CN201848643U - 一种具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机 - Google Patents

Abstract

一种具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，包括按设备电功率流向顺序连接的输入EMC电路、一次侧整流滤波电路、逆变电路、隔离变压器和二次侧整流滤波电路、主控制板电路，所述主控制板电路还与逆变电路联通，其特征在于：还包括引弧维弧和转弧控制电路，所述引弧维弧和转弧控制电路与二次侧整流滤波电路双向联通，并与主控制板电路联通。可以使前导弧被强制性的转移到切割弧，使得切割枪嘴离工件的距离要求大大放宽，而且能在保证电弧强度的基础上防止枪头抢嘴过热，同时在同等条件下能把传统方式的引弧成功率由90%提升到99.9%以上。

Description

一种具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机

技术领域

本实用型涉及焊接/切割设备，尤其是一种等离子切割机。

背景技术

等离子切割是采用压缩空气或者是压缩氮气等作为介质，通过直流高压电源电离成等离子体，从割枪枪嘴高速喷出，形成等离子焰，用于切割金属。目前的逆变式等离子切割机通常采用接触引弧和非接触引弧两种方式建立电弧：接触引弧方式引弧时喷嘴必须和工件短路，这种方式在有污渍和锈迹的工件上引弧困难，在表面覆有绝缘保护膜的金属板几乎不能切割，而且喷嘴很容易损坏。

非接触引弧方式无需喷嘴和工件接触，参见图3，割枪喷嘴的电极接逆变电源负极，工件接正极，再在正极的基础上引出一个叫做前导弧的电极接到割嘴上。这样的电连接就可以在割嘴不接触工件的情况下，在电极和喷嘴间通过高频引弧先建立一个稳定的电弧（前导弧）此时切割机输出较小电流，保证不会烧损喷嘴和电极，等到割嘴和工件距离很近时，电弧从电极和割嘴间转移到电极和工件间，这时切割机才输出设定的切割大电流，完成电弧的引弧稳弧和电弧转移的目的，这就解决了接触引弧的三大问题，其应用范围就宽了许多。但是，该方式仍然存在下述缺陷：

1．目前通用的非接触引弧方式的逆变式等离子切割机的前导弧电流的限制是靠串联在输出正和前导弧之间的大电阻来实现的，这个电阻需要承受上千瓦的功率，经常损坏。

2．当割嘴接近工件时，通常只有少部分电流从电极流向工件，电弧自动从电极和割嘴之间转移到电极和工件之间的这一电弧转换就显得非常不可靠，造成切割时引弧成功率低，操作者很难判断和驾驭，同样也很难和数字化控制系统配套。

也有一些改进的方法，如：通过采样上述的电流的电压信号，用运放放大此电压信号，再将放大后的电压信号和一固定电压进行比较，判断有无足够的电流，若有足够的电流，就切断前导弧。从而完成电弧从电极和割嘴间转移到电极和工件间的转换。事实证明，这一改进确实能提高一些引弧成功率。但是，由于上述的电流的大小受压缩气体的压力，气体成分，气体流量以及割嘴距工件的距离的变化有着较大差异，使得电流放大和比较判断电路难于准确判断引弧情况，造成电弧转移成功率也即引弧成功率难以达到90%。

发明内容

为解决上述缺陷，本实用新型提供一种具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，该种切割机摒弃传统非接触引弧方式中自动转移方法和放大从电极流向工件的电流的电压信号后经比较判断来切断前导弧而实现的转换方法，而采用主动、强迫转换的方法建立电弧。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，包括按设备电功率流向顺序连接的输入EMC电路、一次侧整流滤波电路、逆变电路、隔离变压器和二次侧整流滤波电路、主控制板电路，所述主控制板电路还与逆变电路联通，其特征在于：还包括引弧维弧和转弧控制电路，所述引弧维弧和转弧控制电路与二次侧整流滤波电路双向联通，并与主控制板电路联通。

