一種空氣等離子切割機單傳感器引弧電路及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于弧焊電源技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種空氣等離子切割單傳感器引 弧電路及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 弧焊電源是焊接設(shè)備中的重要組成部分，對弧焊設(shè)備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有重要意義，對 國家工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)?；『鸽娫词且环N低壓大電流輸出的，在動態(tài)響應(yīng)特性、可靠性方 面較一般電源要求更高的特殊電源?，F(xiàn)有等離子切割電源的主電路通常采用移相全橋拓 撲，實現(xiàn)電網(wǎng)和后級電路的隔離，確保切割操作的安全，而且通過選取諧振電容參數(shù)實現(xiàn)橋 臂的軟開關(guān)技術(shù)。等離子切割電源引弧方式分為接觸式引弧和非接觸式引弧兩種。接觸式 引弧無需使用高頻高壓，所以該方法對電源系統(tǒng)的干擾較小，適用于電流強度小于100A的 場合。非接觸式引弧需要通過高頻高壓將氣體電離，多用在大功率的切割電源中。
[0003] 現(xiàn)有的非接觸引弧方式，割槍噴嘴的電極接主電路輸出負極，工件接輸出正極，再 在輸出正極線上引出一根引弧線到割炬。這樣的連接就可以在割炬不觸碰工件的基礎(chǔ)上， 先在割炬和鎢極之間形成一個穩(wěn)定的橫弧，橫弧被氣管中壓縮的空氣吹到工件上，電弧從 割炬和鎢極間轉(zhuǎn)移到鎢極和工件間，完成了電弧的轉(zhuǎn)移，建立了縱弧。一般情況下，橫弧電 流是指引弧時鎢極和割炬之間的電流，引橫弧過程指從按下割槍開關(guān)到輸出電流達到某一 比較小電流值之間的過程，縱弧電流是指鎢極和工件之間的電流，引縱弧過程是指引橫弧 過程結(jié)束后到輸出電流穩(wěn)定期間的過程。
[0004] 當(dāng)前的引弧控制方法大多數(shù)都是基于兩個電流傳感器的設(shè)計，一個檢測引弧電 流，一個檢測主電路電流，而且對橫弧的控制方法多為電流閉環(huán)控制。
[0005] 現(xiàn)有的高頻非接觸引弧切割機有一缺點，即橫弧電流的限制是靠引弧線上的引弧 電阻來實現(xiàn)，該引弧電阻需要承受上千瓦的功率，經(jīng)常損壞，并導(dǎo)致切割機重量體積大，效 率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種空氣等離子切割單傳感器引弧 電路及其控制方法，旨在解決現(xiàn)有尚頻非接觸引弧電路引弧電阻功率等級尚、效率低的問 題。
[0007] 本發(fā)明提供了一種空氣等離子切割單傳感器引弧電路，包括引弧吸收模塊、維弧 模塊和濾波模塊；所述濾波模塊的輸入端用于連接移相全橋模塊的輸出端，所述濾波模塊 的輸出端用于連接至檢測模塊的輸入端；所述引弧吸收模塊的第一輸入端連接至所述濾 波模塊的輸出端，所述引弧吸收模塊的第二輸入端連接至高頻模塊的第二輸出端，所述引 弧吸收模塊的第一輸出端與移相全橋模塊的第二輸入端連接，所述引弧吸收模塊的第二輸 出端與所述維弧模塊的第一輸入端連接，所述引弧吸收模塊的第三輸出端與割炬連接；所 述維弧模塊的第二輸入端連接至所述濾波模塊的輸出端，所述維弧模塊的輸出端與割炬連 接。
[0008] 更進一步地，所述濾波模塊包括濾波電感Lp其一端作為所述濾波模塊的輸入端， 另一端作為所述濾波模塊的輸出端。
[0009] 更進一步地，所述引弧吸收模塊包括第一電容Q、第二電容C2、第三電容C 3和第三 電阻r3;所述第一電容c 4勺一端作為所述引弧吸收模塊的第一輸入端，所述第二電容C 2的 一端作為所述引弧吸收模塊的第二輸出端，所述第一電容(^的另一端和所述第二電容(:2的 另一端連接后作為所述引弧吸收模塊的第一輸出端；所述第三電容c3的一端和所述第三電 阻私的一端相連后作為所述引弧吸收模塊的第三輸出端，所述第三電容(:3的另一端和所述 第三電阻私的另一端相連后作為所述引弧吸收模塊的第二輸入端。
[0010] 更進一步地，所述維弧模塊包括第二電阻私、第一開關(guān)管Qi、第一二極管Di和引弧 瓷管電阻Rarc;所述第二電阻R 2的一端和所述第一開關(guān)管Q :的一端連接后作為所述維弧模 塊的第二輸入端，所述第二電阻私的另一端作為所述維弧模塊的第一輸入端；所述引弧瓷 管電阻Rarc的一端與所述第一開關(guān)管Q i的另一端連接，所述引弧瓷管電阻R _的另一端作 為所述維弧模塊的輸出端。
