電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源的製作方法
2023-12-01 08:50:21 1
電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其包括一級調製單元及與該一級調製單元相連接的二級調製單元，所述一級調製單元包括依次連接的全橋逆變電路、高頻變壓電路和次級整流濾波電路，所述二級調製單元包括均流斬波電路；本發明電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源採用逆變式和斬波式脈衝電源相結合，完成兩級調製的數控脈衝調頻電源，前級採用逆變式結構，後級採用斬波式結構。該脈衝電源不僅能實現對輸出脈衝幅值、頻率、佔空比、波形的調節，以達到對不同加工條件的需求，適用於短電弧的各種加工條件，而且整機具有體積小、重量輕、效率高等優點，易於實現，成本低，利於廣泛推廣應用。
【專利說明】電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源
【技術領域】
[0001]本發明涉及脈衝調頻電源【技術領域】，具體涉及一種電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源。
【背景技術】
[0002]短電弧切削加工技術對高強度、超硬材料的加工具有高效率、優質的表面加工質量等特性得到了廣泛的應用。目前短電弧工具機所使用的脈衝加工電源的常用實現方式有斬波式和逆變式兩種。斬波式脈衝電源輸入級一般採用工頻變壓器降壓，再整流濾波後經斬波電路變換成脈衝電流。該方案結構簡單，成本較低，但輸入級使用工頻變壓器，這大大增加了整機電源的體積、損耗，使得電源效率較低。而逆變式脈衝電源採用直流開關逆變技術，其中使用高頻變壓器使得整機體積、重量較小，效率以及功率因素大大提高，克服了斬波式脈衝電源中使用工頻變壓器的缺點。但是，逆變式脈衝電源也有不足之處，在許多生產過程中常常需要脈衝電源提供可調的脈衝頻率、佔空比、輸出波形等參數以滿足不同的加工條件，而逆變式脈衝電源則不能實現以上功能，它只能對脈衝幅值進行適當的調節。
【發明內容】
[0003]針對上述不足，本發明目的在於，提供一種高效、高功率因數、低直流紋波係數的脈衝輸出，並且能對輸出參數(頻率、幅值、佔空比、波形)進行連續調節，以達到對不同加工條件的需求，適用於短電弧的各種加工條件的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源。
[0004]本發明為實現上述目的，所提供的技術方案是:
[0005]一種電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其包括一級調製單元及與該一級調製單元相連接的二級調製單元，所述一級調製單元包括依次連接的全橋逆變電路、高頻變壓電路和次級整流濾波電路，所述二級調製單元包括均流斬波電路。
[0006]作為本發明的一種改進，所述全橋逆變電路包括由4個IGBT組成的橋式逆變電路和母線電壓緩衝電容C2?C3，該母線電壓緩衝電容C2?C3連接在所述橋式逆變電路的直流母線上形成一母線電壓緩衝型緩衝電路。
[0007]作為本發明的一種改進，所述高頻變壓電路包括一高頻變壓器及一與該高頻變壓器相連，並能隔離該高頻變壓器初級的直流分量的電容C4。
[0008]作為本發明的一種改進，所述高頻變壓器的磁芯採用軟磁鐵氧體材料製成。
[0009]作為本發明的一種改進，所述次級整流濾波電路包括肖特二極體Dl?D2、穩流電感LI和大容量鋁電解儲能電容C5，所述肖特二極體Dl和肖特二極體D2分別與所述穩流電感LI 一端相連接,該穩流電感LI另一端與所述電容C5 —端相連接,該電容C5另一端與所述高頻變壓器相連接。
[0010]作為本發明的一種改進，所述均流斬波電路由四個相併聯的MOSFET組成。
[0011]作為本發明的一種改進，其還包括三相不控整流模塊，該三相不控整流模塊與所述全橋逆變電路相連接。[0012]作為本發明的一種改進，其還包括與一級調製單元和二級調製單元相連接的驅動電路、控制板和單片機。
