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iLyouyigebodongguocheng。lingwai，ruguodianliuhuanshejimeiyoudadaozuiyoushi，namedianliuzaitiaojieguochengzhongdechaotiaoliangjianghenda，tiaojieshijianhenchang
，zhishijiagongdianliubuwending
，yingxiangjiagongxiaolvhejingdu。dancongS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，jiqianjigongzuopinlvyuandiyuhoujigongzuopinlv，duiyingyuhoujixiaomaikuanqiege。zheyiqingkuangqiahaoyuqianyizhongqingkuangxiangfan
，jiqianjibianhuanqizaiyigezhouqinei，houjibianhuanqiyijingjinglilef2/f1個周期，如圖3所示，在0時shi刻ke，前qian級ji變bian換huan器qi輸shu出chu能neng量liang，電dian感gan儲chu能neng
，假jia設she負fu載zai也ye在zai此ci時shi同tong時shi放fang電dian切qie割ge，由you於yu變bian壓ya器qi輸shu出chu能neng量liang大da於yu負fu載zai吸xi收shou能neng量liang
，故gu電dian感gan電dian流liu上shang升sheng，在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/f1個(ge)周(zhou)期(qi)時(shi)

，前(qian)級(ji)變(bian)換(huan)器(qi)僅(jin)為(wei)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)
，在(zai)這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，前(qian)級(ji)變(bian)換(huan)器(qi)對(dui)負(fu)載(zai)的(de)突(tu)變(bian)是(shi)無(wu)法(fa)調(tiao)整(zheng)的(de)
，這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，前(qian)級(ji)占(zhan)空(kong)比(bi)的(de)大(da)小(xiao)由(you)負(fu)載(zai)的(de)平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)決(jue)定(ding)，不(bu)受(shou)負(fu)載(zai)突(tu)變(bian)的(de)影(ying)響(xiang)
，換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)，隻(zhi)要(yao)負(fu)載(zai)特(te)性(xing)不(bu)變(bian)，則(ze)前(qian)級(ji)占(zhan)空(kong)比(bi)恒(heng)定(ding)。為(wei)保(bao)證(zheng)前(qian)級(ji)有(you)足(zu)夠(gou)能(neng)量(liang)供(gong)給(gei)負(fu)載(zai)，必(bi)須(xu)在(zai)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)(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jiS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。