CO2激光电源的浪涌防护

现如今，激光加工作为一种新型加工工艺，已经在工业生产的很多领域得到了广泛应用，如激光切割、激光雕刻、激光焊接等。激光电源作为激光加工的能量来源，在其加工过程中起到了决定性作用，电源的稳定性直接影响到了激光加工的性能。但是激光电源在使用过程中，高压线接头位置的密封不严，经常发生高压接头（3万伏电压）火花放电，在这种情况下出现激光电源部分器件损坏，为此我们进行了大量试验研究及改进。 电试验和损坏原因分析
如图1所示，其为CO激光电源整流滤波电路（将AC220V交流电转为DC300V）及辅助电源模块（将DC300V转为DC12V供控制电路使用）的初始设计。该方案采用L，N，PE三线供电，其中TR1为热敏电阻，FU1为保险管，L1为共模扼流圈，N1为整流桥，C1-C5为电容，PE表示地线。 对在上述情况下损坏的激光电源进行初步原因分析，可能是由于激光电源高压端火花放电产生的浪涌传入工作电路导致电源损坏。为确保造成激光电源损坏原因的准确性及造成损坏的条件，我们进行了一系列实验。
在激光电源接地线和不接地线两种情况下进行火花放电试验（如图2所示），分别对10台新激光电源在这两种情况下对地连续放电一分钟。试验结果发现：在激光电源地线（PE）接触良好的情况下，激光电源均没有损坏，在激光电源地线没有连接的情况下，激光电源辅助电源模块部分（如图1所示）损坏。
 
通过本次实验可以看出，在激光电源高压端对地进行火花放电时，由此产生的浪涌传入工作电路，当激光电源电路部分未作任何浪涌防护措施时（如图1所示），如果激光电源地线接触良好，浪涌的绝大部分能量通过地线释放，对激光电源和工作性能影响较小，但是如果激光电源没有接地线，浪涌的能量无法释放，则极易损坏激光电源的辅助电源模块，甚至对操作人员造成伤害。
 
源改进与实验验证
浪涌及其防护
浪涌是指在电路正常工作中出现的瞬间高峰电压，一般由其他大型设备，电源切换，短路等引起，是在微秒级时间内产生的尖峰冲击电压或者电流，是一种瞬态干扰。常用的抑制浪涌的方法有：接地和使用浪涌保护器件。
浪涌保护器件主要分为两大类：一种是撬棒器件，该类器件工作后残压较低，如气体放电管等；另一种是钳位保护器，如压敏电阻，TVS管等。一般情况下，这两种保护器件应配合使用。
因为在激光电源的实际使用过程中，用户有可能未接地线或者地线接触不良，故需要改进电路，增加浪涌保护器件，以加强激光电源的可靠性，所以选择使用气体放电管和压敏电阻配合使用来抑制浪涌。
 
电源改进方案
结合气体放电管和压敏电阻的配合使用方法及放电管的使用方式，提出了以下两种可行方案。 图3所示方案采用放电管与压敏电阻并联使用。当浪涌来临时，压敏电阻因为响应速度快，将先于气体放电管开始工作并对过电压进行钳位，泄放大电流，当气体放电管导通后，二者并联分流，可以减小压敏电阻的通流压力，缩短压敏电阻通过大电流的时间，从而减缓压敏电阻的性能的劣化。
图4所示方案采用放电管和压敏电阻串联使用。采用这种连接方式时，系统残压将由压敏电阻决定，能有效的减少残压。同时，由于压敏电阻反应速度快，可以有效的杜绝气体放电管工作时的续流问题，放电管可以阻断压敏电阻的泄露电流，减少压敏电阻性能的劣化。
 
元器件参数选择
选放电管的直流击穿电压值应小于线路所能承受的最高瞬时电压值，该值为该线路上各元器件所能承受的最大电压值中的最小值。当浪涌发生时，放电管先击穿释放电压，以免损坏线路上的元器件。
气体放电管在导通期间电源近似变为短路，有可能造成上一级空气开关跳闸，尤其是在电源快速通断过程中，产生瞬间过电压，超过气体放电管的击穿电压，使得空气开关跳闸。因此，在能满足正常使用的情况下，应尽量选择较大耐压值的放电管，具体最合适型号的选择应经过大量试验才能确定。
 
实验验证
对10台样机按方案一所示进行改进，在激光电源接地线和未接地线的情况下分别对地连续放电一分钟，在火花放电过程中，放电管工作发光，激光电源未损坏，达到使用要求。
 
结束语
通过激光电源火花放电试验和分析，火花放电是造成激光电源部分器件损坏的原因。针对分析结果，在激光电源整流滤波电路上增加浪涌抑制器件，经过实验验证，改进后的激光电源在相同的火花放电情况下不再发生器件损坏现象，该改进方案对浪涌起到了良好的抑制与防护作用。
总之，在工业现场中，浪涌现象时有发生，对自动化设备有很大的不良影响，因此，在使用时应确保设备接地良好，以抑制浪涌，减少设备故障。