CN101602137A - 逆变等离子切割机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种逆变等离子切割机，在传统等离子切割机基础上增加一种功率校正装置，使得逆变等离子切割机的输入电压与电流相位同步、电流波形的畸变得到改善，同时还可以抑制谐波，减小峰值电流和有效电流，最终提高功率能效，该逆变等离子切割机将主要功率元器件固定在散热器上，后盖上设置一后部风扇，印刷电路板设置在切割机中部，在印刷电路板上设置一中部风扇，后部风扇、中部风扇和主要发热元件均处于同一水平线上，后部风扇通过后盖百叶窗抽外界空气，中部风扇把内部热量通过前盖上的网状散热孔及侧面的百叶窗吹到切割机外面，从而形成一个良好的水平风道，改善了散热性能，提高了器件的使用寿命，保证了整机的稳定性和可靠性。

Description

逆变等离子切割机

技术领域

本发明涉及一种逆变等离子切割机。

背景技术

逆变等离子切割机都存在电能使用效率低的问题，效率一般不超过70％，其原因在于，目前逆变等离子切割机中存在的AC/DC变换器都是由桥式整流器与电容滤波器构成的。由于大量滤波电容器的存在，使得整流二极管的导通角变得很窄，仅在交流电压峰值附近才能导通，致使交流电流产生严重失真且发生相位漂移，变成了尖峰脉冲。这种电流波形中包含大量的谐波分量，经滤波后输出的有用功功率就会显著降低。再者，由于谐波的存在对电网也会造成一定程度的污染。

发明内容

本发明提供的一种逆变等离子切割机，在传统等离子切割机基础上增加一种功率校正装置，使得逆变等离子切割机的输入电压与电流相位同步、电流波形的畸变得到改善，同时还可以抑制谐波，减小峰值电流和有效电流，最终提高功率能效，该逆变等离子切割机还改善了散热性能，提高了器件的使用寿命，保证了整机的稳定性和可靠性。

为了达到上述目的，本发明提供一种逆变等离子切割机，包含电路连接的逆变整流电路、引弧电路、控制电路和辅助电源电路，特别还包含一个功率校正电路；

所述的功率校正电路的输入端接入外部电源，输出端电路连接到所述逆变整流电路，该功率校正电路包含：

电路连接的初级整流电路和直流升压电路；

所述的初级整流电路中包含电路连接的EMI(电磁干扰)滤波电路和整流电路；

所述的直流升压电路中包含电路连接的升压控制电路和升压电路；

EMI滤波电路主要滤除由电网进入切割机的各种干扰信号，并防止切割机内部电路产生的高频扰窜电网，或对其他设备和应用环境造成干扰；

整流电路把通过接线端子输入切割机的经过滤波的交流电压转换成直流电压，升压控制电路输出PWM(脉冲宽度调制)信号到升压电路，通过PWM信号来调整升压电路的关断时间，从而将整流电路输出的直流电压升压为直流信号；所述的升压控制电路对整个功率校正电路进行过压、欠压、开环保护；

所述的功率校正电路还包含防浪涌电路，用于防止开机瞬间的浪涌电流；

所述的功率校正电路还包含分压电路，用于检测输出的升压直流电压的变化，并把分压信号送给升压控制电路，形成电压反馈；

所述的功率校正电路还包含分流电路，用于检测输出电流变换，并将分流信号送给升压控制电路，形成电流反馈；

所述的功率校正电路还包含补偿电路，用于反馈匹配各种负载条件；

所述的逆变整流电路包含电路连接的单端正激逆变电路和半波整流电路；

在逆变电路中，单端正激逆变电路把功率校正电路中输出的直流信号逆变成方波直流信号，并可实现电压的箝位，半波整流电路将经过升压后的方波直流信号转换成直流信号；

所述的引弧电路连接所述的逆变整流电路的输出端，完成切割过程；

所述的控制电路分别电路连接所述的功率校正电路、逆变整流电路和引弧电路，控制整个切割机的工作；

所述的辅助电源电路分别电路连接所述的功率校正电路、逆变整流电路、引弧电路和控制电路，为上述电路提供电源；

所述的逆变等离子切割机还包含一控制面板电路，其分别电路连接上述的功率校正电路、逆变整流电路、引弧电路、控制电路和辅助电源电路，该控制面板电路用于输入各种指令，并显示工作状态。

