一種igbt模塊100a工業(yè)級等離子弧切割機的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種IGBT模塊100A工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，所述的離子弧切割機包括：外部的殼體部件和內部的電路部分，內部電路部分主要分為上、下兩層布局，上層電路部分主要為供電、輸入整流、控制板部分；其下層部分主要為整流后濾波、逆變變換、輸出整流和電流濾波、電流信號檢測和氣路控制部分；上層部分主要包括：控制變壓器、三相整流橋或橋堆、小弧控制板、高頻控制板、主控制板，這部分固定在切割機內部中隔板上，與下層部形成隔離，各上層部分被金屬外殼和中隔板包圍，可起到隔離來自下層的大電流強電磁干擾，本實用型不僅體積小，而且重量輕，攜帶十分方便。
【專利說明】
一種IGBT模塊10OA工業(yè)級等離子弧切割機
技術領域
[0001 ] 本實用新型涉及一種IGBT模塊100A工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，包括切割機的結構和電路，屬于逆變焊割機技術領域。
技術背景
[0002]當前，等離子切割機產品市場的競爭十分激烈。產品技術先進、成本有優(yōu)勢的，市場的競爭力會較高。
[0003]目前，國內外市場上逆變式空氣等離子弧切割機的額定電流通常在30A?100A(30?60%負載持續(xù)率)之間。國內此類切割機，很多是采用MOSFET管逆變控制技術來制作的。MOSFET管逆變切割機，需要采用很多的MOSFET管并聯(lián)來擴大器件的電流。這就使切割機的電路板尺寸大、電路板和整機結構復雜，同時也存在著產品可靠性低、制作成本高等問題。近一些年來，采用IGBT的逆變等離子切割機逐漸成為此類產品開發(fā)的重點。由于IGBT的電流等級大，不需要像MOSFET管那樣，采用多管并聯(lián)的方式來擴大其器件的電流，因此，產品的可靠性得以提高。同時，這種逆變電子開關器件數(shù)量的減少可使切割機的電路板尺寸變小，電路板和整機結構變得簡單，同時產品的制作成本和工藝水平也得以提高。解決了MOSFET多管并聯(lián)技術存在的諸多問題。體現(xiàn)了IGBT逆變控制技術的優(yōu)勢和發(fā)展前景。盡管IGBT逆變控制技術的等離子切割機已有不少產品，然而，能夠實現(xiàn)大電流(如100A)等級、高負載持續(xù)率(60%及以上)和可靠性的產品還是較少的。產品的控制技術水平是一大障礙。不同的產品制造企業(yè)，由于設計水平的差異，產品的可靠性等性能也是存在較大差異的。
[0004]目前，MOSFET多管并聯(lián)的等離子切割機，其內部采用上、中、下三控制板和整機布局結構，顯得復雜和技術落后;采用IGBT逆變的切割機，有的采用單塊電路板的內部結構設計形式。有的采用二板上、下控制板和整機布局結構。與MOSFET多管并聯(lián)的等離子切割機相比，明顯有了較大的技術進步。但是，上述這些逆變空氣等離子切割機，受切割機電路和內部結構設計、功率器件散熱條件及其冷卻效果等因素的限制，使它們在較大電流輸出(如100A)時其負載持續(xù)率難以做的很大，較短的工作時間就會出現(xiàn)切割機熱保護。如不少切割機的負載持續(xù)率只有30?40%。如此短的切割時間，使不少客戶相當不滿意。甚至很多機器就是80A、100A的額定工作電流都達不到。另外，有的IGBT逆變切割機，由于大功率器件發(fā)熱嚴重，甚至會燒壞電路板，使電路板無法修復，造成廠家或用戶的較大經濟損失。其次，不同的切割機產品，所采用的控制電路不同，產品的可靠性也有較大的差異性。市場上很多的切割機產品，由于工作可靠性差，經常損壞，也受到了很多用戶的批評，甚至廠家失去了市場。再者，我國的切割機生產企業(yè)數(shù)量多，并且呈現(xiàn)小而分散的特點。由于企業(yè)的實力弱，產品的生產數(shù)量很少，沒有能力采用大量的SMT貼片器件來實現(xiàn)切割機產品的自動化或規(guī)?；a，因此，產品的生產效率低下，制作工藝水平往往是手工作業(yè)水平，顯得十分落后。同時，也為產品的不可靠埋下了質量隱患。
[0005]雖然采用IGBT逆變控制電路構成的空氣等離子弧切割機種類是比較多的。它們的電路和切割機內外部結構形式也是多種多樣的。但是，不同的電路及其結構設計思路，所采用的具體電路形式和整個電路布置的方式是不同的。不僅如此，切割機的性能指標包括輸出的電流/電壓范圍及其對應的負載持續(xù)率、絕緣等級、溫升、制作工藝水平、產品的可靠性等也會表現(xiàn)出一些明顯的差距。即使是在相同的產品參數(shù)性能指標下，由于具體電路及其切割機結構設計方面的不同，或者所采用的電子元器件的封裝形式不同，因而電路板等元器件的裝配、焊接和檢測工藝水平、自動化程度等也會明顯不同，這就會使逆變式空氣等離子弧切割機這類電子產品電路板的尺寸、生產時安裝的方便性、生產效率、生產成本、產品的成本等也會顯著不同。例如，如果采用大量自動插件和SMT貼片器件的切割機，由于裝焊這些器件通常采用先進、高效、適合于大批量自動化生產和檢測的設備，所以，可極大地提高電路板或電子產品的生產效率，降低生產成本，增加產品的市場競爭力。
