多重級聯斬波降壓等離子切割電源的製作方法
2024-03-06 18:25:15
多重級聯斬波降壓等離子切割電源的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多重級聯斬波降壓等離子切割電源，所述電源包含降壓電路（1）、斬波電路（2）和割炬電路（3），所述降壓電路（1）為一工頻變壓器，該工頻變壓器包含有一星形接線的初級繞組和五個三角形接線的次級繞組，所述斬波電路（2）包含有五組相互並聯的BUCK電路；降壓電路（1）的五組次級繞組分別經五組BUCK電路後接入割炬電路（3）。本實用新型多重級聯斬波降壓等離子切割電源，其支持輸出直流電流可達650A，電路簡單、控制方便，同時具有輸入功率因數高（0.96以上）、輸出直流電流紋波低低於2~5%。
【專利說明】多重級聯斬波降壓等離子切割電源
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種電源，尤其是涉及一種用於等離子切割上且採用多重級聯斬波降壓方式的電源，屬於等離子切割領域與電力電子變換領域。
【背景技術】
[0002]機用等離子切割裝置是由機械設備、電控設備、供氣設備等組成，其中電控設備包括電源系統、數控系統、割炬系統和ECAN總線，電源系統又包括等離子切割電源、引弧箱、氣控箱、冷卻系統、管線等主要部分；
[0003]等離子切割電源是機用等離子切割裝置的核心部件之一，按照發展歷程，可以包括各式矽整流式電源、晶閘管整流式電源、逆變式電源、斬波式電源。其中，逆變式電源、斬波式電源是最具發展潛力的電源機種。鑑於整體成本較低和效率較高，在大功率等離子切割裝置中，斬波式電源日益受到青睞，功率電路支持輸出電流等級已經由130A、260A、400A、53(^、65(^、800、100(^，用於切割更厚的金屬板材和管材，功率等級也由221^超1751^方向增加。另一個方面，對金屬工件切割的質量要求也越來越高。影響切割質量指標的因素有多種，包括割炬水平運動精度、割炬垂直運動精度、保護氣與切割氣的穩定度、切割電流的精度等等。僅就切割電流而言，等離子切割電源輸出電流精度和響應速度是影響切割質量的重要指標，而這又與濾波電感感值、開關頻率、線路阻抗、直流電源密切相關。其中，直流電源品質包括電壓穩定度和紋波峰峰值以及紋波頻率，如果這幾項指標較差，切割電流的紋波就會較大，切割質量肯定較差。為此需要改進這些指標，目前常用手段為增加電解電容的容值，但是一味增加電解電容容值也會帶來低頻振蕩和成本、體積過大問題，因此,大功率設計和輸出電流精細化是離子切割電源必需面對和解決的問題；
[0004]為此，已有相關學者對此進行了深入的研討:如「陳要玲」於2008年在「蘭州理工大學」發表的碩士學位論文「IGBT逆變式等離子切割電源」；「何偉軍」於2009年在「南京航空航天大學」發表的碩士學位論文「大功率空氣等離子切割電源的設計與研究」；「伍健」於2010年在「南京航空航天大學」發表的碩士學位論文「等離子切割高性能電源系統的研究」；前者屬於逆變式等離子切割電源，功率等級難以提升；後二者只適用於輸出直流電流低於130A以下的應用場合，功率等級不會超過30kW ；
[0005]綜上所述，對於目前等離子切割電源所採用的電路結構，現有的功率電路尚且不能獲得本質上紋波電流更低的等離子切割電源。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的在於克服上述不足，提供一種多重級聯斬波降壓等離子切割電源，其支持輸出直流電流可達650A，電路簡單、控制方便，同時具有輸入功率因數高(0.96以上)、輸出直流電流紋波低等優點。
[0007]本實用新型的目的是這樣實現的:一種多重級聯斬波降壓等離子切割電源，所述電源包含有降壓電路、斬波電路和割炬電路，所述降壓電路為一工頻變壓器，該工頻變壓器包含有一星形接線的初級繞組和五個三角形接線的次級繞組，所述斬波電路包含有五組相互並聯的BUCK電路；降壓電路的五組次級繞組分別經五組BUCK電路後接入割炬電路。