所述的逆变等离子切割机的内部结构上，采用风扇与主要功率元器件及散热器交叉排列的方式；

主要功率元器件固定在散热器上，后盖上设置一后部风扇，印刷电路板设置在切割机中部，在印刷电路板上设置一中部风扇，后部风扇、中部风扇和主要发热元件均处于同一水平线上，后部风扇通过后盖百叶窗抽外界空气，中部风扇把内部热量通过前盖上的网状散热孔及侧面的百叶窗吹到切割机外面，这样形成一个良好的水平风道，从而提高了内部功率器件的使用寿命，保证了机器的稳定性及可靠性，进一步提高了整个机器的使用寿命。

本发明使电能的使用效率可达到90％以上，对电网的污染可达到国家电网的指标。由于采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)功率开关管，大大缩小了切割机的重量和体积。本发明的优点是节能、环保、轻巧、使用方便、采用宽电压输入(95～265V)，使等离子切割机可走进家庭。

附图说明

图1是本发明提供的一种逆变等离子切割机的结构示意图；

图2是本发明提供的一种逆变等离子切割机的功率校正电路的电路图；

图3是本发明提供的一种逆变等离子切割机的逆变整流电路的电路图；

图4是本发明提供的一种逆变等离子切割机的辅助电源电路的电路图；

图5是本发明提供的一种逆变等离子切割机的引弧电路的电路图；

图6是本发明提供的一种逆变等离子切割机的控制电路的电路图；

图7是本发明提供的一种逆变等离子切割机的操作面板的电路图。

具体实施方式

以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施方式：

如图1所示，本发明提供的一种逆变等离子切割机的内部器件具有特殊排布结构，在整个机器的内部结构上采用风扇与主要功率元器件及散热器交叉排列的方式。主要功率元器件固定在散热器上，后部风扇3固定在后盖之上，通过后盖上的百叶窗抽外界空气对第四散热器4、第五散热器5、第六散热器6及电感2进行散热，中部风扇7固定在印刷电路板1上，对第八散热器8、主变压器9及输出电感10进行散热，并把散热器、变压器及电感产生的热量通过前盖上的网状散热孔及上盖侧面的百叶窗吹到机器外面。后部风扇3、中部风扇7及第四散热器4、第五散热器5、第六散热器6、第八散热器8、电感2、输出电感10及变压器9均处于同一水平线上。后部风扇3通过后盖百叶窗抽外界空气，中部风扇7把内部热量通过前盖及侧面百叶窗吹到外界，这样形成一个良好的水平风道，从而提高了内部功率器件的使用寿命，保证了机器的稳定性及可靠性，进一步提高了整个机器的使用寿命。另外，需要散热的功率器件在电位相同的情况下共用同一散热器，减小了整机的体积。

如图2所示，为等离子切割机的功率校正电路，该电路主要包括：

由电容C0、C1、C2、C3、C5、C6，电阻R1、R2，RV1，共模电感L1，继电器K1，整流桥BRG1组成的初级整流电路；

由控制芯片U2(型号：ICE2PCS01)及其外围电路，功率开关管Q3(型号：SPW47N60C3)，快恢复二极管D34、D35、D39，电感L3(图1中电感2)、电解电容C023、C024组成的直流升压电路；

