（东文高压电源（天津）股份有限公司 300200）
摘要：电子束熔炼炉高压电源系统中，主开关器件晶闸管和随着输出功率的增加，温度不断攀升，在此过程中晶闸管和散热性能好坏直接影响整个电源的稳定性。传统的大功率高压电源的散热方式主要采用强迫风冷散热方式，设计方法更多的根据指标要求和工程经验给出样品，通过测试检验，再根据出现的问题进行改进，从而得到最优设计。传统的方法不仅耗时、耗力，而且应用到大功率电源上效果并不十分理想。
关键词：串联谐振型电子束熔炼炉；高压电源
近年来。随着电力电子技术的飞速发展，使得高频逆变技术逐步趋于成熟，因此采用高频逆变电源替代传统的高压工频电源已成为可能。但目前电子束熔炼大功率高频高压电源大部分采用硬开关技术，损耗严。通常采取感应炉熔炼的方式进行，但面临着温度较低、合金化效果差等问题，采用电子束熔炼能很好地解决该问题。
一、概述
它主要由三相晶闸管可控整流电路、LC串联谐振高频逆变电路、高频高压变压器、高压整流硅堆、高压滤波电容、高压限流电感和电子枪负载组成三相市电经整流电路输出直流母线电压仉，由高频逆变器将低压直流电压转换成高频交流电压、高频交流电经变压器升压和高压硅堆整流得到高压直流电压送至电子枪负载。为降低变压器变比以减小分布电容对逆变器的影响，逆变环节由3套逆变器组成，前级并联接在低压直流母线上后级经高压硅堆整流和高压电容滤波后串联起来得到高的输出电压高压扼流线圈，在电子枪飞弧时起限制电流变化率的作用。可在实现软开关的同时．通过调频实现输出电压的大范围调节，因此，是大功率高压高频电子束熔炼炉电源较理想的选择。也是所的研究的重点。谐振变换器的控制策略主要有两种形式：移相控制策略和变频控制策略。当占空比较小时，滞后管会出现容性开通的情况．其反并联二极管存在反向恢复。导致相当大的损耗。因此轻载时滞后管较大的开关损耗限制了移相控制的谐振变换器在大功率场合的应用。变频控制策略有工作模式谐振网络可实现开通．但在高压大功率场合具有很大的拖尾电流．使得开关管在关断时会产生不可忽视的损耗．尤其是像电子束熔炼炉高压电源这种大功率高压电源，损耗更大。因此相对而言，变换器工作在可固定驱动信号开通时间．更易于控制。
二、串联谐振型电子束熔炼炉高压电源
1.三相可控电抗器。电子束熔炼在高真空环境中进行，有利于材料中气体的挥发，杂质的去除；电子束熔炼由于能量集中，熔池能达到很高的温度，可熔炼高熔点的难熔金属，并且有极高的能量转化效率；电子束的可控性好，可通过控制电子束功率及扫描来控制熔炼温度和速度，有利于得到高质量的铸锭和结晶组织；易于精确控制熔料的化学成分，能得到一定性能要求的稀有金属和难熔金属材料，并且由于电子束扫描的搅拌作用， 利于材料的合金化；对被熔原料的适应性好，可熔炼散料、棒料等不同形状的原料；容易实现熔炼过程中的自动控制。三相可调电抗器是由结构相同的单相可调电抗器组成的，每个单相可调电抗器的铁心为三柱式结构，左右呈对称结构，左右两侧的铁心柱截面面积与上下两侧的轭铁心截面面积相同，但截面面积均小于中心的铁心柱截面面积;单相可调电抗器的交流绕组在中心的铁心柱上，单相可调电抗器的直流控制绕组对称绕在左右两侧铁心柱上。可控电抗器是一个具有附加直流激磁，带铁心的交流电路，直流激磁起控制作用，因此直流绕组又称控制绕组，交流绕组与工作负载相接，因此，交流绕组又称工作绕组。三相电路不对称，在三相可调电抗器直流控制绕组中将会感应出交流电，产生变压器效应，从而降低三相可调电抗器的闪变抑制效果，为弥补这一缺陷，因此在三相可调电抗器的直流控制绕组回路中串联一个线性电抗器。
