CN103722284B - 交错并联等离子切割电源 - Google Patents

交错并联等离子切割电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交错并联等离子切割电源，所述电源包含有降压电路和斩波电路；所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含一个初级绕组和两个次级绕组，所述斩波电路包含有两组并联的BUCK电路，且两组BUCK电路分别与两个次级绕组相连。本发明交错并联等离子切割电源，支持输出直流电流可达260A，电路简单、控制方便，同时具有输入功率因数高（0.96以上）、输出直流电流纹波低等优点。

Description

交错并联等离子切割电源
技术领域
本发明涉及一种电源，尤其是涉及一种采用交错并联的设计方式对等离子切割装置进行供电的电源，属于等离子切割领域与电力电子变换领域。
背景技术
机用等离子切割装置是由机械设备、电控设备、供气设备等组成，其中电控设备包括电源系统、数控系统、割炬系统和ECAN总线，电源系统又包括等离子切割电源、引弧箱、气控箱、冷却系统、管线等主要部分；
等离子切割电源是机用等离子切割装置的核心部件之一，按照发展历程，可以包括各式硅整流式电源、晶闸管整流式电源、逆变式电源、斩波式电源。其中，逆变式电源、斩波式电源是最具发展潜力的电源机种。鉴于整体成本较低和效率较高，在大功率等离子切割装置中，斩波式电源日益受到青睐，功率电路支持输出电流等级已经由130A、260A、400A、530A、650A、800、1000A，用于切割更厚的金属板材和管材，功率等级也由22kW超175kW方向增加。另一个方面，对金属工件切割的质量要求也越来越高。影响切割质量指标的因素有多种，包括割炬水平运动精度、割炬垂直运动精度、保护气与切割气的稳定度、切割电流的精度等等。仅就切割电流而言，等离子切割电源输出电流精度和响应速度是影响切割质量的重要指标，而这又与滤波电感感值、开关频率、线路阻抗、直流电源密切相关。其中，直流电源品质包括电压稳定度和纹波峰峰值以及纹波频率，如果这几项指标较差，切割电流的纹波就会较大，切割质量肯定较差。为此需要改进这些指标，目前常用手段为增加电解电容的容值，但是一味增加电解电容容值也会带来低频振荡和成本、体积过大问题，因此，大功率设计和输出电流精细化是交错并联等离子切割电源必需面对和解决的问题；
为此，已有相关学者对此进行了深入的研讨：如“陈要玲”于2008年在“兰州理工大学”发表的硕士学位论文“IGBT逆变式等离子切割电源”；“何伟军”于2009年在“南京航空航天大学”发表的硕士学位论文“大功率空气等离子切割电源的设计与研究”；“伍健”于2010年在“南京航空航天大学”发表的硕士学位论文“等离子切割高性能电源系统的研究”； 前者属于逆变式等离子切割电源，功率等级难以提升；后二者只适用于输出直流电流低于130A以下的应用场合，功率等级不会超过30kW。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种交错并联等离子切割电源，支持输出直流电流可达260A，电路简单、控制方便，同时具有输入功率因数高（0.96以上）、输出直流电流纹波低等优点。
本发明的目的是这样实现的：一种交错并联等离子切割电源，所述电源包含有降压电路和斩波电路；所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含一个初级绕组和两个次级绕组，所述斩波电路包含有两组并联的BUCK电路，且两组BUCK电路分别与两个次级绕组相连。
本发明一种交错并联等离子切割电源，所述电源包含有降压电路和斩波电路；所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含有一个星形接线的初级绕组（就是指原边绕组）、一个星形接线（就是Y接）的次级绕组和一个三角形接线（△接）的次级绕组， 所述斩波电路包含有第一交错BUCK电路、第二交错BUCK电路
所述第一交错BUCK电路包含有第一二极管不控三相整流桥，所述第一二极管不控三相整流桥的输入端与星形接线的次级绕组相连，所述第一二极管不控三相整流桥的正负输出端之间并联连接有第一电解电容、第一功率电阻以及第一IGBT逆变电路，
