CN109361308B - 一种等离子切割电源装置及双桥移相功率结构拓扑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子切割电源装置及双桥移相功率结构拓扑方法，其中，该装置包括多级耦合双桥倍频拓扑结构、低频引弧装置及电源控制器：所述多级耦合双桥倍频结构包括多级耦合电感及双桥拓扑结构；所述双桥拓扑结构由两组H桥结构组成，所述两组H桥包括四个输出端P1、P2及N1、N2；所述多级耦合电感由两组耦合电感组成，所述每组耦合电感包括公共输出端和两个电感连接端，所述公共输出端之间连接所述低频引弧装置，所述电感连接端分别连接至所述两组H桥结构的所述输出端P1、P2及N1、N2；所述低频引弧装置包括割据、电极及喷嘴；所述引弧装置两端分别连接至所述两组耦合电感。本发明可以提高引弧控制成功率，并有效的提高等离子切割的效果。

Description

一种等离子切割电源装置及双桥移相功率结构拓扑方法

技术领域

本发明涉及等离子切割技术领域，尤其涉及一种等离子切割电源装置及双桥移相功率结构拓扑方法。

背景技术

等离子切割技术是一种新型的热切割技术,在金属板材高效切割和大厚度非碳钢金属板材切割方面独具优势，但是，传统的等离子切割设备采用简单的半桥拓扑结构、高频引弧方式且控制方法相对单一，存在切割板材挂渣严重、引弧效率低、切割效果欠佳等问题，为了充分发扬等离子切割技术能量密度大、温度高、导热性能好、切割速度快、切口光滑、切口宽度窄、切割成本低、携带方便等优点，等离子切割技术越来越受到热加工技术领域的关注和重视。但是，如何改善切割质量以及提高切割效率等切割工艺方面也提出了更高的要求。

公开号为CN204179961U的专利公开了一种等离子切割电源装置，具有主变压器，所述主变压器由初级绕组和次级绕组构成，所述次级绕组的输出串联有由电容C1、C2和C3形成的电容分压电路进行电容分压，分压后的电流电压依次经过整流、滤波电路和高频震荡点火电路输出切割电源。在三相或单相变压器次级的交流输出端串联电容器，使输出的交流电进行分压，而输出端在空载的状态下却是全压输出，当切割开始，也就是一旦有了负载，工作电压跌至正常的切割电压，从而实现电源的陡降外特性，当切割主电流产生时，电压便迅速下降，不会发生烧毁设备和工件的问题，安全性能好，电压输出稳定。电容容量的大小决定工作电压的高低，也就决定了切割电流的大小。但是，该方案控制方法相对单一，容易存在切割板材挂渣严重、引弧效率低、切割效果欠佳等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种等离子切割电源装置及双桥移相功率结构拓扑方法，可以提高引弧控制成功率，并有效的提高等离子切割的效果。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种等离子切割电源装置，包括多级耦合双桥倍频拓扑结构、低频引弧装置及电源控制器：

所述多级耦合双桥倍频结构包括多级耦合电感及双桥拓扑结构；所述双桥拓扑结构由两组H桥结构组成，所述两组H桥包括四个输出端P1、P2及N1、N2；所述多级耦合电感由两组耦合电感组成，所述每组耦合电感包括公共输出端和两个电感连接端，所述公共输出端之间连接所述低频引弧装置，所述电感连接端分别连接至所述两组H桥结构的所述输出端P1、P2及N1、N2；

所述低频引弧装置包括割据、电极及喷嘴，所述电极和喷嘴间有气路通过；所述引弧装置两端分别连接至所述两组耦合电感；

所述电源控制器与所述多级耦合双桥倍频拓扑结构及所述引弧装置电连接。

优选的，所述引弧装置两端并联一组LCR滤波器。

优选的，所述LCR滤波器由电感、电容及电阻组成。

优选的，所述引弧装置还包括引弧开关管，所述引弧开关管发射极与电极之间连接负载电阻，所述引弧开关管的集电极通过负载电阻接入所述多级耦合电感的公共输出端以及电源控制器。

