CN101391340A

CN101391340A - 空气等离子切割机

Info

Publication number: CN101391340A
Application number: CNA2008102349577A
Authority: CN
Inventors: 方臣富; 朱泉; 邵江艳
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: CN101391340B

Abstract

本发明公开了一种空气等离子切割机，包括主电路和控制电路，主电路由前级主电路和后级主电路串联组成，其中前级主电路由交流电源、输入整流滤波电路和全桥逆变电路串联组成，后级主电路由输出整流滤波电路、大功率开关电路和输出电抗器组成；所述控制电路由前级控制电路和后级控制电路组成，其中前级控制电路由前级定频率定脉宽电路和前级驱动电路串联后接到全桥逆变电路；后级控制电路由电流检测电路、给定电路、比较放大电路、PWM电路和后级驱动电路组成，将电流检测电路连接比较放大电路。本发明由前级逆变器和后级斩波器共同作用，可获得恒流外特性和良好动特性，获得高质量切缝且体积小、重量轻、移动方便、节省材料、高效节能。

Description

空气等离子切割机

技术领域

本发明涉及一种空气等离子切割机，尤其涉及其电源电路。

背景技术

空气等离子切割机主要应用于金属、非金属切割，属于空气等离子切割设备技术领域。空气等离子弧切割是利用高能量密度压缩电弧产生的高温高速热流进行的切割方法，其原理主要是依靠高温高速的等离子弧及其焰流，把部分金属熔化及蒸发，并吹离基体，随着等离子弧割炬的移动而形成切缝。利用压缩空气作为等离子弧切割的离子气，气体来源方便，切割成本低，由于等离子弧的热焓值较高，加上氧与金属相互作用过程中的放热，使切割速度提高，切口质量好。近年来已发展成为等离子切割方法中应用最广泛的一种。

随着电力电子元件的发展及其性能的提高，近年来等离子切割电源有了很大的发展，根据电源电路控制方式的不同，空气等离子切割机主要有斩波式、整流式和逆变式。斩波式等离子切割机体积大，重量重；整流式等离子切割机外特性为下降外特性，切割电流变化大，导致切口质量较差；逆变式空气等离子切割机采用大功率开关管逆变电路，其功率的调节和特性控制都是通过大功率开关管实现，所以逆变式等离子切割机的可靠性较差，功率较小。

申请号为200620165184.8、名称为“超便携无干扰引弧空气等离子切割机”的专利申请公开了一种用来切割薄板的小电流空气等离子切割机。该切割机的电路主要由主电路与控制电路构成，主电路包括主变压器、整流桥、滤波器、大功率开关器件(IGBT)构成的斩波器、输出电抗器；控制电路包括控制电源、驱动电路、给定和反馈比较电路、PWM调制器等。主电路形式采用直流降压斩波电路，经输出电抗器滤波和储能之后最后接等离子弧。但其缺陷是：切割机的单位输出功率的体积和重量较大。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种输出功率大、体积小、重量轻、可靠性高、稳定性好的新型空气等离子切割机。

本发明采用的技术方案是：包括主电路和控制电路，主电路由前级主电路和后级主电路串联组成，其中前级主电路由交流电源、输入整流滤波电路和全桥逆变电路串联组成，后级主电路由输出整流滤波电路、大功率开关电路和输出电抗器组成；所述控制电路由前级控制电路和后级控制电路组成，其中前级控制电路由前级定频率定脉宽电路和前级驱动电路串联后接到全桥逆变电路；后级控制电路由电流检测电路、给定电路、比较放大电路、PWM电路和后级驱动电路组成，将电流检测电路连接比较放大电路。

