一种空间轻量化电子束焊接电源系统

本发明涉及一种空间轻量化电子束焊接电源系统，属于焊接电源领域，特别是应用于空间环境中焊接或切割的情况。

背景技术：

随着空间技术的发展，未来航天任务中空间飞行器的重量、尺寸越来越大。受运载工具的限制及成本控制的需求，需要发展空间装配技术，特别是桁架结构在大型飞行器中的广泛应用，产生了大量的在轨装配任务。另一方面空间任务和运行成本要求飞行器在轨服役时间越来越长，比如国际空间站的设计寿命15-20年。服役时间的延长就需要定期进行维护，比如管线、阀门的替换。此外空间飞行器自身故障、在运行中受陨石和宇宙碎片的碰撞、太空射线辐照损伤及原子氧侵蚀，都需要维修，以保证飞行器长期安全可靠运行。空间装配、维护和维修任务都离不开连接技术，当前的空间连接技术局限于机械连接和胶接，而相比较而言，空间焊接具有连接强度和刚度高、密封性能好、接头结构简单质量轻和可靠性高等优点，发展空间焊接技术将有助于提升空间建造、维修和维护的能力。

空间焊接技术在过去的半个世纪得到了稳步发展，为其在大型空间结构的装配、空间飞行器的维修和维护中的应用奠定了可靠的技术基础。电子束焊接是当前论证最为充分的空间焊接方法，电子束焊接技术在空间建设有着广泛的应用前景。

目前电子束焊接电源技术主要采用的方法可以分为四种：1.工频可控硅调压+升压变压器+整流滤波2.400hz中频机组+升压变压器+整流滤波3.高压电子管线性串联调压4.高频逆变+高频高压变压器升压+高压整流滤波。前三种方案因设备体积重量偏大、可靠性稳定性较差，精度和效能较低，仅适用于地面工业场所，第四种方案是现代电源设计中先进的方法，经过合理设计优化后，具备轻量化、小体积、高可靠性、高稳定性，高精度、高效能和便于维护的优点，适合电子束焊接电源空间工作的特殊要求。

《用于电子加速器的灯丝电源和电子加速器》（申请号201811266208.2）公开的用于电子加速器的灯丝电源和电子加速器，逆变器工作在50hz工频情况下会使磁性元件体积和重量变大，无可靠地安全隔离措施可能会导致工作过程中触电的危险情况。《一种钢轨焊接用电子束焊机电源系统》（申请号201721321249.8）公开的一种钢轨焊接用电子束焊机电源系统，整个电源系统元器件较多，采用独立变压器，增加成本的同时也增加了体积和重量，另外采用lc谐振将使得谐振环节增益较低，不利于升压，增加变压器负担。《一种用于空间在轨焊接的手持式电子束焊接》（申请号201510859823.4）公开的一种用于空间在轨焊接的手持式电子束焊接电源，其工作频率为20khz,磁元件体积和重量较大，其总重量为15kg左右,其采用不控整流方式，导致变压器变比较高，不仅增加变压器体积，而且增加变压器设计和制作工艺上难度。

可见，国内目前存在的电子束焊机电源系统存在以下不足。

1.工作频率较低，导致磁元件体积和重量较大，增加了整机体积和重量。

2.高压电源变压器变比较高，增加了变压器设计和制作工艺上难度，而且采用多个变压器方案，增加了整机体积和重量。

3.电源拓扑选择不够合理，lc谐振方式的电压增益通常小于1，不控整流只具备整流不具备升压功能，增加变压器升压负担，导致整流滤波器件选取困难。

技术实现要素：

为了克服现有发明的不足，本发明的目的在于提供一种空间电子束焊接电源系统，采用高频逆变、高频变压器升压和高频整流滤波方式，能够实现轻量化、小体积、高可靠性、高稳定性，高精度、高效能和便于维护的优点，为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

空间电子束焊机电源系统主要包括三个电源，分别是灯丝加热电源、高压加速电源和聚焦电源。灯丝电源系统主要由单相全桥逆变、llc谐振器、高频变压器、全桥全控整流器、电量传感器，pwm驱动器、dsp28335控制器和故障检测保护电路组成。高压电源系统主要由单相全桥逆变、llc谐振器、高频变压器、倍压整流器、电量传感器，pwm驱动器、dsp28335控制器和故障检测保护电路组成。聚焦电源系统主要由单相全桥逆变、llc谐振器、高频变压器、全桥全控整流器、电量传感器，pwm驱动器、dsp28335控制器和故障检测保护电路组成。上述三个电源通过变压器原边单输入和副边三绕组输出的形式，共用一个变压器和dsp28335控制器。

由于采用以上技术方案，本发明相比现有技术具有以下有益效果。

本发明的一种空间轻量化电子束焊机电源系统具有轻量化、小体积的特点，整体电源系统的开关频率在100khz左右，变压器采用副边三绕组结构，高压电源采用高压倍压整流技术，灯丝电源和聚焦电源采用全控整流技术，从而能够有效减小磁性器件的体积和重量。

本发明的一种空间轻量化电子束焊机电源系统具有高可靠性、高稳定性的特点，整体电源系统采用数字闭环控制和稳定性较高的元件，故障检测保护电路实时监测异常情况，故障时能快速有效的保护整个系统，确保整个系统能够稳定可靠地工作在空间极端环境。

