基于ANSYS电子束焊接高压电源倍压整流电路仿真设计.pdf

R E S E A R C H学术论文 基于A N S Y S 电子束焊接高压电源倍压整流电路仿真设计术 杨波1 ，张伟1 ，齐铂金1 ，许海鹰2 ( 1 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京1 0 0 1 9 1 ； 2 中航工业北京航空制造工程研究所，北京1 0 0 0 2 4 ) 摘要】采用A N S Y S 对电子柬焊接用高压电源的倍压整流电路进行仿真，结果表明采用全波倍压整流电路比常规 倍压整流电路输出波形稳定性好，纹波系数小且电路所需的电容值小；进行输入波形振荡对输出波形影响性的分 析，结果表明输入波形发生振荡会在一定程度上影响输出电压值。根据仿真结果设计了倍压整流电路并测试其输出 波形，测试结果表明，所设计的电路满足要求。 关键词：倍压整流电路；A N s Y s 仿真；电子束焊接 S i m u l a t i o na n dD e s i g no fV b l t a g eD o u b H n gI k c t i n e ro fH i g hV b l t a g eP o w e rS u p p l yf o r E l e c t r o nB e a mW e l d i n gB a s e do nA N S Y S Y A N G B 0 1 ，z H A N Gw d l ，Q iB o j i n l ，x uH a i y i n ( 1 S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e 血g & A u t o m a t i o n ，B e i h a n gu n i V e r s i t y ，B e i j i n g10 0l9l ，C h i n a ； 2 A cB e i j i n g A e m n a u t i c a lM a n u f a c n l r i n gT e c l l n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i I l g1 0 0 0 2 4 ，C h i n a ) 【A B S T R A C T 】 T h eV o l t a g ed o u b l i n gr e c t i f i e ro 仆i g hV o l t a g ep o w e rs u p p l yf o re l e c 仃o nb e 蛐w e l d i n gi ss i m u l a t e d b y A N S Y S T h ec o n s e q u e n c es h o w st h a tt h e 如l lw a v ev o l t a g ed o u b l i n gr e c t i 丘e ri sb e t t e rt 1 1 a n 山ec o n v e n t i o n a lV o l t a g ed o u - b l i I l gr e c t i f i e ri ns 切b i l i z i I l go u t p u tw a v e f o m ，l o w e 曲gr i p p l ec o e 衔c i e n ta n dr e d u c i n gc 印a c i t a I l c eV a l u e A n d 血ei I l 丑u e n c e o fo 呻u tw a V e f 0 姗c a u s e d b y 邱u tw a V e f o 姗o s c i l l a t i o ni sa l s oa n a l y z e d T h er e s u l ti n d i c a t e st h a to s c i l l a t i o no fi n p u t w a V e f o mw i l li 1 1 f l u e n c et h eV a l u eo fo u t p u tw a V e f o 瑚T h eV o l t a g ed o u b l i n gr e c t i 6 e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot l l er e s u l to f s i m u l a t i o n A n di t so u t p u tw a v e f o mi st e s t e d T h ec o n s e q u e n c es h o w st h a tt h ed e s i g n e dV o l t a g ed o u b l i n gr e c t i f i e rm e e t s d e s i g I l e dr e q u i r e I n e n t s K e y w o r d s ：、，o l t a g ed o u b l i n gr e c t i 6 e r ；A N S Y Ss i m u l a t i o n ；E l e c t m nb e 锄w e l d i n g D o I ：1 0 1 6 0 8 0 i i s s n l 6 7 l - 8 3 3 x 2 0 1 6 0 7 0 7 7 高压电源是电子束焊接设备的关键部件之一，其主 要作用为将低压交流电升压并转换为高压直流电，给电 子枪提供加速电压。高压电源的升压方式较多，常见的 升压方式包括：单组变压器直接升压、多组变压器串联 升压、单组变压器加倍压整流电路串联升压。 本文主要阐述高压电源采用单组变压器加倍压整 流电路串联升压方式，相对于前两种升压方式，这种方 式有效降低了高压变压器的设计难度，减小了输出直流 高压纹波系数。但由于倍压整流电路充电过程复杂，许 多文献对其介绍较为简单，使得电路设计存在困难【1 。