空氣等離子切割機的製作方法

2023-06-06 12:30:21 1

專利名稱：空氣等離子切割機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空氣等離子切割機，尤其涉及其電源電路。
技術背景空氣等離子切割機主要應用於金屬、非金屬切割，屬於空氣等離子切割設備技術領域。 空氣等離子弧切割是利用高能量密度壓縮電弧產生的高溫高速熱流進行的切割方法，其 原理主要是依靠高溫高速的等離子弧及其焰流，把部分金屬熔化及蒸發，並吹離基體，隨 著等離子弧割炬的移動而形成切縫。利用壓縮空氣作為等離子弧切割的離子氣，氣體來源 方便，切割成本低，由於等離子弧的熱焓值較高，加上氧與金屬相互作用過程中的放熱， 使切割速度提高，切口質量好。近年來已發展成為等離子切割方法中應用最廣泛的一種。隨著電力電子元件的發展及其性能的提高，近年來等離子切割電源有了很大的發展， 根據電源電路控制方式的不同，空氣等離子切割機主要有斬波式、整流式和逆變式。斬波 式等離子切割機體積大，重量重；整流式等離子切割機外特性為下降外特性，切割電流變 化大，導致切口質量較差；逆變式空氣等離子切割機採用大功率開關管逆變電路，其功率 的調節和特性控制都是通過大功率開關管實現，所以逆變式等離子切割機的可靠性較差， 功率較小。申請號為200620165184.8、名稱為"超便攜無幹擾引弧空氣等離子切割機"的專利 申請公開了一種用來切割薄板的小電流空氣等離子切割機。該切割機的電路主要由主電路 與控制電路構成，主電路包括主變壓器、整流橋、濾波器、大功率開關器件(IGBT)構成的 斬波器、輸出電抗器；控制電路包括控制電源、驅動電路、給定和反饋比較電路、PWM 調製器等。主電路形式採用直流降壓斬波電路，經輸出電抗器濾波和儲能之後最後接等離 子弧。但其缺陷是切割機的單位輸出功率的體積和重量較大。 發明內容本發明的目的是為克服現有技術的不足，提供了--種輸出功率大、體積小、重量輕、 可靠性高、穩定性好的新型空氣等離子切割機。本發明採用的技術方案是包括主電路和控制電路，主電路由前級主電路和後級主電 路串聯組成，其中前級主電路由交流電源、輸入整流濾波電路和全橋逆變電路串聯組成， 後級主電路由輸出整流濾波電路、大功率開關電路和輸出電抗器組成；所述控制電路由前 級控制電路和後級控制電路組成，其中前級控制電路由前級定頻率定脈寬電路和前級驅動
電路串聯後接到全橋逆變電路；後級控制電路由電流檢測電路、給定電路、比較放大電路、 PWM電路和後級驅動電路組成，將電流檢測電路連接比較放大電路。本發明在主電路中交流電源經前級整流濾波後接逆變器，經變壓器降壓後，其輸出接 後級整流濾波，再依次接斬波器和輸出電抗器，最後接負載。控制電路中的前級定頻率定 脈寬電路和前級驅動電路產生四路固定脈衝驅動逆變電路的四個開關管；後級給定與反饋 比較放大電路把電流檢測電路檢測的反饋值與給定值進行比較放大後，再經PWM電路， 輸入至驅動電路，從而控制後級開關電路中的開關管的開通與關斷。本發明由前級逆變器 和後級斬被器共同作用，其優點為1、 本發明與斬波式空氣等離子切割機相比，具有體積小、重量輕、移動方便、節省 材料、高效節能等突出優點。2、 本發明與整流式空氣等離子切割機相比，可獲得恆流外特性和良好動特性，使輸 出電流在切割過程中保持不變，從而獲得高質量切縫。3、 本發明與逆變式空氣等離子切割機相比，由於逆變和功率、特性控制由前級逆變 器和後級斬波器分別完成，可提高空氣等離子切割機輸出功率和可靠性、穩定性。4、 本發明克服了斬波式、整流式和逆變式空氣等離子切割機的各自缺點，整合了斬 波式、整流式和逆變式空氣等離子切割機的各自優點，從而使空氣等離子切割機結構性能、 電氣性能和切割工藝性能優良。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。 圖l是本發明原理框圖。 圖2是圖1中主電路連接圖。