所述输入滤波电路由电源开关S1，第一、第二差模滤波电容C43和C45，第一、第二、第三、第四共模滤波电容C41，C42，C44，C46以及共模滤波电感L3组成。

所述一次侧整流滤波电路由整流桥BR1和第一、第二、第三电容C48,C49,C52和电阻R53组成。

所述逆变电路由第一、第二、第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件Q2，Q3，Q4，Q5桥接而成。

所述隔离变压电路由中频变压器T5组成。

所述中频变压器T5具有一次侧绕组和二次侧绕组。

所述二次侧整流滤波电路由与中频变压器T5二次侧绕组连接的第一、第二、第三、第四快恢复整流二极管D30，D31，D32，D33，与该第一、第二、第三、第四块恢复整流二极管连接的滤波电感L1以及分别串联在第一、第二、第三、第四快恢复整流二极管D30，D31，D32，D33两端的第一、第二、第三、第四阻容吸收电阻R62，R63，R64，R65和分别串联在第一、第二、第三、第四快恢复整流二极管D30，D31，D32，D33两端的第一、第二、第三、第四阻容吸收电容C55，C56，C57，C58等组成。

所述弧维弧和转弧控制电路包括沿电流流向方向而顺序连接的干簧管RL1，前导弧开关Q7，第二电感L2，高频变压器T7，火花放电器HH1，行输出变压器T6，第一、第二、第三、第四快恢复整流二极管D34，D35，D36，D37和高频开关Q6。

本实用新型的优点和有益效果：

本实用新型的等离子切割机在采用上述所述的引弧维弧和转弧控制电路，特别是转弧控制电路后，前导弧被强制性的转移到切割弧，使得切割枪嘴离工件的距离要求大大放宽，而且能在保证电弧强度的基础上防止枪头抢嘴过热，同时在同等条件下能把传统方式的引弧成功率由90%提升到99.9%以上。这样，使得本实用新型的切割机的运用范围大为扩展。

附图说明

图1.本实用新型的电路方框图。

图2.本实用新型的主回路电路原理图。

图3.本实用新型的主控制板电气原理图。

具体实施方式

如图1所示：一种具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，包括按设备的电功率流向而顺序连接的：输入EMC电路1、一次侧整流滤波电路2、逆变电路3、隔离变压器4和二次侧整流滤波电路5。以及引弧维弧和转弧控制电路6、主控制板电路7等，并且，引弧维弧和转弧控制电路和二次整流滤波电路双向联通。

如图2主回路电路原理图所示：

输入滤波电路1由电源开关S1，差模滤波电容C43和C45，共模滤波电容C41，C42，C44，C46以及共模滤波电感L3组成。电网干扰信号通过上述滤波器的滤除，使得本切割机免受外界电磁干扰，提高稳定性；同样，本切割机产生的干扰信号会也会被上述滤波器滤除，使得本切割不会对外界产生电磁干扰，提高其他设备的稳定性。

一次侧整流滤波电路2由整流桥BR1和电容C48,C49,C52和电阻R53组成。送入切割机内的交流电压电流通过整流桥BR1整流成直流电压电流，经过电容C48,C49,C52等滤波后送往逆变器3。其中：电阻R53是泄放电阻，在关机时泄放掉电容C48,C49,C52里的电荷。

逆变电路3由四组绝缘栅场效应电力开关器件Q2，Q3，Q4，Q5桥接而成，R54、R55、R61、R60分别为四组绝缘栅场效应电力开关器件的栅极串联驱动电阻。而R57和C50；R56和C51；R58和C53；R59和C54分别为四组绝缘栅场效应电力开关器件两极（对于MOSFET器件为D和S极，对于IGBT器件为C和E极，对于MCT器件为A和K极）并联的阻容吸收电路。

主控制板电路插座A1和A2输出的四路PWM信号分别有序的送到四组绝缘栅场效应电力开关器件Q2，Q3，Q4，Q5上，让其按Q2和Q5；Q3和Q4分别同时导通，而Q2和Q3；Q4和Q5相位相差180^o 导通。这样的交替导通，就会将直流电压电流逆变成中频交流方波电压电流，该中频交流方波电压电流送至隔离变压器T5的一次侧。