[0008]本實用新型多重級聯斬波降壓等離子切割電源，所述斬波電路包含有第一BUCK電路、第二 BUCK電路、第三BUCK電路、第四BUCK電路和第五BUCK電路，所述星形接線的初級繞組輸入380V的三相交流電源，三角形接線的五個次級繞組的初相分別為-24°、-12°、0°、+12° 和+24°，輸出電壓均為 220V;
[0009]所述第一 BUCK電路包含有第一三相整流橋，所述第一三相整流橋的輸入端與初相為-24°的次級繞組相連接，所述第一三相整流橋的正負極之間並聯連接有第一電解電容和第一功率電阻，所述第一三相整流橋的負極連接至第二節點，所述第一三相整流橋的正極與第一 IGBT的集電極相連，所述第一 IGBT的發射極經第一電感接入第一節點，且第一IGBT的發射極與第一二極體的負極相連，第一二極體的正極接入第二節點；
[0010]所述第二 BUCK電路包含有第二三相整流橋，所述第二三相整流橋的輸入端與初相為-12°的次級繞組相連接，所述第二三相整流橋的正負極之間並聯連接有第二電解電容和第二功率電阻，所述第二三相整流橋的負極連接至第二節點，所述第二三相整流橋的正極與第二 IGBT的集電極相連，所述第二 IGBT的發射極經第二電感接入第一節點，且第二IGBT的發射極與第二二極體的負極相連，第二二極體的正極接入第二節點；
[0011]所述第三BUCK電路包含有第三三相整流橋，所述第三三相整流橋的輸入端與初相為0°的次級繞組相連接，所述第三三相整流橋的正負極之間並聯連接有第三電解電容和第三功率電阻，所述第三三相整流橋的負極連接至第二節點，所述第三三相整流橋的正極與第三IGBT的集電極相連，所述第三IGBT的發射極經第三電感接入第一節點，且第三IGBT的發射極與第三二極體的負極相連，第三二極體的正極接入第二節點；
[0012]所述第四BUCK電路包含有第四三相整流橋，所述第四三相整流橋的輸入端與初相為+12°的次級繞組相連接，所述第四三相整流橋的正負極之間並聯連接有第四電解電容和第四功率電阻，所述第四三相整流橋的負極連接至第二節點，所述第四三相整流橋的正極與第四IGBT的集電極相連，所述第四IGBT的發射極經第四電感接入第一節點，且第四IGBT的發射極與第四二極體的負極相連，第四二極體的正極接入第二節點；
[0013]所述第五BUCK電路包含有第五三相整流橋，所述第五三相整流橋的輸入端與初相為+24°的次級繞組相連接，所述第五三相整流橋的正負極之間並聯連接有第五電解電容和第五功率電阻，所述第五三相整流橋的負極連接至第二節點，所述第五三相整流橋的正極與第五IGBT的集電極相連，所述第五IGBT的發射極經第五電感接入第一節點，且第五IGBT的發射極與第五二極體的負極相連，第五二極體的正極接入第二節點。
[0014]本實用新型多重級聯斬波降壓等離子切割電源，所述第一三相整流橋、第二三相整流橋、第三三相整流橋、第四三相整流橋和第五三相整流橋均為二極體不控三相整流橋。
[0015]本實用新型多重級聯斬波降壓等離子切割電源，所述割炬電路包含有工件和割炬，上述第一節點經第六電感後與工件相電連接，所述第二節點與割炬的負極相電連接。
[0016]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0017](I)五組BUCK電路設計，便於實現模塊化設計，可以均攤總功率，支持更大總功率，切割更厚的工件；(2)五組BUCK電路採用交錯移相驅動方式，在公共平波電抗器作用下，獲得更加精細的、紋波更低的切割電流，實現精密切割；(3)降壓電路的設計，可以滿足等離子切割的工作電源要求，同時次級繞組不同相位的設計有利於改善網側功率因數，降低諧波電流的危害。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型多重級聯斬波降壓等離子切割電源的電路結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]參見圖1，本實用新型涉及的一種多重級聯斬波降壓等離子切割電源，
