專利名稱：一種絕緣柵雙極型晶體管逆變空氣等離子切割機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種絕緣柵雙極型晶體管(即IGBT管)等離子弧切割機(jī)，屬金屬焊割設(shè)備。
空氣等離子弧切割機(jī)是僅用電和壓縮空氣便能實(shí)現(xiàn)大多數(shù)金屬材料切割的設(shè)備?？蓪δ壳敖^大部分金屬及非金屬材料進(jìn)行直線、曲線的快速熔化切割。為使空氣等離子弧切割機(jī)向體小、量輕、高性能、節(jié)能、高可靠性方向發(fā)展，目前國際上大力推廣和采用逆變電源技術(shù)。其技術(shù)主要體現(xiàn)在采用脈沖寬度調(diào)制即PWM調(diào)制電源輸出功率及所需輸出特性；采用達(dá)林頓晶體管、晶體管、場效應(yīng)管等電子器件作為逆變開關(guān)器件；采用半橋式、全橋式作為主要變換結(jié)構(gòu)。上述的逆變控制還存在一系列技術(shù)難點(diǎn)1、由于局限于PWM調(diào)制方式，其最大的特點(diǎn)就是強(qiáng)制逆變，即為實(shí)現(xiàn)逆變過程，必須強(qiáng)迫通斷每一個逆變開關(guān)器件。因而不可避免地對開關(guān)器件本身以至整個電源系統(tǒng)造成瞬時的電壓和電流沖擊，開關(guān)應(yīng)力很大。由此造成開關(guān)損耗大；開關(guān)電流、電壓瞬態(tài)沖擊大；需要可靠的吸收保護(hù)電路，以保證系統(tǒng)的正常工作；逆變頻率難于提高，難于在大或超大功率逆變電源上可靠的應(yīng)用。中國專利90221541.8《絕緣柵型雙極性晶體管弧焊逆變器》就是如此。
2、采用晶體管逆變或達(dá)林頓管逆變，其開關(guān)速度慢，開關(guān)損耗大，但其通態(tài)損耗小；而采用場效應(yīng)管作逆變開關(guān)器件，其開關(guān)速度快，損耗小，但其通態(tài)損耗大，大功率輸出時尤其突出。
3、采用半橋式逆變，其輸出功率范圍有限；采用全橋逆變又存在逆變平衡、直通、開關(guān)器件多且保護(hù)需完善可靠等一系列難點(diǎn)，不改變強(qiáng)迫逆變控制手段時更突出。此外，空氣等離子切割機(jī)還需要可靠的、小型或微型化的、系統(tǒng)抗引弧和其他干擾性能強(qiáng)、程序控制合理的引弧裝置，為此如何設(shè)置一系列保護(hù)措施以保證機(jī)器的正常工作呢？本實(shí)用新型的目的是提供一種IGBT管逆變空氣等離子弧切割機(jī)，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或解決上述難題。該機(jī)采用脈沖寬度調(diào)制與零電流關(guān)斷、零電壓開通諧振逆變控制技術(shù)(即PWM－ZCC／ZVC)，以達(dá)到1、大幅度減小強(qiáng)迫通斷橋式逆變電路中開關(guān)器件的通斷損耗；改善逆變電路次級整流器件(主要是快速恢復(fù)二極管)的工作條件，使整流導(dǎo)通與截止轉(zhuǎn)換損耗減??；徹底消除逆變橋中開關(guān)管關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓反激，減弱開通瞬間的電流尖峰和電壓振蕩，不需任何瞬態(tài)吸收保護(hù)，橋式逆變電路簡單明了；由于保留PWM調(diào)制，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)簡單實(shí)用，使逆變過程效率得以進(jìn)一步提高，體積重量進(jìn)一步減小，實(shí)現(xiàn)逆變電源大或超大功率輸出并具備理想的恒流特性。