优选的，所述双桥拓扑结构包括八个开关管(1-8)组成，所述每个开关管两端分别连接二极管(D1-D8)，每两个开关管上下组合构成四路半桥桥臂，所述四路半桥桥臂的输出端分别为P1、P2、N1及N2。

优选的，所述开关管为IGBT管或MOS管。

优选的，还包括：

PWM驱动模块，所述PWM驱动模块包括四路半桥驱动单元，所述每个驱动单元连接一组开关管。

优选的，所述电源控制器由DSP/FPGA双核控制器作为主控模块，由DSP控制器编写控制所述双桥拓扑结构的工作模式，FPGA控制输出PWM驱动信号。

优选的，所述电源控制器包括I/O、ADC、USART及CAN接口。

相应的，还提供一种双桥移相功率结构拓扑方法，包括双桥拓扑结构，所述双桥拓扑结构由第一组H桥结构和第二组H桥结构，所述第一组H桥结构包括四个IGBT管(1、2、5、6)，所述IGBT管(1、2、5、6)两端连接二极管(D1-D4)，所述第二组H桥结构包括四个IGBT管(3、4、7、8)，所述IGBT管(3、4、7、8)两端连接二极管(D5-D8)，包括步骤：

判断信号占空比是否大于预设比例，若是，则在信号开通阶段导通第一组H桥结构的IGBT管(1、6)，关断IGBT管(2、5)，负载通过的电流增加；当信号关断阶段时，导通第一组H桥结构的IGBT管(2、5)，关断IGBT管(1、6)，所述二极管(D2、D3)进入续流状态，负载电流续流；第二组H桥结构工作方式相同，区别于驱动信号相位差180°；

判断信号占空比是否小于预设比例，若是，则在信号开通阶段导通第一组H桥结构的IGBT管(2、5)，关断IGBT管(1、6)，负载通过的电流下降；当信号关断阶段时，导通第一组H桥结构的IGBT管(1、6)，关断IGBT管(2、5)，所述二极管(D1、D4)进入反向续流状态，负载电流续流；第二组H桥结构工作方式相同，区别于驱动信号相位差180°。

与现有技术相比，本发明改变传统等离子切割电源的半桥拓扑结构，通过双桥移相倍频拓扑结构，提高电源拓扑输出频率，进而有效的提高等离子切割电源输出纹波，从而达到提升电弧电流控制精度；通过在装置中引入多级耦合电感，改变等离子电弧输出滤波装置，利于电感多级耦合降低电弧电流的纹波；提出多级耦合双桥移相控制技术，由DSP编写控制算法，FPGA输出PWM驱动信号，且连接开关管驱动模块控制双桥8个开关管(IGBT或MOSFET)，提高切割效率。

附图说明

图1为实施例一提供的一种等离子切割电源装置的结构示意图；

图2为实施例一提供的一种等离子切割电源装置的电路结构图；

图3为实施例一提供的多级耦合电感与负载结构示意图；

图4为实施例一提供的双桥倍频拓扑结构示意图；

图5为实施例一提供的双桥倍频移相控制波形图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

本发明公开了一种等离子切割电源装置，如图1所示，包括多级耦合双桥倍频拓扑结构100、低频引弧装置200及电源控制器300；

所述多级耦合双桥倍频结构100包括多级耦合电感110及双桥拓扑结构120；所述双桥拓扑结构120由两组H桥结构组成，所述两组H桥包括四个输出端P1、P2及N1、N2；所述多级耦合电感110由两组耦合电感(10、11)组成，所述每组耦合电感(10、11)包括公共输出端和两个电感连接端，所述公共输出端之间连接所述低频引弧装置200，所述电感连接端分别连接至所述两组H桥结构的所述输出端P1、P2及N1、N2；