[0006]也就是說，逆變等離子切割機的結構和電路設計不同，其技術參數(shù)、使用性能、生產效率，甚至產品的外觀和可靠性以及市場競爭力等是差別比較大的。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的在于提供一種IGBT模塊100A工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，采用IGBT模塊以及先進的逆變控制技術，其額定電流/電壓為100A/120V，負載持續(xù)率不低于60%，不僅體積小，而且重量輕，攜帶十分方便的特點;利用本實用新型所述的切割機電路板及其相應的零部件還可形成其它系列的產品，擴大產品的應用范圍，本實用新型切割機的電路和電路板及整機的結構設計合理，安裝方便，故生產效率高、制作成本低。
[0008]為實現(xiàn)上述目的采用以下技術方案:
[0009]一種IGBT模塊100A工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，其特征在于:所述的離子弧切割機包括:外部的殼體部件和內部的電路部分，內部電路部分主要分為上、下兩層布局，上層電路部分主要為供電、輸入整流、控制板部分;其下層部分主要為整流后濾波、逆變變換、輸出整流和電流濾波、電流信號檢測和氣路控制部分;上層部分主要包括:控制變壓器、三相整流橋或橋堆、小弧控制板、高頻控制板、主控制板，這部分固定在切割機內部中隔板上，與下層部形成隔離，各上層部分被金屬外殼和中隔板包圍，可起到隔離來自下層的大電流強電磁干擾。
[0010]在本實用新型切割機的各個控制電路板上，還有大量的其它電子元器件和零部件，各個控制電路板上，只有少量尺寸大的元器件和零部件需要生產人員手工裝配和焊接，其它的很多SMT貼片式或插件式電子元器件，都是采用高效率的貼片機和插件機、自動焊接機和清洗機自動完成器件安裝、焊接和清洗的。因此，各個電路板的生產效率很高，出錯率低，制作質量都比較高，最終可使切割機產品生產時的一次合格率很高。降低了生產成本，提高了產品的市場競爭力。
[0011]本實用新型切割機的各個部分之間，包括各電路板與其它的元器件或零部件之間等通過一些控制導線，最終形成一個完整的切割機產品。
[0012]本實用新型切割機的工作原理簡述如下:通電后，電源開關接通電網電源。相應的控制變壓器、各控制板等電路部分帶電工作。從電網來的交流電，經過整流橋整流后變?yōu)橹绷麟姟Ｔ俳涍^電解電容的濾波，變?yōu)檩^為穩(wěn)定的直流電，供給由IGBT模塊組件(含IGBT模塊及其散熱器、濾波電容、橋臂電容等)、逆變變壓器、快速恢復二極管組件(含快速恢復二極管及其散熱器、快速恢復二極管吸收板、磁環(huán)A、磁環(huán)B、磁環(huán)C等)、濾波電感、換向電感、諧振電感等組成的逆變主電路。通過切割機前面板上的試氣檢測/切割轉換開關，可檢測切割機的氣體壓力是否正常，有沒有漏氣等現(xiàn)象。如果檢測正常，則通過該開關轉換到準備切割的工作狀態(tài)。壓縮空氣的氣壓和流量可通過空氣濾清器設定。當氣壓足夠的時候，才能使切割機進行正常工作，防止壓縮空氣的氣壓或流量不足燒壞等離子切割槍。切割時，按壓等離子切割槍上的開關，即可實現(xiàn)等離子小電流的引導弧(簡稱小弧)點火，無需接觸工件。當切割槍去切割工件時，切割槍的電極與工件間可形成大電流的切割等離子弧(簡稱主弧)，實現(xiàn)對工件的切割操作。引弧高頻需要在其控制電路板、高壓電容、高壓包、(高頻耦合)引弧線圈等作用下才能形成。逆變和切割機輸出電流參數(shù)的控制是通過電路板的控制電路、電流給定電位器、霍爾傳感器和霍爾傳感器B等來實現(xiàn)的。切割機電源的輸出外特性為垂直陡降或恒流輸出特性。該輸出特性是通過輸出電流的截止負反饋和逆變電路IGBT的PWM脈沖寬度調節(jié)來實現(xiàn)的。電流輸出的大小由電位器進行調節(jié)和設定。霍爾傳感器對輸出電流進行采樣。可對小弧、主弧電流等進行相應的控制。例如，對于主弧電流控制，在電路板的控制作用下，當檢測到的輸出電流大小超過電位器的設定值時，主控制板產生的PWM脈沖的寬度會減小。隨著輸出電流的微小增加，PWM脈沖寬度大幅度減小，這樣就實現(xiàn)了電流微小增加，輸出電壓快速下降，即切割機產生垂直陡降或恒流輸出特性。調節(jié)電位器即可調節(jié)切割機的輸出電流大小，實現(xiàn)對不同厚度工件的切割操作。關于反饋和PWM及輸出特性控制過程，以及其它的控制電路部分，可參見本說明書中相關的控制原理說明進行了解。此外，當切割機中主要零部件(如IGBT、變壓器)發(fā)生過熱、欠壓、過壓現(xiàn)象時，控制電路會關閉Pmi脈沖輸出，同時，切割機停止電流輸出，并使過熱、欠壓、過壓指示燈(黃色)點亮。對于過熱，在冷卻風機的作用下，當主要零部件(如IGBT散熱器)的溫度下降到一定程度后，控制電路才能產生HVM脈沖輸出。同時，切割機才可能有電流輸出，同時過熱指示燈(黃色)熄滅。對于欠壓、過壓，只有當消除了這兩種現(xiàn)象后，控制電路才能允許切割機進行正常工作。這就確保了切割機工作的可靠性。
[0013]本實用新型空氣等離子弧切割機采用先進的逆變控制技術制成，其額定電流/電壓可達100A/120V，切割機的尺寸為570 X 275 X 482mm。重量為28kg，不僅體積小，而且重量輕，攜帶十分方便。當然，通過切割機外形和電路布局結構設計的變化，利用本實用新型所述的切割機電路板及其相應的零部件還可形成其它系列的產品，擴大產品的應用范圍。此夕卜，電路板制作時其電子元器件還采用了自動SMT貼片或插件、焊接先進工藝技術。產品具有技術先進、結構簡單、體積小、重量輕、成本低、生產效率高等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型等離子切割機的爆炸圖；