本发明在主电路中交流电源经前级整流滤波后接逆变器，经变压器降压后，其输出接后级整流滤波，再依次接斩波器和输出电抗器，最后接负载。控制电路中的前级定频率定脉宽电路和前级驱动电路产生四路固定脉冲驱动逆变电路的四个开关管；后级给定与反馈比较放大电路把电流检测电路检测的反馈值与给定值进行比较放大后，再经PWM电路，输入至驱动电路，从而控制后级开关电路中的开关管的开通与关断。本发明由前级逆变器和后级斩波器共同作用，其优点为：

1、本发明与斩波式空气等离子切割机相比，具有体积小、重量轻、移动方便、节省材料、高效节能等突出优点。

2、本发明与整流式空气等离子切割机相比，可获得恒流外特性和良好动特性，使输出电流在切割过程中保持不变，从而获得高质量切缝。

3、本发明与逆变式空气等离子切割机相比，由于逆变和功率、特性控制由前级逆变器和后级斩波器分别完成，可提高空气等离子切割机输出功率和可靠性、稳定性。

4、本发明克服了斩波式、整流式和逆变式空气等离子切割机的各自缺点，整合了斩波式、整流式和逆变式空气等离子切割机的各自优点，从而使空气等离子切割机结构性能、电气性能和切割工艺性能优良。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明原理框图。

图2是图1中主电路连接图。

具体实施方式

如图1，本发明的电源电路包括主电路和控制电路，主电路由前级主电路和后级主电路组成。前级主电路接在主变压器原边左侧，后级主电路接主变压器副边右侧，前级主电路由交流电源、输入整流滤波电路和全桥逆变电路串联组成。后级主电路由输出整流滤波电路、大功率开关电路和输出电抗器组成。控制电路由前级控制电路和后级控制电路组成。其中前级控制电路由前级定频率定脉宽电路和前级驱动电路串联后接到全桥逆变电路；后级控制电路由电流检测电路、给定电路、比较放大电路、PWM电路和后级驱动电路组成，将电流检测电路连接比较放大电路。在输入交流电源与主变压器原边间连接整流滤波电路和前级全桥逆变电路，前级逆变器经中频主变压器与后级斩波器串联。前级全桥逆变电路连接前级驱动电路和定频率定脉宽控制电路。前级采用逆变技术实现逆变功能；后级采用PWM控制技术实现功率和特性控制。

如图2所示，前级主电路中的输入整流滤波电路由三相桥式整流电路整流后接由电容C₁、C₂、C₃、C₄和电阻R₁、R₂组成的滤波电路，在获得直流电输入后连接前级全桥逆变电路。前级全桥逆变电路包括开关管Q₁、Q₂构成的超前臂、开关管Q₃、Q₄构成的滞后臂、内部反向并联二极管D₁～D₄及超前臂并联电容C₅、C₆；所述超前臂的中点依次连接阻断电容C_b、饱和电感L、中频主变压器T₁原边后接入滞后臂中点。前级定频率定脉宽电路经驱动电路连接到所述4个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的基极，该4个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄由前级定频率定脉宽电路经驱动电路控制。该前级全桥逆变电路的超前臂在电容C₅、C₆作用下实现ZVS(零电压开关)，滞后臂在饱和电抗和阻断电容的作用下实现ZCS(零电流开关)。具体过程为：开关管Q₁关断时，由于电容C₅电压不能突变，使得开关管Q₁关断是零电压关断，同时电容C₅充电、电容C₆放电，在死区时间内电容C₅、C₆充放电完毕，此时开关管Q₂零电压开通。在超前臂的一只开关管关断后，主电路进入自然换相过程，此时饱和电抗L仍处于饱和状态，主变压器T₁一次电流在隔直电容C_b和主变压器T₁一次侧漏抗的谐振作用下迅速下降。当主变压器T₁一次电流下降到零时，由于饱和电感L已退出了饱和，阻止了逆变电路引起的电流反向流动，从而使滞后臂的关断在零电压零电流状态下完成。随后，滞后臂上的另一只开关管开通，整流滤波输出的电压与隔直电容两端电压之和加在饱和电抗上，由于饱和电感L进入饱和需要一个短暂的过程，电流不能立即上升，实现滞后臂ZCS(零电流开关)。另外，前级逆变电路的4个开关管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄采用定频率定脉宽的信号进行驱动，在前级定频率定脉宽电路中，PWM控制器的振荡频率一定，控制器的给定值一定，能输出稳定的定频率定脉宽信号。