所述第二交错BUCK电路包含有第二二极管不控三相整流桥，所述第二二极管不控三相整流桥的输入端与三角形接线的次级绕组相连，所述第二二极管不控三相整流桥的正负输出端之间并联连接有第二电解电容、第二功率电阻以及第二IGBT逆变电路，
上述第一IGBT逆变电路和第二IGBT逆变电路的输出端并联后对外输出。
本发明一种交错并联等离子切割电源，所述星形接线的初级绕组输入380V的三相交流电源，星形接线的次级绕组和三角形接线的次级绕组的初相分别为0°和30°，输出电压均为220V。
本发明一种交错并联等离子切割电源，第一IGBT逆变电路包含有第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT，所述第一IGBT的集电极、第二IGBT的集电极以及第三IGBT的集电极均与第一二极管不控三相整流桥的正极相连，第一IGBT的发射极、第二IGBT的发射极以及第三IGBT的发射极分别与第一二极管的负极、第二二极管的负极和第三二极管的负极相连，第一二极管的正极、第二二极管的正极和第三二极管的正极均与第一二极管不控三相整流桥的负极相连，且定义第一二极管不控三相整流桥的负极为节点B，所述第一IGBT的发射极、第二IGBT的发射极以及第三IGBT的发射极分别经第一电感、第二电感和第三电感后接入节点A；
第二IGBT逆变电路包含有第四IGBT、第五IGBT和第六IGBT，所述第四IGBT的集电极、第五IGBT的集电极以及第六IGBT的集电极均与第二二极管不控三相整流桥的正极相连，第四IGBT的发射极、第五IGBT的发射极以及第六IGBT的发射极分别与第四二极管的负极、第五二极管的负极和第六二极管的负极相连，第四二极管的正极、第五二极管的正极和第六二极管的正极均与第二二极管不控三相整流桥的正极相连，且第二二极管不控三相整流桥的负极接入上述节点B，所述第四IGBT的发射极、第五IGBT的发射极以及第六IGBT的发射极分别经第四电感、第五电感和第六电感后接入上述节点A。
本发明一种交错并联等离子切割电源，述电源还包含有一割炬电路，上述割炬电路包含有工件和割炬，上述节点A经第七电感后与工件相连，上述节点B与割炬的负极相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用两组交错BUCK电路设计，便于实现模块化设计，可以均摊总功率，支持更大总功率，切割更厚的工件；且两组交错BUCK电路采用交错移相驱动方式，在公共平波电抗器作用下，获得更加精细的、纹波更低的切割电流，实现精密切割；降压电路的设计，可以满足等离子切割的工作电源要求，同时次级绕组不同相位的设计有利于改善网侧功率因数，降低谐波电流的危害；同时，对于降压电路，将一路三相交流电压380V，转换为两路隔离的三相交流电压220V，相差为30°，在网侧可以获得功率因数为0.96以上的输入电流波形；而对于斩波电路，两组交错BUCK电路中直流－直流变换时IGBT驱动脉冲采用交错移相PWM驱动方式，将两路直流电压转换为一路直流电流，且合成直流电流的纹波电流更低，为精细切割提供理想直流电流源。
附图说明
图1为本发明交错并联等离子切割电源的电路图。
具体实施方式
参见图1，本发明涉及的一种交错并联等离子切割电源，所述电源包含有降压电路、斩波电路和割炬电路；
所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含有一星形接线（Y接）的初级绕组、一个星形接线（Y接）的次级绕组和一个三角形接线（△接）的次级绕组，且星形接线的初级绕组输入380V的三相交流电源，星形接线的次级绕组和三角形接线的次级绕组的初相分别为0°和30°，输出电压均为220V；
所述斩波电路包含有第一交错BUCK电路、第二交错BUCK电路以及一个公用平波电抗；
所述第一交错BUCK电路包含有第一二极管不控三相整流桥B1，所述第一二极管不控三相整流桥B1的输入端与星形接线的次级绕组相连，所述第一二极管不控三相整流桥B1的正负输出端之间并联连接有第一电解电容E1、第一功率电阻R1以及第一IGBT逆变电路，具体地：第一IGBT逆变电路包含有第一IGBT S11、第二IGBTS12和第三IGBT S13，所述第一IGBT S11的集电极、第二IGBT S12的集电极以及第三IGBT S13的集电极均与第一二极管不控三相整流桥B1的正极相连，第一IGBT S11的发射极、第二IGBT S12的发射极以及第三IGBT S13的发射极分别与第一二极管D11的负极、第二二极管D12的负极和第三二极管D13的负极相连，第一二极管D11的正极、第二二极管D12的正极和第三二极管D13的正极均与第一二极管不控三相整流桥B1的负极相连，且定义第一二极管不控三相整流桥B1的负极为节点B，所述第一IGBT S11的发射极、第二IGBT S12的发射极以及第三IGBT S13的发射极分别经第一电感L11、第二电感L12和第三电感L13后接入节点A；节点A经第七电感L3（即上述公用平波电抗；）后对外输出——接入割炬电路；