2、采用吸收了晶體管、場效應(yīng)管的優(yōu)點(diǎn)、克服其缺點(diǎn)的IGBT管作為開關(guān)器件，使逆變結(jié)構(gòu)和工作電路簡化，可靠性增加，體積和重量進(jìn)一步減小。
3、合理地解決PWM調(diào)制、ZCC控制和ZVC控制三者之間的約束關(guān)系，使系統(tǒng)能在切割或焊接等負(fù)載動態(tài)變化極大的場合(如空載、負(fù)載、短路變化)正常工作。
4、解決引弧器小型化、輕量化及電路系統(tǒng)抗干擾能力差的問題。并合理地設(shè)置多重保護(hù)環(huán)節(jié)，使該機(jī)能正?？煽窟\(yùn)行。
附


圖1為本實(shí)用新型電路原理圖；附圖2 為本實(shí)用新型主控電路即脈沖寬度調(diào)制與零電流零電壓諧振開關(guān)聯(lián)合控制逆變PWM－ZCC／ZVC主電路原理框圖；附圖3為本實(shí)用新型零電流零電壓ZCC／ZVC驅(qū)動電路原理圖；附圖4為本實(shí)用新型引弧電路原理圖。
參照
圖1，網(wǎng)路工頻交流電經(jīng)主開關(guān)K1、交流接觸器CJ1連接到整流橋ZL1之交流端，經(jīng)ZL1高壓整流器以及濾波電容C1、C2而直接整流獲得高壓直流。其正端與逆變?nèi)珮蛏隙讼噙B，負(fù)端串聯(lián)傳感器T1后與逆變?nèi)珮蛳露讼嗦?lián)；逆變?nèi)珮蛴蒕1－Q4四個IGBT管組成四個橋臂，電容C4、C5分別并聯(lián)在Q2、Q4管的集電極和發(fā)射極之間；高頻變壓器B1與傳感器T2和電容C6串聯(lián)后跨接于全橋兩端。在全橋結(jié)構(gòu)中，Q2、Q4組成ZVC零電壓開通半橋臂，Q1、Q3組成ZCC零電流關(guān)斷半橋臂，兩半橋互補(bǔ)，從而組成ZCC／ZVC逆變?nèi)珮?，且在Q1－Q4管上無須加入任何吸收電路。當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3斷開時電流正向流通；當(dāng)Q1、Q4斷開Q2、Q3導(dǎo)通時，電流逆向流通，從而使B1初級兩端流過高頻電流，實(shí)現(xiàn)直流變交流的變換即逆變過程。
高頻變壓器B1次級采用中心抽頭繞組輸出，并與整流二極管ZL2A、ZL2B組成抽頭式全波整流方式，將B1變換到次級的高頻交流電經(jīng)整流而獲得直流輸出，經(jīng)濾波電抗器L1濾波得到平滑的直流電流即切割電流。在L1與該直流輸出正端間跨接RC旁路電路，引弧升壓變壓器B4與RC旁路構(gòu)成切割所需的高頻引弧回路，作引燃電弧之用；正端還串聯(lián)分流器FL1，以提取切割電流反饋信號，并輸出至切割工件作為正極。而割炬作為輸出的負(fù)極，通過逆變電源切割電流負(fù)反饋控制獲得恒定的切割電流輸出。
主控板即PWM－ZCC／ZVC主控電路，其19端接收T2送來的逆變電流信號，同時主控板6、7端，接收從高頻變壓器B1送來的逆變電壓信號，兩者作為主控板內(nèi)部ZCC／ZVC電路中的零電流檢測電路LJ的信號輸入(見圖2)。切割輸出回路中的FL1檢測輸出反饋電流信號，送入主控板的8、9端，作為圖2中光電隔離反饋放大電路GGF之輸入信號。主控板分配輸出的四路脈沖信號即圖2中a、b、c、d脈沖信號，通過1－4端分別對應(yīng)輸出至ZCC／ZVC驅(qū)動電路板中，由該驅(qū)動電路分離處理獲得四組獨(dú)立的驅(qū)動脈沖信號A、B、C、D(見圖3)，并通過其板上20A、21A、22A－20D、21D、22D端分別輸送到逆變?nèi)珮蛑蠶4、Q2、Q1、Q3管的發(fā)射極、柵極、集電極上，對應(yīng)地控制Q1－Q4管之通斷，由此形成一個由PWM調(diào)制輸出的電流閉環(huán)控制、由零電流零電壓ZCC／ZVC電路控制時序調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