隔离变电路4由具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器T5担当，隔离变压器T5一次侧一头接逆变桥的桥臂中点，另一头穿过一次侧电流互感器T4后接逆变桥的桥臂另一中点。二次侧接到二次侧整流电路。一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘材料安全绝缘的。

二次侧整流滤波电路5由快恢复整流二极管D30，D31，D32，D33，滤波电感L1以及阻容吸收电阻R62，R63，R64，R65和阻容吸收C55，C56，C57，C58等组成。

引弧维弧和转弧控制电路6由前导弧开关Q7，电感L2，干簧管RL1；高频变压器T7，行输出变压器T6,火花放电器HH1，高频开关Q6和快恢复整流二极管D34，D35，D36，D37和周边其它元件组成。

主控制板电路7由PWM脉宽调制电路，隔离驱动电路，电流给定和电流反馈电路，过流保护电路，欠压保护电路以及相应的辅助电路等构成。具体电路结构描述如下： 

如图3所示，主控制板电路电源系统包括：

1，从变压器T3（图2所示）次级双27V绕组通过插座A10引进主控制板，通过整流二极管D11，D12，D14，D15整流后C27，C28滤波，再经过三端稳压集成电路U10(LM7824)，U11(LM7815)，U12(LM7805)和U13(LM7915)稳压。分别输出+24V，+15V，+5V，-15V直流电压，这组电压为主控制板电流反馈和PWM调制以及数字电流表供电。

2，从变压器T3（图2所示）次级两组相互隔离的16V绕组通过插座A12引进主控制板，一组通过整流二极管D20，D21，D22，D23整流后C36滤波，再经过三端稳压集成电路U14(LM7815)稳压得到+15V直流电压，为引弧维弧和转弧控制电路中前导弧的控制电路供电。另一组通过整流二极管D24，D25，D26，D27整流后C38滤波，再经过三端稳压集成电路U15(LM7815)稳压得到+15V直流电压，为引弧维弧和转弧控制电路中高频开关的控制电路供电。

3，由集成电路U9，U8B和MOSFET管M5，晶体三极管Q1和定时电容C35，定时电阻

R47组成压缩气体滞后关断电路。

4，由集成电路U8A，集成电路U3E及电阻R52，R51电容C24，C26，开关二极管D28

和D29组成2T/4T电路。

5，由集成电路U7B，U7C切割电流调节电位器RT4，RT3，引弧电流调节电位器RT2，集成电路U2D，电阻R36电位器RT1等组成电流给定电路，C11和R35组成电流反馈电路。集成电路U2C和电阻R32，R43，R42，R41二极管D13，ZD1，电容C20等组成误差放大器。

6，集成电路U1，U2A和U2B组成了电流型PWM电路，其中，集成电路U2A及其周围元件组成欠压保护电路，集成电路U2B及其周围电路组成斜波补偿电路，快恢复二极管D5，D6，D7，D8和采样电阻R30以及高频滤波电容C19等组成逆变电路一次侧中频交流电流波形采样﹑整流﹑高频滤波电路。

7，MOSFET管M1，M2，M3，M4和其对应的驱动电阻R10，R9，R11，R12，脉冲变压器T1，T2组成脉冲放大和隔离电路，由快恢复二极管D2，D3，D4，D9；电容C10，C9，C22，C21；电阻R13，R14，R15，R16，R17，R18，，R33，R34等组成驱动脉冲脉冲上升沿下降沿整形处理电路。

8，由集成电路U4，U5，U6，U3C，U3A，U7A和周围电路组成前导弧和切割弧强制转移电路。其中特别指出：由集成电路U5和电阻R19，电容C13，C12和二极管D38组成前导弧和切割弧强制转换电路的方波发生器。

为了更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图及实施例，对本实用新型做进一步详细的描述，以下的描述仅是示范性和解释性的，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

实施例：

一，切割机枪开关控制的实现：

1，2T/4T开关S2掷2T时，按下切割枪开关AN1，集成电路U3E的U3E-3脚立即变底，其U3E-4脚会变高，通过二极管D29使得A点呈高电位，切割机开始正常工作。当松开割枪开关AN1时，集成电路U3E的U3E-3脚立即变高，其U3E-4脚会变底，通过二极管D29使得A点呈底电位，切割机停止工作。