在初级整流电路中，电容C0、C1、C5、C6与共模电感L1以及电阻R1组成EMI(电磁干扰)电路；

整流桥BRG1把通过接线端子AC1、AC2输入切割机的95∽265V交流电压转换成135∽375V的直流电压HT+、VOUT-，无极性电容C2、C3用于平滑转换后的直流电压信号。继电器K1与功率电阻R1用于防止开机瞬间的浪涌电流。

在直流升压电路中，电感L3与快恢复二极管D34、D35、D39及功率开关管Q3组成升压电路，升压电路中，电感L3用于储能。

功率校正控制器U2及其外围电路通过GATE脚输出PWM信号到功率开关管Q3的栅极，通过PWM信号来调整功率开关管Q3的开通时间，将135∽375V直流电压HT+、VOUT-升压到390V直流信号VOUT+、VOUT-。其中，电阻R036、R037、R038、R039、R040组成分压器，用于检测输出电压VOUT+、VOUT-的变化，并把分压信号送给控制芯片U2的VSENSE脚，形成电压反馈，另外U2还根据VSENSE脚电压的变化对整个功率校正电路进行过压、欠压、开环保护。分流电阻R045、R046、R047、R048、用于检测输出电流变换，并通过电阻R041把反馈信号送给U2的ISENSE脚，ICOMP脚通过电容C025充放电对反馈电流进行平均，形成电流反馈，同时对功率开关Q3进行过流保护。电阻R044，电容C026、C027构成补偿网络来反馈匹配各种负载条件。电阻R042，R043用于设定输出PWM信号的频率。控制芯片U2由来自图4中的直流电压信号VCC通过芯片的VCC脚供电，并经电容C029、C030滤波与缓冲。J1与J2外接电磁气阀，控制电路(图6)通过排针J8的GAS脚控制继电器K2的线圈K2A，从而控制继电器K2触点K2B的通断，达到控制等离子切割机的气路的目的。电阻R7及电容C36组成继电器K2的灭弧电路。

如图3所示，为等离子切割机逆变整流电路，主要包括：

由功率开关管Q1、Q2(型号：SKW30N60HS)，快恢复二极管D14、D20，变压器T1(图1中变压器9)组成的单端正激逆变电路；

由快恢复二极管D36、D37、D38，电感L2(图1中电感10)组成的半波整流电路；

在逆变电路中，功率管Q1、Q2及变压器T1主要用于把图2中功率校正电路中输出的直流信号VOUT+、VOUT-逆变成65KHz的方波直流信号。快恢复二极管用于电压的箝位。电阻R21与电容C22，电阻R27与电容C27分别组成RC吸收电路，对功率管Q1与Q2进行保护，电容C4加在母线两端对Q1、Q2进行保护。稳压管D12、D13、D15，电阻R23、R25，电容C24及稳压管D17、D18、D19，电阻R26、R30，电容C28分别组成保护网络，用于抑制干扰信号对Q1、Q2门极驱动信号的影响。驱动芯片ISO2、IOS3将控制电路(图6)中U6输出，经电阻R24、R28的PWM信号进行功率放大，再通过门极电阻R22、R29控制功率开关管Q1、Q2。来自图4中的直流电压V1+、V1-，V2+、V2-通过R16、R40限流，给芯片IOS2、ISO3提供电源。电容C23、C25、C26、C29主要用于滤波与缓冲。在功率开关管Q1、Q2关断时，高频变压器T1上电压极性颠倒，快恢复二极管D14、D20导通，电压被箝位。互感器T2主要用于感应流过功率管Q1、Q2的电流。并把反馈信号通过排针J8的Mess_I(J8_6P)脚和J8_7P脚传送给控制电路(图6)。

在二次整流电路中，快恢复二极管D36、D37、D38组成半波整流电路，用于经将高频变压器T1升压后的方波信号转换成直流信号。电感L2用于储能与滤波。电阻R52、R53用于建立空载电压。安规电容C50、C51用于抑制高频干扰。20脚排针底座J8用于大印刷电路板与控制电路印刷电路板之间的信号连接。