其工作原理為A、B脈沖為ZVC半橋服務(wù)，驅(qū)動電路A或B脈沖的出現(xiàn)，首先取決于PWM－ZCC／ZVC電路a或b脈沖的有無，其次取決于Q4或Q2管的兩端即集電極與發(fā)射極之間電壓UCE是否為零，當(dāng)兩個條件同時滿足則A或B驅(qū)動脈沖輸出，驅(qū)動Q4或Q2管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電壓開通，強(qiáng)迫關(guān)斷的過程。C、D脈沖為ZCC半橋服務(wù)，C或D脈沖的出現(xiàn)和消失取決于c或d的出現(xiàn)，而c或d出現(xiàn)由PWM－ZCC／ZVC主控板直接控制獲得，其消失由上述ZCC／ZVC時序閉環(huán)調(diào)節(jié)過程決定，實(shí)質(zhì)是取決于逆變橋由通態(tài)向斷態(tài)轉(zhuǎn)換過程中電流是否變?yōu)榱慊蜻^零，此條件滿足時c或d消失并使C或D消失，實(shí)現(xiàn)對Q1、Q3管的強(qiáng)迫開通，零流關(guān)斷過程。設(shè)在某一時刻，Q1、Q4管導(dǎo)通，Q2、Q3斷。逆變電流經(jīng)Q1、C7、B1、Q4形成回路，處于正常通態(tài)逆變過程。當(dāng)A脈沖消失時，Q4管關(guān)斷，此時回路中的C6、B1、C4、C5及其他寄生電感、電容形成LCR諧振，Q4管上的電壓在諧振過渡中由零變成高壓，而Q2則由高壓變成零，滿足零壓開通條件而導(dǎo)通。此時逆變電流也由通態(tài)值減小過零或?yàn)榱?，從而控制關(guān)斷Q1管，這樣就完成了半個周期的逆變。當(dāng)C脈沖出現(xiàn)時，Q3管導(dǎo)通，開始另外半個周期的逆變過程。為使高頻變壓器B1能夠傳輸所需的功率，可通過調(diào)節(jié)通態(tài)時間即脈沖寬度來達(dá)到即PWM調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)既保證輸出的調(diào)節(jié)，又保證ZCC／ZVC過程的實(shí)現(xiàn)。
傳感器T1檢測逐個脈沖的過流信號，輸至主控板的14端，以便通過圖2中的逐脈沖保護(hù)電路ZM對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。傳感器T3檢測引弧信號，輸至主控板的15端，為程序控制服務(wù)。切割電流調(diào)節(jié)電路由R13、RW1、DW1、D5、D6、R7構(gòu)成，由RW1調(diào)節(jié)出一給定信號并輸至主控板的16端，即圖2中給定電路GD輸入端。溫度繼電器KT1、KT2串聯(lián)后與主控板17端相連，檢測過熱信號，起過熱保護(hù)作用?？刂谱儔浩鰾2為PWM－ZCC／ZVC主控電路和和引弧電路提供交流電源；驅(qū)動變壓器B3為驅(qū)動電路提供交流電源，同時其一組3V電源作為缺相信號輸至主控板18端，起缺相保護(hù)作用。主控板通過10－13端控制電磁氣閥、交流接觸CJ1動作，由啟動開關(guān)QT啟動系統(tǒng)工作，顯示電路LED PCB顯示機(jī)器的工作狀態(tài)。
圖2為主控電路原理框圖，
圖1體現(xiàn)了該主控電路與其它電路之間的連接關(guān)系。該電路完成如下幾個功能產(chǎn)生頻率固定、脈寬可調(diào)的脈沖，用來調(diào)節(jié)切割機(jī)輸出功率；產(chǎn)生符合ZCC／ZVC橋式逆變所需的時序脈沖信號；具備反饋調(diào)節(jié)功能以控制切割機(jī)輸出電流大?。痪邆涑绦蚩刂乒δ芤詫?shí)現(xiàn)切割機(jī)正常合理的動作；具備多重保護(hù)功能；提供系統(tǒng)工作所需的直流穩(wěn)壓電源。
