1緒論

1.1引言

電子束溶煉技術（EBM)是冶金溶煉技術領域里的一個重要分支技術，在尖端金屬冶煉領域中占有著重要地位，同時也是未來冶煉領域里的一個重要組成部分。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載電阻絲產(chǎn)生電子，然后通過一定的高壓使電子進行高速運動，最后將高速運動的電子束流的動能轉(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行冶煉，比如鶴、鉭、銀、銀、鉿、鉻、銀、錯和鈦等溶點較高，輕易難以融化的金屬。在難溶金屬的冶煉領域里面，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；如航空航天領域、軍工化工制造領域、汽車醫(yī)療領域等。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)。到了上個世紀五六十年代，鈦合金在航空航天飛行器的發(fā)動機的使用上發(fā)揮了重要的作用。到了上個世紀80年代以后，鈦合金的應用得到了進一步的發(fā)展，得益于軍工領域的進步，鈦合金在火箭、導彈等裝備設施上得到了更多的應用[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)展的進程中得到了廣泛的應用，為電子束焰煉技術的發(fā)展提供了重要的基礎[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)應用水平與國外發(fā)達國家的先進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支電子槍同時工作，總功率達到5.6MW的溶煉爐，冶煉功率等級為世界最大;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)出單臺功率為600kW的電子槍，4臺電子槍同時運轉(zhuǎn)功率能夠達到2000kW。在我國，北京有色金屬研究院開發(fā)出4臺電子槍同時工作可提供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)展的難點和熱點。
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世紀的80年代，美國的Temescal冶金公司在1957年首度使用電子束進行了對金屬鈦等難溶金屬的冶煉，此時才正式開啟了商業(yè)方面對電子束溶煉的運用的時代。而到了 20世紀60年代，橫向電子槍技術相對成熟起來，能夠投入使用，并且己經(jīng)能夠?qū)χ睆竭_到80的組錠和鶴錠進行冶煉。到了上世紀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)進行冶煉的同時，另一個溶煉裝置同時進行準備，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，進行難溶金屬的溶化與冶煉，通過凝固結晶后將雜質(zhì)去掉，提純、結晶的一種冶煉方法[4]。電子束熔煉爐的主要結構包括三個部分組成：（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)負責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，將動能轉(zhuǎn)化為熱能并將金屬溶化達到溶煉的目的。

如圖1.1所示為電子束溶煉爐電子槍結構示意圖，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，達到冶煉、提純的目的。

2燈絲電源系統(tǒng)結構設計及控制策略

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載兩端進行加熱，負載在通過較大的電流之后溫度升高發(fā)射出大量電子，然后供給后級電源繼續(xù)進行處理。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到一個穩(wěn)定的狀態(tài)，從而讓燈絲電流達到穩(wěn)定的電流輸出，能夠使溢出電子的數(shù)量達到一個穩(wěn)定的平衡，如果燈絲的電流能夠穩(wěn)定，最終會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構

電子束溶煉爐燈絲電源系統(tǒng)的結構主要包括：
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。本課題所設計的電子束溶煉爐燈絲電源為一個高頻交流電源，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撲結構如圖2.1所示。電源主回路的部分主要由下面幾個單元構成：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行隔離，可起到保護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 (開關管關斷后有一段時間濾波電感上的電流等于零）模式兩種模式。在大功率電路應用場合多采用CCM模式，通過串接較大的電感使負載電流連續(xù)且紋波較小，同時燈絲電源的核心要求是使輸出電流穩(wěn)定，所以本設計釆取CCM模式。Buck變換器后級采用全橋逆變方式，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�。全橋電路開關頻率設定為15kHz，占空比為最大值并保持不變，死區(qū)時間設定為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�。逆變電路后級接入隔離變壓器，變壓器的變比設計為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到20A左右。最終將輸出端接入燈絲負載，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)結構及工作原理.....................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)的設計.....................34
4.1控制芯片的選擇.....................34
4.2控制電路的構成.....................34
4.2.1控制電路的硬件設計.....................35
4.2.2控制系統(tǒng)軟件設計.....................38
4.3加速電源的實驗結果.....................38
4.4本章小結.....................40
5論文總結以及后續(xù)展望.....................41
5.1論文總結.....................41