本发明的一种空间轻量化电子束焊机电源系统具有高精度高效能和便于维护的特点。整个系统采用工作频率为150mhz的高精度dsp主控芯片，高压电源稳定工作时输出电压纹波为1%，灯丝电源稳定时输出电流的波动为0.6%，聚焦电源稳定工作时能够实现0-1a的连续调节，最小调节步长为0.5%，整个系统工作效率能够达到92%，电源采用模块化设计，便于维护和更换易损坏元件，能够实现高精度的控制、高效能的效果和便于维护要求。

附图说明

图1为空间轻量化电子束焊机系统结构示意图。

图2为空间轻量化电子束焊机电源系统外形示意图。

图3为空间轻量化电子束焊机电源系统结构示意图。

图4为空间轻量化电子束焊机电源系统主电路原理图。

图5为空间轻量化电子束焊机电源系统控制原理图。

具体实施方式

为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的工作原理和实施方式作进一步描述。

如图1所示为空间轻量化电子束焊机系统结构示意图，本发明主要有三套电源系统组成，灯丝电源主要负责加热灯丝，维持灯丝温度稳定，使灯丝能够稳定的逸出电子，逸出的的电子通过高压电源进行加速，电子在获得较高动能后从电子枪射出，经过聚焦电源聚焦后，高能电子束撞击到工件表面，电子的动能转化为热能，使工件融化，实现焊接的目的。

如图2所示为空间轻量化电子束焊机电源系统外形示意图，uin为电源输入端，udout为灯丝电源输出端，ujout为聚焦电源输出端，ugout为高压电源输出端。空间用电子束焊接装置在空间由宇航员背负整套设备进行焊接操作，所以重量轻、体积小是空间用便携式电子束焊装置的关键指标。与常规电子束焊接设备不同的是，如图1所示空间电子束焊接设备采用直热式二级枪，电子枪由高压加速区和聚焦集束区组成，减少了闸阀、观察系统、偏转扫描线圈、合轴线圈等部分。为了保证太空中使用电子束枪的人员安全，高压加速电源的电压最高10kv，由于电子枪电源电压最高10kv远低于常规电子束电源，并且减少了偏转扫描线圈、合轴线圈等部分，电源的体积可以做得很小，总重量不超过10kg。

如图3所示空间轻量化电子束焊机电源系统结构示意图，空间轻量化电子束焊机电源系统的主电路包括1（100v直流电源+滤波电路）、2（高频逆变电路）、3（副边三绕组变压器）、12（倍压整流器）和9、18（全桥全控整流器）。控制电路包括11（高压电源高压束流精密电阻采样电路）、8（灯丝电流精密电阻采样电路）、19（聚焦电流采样电路）、7（灯丝控制器+保护电路）、4（高压控制器+保护电路）、16（聚焦控制器+保护电路），整个系统采用公用中间变压器和控制器的形式。

整个系统的电路输入为100v直流电源，最大输入功率为2kw，经过滤波器储能滤波，高频逆变器将直流电变为幅值和相位可控的交流电，变压器为副边三绕组变压器，高压电源的变压器副边匝比为1:30的绕组将电压升至2kv，经过4倍的倍压整流电路后，输出10kv高压直流电。灯丝电源的变压器副边匝比为18:1的绕组将电压降至6v接到全桥全控整流电路，输出6v的直流电压。聚焦电源的变压器副边匝比为3:1的绕组将电压降至30v接到全桥全控整流电路，输出30v的直流电压。

通过精密电阻网络采样获得的灯丝电压、加速电压和电子束流数值，经过光耦隔离和ad采样电路传递给dsp主控制器，利用闭环pi控制器控制全桥全控整流电路实现输出指标稳定工作的要求。同时，采集到的数值通过保护电路，通过与设定阈值的比较来判断是否采取故障保护措施。

如图4所示空间轻量化电子束焊机电源系统主电路原理图，100v直流电源输入经过20（滤波）后接到21（全桥逆变器），全桥逆变器采用碳化硅mosfet管,逆变器输出的方波电压经过llc谐振器，电流变为正弦波同时滞后于电压波形，一方面有利于电能通过变压器的传递，另一方面能够使得全桥mosfet管零电压开通。22（变压器）副边三绕组输出由上至下分别为灯丝电源、高压电源、聚焦电源，变压器副边第一个绕组接23（全桥全控整流器），也采用碳化硅mosfet管，经过滤波器后，给灯丝供电。变压器副边第二个绕组接24（倍压整流器），输出高压直流给电子枪供电。变压器副边第三个绕组接25（全桥全控整流器），经过滤波器后，给聚焦线圈供电。

如图5所示空间轻量化电子束焊机电源系统控制原理图，101、102、103为参考电压给定信号，107、109、111分别为灯丝、高压、聚焦电源输出电压的采样信号，108、110、112分别为灯丝、高压、聚焦电源的误差信号，104、105、106分别为灯丝、高压、聚焦电源的输出电压，26、30、34分别为灯丝、高压、聚焦电源的pi控制器，27、31、35分别为灯丝、高压、聚焦电源的pwm驱动器，28、32、36分别为灯丝、高压、聚焦电源的全桥逆变器和全桥整流器，29、33、37分别为灯丝、高压、聚焦电源的电量传感器。三个电源系统都采用闭环pi控制，工作原理为采样得到的实际输出与给定输入比较后，送入pi控制器，pi控制器经过调节计算后，将控制信号给pwm驱动器，pwm驱动器通过控制全桥逆变器和全桥全控整流器，实现稳定的输出，其中高压电源控制对象为全桥逆变器，灯丝电源和聚焦电源控制对象为全桥全控整流器。

本发明具有：1.轻量化、小体积。2高可靠性、高稳定性。2.高精度、高效能和便于维护的特点。