交錯并聯(lián)等離子切割電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，所述電源包含有降壓電路和斬波電路；所述降壓電路為一工頻變壓器，該工頻變壓器包含一個初級繞組和兩個次級繞組，所述斬波電路包含有兩組并聯(lián)的BUCK電路，且兩組BUCK電路分別與兩個次級繞組相連。本發(fā)明交錯并聯(lián)等離子切割電源，支持輸出直流電流可達(dá)260A，電路簡單、控制方便，同時具有輸入功率因數(shù)高（0.96以上）、輸出直流電流紋波低等優(yōu)點。
【專利說明】父錯并聯(lián)等罔子切割電源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電源，尤其是涉及一種采用交錯并聯(lián)的設(shè)計方式對等離子切割裝置進(jìn)行供電的電源，屬于等離子切割領(lǐng)域與電力電子變換領(lǐng)域。
【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)又包括等離子切割電源、引弧箱、氣控箱、冷卻系統(tǒng)、管線等主要部分；
等離子切割電源是機(jī)用等離 子切割裝置的核心部件之一，按照發(fā)展歷程，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、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。鑒于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(jīng)由130A、260A、400A、53(^、65(^、800、100(^，用于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(zhì)量要求也越來越高。影響切割質(zhì)量指標(biāo)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(hù)氣與切割氣的穩(wěn)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(yīng)速度是影響切割質(zhì)量的重要指標(biāo)，而這又與濾波電感感值、開關(guān)頻率、線路阻抗、直流電源密切相關(guān)。其中，直流電源品質(zhì)包括電壓穩(wěn)定度和紋波峰峰值以及紋波頻率，如果這幾項指標(biāo)較差，切割電流的紋波就會較大，切割質(zhì)量肯定較差。為此需要改進(jìn)這些指標(biāo)，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(shè)計和輸出電流精細(xì)化是交錯并聯(lián)等離子切割電源必需面對和解決的問題；
為此，已有相關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了深入的研討:如“陳要玲”于2008年在“蘭州理工大學(xué)”發(fā)表的碩士學(xué)位論文“ IGBT逆變式等離子切割電源”;“何偉軍”于2009年在“南京航空航天大學(xué)”發(fā)表的碩士學(xué)位論文“大功率空氣等離子切割電源的設(shè)計與研究”;“伍健”于2010年在“南京航空航天大學(xué)”發(fā)表的碩士學(xué)位論文“等離子切割高性能電源系統(tǒng)的研究”；前者屬于逆變式等離子切割電源，功率等級難以提升；后二者只適用于輸出直流電流低于130A以下的應(yīng)用場合，功率等級不會超過30kW。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，支持輸出直流電流可達(dá)260A，電路簡單、控制方便，同時具有輸入功率因數(shù)高(0.96以上)、輸出直流電流紋波低等優(yōu)點。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，所述電源包含有降壓電路和斬波電路；所述降壓電路為一工頻變壓器，該工頻變壓器包含一個初級繞組和兩個次級繞組，所述斬波電路包含有兩組并聯(lián)的BUCK電路，且兩組BUCK電路分別與兩個次級繞組相連。[0005]本發(fā)明一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，所述電源包含有降壓電路和斬波電路；所述降壓電路為一工頻變壓器，該工頻變壓器包含有一個星形接線的初級繞組(就是指原邊繞組)、一個星形接線(就是Y接)的次級繞組和一個三角形接線(Λ接)的次級繞組，所述斬波電路包含有第一交錯BUCK電路、第二交錯BUCK電路
所述第一交錯BUCK電路包含有第一二極管不控三相整流橋，所述第一二極管不控三相整流橋的輸入端與星形接線的次級繞組相連，所述第一二極管不控三相整流橋的正負(fù)輸出端之間并聯(lián)連接有第一電解電容、第一功率電阻以及第一 IGBT逆變電路，
所述第二交錯BUCK電路包含有第二二極管不控三相整流橋，所述第二二極管不控三相整流橋的輸入端與三角形接線的次級繞組相連，所述第二二極管不控三相整流橋的正負(fù)輸出端之間并聯(lián)連接有第二電解電容、第二功率電阻以及第二 IGBT逆變電路，
