電子束增材電源低電壓紋波技術(shù)

一、引言
在電子束增材制造過程中，電子束的能量穩(wěn)定性直接決定熔池溫度、熔覆層均勻性及打印件力學(xué)性能，而電子束能量由高壓電源輸出電壓控制，電壓紋波會導(dǎo)致電子束能量波動，進(jìn)而引發(fā)熔池形態(tài)不穩(wěn)定、打印件出現(xiàn)裂紋或氣孔等缺陷。傳統(tǒng)電子束增材電源因濾波環(huán)節(jié)設(shè)計不完善、負(fù)載擾動抑制能力弱，輸出電壓紋波系數(shù)通常在 1%~2% 之間，難以滿足高精度增材制造（如航空航天精密零部件）對紋波系數(shù)≤0.5% 的嚴(yán)苛要求。因此，研發(fā)低電壓紋波技術(shù)，降低電子束增材電源輸出紋波，對提升增材制造質(zhì)量具有重要工程意義。
二、電壓紋波產(chǎn)生機(jī)理與抑制難點
（一）紋波產(chǎn)生機(jī)理
電子束增材電源電壓紋波主要來源于三個方面：
1.輸入側(cè)紋波：電源輸入通常為交流市電，經(jīng)整流濾波后仍存在低頻紋波（頻率為 100Hz，對應(yīng)市電 50Hz 的 2 倍），若濾波不徹底，會傳遞至高壓輸出端；
1.開關(guān)環(huán)節(jié)紋波：電源主電路采用高頻開關(guān)拓?fù)洌ㄈ缫葡嗳珮颉LC 諧振拓?fù)洌_關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷過程中產(chǎn)生高頻紋波（頻率與開關(guān)頻率一致，通常 20kHz~100kHz）；
1.負(fù)載擾動紋波：電子束增材過程中，負(fù)載（熔池）阻抗隨打印材料、層厚、掃描速度變化而動態(tài)改變，導(dǎo)致輸出電流波動，進(jìn)而引發(fā)電壓紋波（頻率不固定，通常 1Hz~10kHz）。
（二）抑制難點
1.多頻率紋波疊加：低頻紋波（100Hz）、高頻紋波（20kHz~100kHz）與負(fù)載擾動紋波（1Hz~10kHz）疊加，傳統(tǒng)單一濾波方式（如電容濾波、電感濾波）難以同時抑制多頻率紋波；
1.高壓場景限制：電子束增材電源輸出電壓高（通常 30kV~80kV），高壓濾波電容容量小、電感體積大，濾波效果受限；
1.動態(tài)響應(yīng)與紋波抑制平衡：為抑制負(fù)載擾動紋波，需提升電源動態(tài)響應(yīng)速度，但快速響應(yīng)可能導(dǎo)致開關(guān)紋波增大，二者存在矛盾。
三、低電壓紋波關(guān)鍵技術(shù)
（一）多級復(fù)合濾波技術(shù)
針對多頻率紋波疊加問題，采用 “輸入側(cè)低頻濾波 + 中間側(cè)高頻濾波 + 輸出側(cè)高壓濾波” 的多級復(fù)合濾波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)全頻段紋波抑制。
1.輸入側(cè)低頻濾波：采用 LC 濾波電路，電感選用低頻鐵氧體電感（電感值 10mH），電容選用大容量鋁電解電容（容量 2200μF），抑制 100Hz 低頻紋波，使輸入側(cè)紋波系數(shù)降至 0.5% 以下；
1.中間側(cè)高頻濾波：在電源主電路與高壓變換環(huán)節(jié)之間設(shè)置 LLC 諧振濾波電路，利用 LLC 諧振拓?fù)涞倪x頻特性，對開關(guān)頻率（如 50kHz）紋波進(jìn)行諧振吸收，同時通過諧振電感（電感值 100μH）與電容（容量 0.1μF）的協(xié)同作用，抑制 20kHz~100kHz 高頻紋波，使中間側(cè)紋波系數(shù)降至 0.2% 以下；
1.輸出側(cè)高壓濾波：采用 “高壓陶瓷電容 + 高頻電感” 的濾波結(jié)構(gòu)，高壓陶瓷電容選用耐高壓（100kV）、低介損的材質(zhì)，容量 10nF，高頻電感選用空心電感（避免磁芯飽和），電感值 10μH，同時在輸出端設(shè)置 RC 吸收電路（電阻 1kΩ，電容 1nF），抑制負(fù)載擾動產(chǎn)生的寬頻帶紋波，使輸出側(cè)紋波系數(shù)最終控制在 0.3% 以內(nèi)。
（二）有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)
輸入側(cè)交流市電經(jīng)整流后存在功率因數(shù)低、紋波大的問題，采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，通過 Boost 變換器與控制算法，使輸入電流跟蹤輸入電壓波形，提升功率因數(shù)（≥0.99），同時抑制輸入側(cè)低頻紋波。
APFC 控制算法采用平均電流控制模式，實時采樣輸入電流與電壓，通過 PI 控制器調(diào)整 Boost 變換器開關(guān)管占空比，使輸入電流波形接近正弦波，減少電流諧波，進(jìn)而降低輸入側(cè)紋波傳遞。實驗數(shù)據(jù)表明，采用 APFC 技術(shù)后，輸入側(cè) 100Hz 紋波幅值降低 60%，有效減少了低頻紋波對高壓輸出的影響。