圖2中以PWM脈寬調(diào)制器及其外圍元件構(gòu)成整個系統(tǒng)的控制核心。首先由外部RC元件與內(nèi)部振蕩電路決定整個控制系統(tǒng)逆變頻率，并提供給PWM調(diào)制器內(nèi)部其它電路產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號；其次接收給定電路GD以及反饋電路GGF送來的信號，兩者經(jīng)誤差放大比較后，經(jīng)內(nèi)部PWM調(diào)制成脈寬可變、頻率固定的兩路脈沖P1、P2；同時接收偏磁檢出電路PJ檢出的信號，根據(jù)其信號大小來分別調(diào)節(jié)P1、P2的脈沖寬度，達(dá)到逆變平衡過程；還接收各路送來的關(guān)斷信號實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作過程的保護(hù)和過程控制。
ZCC／ZVC即零電流零電壓控制電路由時序邏輯處理電路LC，觸發(fā)器1＃－4＃，脈沖驅(qū)動電路QD以及零電流ZCC檢測處理電路(LJ、TS、MZ)構(gòu)成。首先由P1、P2脈沖輸入到邏輯處理電路LC中，根據(jù)對P1、P2脈沖時序關(guān)系的處理，向1＃－4＃觸發(fā)器輸出多路脈沖信號以控制觸發(fā)器之觸發(fā)、置位、復(fù)位等功能。1＃、2＃觸發(fā)器輸出對稱方波脈沖a、b，并與P1、P2保持確定的對位關(guān)系；3＃、4＃觸發(fā)器發(fā)出寬度由P1、P2以及逆變回路諧振參數(shù)決定的脈沖c、d。該回路脈沖經(jīng)各自的推挽電路QD驅(qū)動后輸出，同時這些(包括其反相)信號反輸至邏輯處理電路LC中以實(shí)現(xiàn)信號間的相互約束，保證有序而不出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。ZCC檢測電路接收逆變主回路中T2以及B1送來的電流、電壓信號(見
圖1中14、6、7端)，經(jīng)過零檢測電路LJ檢出后，由同步識別電路TS加以判斷，然后經(jīng)過脈沖整形電路MZ而獲得零流關(guān)斷脈沖，并送入邏輯處理電路中LC處理，以控制3＃、4＃觸發(fā)器輸出關(guān)閉信號，從而形成一個在時序上部分閉環(huán)的輸出數(shù)字控制電路。
空氣等離子弧切割靠高頻引弧來點(diǎn)燃，為防止高頻引弧干擾串入控制電路中影響整個系統(tǒng)的正常工作，特別設(shè)計(jì)了線性光電隔離反饋放大電路GGF。該電路既能有效地防止干擾進(jìn)入主控電路，又能真實(shí)地檢出輸出切割電流信號。GGF電路信號放大端采用與主控電路完全獨(dú)立的穩(wěn)壓電源WY2供電，檢測信號直接從切割回路FL1上獲取。
圖1中FL1輸送至主控板8、9端的信號經(jīng)線性放大后，由GGF電路傳輸?shù)街骺仉娐分小Ｔ撔盘栆环矫嫱ㄟ^輸出過流保護(hù)電路SG判斷輸出是否超出設(shè)定值，另一方面通過反饋適配電路FS輸至PWM調(diào)制器的誤差放大器負(fù)端；同時通過機(jī)器面板元件RW1調(diào)節(jié)出一給定信號，送入
圖1中主控板16端，經(jīng)給定電路GD送入PWM調(diào)制器誤差放大器之正端。反饋信號與給定信號經(jīng)誤差比較放大后，由PWM調(diào)制出脈寬取決于給定與反饋之誤差放大值的脈沖信號P1、P2，經(jīng)PWM－ZCC／ZVC主控電路及ZCC／ZVC驅(qū)動電路使逆變主回路在此脈寬條件下工作，通過B1傳輸給切割回路一定的切割電流，直至反饋電流值與給定電流值達(dá)到某一平衡為止。由于閉環(huán)回路采用電流深度負(fù)反饋調(diào)節(jié)方式，在設(shè)定了給定電流值后，其反饋電流以及實(shí)際的切割電流值也就確定不變，從而獲得所需的恒流特性，通過調(diào)節(jié)RW1上的給定值，也就調(diào)節(jié)了實(shí)際切割電流。