上述第一 IGBT逆變電路和第二 IGBT逆變電路的輸出端并聯(lián)后對外輸出。
[0006]本發(fā)明一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，所述星形接線的初級繞組輸入380V的三相交流電源，星形接線的次級繞組和三角形接線的次級繞組的初相分別為0°和30°，輸出電壓均為220V。
[0007]本發(fā)明一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，第一 IGBT逆變電路包含有第一 IGBT、第二IGBT和第三IGBT，所述第一 IGBT的集電極、第二 IGBT的集電極以及第三IGBT的集電極均與第一二極管不控三相整流橋的正極相連，第一 IGBT的發(fā)射極、第二 IGBT的發(fā)射極以及第三IGBT的發(fā)射極分別與第一二極管的負(fù)極、第二二極管的負(fù)極和第三二極管的負(fù)極相連，第一二極管的正極、第二二極管的正極和第三二極管的正極均與第一二極管不控三相整流橋的負(fù)極相連，且定義第一二極管不控三相整流橋的負(fù)極為節(jié)點B，所述第一 IGBT的發(fā)射極、第二 IGBT的發(fā)射極以及第三IGBT的發(fā)射極分別經(jīng)第一電感、第二電感和第三電感后接入節(jié)點A ；
第二 IGBT逆變電路包含有第四IGBT、第五IGBT和第六IGBT，所述第四IGBT的集電極、第五IGBT的集電極以及第六IGBT的集電極均與第二二極管不控三相整流橋的正極相連，第四IGBT的發(fā)射極、第五IGBT的發(fā)射極以及第六IGBT的發(fā)射極分別與第四二極管的負(fù)極、第五二極管的負(fù)極和第六二極管的負(fù)極相連，第四二極管的正極、第五二極管的正極和第六二極管的正極均與第二二極管不控三相整流橋的正極相連，且第二二極管不控三相整流橋的負(fù)極接入上述節(jié)點B，所述第四IGBT的發(fā)射極、第五IGBT的發(fā)射極以及第六IGBT的發(fā)射極分別經(jīng)第四電感、第五電感和第六電感后接入上述節(jié)點A。
[0008]本發(fā)明一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，述電源還包含有一割炬電路，上述割炬電路包含有工件和割炬，上述節(jié)點A經(jīng)第七電感后與工件相連，上述節(jié)點B與割炬的負(fù)極相連。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明采用兩組交錯BUCK電路設(shè)計，便于實現(xiàn)模塊化設(shè)計，可以均攤總功率，支持更大總功率，切割更厚的工件；且兩組交錯BUCK電路采用交錯移相驅(qū)動方式，在公共平波電抗器作用下，獲得更加精細(xì)的、紋波更低的切割電流，實現(xiàn)精密切割；降壓電路的設(shè)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(shè)計有利于改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低諧波電流的危害；同時，對于降壓電路，將一路三相交流電壓380V，轉(zhuǎn)換為兩路隔離的三相交流電壓220V，相差為30°，在網(wǎng)側(cè)可以獲得功率因數(shù)為0.96以上的輸入電流波形；而對于斬波電路，兩組交錯BUCK電路中直流一直流變換時IGBT驅(qū)動脈沖采用交錯移相PWM驅(qū)動方式，將兩路直流電壓轉(zhuǎn)換為一路直流電流，且合成直流電流的紋波電流更低，為精細(xì)切割提供理想直流電流源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明交錯并聯(lián)等離子切割電源的電路圖。
【具體實施方式】
[0011]參見圖1，本發(fā)明涉及的一種交錯并聯(lián)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(Y接)的初級繞組、一個星形接線(Y接)的次級繞組和一個三角形接線(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，星形接線的次級繞組和三角形接線的次級繞組的初相分別為O。和30°，輸出電壓均為220V;
所述斬波電路包含有第一交錯BUCK電路、第二交錯BUCK電路以及一個公用平波電
抗；
所述第一交錯BUCK電路包含有第一二極管不控三相整流橋BI，所述第一二極管不控三相整流橋BI的輸入端與星形接線的次級繞組相連，所述第一二極管不控三相整流橋BI的正負(fù)輸出端之間并聯(lián)連接有第一電解電容E1、第一功率電阻Rl以及第一 IGBT逆變電路，具體地:第一 IGBT逆變電路包含有第一 IGBT S11、第二 IGBTS12和第三IGBT S13，所述第一 IGBT Sll的集電極、第二 IGBT S12的集電極以及第三IGBT S13的集電極均與第一二極管不控三相整流橋BI的正極相連，第一 IGBT Sll的發(fā)射極、第二 IGBT S12的發(fā)射極以及第三IGBT S13的發(fā)射極分別與第一二極管Dll的負(fù)極、第二二極管D12的負(fù)極和第三二極管D13的負(fù)極相連，第一二極管DlI的正極、第二二極管D12的正極和第三二極管D13的正極均與第一二極管不控三相整流橋BI的負(fù)極相連，且定義第一二極管不控三相整流橋BI的負(fù)極為節(jié)點B，所述第一 IGBT Sll的發(fā)射極、第二 IGBT S12的發(fā)射極以及第三IGBT S13的發(fā)射極分別經(jīng)第一電感LI 1、第二電感L12和第三電感L13后接入節(jié)點A ;節(jié)點A經(jīng)第七電感L3 (即上述公用平波電抗；)后對外輸出——接入割炬電路；