空载或轻载运行时，三相可调电抗器的控制直流较小，铁芯浅度饱和或工作于线性交流绕组流过的交流电流较小，通过交流绕组所产生的交流磁场不足以使铁芯进入深度饱和，磁路呈现出较小的磁阻，穿过交流绕组的磁通量及交流绕组两端的感应电动势均较大，电网电压有部分消耗在三相可调电抗器的交流绕组上。功率开关管的基极与高压驱动电路的输出端相接，低压续流二极管的阳极与阴极分别接在三相可调电抗器直流控制绕组。
2.进料、拖锭及坩埚。拖锭系统包括坩埚、拖锭机构以及铸锭室。坩埚与铸锭室连接，熔炼时，拖锭机构带动铸锭下降，熔炼结束后开铸锭室侧门取铸锭。由于该合金材料在高温下具有强腐蚀性，易对坩埚形成腐蚀破坏，因此选用水冷铜坩埚作为结晶器。水冷坩埚内部为上小下大的锥形结构，拖锭机构的水冷铜底作为坩埚的活动底部。一个电机通过丝杆导轨结构驱动拖杆及水冷铜底实现往复直线运动，另一个电机驱动拖杆及水冷铜底实现旋转运动。水冷铜底同时起到承载和冷却不断形成的铸锭的作用。作为水管的拖杆为同心管结构，采取旋转水接头实现水路的旋转密封。进料机构为左轮手枪式结构，一个电机及其驱动的丝杆螺母组成进给机构，与螺母固连的推杆推动棒料以一定速度前进，进给速度根据熔炼速度确定； 另一个电机驱动装有棒料的转轮机构旋转，使一根棒料熔炼结束后更换下一根棒料进行熔炼。进料机构前端装有水冷挡板，防止热辐射对进料机构产生不利影响， 水冷挡板前端设有尾料挡料机构，可选择将尾料推入坩埚内或坩埚外。控制系统包括上位机、PLC 板、电子枪偏转电源、电子枪高压电源等几个部分。可实现对电子枪、进料、拖锭、水冷系统、真空系统等的自动化控制。
3.控制方式。电源采用市电工频交流输入→三相可控电抗器调压→三相升压变压器升压→高压整流滤波的电流变换方式输出的技术路线;对输出的直流高压进行高压取样，得到高压采样信号，并与计算机控制单元输出的高压给定信号一同输入比较器，将高压采样信号与高压给定信号做比较得到高压偏差信号送入高压调节器;高压调节器为比例积分调节结构，将接收到的高压偏差信号进行比例—积分运算后输出控制信号，送入驱动电路调节三相可控电抗器直流控制绕组的直流供电电源中功率管的占空比，从而控制三相电抗器中直流绕组电流，使电抗器中磁阻发生变化，让穿过交流绕组的磁通量及交流绕组两端的感应电动势发生改变，进行自动调节电压，使高压电源输出电压值保持稳定。三相供电电压通常存在± 20%的波动，经整流过后的电压也至少存在一定的波动。此外，脉波整流也使电压存在固有的脉动和纹波。控制系统设计的任务是抑制电压波动和整流固有纹波对输出电压的影响。系统采用负反馈的控制结构，控制器采用PID 结构。无论线性系统还是非线性系统，PID 参数的整定在工程上均相同，即从纯P 控制的阶跃响应出发，以临界比例法为基础，对参数进行获取。在高速PWM 电路中，一般采用模拟PID 控制器，考虑到放大器的稳定工作及干扰的抑制，采用两级放大。采用上述控制方式可获得良好的性能，主要有:(1)串联三相可控电抗器具有自然限流特性，且响应快，能够快速抑制高压放电。(2) 升压变压器的输入电压近似为正弦波，减少了电压输入时所含的高次谐波。(3) 采用三相可控电抗器，控制灵活、稳定性好、可靠性高、结构简单、维护方便，同时实现了输入内阻小，短路内阻大，能够抑制过电压，抑制谐波，并提高功率因数。
实践证明缩短产品研发周期，降低开发成本，提高产品竞争力，取得良好的经济效益和社会效益。
参考文献
［1］姜大川．电子束熔炼提纯多晶硅的研究［D］．大连:大连理工大学，2019．
［2］张剑．冶金提纯法制备太阳能级多晶硅研究［D］．大连:大连理工大学，2019．
［3］蔡宣三，高越农． 可控饱和电抗器原理、设计与应用［M］．北京:中国水利水电出版社，2018．