（三）自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)
針對負(fù)載擾動紋波，研發(fā)自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)，通過實時監(jiān)測負(fù)載阻抗變化，動態(tài)調(diào)整電源控制參數(shù)，平衡動態(tài)響應(yīng)與紋波抑制。
1.負(fù)載阻抗監(jiān)測：在電源輸出端設(shè)置高精度電流傳感器（采樣精度 0.1%）與電壓傳感器（采樣精度 0.05%），實時計算負(fù)載阻抗 Z=V/I，采樣頻率 1kHz，確保快速捕捉負(fù)載變化；
1.自適應(yīng)控制算法：采用模糊自適應(yīng) PI 控制算法，將負(fù)載阻抗變化率作為輸入變量，動態(tài)調(diào)整 PI 控制器參數(shù)（比例系數(shù) Kp、積分系數(shù) Ki）：當(dāng)負(fù)載阻抗突變（如 ΔZ>10%）時，增大 Kp 以提升動態(tài)響應(yīng)速度，抑制電壓跌落或過沖；當(dāng)負(fù)載穩(wěn)定（ΔZ<1%）時，減小 Kp、增大 Ki 以降低穩(wěn)態(tài)紋波；
1.實驗驗證：在模擬負(fù)載阻抗從 1.2MΩ 突變至 0.8MΩ 的場景下，采用自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)的電源，電壓恢復(fù)時間從傳統(tǒng)控制的 0.3s 縮短至 0.1s，且紋波系數(shù)僅增大 0.1%，實現(xiàn)了動態(tài)響應(yīng)與紋波抑制的平衡。
（四）高壓輸出端屏蔽與接地技術(shù)
高壓輸出端的寄生電容與電磁干擾會引入額外紋波，通過優(yōu)化屏蔽與接地設(shè)計，減少外部干擾對輸出電壓的影響。
1.屏蔽設(shè)計：高壓輸出線纜采用雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為銅網(wǎng)屏蔽（抑制差模干擾），外層為鋁箔屏蔽（抑制共模干擾），屏蔽層接地電阻≤1Ω；高壓輸出端子采用金屬屏蔽罩，屏蔽罩與電源外殼單點接地，避免地環(huán)流；
1.接地設(shè)計：采用 “星形接地” 方式，將高壓輸出濾波電路、控制電路、采樣電路的接地端匯聚于一點，再通過低阻抗接地線（截面積≥4mm²）連接至大地，減少接地回路干擾；同時在接地線上設(shè)置高頻扼流圈（電感值 1mH），抑制高頻干擾信號通過地線傳遞。
四、技術(shù)驗證與應(yīng)用效果
（一）性能測試
搭建電子束增材電源低電壓紋波測試平臺，對上述技術(shù)進(jìn)行綜合驗證，測試結(jié)果如下：
1.紋波系數(shù)：在額定輸出電壓 60kV、額定電流 10mA 工況下，輸出電壓紋波系數(shù)為 0.28%，滿足≤0.5% 的設(shè)計要求；
1.負(fù)載擾動測試：負(fù)載阻抗在 0.5MΩ~2MΩ 范圍內(nèi)變化時，紋波系數(shù)變化量≤0.1%，動態(tài)響應(yīng)時間≤0.1s；
1.電磁兼容測試：在 150kHz~30MHz 頻段，電源輻射騷擾值≤54dBμV/m，滿足 GB/T 17799.2 電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。
（二）應(yīng)用效果
該低電壓紋波技術(shù)應(yīng)用于電子束增材電源后，在 TC4 鈦合金零部件增材制造實驗中，打印件質(zhì)量得到顯著提升：
1.尺寸精度：打印件關(guān)鍵尺寸（如孔徑、壁厚）誤差從傳統(tǒng)電源的 0.3mm 降至 0.1mm；
1.微觀質(zhì)量：打印件內(nèi)部氣孔率從 5% 降至 1.5%，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋；
1.力學(xué)性能：打印件抗拉強(qiáng)度提升 8%，延伸率提升 10%，滿足航空航天零部件力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)。
五、結(jié)論
電子束增材電源低電壓紋波技術(shù)通過多級復(fù)合濾波、有源功率因數(shù)校正、自適應(yīng)動態(tài)調(diào)節(jié)及優(yōu)化屏蔽接地，有效解決了多頻率紋波疊加、高壓場景濾波受限、動態(tài)響應(yīng)與紋波抑制矛盾等問題，顯著降低了電源輸出電壓紋波。該技術(shù)為電子束增材制造的高精度、高質(zhì)量成型提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，未來可進(jìn)一步結(jié)合數(shù)字濾波算法，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的紋波抑制，適應(yīng)更復(fù)雜的增材制造工況。