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恒功率激光脉冲电源的设计

目前激光切割机中主要使用大功率二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器,使用计算机软件控制工件或激光束运动,辅以高压气体。激光切割技术已广泛应用到各种领域,激光电源的研究与设计也引起了人们的重视。脉冲激光电源是专门为脉冲Nd:YAG激光器设计的电源,内部是由单片机控制,通过触摸式操作面板选择激光输出功率、频率和脉宽等参数,是多功能激光切割机的理想配置,具有误操作和超温自动保护等功能。脉冲激光电源实现了非线性化,取代了线性倍压整流技术,使得整体的转换效率、体积、重量及充放电时间等重要参数均有了较大的改善。
 
数字与模拟共存是电源的发展趋势[3],只有充分发挥数字和模拟的各自优势,才能设计出高性能的电源解决方案。本文设计的就是一种模拟与数字相结合的激光脉冲电源,其输出的频率:20Hz~1000Hz;脉冲宽度t:30μs~999μs;平均功率P:0.5kW~8kW,输出电压范围:200V~400V。
 
脉冲电源的设计原理
激光切割机脉冲电源采用单片机技术对电流设定、逻辑功能及接口信号进行控制,并使调试、检测更简单。考虑电磁兼容问题,在供电电源进线采用LC元件减少内外的电磁串扰。外接口采用光电隔离或共模抑制比较好的输入输出方式,提高抗干扰能力。脉冲电源的电路总框图如图1
脉冲电源采用两级功率器件IGBT构成前级功率控制及后级输出单元,可使电源工作效率达95%以上。前级功率控制单元采用专用恒流控制模块实现快速电流控制,并对功率器件IGBT进行安全可靠的保护,电源输出电流的波纹极小,电流稳定度高。电源工作频率在超声频段,无电流噪声。后级采用恒频恒脉宽功率输出,单片机8051F020采样前级输出的电流及电压值,可得到前级输出功率P=U3I,而后级是恒频恒脉宽输出,所以只要控制前级的功率输出与设定一致,就可实现脉冲电源的恒功率输出。
 电路总框图
引燃点灯电原理
根据氙灯管的伏安特性曲线,需要一个一万伏左右的高压脉冲将氙灯管的气体击穿,并使工作电流大于最低燃弧电流(I1),这时氙灯被点燃,工作电流越大发光越强。引燃点灯电原理图见图2,约1600V的交流电源经二极管D2整流后通过R11、R10、L2向C8、C7充电,点灯时J322接通,C8上的电能通过高压包B1的原边急速释放时,高压包的副边输出一个高压脉冲,将氙灯管的气体击穿。由于这一高压脉冲的能量很小,击穿电流不足以维持到C4、C5放电,故而接入了C7和L2维持放电电流到C4、C5放电为止。C4、C5放电后恒流源开始工作,提供工作电流,这时点灯成功。如果点灯失败,工作电流为零,自动点灯装置将断开J322,重新向C8、C7充电,并在点灯保护延时时间内重复点灯过程,直至点灯成功为止。引燃点灯电原理图如图2所示。
 引燃点灯电原理图
电源的电流调节
采用独特的PWM控制技术,通过专用智能恒流模块来实施。电流调节原理图见图1,通过控制IGBT1导通和截止来调节电流的大小。IGBT1工作在脉宽调节的开关状态,当它开通时间加长,关断时间变短时,电流则增大;反之电流则减小。智能恒流模块根据霍尔电流传感器反馈的实际电流值、实际电流的上升斜率以及给定电流值来快速调节IGBT1导通和截止的时间,实现高速电流内环的闭环控制。在此基础上,本电源引入的高精度的电流外环可对电流实施精密控制。
 电流调节电原理图
脉冲电源恒功率控制的实现
采用恒功率算法去控制电源,可以使输出仍然是脉冲波形,而对电源本身,因为负载的等效电阻是不变的,所以电源输入端的电压及电流是稳定的。
 
在激光切割机作业时,要求其脉冲电源的电压或电流输出是脉冲波形,如果在电源内部没有处理好,不但电源本身会有很大的电感啸叫声,而且还会对电网电压产生很大影响,严重时会使电网上的其它设备不能正常工作。文献[4]作者设计的是输出为6A的脉冲激光电源,文献[5]作者设计的是激光焊接机所用的脉冲电源。专门用于激光切割机的数字与模拟相结合的实用的脉冲电源的研究还不多见。因此,研制适合激光切割机用的高性能的脉冲电源有着十分重要的意义。
 
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