[0015]圖2為本實用新型等離子弧切割機主電路部分的電路原理圖；
[0016]圖3為本實用新型等離子切割機的控制板接線框圖；
[0017]圖4為本實用新型等離子切割機的主控制電路原理圖；
[0018]圖5為本實用新型等離子切割機的小弧控制電路原理圖；
[0019]圖6為本實用新型等離子切割機的高頻引弧控制電路原理圖。
【具體實施方式】
[0020]如圖1所示，一種IGBT模塊100A工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機的設計，主要由以下部分組成:提手1、上蓋2、上蓋螺絲3、左側板4、小弧控制板7、小弧控制板上的單管IGBT6及其散熱器5、36V/18V控制變壓器8、高頻控制板9、高頻控制板上的高壓電容10和高壓包12、中隔板11、主控制板13，主控制板13上7915穩(wěn)壓器的散熱器14、供電濾波電容15、驅動變壓器16、7815穩(wěn)壓器的散熱器17、控制變壓器18、三相整流橋或橋堆19、空氣開關21及其支架20、供電電源線22及其拉不脫23、空氣濾清器25及其支架24、冷卻風扇防護網罩27、右側板28、后面板29、冷卻風扇30、左側擋風板31、固定散熱器絕緣板32、右側擋風板34、橋臂電容35、IGBT模塊36、CBB濾波電容37、濾波電感38、氣管39、(小弧)電磁閥A40、IGBT模塊散熱器41、輸出整流快恢復二極管散熱器42、快恢復二極管吸收板43、磁環(huán)A44、霍爾傳感器45、磁環(huán)B46、磁環(huán)C47、濾波板48、快恢復二極管吸收板49、快恢復二極管50、濾波電解電容51、電流檢測互感器52、換向電感53、絕緣板54、逆變主變壓器55、逆變諧振電容56、引弧線圈57、霍爾傳感器B58、電抗器59、機箱底板60、假負載61、氣電一體化輸出接頭62、切割槍開關的航空插座63、小弧接線柱64、與工件連接的快速接頭65、前面板66、電流調節(jié)電位器67、檢氣開關68、欠壓/過壓(LED)指示燈69、過熱保護(LED)指示燈70、電源(LED)指示燈71、諧振電感72、熱保護器73、主弧電磁(氣)閥B74等；切割機的內部主要分為上、下兩層布局。從電路功能來分，其上層部分主要為供電、輸入整流、控制板部分;其下層部分主要為整流后濾波、逆變變換、輸出整流和電流濾波、電流信號檢測和氣路控制等部分。
[0021]所述的上層部分，主要包括:控制變壓器18、三相整流橋或橋堆19、小弧控制板或線路板7、高頻板或高頻控制板9、主控制板13等元器件和零部件;這些部分固定在切割機的中隔板11上；與下層部形成隔離;各控制電路板位于上層部分，相當于被金屬外殼包圍，可起到隔離來自下層的大電流強電磁干擾的作用。
[0022]所述的下層部分，主要包括:左側擋風板31、固定散熱器絕緣板32、右側擋風板34、橋臂電容35、IGBT模塊36、CBB濾波電容37、濾波電感38、氣管39、小弧電磁閥A40、IGBT模塊散熱器41、輸出整流快恢復二極管散熱器42、快恢復二極管吸收板43、磁環(huán)A44、霍爾傳感器45、磁環(huán)B46、磁環(huán)C47、濾波板48、快恢復二極管吸收板49、快恢復二極管50、濾波電解電容51、電流檢測互感器52、換向電感53、絕緣板54、逆變主變壓器55、逆變諧振電容56、引弧線圈57、霍爾傳感器B58、電抗器59、機箱底板60、假負載(61)、諧振電感72、熱保護器73、主弧電磁(氣)閥B74等部分。
[0023]切割機的前面板66上安裝的零部件主要有:等離子弧切割槍氣電一體化輸出接頭62、等離子弧切割槍開關的航空插座63、等離子弧切割槍小弧接線柱64、與工件連接的切割工件正極性輸出快速接頭座或快速接頭65、前面板66、電流調節(jié)電位器67及其旋鈕、切割/試氣轉換或檢氣開關68、欠壓/過壓(LED)指示燈69(黃色)、過熱保護(LED)指示燈70(黃色)、電源(LED)指示燈71 (白色)。
[0024]切割機的后面板29上安裝的零部件主要有:空氣開關21及其支架20、供電電源線22及其拉不脫23、空氣濾清器25及其支架24、冷卻風扇防護網罩27、右側板28、冷卻風扇30、接地保護端子及其接地標識等部分。冷卻風機使冷風從切割機機箱后部的進氣孔進行。可使下層部分的一些發(fā)熱器件或零部件有良好的冷卻效果。這樣的風道和冷卻方式設計，也是本實用新型空氣等離子弧切割機實現(xiàn)較大電流和高負載持續(xù)率的重要原因之一。
[0025]在本實用新型切割機的各個控制電路板上，還有大量的其它電子元器件和零部件。各個控制電路板上，只有少量尺寸大的元器件和零部件需要生產人員手工裝配和焊接。其它的很多SMT貼片式或插件式電子元器件，都是采用高效率的貼片機和插件機、自動焊接機和清洗機自動完成器件安裝、焊接和清洗的。因此，各個電路板的生產效率很高，出錯率低，制作質量都比較高，最終可使切割機產品生產時的一次合格率很高。降低了生產成本，提高了產品的市場競爭力。
