CN103269170A - 一种斩波式等离子弧切割的电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斩波式等离子弧切割的电源电路，包括多绕组变压器、至少两路整流电路和至少两路斩波电路；多绕组变压器包括一组输入绕组和至少两组输出绕组，输入绕组为星形绕组或三角形绕组，两组输出绕组中一组输出绕组为星形绕组，另一组输出绕组为三角形绕组；输入绕组用于连接三相电源，两组输出绕组分别连接两路整流电路，两路整流电路分别连接两路斩波电路。在本发明中，交流源、多绕组变压器和四路整流电路组成12脉波整流模块；根据多绕组变压副边绕组的Y/Δ组合构成12脉波整流；由于12脉波整流使得切割电源的输入电流与电网电压相位相同，电流波形的畸变得到改善，从而提高切割电源的功率因数，降低电流谐波对电网的影响。

Description

一种斩波式等离子弧切割的电源电路

技术领域

本发明属于等离子弧切割技术领域，更具体地，涉及一种斩波式等离子弧切割的电源电路。

背景技术

空气等离子弧切割是一种热切割技术，利用等离子弧的高温将被切金属局部熔化并蒸发，同时借助高速等离子气流将已经熔化的金属吹离母材，从而形成狭窄切口。等离子弧柱温度高，远远超过所有金属的熔点，可以切割任何黑色和有色金属材料，使用范围广。

等离子弧切割电源作为等离子切割设备的核心，对电源的要求越来越高，除具有陡降的恒流源特性外，电源功率要求更大，满足切割更厚金属板材的需求；电源设备能“绿色”用电，减小对电网的谐波污染。

传统的切割电源主要以硅整流和晶闸管整流式为主，设备体积庞大笨重，动静态特性也不够理想。随着电力电子元件性能和控制技术的提高，等离子弧切割电源有了很大发展，在各类新型拓扑中，斩波式具有结构简单，功率大，开关频率高，控制特性好，可靠性高的优点，获得了广泛的应用。但斩波式通常由三相交流电经工频变压器降压，采用不控整流后在滤波电容上得到直流电压，通过IGBT开关管进行高频斩波，大功率电感滤波后得到特性优良的恒流电流，供给切割电弧。

由于斩波式切割电源输入交流电是不控整流方式，这种整流电路只有在输入电压的绝对值大于电容电压时才会有电流的输入，因而使得输入电流成为一种不连续的近似为脉冲式的波形，功率因数低，而且这种波形畸变严重，含有大量的谐波成分，对电网造成谐波污染。

目前的等离切割电源输出电流多为30～200A，一般功率在30KW以下，不能满足切割厚板材的要求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种斩波式等离子弧切割的电源电路，旨在解决现有技术提供的电源电路功率因数低、含有大量的谐波成分会对电网造成谐波污染的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种斩波式等离子弧切割的电源电路，包括多绕组变压器、至少两路整流电路和至少两路斩波电路；所述多绕组变压器包括一组输入绕组和至少两组输出绕组，所述输入绕组为星形绕组或三角形绕组，两组输出绕组中一组输出绕组为星形绕组，另一组输出绕组为三角形绕组；所述输入绕组用于连接三相电源，所述两组输出绕组分别连接两路整流电路，两路整流电路分别连接两路斩波电路，两路斩波电路的输出并联并用于连接负载。

更进一步地，两组输出绕组三相交流电压相位差为30度；一组输出绕组的相电压为另一组输出绕组的相电压的

倍。

本发明还提供了一种斩波式等离子弧切割的电源电路，包括多绕组变压器、四路整流电路和四路斩波电路；所述多绕组变压器包括一组输入绕组和四组输出绕组，所述输入绕组为星形绕组或三角形绕组，四组输出绕组中第一输出绕组为三角形绕组，第二输出绕组为星形绕组，第三输出绕组为三角形绕组，第四输出绕组为星形绕组；所述输入绕组用于连接三相电源，第一输出绕组连接第一整流电路，第一整流电路连接第一斩波电路；第二输出绕组连接第二整流电路，第二整流电路连接第二斩波电路；第三输出绕组连接第三整流电路，第三整流电路连接第三斩波电路；第四输出绕组连接第四整流电路，第四整流电路连接第四斩波电路；第一斩波电路、第二斩波电路、第三斩波电路和第四斩波电路的输出并联且用于连接负载。