如图4所示，为切割机的辅助电源电路，辅助电源电路主要用于对整个电路中的控制芯片提供电源。控制芯片U1(型号：UC3842BN)及其外围电路和变压器T3构成单端反激式开关电源电路，电阻R07、R08、R09用于给控制芯片U1提供上电瞬间的启动电压。电阻R014、R015、R033，电容C019、C020组成开关电源的反馈回路，电阻R013、R034采集电流信号并反馈给控制芯片U1的ISENSE脚，对功率开关管Q02(型号：FQP4N90C)进行过流保护。电阻R016、R017与电容C022组成RC振荡，给控制芯片提供输出PWM信号频率基准、控制芯片U1的OUTPUT脚输出PWM信号经栅极电阻R011驱动功率开关管Q02工作。电阻R03、R04，电容C014、快恢复二极管D010组成RCD吸收电路对功率管Q02进行保护。变压器9-10绕组经二极管D32整流后形成直流电压Vf给控制芯片U1提供电源。同时，9-10绕组经二极管D9整流后形成直流电压VCC，VCC通过排针J8的15脚给控制电路(图6)中的芯片供电。并经二极管D013后形成电压VCC1给风扇FAN1、FAN2提供电源。1-2绕组及11-12绕组经二极管D6、D8整流后形成直流电压V1、V2，给图3中驱动芯片ISO2、ISO3提供电源。5-6绕组经二极管D30整流后输出直流电压V3，供给图5中的光耦ISO1。

如图5所示为切割机引弧电路。光耦ISO1的1-2单元主要用于控制切割机的焊枪开关，输出GUN信号通过J8的19脚传送给控制电路(图6)。旁路电阻R43、R44与切割枪一起构成引导弧回路，R43、R44的作用是限制引导弧电流，将引导弧限制在能够顺利引燃切割弧的最低值，并且保证切割过程中切割弧的存在。光耦ISO1的3-4单元、7-8单元，根据采集到电阻R43、R44的电压信号进行一系列引弧控制。光耦ISO1的3-4单元在仅有引导弧存在的情况下内部发光二极管导通。与光耦ISO1输出端14相连的Ig被拉到VOUT-。这样就保证了引导弧电流大小的恒定，不受切割电流设定值Ig的影响。光耦ISO1的7-8单元用于完成切割过程提起切割枪。在仅有引导弧存在的情况下，电容C54与放电电阻R51形成计时器，并通过排针J8的J8_17P与控制电路(图6)相连，完成一定时间后引导弧自动熄灭的功能。保证切割过程的安全性。电压V3通过限流电阻R46接到光耦ISO1的5-6单元。电压信号VCC通过两个温度开关与输出端光耦的11-12连接。输出OVER_HOT信号给控制电路(图6)，用于完成切割机的过热保护。温度开关ST、ST1分别安装在功率开关Q2上的散热器与高频变压器T1上。电阻R3、R4、R5、R6，二极管D40通过20脚排针J8的J8_1P、J8_2P与控制电路(图6)相连，组成机器的过压与欠压保护。电阻R37、R38通过20脚排针J8的J8_9P、J8_14P脚与控制电路(图6)相连，用于电流采样。插座J_3通过7芯排线与操作面板电路(图7)相连，输出指示信号及切割电流设定值的传输。

如图6所示，为等离子切割机的控制电路，该电路位于一小印刷电路板上，通过20脚排针J8与大印刷电路板相连。在整个控制电路中，控制芯片U6(型号：UC3845BDG)主要用于输出PWM信号驱动(图3)逆变回路功率开关管Q1、Q2以及采集逆变电路的电流信号，对功率管Q1、Q2进行过流保护。电阻R24、R30、R36、R37、R43及图5中电阻R37、R38，电容C14、C17、C18、二极管D19，稳压管D12对来自(图3)互感器T2感应出的电压信号Mess_I进行整流、滤波、分压，并把感应电压IF送给U6的ISENSE脚，对图3中功率开关管Q1、Q2进行过流保护。电阻R29、电容C13通过排针J8的C_PWM脚与图5中电阻R39组成RC振荡，为图3中的逆变回路提供逆变频率基准。三极管Q11，电阻R35组成斜坡补偿电路保证输出PWM信号稳定。三极管Q17用于控制芯片OUT脚PWM信号的输出与关闭。芯片U6输出VREF基准电压，用于RC振荡的基准电压。