所述低频引弧装置200包括割据、电极及喷嘴，所述电极和喷嘴间有气路通过；所述引弧装置两端分别连接至所述两组耦合电感；

所述电源控制器300与所述多级耦合双桥倍频拓扑结构100及所述引弧装置200电连接。

为了实现高精细的切割效果，本实施例提出了一种新型空气式逆变等离子切割电源装置的设计方案：方案中设计一种多级耦合双桥倍频拓扑结构，该拓扑结构可实现以传统等离子切割电源的功率器件的开关频率，通过多级耦合双桥倍频移相控制技术，即可实现双倍的功率控制频率，并结合多级耦合电感的输出特性，实现了超低输出纹波和低输出噪声的技术指标，大大提升了电弧电流控制精度，实现高精细切割的目的。图2为本实施例的电路控制图，装置包括双桥拓扑结构、耦合电感、引弧装置、滤波器、电源控制器及驱动模块。其中双桥拓扑结构由8个IGBT(1-8)组成，构成4路桥臂，4路半桥桥臂输出端为P1、P2、N1、N2；多级耦合电感(10、11)由两组电感串联，串联连接点为电感公共输出端，公共端连接至负载侧(引弧装置14)，另外两端分别连接至P1、P2端(或N1、N2端)；耦合电感11的公共输出端通过负载电阻18、引弧开关管12连接至引弧装置14，引弧装置14两端连接滤波器电路13，引弧装置14为非高频引弧装置，装置内喷嘴16、电极15及工件17，电极15与喷嘴16间有气路通过。在本实施例的一种优选方案中，该引弧装置还有护罩、固定冒、旋流环、割据等。

而为了提高等离子体电弧的引弧控制成功率，本实施例提出了基于多级耦合双桥倍频拓扑结构的低频引弧方式，所述多级耦合电感，由两组耦合电感组成，每组电感均有一个公共输出端，且电感的公共输出端之间连接低频引弧装置，利用电流环控制方式维持电流恒定，再利用气体压力作用将电弧拉升，形成稳定的等离子电弧；与传统的高频引弧方式比较，避免了高频高压对电子设备的干扰，同时也提高了引弧的成功率。图3为本实施例多级耦合电感与负载结构示意图，多级耦合电感由两组电感绕组串联而成(每个绕组按照一定的比例分配，以达到优化的耦合效果)，连接点即为公共输出端，另外两端分别连接P1、P2(或N1、N2)，考虑到负载具有非线性的特性，为了提高切割电弧电流的稳定性，优选的，所述引弧装置两端并联一组LCR滤波器。

通过在引弧装置两端并联一组LCR滤波器，与切割负载的阻抗进行匹配。优选的，所述LCR滤波器由电感、电容及电阻组成。可根据负载特性选择不同参数的阻抗参数。在割据的电极与工件之间增加LCR滤波器，可有效提升切割电弧电流的精度。

本实施例的电源控制器为数字电源控制器，通过电源控制器控制所述双桥倍频拓扑结构的各个开关管的开启/关断从而输出切割电源，从而驱动引弧装置的切割。

优选的，还包括：

PWM驱动模块，所述PWM驱动模块包括四路半桥驱动单元，所述每个驱动单元连接一组开关管。

优选的，所述电源控制器由DSP/FPGA双核控制器作为主控模块，由DSP控制器编写控制所述双桥拓扑结构的工作模式，FPGA控制输出PWM驱动信号。

通过由DSP编写控制算法，FPGA输出PWM驱动信号，且连接开关管驱动模块控制双桥8个开关管(IGBT或MOSFET)的开启和关断。

优选的，所述电源控制器包括I/O、ADC、USART及CAN接口。

利用电源控制器外围的I/O、ADC、USART及CAN接口，实现切割电源控制算法和相关逻辑。

优选的，所述引弧装置还包括引弧开关管，所述引弧开关管发射极与电极之间连接负载电阻，所述引弧开关管的集电极通过负载电阻接入所述多级耦合电感的公共输出端以及电源控制器。