[0026]本實用新型切割機的各個部分之間，包括各電路板與其它的元器件或零部件之間等通過一些控制導線，依據(jù)附圖2?附圖6的各原理圖關系進行電路之間電氣的連接，最終形成一個完整的切割機產品。
[0027]本實用新型切割機的工作原理簡述如下:通電后，電源開關21接通電網電源。相應的控制變壓器18和8、小弧控制板7、高頻控制板9、主控制板13等電路部分帶電工作;從電網來的交流電，經過整流橋19整流后變?yōu)橹绷麟?再經過電解電容51的濾波，變?yōu)檩^為穩(wěn)定的直流電，供給由2個IGBT模塊組件含IGBT模塊及其散熱器41、濾波電容(37 )、橋臂電容36等、逆變變壓器55、快速恢復二極管組件含快速恢復二極管50及其散熱器42、快速恢復二極管吸收板43、磁環(huán)A44、磁環(huán)B46、磁環(huán)C47等、濾波電感38、換向電感53、諧振電感72等組成的逆變主電路。通過切割機前面板66上的試氣檢測/切割轉換開關68，可檢測切割機的氣體壓力是否正常，有沒有漏氣等現(xiàn)象；如果檢測正常，則通過該開關68轉換到準備切割的工作狀態(tài)。壓縮空氣的氣壓和流量可通過空氣濾清器25設定。當氣壓足夠的時候，才能使切割機進行正常工作，防止壓縮空氣的氣壓或流量不足燒壞等離子切割槍。切割時，按壓等離子切割槍上的開關，即可實現(xiàn)等離子小電流的引導弧(簡稱小弧)點火，無需接觸工件。當切割槍去切割工件時，切割槍的電極與工件間可形成大電流的切割等離子弧(簡稱主弧)，實現(xiàn)對工件的切割操作。引弧高頻需要在其控制電路板9、高壓電容10、高壓包12、(高頻耦合)引弧線圈57等作用下才能形成。逆變和切割機輸出電流參數(shù)的控制是通過電路板13的控制電路、電流給定電位器67、霍爾傳感器45和霍爾傳感器B58等來實現(xiàn)的。通過一個霍爾傳感器，獲得輸出電流控制所需要的電流負反饋控制信號Uif。通過另一個霍爾傳感器，獲得小弧與主弧轉換的控制信號。切割機電源的輸出外特性為垂直陡降或恒流輸出特性。該輸出特性是通過輸出電流的截止負反饋和逆變電路IGBT的PWM脈沖寬度調節(jié)來實現(xiàn)的。電流輸出的大小由電位器67進行調節(jié)和設定?；魻杺鞲衅鲗敵鲭娏鬟M行采樣?？蓪π』　⒅骰‰娏鞯冗M行相應的控制。例如，對于主弧電流控制，在電路板的控制作用下，當檢測到的輸出電流大小超過電位器67的設定值時，主控制板13產生的PffM脈沖的寬度會減小。隨著輸出電流的微小增加，PffM脈沖寬度大幅度減小，這樣就實現(xiàn)了電流微小增加，輸出電壓快速下降，即切割機產生垂直陡降或恒流輸出特性。調節(jié)電位器67即可調節(jié)切割機的輸出電流大小，實現(xiàn)對不同厚度工件的切割操作。關于反饋和PWM及輸出特性控制過程，以及其它的控制電路部分，可參見本說明書中相關的控制原理說明進行了解。此外，當切割機中主要零部件(如IGBT、變壓器)發(fā)生過熱、欠壓、過壓現(xiàn)象時，控制電路會關閉P麗脈沖輸出，同時，切割機停止電流輸出，并使過熱、欠壓、過壓指示燈(黃色)點亮。對于過熱，在冷卻風機的作用下，當主要零部件(如IGBT散熱器)的溫度下降到一定程度后，控制電路才能產生PffM脈沖輸出。同時，切割機才可能有電流輸出，同時過熱指示燈(黃色)熄滅。對于欠壓、過壓，只有當消除了這兩種現(xiàn)象后，控制電路才能允許切割機進行正常工作。這就確保了切割機工作的可靠性。
[0028]附圖2是本實用新型等離子弧切割機主電路部分的電路原理圖。附圖3是本實用新型等離子切割機的控制板接線框圖。附圖2和附圖3給出了本實用新型等離子切割機的主電路和一些控制板之間的電氣連接關系圖。附圖4是本實用新型等離子切割機的主控制電路原理圖。附圖5是本實用新型等離子切割機的小弧控制電路原理圖。附圖6是本實用新型等離子切割機的高頻引弧控制電路原理圖。附圖4?附圖6則是附圖3中一些電路板的具體電路原理圖。下面，結合本實用新型的各控制電路原理圖，對本實用新型等離子切割機的工作原理作進一步的說明。
[0029]附圖2中，SI為控制輸入電源通斷的空氣開關21，ICI?IC3為輸入抗干擾電容。ZLQ為三相整流橋或橋堆19，1^1為控制變壓器18，？5為冷卻風扇30;106?109為濾波電解電容51，四只IGBT由兩個IGBT模塊36構成，L2為濾波電感38，ILl為諧振電感72，L3為換向電感。HGQ為電流環(huán)或電流互感器52，1C13為諧振電容56，1L2為輸出電抗59，T2為引弧線圈57，HE1和HE2為兩個霍爾傳感器，Tl為逆變主變壓器55，T1右邊的8個二極管代表快速恢復二極管50，實際是采用多只D100E60來實現(xiàn)，本電路部分的工作原理和一些器件的作用如下:從電網來的交流電，連接至LI?L3;通電后，電源開關21接通電網電源，L2濾波電感38可起到上電緩沖的作用，減少浪涌電流對開關等器件的沖擊電流。相應的控制變壓器如KBI等，18和