橋式逆變時B1磁芯工作于對稱狀態(tài)，但由于各種因素，會使逆變過程不平衡而造成偏磁不對稱工作現(xiàn)象，引起逆變過流等甚至不能正常工作。在PWM－ZCC／ZVC主控板內(nèi)設(shè)置了偏磁調(diào)節(jié)電路，主控板通過B1變換出的電壓信號(
圖1中輸至主控板6、7端)輸至偏磁檢測電路PJ以檢測逆變過程是否平衡。該偏磁信號經(jīng)同步調(diào)整電路TT對PWM調(diào)制器進(jìn)行調(diào)整，獨(dú)立地改變PWM輸出脈沖P1、P2之寬度，以達(dá)到調(diào)節(jié)偏磁的目的。
多重保護(hù)環(huán)節(jié)是指具有逐個脈沖過流保護(hù)電路ZM、缺相保護(hù)電路QX、過熱保護(hù)電路GZ、偏磁調(diào)節(jié)電路、程序控制保護(hù)電路CB、故障保護(hù)電路GZ及輸出過流保護(hù)電路等保護(hù)功能。其中逐個脈沖保護(hù)電路ZM是指在逆變主回路中特設(shè)的快速逐脈沖過流檢出傳感器T1，當(dāng)逆變主回路任何時候電流值超過設(shè)計(jì)值時，該傳感器會輸出過流脈沖信號，輸至主控板14端通過其上的ZM電路進(jìn)行處理。一方面立即關(guān)斷PWM調(diào)制器中的當(dāng)前脈沖，起逐脈沖保護(hù)作用，另一方面，通過適時控制判斷過流狀態(tài)是否超過一定時間(如5μs)。如過流狀態(tài)超時，則認(rèn)為是故障狀態(tài)，而使整個逆變過程關(guān)閉停止，同時輸出報(bào)警以示用戶。
過熱保護(hù)電路GZ
圖1中KT1、KT2等為串聯(lián)常閉型的溫度開關(guān)，其動作溫度設(shè)定在85－90℃，緊貼于發(fā)熱元件IGBT模塊以及次級整流元件之旁。當(dāng)工作溫度超過設(shè)定值時，溫度開關(guān)動作，給主控板傳送過熱信息，
圖1中輸至其17端，通過GZ電路停止系統(tǒng)工作，同時報(bào)警以示用戶。
缺相保護(hù)電路QX此為三相用電時設(shè)計(jì)，缺相時由B3輸入主控板中18端缺相保護(hù)電路，使系統(tǒng)關(guān)斷。
過流保護(hù)電路NG和SG過流保護(hù)電路分為兩個部分，其一是檢出主回路中逆變電流信號，由
圖1中T2輸送至主控板19端，以檢測逆變交流電流是否過流；其二是檢出輸出電流是否過流，此信號由反饋電路給出。
程序保護(hù)電路CB此電路控制系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉，保證設(shè)備中各個動作過程與逆變電源工作相匹配。
穩(wěn)壓電源電路由控制變壓器B2輸出多路交流電源，通過主控板內(nèi)部整流、濾波、穩(wěn)壓獲得WY1、WY2兩路獨(dú)立的直流電源，其中WY1作為主電源，為整個控制電路供電；而WY2則專為光電隔離的反饋放大電路供電。
程序控制電路由氣閥控制QK、主繼電控制CJK、引弧控制YHK以及轉(zhuǎn)移弧控制ZYK而完成開啟氣閥、閉合主回路、啟動逆變控制、引弧、轉(zhuǎn)移電弧等動作。
ZCC／ZVC驅(qū)動電路為逆變橋中開關(guān)管提供通斷脈沖，是連接PWM－ZCC／ZVC主控電路與逆變回路不可缺少的中間環(huán)節(jié)。其原理圖見圖3。由PWM－ZCC／ZVC輸出a－d四路脈沖信號，見