U7(型号：MC33074DG)为内部包含4组运放的集成芯片。其中U7A单元根据排针J8_1P脚电压对切割机进行过压保护。U7B单元根据排针J8_2P脚及OVER_HOT脚对切割机进行欠压与过热保护。一旦过热、过压、欠压任何一种情况发生，二极管D15的3脚就会输出幅值为VCC的高电平信号HOT_POWER，并通过排针J8传送给大印刷电路板，最终通过排线J_3传送给操作面板电路(图7)，点亮故障指示D26灯。同时，二极管D14输出高电平VCC，关闭控制芯片U6输出的PWM信号，把输出电流给定值Ig1拉到VOUT-，并通过J8_16P脚关闭操作面板电路(图7)上的切割指示灯D35。U7C单元为一电压给随器，把电流反馈信号1∶1的送给U7D的13脚。U7D单元为一PI运算器，把电流给定信号Ig1与电流反馈信号经过一定的运算后经电阻R27送给控制芯片U6的COMP脚。芯片U6根据COMP脚电压的变化来改变输出PWM信号的占空比。通过这一电流反馈系统达到切割机输出电流的恒定。

U5(型号：NE556)主要用于控制引导弧电流的持续时间以及切割机滞后送气的时间。当切割枪开关合上时，U5的RESET1脚会产生一触发信号。使556_OUT1输出一定宽度的高电平脉冲信号用来控制引导弧持续时间。脉冲高电平的宽度有控制芯片U5的1脚与2脚外接的电阻R44、R45，电容C33来确定。当切割枪开关松开时，U5的REST2脚会产生一触发信号，556_OUT2输出一定宽度的高电平脉冲用来控制滞后送气的时间，高电平脉冲信号的宽度由U5的12脚与13脚外接电阻R60、R61及电容C29来确定。

U4(型号：CD4093BM)内部包含四个与非门单元，通过4个与非门相互连接形成一逻辑电路。在U5的556_OUT1输出高电平期间。U4的U4_11P脚输出低电平，保证了引导弧电流期间有PWM信号的输出，高电平信号过后U5的556_OUT1脚输出低电平，关闭PWM信号。由于在引导弧期间图5中光耦ISO1的3-4单元导通，电流给定Ig被拉到VOUT-。高电平脉冲信号使开关管Q12关断，保证二极管Q9的2脚有电压输出。同时Ig1有电压输出。Q9的2脚电压大小决定了引导弧电流的大小。

U3(型号：CD40106BCM)内部包含6个非门单元，通过6个非门的相互连接形成一触发电路。用来控制U4的触发信号RESET1。切割枪合上时图5中光耦ISO1的1-2单元导通。光耦ISO1输出端的GUN脚变成高电平信号VCC。当GUN脚为高电平VCC时，三极管Q4导通，图3中送气继电器K2闭合，保证了在整个切割过程中气体的存在。同时U3的U3_10P脚输出低电平，保证切割枪合上有PWM信号输出。切割枪开关松开以后，由于U5的556_OUT2输出一定宽度的高电平，切割枪松开以后三极管Q4继续导通。送气继电器K2继续闭合一段时间。这一过程完成滞后送气。

如图7所示，为操作面板电路，主要有电位器R42及LED灯，电位器R42主要用来调节切割机输出电流的大小，绿色LEDD2用作电源指示，黄色LEDD35用来切割指示。红色LEDD26用来故障(过压、欠压、过热)指示。