更进一步地，所述第一输出绕组和所述第二输出绕组之间的三相交流电压相位差为30度；所述第三输出绕组和所述第四输出绕组之间的三相交流电压相位差为30度。

更进一步地，所述第一输出绕组的相电压为第二输出绕组的相电压的

倍；所述第三输出绕组的相电压为第四输出绕组的相电压的倍。

更进一步地，所述星形绕组中a相绕组的a1端、b相绕组的b1端和c相绕组的c1端相连接。

更进一步地，所述三角形绕组中a相绕组的a1端和b相绕组的b2端相连接，b相绕组的b1端和c相绕组的c2端相连接，c相绕组的c1端和a相绕组的a2端相连接。

更进一步地，所述整流电路包括整流桥模块，以及并联在所述整流桥模块输出端的储能滤波电容C1。

更进一步地，所述整流桥模块包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；所述第一二极管D1的正向与所述第二二极管D2的负向连接，所述第三二极管D3的正向和所述第四二极管D4的负向连接，所述第五二极管D5的正向和所述第六二极管D6的负向连接，三个连接点为所述整流桥模块的输入端，所述第一二极管D1的负向、所述第三二极管D3的负向和所述第五二极管D5的负向相连接后作为所述整流桥模块的正输出端，所述第二二极管D2的正向、所述第四二极管D4的正向和所述第六二极管D6的正向相连接后作为所述整流桥模块的负输出端。

更进一步地，所述斩波电路包括开关管K1、续流二极管D15、反并二极管D16和输出电抗器L1；所述输出电抗器L1的一端作为所述斩波电路的正输入端，所述输出电抗器L1的另一端作为所述斩波电路的正输出端，所述开关管K1的基极连接外部的PWM信号，所述开关管K1的集电极连接至续流二极管D15的阳极，所述开关管K1的集电极还作为所述斩波电路的负输出端，所述开关管K1的发射极作为所述斩波电路的负输入端；所述续流二极管D15的阴极连接至所述输出电抗器L1的一端；所述反并二极管D16的阴极连接至所述开关管K1的集电极，所述反并二极管D16的阳极连接至所述开关管K1的发射极。

在本发明中，交流源、多绕组变压器和四路整流电路组成12脉波整流模块；根据多绕组变压副边绕组的Y/Δ组合构成12脉波整流；由于12脉波整流使得切割电源的输入电流与电网电压相位相同，电流波形的畸变得到改善，从而提高切割电源的功率因数，降低电流谐波对电网的影响，同时，变压器副边的多绕组结构，很适合后级斩波器采用模块化设计，并联工作方式，提高整机功率等级。

附图说明

图1是本发明实施例提供的斩波式等离子弧切割的电源电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的斩波式等离子弧切割的电源电路中变压器星形绕组连接示意图；

图3是本发明实施例提供的斩波式等离子弧切割的电源电路中变压器三角形绕组连接示意图；

图4是本发明实施例提供的斩波式等离子弧切割的电源电路中整流电路的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的斩波式等离子弧切割的电源电路中斩波电路的结构示意图；

图6是现有技术中传统不控整流的输入电流波形示意图；

图7是本发明实施例提供的斩波式等离子弧切割的电源电路的12脉波整流的输入电流波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对传统斩波式等离子弧切割电源存在的功率因数低，谐波含量大的缺点，提出了一种12脉波整流的电路，提高切割电源的功率因数，降低电流谐波；针对目前的等离子切割电源功率等级较低的情况，本发明采用了后级斩波器的模块化设计，利用变压器副边多绕组的结构特点，通过模块并联工作方式，扩大整机的功率等级。