所述第二交錯BUCK電路包含有第二二極管不控三相整流橋B2，所述第二二極管不控三相整流橋B2的輸入端與三角形接線的次級繞組相連，所述第二二極管不控三相整流橋B2的正負(fù)輸出端之間并聯(lián)連接有第二電解電容E2、第二功率電阻R2以及第二 IGBT逆變電路，具體地:第二 IGBT逆變電路包含有第四IGBT S21、第五IGBT S22和第六IGBT S23，所述第四IGBT S21的集電極、第五IGBT S22的集電極以及第六IGBT S23的集電極均與第二二極管不控三相整流橋B2的正極相連，第四IGBT S21的發(fā)射極、第五IGBT S22的發(fā)射極以及第六IGBT S23的發(fā)射極分別與第四二極管D21的負(fù)極、第五二極管D22的負(fù)極和第六二極管D23的負(fù)極相連，第四二極管D21的正極、第五二極管D22的正極和第六二極管D23的正極均與第二二極管不控三相整流橋BI的正極相連，且第二二極管不控三相整流橋B2的負(fù)極接入上述節(jié)點B，所述第四IGBT S21的發(fā)射極、第五IGBT S22的發(fā)射極以及第六IGBTS23的發(fā)射極分別經(jīng)第四電感L21、第五電感L22和第六電感L23后接入上述節(jié)點A ;節(jié)點A經(jīng)第七電感L3 (即上述公用平波電抗；)后對外輸出——接入割炬電路；
上述割炬電路包含有工件和割炬，上述節(jié)點A經(jīng)第七電感L3后與工件相連，上述節(jié)點B與割炬的負(fù)極相連；
本發(fā)明的工作原理為:
采用降壓電路、斬波電路和割炬電路實現(xiàn)交錯并聯(lián)等離子切割電源的全部功能，所述降壓電路完成交流電壓的降壓和功率因數(shù)校正，斬波電路完成將兩組三相交流電壓轉(zhuǎn)換為一路直流電流，割炬電路完成對工件的切割，具體的講:
所述降壓電路，將一路三相交流電壓380V，轉(zhuǎn)換為兩組隔離的三相交流電壓220V，相差為30°，當(dāng)后級斬波電路和割炬電路工作時，在網(wǎng)側(cè)可以獲得功率因數(shù)為0.96以上的輸入電流波形；設(shè)置降壓電路的次級繞組為兩路三相交流電壓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(zhuǎn)移弧的，而且每組次級繞組和每一后級斬波電路中BUCK電路能夠分?jǐn)?/2的總功率，便于斬波電路中BUCK電路的模塊化設(shè)計；所述斬波電路，包括兩組交錯BUCK電路，分別輸入不同相位的三相交流電壓220V，經(jīng)過二極管不控三相整流橋后均得到空載電壓311V，在后接直流一直流變換后，各自得到一路直流電流，兩路直流電流匯合后經(jīng)過公共平波電抗器的作用，得到一路合成直流電流，鑒于兩路直流一直流變換時IGBT驅(qū)動脈沖采用三級交錯結(jié)構(gòu)，并采用交錯移相PWM驅(qū)動方式，基本移相角度為60°，即錯開1/6開關(guān)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(fù)極，實現(xiàn)精細(xì)切割；同時，由于每一交錯BUCK電路中，由于采用三級交錯結(jié)構(gòu)，有效降低合成的紋波電流的幅值，可以獲得比較好的切割質(zhì)量；
在一個開關(guān)周期中，六個IGBT的驅(qū)動脈沖的觸發(fā)先后順序為:第一 IGBT (S11)、第四IGBT (S21)、第二 IGBT (S12)、第五 IGBT (S22)、第三 IGBT (S13)、第六 IGBT (S23)，相鄰IGBT驅(qū)動脈沖之間移相角度為60°C，即錯開1/6開關(guān)周期；
在上述具體實施例中:交流輸入電壓寬范圍，380V±15%，工頻50飛OHz，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260A，輸入功率為45kW。
[0012]IGBT 斬波頻率:20kHz ；
第一電解電容El和第二電解電容E2:450V，2200F，由四只并聯(lián)構(gòu)成；
第一二極管不控三相整流橋BI和第二二極管不控三相整流橋B2:600V, 300A/100°C ；平波電抗器:即第一電感L11、第二電感L12、第三電感L13、第四電感L21、第五電感L22、第六電感 L23:2.2mH, 130Α，0.35mm，硅鋼；
平波電抗器(即第七電感)L3:lmH,260A,0.35mm，硅鋼；
