寬范圍等離子切割機(jī)電流源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種無需降壓變壓器、寬范圍直流電流范圍的等離子切割直流電源，具體地，涉及一種寬范圍等離子切割機(jī)電流源。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)用等離子切割裝置是由機(jī)械設(shè)備、電控設(shè)備、供氣設(shè)備等組成，其中電控設(shè)備包括電源系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、割炬系統(tǒng)和ECAN總線，電源系統(tǒng)又包括等離子電源、引弧箱、氣控箱、冷卻系統(tǒng)、管線等主要部分。
[0003]等離子電源是機(jī)用等離子切割裝置的核心部件之一，按照其發(fā)展歷程，先后可以包括各式硅整流式電源、晶閘管整流式電源、逆變式電源以及斬波式電源。其中，逆變式電源、斬波式電源是最具發(fā)展?jié)摿Φ碾娫礄C(jī)種。逆變式電源適合輸出電流位于30A-200A、20kff以下的應(yīng)用場(chǎng)合。鑒于整體成本較低、效率較高、控制方便和便于容量擴(kuò)充，尤其切割電流質(zhì)量較高，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(jí)已經(jīng)由130A、260A、400A、530A、650A、800，甚至達(dá)到1000A，用于切割更厚的金屬板材和管材，功率等級(jí)也由22kW超175kW方向增加。正常工作時(shí)，等離子弧柱電壓范圍為50-175V(260A等級(jí))、50-150V(130A等級(jí))左右，但是輸出電流等級(jí)與切割機(jī)容量配置有關(guān)，輸出特性為快速下垂特性。
[0004]原有的斬波式電源為了獲得較低的直流輸出電壓，功率電路一般配置如下:
[0005](I)采用三相降壓變壓器和三相二極管不控整流器，輸入三相380V交流正弦電壓，得到三相220V交流電壓，經(jīng)過整流器后得到空載311V左右的直流電壓，降壓與整流效率只有0.98*0.98 = 0.96左右；
[0006](2)采用單級(jí)斬波(降壓)BUCK DC-DC變換器，由于輸出直流電壓較低，輸出電流較低時(shí)占空比較大，不會(huì)出現(xiàn)占空比較低以及相關(guān)問題，斬波降壓的效率只有0.94-0.96，
[0007]結(jié)果，最后使得整機(jī)效率可達(dá)0.88-0.94，采用軟開關(guān)技術(shù)可以提升效率到0.96左右。由于降壓變壓器采用了 Υ/Υ Δ結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達(dá)0.88 (輸出130A)和0.98 (輸出 260A)ο
[0008]對(duì)于大功率的斬波式電源，為了改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，只能采用多次級(jí)繞組的大功率降壓變壓器，可以將網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提升到接近于1，而且降壓變壓器起到電氣隔離作用，有利于改善等離子切割機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且無需軟上電環(huán)節(jié)。但是降壓變壓器體積龐大，非常笨重，消耗材料以及運(yùn)輸成本較多，而且變換效率也不高，一般不高于
0.96-0.98。對(duì)于功率不是特別高的斬波式電源，可以采用三相LC濾波器+ 二極管整流器的供電方式，消除了降壓變壓器，額定負(fù)荷下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)提升也可以做到0.96以上。
[0009]由于沒有采用降壓變壓器，而采用了三相LC濾波器，整流器空載直流電壓將高于網(wǎng)壓峰值水平(600V左右)，與正常切割電壓50-175V差距較大，如果采用傳統(tǒng)單級(jí)BUCKDC-DC變換器，使得最低占空比過低，在輕載下尤為嚴(yán)重，BUCK DC-DC變換器工作在DCM狀態(tài)下，失去可控性，造成開關(guān)損耗增加。為此可以采用多級(jí)傳統(tǒng)BUCK DC-DC變換器依次串聯(lián)或支持寬范圍電流的新型BUCK DC-DC變換器。
[0010]綜合以上，本實(shí)用新型就是不使用降壓變壓器，改使用三相LC濾波器，采用多級(jí)傳統(tǒng)BUCK DC-DC變換器依次串聯(lián)或支持寬范圍電流的新型BUCK DC-DC變換器，構(gòu)成一種適合130A以下的等離子電源的功率電路，即寬范圍等離子切割機(jī)電流源。
[0011]經(jīng)過對(duì)寬范圍等離子切割機(jī)電流源現(xiàn)有技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)的檢索，發(fā)現(xiàn)主要有以下代表性文獻(xiàn):
[0012]田國濤.可實(shí)現(xiàn)寬范圍電壓輸出的PWM平方型變換器電源的研宄.華南理工大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2004年；
[0013]伍健.等離子切割高性能電源系統(tǒng)的研宄.南京航空航天大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2010 年.