本发明提供的斩波式等离子弧切割的电源电路包括多绕组变压器、至少两路整流电路和至少两路斩波电路；其中，多绕组变压器包括一组输入绕组和至少两组输出绕组，输入绕组为星形绕组或三角形绕组，两组输出绕组中一组输出绕组为星形绕组，另一组输出绕组为三角形绕组；输入绕组用于连接三相电源，两组输出绕组分别连接两路整流电路，两路整流电路分别连接两路斩波电路，两路斩波电路的输出并联且用于连接负载。

本发明的等离子切割电源电路中，多绕组变压器的副边绕组采用了Y/Δ的组合，与它们各自连接的整流电路一起，构成12脉波整流。相比于传统的不控整流方式，12脉波整流使得切割电源的输入电流波形的畸变得到改善，降低电流谐波对电网的影响。另外，由于多绕组变压器的副边采用了多输出绕组的结构，非常适合斩波电路的模块化设计，可根据需要的电源的功率等级，灵活配置斩波功率模块的数量，实现大功率等级的切割电流输出。斩波电路采用模块化设计，使等离子电源具有更好的一致性，方便电源生产以及维护工作。

为了便于说明，现以四路整流电路和四路斩波电路为例并结合附图详述如下：

如图1所示，斩波式等离子弧切割的电源电路包括多绕组变压器200、四路整流电路206、207、208、209和四路斩波电路210、211、212、213；其中多绕组变压器200包括一组输入绕组201和四组输出绕组202、203、204、205，输入绕组201为星形绕组或三角形绕组，四组输出绕组中第一输出绕组202为三角形绕组，第二输出绕组203为星形绕组，第三输出绕组204为三角形绕组，第四输出绕组205为星形绕组；输入绕组201用于连接380V三相电源，第一输出绕组202连接第一整流电路206，第一整流电路206连接第一斩波电路210；第二输出绕组203连接第二整流电路207，第二整流电路207连接第二斩波电路211；第三输出绕组204连接第三整流电路208，第三整流电路208连接第三斩波电路212；第四输出绕组205连接第四整流电路209，第四整流电路209连接第四斩波电路213；第一斩波电路210、第二斩波电路211、第三斩波电路212和第四斩波电路213的输出并联且用于连接负载。

在本发明实施例中，交流源、多绕组变压器和四路整流电路组成12脉波整流模块；根据多绕组变压副边绕组的Y/Δ组合，构成12脉波整流；四路斩波电路结构完全相同，均由大功率开关管，续流二极管，滤波电感组成，分别对四路整流得到的直流电压进行高频斩波，经滤波电感后得到陡降特性的恒流电流，供给切割电弧负载。由于12脉波整流使得切割电源的输入电流与电网电压相位相同，电流波形的畸变得到改善，从而提高切割电源的功率因数，降低电流谐波对电网的影响，同时，变压器副边的多绕组结构，很适合后级斩波器采用模块化设计，并联工作方式，提高整机功率等级。

本发明的电源电路，在输出切割电流大于额定电流的1/2时，两组12脉波整流电路和四路斩波电路同时工作；当在输出切割电流小于或等于额定电流的1/2时，仅有一组12脉波整流电路和对应的两路斩波电路在工作；另一组12脉波整流电路和对应的两路斩波电路提供冗余备份。

在本发明实施例中，多绕组变压器的原边是一组输入绕组；按绕组的连接方式有两种，星形(Y)接法和三角形(Δ)接法，称星形(Y)接法的绕组为星形绕组，三角形(Δ)接法的绕组为三角形绕组，现结合图2和图3详述星形(Y)接法和三角形(Δ)接法的具体接法如下：

如图2所示，星形(Y)接法：a相绕组的a1端和b相绕组的b1端，同时和c相绕组的c1端相连接。即星形绕组中a相绕组的a1端、b相绕组的b1端和c相绕组的c1端相连接。

如图3所示，三角形(Δ)接法：a相绕组的a1端和b相绕组的b2端相连接，b相绕组的b1端和c相绕组的c2端相连接，c相绕组的c1端和a相绕组的a2端相连接。即三角形绕组中a相绕组的a1端和b相绕组的b2端相连接，b相绕组的b1端和c相绕组的c2端相连接，c相绕组的c1端和a相绕组的a2端相连接。

