激光設(shè)備控制技術(shù)教材——第五章第一節(jié)講解

1、第五章激光電源激光電源是激光器的重要組成部分，它可將普通交流電（或其它電能）轉(zhuǎn)換成與激光器相適應的供電方式，向激光器提供滿足其要求的電能。本章主要介紹激光電源的分類、中小功率激光電源的工作原理、控制器件和控制方法。同時簡單介紹了激光電源的開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)和主控芯片一單片機及其控制方法。第一節(jié)激光電源的分類、激光電源的分類方法激光電源在工作實際中有許多不同種類和不同類型，不同種類和類型的激光電源用于激光熔覆加工）；激光打標電源（也可以用于激光雕刻加工）。按激光器的類型可分為固體激光 器電源，如摻釹釔鋁石榴石（Nd : YAG）激光器電源和摻釹釩酸釔 （Nd:YV04）晶體激光器電源；氣體激光電源，如

2、He-Ne激光器電源和 C02激光器電源，半導體激光電源，如鎵（Ga）、 砷（As）制作的激光二極管（LD）電源。二、連續(xù)激光電源是高性能自動引燃恒流電源，電源通過定頻調(diào)寬的方式，來實現(xiàn)高精度的恒流輸出。輸出電流波紋小，穩(wěn)定度高。引燃部分采用串聯(lián)高壓包引弧，LC次高壓接力，低壓恒流接續(xù)電弧電流的三級續(xù)流方式，配合點火監(jiān)測電路， 實現(xiàn)自動點火，使一次點火成功率高達 99%以上。高壓脈沖波形上升和緩，強度可以分級調(diào)節(jié)，以適應不同激光器特性。圖5-1是武漢中谷電源公司生產(chǎn)的連續(xù)激光電源外形圖。圖5-1武漢中谷電源公司生產(chǎn)的連續(xù)激光電源外形圖連續(xù)激光電源是一種高性能自動引燃恒流電源，能為產(chǎn)生連續(xù)激光的

3、激光器提供電能。電源采用PWM控制技術(shù)，以定頻調(diào)寬的方式工作，可以實現(xiàn)高精度的恒流輸出。采用IGBT 換能技術(shù)，電源轉(zhuǎn)換效率在90%以上。連續(xù)激光電源組成框圖如圖5-2所示，電源是由三相輸入、整流濾波電路、能量變換電路、檢測及保護電路、恒流控制電路、觸發(fā)/預燃電路和激光器組成。圖5-2連續(xù)激光電源組成框圖如圖連續(xù)激光電源的主要技術(shù)指標：（1） 最高輸出電壓，一般電源控制在400V左右；（2）輸出電流一般在 30A左右；（3）電流調(diào)節(jié)范圍控制在 630A左右；（4）開關(guān)頻率一般工作在 1520KHz之間；（5）電源的輸出功率一般在 2KW 8KW之間。連續(xù)激光電源應用主要用于連續(xù)泵浦氟燈激光器，

4、而連續(xù)泵浦氟燈激光器主要用于激光打標機設(shè)備中。圖 5-3為一激光打標機的外形圖。專門為脈沖 Nd:YAG激光器設(shè)計的電源。采用開關(guān)電源，內(nèi)部通過單片機控制，是真正意義上的數(shù)控電源。通過觸模式操作面板選擇激光輸出功率、頻率和脈寬等參數(shù)，用戶通過鍵盤對激光脈沖波形和參數(shù)進行編程，使激光加工參數(shù)與加工要求相匹配，以達到最佳的效果，同時具有誤操作和超溫自動保護功能等功能。圖5-4為脈沖激光電源的外形圖。圖5-4脈沖激光電源的外形圖脈沖激光電源是應用 PWM控制技術(shù)和變頻控制方式，可以輸出脈沖電流。脈沖激光電源的組成有以下幾部分：三相輸入、整流濾波器、儲能及放電電路、單片機控制系統(tǒng)、脈沖控制電路、觸發(fā)和

5、預燃電路以及激光器（氙燈）等組成，如圖5-5所示。圖5-5脈沖激光電源組成框圖電路是由三相交流輸入、通過整流濾波器輸入到儲能及放電電路，儲能及放電電路經(jīng)過控制電路給氙燈進行放電，工作原理如下：三相交流電經(jīng)整流、濾波后變成直流，對儲能電容充電，經(jīng)控制電路控制通過大功率開關(guān)器件IGBT放電，并經(jīng)過大功率、精密電感濾波成為恒流電源，進而控制氙燈放電。各部分電路原理如下：第一部分是充電電路：充電電路由整流濾波電路組成，為儲能單元的大容量電容提供充 電電源。采用LC恒流源充電方式。具有可靠性高和恒流特性好的特點。第二部分是儲能單元：儲能電路是 由電解電容通過串、并聯(lián)組成，電容總?cè)萘考s4800UF左右，可

