CN2453638Y - 用于激光雕刻机的恒流激光电源 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光雕刻机的恒流激光电源,包括：整流桥、滤波电路、功率开关管、隔离管、氪弧灯、引燃电路以及控制电路；其采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT),通过智能恒流模块实现了高精度的电流闭环控制；其引燃点火电路采用串联高压包引弧、RC次高压维持以及低压恒流接续电弧电流的三级续流方式,一次点灯成功率达99%以上。其电源效率高,点灯成功率高,电压适应范围宽,抗干扰能力强,对电网污染小,可广泛作为激光雕刻设备的小型高精度激光电源使用。
Description
本实用新型涉及激光电源，特别是一种点燃氪弧灯管的高性能自动引燃恒流激光电源。
近几年，我国的光电子产业得到了迅猛发展。光电子产业主要包括：通信光电子、能量光电子和消费光电子三部分。在能量光电子方面，把激光应用在工业加工方面，如雕刻、焊接、切割等；而其动力部分目前主要采用泵浦电源，泵浦电源存在如下缺点。
1、电源整机效率不高，体积、重量大。
2、对电网谐波污染大，抗干扰能力差。
3、对电网电压要求非常严格。
本发明的目的在于克服现有激光电源的上述不足，提供一种脉宽调制式(PWM)高性能自动引燃恒流激光电源，以满足激光雕刻机等设备的的配套需求。
本实用新型的恒流激光电源，包括：整流桥，滤波电路，主回路的功率开关管、隔离二极管和氪弧灯，氪弧灯的引燃电路，以及所述功率开关管的控制电路；其特征在于：
所述的功率开关管是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，绝缘栅双极型晶体管的控制电路采用智能恒流控制模块(HNS35C型)，智能恒流控制模块的输出端连接于绝缘栅双极型晶体管的栅极，智能恒流控制模块的取样电流输入端与接于主回路的霍尔传感器(HL)连接；
所述的引燃电路采用串联高压包引弧、RC次高压维持和低压恒流接续电弧电流的三级续流方式的自动引燃点火电路。
以下结合附图对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型的原理框图；
图2为其实施例HNS-3500系列激光电源电原理图。
如图1、图2所示，本恒流激光电源包括：电磁滤波器1、整流桥2、缓上电装置3、滤波电路4、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)5、智能恒流控制模块(HNS35C型)6、霍尔传感器(HL)7、平波电路8、隔离二极管组9、氪弧灯的引燃点火电路10以及和氪弧灯11等。从电源的正端起，依次通过双极型晶体管(IGBT)5、霍尔传感器(HL)7、平波电路8、隔离二极管组9、自动引燃点火电路10的高压包的副边以及氪弧灯11，在回到电源的负端构成主回路。
本恒流激光电源采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率开关管，绝缘栅双极型晶体管的控制电路采用HNS35C型智能恒流控制模块，智能恒流控制模块的输出端连接于绝缘栅双极型晶体管的栅极，智能恒流控制模块的取样电流输入端与接于主回路的霍尔传感器连接。
其引燃电路采用串联高压包引弧、RC次高压维持和低压恒流接续电弧电流的三级续流方式的自动引燃点火电路。
氪弧灯管引燃点火是本电源的关键技术之一。根据氪灯管的伏安特性曲线分析，需要20000伏的高压脉冲将氪灯管的气体击穿，并使工作电流大于最低燃弧电流(I1)。氪灯管点燃，工作电流越大，发光越强。
自动引燃点火电路原理图见图2。自动引燃点火电路由高压包T1、变压器T2、连接于变压器副边的整流二极管D3、二极管D3负端的两个RC充放电回路组成，高压包的原边通过继电器J3的接点接于电容C6两端，高压包的副边跨接于氪弧灯的正端与电阻R4、电容C5的公共点，电容C5的另一端接氪弧灯的负端，电容C5并联压敏电阻PVR1。
变压器副边的1200V交流电压(50HZ)经二极管D3整流后，通过电阻R4,R5分别向电容C5、C6充电。点火时，J3-1接通。电容C6上的电能通过原边释放，高压包T1副边输出一个高压脉冲将氪灯管内的气体击穿。
由于这一高压脉冲能量很小，击穿电流不足以维持到滤波电容C1、C2放电；故而接入了C5维持放电流到C1、C2放电为止。C1、C2放电后，恒流电源开始工作，提供工作电流，这时点火成功。
如果点火失败，工作电流为零。自动点火电路的继电器J3-1接点断开，重新向电容C5、C6充电，直至点火成功为止。
引燃点火部分采用串联高压包引弧，RC次高压维持，低压恒流接续电弧电流的三级续流方式。配合点火监测回路，实现自动点火，使一次点灯成功率达到99％以上。
本激光电源采用PWM(脉宽调制)控制技术，采用智能恒流芯片来进行电流调节。通过控制新型功率器件，即绝缘栅双级型晶体管(IGBT)的通断来调节电流大小。IGBT的开关频率固定，点空比作自适应变化。
D=(Ton/T)×100％
D：占空比
Ton：导通时间
T：通断周期
占空比越大，IGBT导通时间越长，输出电流越大。反之，占空比越小，IGBT导通时间越短，输出电流越小，智能恒流芯片根据霍尔电流传感器反馈的实际电流值，实际电流的上升斜率以及给定的电流值来快速调节IGBT导通和截止的时间，实现高速电流的闭环控制。
