1緒論

1.1引言

電子束溶煉技術(shù)（EBM)是冶金溶煉技術(shù)領(lǐng)域里的一個(gè)重要分支技術(shù)，在尖端金屬冶煉領(lǐng)域中占有著重要地位，同時(shí)也是未來冶煉領(lǐng)域里的一個(gè)重要組成部分。從本質(zhì)上來講，電子束的冶煉就是在真空環(huán)境較高的條件下，先通過加熱的手段使負(fù)載電阻絲產(chǎn)生電子，然后通過一定的高壓使電子進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)，最后將高速運(yùn)動(dòng)的電子束流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能從而冶煉金屬的一種溶煉方法。它主要針對于難溶金屬進(jìn)行冶煉，比如鶴、鉭、銀、銀、鉿、鉻、銀、錯(cuò)和鈦等溶點(diǎn)較高，輕易難以融化的金屬。在難溶金屬的冶煉領(lǐng)域里面，鈦合金是其中一種使用開發(fā)程度較高的金屬。金屬鈦是自上世紀(jì)中葉被人們逐步發(fā)現(xiàn)并加以利用的一種金屬，相比于其他難溶金屬而言，金屬鈦的強(qiáng)度很高，且不容易被腐燭，在溫度較高的條件下依然能保持自己本身的特性，所以鈦合金在高溫、惡劣、特殊的環(huán)境下被廣泛使用；如航空航天領(lǐng)域、軍工化工制造領(lǐng)域、汽車醫(yī)療領(lǐng)域等。在鈦合金的優(yōu)質(zhì)特性逐漸被人們發(fā)現(xiàn)之后，慢慢被人們所熟知，許多國家開始著手于鈦合金的冶煉與開發(fā)。到了上個(gè)世紀(jì)五六十年代，鈦合金在航空航天飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)的使用上發(fā)揮了重要的作用。到了上個(gè)世紀(jì)80年代以后，鈦合金的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展，得益于軍工領(lǐng)域的進(jìn)步，鈦合金在火箭、導(dǎo)彈等裝備設(shè)施上得到了更多的應(yīng)用[2]。正由于以鈦合金為代表的難溶金屬在工業(yè)以及民用發(fā)展的進(jìn)程中得到了廣泛的應(yīng)用，為電子束焰煉技術(shù)的發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)[3]。

1.2課題背景及意義
電子束溶煉爐電源的發(fā)展趨勢是大功率、高頻化、小型化。目前國內(nèi)的開發(fā)應(yīng)用水平與國外發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平仍有很非常明顯的差距；其中美國ATI公司已經(jīng)成功生產(chǎn)出由8支電子槍同時(shí)工作，總功率達(dá)到5.6MW的溶煉爐，冶煉功率等級(jí)為世界最大;德國溶煉爐產(chǎn)業(yè)以ALD公司為主要代表，公司成功生產(chǎn)出單臺(tái)功率為600kW的電子槍，4臺(tái)電子槍同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)功率能夠達(dá)到2000kW。在我國，北京有色金屬研究院開發(fā)出4臺(tái)電子槍同時(shí)工作可提供2.4MW的大型高效電子束冷床爐。但是目前世界各大公司生產(chǎn)的電子束溶煉爐電源主要還是釆用傳統(tǒng)的工頻升壓方式，高頻電源的開發(fā)仍是未來電子束溶煉爐的發(fā)展的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
1.2.1電子束溶煉爐的發(fā)展歷史
電子束的概念第一次出現(xiàn)在人們的視野中是在上個(gè)世紀(jì)的80年代，美國的Temescal冶金公司在1957年首度使用電子束進(jìn)行了對金屬鈦等難溶金屬的冶煉，此時(shí)才正式開啟了商業(yè)方面對電子束溶煉的運(yùn)用的時(shí)代。而到了 20世紀(jì)60年代，橫向電子槍技術(shù)相對成熟起來，能夠投入使用，并且己經(jīng)能夠?qū)χ睆竭_(dá)到80的組錠和鶴錠進(jìn)行冶煉。到了上世紀(jì)80年代中期，過去的橫向電子槍己經(jīng)完全被現(xiàn)在新式的軸向電子槍所取代，現(xiàn)在電子束溶煉爐的溶煉能力得到了質(zhì)的飛越。在90年代后期美國提出了冶煉的新思路，將需要溶煉的金屬放置在溶煉的容器內(nèi)進(jìn)行冶煉的同時(shí)，另一個(gè)溶煉裝置同時(shí)進(jìn)行準(zhǔn)備，這樣的搭配使溶煉的效率和能力都已經(jīng)大幅提高[9]。
1.2.2電子束溶煉爐的工作原理