[0013]作為本發明的一種改進，所述單片機為16位高速單片機ARM7，所述控制板為移相集成控制晶片UC3879。
[0014]作為本發明的一種改進，其還包括輸出電路、寄生電感Lr和續流二極體D3，所述寄生電感Lr 一端與輸出電路的正極相連接，該輸出電路的負極通過續流二極體D3與所述寄生電感Lr的另一端相連接。
[0015]作為本發明的一種改進，其還包括EMI濾波電路、輸入軟啟動電路、風冷系統、輔助電源系統。
[0016]本發明的有益效果為:本發明電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源採用逆變式和斬波式脈衝電源相結合，完成兩級調製的數控脈衝調頻電源，前級採用逆變式結構，後級採用斬波式結構。該脈衝電源不僅能實現對輸出脈衝幅值、頻率、佔空比、波形的調節，以達到對不同加工條件的需求，適用於短電弧的各種加工條件，而且整機具有體積小、重量輕、效率高等優點，易於實現，成本低，利於廣泛推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的功能結構框圖。
[0018]圖2為本發明的主電路拓撲。
[0019]圖3為本發明的總體原理圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例:參見圖1至圖3，本實施例提供的一種電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其包括一級調製單元及與該一級調製單元相連接的二級調製單元，所述一級調製單元包括依次連接的全橋逆變電路、高頻變壓電路和次級整流濾波電路，所述二級調製單元包括均流斬波電路。
[0021]所述全橋逆變電路包括由4個IGBT組成的橋式逆變電路和母線電壓緩衝電容C2?C3，該母線電壓緩衝電容C2?C3連接在所述橋式逆變電路的直流母線上形成一母線電壓緩衝型緩衝電路。Ql?Q4為四個IGBT組成的橋式逆變電路，將前級的高壓直流電變換為正負對稱的方波脈衝交流電。電路採用移相PWM控制方式，其基本原理是每個橋臂的兩個開關管180度互補導通，兩個橋臂的導通之間相差一個相位，即移相角。通過調節此移相角的大小，來調節輸出電壓脈衝寬度，在變壓器副邊得到佔空比可調的正負半周對稱的交流方波電壓，達到調節輸出電壓的目的。全橋逆變結構採用ZVS PWM軟開關變換技術，利用功率管寄生電容或外接電容與高頻變壓器原邊漏感或外接電感的諧振來實現功率管的零電壓通斷，這樣可有效消除開光管的電壓應力，增加功率器件的使用壽命。C2、C3分別是前後橋臂的母線電壓緩衝電容，它直接接於IGBT逆變器的直流母線上，構成母線電壓緩衝型緩衝電路，能有效抑制由直流母線的寄生電感引起的尖峰電壓，但沒有直接轉移IGBT開關應力的作用。
[0022]所述高頻變壓電路包括一高頻變壓器及一與該高頻變壓器相連，並能隔離該高頻變壓器初級的直流分量的電容C4。所述高頻變壓器的磁芯採用軟磁鐵氧體材料製成。該材料特點顯著，具有飽和磁通密度高，剩餘磁感應強度低，磁滯損耗和渦流損耗小等優點。另夕卜，高頻變壓器的磁飽和抑制也是變壓器設計的一項重要內容，本電源選用兩個ECO公司的800V20uF電解電容並聯後串於變壓器初級繞組上，以抑制電壓器的偏磁現象，試驗證明效果明顯。高頻變壓器輸出次級整流濾波電路採用全波整流，每路整流器件採用多個肖特二極體並聯，其作用也是起到分流，降低單個二極體的載流能力，提高輸出功率。此處二極體並聯分流與上一段提到MOSFET並聯分流具有同樣的問題，那就是均流的效果，電流分流不均衡將導致某個功率管過熱損壞。因此，將功率管均勻分布於同一扇熱板上，使其工作於同樣的溫度環境下，這樣可達到較好的均流特性，對電源的性能也具有積極的作用。
[0023]參見圖2，Tr是一高頻變壓器，完成電源前後級的隔離與變壓功能。C4為隔直電流，由於逆變器輸出兩端伏秒值因各種原因不等而造成的變壓器偏磁現象，導致電源不能正常工作，C4可以隔離變壓器初級的直流分量，從而有效避免變壓器的偏磁現象。
[0024]所述次級整流濾波電路包括肖特二極體Dl?D2、穩流電感LI和大容量鋁電解儲能電容C5，所述肖特二極體Dl和肖特二極體D2分別與所述穩流電感LI 一端相連接，該穩流電感LI另一端與所述電容C5 —端相連接，該電容C5另一端與所述高頻變壓器相連接。