具體實施方式
如圖l,本發明的電源電路包括主電路和控制電路，主電路由前級主電路和後級主電 路組成。前級主電路接在主變壓器原邊左側，後級主電路接主變壓器副邊右側，前級主電 路由交流電源、輸入整流濾波電路和全橋逆變電路串聯組成。後級主電路由輸出整流濾波 電路、大功率開關電路和輸出電抗器組成。控制電路由前級控制電路和後級控制電路組成。其中前級控制電路由前級定頻率定脈寬電路和前級驅動電路串聯後接到全橋逆變電路；後 級控制電路由電流檢測電路、給定電路、比較放大電路、PWM電路和後級驅動電路組成， 將電流檢測電路連接比較放大電路。在輸入交流電源與主變壓器原邊間連接整流濾波電路 和前級全橋逆變電路，前級逆變器經中頻主變壓器與後級斬波器串聯。前級全橋逆變電路連接前級驅動電路和定頻率定脈寬控制電路。前級採用逆變技術實現逆變功能；後級採用 PWM控制技術實現功率和特性控制。如圖2所示，前級主電路中的輸入整流濾波電路由三相橋式整流電路整流後接由電容 d、 C2、 C3、 C4和電阻Ri、 R2組成的濾波電路，在獲得直流電輸入後連接前級全橋逆變 電路。前級全橋逆變電路包括開關管Q卜Q2構成的超前臂、開關管Q3、 Q4構成的滯後臂、 內部反向並聯二極體Di D4及超前臂並聯電容C5、 C6;所述超前臂的中點依次連接阻斷 電容Cb、飽和電感L、中頻主變壓器T,原邊後接入滯後臂中點。前級定頻率定脈寬電路 經驅動電路連接到所述4個開關管Q,、 Q2、 Q3、 Q4的基極，該4個開關管Q卜Q2、 Q3、 Q4由前級定頻率定脈寬電路經驅動電路控制。該前級全橋逆變電路的超前臂在電容C5、 C6作用下實現ZVS (零電壓開關)，滯後臂在飽和電抗和阻斷電容的作用下實現ZCS (零 電流開關)。具體過程為開關管Q,關斷時，由於電容C5電壓不能突變，使得開關管Qi關斷是零電壓關斷，同時電容Q;充電、電容C6放電，在死區時間內電容C5、 C6充放電完畢，此時開關管Q2零電壓開通。在超前臂的一隻開關管關斷後，主電路進入自然換 相過程，此時飽和電抗L仍處於飽和狀態，主變壓器T^一次電流在隔直電容Cb和主變壓 器Ti一次側漏抗的諧振作用下迅速下降。當主變壓器T,一次電流下降到零時，由於飽和 電感L已退出了飽和，阻止了逆變電路引起的電流反向流動，從而使滯後臂的關斷在零電 壓零電流狀態下完成。隨後，滯後臂上的另一隻開關管開通，整流濾波輸出的電壓與隔直 電容兩端電壓之和加在飽和電抗上，由於飽和電感L進入飽和需要一個短暫的過程，電流 不能立即上升，實現滯後臂ZCS (零電流開關)。另外，前級逆變電路的4個開關管Q卜 Q2、 Q3、 Q4採用定頻率定脈寬的信號進行驅動，在前級定頻率定脈寬電路中，PWM控制 器的振蕩頻率一定，控制器的給定值一定，能輸出穩定的定頻率定脈寬信號。圖2中的Ds、 D6、 D7、 Ds為主變壓器副邊整流二極體、k為輸出濾波電感，T2為耦 合變壓器，Q5為後級開關管，R4、 C9組成RC網絡，D9為續流二極體，電容do、 C 、 Cu用於濾波和抗幹擾，電阻Rs為死負載。主變壓器T！的副邊接單相橋式整流電路，該 單相橋式整流電路由四個快恢復二極體Ds、 D6、 D7、 Ds組成，經過由電容C7、 C8、電阻 R3組成的濾波電路後輸出直流電，正端接開關電路，負端接霍爾傳感器FL、輸出電抗器 Lu耦合變壓器T2，正、負輸出端間接電容Cn)、 Cu、 d2和死負載Rs。霍爾傳感器FL用於檢測電流，獲得反饋量，後級控制電路中的給定與反饋比較放大 電路把電流檢測電路檢測的反饋值與給定值進行比較放大後，再經PWM電路，輸入至後 級驅動電路，從而控制後級開關電路中的開關管的開通與關斷。當反饋電流大於給定電流