8、冷卻風扇FS30、控制板等電路部分帶電工作。從電網來的交流電經過整流橋ZLQ19整流后變?yōu)橹绷麟?。再經過IC6?IC9電解電容51的濾波，變?yōu)檩^為穩(wěn)定的直流電，供給由兩個模塊中的IGBTl?IGBT4、橋臂電容(IClO?1C12)、逆變變壓器Tl、快速恢復二極管50、換向電感L3、諧振電感ILl等組成的全橋逆變主電路。其功能主要為:高壓直流電轉換為中頻(幾十KHz)交流電。即通過控制IGBTl?IGBT4的通斷，實現(xiàn)直流到交流的逆變控制。具體電路實現(xiàn)方式:在控制板產生的PWM脈沖寬度調制信號的控制作用下，IGBT驅動控制電路實現(xiàn)對IGBT的驅動控制，最終通過全橋逆變電路實現(xiàn)由直流到幾十KHz交流的變換。通過逆變變壓器Tl實現(xiàn)電流和電壓的變換，即逆變主變壓器Tl實現(xiàn)降壓、變流。最后，再通過輸出整流控制部分把幾十KHz交流的低壓、大電流信號整流變換為等離子切割所需要的直流，便于引弧和切害J。切割前，切割機的正極輸出端連接至工件。負極性輸出端連接至切割槍。小弧接線柱連接至切割槍的引弧連接線，實際上是連接至切割槍的噴嘴。小弧電流就是產生于切割槍噴嘴與切割槍鎢極之間電弧的電流。小弧的作用是便于主弧的產生。主弧電流則是指工件與切割槍鎢極之間形成電弧的電流。附圖2中，1R3?1R6、1C14?1C7電容布局在快速恢復二極管吸收板43上，起到保護快速恢復二極管的作用。多個磁環(huán)(如磁環(huán)A、B等)套入相應的連接線中，起到抗干擾的作用，1L2為輸出電抗59起到對輸出電流進行濾波的作用。HEl和HE2兩個霍爾傳感器用于檢測電流。通過HE2霍爾傳感器，獲得輸出電流控制所需要的電流負反饋控制信號Uif。通過HEl霍爾傳感器，獲得小弧與主弧轉換的控制信號。HGQ電流環(huán)或電流互感器52用于檢測逆變變壓器初級電流，用于過流保護控制，T2引弧線圈57則用于把高頻引弧控制電路產生的高頻高壓引入切割機的輸出回路，實現(xiàn)高頻引弧，1R9為假負載，包括引弧小板電路部分，主要是實現(xiàn)小弧控制，以及實現(xiàn)輸出抗干擾、過壓保護等。
[0030]附圖4中，右上角的Nll?N13分別為穩(wěn)壓器。它們與外圍的一些器件共同組成直流穩(wěn)壓電源電路，負責產生+24V、+5V、+15V、-15V電源電壓。供給相關的控制電路工作使用。直流穩(wěn)壓電源電路的交流供電電源來自KBl控制變壓器18;P -LED)為電源指示燈，安裝在焊機前面板上，當控制電路產生+24V后，P-LED電源指示燈點亮，指示切割機帶電工作。
[0031]附圖4中，N4A運算放大器、N7A和N7B觸發(fā)器、N6門電路、N9和NlO時基電路、Q6?Q13場效應管、TRl和TR2驅動變壓器，以及它們周圍的好多器件組成本實用新型等離子弧切割機四只IGBT的驅動控制電路。由于UC3846芯片輸出的信號，驅動功率小，故需要經過IGBT的驅動控制電路進行放大，再通過驅動變壓器及其外圍的驅動電路去控制兩個模塊中4個IGBT的工作狀態(tài)。該電路的輸出端子Gl?G4、E1?E4分別連接附圖2中主電路的四只IGBT的控制端。IGBT驅動電路的輸入控制信號主要來自UC3846 PWM脈沖寬度控制芯片的AOUT和BOUT端。當然，輸出端子Gl?G4、EI?E4控制信號還受過熱保護控制電路、欠壓、過壓保護控制電路等控制。如果沒有過流、過熱、欠壓、過壓現(xiàn)象發(fā)生，則本實用新型等離子弧切割機會根據(jù)操作和控制的需要，由UC3846芯片的AOUT和BOUT端輸出PWM脈沖寬度控制信號，通過該驅動電路，去控制逆變主電路中四只IGBT的工作狀態(tài)，實現(xiàn)本實用新型等離子弧切割機小弧電流和主弧電流的控制。如果有過流、過熱、欠壓、過壓現(xiàn)象中某一現(xiàn)象發(fā)生，則附圖4的控制電路會關閉端子Gl?G4、E1?E4控制信號輸出，使IGBT停止工作。并且切割機不輸出電壓和電流。
[0032]附圖4中，UC3846芯片及其外圍器件組成的電路，是決定本實用新型等離子弧切割機輸出參數(shù)的核心電路。UC3846芯片輸出的AOUT和BOUT端輸出PWM脈沖寬度控制信號是一組方波脈沖信號。方波脈沖信號有一個固定的頻率(幾十KHz)。還有兩組脈沖信號之間有死區(qū)時間控制。這些是保障IGBT開關工作的重要參數(shù)之一。它們是通過UC3846芯片的外圍器件參數(shù)設置而確定的。至于如何確定，需要查看UC3846的相關使用資料或說明。介于篇幅的關系，這里不再重復說明。這里需要說明的是脈沖寬度調制信號是決定切割機逆變主電路輸出電壓和電流大小的信號。PWM脈沖寬度調制信號由電流給定信號和電流負反饋控制信號大小決定。當然，正如前面所說，還與工作時有沒有過流、過熱、欠壓、過壓現(xiàn)象發(fā)生。
[0033]附圖4中，由溫度繼電器或WJ熱保護器、過熱指示燈0H_LED、Q2場效應管、二極管(￥1、￥9、￥15、￥37)、電阻(1?11、1?100、1?13、1?41、1?53)、電容(04、066、027)組成。熱保護器或溫度繼電器WJ是常閉的。安裝在IGBT模塊散熱器上。當IGBT模塊散熱器較低時，WJ不動作。OH-LED過熱指示燈不會點亮。同時，通過Vl的鉗位作用，使Q2不會動作。這樣，不會影響UC3846的PffM脈沖寬度調制信號輸出。但是，當IGBT模塊散熱器較高時，WJ動作。OH-LED過熱指示燈(黃色，安裝在焊機前面板上)會點亮。+15V通過V9會使Q2動作。通過V15的鉗位作用，會關閉UC3846的PffM脈沖寬度調制信號輸出。使切割機停止輸出電流和電壓。只有當散熱器充分冷卻后，WJ重新恢復為常閉狀態(tài)，才能使UC3846輸出P麗脈沖寬度調制信號，最終使切割機輸出電流和電壓。以上就是本實用新型切割機控制電路過熱保護控制的工作原理。