[0020]所述電源包含有降壓電路1、斬波電路2和割炬電路3，
[0021]所述降壓電路I為一工頻變壓器，該工頻變壓器包含有一星形接線(Y接)的初級繞組和五個三角形接線(Λ接)的次級繞組，且星形接線的初級繞組輸入380V的三相交流電源，三角形接線的五個次級繞組的初相分別為-24°、-12°、0°、+12°和+24°，輸出電壓均為220V ；
[0022]所述斬波電路2包含有五組相互並聯的BUCK電路；
[0023]具體地，所述斬波電路2包含有第一 BUCK電路、第二 BUCK電路、第三BUCK電路、第四BUCK電路和第五BUCK電路，
[0024]所述第一 BUCK電路包含有第一三相整流橋BI，所述第一三相整流橋BI的輸入端與初相為-24°的次級繞組相連接，所述第一三相整流橋BI的正負極之間並聯連接有第一電解電容El和第一功率電阻Rl，所述第一三相整流橋BI的負極連接至第二節點B，所述第一三相整流橋BI的正極與第一 IGBTSl的集電極相連，所述第一 IGBTSl的發射極經第一電感LI接入第一節點A，且第一 IGBTSl的發射極與第一二極體Dl的負極相連，第一二極體Dl的正極接入第二節點B ；
[0025]所述第二 BUCK電路包含有第二三相整流橋B2，所述第二三相整流橋B2的輸入端與初相為-12°的次級繞組相連接，所述第二三相整流橋B2的正負極之間並聯連接有第二電解電容E2和第二功率電阻R2，所述第二三相整流橋B2的負極連接至第二節點B，所述第二三相整流橋B2的正極與第二 IGBTS2的集電極相連，所述第二 IGBTS2的發射極經第二電感L2接入第一節點A，且第二 IGBTS2的發射極與第二二極體D2的負極相連，第二二極體D2的正極接入第二節點B ；
[0026]所述第三BUCK電路包含有第三三相整流橋B3，所述第三三相整流橋B3的輸入端與初相為0°的次級繞組相連接，所述第三三相整流橋B3的正負極之間並聯連接有第三電解電容E3和第三功率電阻R3，所述第三三相整流橋B3的負極連接至第二節點B，所述第三三相整流橋B3的正極與第三IGBTS3的集電極相連，所述第三IGBTS3的發射極經第三電感L3接入第一節點A，且第三IGBTS3的發射極與第三二極體D3的負極相連，第三二極體D3的正極接入第二節點B ；
[0027]所述第四BUCK電路包含有第四三相整流橋B4，所述第四三相整流橋B4的輸入端與初相為+12°的次級繞組相連接，所述第四三相整流橋B4的正負極之間並聯連接有第四電解電容E4和第四功率電阻R4，所述第四三相整流橋B4的負極連接至第二節點B，所述第四三相整流橋B4的正極與第四IGBTS4的集電極相連，所述第四IGBTS4的發射極經第四電感L4接入第一節點A，且第四IGBTS4的發射極與第四二極體D4的負極相連，第四二極體D4的正極接入第二節點B ；
[0028]所述第五BUCK電路包含有第五三相整流橋B5，所述第五三相整流橋B5的輸入端與初相為+24°的次級繞組相連接，所述第五三相整流橋B5的正負極之間並聯連接有第五電解電容E5和第五功率電阻R5，所述第五三相整流橋B5的負極連接至第二節點B，所述第五三相整流橋B5的正極與第五IGBTS5的集電極相連，所述第五IGBTS5的發射極經第五電感L5接入第一節點A，且第五IGBTS5的發射極與第五二極體D5的負極相連，第五二極體D5的正極接入第二節點B ；
[0029]上述第一三相整流橋B1、第二三相整流橋B2、第三三相整流橋B3、第四三相整流橋B4和第五三相整流橋B5均為二極體不控三相整流橋；
[0030]所述割炬電路3包含有工件和割炬，上述第一節點A經第六電感L6後與工件相電連接，所述第二節點B與割炬的負極相電連接。
[0031]本實用新型的工作原理為:
[0032]採用降壓電路1、斬波電路2和割炬電路3實現多重級聯斬波降壓等離子切割電源的全部功能，所述降壓電路I完成交流電壓的降壓和功率因數校正，斬波電路完成將五組三相交流電壓轉換為一路直流電流，割炬電路完成對工件的切割，具體地:
[0033]所述降壓電路2，將一路三相交流電壓380V，轉換為五路隔離的三相交流電壓220V，相差12°，當後級斬波電路和割炬電路工作時，在網側可以獲得功率因數為0.96以上的輸入電流波形，設置降壓電路的次級繞組為五路三相交流電壓220V的原因是:所得到的空載電壓311V是適合割炬電路中等離子切割引弧和轉移弧的，而且每組次級繞組和每一後級斬波電路中BUCK電路能夠分攤1/5的總功率，便於斬波電路中BUCK電路的模塊化設計；
[0034]所述斬波電路3，包括五組BUCK電路，分別輸入不同相位的三相交流電壓220V，經過二極體不控三相整流橋後均得到空載電壓311V，在後接直流一直流變換後，各自得到一路直流電流，五路直流電流匯合後經過公共平波電抗器的作用，得到一路合成直流電流，鑑於五路直流一直流變換時IGBT驅動脈衝採用交錯移相PWM驅動方式，基本移相角度為72°，即1/5開關周期，使得合成直流電流的紋波電流更低，該電流通過工件和割炬中負極，實現精細切割；
[0035]在本【具體實施方式】中:
[0036]交流輸入電壓寬範圍，380V± 15%，工頻50 Hz或60Hz，額定輸入電壓380VAC，額定輸出直流電壓平均值150V，額定輸出電流650A，輸入功率為llOkW。
[0037]IGBT 斬波頻率:2OkHz ；
[0038]第一電解電容E1、第二電解電容E2、第三電解電容E3、第四電解電容E4和第五電解電容E5:450V, 2200mF,四隻並聯；
[0039]第一三相整流橋B1、第二三相整流橋B2、第三三相整流橋B3、第四三相整流橋B4和第五三相整流橋B5:600V, 300A/100。C ；
[0040]第一電感LI (平波電抗器)、第二電感L2 (平波電抗器)、第三電感L3 (平波電抗器)、第四電感L4 (平波電抗器)和第五電感L5 (平波電抗器):2.2mH, 130A,0.35mm,娃鋼；
[0041]第六電感L6 (平波電抗器):lmH,650A,0.35mm,娃鋼；
[0042]第一 IGBT SI與第一二極體Dl (反向快恢復二極體)、第二 IGBT S2與第二二極體D2 (反向快恢復二極體)、第三IGBT S3與第三二極體D3 (反向快恢復二極體)、第四IGBTS4與第四二極體D4 (反向快恢復二極體)和第五IGBT S5與第五二極體D5 (反向快恢復二極體):600V, 200AC/100,單橋臂 IGBT 模塊；
[0043]第一功率電阻R1、第二功率電阻R2、第三功率電阻R3、第四功率電阻R4和第五功率電阻 R5:50k Ω ,5W ；
[0044]降壓變壓器TRl: 380V/5x220V, 120kVA。
[0045]需要理解的是，以上對本實用新型的具體實施例進行了描述，本實用新型並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本實用新型的實質內容，均在本專利的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種多重級聯斬波降壓等離子切割電源，所述電源包含有降壓電路(1)、斬波電路(2)和割炬電路(3)，其特徵在於:所述降壓電路(1)為一工頻變壓器，該工頻變壓器包含有一星形接線的初級繞組和五個三角形接線的次級繞組，所述斬波電路(2)包含有五組相互並聯的BUCK電路；降壓電路(1)的五組次級繞組分別經五組BUCK電路後接入割炬電路(3)。