時，經PI調節的輸出信號控制PWM電路，經後級驅動電路後，壓縮驅動波形的脈寬， 從而降低輸出電流值，使輸出電流等於給定電流；當反饋電流小於給定電流時，經PI調 節的輸出信號控制PWM電路，經後級驅動電路，使驅動波形的脈寬變寬，從而提高輸出 電流值，使輸出電流等於給定電流。通過不斷的比較運算來調節後級大功率開管的開通時 間，實時修正切割電流，叢而獲得恆流外特性。另外，在後級大功率開關管關斷時，輸出 電抗器L,和續流二極體D9組成續流電路，保證切割機輸出電流的連續性。
權利要求
1. 一種空氣等離子切割機，包括主電路和控制電路，其特徵是主電路由前級主電路和後級主電路串聯組成，其中前級主電路由交流電源、輸入整流濾波電路和全橋逆變電路串聯組成，後級主電路由輸出整流濾波電路、大功率開關電路和輸出電抗器組成；所述控制電路由前級控制電路和後級控制電路組成，其中前級控制電路由前級定頻率定脈寬電路和前級驅動電路串聯後接到全橋逆變電路；後級控制電路由電流檢測電路、給定電路、比較放大電路、PWM電路和後級驅動電路組成，將電流檢測電路連接比較放大電路。
2. 根據權利要求1所述的空氣等離子切割機，其特徵是所述前級主電路中的輸入 整流濾波電路是由三相橋式整流電路整流後接由電容(d、 C2、 C3、 C4)組成的濾波電路，所述前級主電路中的全橋逆變電路包括開關管(Q卜Q2)構成的超前臂、開關管(Q3、 Q4)構成的滯後臂、反向並聯二極體(D! D4)及超前臂並聯電容(C5、 C6);將超前臂 的中點依次連接隔直電容(Cb)、飽和電感(L)、主變壓器(I)原邊後接滯後臂的中點。
3. 根據權利要求1所述的空氣等離子切割機，其特徵是所述後級主電路的輸出整 流電路接由電容(C7、 C8)組成的濾波電路，然後依次接大功率開關電路、輸出電抗器(")和耦合變壓器(T2)。
4. 根據權利要求2所述的空氣等離子切割機，其特徵是前級定頻率定脈寬電路經驅動電路連接到所述4個開關管(Qh Q2、 Q3、 Q4)的基極。
5. 根據權利要求3所述的空氣等離子切割機，其特徵是所述輸出整流電路為單相橋 式整流電路，該電路由二極體(D5~D8)組成。
全文摘要
本發明公開了一種空氣等離子切割機，包括主電路和控制電路，主電路由前級主電路和後級主電路串聯組成，其中前級主電路由交流電源、輸入整流濾波電路和全橋逆變電路串聯組成，後級主電路由輸出整流濾波電路、大功率開關電路和輸出電抗器組成；所述控制電路由前級控制電路和後級控制電路組成，其中前級控制電路由前級定頻率定脈寬電路和前級驅動電路串聯後接到全橋逆變電路；後級控制電路由電流檢測電路、給定電路、比較放大電路、PWM電路和後級驅動電路組成，將電流檢測電路連接比較放大電路。本發明由前級逆變器和後級斬波器共同作用，可獲得恆流外特性和良好動特性，獲得高質量切縫且體積小、重量輕、移動方便、節省材料、高效節能。
文檔編號B23K10/00GK101391340SQ20081023495
公開日2009年3月25日 申請日期2008年11月5日 優先權日2008年11月5日
發明者方臣富, 泉 朱, 邵江豔 申請人:江蘇科技大學