所述第二交错BUCK电路包含有第二二极管不控三相整流桥B2，所述第二二极管不控三相整流桥B2的输入端与三角形接线的次级绕组相连，所述第二二极管不控三相整流桥B2的正负输出端之间并联连接有第二电解电容E2、第二功率电阻R2以及第二IGBT逆变电路，具体地：第二IGBT逆变电路包含有第四IGBT S21、第五IGBT S22和第六IGBT S23，所述第四IGBT S21的集电极、第五IGBT S22的集电极以及第六IGBT S23的集电极均与第二二极管不控三相整流桥B2的正极相连，第四IGBT S21的发射极、第五IGBT S22的发射极以及第六IGBT S23的发射极分别与第四二极管D21的负极、第五二极管D22的负极和第六二极管D23的负极相连，第四二极管D21的正极、第五二极管D22的正极和第六二极管D23的正极均与第二二极管不控三相整流桥B1的正极相连，且第二二极管不控三相整流桥B2的负极接入上述节点B，所述第四IGBT S21的发射极、第五IGBT S22的发射极以及第六IGBT S23的发射极分别经第四电感L21、第五电感L22和第六电感L23后接入上述节点A；节点A经第七电感L3（即上述公用平波电抗；）后对外输出——接入割炬电路；
上述割炬电路包含有工件和割炬，上述节点A经第七电感L3后与工件相连，上述节点B与割炬的负极相连；
本发明的工作原理为：
采用降压电路、斩波电路和割炬电路实现交错并联等离子切割电源的全部功能，所述降压电路完成交流电压的降压和功率因数校正，斩波电路完成将两组三相交流电压转换为一路直流电流，割炬电路完成对工件的切割，具体的讲：
所述降压电路，将一路三相交流电压380V，转换为两组隔离的三相交流电压220V，相差为30°，当后级斩波电路和割炬电路工作时，在网侧可以获得功率因数为0.96以上的输入电流波形；设置降压电路的次级绕组为两路三相交流电压220V的原因是：所得到的空载电压311V是适合割炬电路中等离子切割引弧和转移弧的，而且每组次级绕组和每一后级斩波电路中BUCK电路能够分摊1/2的总功率，便于斩波电路中BUCK电路的模块化设计；
所述斩波电路，包括两组交错BUCK电路，分别输入不同相位的三相交流电压220V，经过二极管不控三相整流桥后均得到空载电压311V，在后接直流－直流变换后，各自得到一路直流电流，两路直流电流汇合后经过公共平波电抗器的作用，得到一路合成直流电流，鉴于两路直流－直流变换时IGBT驱动脉冲采用三级交错结构，并采用交错移相PWM驱动方式，基本移相角度为60°，即错开1/6开关周期，使得合成直流电流的纹波电流更低，该电流通过工件和割炬中负极，实现精细切割；同时，由于每一交错BUCK电路中，由于采用三级交错结构，有效降低合成的纹波电流的幅值，可以获得比较好的切割质量；
在一个开关周期中，六个IGBT的驱动脉冲的触发先后顺序为：第一IGBT（S11）、第四IGBT（S21）、第二IGBT（S12）、第五IGBT（S22）、第三IGBT（S13）、第六IGBT（S23），相邻IGBT驱动脉冲之间移相角度为60℃，即错开1/6开关周期；
在上述具体实施例中：交流输入电压宽范围，380V±15%，工频50 ~60Hz，额定输入电压380VAC，额定输出直流电压平均值150V，额定输出电流260A，输入功率为45kW。
IGBT斩波频率：20kHz；
第一电解电容E1和第二电解电容E2：450V，2200F，由四只并联构成；
第一二极管不控三相整流桥B1和第二二极管不控三相整流桥B2：600V，300A/100℃；
平波电抗器：即第一电感L11、第二电感L12、第三电感L13、第四电感L21、第五电感L22、第六电感L23：2.2mH，130A，0.35mm，硅钢；
平波电抗器（即第七电感）L3：1mH，260A，0.35mm，硅钢；