圖1中主控板1－4端至驅(qū)動板。該四路脈沖經(jīng)光電隔離進(jìn)入四個獨(dú)立的驅(qū)動電路，其中a、b路為ZVC零電壓驅(qū)動電路，c、d路為ZCC驅(qū)動電路。ZVC驅(qū)動電路工作過程如下由PWM－ZCC／ZVC主控板輸出脈沖a，經(jīng)光電隔離傳輸?shù)矫}沖整形電路ZX整形后輸出至與門入端；同時，開關(guān)管集電極電壓信號經(jīng)非門輸入至與門另一端。當(dāng)a脈沖出現(xiàn)且開關(guān)管電壓為零時，與門才能獲得脈沖輸出A，經(jīng)推挽驅(qū)動相應(yīng)的開關(guān)管。當(dāng)a脈沖消失時，驅(qū)動脈沖A亦消失實(shí)現(xiàn)ZVC控制。ZVC驅(qū)動電路亦有自保護(hù)功能，如出現(xiàn)開關(guān)管電壓不為零等異常情況時，會自動關(guān)閉。b路驅(qū)動原理與a路相同。ZCC驅(qū)動電路與ZVC驅(qū)動電路稍有不同，其工作過程如下脈沖C輸入后經(jīng)光電隔離、整形輸入至與門入端，由與門直接輸出高電平，經(jīng)推挽驅(qū)動相應(yīng)的開關(guān)管，使其導(dǎo)通。同時該驅(qū)動脈沖C經(jīng)RC延時后，選通非門電路，以檢測開關(guān)管電極電壓，當(dāng)電壓為零(近似為零)時，非門輸出仍為高電平以保持與門驅(qū)動脈沖輸出。當(dāng)電壓不為零時，非門輸出為零以關(guān)閉與門輸出，同時通過光耦合至主控板中(見
圖1中驅(qū)動板輸至主控板5端)，此功能為保護(hù)開關(guān)管過流而設(shè)。D路與C路同理。由上述可見，ZCC／ZVC驅(qū)動電路必須與PWM－ZCC／ZVC電路相配合才能使逆變回路實(shí)現(xiàn)PWM－ZCC／ZVC完整過程。
圖4為引弧電路原理框圖。逆變式空氣等離子切割機(jī)，除其電源部分小型化、輕量化外，引弧器亦需小型化、輕量化，傳統(tǒng)的高頻引弧器不能滿足此要求。本機(jī)中專門設(shè)計(jì)了一種小型量輕的引弧器，其工作原理基于單端反激逆變升壓原理，由引弧電路板和升壓變壓器B4以及跨接的旁路RC元件組成(見
圖1)。系統(tǒng)工作時，變壓器B2輸出一路交流電經(jīng)整流濾波后獲得直流電源E；由主控板程序控制輸出一開關(guān)信號啟動或關(guān)閉引弧器，見
圖1中主控板30端至引弧板30端。12V電源通過氣壓開關(guān)后送入引弧電路中，作為其工作電源。引弧電路輸出端34、35與B4初級相連，而B4次級串聯(lián)于切割輸出回路中。當(dāng)開啟信號到來時，通過關(guān)閉／啟動電路K使脈沖發(fā)生器MF振蕩輸出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動場效應(yīng)管Tr1導(dǎo)通或關(guān)斷，當(dāng)脈沖到來時Tr1導(dǎo)通，E向KB供電，由于次級D1的阻斷作用使KB能量無法傳輸給次級負(fù)載，因而形成E向KB充電儲能的過程，直到驅(qū)動脈沖消失為止。驅(qū)動脈沖消失則使Tr1關(guān)斷，KB儲能通過反激方式傳輸給次級，使D8導(dǎo)通，C7充電。由于KB制成升壓結(jié)構(gòu)，使C7充上高壓若干脈沖后，KB將其能量不斷傳輸給次級，使C1電壓逐漸升高至某一高壓(約2000－3000V)，從而使FD1火花放電器擊穿放電。C7與升壓變壓器B4形成LC高頻振蕩，其高頻高壓通過B4進(jìn)一步提升后送入切割回路中，靠擊穿工件與割炬間隙而引起電弧。調(diào)節(jié)引弧器中的調(diào)節(jié)電路TJ可改變引弧的頻度，通過合理選擇火花放電器間隙以及合理設(shè)計(jì)C1及B4可獲得良好的引弧效果。
參照