2.如權利要求1所述一種多重級聯斬波降壓等離子切割電源，其特徵在於:所述斬波電路(2)包含有第一BUCK電路、第二BUCK電路、第三BUCK電路、第四BUCK電路和第五BUCK電路，所述星形接線的初級繞組輸入380V的三相交流電源，三角形接線的五個次級繞組的初相分別為-24°、-12°、0°、+12°和+24°，輸出電壓均為220V; 所述第一 BUCK電路包含有第一三相整流橋(B1)，所述第一三相整流橋(B1)的輸入端與初相為-24°的次級繞組相連接，所述第一三相整流橋(B1)的正負極之間並聯連接有第一電解電容(El)和第一功率電阻(R1)，所述第一三相整流橋(B1)的負極連接至第二節點(B)，所述第一三相整流橋(B1)的正極與第一 1GBT (S1)的集電極相連，所述第一 1GBT (S1)的發射極經第一電感(L1)接入第一節點(A)，且第一 1GBT(Sl)的發射極與第一二極體(Dl)的負極相連，第一二極體(Dl)的正極接入第二節點(B)； 所述第二 BUCK電路包含有第二三相整流橋(B2)，所述第二三相整流橋(B2)的輸入端與初相為-12°的次級繞組相連接，所述第二三相整流橋(B2)的正負極之間並聯連接有第二電解電容(E2)和第二功率電阻(R2)，所述第二三相整流橋(B2)的負極連接至第二節點(B)，所述第二三相整流橋(B2)的正極與第二 1GBT (S2)的集電極相連，所述第二 1GBT (S2)的發射極經第二電感(L2)接入第一節點(A)，且第二 1GBT(S2)的發射極與第二二極體(D2)的負極相連，第二二極體(D2)的正極接入第二節點(B)； 所述第三BUCK電路包含有第三三相整流橋(B3)，所述第三三相整流橋(B3)的輸入端與初相為O。的次級繞組相連接，所述第三三相整流橋(B3)的正負極之間並聯連接有第三電解電容(E3)和第三功率電阻(R3)，所述第三三相整流橋(B3)的負極連接至第二節點(B)，所述第三三相整流橋(B3)的正極與第三1GBT (S3)的集電極相連，所述第三1GBT (S3)的發射極經第三電感(L3)接入第一節點(A)，且第三1GBT (S3)的發射極與第三二極體(D3)的負極相連，第三二極體(D3)的正極接入第二節點(B)； 所述第四BUCK電路包含有第四三相整流橋(B4)，所述第四三相整流橋(B4)的輸入端與初相為+12°的次級繞組相連接，所述第四三相整流橋(B4)的正負極之間並聯連接有第四電解電容(E4)和第四功率電阻(R4)，所述第四三相整流橋(B4)的負極連接至第二節點(B)，所述第四三相整流橋(B4)的正極與第四1GBT (S4)的集電極相連，所述第四1GBT (S4)的發射極經第四電感(L4)接入第一節點(A)，且第四1GBT(S4)的發射極與第四二極體(D4)的負極相連，第四二極體(D4)的正極接入第二節點(B)； 所述第五BUCK電路包含有第五三相整流橋(B5)，所述第五三相整流橋(B5)的輸入端與初相為+24°的次級繞組相連接，所述第五三相整流橋(B5)的正負極之間並聯連接有第五電解電容(E5)和第五功率電阻(R5)，所述第五三相整流橋(B5)的負極連接至第二節點(B)，所述第五三相整流橋(B5)的正極與第五1GBT (S5)的集電極相連，所述第五1GBT (S5)的發射極經第五電感(L5)接入第一節點(A)，且第五1GBT(S5)的發射極與第五二極體(D5)的負極相連，第五二極體(D5)的正極接入第二節點(B)。
3.如權利要求2所述一種多重級聯斬波降壓等離子切割電源，其特徵在於:所述第一三相整流橋(B1)、第二三相整流橋(B2)、第三三相整流橋(B3)、第四三相整流橋(B4)和第五三相整流橋(B5)均為二極體不控三相整流橋。
4.如權利要求2或3所述一種多重級聯斬波降壓等離子切割電源，其特徵在於:所述割炬電路(3)包含有工件和割炬，上述第一節點(A)經第六電感(L6)後與工件相電連接，所述第二節點(B)與割炬的負極相電連接。
【文檔編號】H02M7/23GK203725968SQ201420036160
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年1月21日 優先權日:2014年1月21日
【發明者】田威 申請人:江蘇博大數控成套設備有限公司