5.2后續(xù)展望......................41

4加速電源控制系統(tǒng)的設計

4.1控制芯片的選擇

數(shù)字控制器的選擇對于開關電源的功率因數(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)的運行效率以及穩(wěn)定性。本設計釆用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CLA模塊（contol law accelerator)，控制算法可以在模塊中單獨進行運算，編程更加便捷，并且在成本上相比TMS320F28335型DSP有很大優(yōu)勢，性價比更高，使用此款芯片更加經(jīng)濟，所以本設計采用DSP28035作為控制芯片比較合適。

4.2控制電路的構成
控制部分在加速電源系統(tǒng)起著至關重要的作用，在實際生產(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。整個控制系統(tǒng)部分主要由芯片及外圍電路、驅(qū)動電路、采樣電路、保護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對逆變器后級進行電流釆樣，進行變壓器原邊的過流保護。輸出高壓反饋信號通過電阻塔分壓取得，最后經(jīng)過采樣調(diào)理電路后進入DSP的A/D采樣模塊，通過與給定值進行比較作為誤差信號后進入PI調(diào)節(jié)器進行運算輸入，改變PWM波的移相角的幅值，從而調(diào)節(jié)輸出高壓，實現(xiàn)閉環(huán)控制功能。
4.2.1控制電路的硬件設計
1)信號采樣電路的設計
因為從加速電源直接采樣回來的電壓信號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行分壓后采樣分壓后進入差分放大電路。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反饋作用，對電路的靜態(tài)工作點進行穩(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。在放大差模信號的同時可以抑制共模信號。差分放大電路在采樣調(diào)理電路中已經(jīng)得到廣泛的應用，并且成熟地使用在直接稱合電路和測量電路的輸入級。

如圖4.4所示為IGBT模塊的驅(qū)動電路，主要由核心驅(qū)動芯片M57962AL組成；該芯片通過使能信號觸發(fā)工作。配合光耦PC817可進行故障檢測，一旦出現(xiàn)過流過壓等情況可立即封鎖脈沖達到保護的目的。M57962AL是一種常用的驅(qū)動模塊芯片，采用厚模單列直插式14腳封裝。它有如下的特點：通過高速光耦進行隔離，使輸入輸出的絕緣強度較高；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)部有定時邏輯短路保護電路，在過壓過流故障的時候能夠起到延時保護的作用；具有可靠通斷的措施；驅(qū)動能力較強，，驅(qū)動功率較大，完全能夠驅(qū)動本設計所選擇的FF200R12KT4模塊。

5論文總結以及后續(xù)展望

5.1論文總結
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)結構十分復雜，由多個電源協(xié)同工作，共同完成冶煉金屬的任務。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行了參數(shù)計算，軟件仿真以及硬件設計最終完成了電源的設計、調(diào)試工作。經(jīng)過試驗調(diào)試證明了原理的正確性以及方案的可行性。下面對論文工作進行如下總結：
1)通過閱讀相關文獻資料，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)計算、器件選型，最終確定了以Buck變換器為核心的電路拓撲，并且對Buck變換器進行了小信號分析，得到了閉環(huán)傳遞函數(shù)。最終制作完成了 Buck變換器的實驗樣機，得出實驗結果，表明了方案的正確性。

3)提出了加速電源的研究分析方案，進行了參數(shù)的計算以及器件的選型，確定了加速電源以全橋移相變換器為核心的電路拓撲結構，對全橋移相變換器進行了小信號的分析，最終完成了實驗平臺的搭建，制作完成了一臺實驗樣機，通過實驗驗證了方案的可行性。

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)的計算、器件選型、系統(tǒng)小信號的建模分析最終到實驗平臺的搭建完成等幾個方面分別介紹了課題的全部內(nèi)容。最后的實驗結果驗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，實驗樣機距離達到工業(yè)生產(chǎn)的水平還有一定的差距。同時本文所設計的燈絲電源與加速電源目前只能達到分別進行實驗的能力，缺少進行協(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驗開發(fā)中繼續(xù)逐步完善。

參考文獻（略）

本文編號：42138