電子束增材電源低電壓紋波技術

一、引言
在電子束增材制造過程中，電子束的能量穩定性直接決定熔池溫度、熔覆層均勻性及打印件力學性能，而電子束能量由高壓電源輸出電壓控制，電壓紋波會導致電子束能量波動，進而引發熔池形態不穩定、打印件出現裂紋或氣孔等缺陷。傳統電子束增材電源因濾波環節設計不完善、負載擾動抑制能力弱，輸出電壓紋波系數通常在 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≤0.5% 的嚴苛要求。因此，研發低電壓紋波技術，降低電子束增材電源輸出紋波，對提升增材制造質量具有重要工程意義。
二、電壓紋波產生機理與抑制難點
（一）紋波產生機理
電子束增材電源電壓紋波主要來源于三個方面：
1.輸入側紋波：電源輸入通常為交流市電，經整流濾波后仍存在低頻紋波（頻率為 100Hz，對應市電 50Hz 的 2 倍），若濾波不徹底，會傳遞至高壓輸出端；
1.開關環節紋波：電源主電路采用高頻開關拓撲（如移相全橋、LLC 諧振拓撲），開關管導通與關斷過程中產生高頻紋波（頻率與開關頻率一致，通常 20kHz~100kHz）；
1.負載擾動紋波：電子束增材過程中，負載（熔池）阻抗隨打印材料、層厚、掃描速度變化而動態改變，導致輸出電流波動，進而引發電壓紋波（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）與負載擾動紋波（1Hz~10kHz）疊加，傳統單一濾波方式（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.動態響應與紋波抑制平衡：為抑制負載擾動紋波，需提升電源動態響應速度，但快速響應可能導致開關紋波增大，二者存在矛盾。
三、低電壓紋波關鍵技術
（一）多級復合濾波技術
針對多頻率紋波疊加問題，采用 “輸入側低頻濾波 + 中間側高頻濾波 + 輸出側高壓濾波” 的多級復合濾波結構，實現全頻段紋波抑制。
1.輸入側低頻濾波：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，使輸入側紋波系數降至 0.5% 以下；
1.中間側高頻濾波：在電源主電路與高壓變換環節之間設置 LLC 諧振濾波電路，利用 LLC 諧振拓撲的選頻特性，對開關頻率（如 50kHz）紋波進行諧振吸收，同時通過諧振電感（電感值 100μH）與電容（容量 0.1μF）的協同作用，抑制 20kHz~100kHz 高頻紋波，使中間側紋波系數降至 0.2% 以下；
1.輸出側高壓濾波：采用 “高壓陶瓷電容 + 高頻電感” 的濾波結構，高壓陶瓷電容選用耐高壓（100kV）、低介損的材質，容量 10nF，高頻電感選用空心電感（避免磁芯飽和），電感值 10μH，同時在輸出端設置 RC 吸收電路（電阻 1kΩ，電容 1nF），抑制負載擾動產生的寬頻帶紋波，使輸出側紋波系數最終控制在 0.3% 以內。
（二）有源功率因數校正（APFC）技術
輸入側交流市電經整流后存在功率因數低、紋波大的問題，采用有源功率因數校正技術，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（≥0.99），同時抑制輸入側低頻紋波。
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 控制器調整 Boost 變換器開關管占空比，使輸入電流波形接近正弦波，減少電流諧波，進而降低輸入側紋波傳遞。實驗數據表明，采用 APFC 技術后，輸入側 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）自適應動態調節技術
針對負載擾動紋波，研發自適應動態調節技術，通過實時監測負載阻抗變化，動態調整電源控制參數，平衡動態響應與紋波抑制。
1.負載阻抗監測：在電源輸出端設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%），實時計算負載阻抗 Z=V/I，采樣頻率 1kHz，確?？焖俨蹲截撦d變化；
1.自適應控制算法：采用模糊自適應 PI 控制算法，將負載阻抗變化率作為輸入變量，動態調整 PI 控制器參數（比例系數 Kp、積分系數 Ki）：當負載阻抗突變（如 ΔZ>10%）時，增大 Kp 以提升動態響應速度，抑制電壓跌落或過沖；當負載穩定（ΔZ<1%）時，減小 Kp、增大 Ki 以降低穩態紋波；
1.實驗驗證：在模擬負載阻抗從 1.2MΩ 突變至 0.8MΩ 的場景下，采用自適應動態調節技術的電源，電壓恢復時間從傳統控制的 0.3s 縮短至 0.1s，且紋波系數僅增大 0.1%，實現了動態響應與紋波抑制的平衡。
（四）高壓輸出端屏蔽與接地技術
高壓輸出端的寄生電容與電磁干擾會引入額外紋波，通過優化屏蔽與接地設計，減少外部干擾對輸出電壓的影響。
1.屏蔽設計：高壓輸出線纜采用雙層屏蔽結構，內層為銅網屏蔽（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，避免地環流；
1.接地設計：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、技術驗證與應用效果
（一）性能測試
搭建電子束增材電源低電壓紋波測試平臺，對上述技術進行綜合驗證，測試結果如下：
1.紋波系數：在額定輸出電壓 60kV、額定電流 10mA 工況下，輸出電壓紋波系數為 0.28%，滿足≤0.5% 的設計要求；
1.負載擾動測試：負載阻抗在 0.5MΩ~2MΩ 范圍內變化時，紋波系數變化量≤0.1%，動態響應時間≤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 電磁兼容標準。
（二）應用效果
該低電壓紋波技術應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，打印件質量得到顯著提升：
1.尺寸精度：打印件關鍵尺寸（如孔徑、壁厚）誤差從傳統電源的 0.3mm 降至 0.1mm；
1.微觀質量：打印件內部氣孔率從 5% 降至 1.5%，未發現明顯裂紋；
1.力學性能：打印件抗拉強度提升 8%，延伸率提升 10%，滿足航空航天零部件力學性能標準。
五、結論
電子束增材電源低電壓紋波技術通過多級復合濾波、有源功率因數校正、自適應動態調節及優化屏蔽接地，有效解決了多頻率紋波疊加、高壓場景濾波受限、動態響應與紋波抑制矛盾等問題，顯著降低了電源輸出電壓紋波。該技術為電子束增材制造的高精度、高質量成型提供了關鍵技術支撐，未來可進一步結合數字濾波算法，實現更精準的紋波抑制，適應更復雜的增材制造工況。