低電壓下微能RC 脈沖電源放電波形研究

張 桐 ，陳曉菲 ，楊曉冬

（ 1. 哈爾濱工業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001；2. 上?？臻g推進研究所，上海201112；3. 上?？臻g發動機工程技術研究中心，上海 201112 ）

RC 脈沖電源也稱馳張式脈沖電源， 因其具有可實現極窄脈寬和極低能量的特點而被廣泛應用在微細電火花加工中。 研究表明，低開路電壓下RC脈沖電源也能實現電火花加工，并且由于具有更小的放電能量，因此對于進一步提高微細電火花的微細化程度具有積極意義[1-3]。 放電過程中的電壓和電流信號是放電狀態識別的重要依據，為改善低電壓下微能RC 脈沖電源的伺服控制效果， 進而提高微細電火花的加工效率， 有必要對低電壓下RC 脈沖電源放電波形進行深入研究，進而提高放電狀態識別的準確性。

針對RC 脈沖電源的放電波形， 國內外學者開展了相關研究，其中一個具有爭議的問題是維持電壓是否存在。 李文卓[3]、石煜[4]通過波形觀測和理論分析得出RC 脈沖電源放電過程中不存在維持電壓的結論，但其忽略了電路中寄生參數的影響。 孫術發[5]、Qian[6]、Yang[7]、華晗[8]分析電路中寄生參數對于RC 脈沖電源放電波形的影響， 并通過觀測驗證了RC 脈沖電源放電波形也存在維持電壓。 以上這些研究都是針對40 V 以上較高開路電壓的RC 脈沖電源放電波形， 但并未針對開路電壓低于20 V 情況下微能RC 脈沖電源進行放電波形研究。 為明確低電壓下微能RC 脈沖電源放電波形特點， 本文進行了觀測和對比分析。

1 放電波形測量方法

采用表1 所示的參數，形成圖1 所示的低電壓下RC 脈沖電源放電波形測量電路， 將P6100 電壓探頭接在充電電容兩端， 測量充電電容兩端電壓；將TPP0201 電壓探頭接在電極末端和工件放電點之間，測量放電間隙兩端電壓；用TCP312 電流探頭測量電路電流，并通過TCPA300 放大器轉換為電壓信號；所測量的波形利用TBS1154 示波器進行觀測和記錄。 圖中：U 為開路電壓，R 為限流電阻，Ce為充電電容，Lp為寄生電感，Rp為線路電阻，Cp為寄生電容，UCe為電容兩端電壓，Ugap為放電間隙兩端電壓；i 為電路電流。

表1 實驗條件

圖1 低電壓下RC 脈沖電源放電波形測量電路示意圖

2 測量結果與分析

2.1 充電電容兩端電壓

圖2 是在不同充電電容Ce和不同開路電壓U下測量得到的充電電容兩端電壓UCe， 根據波形可知在任何條件下，UCe波形在放電過程中均呈現持續的下降特征，無維持電壓存在。

圖2 不同充電電容和開路電壓下充電電容兩端電壓波形

此外，還發現當Ce≤100 nF 時，在第一次放電后UCe出現振蕩，并且隨著Ce增大，振蕩周期逐漸增大；當 Ce≥1 μF 時，放電波形振蕩逐漸消失。這是由于當放電間隙發生擊穿形成放電通道之后，放電回路中的充電電容和線路中的寄生參數 （寄生電感、寄生電容、極間阻抗等）在滿足一定條件下發生電磁振蕩。 如圖1 所示，測量所得的充電電容兩端電壓UCe其實包含了線路中寄生參數的影響， 因此并不能真實地反映放電間隙兩端電壓。

2.2 放電間隙兩端電壓和放電電流

通過對表1 所示條件下測得的大量放電波形進行分析歸納，可知根據放電次數可分為一次放電波形和兩次放電波形，一次放電情況下根據放電結束時放電間隙兩端電壓Ugap值是否降為0 又可分為完全放電波形和不完全放電波形。 隨著充電電容Ce的增大和開路電壓U 的增大，不完全放電比例和兩次放電波形比例增大，完全放電比例減小。