6、在2ms脈沖寬度內(nèi)輸出大約 20焦耳的能量。第三部分是放電電路：將儲能電源中的電能可控地加在氙燈上，一般采用大功率IGBT器件進行放電開關(guān)控制。第四部分電路是觸發(fā)/預燃電路：觸發(fā)電路是使脈沖氙燈中的惰性氣體在1.62萬伏的高壓下產(chǎn)生電離，電離后兩電極建立放電通路。預燃電路則使電極間維持100 200mA的輝光放電電流。脈沖激光電源的特點：（1）采用單片機控制，控制精度高；（2）采用開關(guān)電源控制技術(shù)，電源轉(zhuǎn)換效率高；（3）工作電流、工作頻率和脈沖寬度設(shè)置智能化；（4）按不同的加工要求可以控制輸出不同的電流波形。脈沖激光電源的主要技術(shù)指標：（1）輸出電流在 60600A之間；（2）控制脈沖寬度在

7、0.120ms之間；（3）激光電流的頻率在 0.11000Hz之間；（4）輸出功率在 1020kw之間。脈沖激光電源的應用：主要用于Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石） 和氙燈激光器設(shè)備中，而這兩種激光器主要用于激光焊接設(shè)備和激光切割設(shè)備中。四、連續(xù)氟燈激光電源連續(xù)激光氟燈激光電源，是專門為連續(xù)泵浦氟燈研制的高性能自動引燃恒流電源。電 源采用電力電子器件IGBT組成功率變換主電路，效率高達90%以上，采用PWM技術(shù)，以定頻調(diào)寬的方式，實現(xiàn)高精度的恒流輸出。輸出電流波紋小，穩(wěn)定度高。引燃部分采用串聯(lián)高壓包引弧，LC次高壓接力，低壓恒流接續(xù)電弧電流的三級續(xù)流方式，配合點火監(jiān)測電路，實現(xiàn)自動點火，使一次點

8、火成功率高達99%以上。高壓脈沖波形上升和緩，強度可以分級調(diào)節(jié)，以適應不同氟燈擊穿電壓的分散性，同時也可以減小電極材料的濺射，減少高壓觸發(fā)對氟燈使用壽命的不良影響。機內(nèi)設(shè)置緩上電和軟啟動的措施，可避免上電和啟動時的大電流沖擊。機內(nèi)的自動數(shù)顯裝置可以分時顯示給定電流和輸出電流。優(yōu)良的 休眠”功能，可以方便地使機器在工作時輸出工作電流，而待機時僅輸出較小的維持電流維持氟燈的電弧，這樣不僅可以提高整機的效率，減小冷卻系統(tǒng)的負擔， 還可以大大延長氟燈的使用壽命。通過機內(nèi)的外控接口，可以在機外控制電源的起停，調(diào)節(jié)電流大小，指示電源的工作狀態(tài)。完善的故障保護系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)，大大地提高電源工作的可靠性。合理

9、的工藝設(shè)計，保證了電源具有較好的可維性。電源由電源主電路、IGBT驅(qū)動電路、點火電路、緩沖電路、 LEM檢測板、繼電器驅(qū)動 板與單片機系統(tǒng)控制板組成， 連續(xù)氟燈激光電源控制電路框圖如圖 5-6所示。交流輸入到電 源主電路，單片機控制板控制緩沖控制電路和高壓點火電路，進而控制IGBT驅(qū)動電路控制IGBT的開關(guān)來控制氟燈進行放電產(chǎn)生激光。電源電路原理圖如圖5-7所示。連續(xù)氟燈激光源的原理：首先由控制系統(tǒng)接通主電路，交流接觸器CJ接通以后，主電路通過整流濾波后產(chǎn)生 300V左右的主電壓，但是該電壓是不能擊穿氟燈氣體，同時變壓器 BT1通過交流變壓，經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生1300V左右的直流電壓，通過R3、R4兩個電阻分壓，在電容C4產(chǎn)生約600V左右的直流電壓，單片機控制系統(tǒng)控制繼電器J2可以控制C4進行放電，放電電荷通過高壓變壓器BT2產(chǎn)生約2萬V左右的壓，使氟燈氣體擊穿，產(chǎn)生輝光電流，產(chǎn)生輝光電流后由1300V左右的電壓保持氟燈的維持電流，同時單片機系統(tǒng)控制IGBT驅(qū)動板控制IGBT進行導通，使氟燈激光電路接入主電路進行正常工作。圖5-6連續(xù)氟燈激光電源控制電路框圖連續(xù)氟燈激光電源的結(jié)構(gòu)特點是:（1）采用串聯(lián)調(diào)壓恒流控制電路；（ 2）采用單片機控制系統(tǒng)產(chǎn)