优选的，所述双桥拓扑结构包括八个开关管(1-8)组成，所述每个开关管两端分别连接二极管(D1-D8)，每两个开关管上下组合构成四路半桥桥臂，所述四路半桥桥臂的输出端分别为P1、P2、N1及N2。

优选的，所述开关管为IGBT管或MOS管。

相应的，还提供一种双桥移相功率结构拓扑方法，如图4所示，包括双桥拓扑结构，所述双桥拓扑结构由第一组H桥结构和第二组H桥结构，所述第一组H桥结构包括四个IGBT管(1、2、5、6)，所述IGBT管(1、2、5、6)两端连接二极管(D1-D4)，所述第二组H桥结构包括四个IGBT管(3、4、7、8)，所述IGBT管(3、4、7、8)两端连接二极管(D5-D8)，包括步骤：

判断信号占空比是否大于预设比例，若是，则在信号开通阶段导通第一组H桥结构的IGBT管(1、6)，关断IGBT管(2、5)，负载通过的电流增加；当信号关断阶段时，导通第一组H桥结构的IGBT管(2、5)，关断IGBT管(1、6)，所述二极管(D2、D3)进入续流状态，负载电流续流；第二组H桥结构工作方式相同，区别于驱动信号相位差180°；

判断信号占空比是否小于预设比例，若是，则在信号开通阶段导通第一组H桥结构的IGBT管(2、5)，关断IGBT管(1、6)，负载通过的电流下降；当信号关断阶段时，导通第一组H桥结构的IGBT管(1、6)，关断IGBT管(2、5)，所述二极管(D1、D4)进入反向续流状态，负载电流续流；第二组H桥结构工作方式相同，区别于驱动信号相位差180°。

双桥倍频移相控制技术，其具有两种工作模态，其工作原理如下所示：模态1、控制信号(占空比)大于50％时，当信号为开通阶段(on time)时，全桥P1N1中序号1、6的IGBT导通，序号2,5的IGBT关断，负载通过的电流增加；当信号为关断阶段(off time)时，全桥P1N1中序号2、5的IGBT导通，序号1、6的IGBT关断，但由于二级管D2、D3的存在，此时进入续流状态，负载电流续流。另外一路全桥工作方式相同，区别在于驱动信号相位差180°。模态2、控制信号(占空比)小于50％时，当信号为开通阶段(on time)时，全桥P1N1序号2,5的IGBT导通，序号1、6的IGBT关断，负载通过的电流下降；当信号为关断阶段(off time)时，全桥P1N1中序号1,6的IGBT导通，序号2,5的IGBT关断，但由于二级管D1、D4的存在，此时进入反向续流状态，负载电流续流。另外一路全桥工作方式相同，区别在于驱动信号相位差180°。

图5为双桥倍频移相控制波形图，半桥中点电压信号的PWM调节为双边调节方式，即以中心线为基准两边占空比增加或者两边占空比减少。其中P1、N2的两个半桥形成一个有效的输出全桥，同理P2、N1形成有效全桥。图4中的A波形为P1波形，B波形为P2，C波形为N1波形，D波形为N2波形，E波形为P1N2波形，F波形为P2N1波形，由图可见有效波(P1N2、P2N1)形频率为开关频率的两倍，起到倍频的效果。

本实施例通过多级耦合双桥倍频拓扑结构，该拓扑结构可实现以传统等离子切割电源的功率器件的开关频率，通过多级耦合双桥倍频移相控制技术，即可实现双倍的功率控制频率，并结合多级耦合电感的输出特性，实现了超低输出纹波和低输出噪声的技术指标，大大提升了电弧电流控制精度，实现高精细切割的目的；而低频引弧装置的设置，避免了高频高压对电子设备的干扰，同时也提高了引弧的成功率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种等离子切割电源装置，其特征在于，包括多级耦合双桥倍频拓扑结构、低频引弧装置及电源控制器：所述多级耦合双桥倍频拓扑结构包括多级耦合电感及双桥拓扑结构；所述双桥拓扑结构由两组H桥结构组成，所述两组H桥包括四个输出端P1、P2及N1、N2；所述多级耦合电感由两组耦合电感组成，每组耦合电感由两组电感串联，串联连接点为公共输出端，剩余两个连接点为电感连接端，所述公共输出端之间连接所述低频引弧装置，所述电感连接端分别连接至所述两组H桥结构的所述输出端P1、P2及N1、N2；