3 】。 主要表现为： t 基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项 资助项目( 2 0 1 0 z x 0 4 0 0 7 0 4 1 ) ；北京市科技计划资助项目 ( D 1 3 1 1 0 0 0 0 2 8 1 3 0 0 2 ) 。 ( 1 ) 采用常规倍压整流电路设计电路，具有元器件 少、电路简单的优点，但是电路输出波形纹波系数较大， 而采用全波倍压整流电路时输出波形较好，但电路复 杂，因此在电路选择上显得困难。 ( 2 ) 在实测倍压整流电路输出电压时，其测量值常 高于理论值，这使得设计难度加大。 ( 3 ) 电容参数设计是倍压整流电路设计的一大难 点。由于高压电容耐压性的要求，电容值一般不易做得 太大。电容参数值选取过大，一方面增加材料成本，同 时也使电源体积变得更大，而选值过小又将影响输出电 压的稳定性，甚至导致设备无法输出正常的工作电压。 目前关于电容值计算的文献较少，且多数采用近似求 法，一般所求结果误差较大1 4 一”。 本文采用A N S Y S 软件，通过有限元分析方法，在不 2 0 1 6 年第7 期航空制造技术7 7 万方数据 学术论文 R E S E A R C H 同电容值的条件下，对常规倍压整流电路以及全波倍压 整流电路的输出波形进行仿真求解与对比，以获得合理 的电路结构及合适的电容值，并进行输入波形振荡对倍 压整流电路输出电压影响性的分析。 1A N S Y S 仿真分析 1 1 仿真模型建立 高压电源的工作原理如图l 所示。 图1 高压电源原理图 F i g 1 S c h e m a l i cd i a g r a mO fh i g hV O l t a g ep O w e rs u p p I y 从图1 可知，倍压整流电路的输人电压接自高压 变压器，变压器原边与全桥逆变电路相连，逆变电路 输出波形如图2 所示，输出波形为准方波，电压幅值 5 0 0 V ，频率2 0 k H z ；变压器变比为l ：1 6 ，输出电压 为8 k V ，如图3 所示。倍压整流电路的输出端接电子枪。 该电源需满足技术参数为输出电压6 0 k V ，输出束流 2 0 0 m A 。根据所述条件分别对全波倍压整流电路与 常规倍压整流电路建立仿真模型。 1 1 1 全波倍压整流电路仿真模型建立 对全波倍压整流电路进行仿真分析，需建立相应的 电路模型。所分析的电路为4 级全波倍压整流电路，其 输入端接两组相同的高压变压器，变压器原边采用并联 的方式接输入电压，副边以串联的方式输出，变压器中 心抽头接地。电路的输出端通过负载电阻接地，所分析 的电压为负载的端电压“，其理论值应为一6 4 k v 。高压 硅堆的正向导通压降约为5 0 V ，正向导通电阻为o 5 n ， 反向截止电压为4 0 k V ；电容可视为理想电容，即不考虑 电容自身的电阻值。电容的容值待定，为后面仿真的内 容，耐压为4 0 k V 。为使仿真环境更接近实际工作状况， 将电路输出端的负载等效为实际工作负载，其电阻值大 小设为0 3 M Q 根据上述条件，建立仿真电路模型【8 0 1 。变压器输 入端所接准方波通过A N S Y s 自带电压源模拟。采用 c I R C U l 2 4 单元模拟输入端电压源与电容，将电压源的 幅值设为5 0 0 V ，上升时间与下降时间设为1 肛s ，脉宽 设为0 0 2 3 m s ，周期设为O 0 5 m s 。采用C I R C u l 2 5 单元 模拟二极管，二极管的正向导通电阻设为0 5 n ，正向导 通电压设为5 0 V 。采用C I R C u l 2 4 单元模拟负载与变 7 8 航空制造技术- 2 0 1 6 年第7 期 压器，负载阻值设为o 3 M n ，变压器变比为1 ：1 6 。 采用节点法建模：在活动坐标系上建立所需节点， 并在各节点间绘制相应电路元器件，所绘制的仿真电路 如图4 所示川。变压器左侧接两组相同的电压源，节点 3 与节点2 3 接地。 6 2 5 5 0 0 3 7 5 2 5 0 之1 2 5 警。 一1 2 5 2 5 0 3 7 5 5 0 0 6 2 5 时间us 图2 变压器输入波形 F i g 2l n p u tw a V e f O r mO fl h el r a n s f o r m e r 图3 变压器输出波形 F i g 3O u t p u tw a V e f O r mO ft h et r a n s f O r m e r 0 图4 全波倍压整流电路 F i g 4F u w a V eV O I t a g ed O u b I e rr e c t _ f i e rc i r c u i t 1 1 2 常规倍压整流电路仿真模型建立 对常规倍压整流电路建立仿真电路模型，其过程与 全波倍压整流电路的建模方式基本一致，所建电路如图 5 所示。其中节点2 与节点1 7 接地。所分析的波形为 节点9 的电压波形。 凸凸 万方数据 R E S E A R C H学术论文 图5 常规倍压整流电路 F i g 5C O n V e n t i o n a IV O I t a g ed O u b l e rr e c l i f i e rc i r c u i t 1 2 求解与分析 1 2 1 电容值仿真求解 为获得合适的电容参数值，分别将电容值设为 0 1 心、0 0 1 心、0 0 0 1 心，对两种电路进行求解。 由于输入的波形为准方波，将求解方式设为暂态。 求解时间设为4 5 m s ，每一步的最小求解时间为1 6 s ， 最大时间设为6 4 u s ，收敛误差为0 0 5 V 。最后求得两种 电路的输出波形如图6 。7 所示。 分析图6 可以得出，随着电容值的减小，全波倍压 整流电路输出波形的纹波系数逐渐加大，当电容值为 0 1 心时，输出波形最为平缓，输出电压稳定于一6 4 k V ， 而当容值为O 0 0 l p F 时，输出电压值变为