圖1，合上開關(guān)后整機(jī)上電。機(jī)器面板指示燈POWER亮，壓縮空氣使氣壓開關(guān)QK1閉合，指示PRES亮，此時，機(jī)器可以進(jìn)行操作。當(dāng)割炬上操作開關(guān)QT閉合后，OPER指示燈亮，此時QT閉合信號通過K4自鎖。選擇開關(guān)后進(jìn)入主控板中，由主控板程序電路發(fā)出一系列動作信號，首先立即啟動電磁氣閥QT使壓縮空氣立即輸至割炬端，延時約一秒后，使主回路接觸器CJ1閉合，主回路通電，同時啟動逆變控制電路工作及引弧器工作，通過引弧使電弧點(diǎn)燃。電弧建立后，通過L1上SENSOR檢出燃弧信號使引弧器關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入正常切割過程。停止操作時由QT送入關(guān)閉信號，使逆變控制電路立即關(guān)閉，電弧熄滅，延時約8秒后停止送氣，約25－30秒后主電路CJ1斷開，整機(jī)處于待工作狀態(tài)。此外，當(dāng)機(jī)器缺相、過熱以及故障時會通過面板顯示W(wǎng)ARNING信號并報(bào)警。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、使逆變過程中的開關(guān)損耗降低一倍以上。
2、使關(guān)斷反激電壓消失，開通電流沖擊減小。
3、使逆變橋無須吸收保護(hù)，逆變主電路變得非常簡單實(shí)用。
4、采用IGBT管作逆變開關(guān)元件，使整機(jī)可靠性得以進(jìn)一步提高。
5、使次級整流過程更合理。
6、整機(jī)具有良好的可靠性、高效節(jié)能、更小的體積、重量及更大的適用范圍。
權(quán)利要求1.一種絕緣柵雙級型晶體管逆變空氣等離子弧切割機(jī)，以脈沖寬度固定調(diào)制技術(shù)、零電流和零電壓開關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用全橋逆變方式，用IGBT晶體管做橋臂開關(guān)元件，包括逆變主回路、切割輸出回路、主控電路、驅(qū)動電路、引弧電路以及相關(guān)的外圍電路，其特征是1)逆變回路包括由Q1-Q4四個IGBT管組成的逆變?nèi)珮颍?)PWM-ZCC/ZVC主控電路接收由切割輸出回路中分流器FL1送來的輸出信號、高頻變壓器B1送來的逆變電壓信號和逆變主回路傳感器T2送來的逆變電流信號，向零電流零電壓ZCC/ZVC驅(qū)動電路輸送脈沖信號，由ZCC/ZVC驅(qū)動電路處理出驅(qū)動信號，輸至逆變?nèi)珮蛑虚_關(guān)元件Q1-Q4的控制端，控制其開通和關(guān)斷，從而變直流為交流，輸?shù)紹1的初級并通過其向次級及切割輸出回路輸出，3)引弧電路由引弧電路板、初級接于引弧電路板而次級串接于切割回路的升壓變壓器B4和跨接的旁路RC元件組成，從主控電路獲得啟動或關(guān)閉信號。
2.如權(quán)利要求1所述的切割機(jī)，其特征是逆變橋中Q2、Q4兩IGBT管的集電極和發(fā)射極之間并聯(lián)有電容C4、C5，Q2、Q4管組成零電壓ZVC開通半橋臂，Q1、Q3組成零電流ZCC關(guān)斷半橋臂，逆變?nèi)珮蚺c相互串聯(lián)后跨接于全橋兩端的高頻變壓器B1、傳感器T2和電容C8一起構(gòu)成逆變回路的主體。
3.如權(quán)利要求1所述的切割機(jī)，其特征是主控電路包括PWM調(diào)制器、ZCC／ZVC電路、反饋與給定電路GGF、偏磁調(diào)節(jié)電路、多重保護(hù)電路、程序控制電路，GGF電路給定電壓信號并與從輸出電路獲得、經(jīng)反饋處理的反饋信號一起輸入到PWM調(diào)制器，由調(diào)制器輸出兩路信號P1、P2到ZCC／ZVC電路，經(jīng)其處理后輸出四路脈沖信號到ZCC／ZVC驅(qū)動電路。
4.如權(quán)利要求3所述的切割機(jī)，其特征是主控電路中的PWM調(diào)制器內(nèi)部與外部RC元件構(gòu)成決定整個控制系統(tǒng)逆變頻率的振蕩電路。