[0011] 本發(fā)明還提供了一種空氣等離子切割單傳感器引弧電路的控制方法，包括下述步 驟：
[0012] (1)判斷割槍開關(guān)是否閉合，若是，則轉(zhuǎn)入步驟（2);若否，則引弧過程結(jié)束；
[0013] (2)判斷檢測的輸出電壓是否大于等于閾值電壓，若是，則控制移相全橋模塊的輸 出占空比為零；若否，則控制移相全橋模塊的輸出占空比線性增加，使得所述移相全橋模塊 的輸出電壓線性增加；
[0014] (3)判斷檢測的輸出電流是否大于等于閾值電流，若是，則引橫弧過程結(jié)束；若 否，則返回至步驟（1)。
[0015] 更進一步地，所述閾值電壓為180V，所述閾值電流為20A。
[0016] 更進一步地，所述引橫弧過程分為三個工作模態(tài)，第一工作模態(tài)中，移相全 橋模塊的輸出占空比被置零后，第一電容(^開始放電，引弧瓷管電阻Rarc上的電流
其中，τ產(chǎn)!?_·(；，M〇) =UQ，U。為移相全橋輸出占空比置零時的輸 出電壓值，U"(0)為工作模態(tài)一初始時刻第一電容Q上的電壓，t為工作模態(tài)一的持續(xù)時 間，τ i為工作模態(tài)一等效電路的RC放電時間常數(shù)，R_為引弧瓷管電阻的阻值；C i為第一 電容(^的容值；
[0017] 第二工作模態(tài)中，第一電容Q放電結(jié)束后，第二電容C 2進行放電，引弧瓷管電阻上 的電流
：其中τ產(chǎn)（r_+r2) ·ε2，Μ〇) = UQ;U。為移相全橋輸出占空比 置零時的輸出電壓值，R2為第二電阻R2的阻值，C2為第二電容(： 2的容值，τ 2為工作模態(tài)二 等效電路的RC放電時間常數(shù)，Μ〇)為工作模態(tài)二初始時刻第二電容C2上的電壓；
[0018] 第三工作模態(tài)中，主電路給引弧環(huán)節(jié)提供能量，并同時給第一電容Q和第二電容 C2充電；引弧瓷管電阻的電流
A為輸入電源電壓，N為移相全橋變壓器原 副邊匝比，Rd為移相全橋占空比丟失等效電阻，D(t)為t時刻時移相全橋的輸出占空比。
[0019] 本發(fā)明還提供了一種引弧系統(tǒng)，包括輸入電源、移相全橋模塊、引弧電路、檢測模 塊、高頻模塊和控制模塊；所述移相全橋模塊的第一輸入端連接所述輸入電源，所述移相全 橋模塊的第二輸入端連接至所述引弧電路的第二輸出端和所述高頻模塊的第二輸出端，所 述引弧電路的第一輸入端連接至所述移相全橋模塊的輸出端，所述檢測模塊的輸入端連接 至所述引弧電路的第一輸出端，所述檢測模塊的第一輸出端和第二輸出端連接控制模塊， 所述檢測模塊的第一輸出端還連接工件；所述引弧電路的第二輸入端連接至所述高頻模塊 的第二輸出端，所述引弧電路的第三輸出端連接至割炬；所述高頻模塊的輸入端連接鎢極； 所述控制模塊的輸出端連接至所述移相全橋模塊的第三輸入端；所述引弧電路為上所述的 空氣等離子切割單傳感器引弧電路。
[0020] 更進一步地，所述控制模塊包括依次串聯(lián)連接的參數(shù)獲取模塊、占空比增速計算 模塊、引橫弧控制模塊和驅(qū)動模塊。
[0021] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用的是占空比線性 增加的控制策略，所以引弧電阻的功率大大降低，提高了切割機的效率；此外，在控制過程 中，并沒有檢測橫弧電流的大小，所以節(jié)省了器件成本，降低了切割機的重量和體積。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明實施例提供的引弧系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明實施例提供的引弧系統(tǒng)中引弧電路的具體電路圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明實施例提供的一種空氣等離子切割單傳感器引弧電路的控制方法 實現(xiàn)流程圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明實施例提供的移相全橋輸出電壓和輸出占空比示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明實施例提供的引橫弧的等效電路圖；
[0027] 圖6為本發(fā)明實施例提供的引橫弧的三個工作模態(tài)等效圖；
[0028] 圖7為本發(fā)明實施例提供的引橫弧過程中引弧瓷管電阻上電流和輸出電壓波 形圖。
【具體實施方式】
[0029] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0030] 本發(fā)明提出一種基于單傳感器引弧電路的控制方法，解決了現(xiàn)有高頻非接觸引弧 電路引弧電阻功率等級尚、效率低的問題，具有$父尚的轉(zhuǎn)