2，2T/4T开关S2掷4T时，按下切割枪开关AN1，集成电路U3E的U3E-3脚立即变低，其U3E-4脚会变高，这个变高的信号的上升沿触发集成电路U9构成的D触发器，使得集成电路U8A-1脚输出高电位信号，通过二极管D28使得A点呈高电位，切割机正常工作。松开切割枪开关时，集成电路U3E的U3E-3脚立即变高，其U3E-4脚会变低，由于集成电路U9构成的D触发器不响应下降沿，故集成电路U8A-1脚输出仍为高电位信号，通过二极管D28使得A点仍然呈高电位，切割机仍正常工作。当再次按下切割枪开关AN1时，集成电路U3E的U3E-3脚立即变低，其U3E-4脚会变高，这个变高的信号的上升沿触发集成电路U9构成的D触发器，使得集成电路U8A-1脚输出低电位信号，通过二极管D28使得A点呈低电位，切割机停止工作。

C24和R51组成开机置零电路，使得开机暂态过程稳定后，始终保持A点为低电平，避免了开机误动作；电容C26和电阻R52组成按键消抖电路，避免枪开关的误动作。

二，电流给定和反馈以及PWM调制和输出的实现：

由RT3和RT4给出的切割电流给定信号和由TR2给出的前导弧电流给定信号最终会经过集成电路U2D反相放大后，变成负的电流给定电压信号。而插座A3外连接的霍尔传感器取到的是正的电流反馈电压信号。电流给定电压信号通过R36和RT1，电流反馈电压信号通过R35在误差比较点B点进行比较，其结果通过集成电路U2C等组成的PI调节器处理后通过R43，R42等送到U1的U1-5脚。

一次侧逆变电流信号经过快恢复二极管D5，D6，D7，D8整流，经采样电阻R30以及高频滤波电容C19后得到的，反应一次测电流大小的直流脉冲电压信号，此信号一路由R8送至U1的U1-16脚，构成过流保护电路。当一次侧逆变电流异常增大U1的U1-16脚会得到一个较高电压，U1内部立即封锁脉冲信号，使电源停止输出。另一路经R28送到U1的U1-4脚，同时U2B将U1的U1-8脚的锯齿波信号射随后通过R24，R25，C16，C15组成的阻容网络后，也送到U1的U1-4脚，用来为一次测电流的直流脉冲电压信号作斜波补偿。两信号合成后与U1的U1-5脚送来的误差信号在U1内部进行比较，得到PWM信号，通过死区形成，分频锁相后从U1的U1-14脚和U1-11脚输出相位相差180⁰，且具有一定死区时间的PWM信号。

三，压缩气体滞后断气功能的实现：

当按动切割枪开欲进行切割工作时，A电会变成高电位。通过R48使得晶体三极管Q1导通，集成电路U9的U9-2脚和U9-6脚的电位变低，其U9-3脚会变高，通过R50，使得MOSFET管M5导通，与插座A13相连接的电磁气阀AV1(参见图三)得电导通，压缩气体通入枪头，可以正常引弧和切割。当按动切割枪开欲停止工作时，A电会变成低电位。通过R48使得晶体三极管Q1截止，集成电路U9的U9-2脚和U9-6脚的电位会因限流电阻R47对定时电容C35的充电而逐渐升高，当该电位升至10V时，其U9-3脚会翻转变低，通过R50，使得MOSFET管M5截止，与插座A13相连接的电磁气阀AV1(参见图三)失电截止，压缩气体停止输出。这就达到了滞后断气的目的，电阻R47和电容C35的值的乘积的大小，决定滞后断气时间的长短。

四，气压过低和逆变器超温保护电路的实现：

压缩气体气压过低切割会变困难，切割枪嘴也会快速烧损。因此，设计了气压过低保护电路：与插座A7连接的压力继电器PS1在气压正常时是断开的，气压过低，它会闭合短路掉PI调节器的输出，使得切割机停止输出电流。