5.如權(quán)利要求3所述的切割機(jī)，其特征是主控電路中的偏磁調(diào)節(jié)電路由偏磁檢測電路PJ、同步調(diào)整電路TT組成，B1送到主控板的電壓信號經(jīng)PJ電路檢測，判斷逆變過程是否平衡，檢出的偏磁信號經(jīng)TT電路調(diào)整輸至PWM調(diào)制器。
6.如權(quán)利要求3所述的切割機(jī)，其特征是主控電路中保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的多重保護(hù)電路包括逐個脈沖保護(hù)電路ZM、過熱保護(hù)電路GZ、缺相保護(hù)電路QX、過流保護(hù)電路NG和SG、程序保護(hù)電路CB等電路。
7.如權(quán)利要求3所述的切割機(jī)，其特征是主控電路中的ZCC／ZVC電路包括邏輯處理電路LC、觸發(fā)器1＃－4＃、脈沖驅(qū)動電路QD以及零電流ZCC檢測處理電路LJ、TS、MS，LC電路接收調(diào)制器送來的P1、P2脈沖后，向1＃－4＃觸發(fā)器輸出多路控制其觸發(fā)、置位、復(fù)位等功能的脈沖信號，各觸發(fā)器輸出的脈沖經(jīng)各自的QD電路驅(qū)動后輸出到ZCC／ZVC驅(qū)動電路，ZCC檢測電路接收逆變主回路中T2及B1輸送來的電流、電壓信號并加以處理，獲得零電流關(guān)斷脈沖后輸至LC電路中。
8.如權(quán)利要求1所述的切割機(jī)，其特征是ZCC／ZVC驅(qū)動電路包括四路相互獨(dú)立的驅(qū)動電路，其中兩路為零電壓ZVC驅(qū)動電路，接受1＃、2＃觸發(fā)器發(fā)出并經(jīng)相應(yīng)QD電路驅(qū)動的脈沖，經(jīng)處理后驅(qū)動Q2、Q4管，另兩路為零電流ZCC驅(qū)動電路，接受3＃、4＃觸發(fā)器發(fā)出并經(jīng)相應(yīng)QD電路驅(qū)動的脈沖，用于驅(qū)動Q1、Q3管。
9.如權(quán)利要求8所述的切割機(jī)，其特征是ZCC／ZVC驅(qū)動電路中，ZVC驅(qū)動電路包括光電耦合器、整形電路ZX、與門電路、非門電路及推挽輸出電路，ZCC驅(qū)動電路包括光電耦合電路、整形電路ZX、RC電路、與門電路、非門電路及推挽輸出電路。
10.如權(quán)利要求1所述的切割機(jī)，其特征是引弧電路中的引弧電路板包括整流電源、與電源相接并互相串聯(lián)組成逆變器的變壓器KB和場效應(yīng)管TR1，KB的次級有火花放電器FD1和貯能電容C7并與升壓變壓器B4相連，TR1控制極與脈沖發(fā)生器MF的輸出端相接，主控電路輸送開關(guān)信號到關(guān)閉／啟動電路K使MF振蕩輸出驅(qū)動脈沖控制TR1的通斷。
專利摘要一種絕緣柵雙極型晶體管(IGBT管)逆變空氣等離子弧切割機(jī)，以IGBT管做為全橋逆變結(jié)構(gòu)中的開關(guān)元件，采用脈寬調(diào)制與零流零壓諧振開關(guān)即PWM-ZCC/ZVC聯(lián)合控制方式，大幅度降低了開關(guān)損耗及開關(guān)時的電流電壓沖擊，極大地改善了逆變過程的開關(guān)條件并具備多重保護(hù)功能，其引弧器采用單端反激逆變升壓結(jié)構(gòu)。該機(jī)具有高可靠性、高性能、高效率，整機(jī)趨向小型化、大或超大功率，適用于幾乎所有金屬材料的高質(zhì)量切割。
文檔編號B23K10/00GK2207258SQ9423191
公開日1995年9月13日 申請日期1994年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月29日
發(fā)明者韋偉平, 雷麗平 申請人:廣東金泰企業(yè)集團(tuán)公司, 韋偉平, 雷麗平