控整流部分
2)Buck变换器
3)全桥逆变部43分
4)降压隔离变压器
5)采样电路、控制电路与过流保护电路
2.2灯丝电源的工作原理
灯丝电源的作用在于使灯丝通过电流而溢出电子，然后提供给后级电路，灯丝电流的大小以及其稳定程度最终影响溶炼炉电子束流的大小。而电子束流的大小与稳定程度直接决定了溶炼过程中的金属产量和质量。本课题所设计的电子束溶炼炉灯丝电源为一个高频交流电源，输出电流范围为交流0-20A可调，输出电压稳定在交流0~10V。2.2.1主电路基本原理
电子束溶炼炉灯丝电源的拓扑结构如图2.1所示。电源主回路的部分主要由下面几个单元构成：不控整流部分；Buck变换器部分；全桥逆变部分；高频降压变压器部分。在电子束恪炼炉中灯丝电源与轰击电源以及加速电源部分串联组成，所以输出端必须有变压器对其进行隔离，可起到保护低压控制回路的功能。单相工频220V交流输入电源经过不控整流滤波后，得到280V左右的直流电压，直流电压经过Buck变换器的电压调整将Buck变换器电压输出控制在180V;所得到的直流电压经过全桥逆变器后逆变为高频的交流方波，最后经过降压隔离变压器可得到10A的交流电流。
2.2.2 Buck变换器的工作模式
Buck变换器共分为两种完全不同的工作状态；分别是电感电流连续模式，即CCM (输出滤波电感上的电流值总是大于零）模式；与电感电流断续模式，即DCM (开关管关断后有一段时间滤波电感上的电流等于零）模式两种模式。在大功率电路应用场合多采用CCM模式，通过串接较大的电感使负载电流连续且纹波较小，同时灯丝电源的核心要求是使输出电流稳定，所以本设计釆取CCM模式。Buck变换器后级采用全桥逆变方式，将高频的直流电压逆变为高频的方波电压，从而通给隔离变压器，通过控制变压器的变比，可调整需要的灯丝电流。
在Buck变换器输出直流电压后，将直流电压通给全桥逆变电路，其中全桥变换器主要的作用是将直流电源逆变为交流方波。全桥电路开关频率设定为15kHz，占空比为最大值并保持不变，死区时间设定为16.7us，这样可以保证将Buck电路所产生的能量最大程度地传输到后级。逆变电路后级接入隔离变压器，变压器的变比设计为18:1，从而使变压器输出电压额定值降低为10V左右，根据功率守恒的原则，输出电流有效值可以达到20A左右。最终将输出端接入灯丝负载，从而完成灯丝电流的作用，为电子束恪炼炉加热产生所要的电子数量。
3.1移相全桥变换器的工作原理.....................19
3.1.1移相全桥变换器工作过程的介绍.....................19
4加速电源控制系统的设计.....................34
4.1控制芯片的选择.....................34
4.2控制电路的构成.....................34
4.2.1控制电路的硬件设计.....................35
4.2.2控制系统软件设计.....................38
4.3加速电源的实验结果.....................38
4.4本章小结.....................40
5论文总结以及后续展望.....................41
5.1论文总结.....................41
5.2后续展望......................41
4加速电源控制系统的设计
数字控制器的选择对于开关电源的功率因数和系统效率有很大影响，芯片选择合适与否直接影响着电源系统的运行效率以及稳定性。本设计釆用TI公司的TMS320F28035型DSP，与a经在电力电子行业已经广泛使用的TMS320F28335相比，28035的主频虽然只有60MHz，但是增加了一个CLA模块（contol law accelerator)，控制算法可以在模块中单独进行运算，编程更加便捷，并且在成本上相比TMS320F28335型DSP有很大优势，性价比更高，使用此款芯片更加经济，所以本设计采用DSP28035作为控制芯片比较合适。