逆变器采用的绝缘栅型电力开关半导体工作时都会产生热损耗，会使半导体自身和其散热器的温度升高，而半导体的工作温度有一定范围，超出范围会损坏半导体器件。由和插座A5连接的温度继电器TS1，电阻R22和二极管D19组成超温保护电路。当温度正常时，温度继电器TS1是闭合的，D19反偏，A点电位不受影响，可正常切割；当温度超高时，温度继电器TS1断开，D19通过电阻R22接地，A点电位被钳位，切割枪开关失去控制力，切割机不工作。其中：压力继电器PS1安放在电磁气阀的前面，温度继电器TS1安放在绝缘栅场效应电力开关器件Q2，Q3，Q4，Q5所在的散热器最热处的表面上。

五，引弧维弧和转弧控制电路功能的实现：

当按动切割枪开欲进行切割工作时，A电会变成高电位，使得：

1，集成电路U3F的U3F-5脚变高，最后使集成电路U3B的U3B-10脚电位即C点电位变高。使得二极管D16反偏截止，则 PI调节器的输出电压不会被钳位。PWM信号正常输出，切割机输出电能。

2，集成电路U7C的U7C-9脚为高，其U7C-4脚和U7C-3脚导通，使得电流给定电路不再和地短路，引弧电流给定或切割电流给定能通过集成电路U7C的U7C-4脚和U7C-3脚，送到误差比较点，切割机有了正常的电流给定。

3，集成电路U7A-11脚为高，其U7A-14脚和U7A-13脚接通，也就是U7A-14脚对地短路了。使得D10有了导通流过电流的条件。也就是光耦U4和U6有了导通的条件，也就是具备了高频引弧和前导弧开通的条件。

这时，还没有切割电弧电流，插座A6外接的(参见图三)干簧管电流感应继电器RL1处于无电流的常开状态。集成电路U3A的U3A-13脚为高，其U3A-12脚为低，使得集成电路U7B-10脚也为低，其U7B-15脚和U7B-2脚连接，RT2动点提供的前导弧电流给定就成唯一的电流给定了。同时，U3C的U3C-8脚为高电位，电流通过电阻R21，光耦U6的U6-2脚和U6-3脚，二极管D10和集成电路U7A的U7A-14脚和U7A-13脚到地，使得集成电路光耦U6导通，在其U6-6，U6-7脚输出高电压，通过插座A4的A4-4，A4-5脚，送去驱动(参见图三) 高频开关Q6，这样，隔离变压器T5的一个副边辅助绕组被接通，电流电压送至行输出变压器T6上升压，通过火花放电器HH1击穿放电，高频变压器T7，电容C61谐振升压后送至切割机输出负端，于是电极和切割嘴之间，电极和工件之间就有了上万伏的高频高压。也在同时，由于U3C的U3C-8脚为高电位，电流通过电阻R20，光耦U4的U4-2脚和U4-3脚，二极管D10和集成电路U7A的U7A-14脚和U7A-13脚到地，使得集成电路光耦U4导通，在其U4-6，U4-7脚输出高电压，通过插座A4的A4-1，A4-2脚，送去驱动(参见图三) 前导弧开关Q7，二次侧整流滤波电路5输出正就会通过前导弧开关Q7，电感L2，送到切割枪的切割嘴上。由于上述高频高压的作用，这就会在切割枪的电极和切割嘴上建立一个稳定的电弧，电弧电流由电位器RT2决定（一般都比切割电流小很多，大约10A以下）。这个稳定的电弧可以连续保持下去。

特别的，为了达到前导弧到切割弧的强迫转换，我们在光耦U6的输入端加一个脉冲，通过集成电路U5组成的方波发生器输出端U5-3脚的短路分流作用，使得光耦U4输出的前导弧开关驱动信号不再是直流，而是一个低频脉冲（由电容C13和电阻R19的乘积决定频率，一般在10HZ-100HZ之间），这样这就会在切割枪的电极和切割嘴上建立一个稳定的方波脉冲电弧，这个稳定的方波脉冲电弧同样可以连续保持下去，其平均电流只有RT2设定的前导弧电流的50%，其有效值也只有RT2设定的前导弧电流的71%。这样的方波脉冲电弧，既有足够的强度，又不会使枪头枪嘴过热，有效的延长了喷嘴的使用寿命。