所述低频引弧装置包括工件、电极及喷嘴，所述电极设于喷嘴内且电极和喷嘴间有气路通过，所述工件位于喷嘴下方；所述低频引弧装置两端分别连接至所述两组耦合电感的公共输出端；其中所述电极连接至一组耦合电感的公共输出端，所述喷嘴连接至另一组耦合电感的公共输出端；

所述电源控制器与所述多级耦合双桥倍频拓扑结构及所述低频引弧装置电连接；

所述双桥拓扑结构由第一组H桥结构和第二组H桥结构组成，所述第一组H桥结构包括四个IGBT管，每个IGBT管两端连接一个二极管，其中第一上桥臂IGBT管、第一下桥臂IGBT管构成第一半桥桥臂，第二上桥臂IGBT管、第二下桥臂IGBT管构成第二半桥桥臂；所述第二组H桥结构包括四个IGBT管，每个IGBT管两端连接一个二极管，其中第三上桥臂IGBT管、第三下桥臂IGBT管构成第三半桥桥臂，第四上桥臂IGBT管、第四下桥臂IGBT管构成第四半桥桥臂；第一半桥桥臂的输出端P1、第二半桥桥臂的输出端P2分别连接第一组耦合电感的两个电感连接端；第三半桥桥臂的输出端N1、第四半桥桥臂的输出端N2分别连接第二组耦合电感的两个电感连接端；其特征在于，包括步骤：判断控制信号占空比是否大于预设比例，若是，则在信号开通阶段导通第一组H桥结构的第一上桥臂IGBT管和第三下桥臂IGBT管，关断第一下桥臂IGBT管和第三上桥臂IGBT管，负载通过的电流增加；当信号关断阶段时，导通第一组H桥结构的第一下桥臂IGBT管和第三上桥臂IGBT管，关断第一上桥臂IGBT管和第三下桥臂IGBT管，所述第一下桥臂IGBT管并联的二极管和所述第三上桥臂IGBT管并联的二极管进入续流状态，负载电流续流；

第二半桥桥臂、第四半桥桥臂工作方式与第一半桥桥臂、第三半桥桥臂相同，区别于驱动信号相位差180°；

判断信号占空比是否小于预设比例，若是，则在信号开通阶段导通第一组H桥结构的第一下桥臂IGBT管和第三上桥臂IGBT管，关断第一上桥臂IGBT管和第三下桥臂IGBT管，负载通过的电流下降；当信号关断阶段时，导通第一组H桥结构的第一上桥臂IGBT管和第三下桥臂IGBT管，关断第一下桥臂IGBT管和第三上桥臂IGBT管，所述第一上桥臂IGBT管并联的二极管和所述第三下桥臂IGBT管并联的二极管进入反向续流状态，负载电流续流；第二半桥桥臂、第四半桥桥臂工作方式与第一半桥桥臂、第三半桥桥臂相同，区别于驱动信号相位差180°。

2.如权利要求1所述的一种等离子切割电源装置，其特征在于，所述低频引弧装置两端并联一组LCR滤波器。

3.如权利要求2所述的一种等离子切割电源装置，其特征在于，所述LCR滤波器由电感、电容及电阻组成。

4.如权利要求1所述的一种等离子切割电源装置，其特征在于，所述低频引弧装置还包括引弧开关管，所述引弧开关管发射极与电极之间连接第一负载电阻，所述引弧开关管的集电极通过第二负载电阻接入所述多级耦合电感的公共输出端以及电源控制器。

5.如权利要求1所述的一种等离子切割电源装置，其特征在于，所述电源控制器包括I/O、ADC、USART及CAN接口。