所述的功率校正电路(图2)、逆变及二次整流电路(图3)、辅助电源电路(图4)、引弧电路(图5)位于大印刷电路。控制电路(图6)位于一小印刷电路板，与大印刷电路板通过20针的排针连接。操作面板电路(图7)位于另一小印刷电路板，与大印刷电路板通过7芯排线连接。

Claims (9)

1.一种逆变等离子切割机，包含电路连接的逆变整流电路、引弧电路、控制电路和辅助电源电路，其特征在于，该逆变等离子切割机还包含一个功率校正电路；

所述的引弧电路连接所述的逆变整流电路的输出端，完成切割过程；

所述的控制电路分别电路连接所述的功率校正电路、逆变整流电路和引弧电路，控制整个切割机的工作；

所述的辅助电源电路分别电路连接所述的功率校正电路、逆变整流电路、引弧电路和控制电路，为上述电路提供电源；

所述的功率校正电路的输入端接入外部电源，输出端电路连接到所述逆变整流电路，该功率校正电路包含：

电路连接的初级整流电路和直流升压电路；

所述的初级整流电路中包含电路连接的EMI滤波电路和整流电路；

所述的直流升压电路中包含电路连接的升压控制电路和升压电路；

整流电路把通过接线端子输入切割机的交流电压转换成直流电压，升压控制电路输出脉冲宽度调制信号到升压电路，通过脉冲宽度调制信号来调整升压电路功率管的开关时间，从而将整流电路输出的低直流电压升高为高压直流信号，所述的升压控制电路对整个功率校正电路进行过压、欠压、开环保护。

2.如权利要求1所述的逆变等离子切割机，其特征在于，所述的功率校正电路还包含防浪涌电路，用于防止开机瞬间的浪涌电流。

3.如权利要求1所述的逆变等离子切割机，其特征在于，所述的功率校正电路还包含分压电路，用于检测输出的升压直流电压的变化，并把分压信号送给升压控制电路，形成电压反馈。

4.如权利要求1所述的逆变等离子切割机，其特征在于，所述的功率校正电路还包含分流电路，用于检测输出电流变换，并将分流信号送给升压控制电路，形成电流反馈。

5.如权利要求1所述的逆变等离子切割机，其特征在于，所述的功率校正电路还包含补偿电路，用于反馈匹配各种负载条件。

6.如权利要求1所述的逆变等离子切割机，其特征在于，所述的逆变整流电路包含电路连接的单端正激逆变电路和半波整流电路；

在逆变电路中，单端正激逆变电路把功率校正电路中输出的直流信号逆变成方波直流信号，并可实现电压的箝位，半波整流电路将经过升压后的方波直流信号转换成直流信号。

7.如权利要求1所述的逆变等离子切割机，其特征在于，所述的逆变等离子切割机还包含一控制面板电路，其分别电路连接功率校正电路、逆变整流电路、引弧电路、控制电路和辅助电源电路，该控制面板电路用于输入各种指令，并显示工作状态。

8.如权利要求1所述的逆变等离子切割机，其特征在于，所述的逆变等离子切割机的内部结构上，采用风扇与主要功率元器件及散热器交叉排列的方式：主要功率元器件固定在散热器上，后盖上设置一后部风扇，印刷电路板设置在切割机中部，在印刷电路板上设置一中部风扇，后部风扇、中部风扇和主要发热元件均处于同一水平线上，后部风扇通过后盖百叶窗抽外界空气，中部风扇把内部热量通过前盖上的网状散热孔及侧面的百叶窗吹到切割机外面，这样形成一个良好的水平风道，提高了内部功率器件的使用寿命，保证了机器的稳定性及可靠性。

9.如权利要求8所述的逆变等离子切割机，其特征在于，需要散热的功率器件在电位相同的情况下共用同一散热器。

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