当切割枪接近工件时，前导弧喷出的等离子体接触工件形成导电通路，由于前导弧是脉动的，当处于脉冲关断时断(参见图三)，切割机电流不能沿着前导弧开关Q7（此时Q7处于关断状态），被迫沿着干簧管电流感应继电器RL1，切割机输出正，工件，等离子弧再回到切割枪的电极。这个电流使得干簧管电流感应继电器RL1从常开变为闭合，于是集成电路U3A的U3A-13脚为低，其U3A-12脚变高，一方面集成电路U7B-10脚也变高，其U7B-15脚和U7B-1脚连接，RT4动点提供的切割弧电流给定就成唯一的电流给定了。另一方面，U3C的U3C-8脚变为低电位，使光耦U6和光耦U4均停止输出，这就同时关断了引弧高频高压和前导弧流，切割机进入正常切割工作状态。另外，由电阻R45，R46二极管D17，D18和集成电路U3D组成引弧高频限时电路，使高频在引燃前导弧后就立即关闭，以减少高频工作时间，延长火花放电器HH1的寿命，同时也相应减少了高频干扰时间。

采用上述引弧维弧和转弧控制电路，特别是转弧控制电路后，前导弧被强制性的转移到切割弧，使得切割枪嘴离工件的距离要求大大放宽（理论上只要前导弧电弧能达到的距离即可引弧），在同样的条件下，能把传统方式的引弧成功率由90%提升到99.9%以上。这样，使得本案的切割机的运用范围大为扩展，例如：可以方便的用于栅网结构的金属的切割作业，可以用于表面覆有绝缘膜的金属板材的切割作业，也可方便的和数字化的切割设备配套。

Claims (8)

1.一种具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，包括按设备电功率流向顺序连接的输入EMC电路、一次侧整流滤波电路、逆变电路、隔离变压器和二次侧整流滤波电路、主控制板电路，所述主控制板电路还与逆变电路联通，其特征在于：还包括引弧维弧和转弧控制电路，所述引弧维弧和转弧控制电路与二次侧整流滤波电路双向联通，并与主控制板电路联通。

2.根据权利要求1所述的一种更具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，其特征在于：所述输入滤波电路由电源开关，第一、第二差模滤波电容，第一、第二、第三、第四共模滤波电容以及共模滤波电感组成。

3.根据权利要求1所述的一种更具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，其特征在于：所述一次侧整流滤波电路由整流桥和第一、第二、第三电容和电阻组成。

4.根据权利要求1所述的一种更具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，其特征在于：所述逆变电路由第一、第二、第三、第四绝缘栅场效应电力开关器件桥接而成。

5.根据权利要求1所述的一种更具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，其特征在于：所述隔离变压电路由中频变压器组成。

6.根据权利要求1所述的一种更具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，其特征在于：所述中频变压器具有一次侧绕组和二次侧绕组。

7.根据权利要求1所述的一种更具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，其特征在于：所述二次侧整流滤波电路由与中频变压器二次侧绕组连接的第一、第二、第三、第四快恢复整流二极管，与该第一、第二、第三、第四块恢复整流二极管连接的滤波电感以及分别串联在第一、第二、第三、第四快恢复整流二极管两端的第一、第二、第三、第四阻容吸收电阻和分别串联在第一、第二、第三、第四快恢复整流二极管两端的第一、第二、第三、第四阻容吸收电容等组成。

8.根据权利要求1所述的一种更具有前导弧和切割弧强制转移功能的等离子切割机，其特征在于：所述弧维弧和转弧控制电路包括沿电流流向方向而顺序连接的干簧管，前导弧开关，第二电感，高频变压器，火花放电器，行输出变压器，第一、第二、第三、第四快恢复整流二极管和高频开关。

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