[0025]參見圖2，Dl、D2為二次整流肖特二極體，由它組成次級整流濾波電路，由於輸出迴路的大電流特性，整流二極體採用多個並聯，起到均流的作用，從而提高脈衝電源的輸出功率。L1、C5分別是穩流電感和大容量鋁電解儲能電容，它們既可以起到平緩電流的作用，也可以為斬波電路提供持續的供電能力。
[0026]所述均流斬波電路由四個相併聯的MOSFET組成。
[0027]參見圖2，Tl?T4為四個場效應管MOSFET並聯組成的均流斬波電路，該均流斬波電路功能是提供頻率、佔空比可調脈衝電流。並聯作用同肖特二極體相同，並聯均流以減少單個二極體的載流量，提高電源輸出功率。
[0028]該模塊功能是提供頻率、佔空比可調脈衝電流。並聯作用同肖特基快恢復二級管相同，並聯均流以減少單個二極體的載流量，提高電源輸出功率。
[0029]本實施例中，電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源還包括三相不控整流模塊，該三相不控整流模塊與所述全橋逆變電路相連接。
[0030]參見圖2，ZL表示三相不控整流，Cl為高耐壓、大容量鋁電解濾波電容，它們組成輸入級整流濾波電路，將三相380V交流電變換為514V左右的平滑高壓直流電。該整理電路結構簡單，且具有直流側輸出紋波電流小等優點。
[0031]本實施例中，電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源還包括與一級調製單元和二級調製單元相連接的驅動電路、控制板和單片機。所述單片機為16位高速單片機ARM7，所述控制板為移相集成控制晶片UC3879。該移相集成控制晶片UC3879主要產生四路圖騰柱全橋驅動信號，並完成對放電迴路的保護，以及對輸出電壓的恆壓閉環控制。單片機用於完成後級斬波驅動信號的輸出，並實現人機接口通訊。驅動電路主要功能是完成對驅動信號的功率放大以達到大功率開關器件的驅動閥值信號。
[0032]本實施例中，電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源還包括輸出電路、寄生電感Lr和續流二極體D3，所述寄生電感Lr 一端與輸出電路的正極相連接，該輸出電路的負極通過續流二極體D3與所述寄生電感Lr的另一端相連接。
[0033]參見圖2，Lr和D3分別為負載和線纜的寄生電感和迴路的續流二極體。由於迴路和負載寄生電感Lr的存在，在一個放電脈衝結束時，放電迴路任有寄生電感為負載放電，D3的作用則是為放電迴路提供放電通道，避免並聯場效應管承受額外電流而損壞。
[0034]本實施例中，電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源還包括EMI濾波電路、輸入軟啟動電路、風冷系統、輔助電源系統。
[0035]一級調製單元相當於一穩壓直流電源，完成的功能是為二級級調製單元提供穩定的可調直流電壓。其實，該直流電壓也可以直接通過工頻變壓器獲得，但是工頻變壓器效率較低，輸出直流紋波大，而通過DC/DC開關變換器代替工頻變壓器可有效地避免以上的缺點。二級級調製單元是一均流斬波電路，採用多個MOS管並聯組成，完成的功能是對負載提供持續的電流脈衝，並且可連續調節脈衝的頻率及佔空比。DC/DC變換器也可以為負載提供電流脈衝，但是由該變換器直接提供的電流脈衝具有固定的頻率和佔空比，不能完成本脈衝電源所需的功能。故本電源採用兩級調製電路結構，既能完成電源的多參數輸出功能，又能實現電源的高效，節能。DC/DC變換器主電路拓撲採用全橋變換結構，該結構輸出功率是半橋結構的兩倍，是大功率開關電源的首選結構。全橋結構中的功率變換器件採用絕緣柵極雙極性電晶體IGBT，該器件具有開關速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單、熱溫度性好、載流量大、阻斷電壓高等諸多優點，是作為大功率DC/DC變換器的首選開關器件。DC/DC變換器的直流電壓來自於三相不控整流，採用三相不控整流模塊對電網三相電整流濾波得到。該整流方式簡單方便，並且輸出直流紋波低。