IGBT与反向快恢复二极管；即第一IGBTS11与第一二极管D11、第二IGBTS12与第二二极管D12、第三IGBTS13与第三二极管D13、第四IGBTS21与第四二极管D21、第五IGBTS22与第五二极管D22、第六IGBTS23与第六二极管D23： 600V，200A/100℃，单桥臂IGBT模块；
第一功率电阻R1与第二功率电阻R2：50kΩ，5W；
降压变压器TR1（工频变压器）：380V/2x220V，50kVA。
以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种交错并联等离子切割电源，其特征在于：所述电源包含有降压电路和斩波电路；所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含一个初级绕组和两个次级绕组，所述斩波电路包含有两组并联的BUCK电路，且两组BUCK电路分别与两个次级绕组相连,所述工频变压器包含有一星形接线的初级绕组、一个星形接线的次级绕组和一个三角形接线的次级绕组， 所述斩波电路包含有第一交错BUCK电路和第二交错BUCK电路，
所述第一交错BUCK电路包含有第一二极管不控三相整流桥（B1），所述第一二极管不控三相整流桥（B1）的输入端与星形接线的次级绕组相连，所述第一二极管不控三相整流桥（B1）的正负输出端之间并联连接有第一电解电容（E1）、第一功率电阻（R1）以及第一IGBT逆变电路，
所述第二交错BUCK电路包含有第二二极管不控三相整流桥（B2），所述第二二极管不控三相整流桥（B2）的输入端与三角形接线的次级绕组相连，所述第二二极管不控三相整流桥（B2）的正负输出端之间并联连接有第二电解电容（E2）、第二功率电阻（R2）以及第二IGBT逆变电路，
上述第一IGBT逆变电路和第二IGBT逆变电路的输出端并联后对外输出。
2.如权利要求1所述一种交错并联等离子切割电源，其特征在于：所述星形接线的初级绕组输入380V的三相交流电源，星形接线的次级绕组和三角形接线的次级绕组的初相分别为0°和30°，输出电压均为220V。
3.如权利要求1或2所述一种交错并联等离子切割电源，其特征在于：第一IGBT逆变电路包含有第一IGBT（S11）、第二IGBT（S12）和第三IGBT（S13），所述第一IGBT（S11）的集电极、第二IGBT（S12）的集电极以及第三IGBT（S13）的集电极均与第一二极管不控三相整流桥（B1）的正极相连，第一IGBT（S11）的发射极、第二IGBT （S12）的发射极以及第三IGBT（S13）的发射极分别与第一二极管（D11）的负极、第二二极管（D12）的负极和第三二极管（D13）的负极相连，第一二极管（D11）的正极、第二二极管（D12的正极和第三二极管（D13）的正极均与第一二极管不控三相整流桥（B1）的负极相连，且定义第一二极管不控三相整流桥（B1）的负极为节点B，所述第一IGBT（S11）的发射极、第二IGBT（S12）的发射极以及第三IGBT（S13）的发射极分别经第一电感（L11）、第二电感（L12）和第三电感（L13）后接入节点A；
第二IGBT逆变电路包含有第四IGBT（S21）、第五IGBT（S22）和第六IGBT（S23），所述第四IGBT（S21）的集电极、第五IGBT （S22）的集电极以及第六IGBT（S23）的集电极均与第二二极管不控三相整流桥（B2）的正极相连，第四IGBT（S21）的发射极、第五IGBT（S22）的发射极以及第六IGBT（S23）的发射极分别与第四二极管（D21）的负极、第五二极管（D22）的负极和第六二极管（D23）的负极相连，第四二极管（D21）的正极、第五二极管（D22）的正极和第六二极管（D23）的正极均与第二二极管不控三相整流桥（B1）的正极相连，且第二二极管不控三相整流桥（B2）的负极接入上述节点B，所述第四IGBT（S21）的发射极、第五IGBT（S22）的发射极以及第六IGBT（S23）的发射极分别经第四电感（L21）、第五电感（L22）和第六电感（L23）后接入上述节点A。
4.如权利要求3所述一种交错并联等离子切割电源，其特征在于：所述电源还包含有一割炬电路，上述割炬电路包含有工件和割炬，上述节点A经第七电感（L3）后与工件相连，上述节点B与割炬的负极相连。
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