電子束溶煉是利用大功率電子束流，通過控制電子束流的功率，束流的大小，進(jìn)行難溶金屬的溶化與冶煉，通過凝固結(jié)晶后將雜質(zhì)去掉，提純、結(jié)晶的一種冶煉方法[4]。電子束熔煉爐的主要結(jié)構(gòu)包括三個(gè)部分組成：（1)電子槍。（2)電源系統(tǒng)（3)電子束控制系統(tǒng)。電子槍是用于發(fā)射電子束的設(shè)備，電源系統(tǒng)分別由燈絲電源、轟擊電源、加速電源三部分組成,用于電子槍不同部分的供電使用。電子束控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)。電子束以極快的速度發(fā)射到金屬表面，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并將金屬溶化達(dá)到溶煉的目的。

如圖1.1所示為電子束溶煉爐電子槍結(jié)構(gòu)示意圖，它的基本工作過程如下所述
3)燈絲電源通過輸出穩(wěn)定的電流對燈絲進(jìn)行加熱，燈絲通入電流后產(chǎn)生高溫并在其周圍溢出少量電子；
4)轟擊電源將燈絲周圍產(chǎn)生的電子轟擊到陰極板上；
5)陰極板受到高速電子的轟擊，溫度急劇升高，并在其周圍產(chǎn)生電子密度極大的電子

6)在陰極板與館煉金屬之間加入高壓加速電源，使電子形成電子束，溶化金屬，達(dá)到冶煉、提純的目的。

2燈絲電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制策略

燈絲電源是電子束溶煉爐電源系統(tǒng)的重要組成部分。燈絲電源系統(tǒng)主要功能是對燈絲負(fù)載兩端進(jìn)行加熱，負(fù)載在通過較大的電流之后溫度升高發(fā)射出大量電子，然后供給后級(jí)電源繼續(xù)進(jìn)行處理。在已經(jīng)成熟的電子束系統(tǒng)中最常用的辦法是通過閉環(huán)的調(diào)節(jié)和控制使電流最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而讓燈絲電流達(dá)到穩(wěn)定的電流輸出，能夠使溢出電子的數(shù)量達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的平衡，如果燈絲的電流能夠穩(wěn)定，最終會(huì)促使懷煉爐電子束流也隨之穩(wěn)定。在電子束溶煉的過程中，燈絲電流的大小與穩(wěn)定程度直接影響電子束流的大小，從而成為影響溶煉功率的重要因素。

2.1電子束溶煉爐燈絲電源的結(jié)構(gòu)

電子束溶煉爐燈絲電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括：
1)不控整流部分
2)Buck變換器
3)全橋逆變部43分
4)降壓隔離變壓器

5)采樣電路、控制電路與過流保護(hù)電路

2.2燈絲電源的工作原理

燈絲電源的作用在于使燈絲通過電流而溢出電子，然后提供給后級(jí)電路，燈絲電流的大小以及其穩(wěn)定程度最終影響溶煉爐電子束流的大小。而電子束流的大小與穩(wěn)定程度直接決定了溶煉過程中的金屬產(chǎn)量和質(zhì)量。本課題所設(shè)計(jì)的電子束溶煉爐燈絲電源為一個(gè)高頻交流電源，輸出電流范圍為交流0-20A可調(diào)，輸出電壓穩(wěn)定在交流0~10V。
2.2.1主電路基本原理
電子束溶煉爐燈絲電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.1所示。電源主回路的部分主要由下面幾個(gè)單元構(gòu)成：不控整流部分；Buck變換器部分；全橋逆變部分；高頻降壓變壓器部分。在電子束恪煉爐中燈絲電源與轟擊電源以及加速電源部分串聯(lián)組成，所以輸出端必須有變壓器對其進(jìn)行隔離，可起到保護(hù)低壓控制回路的功能。單相工頻220V交流輸入電源經(jīng)過不控整流濾波后，得到280V左右的直流電壓，直流電壓經(jīng)過Buck變換器的電壓調(diào)整將Buck變換器電壓輸出控制在180V;所得到的直流電壓經(jīng)過全橋逆變器后逆變?yōu)楦哳l的交流方波，最后經(jīng)過降壓隔離變壓器可得到10A的交流電流。
2.2.2 Buck變換器的工作模式
Buck變換器共分為兩種完全不同的工作狀態(tài)；分別是電感電流連續(xù)模式，即CCM (輸出濾波電感上的電流值總是大于零）模式；與電感電流斷續(xù)模式，即DCM (開關(guān)管關(guān)斷后有一段時(shí)間濾波電感上的電流等于零）模式兩種模式。在大功率電路應(yīng)用場合多采用CCM模式，通過串接較大的電感使負(fù)載電流連續(xù)且紋波較小，同時(shí)燈絲電源的核心要求是使輸出電流穩(wěn)定，所以本設(shè)計(jì)釆取CCM模式。Buck變換器后級(jí)采用全橋逆變方式，將高頻的直流電壓逆變?yōu)楦哳l的方波電壓，從而通給隔離變壓器，通過控制變壓器的變比，可調(diào)整需要的燈絲電流。