2.2.1 完全放電波形

圖3 是不同參數條件完全放電情況下間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 放電波形，放電結束時Ugap值均降為0 V。在放電開始后，放電間隙兩端電壓迅速下降至0~5 V 區間內，之后進入維持階段。 根據參數條件不同，在維持階段的前半部分間隙兩端電壓幾乎不變（圖3a）或略微上升（圖3b），在此過程中放電電流逐漸增大，在維持階段的后半部分間隙兩端電壓均緩慢下降至0 V 左右并呈現略微的振蕩，放電電流也隨之逐漸減小并經過振蕩后減小到0 A。 試驗中發現隨著開路電壓U 增大，完全放電形式出現比例逐漸減少，當U=50 V 時，幾乎很難出現完全放電。

電火花加工放電通道的熱流體仿真結果表明，穩態后的放電通道兩端應該始終存在電勢差[9]，這是因為電火花加工中的放電通道存在一定的阻抗。在晶體管脈沖電源情況下，由直流電源可持續為放電間隙提供穩定能量的獨立脈沖電源，因此存在穩定的維持電壓； 而RC 脈沖電源所形成的放電通道是由充電電容Ce來提供能量的，放電過程中隨著Ce中存儲電荷不斷減少， 導致放電通道無法維持穩態，其兩端電勢差逐漸下降，由此導致了維持階段后半部分的維持電壓逐漸減小的情況。 而維持階段的前半部分對應放電通道的形成過程，間隙兩端電壓和放電電流呈現上升趨勢。

2.2.2 不完全放電波形

圖3 完全放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

圖4 不完全放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

圖4 是不同參數條件不完全放電情況間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 的放電波形， 放電結束時間隙兩端電壓Ugap值均未降至0 V。 當U=12.5 V、Ce=1 μF 時， 不完全放電波形存在兩個不同的維持電壓，其原因可認為較低維持電壓下的放電通道易受放電過程中極間狀態瞬時變化的影響而發生動態變化，從而出現維持電壓的變化，其中較低的維持電壓與完全放電時維持電壓大小相等，都在5 V 左右， 而較高的維持電壓則在15~20 V 附近振蕩；當U=25 V、Ce=10 nF 時， 不完全放電波形存在一個維持電壓，也在15~20 V 左右振蕩。 試驗發現，隨著開路電壓U 的增大，不完全放電比例增大，而且具有單一維持電壓的不完全放電比例增大，這是由于隨著開路電壓U 的增大， 充電電容Ce充電后存儲的電荷量增加， 導致單次放電逐漸難以實現完全放電，因此隨著開路電壓U 的增大，不完全放電的比例增大。

2.2.3 兩次放電波形

圖5 是不同參數條件二次放電情況下的間隙兩端電壓Ugap及放電電流i 的放電波形， 經過兩次放電后間隙電壓Ugap下降至0 V 左右。比較發現，圖5a 和圖5b 所示不同參數條件第一次放電時的放電間隙兩端電壓Ugap分別與圖4a 和圖4b 中不完全放電時的波形特征相同， 而第二次放電的Ugap又分別與圖3a 和圖3b 中完全放電時的波形特征相同。 當出現不完全放電時， 充電電容Ce中將殘余電荷，此時若極間狀態受到某種干擾發生變化，則Ce會發生第二次放電，并且由于第二次放電是基于Ce的殘余電荷進行的，因此會發生完全放電。

圖5 二次放電情況下間隙兩端電壓及放電電流放電波形

3 結論

針對低開路電壓下的微能RC 脈沖電源放電波形進行觀測，對不同充電電容和開路電壓下的充電電容兩端電壓、放電間隙兩端電壓及放電回路的電流波形進行了對比和分析，得到以下結論：

（1）由于放電回路中寄生參數的存在，低開路電壓下測量所得的RC 脈沖電源充電電容兩端電壓和放電間隙兩端電壓存在明顯不同，充電電容兩端電壓并不能直接反映極間放電狀態。

（2）與脈沖電源的類型及極間開路電壓的大小無關， 電火花加工放電過程中必然存在維持電壓，這是由放電通道兩端存在電勢差的物理屬性決定的。

（3）低開路電壓下微能RC 脈沖電源的維持電壓受到充電電容存儲電荷的變化和極間放電狀態的影響而發生變化。