[0034]附圖4中，XSl插頭連接至逆變主電路中的HGQ電流環(huán)或電流互感器52。當HGQ檢測到過大的電流信號時，表明逆變主電路中出現(xiàn)過流現(xiàn)象。此時，過流信號通過R29會關閉UC3846的P麗脈沖寬度調制信號輸出。使切割機停止輸出電流和電壓。只有過流現(xiàn)象消除，才能使UC3846輸出PffM脈沖寬度調制信號，最終使切割機輸出電流和電壓。以上就是本實用新型切割機控制電路過流保護控制的工作原理。
[0035]附圖4中，中間下方的N2D、N2A運算放大器、UV-LED和0V-LED過壓/欠壓指示燈，以及它們周圍的一些電阻、電容和二極管等組成切割機的過壓/欠壓保護控制電路。N2D、N2A運算放大器組成的電路是兩個典型的電壓比較器?；鶞孰妷菏?5V。通過R44輸入到兩個比較器。+15V經過R30和R42電阻分壓后輸入N2D比較器。+24V經過R8和R21電阻分壓后輸入N2A比較器。如果出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，15V電壓會較低，N2D比較器輸出高電平，通過V7使Ql場效應管導通，過壓/欠壓指示燈會點亮。同時，高電平信號通過V10，可關閉UC3846的PffM脈沖寬度調制信號輸出。只有欠壓現(xiàn)象消除，才能使UC3846輸出P麗脈沖寬度調制信號，最終使切割機輸出電流和電壓。類似地，如果出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，24V電壓會較高，N2A比較器輸出高電平，通過V8使Ql場效應管導通，過壓/欠壓指示燈會點亮。同時，高電平信號通過V12，可關閉UC3846的PWM脈沖寬度調制信號輸出。只有過壓現(xiàn)象消除，才能使UC3846輸出PTOl脈沖寬度調制信號，最終使切割機輸出電流和電壓。以上就是本實用新型切割機控制電路過壓/欠壓保護控制的工作原理。
[0036]本實用新型切割機的電弧電流，涉及小弧和主弧電流兩個方面?？刂埔彩歉髯詫崿F(xiàn)的。切割機前面板上的小弧接線柱，是需要連接至切割槍的引弧連接線的。實際上就是連接至切割槍的噴嘴。
[0037]附圖4中，右下角V3?V6、SA2開關等部分，是切割槍開關控制電路。通過XS6插頭連接至切割槍的手開關。其電路中開關外圍的一些電容為抗干擾電容。主要是防止干擾信號通過槍開關電路進入其它控制電路，干擾切割機的正常工作。從圖中可以看出，如果槍開關沒有閉合，ZD2穩(wěn)壓管是不會擊穿、穩(wěn)壓的，這樣N3光耦中的二極管就不會發(fā)光。其N3-B三極管就不會導通。就會影響附圖4中左下角部分繼電器和電磁氣閥等電路部分的工作。
[0038]本實用新型切割機的引弧采用高頻高壓引弧方式。附圖6是高頻高壓引弧控制電路。圖中，通過CONl插頭，分別連接至XS10-U90號線)和XS10-2(68號線);通過C0N2插頭，分別連接至引弧線圈T2(實際上是一個升壓變壓器)的98號線和99號線。由于T2串聯(lián)在逆變主電路的次級整流輸出回路中，故通過Τ2，可把高頻高壓引弧控制電路產生的高頻高壓信號引入到切割槍中，實現(xiàn)小弧的電弧引燃。實際工作中，當按下切割槍開關后，附圖4中左下角部分KD2-A繼電器會動作，XS10-U90號線)和XS10-2(68號線)之間會形成110VAC的交流電壓。此電壓經過V1~V4整流變換后，獲得直流電壓。通過ZDl和SCRl的控制，可使高壓包BI的初級獲得輸入電壓。經過BI高壓包的一次升壓作用，在BI高壓包的次級獲得更高的電壓。此電壓會對C5和C6高壓電容進行充電。當C5和C6兩端的電壓達到H)Q火花放電器氣隙擊穿電壓時，F(xiàn)DQ火花放電器的兩個放電器之間會形成擊穿放電現(xiàn)象。此時，C5和C6以及T2的初級之間構成一個振蕩回路，會產生高頻高壓信號。該信號再經T2升壓變壓器，可獲得更高的高頻尚壓信號。依據(jù)此電壓可擊穿切割槍噴嘴與切割槍媽極之間氣隙，同時，在輸出電流等控制電路的作用下，形成小弧電流。一旦切割槍與工件靠近，由于有小弧的存在，很容易使切割槍鎢極與工件之間形成主弧電流。小弧電流就是指產生于切割槍噴嘴與切割槍鎢極之間電弧的電流。小弧的作用是便于主弧的產生。主弧電流則是指工件與切割槍鎢極之間形成電弧的電流。小弧就是專業(yè)上指的非轉移型電弧，而主弧就是專業(yè)上指的轉移型電弧。非轉移型電弧的存在很容易形成轉移型電弧。這就為切割過程的正常進行創(chuàng)造了條件。
[0039]附圖4中，N14芯片⑶4053是多路電子控制轉換開關。切割機的控制電路帶電工作后，其默認狀態(tài)是:N14芯片的14腳與12腳連通;15腳與2腳連通;4腳與5腳連通。其11腳為低電平。從附圖4中可以看到，當14腳與12腳連通時，+15V通過R81可以對C38電容充電，使其儲存電能。4腳與5腳連通時，+ 15V通過R81可使V37和V38 二極管導通。當V37導通后，Q2場效應管導通，于是，通過V15 二極管的箝位作用，關閉UC3846的PffM脈沖寬度調制信號輸出。這樣，切割機不會有輸出電壓。當V38導通后，“77”點是高電平，附圖5中，NlD運算放大器將輸出高電平，A945三極管將截止;NlA運算放大器將輸出低電平，后級TLP光耦器件中二極管不會發(fā)光，后級Ql和Q2 IGBT也不會導通，這樣Xl與X2之間就不會短接。由于沒有按下切割槍開關，自然電磁氣閥和高頻引弧等都不會動作，因此，也不會形成小弧電流。但是，當連接好氣源、氣路，并按下切割槍開關后，情況就會完全不同了。