多绕组变压器200的副边是四组相互隔离的绕组，其中两组Y接法，另两组Δ接法。接法同上，在此不再赘述。多绕组变压器200的副边三角形绕组和星形绕组接法的不同使两种接法的绕组三相交流电压相位错开30度。多绕组变压器200副边三角形绕组的相电压为星形绕组相电压的

倍，这样两种接法的副边绕组的输出电压相等。

其中，多绕组变压器副边的四组绕组中，按一组星形绕组和一组三角形绕组，与他们各自连接的整流电路一起组成一组12脉波整流电路；另一组星形绕组和另一组三角形绕组与它们各自连接的整流电路一起组成另一组12脉波整流电路。

如图4所示，整流电路包括整流桥模块，以及并联在所述整流桥模块输出端的储能滤波电容C1。其中，整流桥模块包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；第一二极管D1的正向与第二二极管D2的负向连接，第三二极管D3的正向和第四二极管D4的负向连接，第五二极管D5的正向和第六二极管D6的负向连接，三个连接点为所述整流桥模块的输入端，第一二极管D1的负向、第三二极管D3的负向和第五二极管D5的负向相连接后作为所述整流桥模块的正输出端，第二二极管D2的正向、第四二极管D4的正向和第六二极管D6的正向相连接后作为所述整流桥模块的负输出端。

在本发明实施例中，由Δ连接的绕组202、Y连接的绕组203和与之对应连接的整流电路206、207一起构成一组12脉波整流电路214；Δ连接的绕组204、Y连接的绕组205和与之对应连接的整流电路208、209一起构成另一组12脉波整流电路215。12脉波整流使三相输入电流在每个交流周期内脉动12次，输入电流谐波大大减小，提高了功率因数。

如图5所示，斩波电路包括：开关管K1、续流二极管D15、反并二极管D16和输出电抗器L1；所述输出电抗器L1的一端作为所述斩波电路的正输入端，所述输出电抗器L1的另一端作为所述斩波电路的正输出端，开关管K1的基极连接外部的PWM信号，开关管K1的集电极连接至续流二极管D15的阳极，开关管K1的集电极还作为所述斩波电路的负输出端，开关管K1的发射极连接至储能滤波电容C1和整流桥模块的负输出端，续流二极管D15的阴极连接至所述输出电抗器L1的一端；反并二极管D16的阴极连接至开关管K1的集电极，反并二极管D16的阳极连接至开关管K1的发射极。斩波电路对整流得到得直流电压进行高频斩波，经滤波电感后得到陡降特性的恒流电流，供给切割电弧负载。

图6示出了传统不控整流的输入电流波形图，这种整流电路只有在输入电压的绝对值大于电容电压时才会有电流的输入，因而使得输入电流成为一种不连续的近似为脉冲式的波形，功率因数低，而且这种波形畸变严重，含有大量的谐波成分，对电网造成谐波污染。图7示出了本发明实施例提供的斩波式等离子弧切割电源电路的12脉波整流的输入电流波形图，12脉波整流使得切割电源的输入电流与电网电压相位相同，电流波形的畸变得到改善，从而提高切割电源的功率因数，降低电流谐波对电网的影响。

本发明提供的斩波式等离子弧切割的电源电路是一种大功率等级的等离子切割电源，电流达到400A以上，能配套数控机床的大功率切割电源。对于整机功率要求小的应用场合，通常250A电流以下，可以用额定容量小的变压器，副边提供一组星形绕组和一组三角形绕组，两组绕组对应连接两路斩波模块的方式；对于整机功率要求更大的应用场合，可采用大功率等级的变压器，副边提供三组星形绕组和三组三角形绕组，对应连接六路斩波模块的方式，构成三组12脉波整流电路，既达到高功率因数的效果，又提高整机的功率等级。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种斩波式等离子弧切割的电源电路，其特征在于，包括多绕组变压器、至少两路整流电路和至少两路斩波电路；