由于恒流回路中存在平波电感LI及回路电感，当IGBT关断时，流经IGBTC极的电流必须在luS的时间内降为零，平波电感LI上储存的能量势必在IGBT的CE两端产生过高的过电压而击穿IGBT，因此接入了续流快恢复的二极管D1，消除IGBT关断时在CE两端以产生的过电压，保护IGBT的有效关断。图示实施例中接入了由电感LI和电容C3、C4组成的平波回路，能大大降低输出电流的纹波。
由于HNS-3500系列激光电源主回路采用了较大的滤波电容，为避免动力直接合闸时对滤波电容及外电网电流冲击，在整流桥2与滤波电路4之间设置了缓上电保护装置3。该装置有缓上电保护单元、继电器J1和与继电器J1的一组接点并联的限流电阻R1组成。合上总开关K1后，电源通过限流电阻R1和整流桥ZL给电容C1、C2缓慢充电，约10秒钟后，C1、C2上的电压达到预设值，继电器JI导通，R1短路，电网电压直接给C1、C2充电。
当给定电流较大时，引燃续流成功后，电源的输出电流将在40微秒内上升至给定值，这会给冷态的灯管带来很大的热应力冲击，影响氪灯管的寿命及安全。HNS-3500系列激光电流加入了软启动保施。其功能是：引燃成功后，输出电流以最小给定值缓慢上升至实际电流设定值，避免灯管的热应力过大造成的损坏。
此外，HNS-3500系列激光电源通过恒流控制模块6还设置了过、欠电压保护，过热保护，水压保护，掉电保护等单元电路。分述如下：
(1)．过、欠电压保护
过、欠电压保护具有自恢复性，当三相电网电压高于450V或低于350V时，过、欠电压保护电路动作，此时，IGBT截止，输出电流为零。当电网电压恢复至正常值时，智能芯片控制IGBT工作，输出电流恢复。
(2)．掉电保护
当机器在运行时，电网断电后又来电，整机电源不会自动进入工作状态。必须重新按动“启动”按钮；方可启动电源。此措施防止电源的误运行。
(3)．过电流保护
当实际输出电流大于其标称电流值，过流保护单元动作。机器进入保护状态后，需重新启动电源方可退出保护状态。
(4)．过热保护
HNS-3500系列激光电源功率元件散热器温度高于75摄氏度时，过热保护单元动作，机器停止工作。待散热器温度低至恢复值时，重新启动方可进入正常工作状态。
(5)．水压保护
根据氪灯管的工作原理，氪灯管工作时，必须提供冷却水。当冷却水水压不正常时，水压保护单元动作。要退出水压保护状态，必须重新启动电源，才可进入正常状态。此单元保护氪灯管由于过热而造成的损坏。
HNS-3500系列激光电源在主电路前端加载了EMI滤波器，提高整机电源的电磁兼容与抗干扰能力。
与现有技术比较本实用新型具有如下优点。
其采用最新型的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率开关器件，控制方式为脉宽调制式(PWM)，采用智能恒流控制模块实现了高精度的电流闭环控制，整机电源效率大大提高。
其氪弧灯管的引燃点火部分采用串联高压包引弧、RC次高压维持以及低压恒流接续电弧电流的三级续流方式，配合点火监测回路，实现自动点火，使一次点灯成功率达到99％以上。
本电源用于HAN*S LASER YAG系列激光雕刻机试用结果显示，其电源效率高，点灯成功率高，电网电压适应范围宽，抗干扰能力强，对电网污染小，可广泛作为激光雕刻等设备的小型高精度激光电源使用。
Claims (6)
1、一种用于激光雕刻机的恒流激光电源，包括：整流桥，滤波电路，主回路的功率开关管、隔离二极管和氪弧灯，氪弧灯的引燃电路，以及所述功率开关管的控制电路；其特征在于：
所述的功率开关管是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，绝缘栅双极型晶体管的控制电路采用智能恒流控制模块，智能恒流控制模块的输出端连接于绝缘栅双极型晶体管的栅极，智能恒流控制模块的取样电流输入端与接于主回路的霍尔传感器(HL)连接；
所述的引燃电路采用串联高压包引弧、RC次高压维持和低压恒流接续电弧电流的三级续流方式的自动引燃点火电路。
2、根据权利要求1所述的用于激光雕刻机的恒流激光电源，其特征在于：所述的自动引燃点火电路由高压包、变压器、连接于变压器副边的整流二极管D3、二极管D3负端的两个RC充放电回路组成，高压包的原边通过继电器J3的接点接于电容C6两端，高压包的副边跨接于氪弧灯的正端与电阻R4、电容C5的公共点，电容C5的另一端接氪弧灯的负端。
3、根据权利要求1所述的用于激光雕刻机的恒流激光电源，其特征在于：所述的整流桥与滤波电路之间设置有缓上电保护装置，该装置有缓上电保护单元、继电器J1和与继电器J1的一组接点并联的限流电阻R1组成。
4、根据权利要求1所述的用于激光雕刻机的恒流激光电源，其特征在于：所述的绝缘栅双极型晶体管极与电源地端之间连接续流二极管D1。
5、根据权利要求1所述的用于激光雕刻机的恒流激光电源，其特征在于：所述主回路的隔离二极管的前端连接有LC平波回路。
6、根据权利要求1所述的用于激光雕刻机的恒流激光电源，其特征在于：还设置有EMI滤波器。
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