[0036]本發明電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源實現具體功能如下:
[0037](I)電源對輸出脈衝頻率調節範圍50HZ-20KHZ ；
[0038](2)脈衝電壓幅值調節範圍3-36V ；
[0039](3)脈衝佔空比調節範圍0-90% ；
[0040](4)脈衝電源輸出電流峰值可達3000A，瞬時功率高達120KW ；
[0041](5)該電源具備穩壓、穩流兩種輸出模式，可任意切換；
[0042](6)電源具有過壓、欠壓、缺相、模塊故障、超溫、輸出過壓、輸出短路、故障顯示等保護電路，對電源起到實時的保護。
[0043]參見圖3，本發明電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源的具體工作流程如下:
[0044]三相380V經輸入電感L、空氣開關ZK後送入三相不控整流器ZL，輸入電感L防止電源啟動是的浪湧電流衝擊。輸入其中一輸入火線上的LH為交流互感器，它是利用電磁感應原理來測量輸入平均電壓。EMI為輸入電網濾波，一方面防止電網電壓浪湧對電源的損害，另一方面亦阻止電源對電網造成的汙染。
[0045]三相不控整流器右側有限流電阻R、線圈KM以及觸發板，它們組成電源輸入級軟啟動電路。其工作原理是:KM原態為斷態，當空氣開關ZK閉合電源接通，輸出經限流電阻R送入後級，R防止浪湧電流。此後，觸發板檢測輸入電壓趨於穩定後，觸發線圈KM，使其接通，將限流電阻R短路，以減小電源損耗。Cl為電容量鋁電解電容，用於三相整流後的濾波，LI則為逆變電路輸入穩流電感。
[0046]三相整流之後，由絕緣柵極雙極性電晶體IGBT QU Q2、Q3、Q4組成的全橋逆變電路，將整流濾波之後的平滑直流電逆變為高頻正負對稱脈衝交流電，這部分為電源核心，其工作的好壞直接影響整機電源的性能。C2為IGBT的緩衝電容器，它直接接於IGBT逆變器的直流母線上，構成母線電壓緩衝型的緩衝電路，它能有效抑制由直流母線的寄生電感引起的尖峰電壓，但沒有轉移IGBT開關應力的作用。C3、C4為IGBT寄生電容或外接電容，它與高頻變壓器原邊寄生電感或外接電感的諧振作用可實現移相控制ZVS PWM全橋變換器。
[0047]Tr為高頻變壓器，它將全橋逆變出的高壓脈衝方波降壓為所需的低壓電，並起到前後級隔離的作用。C5、C6為隔直電流，防止變壓器偏磁現象。Ml為一線圈，利用電磁感應原理將電流取樣後，經採樣電阻Rg轉換為電壓信號，送入過流保護電路以保證電源的過載損壞。
[0048]此後，由D1、D2組成的次級整流濾波電路將低壓脈衝交流轉換為脈衝直流。C7為大容量鋁電解電容，它將脈衝直流電存儲，為後級斬波電路提供功率源，L2為穩流電感。
[0049]霍爾電壓傳感器並聯於次級整流濾波輸出端，一方面檢測電源輸出電壓，用於輸出電壓顯示；另一方面用於恆壓輸出的閉環控制。霍爾電流傳感器串聯與次級整流濾波輸出端，檢測輸出電流的大小用於輸出電流顯示，同時也用於恆流輸出的閉環控制。
[0050]之後，由Tl、T2、T3、T4組成的均流斬波電路，採用高頻、大電流功率器件M0SFET，完成電源的脈衝形成，屬於電源的調頻模塊。D是輸出電路的續流二極體，為放電脈衝結束後的負載電感續流之用，避免功率管的損壞。
[0051]接著是電源的控制及驅動部分，控制板提供全橋驅動信號，經驅動板驅動全橋開關器件，此外完成輸出電壓電流的雙閉環控制及保護電路等。ARM板為後級斬波電路提供開關信號，經過渡板的光耦隔離後驅動後級開關管。ARM板和面板也實現人機互動，面板為用戶提供輸入按鍵和LED顯示。通過按鍵可以改變電源輸出脈衝的頻率、幅值、佔空比等參數，亦可通過LED顯示這些參數的變化。
[0052]最後是整機電源輔助部分，圖3中輸入級有六個熔斷器FU1-FU6，三相電經FU1-FU3後接入電源風扇，風扇起到功率管的散熱作用。FU4-FU6接入輔助變壓器輸入端，為變壓器過載提供保護。本電源輔助電源採用三個輔助變壓器，分別為Trl、Tr2、Tr3。Trl兩組輸出端分別為控制板及全橋驅動板供電，Tr2為後級驅動板提供輔助電源，Tr3為過渡板、面板、ARM板提供電源。