控制部分在加速电源系统起着至关重要的作用，在实际生产中的电子束溶炼炉中控制电路主要可以完成系统灯丝电源、轰击电源以及高压加速电源的的闭环控制以及过压过流保护。整个控制系统部分主要由芯片及外围电路、驱动电路、采样电路、保护电路以及辅助电源几部分组成。加速电源系统框图如图4.1所示；电源系统由三相工频交流380V进电、EMC滤波电路、全桥不控整流、移相全桥变换器、高频升压变换器以及整流滤波电路组成。控制芯片为TMS320F28035。其中DSP对逆变器后级进行电流釆样，进行变压器原边的过流保护。输出高压反馈信号通过电阻塔分压取得，最后经过采样调理电路后进入DSP的A/D采样模块，通过与给定值进行比较作为误差信号后进入PI调节器进行运算输入，改变PWM波的移相角的幅值，从而调节输出高压，实现闭环控制功能。
4.2.1控制电路的硬件设计
1)信号采样电路的设计
因为从加速电源直接采样回来的电压信号存在电压幅值可能过高的情况，高压加速电源的采样主要是通过对输出电压进行分压后采样分压后进入差分放大电路。差分放大电路是一种可以调整输入输出比例的的运算放大电路，这种电路能够利用电路参数的对称性以及电路的负反馈作用，对电路的静态工作点进行稳定。差分放大电路的显著特征是能够利用自身特性，有效地稳定静态工作点。在放大差模信号的同时可以抑制共模信号。差分放大电路在采样调理电路中已经得到广泛的应用，并且成熟地使用在直接稱合电路和测量电路的输入级。
如图4.4所示为IGBT模块的驱动电路，主要由核心驱动芯片M57962AL组成；该芯片通过使能信号触发工作。配合光耦PC817可进行故障检测，一旦出现过流过压等情况可立即封锁脉冲达到保护的目的。M57962AL是一种常用的驱动模块芯片，采用厚模单列直插式14脚封装。它有如下的特点：通过高速光耦进行隔离，使输入输出的绝缘强度较高；芯片的输入输出电平与TTL电平兼容，与DSP芯片的控制相匹配；内部有定时逻辑短路保护电路，在过压过流故障的时候能够起到延时保护的作用；具有可靠通断的措施；驱动能力较强，，驱动功率较大，完全能够驱动本设计所选择的FF200R12KT4模块。
5论文总结以及后续展望
电源系统是电子束熔炼炉的重要组成部分，电源的稳定性对熔炼炉正常工作、冶炼金属的效率起着重要的保障作用。本文主要的研究对象是间热式电子束熔炼炉所需要的配套电源。间热式电子束熔炼炉的电源配套系统结构十分复杂，由多个电源协同工作，共同完成冶炼金属的任务。电源系统分别由不同的电源部分组成。本课题主要针对于熔炼炉所需要的灯丝电源以及加速电源进行了参数计算，软件仿真以及硬件设计最终完成了电源的设计、调试工作。经过试验调试证明了原理的正确性以及方案的可行性。下面对论文工作进行如下总结：
1)通过阅读相关文献资料，了解和掌握了电子束熔炼炉电源的发展历史以及目前的应用情况，并且针对于高频电源的思路提出了合理的研究方案。
2)提出了熔炼炉所需要的灯丝电源的研宄分析方案，包括参数计算、器件选型，最终确定了以Buck变换器为核心的电路拓扑，并且对Buck变换器进行了小信号分析，得到了闭环传递函数。最终制作完成了 Buck变换器的实验样机，得出实验结果，表明了方案的正确性。
3)提出了加速电源的研究分析方案，进行了参数的计算以及器件的选型，确定了加速电源以全桥移相变换器为核心的电路拓扑结构，对全桥移相变换器进行了小信号的分析，最终完成了实验平台的搭建，制作完成了一台实验样机，通过实验验证了方案的可行性。
本文从电源系统方案的确定、电路参数的计算、器件选型、系统小信号的建模分析最终到实验平台的搭建完成等几个方面分别介绍了课题的全部内容。最后的实验结果验证了间热式电子束熔炼炉电源方案的可行性。但最终受条件所限，实验样机距离达到工业生产的水平还有一定的差距。同时本文所设计的灯丝电源与加速电源目前只能达到分别进行实验的能力，缺少进行协同工作从而能熔炼调试的能力，这些问题需要在未来的实验开发中继续逐步完善。
参考文献（略）
本文编号：42138
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/42138.html