在Buck變換器輸出直流電壓后，將直流電壓通給全橋逆變電路，其中全橋變換器主要的作用是將直流電源逆變?yōu)榻涣鞣讲�。全橋電路開關(guān)頻率設(shè)定為15kHz，占空比為最大值并保持不變，死區(qū)時(shí)間設(shè)定為16.7us，這樣可以保證將Buck電路所產(chǎn)生的能量最大程度地傳輸?shù)胶蠹?jí)。逆變電路后級(jí)接入隔離變壓器，變壓器的變比設(shè)計(jì)為18:1，從而使變壓器輸出電壓額定值降低為10V左右，根據(jù)功率守恒的原則，輸出電流有效值可以達(dá)到20A左右。最終將輸出端接入燈絲負(fù)載，從而完成燈絲電流的作用，為電子束恪煉爐加熱產(chǎn)生所要的電子數(shù)量。

3加速電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理.....................18
3.1移相全橋變換器的工作原理.....................19
3.1.1移相全橋變換器工作過程的介紹.....................19
4加速電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).....................34
4.1控制芯片的選擇.....................34
4.2控制電路的構(gòu)成.....................34
4.2.1控制電路的硬件設(shè)計(jì).....................35
4.2.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).....................38
4.3加速電源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.....................38
4.4本章小結(jié).....................40
5論文總結(jié)以及后續(xù)展望.....................41
5.1論文總結(jié).....................41

5.2后續(xù)展望......................41

4加速電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1控制芯片的選擇

數(shù)字控制器的選擇對于開關(guān)電源的功率因數(shù)和系統(tǒng)效率有很大影響，芯片選擇合適與否直接影響著電源系統(tǒng)的運(yùn)行效率以及穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)釆用TI公司的TMS320F28035型DSP，與a經(jīng)在電力電子行業(yè)已經(jīng)廣泛使用的TMS320F28335相比，28035的主頻雖然只有60MHz，但是增加了一個(gè)CLA模塊（contol law accelerator)，控制算法可以在模塊中單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)算，編程更加便捷，并且在成本上相比TMS320F28335型DSP有很大優(yōu)勢，性價(jià)比更高，使用此款芯片更加經(jīng)濟(jì)，所以本設(shè)計(jì)采用DSP28035作為控制芯片比較合適。

4.2控制電路的構(gòu)成
控制部分在加速電源系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，在實(shí)際生產(chǎn)中的電子束溶煉爐中控制電路主要可以完成系統(tǒng)燈絲電源、轟擊電源以及高壓加速電源的的閉環(huán)控制以及過壓過流保護(hù)。整個(gè)控制系統(tǒng)部分主要由芯片及外圍電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、保護(hù)電路以及輔助電源幾部分組成。加速電源系統(tǒng)框圖如圖4.1所示；電源系統(tǒng)由三相工頻交流380V進(jìn)電、EMC濾波電路、全橋不控整流、移相全橋變換器、高頻升壓變換器以及整流濾波電路組成�？刂菩酒瑸門MS320F28035。其中DSP對逆變器后級(jí)進(jìn)行電流釆樣，進(jìn)行變壓器原邊的過流保護(hù)。輸出高壓反饋信號(hào)通過電阻塔分壓取得，最后經(jīng)過采樣調(diào)理電路后進(jìn)入DSP的A/D采樣模塊，通過與給定值進(jìn)行比較作為誤差信號(hào)后進(jìn)入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算輸入，改變PWM波的移相角的幅值，從而調(diào)節(jié)輸出高壓，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能。
4.2.1控制電路的硬件設(shè)計(jì)
1)信號(hào)采樣電路的設(shè)計(jì)
因?yàn)閺募铀匐娫粗苯硬蓸踊貋淼碾妷盒盘?hào)存在電壓幅值可能過高的情況，高壓加速電源的采樣主要是通過對輸出電壓進(jìn)行分壓后采樣分壓后進(jìn)入差分放大電路。差分放大電路是一種可以調(diào)整輸入輸出比例的的運(yùn)算放大電路，這種電路能夠利用電路參數(shù)的對稱性以及電路的負(fù)反饋?zhàn)饔茫瑢﹄娐返撵o態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定。差分放大電路的顯著特征是能夠利用自身特性，有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。在放大差模信號(hào)的同時(shí)可以抑制共模信號(hào)。差分放大電路在采樣調(diào)理電路中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且成熟地使用在直接稱合電路和測量電路的輸入級(jí)。