[0053]本發明電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源採用逆變式和斬波式脈衝電源相結合，完成兩級調製的數控脈衝調頻電源，前級採用逆變式結構，後級採用斬波式結構。該脈衝電源不僅能實現對輸出脈衝幅值、頻率、佔空比、波形的調節，以達到對不同加工條件的需求，適用於短電弧的各種加工條件，而且整機具有體積小、重量輕、效率高等優點，易於實現，成本低，利於廣泛推廣應用。
[0054]根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發明並不局限於上面揭示和描述的【具體實施方式】，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護範圍內。此外，儘管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，並不對本發明構成任何限制，採用與其相同或相似結構而得到的其它電源，均在本發明保護範圍內。
【權利要求】
1.一種電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，其包括一級調製單元及與該一級調製單元相連接的二級調製單元，所述一級調製單元包括依次連接的全橋逆變電路、高頻變壓電路和次級整流濾波電路，所述二級調製單元包括均流斬波電路。
2.根據權利要求1所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，所述全橋逆變電路包括由4個IGBT組成的橋式逆變電路和母線電壓緩衝電容C2?C3，該母線電壓緩衝電容C2?C3連接在所述橋式逆變電路的直流母線上形成一母線電壓緩衝型緩衝電路。
3.根據權利要求1所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，所述高頻變壓電路包括一高頻變壓器及一與該高頻變壓器相連，並能隔離該高頻變壓器初級的直流分量的電容C4，所述高頻變壓器的磁芯採用軟磁鐵氧體材料製成。
4.根據權利要求3所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，所述次級整流濾波電路包括肖特二極體Dl?D2、穩流電感LI和大容量鋁電解儲能電容C5，所述肖特二極體Dl和肖特二極體D2分別與所述穩流電感LI 一端相連接，該穩流電感LI另一端與所述電容C5 —端相連接，該電容C5另一端與所述高頻變壓器相連接。
5.根據權利要求4所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，所述均流斬波電路由四個相併聯的MOSFET組成。
6.根據權利要求1所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，其還包括三相不控整流模塊，該三相不控整流模塊與所述全橋逆變電路相連接。
7.根據權利要求1所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，其還包括與一級調製單元和二級調製單元相連接的驅動電路、控制板和單片機。
8.根據權利要求7所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，所述單片機為16位高速單片機ARM7，所述控制板為移相集成控制晶片UC3879。
9.根據權利要求1所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，其還包括輸出電路、寄生電感Lr和續流二極體D3，所述寄生電感Lr 一端與輸出電路的正極相連接，該輸出電路的負極通過續流二極體D3與所述寄生電感Lr的另一端相連接。
10.根據權利要求1所述的電弧切削工具機大功率數控脈衝調頻電源，其特徵在於，其還包括EMI濾波電路、輸入軟啟動電路、風冷系統和輔助電源系統。
【文檔編號】H02M9/06GK103973153SQ201310043216
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年2月5日 優先權日:2013年2月5日
【發明者】周建平, 梁楚華, 章翔峰, 何強, 姜宏, 許燕, 操窘 申請人:新疆大學