图2中的D₅、D₆、D₇、D₈为主变压器副边整流二极管、L₁为输出滤波电感，T₂为耦合变压器，Q₅为后级开关管，R₄、C₉组成RC网络，D₉为续流二极管，电容C₁₀、C₁₁、C₁₂用于滤波和抗干扰，电阻R₅为死负载。主变压器T₁的副边接单相桥式整流电路，该单相桥式整流电路由四个快恢复二极管D₅、D₆、D₇、D₈组成，经过由电容C₇、C₈、电阻R₃组成的滤波电路后输出直流电，正端接开关电路，负端接霍尔传感器FL、输出电抗器L₁，耦合变压器T₂，正、负输出端间接电容C₁₀、C₁₁、C₁₂和死负载R₅。

霍尔传感器FL用于检测电流，获得反馈量，后级控制电路中的给定与反馈比较放大电路把电流检测电路检测的反馈值与给定值进行比较放大后，再经PWM电路，输入至后级驱动电路，从而控制后级开关电路中的开关管的开通与关断。当反馈电流大于给定电流时，经PI调节的输出信号控制PWM电路，经后级驱动电路后，压缩驱动波形的脉宽，从而降低输出电流值，使输出电流等于给定电流；当反馈电流小于给定电流时，经PI调节的输出信号控制PWM电路，经后级驱动电路，使驱动波形的脉宽变宽，从而提高输出电流值，使输出电流等于给定电流。通过不断的比较运算来调节后级大功率开管的开通时间，实时修正切割电流，从而获得恒流外特性。另外，在后级大功率开关管关断时，输出电抗器L₁和续流二极管D₉组成续流电路，保证切割机输出电流的连续性。

Claims

1.一种空气等离子切割机，包括主电路和控制电路，其特征是：主电路由前级主电路和后级主电路串联组成，其中前级主电路由交流电源、输入整流滤波电路和全桥逆变电路串联组成，后级主电路由输出整流滤波电路、大功率开关电路和输出电抗器组成；所述控制电路由前级控制电路和后级控制电路组成，其中前级控制电路由前级定频率定脉宽电路和前级驱动电路串联后接到全桥逆变电路；后级控制电路由电流检测电路、给定电路、比较放大电路、PWM电路和后级驱动电路组成，将电流检测电路连接比较放大电路。

2.根据权利要求1所述的空气等离子切割机，其特征是：所述前级主电路中的输入整流滤波电路是由三相桥式整流电路整流后接由电容(C₁、C₂、C₃、C₄)组成的滤波电路，所述前级主电路中的全桥逆变电路包括开关管(Q₁、Q₂)构成的超前臂、开关管(Q₃、Q₄)构成的滞后臂、反向并联二极管(D₁～D₄)及超前臂并联电容(C₅、C₆)；将超前臂的中点依次连接隔直电容(C_b)、饱和电感(L)、主变压器(T1)原边后接滞后臂的中点。

3.根据权利要求1所述的空气等离子切割机，其特征是：所述后级主电路的输出整流电路接由电容(C₇、C₈)组成的滤波电路，然后依次接大功率开关电路、输出电抗器(L₁)和耦合变压器(T₂)。

4.根据权利要求2所述的空气等离子切割机，其特征是：前级定频率定脉宽电路经驱动电路连接到所述4个开关管(Q₁、Q₂、Q₃、Q₄)的基极。

5.根据权利要求3所述的空气等离子切割机，其特征是：所述输出整流电路为单相桥式整流电路，该电路由二极管(D₅～D₈)组成。