如圖4.4所示為IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)電路，主要由核心驅(qū)動(dòng)芯片M57962AL組成；該芯片通過使能信號(hào)觸發(fā)工作。配合光耦PC817可進(jìn)行故障檢測，一旦出現(xiàn)過流過壓等情況可立即封鎖脈沖達(dá)到保護(hù)的目的。M57962AL是一種常用的驅(qū)動(dòng)模塊芯片，采用厚模單列直插式14腳封裝。它有如下的特點(diǎn)：通過高速光耦進(jìn)行隔離，使輸入輸出的絕緣強(qiáng)度較高；芯片的輸入輸出電平與TTL電平兼容，與DSP芯片的控制相匹配；內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，在過壓過流故障的時(shí)候能夠起到延時(shí)保護(hù)的作用；具有可靠通斷的措施；驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，，驅(qū)動(dòng)功率較大，完全能夠驅(qū)動(dòng)本設(shè)計(jì)所選擇的FF200R12KT4模塊。

5論文總結(jié)以及后續(xù)展望

5.1論文總結(jié)
電源系統(tǒng)是電子束熔煉爐的重要組成部分，電源的穩(wěn)定性對熔煉爐正常工作、冶煉金屬的效率起著重要的保障作用。本文主要的研究對象是間熱式電子束熔煉爐所需要的配套電源。間熱式電子束熔煉爐的電源配套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，由多個(gè)電源協(xié)同工作，共同完成冶煉金屬的任務(wù)。電源系統(tǒng)分別由不同的電源部分組成。本課題主要針對于熔煉爐所需要的燈絲電源以及加速電源進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算，軟件仿真以及硬件設(shè)計(jì)最終完成了電源的設(shè)計(jì)、調(diào)試工作。經(jīng)過試驗(yàn)調(diào)試證明了原理的正確性以及方案的可行性。下面對論文工作進(jìn)行如下總結(jié)：
1)通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解和掌握了電子束熔煉爐電源的發(fā)展歷史以及目前的應(yīng)用情況，并且針對于高頻電源的思路提出了合理的研究方案。
2)提出了熔煉爐所需要的燈絲電源的研宄分析方案，包括參數(shù)計(jì)算、器件選型，最終確定了以Buck變換器為核心的電路拓?fù)�，并且對Buck變換器進(jìn)行了小信號(hào)分析，得到了閉環(huán)傳遞函數(shù)。最終制作完成了 Buck變換器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明了方案的正確性。

3)提出了加速電源的研究分析方案，進(jìn)行了參數(shù)的計(jì)算以及器件的選型，確定了加速電源以全橋移相變換器為核心的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對全橋移相變換器進(jìn)行了小信號(hào)的分析，最終完成了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，制作完成了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。

5.2后續(xù)展望

本文從電源系統(tǒng)方案的確定、電路參數(shù)的計(jì)算、器件選型、系統(tǒng)小信號(hào)的建模分析最終到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建完成等幾個(gè)方面分別介紹了課題的全部內(nèi)容。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了間熱式電子束熔煉爐電源方案的可行性。但最終受條件所限，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)距離達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的水平還有一定的差距。同時(shí)本文所設(shè)計(jì)的燈絲電源與加速電源目前只能達(dá)到分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的能力，缺少進(jìn)行協(xié)同工作從而能熔煉調(diào)試的能力，這些問題需要在未來的實(shí)驗(yàn)開發(fā)中繼續(xù)逐步完善。

參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：42138