[0040]當按下切割槍開關SA2，ZD2穩(wěn)壓管會擊穿、穩(wěn)壓，這樣N3光耦中的二極管就會發(fā)光。其內部的三極管(見附圖4中左下角)N3-B導通。而附圖4中N5光耦中的二極管，有+24V就會發(fā)光。因此，其內部的三極管(見附圖4中左下角)N5-B也是導通的J3-B和N5-B導通后，+15V高電平信號，通過R55，一方面，使N14芯片的11腳由低電平轉變?yōu)楦唠娖?，N14芯片的14腳與13腳連通;N14芯片的4腳與3腳連通，Q15場效應管導通，繼電器KD2-A動作，KD2-B和KD2-C閉合，110VAC電壓通過XS10-1和XS10-2輸入到高頻引弧控制電路，最終產生高頻高壓引弧。另一方面，通過V18使場效應管Q14導通，繼電器KDl-A動作，其觸頭KDl-B和KDl-C(見附圖4右上角)閉合，使電磁氣閥DF2-2動作。有壓縮空氣進入到切割槍中，為產生小弧創(chuàng)造好條件。同時，V37截止，由于沒有過熱現(xiàn)象發(fā)生，V9也是截止的。這樣，Q2場效應管也截止或不導通。于是，V15也不導通，UC3846將產生P麗脈沖寬度調制信號輸出。這樣，切割機就會有輸出。V38不導通，“77”點是低電平，D3和D8也不導通。附圖5中，NlD運算放大器將輸出低電平，A945三極管將有集電極電流;NlA運算放大器將輸出高電平，后級TLP光耦器件中二極管會發(fā)光，后級Ql和Q2 IGBT不會導通，這樣Xl與X2之間就會短接。在高頻引弧等控制電路作用下，也就會形成小弧電流。
[0041 ] 附圖5是小弧控制板電路原理圖。圖中，直流穩(wěn)壓電源電路由KB2控制變壓器、ZL整流橋、N3(7815)和N2(7915)三端穩(wěn)壓器及其外圍的很多電容組成。其作用是產生+15V和-15V直流電壓，供給控制電路和器件工作使用。N1A、N1B、N1C是三個電壓比較器;NlD是電壓跟隨器。它們都是由運算放大器構成的電路?！?3”點接至HEl主弧霍爾傳感器的采樣信號。有主弧電流形成時，該傳感器才能檢測到電流信號?！?1”接至附圖4中RPl電流調節(jié)電位器的中點?！?7”和“78”點分別接至附圖4中左下角電磁氣閥控制電路部分?！?7”點電平，受控于附圖4的左下角等部分電路。當V38二極管導通時，“77”點為高電平；當V38二極管不導通或截止時，“77”點為低電平?！?8”點電平，受控于附圖5中NlB運算放大器的輸出。當NlB運算放大器輸出高電平時，“78”點為高電平。NlC輸出低電平，D6不導通?？墒垢綀D4中左下角電路中Q5三極管導通。同時，使Q4場效應管截止，繼電器KD3-A不動作，KD3-C不閉合，電磁閥DF2-3不動作。這種情況，是切割機主弧沒有形成時的情況，也就是HEl主弧霍爾傳感器沒有檢測到電流信號或“83”點電平為低電平的情況。反之，當主弧形成時，HEl主弧霍爾傳感器立即就可以檢測到電流信號，于是，“83”點電平由低電平轉換為高一些的電平，使NlB運算放大器輸出低電平。NlC輸出高電平，D6導通。NlD也輸出高電平，A945截止?！?1”點電位完全由附圖4中的RPl輸出電流調節(jié)電位器決定。同時，“78”點為低電平?？墒垢綀D4中左下角電路中Q5三極管不導通或截止。同時，使Q4場效應管導通，繼電器KD3-A動作，KD3-C閉合，電磁閥DF2-3動作。
[0042]當主弧形成時，由于NlB運算放大器輸出低電平，同時，附圖4中N14(⑶4053)的5腳電平轉換為低電平，V37和V38二極管都截止或不導通，“77”點電平為低電平，D3和D8是截止的，因此，NlA運算放大器輸出低電平。后級TLP光耦器件中二極管不會發(fā)光，后級Ql和Q2IGBT也會截止或不導通，Xl與X2之間就不會短接。這樣小弧就會被自動切斷。
[0043]附圖4中，RPl是切割機的電流調節(jié)電位器。VRl和VR2是切割機輸出主弧電流的校正調節(jié)電位器。RPl電位器的中點還與附圖5中小弧控制電路中的“41”點進行連接。當附圖5中的A945截止時，所控制的輸出電流為主弧電流；當附圖5中的A945沒有截止時，所控制的輸出電流為小弧電流。即“41”點電位的作用是:與附圖5中的VRl等電路配合，共同控制切割機輸出電流為小弧時的電流。NlD運算放大器及其外圍器件組成的電路為PI控制電路。是本控制板上的切割機輸出參數(shù)反饋控制的核心電路之一。由附圖4可見，RPl電流調節(jié)電位器給出的Ug電流給定信號通過R5、N1A組成的同步跟隨器等輸入到PI運算放大器的輸入一端。HE2霍爾傳感器，是檢測小弧和主弧電流的傳感器。檢測到的“45A”點信號為切割機輸出電流控制負反饋Ufi信號。它(主弧沒有形成時)可能是小弧的，也可能是主弧的(主弧形成時)。電流負反饋Ufi信號再通過NlB運算放大器等組成的電路輸入到NlD運算放大器及其外圍器件組成的PI(比例積分)控制電路的輸入端，與電流給定信號(可能是小弧電流給定信號，也可能是主弧電流給定Ug信號)進行比較。之后，比較后的差值信號，經過PI(比例和積分)控制電路環(huán)節(jié)，NlD運算放大器輸出的Uk控制信號決定著UC3846芯片輸出的HVM脈沖信號的時間寬度或占空比，決定切割機輸出電流和電壓的大小，實現(xiàn)輸出電流參數(shù)的準確控制。