IGBT與反向快恢復(fù)二極管；即第一 IGBTSlI與第一二極管Dl1、第二 IGBTS12與第二二極管D12、第三IGBTS13與第三二極管D13、第四IGBTS21與第四二極管D21、第五IGBTS22與第五二極管D22、第六IGBTS23與第六二極管D23: 600V, 200A/100°C，單橋臂IGBT模塊；第一功率電阻Rl與第二功率電阻R2:50kQ,5ff ；
降壓變壓器TRl (工頻變壓器):380V/2x220V，50kVA。
[0013]以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述，需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，其特征在于:所述電源包含有降壓電路和斬波電路；所述降壓電路為一工頻變壓器，該工頻變壓器包含一個初級繞組和兩個次級繞組，所述斬波電路包含有兩組并聯(lián)的BUCK電路，且兩組BUCK電路分別與兩個次級繞組相連。
2.如權(quán)利要求1所述一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，其特征在于:所述工頻變壓器包含有一星形接線的初級繞組、一個星形接線的次級繞組和一個三角形接線的次級繞組，所述斬波電路包含有第一交錯BUCK電路和第二交錯BUCK電路， 所述第一交錯BUCK電路包含有第一二極管不控三相整流橋(BI)，所述第一二極管不控三相整流橋(BI)的輸入端與星形接線的次級繞組相連，所述第一二極管不控三相整流橋(BI)的正負(fù)輸出端之間并聯(lián)連接有第一電解電容(E1)、第一功率電阻(Rl)以及第一 IGBT逆變電路， 所述第二交錯BUCK電路包含有第二二極管不控三相整流橋(B2)，所述第二二極管不控三相整流橋(B2)的輸入端與三角形接線的次級繞組相連，所述第二二極管不控三相整流橋(B2)的正負(fù)輸出端之間并聯(lián)連接有第二電解電容(E2)、第二功率電阻(R2)以及第二IGBT逆變電路， 上述第一 IGBT逆變電路和第二 IGBT逆變電路的輸出端并聯(lián)后對外輸出。
3.如權(quán)利要求2所述一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，其特征在于:所述星形接線的初級繞組輸入380V的三相交流電源，星形接線的次級繞組和三角形接線的次級繞組的初相分別為O。和30。，輸出電壓均為220V。
4.如權(quán)利要求2或3所述一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，其特征在于:第一IGBT逆變電路包含有第一 IGBT (S11)、第二 IGBT (S12)和第三 IGBT (S13)，所述第一 IGBT (Sll)的集電極、第二 IGBT (S12)的集電極以及第三IGBT (S13)的集電極均與第一二極管不控三相整流橋(BI)的正極相連，第一 IGBT (Sll)的發(fā)射極、第二 IGBT (S12)的發(fā)射極以及第三IGBT (S13)的發(fā)射極分別與第一二極管(Dll)的負(fù)極、第二二極管(D12)的負(fù)極和第三二極管(D13)的負(fù)極相連，第一二極管(Dll)的正極、第二二極管(D12的正極和第三二極管(D13)的正極均與第一二極管不控三相整流橋(BI)的負(fù)極相連，且定義第一二極管不控三相整流橋(BI)的負(fù)極為節(jié)點B，所述第一 IGBT (Sll)的發(fā)射極、第二 IGBT (S12)的發(fā)射極以及第三IGBT (S13)的發(fā)射極分別經(jīng)第一電感(L11)、第二電感(L12)和第三電感(L13)后接入節(jié)點A ； 第二 IGBT逆變電路包含有第四IGBT (S21)、第五IGBT (S22)和第六IGBT (S23)，所述第四IGBT (S21)的集電極、第五IGBT (S22)的集電極以及第六IGBT (S23)的集電極均與第二二極管不控三相整流橋(B2)的正極相連，第四IGBT (S21)的發(fā)射極、第五IGBT(S22)的發(fā)射極以及第六IGBT (S23)的發(fā)射極分別與第四二極管(D21)的負(fù)極、第五二極管(D22)的負(fù)極和第六二極管(D23)的負(fù)極相連，第四二極管(D21)的正極、第五二極管(D22)的正極和第六二極管(D23)的正極均與第二二極管不控三相整流橋(BI)的正極相連，且第二二極管不控三相整流橋(B2)的負(fù)極接入上述節(jié)點B，所述第四IGBT (S21)的發(fā)射極、第五IGBT (S22)的發(fā)射極以及第六IGBT (S23)的發(fā)射極分別經(jīng)第四電感(L21)、第五電感(L22)和第六電感(L23)后接入上述節(jié)點A。
5.如權(quán)利要求4所述一種交錯并聯(lián)等離子切割電源，其特征在于:所述電源還包含有一割炬電路，上述割炬電路包含有工件和割炬，上述節(jié)點A經(jīng)第七電感(L3)后與工件相連，上述節(jié) 點B與割炬的負(fù)極相連。
【文檔編號】B23K10/00GK103722284SQ201310738563
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】田威 申請人:江蘇博大數(shù)控成套設(shè)備有限公司