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《间热式电子束熔炼炉电源的研究和设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、间热式电子束熔炼炉电源的研究和设计.freelescal冶金公司在1957年首度使用电子束进行了对金属钛等难溶金属的冶炼,此时才正式开启了商业方面对电子束溶炼的运用的时代。而到了20世纪60年代,横向电子枪技术相对成熟起来,能够投入使用,并且己经能够对直径达到80的组锭和鹤锭进行冶炼。到了上世纪80年代中期,过去的横向电子枪己经完全被现在新式的轴向电子枪所取代,现在电子束溶炼炉的溶炼能力得到了质的飞越。在90年代后期美国提出了冶炼的新思路,将需要溶炼的金属放置在溶炼的容器内进行冶炼的同时,另一个溶炼装置同时进行准备,这样的搭配使溶炼的效率和能力都已经大幅提高9。1.2.2电子束溶炼炉的
2、工作原理电子束溶炼是利用大功率电子束流,通过控制电子束流的功率,束流的大小,进行难溶金属的溶化与冶炼,通过凝固结晶后将杂质去掉,提纯、结晶的一种冶炼方法4。电子束熔炼炉的主要结构包括三个部分组成:(1)电子枪。(2)电源系统(3)电子束控制系统。电子枪是用于发射电子束的设备,电源系统分别由灯丝电源、轰击电源、加速电源三部分组成,用于电子枪不同部分的供电使用。电子束控制系统负责完成对电子束的聚焦和偏转。电子束以极快的速度发射到金属表面,将动能转化为热能并将金属溶化达到溶炼的目的。如图1.1所示为电子束溶炼炉电子枪结构示意图,它的基本工作过程如下所述3)灯丝电源通过输出稳定的电流对灯丝进行
3、加热,灯丝通入电流后产生高温并在其周围溢出少量电子;4)轰击电源将灯丝周围产生的电子轰击到阴极板上;5)阴极板受到高速电子的轰击,温度急剧升高,并在其周围产生电子密度极大的电子6)在阴极板与馆炼金属之间加入高压加速电源,使电子形成电子束,溶化金属,达到冶炼、提纯的目的。2灯丝电源系统结构设计及控制策略灯丝电源是电子束溶炼炉电源系统的重要组成部分。灯丝电源系统主要功能是对灯丝负载两端进行加热,负载在通过较大的电流之后温度升高发射出大量电子,然后供给后级电源继续进行处理。在已经成熟的电子束系统中最常用的办法是通过闭环的调节和控制使电流最终达到一个稳定的状态,从而让灯丝电流达到稳定的电流输出
4、,能够使溢出电子的数量达到一个稳定的平衡,如果灯丝的电流能够稳定,最终会促使怀炼炉电子束流也随之稳定。在电子束溶炼的过程中,灯丝电流的大小与稳定程度直接影响电子束流的大小,从而成为影响溶炼功率的重要因素。2.1电子束溶炼炉灯丝电源的结构电子束溶炼炉灯丝电源系统的结构主要包括:1)不控整流部分2)Buck变换器3)全桥逆变部43分4)降压隔离变压器5)采样电路、控制电路与过流保护电路2.2灯丝电源的工作原理灯丝电源的作用在于使灯丝通过电流而溢出电子,然后提供给后级电路,灯丝电流的大小以及其稳定程度最终影响溶炼炉电子束流的大小。而电子束流的大小与稳定程度直接决定了溶炼过程中的金属产量和质量
5、。本课题所设计的电子束溶炼炉灯丝电源为一个高频交流电源,输出电流范围为交流0-20A可调,输出电压稳定在交流0~10V。2.2.1主电路基本原理电子束溶炼炉灯丝电源的拓扑结构如图2.1所示。电源主回路的部分主要由下面几个单元构成:不控整流部分;Buck变换器部分;全桥逆变部分;高频降压变压器部分。在电子束恪炼炉中灯丝电源与轰击电源以及加速电源部分串联组成,所以输出端必须有变压器对其进行隔离,可起到保护低压控制回路的功能。单相工频220V交流输入电源经过不控整流滤波后,得到280V左右的直流电压,直流电压经过Buck变换器的电压调整将Buck变换器电压输出控制在180V;所得到的直流电压
6、经过全桥逆变器后逆变为高频的交流方波,最后经过降压隔离变压器可得到10A的交流电流。2.2.2Buck变换器的工作模式Buck变换器共分为两种完全不同的工作状态;分别是电感电流连续模式,即CCM(输出滤波电感上的电流值总是大于零)模式;与电感电流断续模式,即DCM(开关管关断后有一段时间滤波电感上的电流等于零)模式两种模式。在大功率电路应用场合多采用CCM模式,通过串接较大的电感使负载电流连续且纹波较小,同时灯丝电源的核心要求是使输出电流稳定,所以本设计釆取CCM模式。Buck变换器后级采用全桥逆变方式,将高频的直流电压逆变为高频的方波电压,从而通给隔离变压器,通过控制变压器的变比,可
7、调整需要的灯丝电流。在Buck变换器输出直流电压后,将直流电压通给全桥逆变电路,其中全桥变换器主要的作用是将直流电源逆变为交流方波。全桥电路开关频率设定为15kHz,占空比为最大值并保持不变,死区时间设定为16.7us,这样可以保证将Buck电路所产生的能量最大程度地传输到后级。逆变电路后级接入隔离变压器,变压器的变比设计为18:1,从而使变压器输出电压额定值降低为10V左右,根据功率守恒的原则,输出电流有效值可以达到20A左右。最终将输出端接