當切割電流給定信號不變時，隨著切割機電路檢測到的電流增加，并且，達到給定的設定值后，切割電流給定信號與電流負反饋控制信號的差值會隨電流增加而減小，通過PI控制后，使切割機輸出PWM芯片的脈沖寬度或占空比減小，切割機的輸出電壓降低。這一過程，也就是所謂的電流截止負反饋控制。即只有當電流達到電流電位器的設定值后才起作用的反饋控制。此后，隨著電流微小的增加，電壓降低會很多。當電壓下降到一定數(shù)值以下時，隨著電壓的降低，控制電路可使切割機輸出PWM芯片的脈沖寬度或占空比基本不變，使切割電流按照設定的參數(shù)保持穩(wěn)定，最終形成恒流的下降特性。當切割電流給定信號變化時，電流截止負反饋設定值不同，但其它的控制過程是類似的。這樣，在電位器設定的最小和最大給定信號之間，就可獲得無數(shù)條下降特性曲線?；蛘哒f，當電流給定信號和電流負反饋Ufi信號發(fā)生變化時，就會使PWM脈沖信號的時間寬度發(fā)生改變，最終通過全橋逆變主電路，實現(xiàn)切割機輸出電壓和電流的變化，以滿足空氣等離子弧切割的小弧或主弧電流控制，或輸出特性控制的要求。關于電流的反饋和PWM及輸出特性控制過程，可參見其它相關的控制原理說明作進一步的了解。實際測試結果表明:本實用新型切割機，小弧電流大約為25A-30A(安培)。主弧電流可達10A。
[0044]以上是本實用新型切割機各個電路板部分的簡要控制過程說明。由于本實用新型已經給出了附圖1?附圖6的詳細結構設計和電路原理圖，因此，對于有逆變切割機結構和電路閱讀能力(或具備相關知識)的人來說，是完全可以讀懂的。電路圖就是一種無聲的語言。但是，對于沒有電路閱讀能力(或不具備相關電路知識)的人來說，即使解釋的再多，他們也是難以理解的。鑒于篇幅的關系，本文只能闡述主要的部分，以使讀者能夠更好地理解相關的工作原理和過程。
[0045]通過上述說明可見，本實用新型有自己獨特的設計思路和方法。不僅實現(xiàn)了切割機的輸出、氣路等控制，而且，所設計的控制電路，包括它們的電路板和相互之間的連接關系，以及切割機的整機結構設計，都是使本實用新型切割機產品具有結構緊湊、控制性能良好的根本原因所在，也是滿足產品高效和低成本生產、高可靠性、制造工藝技術先進性的重要保障。本實用新型專利申請保護的內容就在于保護這種切割機的結構和電路設計。
[0046]此外，本實用新型不僅采用了先進的逆變控制技術，而且還采用了大量的SMT貼片和插件生產等先進技術和制作工藝，因而具有結構簡單、體積小、重量輕、成本低、生產效率高、制造技術先進等優(yōu)點;通過改變不同模塊的配置規(guī)格和參數(shù)，即可改變切割機的輸出電流或功率及負載持續(xù)率的大小，容易形成符合國家和國際標準的系列化產品。例如，制成90A、80A等電流等級的切割機產品。
[0047]良好的電路及其結構設計是本實用新型的優(yōu)勢所在，也是滿足高效和低成本生產、高可靠性、制造技術先進性的重要保障。本實用新型專利申請保護的內容就在于保護這種切割機的結構。
[0048]以上內容是結合具體的切割機結構和電路板及控制功能對本實用新型所作的詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只限于這些說明。對本實用新型所述技術領域的其他技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演和替換，這些都應該視為屬于本實用新型保護的范疇。
【主權項】
1.一種IGBT模塊10A工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，其特征在于:所述的離子弧切割機包括:外部的殼體部件和內部的電路部分，內部電路部分主要分為上、下兩層布局，上層電路部分主要為供電、輸入整流、控制板部分;其下層部分主要為整流后濾波、逆變變換、輸出整流和電流濾波、電流信號檢測和氣路控制部分;上層部分主要包括:控制變壓器、三相整流橋或橋堆、小弧控制板、高頻控制板、主控制板，這部分固定在切割機內部中隔板上，與下層部形成隔離，各上層部分被金屬外殼和中隔板包圍，可起到隔離來自下層的大電流強電磁干擾。2.如權利要求1所述的一種IGBT模塊100A工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，其特征在于:所述的下層電路部分主要包括:左側擋風板、固定散熱器絕緣板、右側擋風板、橋臂電容、IGBT模塊、CBB濾波電容、濾波電感、氣管、電磁閥A、IGBT模塊散熱器、輸出整流快恢復二極管散熱器、快恢復二極管吸收板、磁環(huán)A、霍爾傳感器、磁環(huán)B、磁環(huán)C、濾波板、快恢復二極管吸收板、快恢復二極管、濾波電解電容、電流檢測互感器、換向電感、絕緣板、逆變主變壓器、逆變諧振電容、引弧線圈、霍爾傳感器B、電抗器、機箱底板、假負載、諧振電感、熱保護器、電磁閥B部分;所述的殼體部分的后面板上有:空氣開關及其支架、空氣濾清器、冷卻風扇防護網罩、冷卻風扇，冷卻風機使冷風從切割機機箱后部的進氣孔進行，可使下層電路部分的一些發(fā)熱器件或零部件有良好的冷卻效果。
【文檔編號】B23K10/00GK205464760SQ201620032742
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月14日
【發(fā)明人】蔡獻, 魏繼昆, 朱宣輝, 陳法慶, 朱宣東
【申請人】浙江肯得機電股份有限公司