[0014]前者提出一種寬范圍電壓輸出的PWM平方型變換拓?fù)?，后者提出一種采用降壓變壓器和單級(jí)BUCK DC-DC變換器的等離子電源。
[0015]綜合以上，對(duì)寬范圍等離子切割機(jī)電流源現(xiàn)有技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)檢索后發(fā)現(xiàn)，尚無基于三相LC濾波器、兩級(jí)串聯(lián)BUCK DC-DC變換器或支持寬范圍電流BUCK DC-DC變換器等構(gòu)成的適合130A以下的等離子電源的功率電路。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0016]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本實(shí)用新型提供一種寬范圍等離子切割機(jī)電流源，支持輸出直流電流可達(dá)130A，電路簡單、控制方便，同時(shí)具有輸入功率因數(shù)高、整機(jī)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0017]本實(shí)用新型提供一種寬范圍等離子切割機(jī)電流源，包括前級(jí)電路、后級(jí)電路和割炬電路，所述前級(jí)電路包括三相LC濾波器和三相整流器，所述三相LC濾波器包括第一電感、第二電感、第三電感、第一電容、第二電容、第三電容，其中第一電感的一端與三相交流電源的火線Ua相連，另一端與三相整流器中整流橋的a相輸入端、第一電容的一端相連，第二電感的一端與三相交流電源的火線Ub相連，另一端與三相整流器中整流橋的b相輸入端、第二電容的一端相連，第三電感的一端與三相交流電源的火線Uc相連，另一端與三相整流器中三相整流橋的c相輸入端、第三電容的一端相連，第一電容、第二電容與第三電容的另一端相連；所述三相整流器由三相整流橋、電阻和第一電解電容構(gòu)成，其中三相整流橋的正極與負(fù)極之間并聯(lián)第一電阻和第一電解電容。
[0018]所述后級(jí)電路包括第一 BUCK DC-DC變換器、第二 BUCK DC-DC變換器，所述第一BUCK DC-DC變換器與第二 BUCK DC-DC變換器串聯(lián)。
[0019]所述第一 BUCK DC-DC變換器包括第一二極管、第四電感、第一 IGBT模塊和第二電解電容，第二 BUCK DC-DC變換器包括第二二極管、第二 IGBT模塊和第五電感；其中第一二極管的陰極與第四電感的一端、前級(jí)電路中第一電解電容的正極相連接，第一二極管的陽極與第二電解電容的陰極、第一 IGBT模塊的集電極連接，第一 IGBT模塊的發(fā)射極連接第一電解電容的負(fù)極，第四電感的另一端與第二電解電容的陽極、第五電感的一端、第二二極管的陰極相連，第二二極管的陽極與第二 IGBT模塊集電極連接，第二 IGBT模塊的發(fā)射極連接第二電解電容的陰極。
[0020]所述割炬電路包括工件和割炬，工件與后級(jí)電路中第五電感的另一端相連，割炬與后級(jí)電路中第二二極管的陽極、第二 IGBT模塊的集電極相連接。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下的有益效果:
[0022]本實(shí)用新型的工作原理是采用前級(jí)電路、后級(jí)電路和割炬電路實(shí)現(xiàn)寬范圍等離子切割機(jī)電流源的全部功能，所述前級(jí)電路完成對(duì)交流電源的濾波和整流，后級(jí)電路完成寬電流輸出的BUCK DC-DC變換，割炬電路完成對(duì)工件的切割，具體地:
[0023]所述前級(jí)電路，三相交流電壓經(jīng)過三相LC濾波器、三相整流器后，得到直流電壓，由于LC諧振原因，在空載時(shí)，得到直流電壓平均值高于網(wǎng)壓峰值，視諧振強(qiáng)度而定。輕載下，直流電壓平均值基本上等于網(wǎng)壓峰值。重載下，直流電壓平均值基本上低于網(wǎng)壓峰值。當(dāng)參數(shù)配置合理時(shí)，在三相LC濾波器的作用下，可以獲得接近0.96以上的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。
[0024]所述后級(jí)電路，為寬范圍BUCK DC-DC變換電路，輸入前級(jí)電路提供的直流電壓，輸出直流電流。直流電流的大小依賴于待切割工件所需的功率大小。如果第一單級(jí)BUCKDC-DC變換電路中功率器件IGBT模塊的占空比為dl，第二單級(jí)BUCK DC-DC變換電路中功率器件IGBT模塊的占空比為d2，則后級(jí)電路的最終占空比為比dl*d2，位于[0，1]，通過合理調(diào)節(jié)dl與d2大小，可以產(chǎn)生寬范圍輸出的直流電流。當(dāng)輸入直流電壓高時(shí)，要求占空比dl*d2比較大，才能輸出同樣的直流電流，因此后級(jí)電路適用于高直流電壓輸入，解決了占空比低帶來的開關(guān)損耗大、輸出電流調(diào)節(jié)能力差以及降壓變壓器笨重等實(shí)際問題，是一種重要的革新