所述多绕组变压器包括一组输入绕组和至少两组输出绕组，所述输入绕组为星形绕组或三角形绕组，两组输出绕组中一组输出绕组为星形绕组，另一组输出绕组为三角形绕组；

所述输入绕组用于连接三相电源，所述两组输出绕组分别连接两路整流电路，两路整流电路分别连接两路斩波电路，两路斩波电路的输出并联并用于连接负载。

2.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，两组输出绕组三相交流电压相位差为30度；一组输出绕组的相电压为另一组输出绕组的相电压的

倍。

3.一种斩波式等离子弧切割的电源电路，其特征在于，包括多绕组变压器、四路整流电路和四路斩波电路；

所述多绕组变压器包括一组输入绕组和四组输出绕组，所述输入绕组为星形绕组或三角形绕组，四组输出绕组中第一输出绕组为三角形绕组，第二输出绕组为星形绕组，第三输出绕组为三角形绕组，第四输出绕组为星形绕组；

所述输入绕组用于连接三相电源，第一输出绕组连接第一整流电路，第一整流电路连接第一斩波电路；

第二输出绕组连接第二整流电路，第二整流电路连接第二斩波电路；

第三输出绕组连接第三整流电路，第三整流电路连接第三斩波电路；

第四输出绕组连接第四整流电路，第四整流电路连接第四斩波电路；

第一斩波电路、第二斩波电路、第三斩波电路和第四斩波电路的输出并联且用于连接负载。

4.如权利要求3所述的电源电路，其特征在于，所述第一输出绕组和所述第二输出绕组之间的三相交流电压相位差为30度；所述第三输出绕组和所述第四输出绕组之间的三相交流电压相位差为30度。

5.如权利要求3所述的电源电路，其特征在于，所述第一输出绕组的相电压为第二输出绕组的相电压的

倍；所述第三输出绕组的相电压为第四输出绕组的相电压的

倍。

6.如权利要求1或3所述的电源电路，其特征在于，所述星形绕组中a相绕组的a1端、b相绕组的b1端和c相绕组的c1端相连接。

7.如权利要求1或3所述的电源电路，其特征在于，所述三角形绕组中a相绕组的a1端和b相绕组的b2端相连接，b相绕组的b1端和c相绕组的c2端相连接，c相绕组的c1端和a相绕组的a2端相连接。

8.如权利要求1或3所述的电源电路，其特征在于，所述整流电路包括整流桥模块，以及并联在所述整流桥模块输出端的储能滤波电容C1。

9.如权利要求8所述的电源电路，其特征在于，所述整流桥模块包括：第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6；

所述第一二极管D1的正向与所述第二二极管D2的负向连接，所述第三二极管D3的正向和所述第四二极管D4的负向连接，所述第五二极管D5的正向和所述第六二极管D6的负向连接，三个连接点为所述整流桥模块的输入端；

所述第一二极管D1的负向、所述第三二极管D3的负向和所述第五二极管D5的负向相连接后作为所述整流桥模块的正输出端；

所述第二二极管D2的正向、所述第四二极管D4的正向和所述第六二极管D6的正向相连接后作为所述整流桥模块的负输出端。

10.如权利要求1或3所述的电源电路，其特征在于，所述斩波电路包括开关管K1、续流二极管D15、反并二极管D16和输出电抗器L1。

所述输出电抗器L1的一端作为所述斩波电路的正输入端，所述输出电抗器L1的另一端作为所述斩波电路的正输出端。

所述开关管K1的基极连接外部的PWM信号，所述开关管K1的集电极连接至续流二极管D15的阳极，所述开关管K1的集电极还作为所述斩波电路的负输出端，所述开关管K1的发射极作为所述斩波电路的负输入端；所述续流二极管D15的阴极连接至所述输出电抗器L1的一端。

所述反并二极管D16的阴极连接至所述开关管K1的集电极，所述反并二极管D16的阳极连接至所述开关管K1的发射极。

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