高頻逆變式等離子切割電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳任國(guó)

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高頻逆變式等離子切割電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳任國(guó)

（海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，武漢 430064）

研制了一種高頻逆變式等離子切割電源設(shè)備。設(shè)備采用高頻整流及軟開關(guān)技術(shù)，選用三相高頻PWM整流電路與高頻隔離式移相全橋電路方案，達(dá)到能夠?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子切割的目的。且具有輸入諧波特性好、功率因數(shù)高，體積重量小等優(yōu)點(diǎn)。

等離子切割 高頻PWM整流 軟開關(guān)

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，焊接和切割是兩種同等重要的基礎(chǔ)工藝[1]。切割金屬材料是焊接的前道工序。90年代以來，現(xiàn)代焊接和切割技術(shù)同樣在不斷的相互促進(jìn)和發(fā)展著,隨著焊接生產(chǎn)質(zhì)量及自動(dòng)化程度的提高，切割的效率和質(zhì)量將直接影響焊接生產(chǎn)的效率和質(zhì)量[2]。其中，逆變式等離子切割設(shè)備因其體積小，效率高以及切割質(zhì)量較優(yōu)而得到了快速而廣泛的發(fā)展[3]。

傳統(tǒng)焊接/切割電源大都采用不控整流技術(shù)，即對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行不控整流、然后再經(jīng)逆變?yōu)楦哳l方波電壓、降壓后進(jìn)行整流的通用方案[4]。采用二極管進(jìn)行整流的方案雖然具有高可靠性，但因不控整流電路的特點(diǎn)，電流具有較大畸變，這樣就引起對(duì)電網(wǎng)輸入諧波的注入，使得對(duì)電網(wǎng)注入諧波及功率因數(shù)均不能滿足要求[5]。為了滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的輸入特性要求，不少學(xué)者提出采用多脈波整流+濾波器的方案[6]，然而不管是無源濾波還是有源濾波方案，體積、重量必然大大增加。

本電源在充分考慮設(shè)備的工作環(huán)境及電磁環(huán)境基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)研制，采用高頻PWM整流及軟開關(guān)技術(shù)[7]，選用三相高頻整流電路與高頻隔離式移相全橋電路方案，達(dá)到能夠?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子切割的目的。

1 系統(tǒng)組成、原理及功能

1.1 系統(tǒng)組成

高頻逆變式等離子切割電源系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括AC/DC、DC/DC電路模塊，控制系統(tǒng)、顯示模塊，以及在割炬上形成等離子電弧所需的引弧、氣路等模塊。切割電源從三相交流電網(wǎng)取電，首先經(jīng)過AC/DC高頻整流變換為高壓直流電壓，再經(jīng)過高頻隔離DC/DC電路得到直流輸出，用以供給切割作業(yè)使用。其中控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)設(shè)備AC/DC和DC/DC電路的控制與保護(hù)以及對(duì)切割作業(yè)過程的監(jiān)控和實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示。

1.2 工作原理

主電網(wǎng)三相380 V，50 Hz交流電，先經(jīng)過濾波、高頻整流等前級(jí)電路變換為高壓直流電壓，穩(wěn)定的直流高壓電再經(jīng)過高頻逆變、隔離再整流等后級(jí)電路得到約200 V的直流輸出，用以供給切割作業(yè)使用。前級(jí)電路采用三相高頻PWM整流電路方案，高頻PWM整流拓?fù)浜?jiǎn)潔，開關(guān)器件少，功率因數(shù)高，電流諧波較小，并且可以利用一體化封裝的三相開關(guān)模塊提高功率密度。后級(jí)則采用高頻隔離式移相全橋電路方案，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)高頻化，體積重量更小，并且技術(shù)成熟，效率較高。

1.3 功能

1）高頻逆變式等離子切割電源具有9 kW的額定輸出功率，能夠提供最大80 A的直流電流輸出，和約200 V的空載電壓，可作為切割作業(yè)的優(yōu)質(zhì)電源，能夠用于不超過10mm的鋼結(jié)構(gòu)的空氣等離子切割。

2）具有自檢和故障（輸入過壓、輸入欠壓、輸入缺相、過溫等）的識(shí)別功能，在發(fā)生故障時(shí)，能夠通過聲、光進(jìn)行報(bào)警。

3）可以通過裝置的信息采集裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的輸出電流以及氣壓量，并進(jìn)行顯示。

2 切割電源方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 等離子切割電源主電路

圖2所示為切割電源的主電路圖。包括三相PWM整流電路與高頻隔離移相全橋電路組成。三相高頻PWM整流電路包括由繼電器RL1、RL2與電阻R1、R2組成的緩起電路、由電感L1、L2、L3組成的輸入濾波電路、由開關(guān)管Q1~Q6組成的全橋整流電路以及由電阻R3、R4、電容C1、C2組成的直流濾波電路。而移相全橋電路則包括由開關(guān)管Q1~Q4、二極管D1、D2、高頻變壓器T1、諧振電感L4以及隔直電容C3等組成的高頻隔離型逆變電路、由二極管D3~D4組成的全橋整流電路、由濾波電感L5、濾波電容C4組成的輸出濾波電路等。

圖3所示為切割電源的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。當(dāng)系統(tǒng)接線完畢初次上電后，檢測(cè)輔電板供電是否正常；然后系統(tǒng)開始預(yù)充電，當(dāng)母線電壓足夠高時(shí)，閉合輸入預(yù)充電繼電器，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)收到開機(jī)指令且無故障時(shí)，運(yùn)行指示燈亮，系統(tǒng)進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)或者運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生故障，則此時(shí)故障指示燈亮，斷掉輸入繼電器，系統(tǒng)進(jìn)入故障停機(jī)狀態(tài)。

對(duì)于控制方面，前級(jí)三相高頻PWM整流電路采用電壓定向的雙環(huán)控制策略，通過基于同步旋轉(zhuǎn)矢量坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)直流側(cè)的恒定以及交流側(cè)電壓電流的同向，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。

控制框圖如圖4所示，由電壓指令與母線電壓反饋的誤差值經(jīng)過電壓環(huán)數(shù)字PI控制器后作為電流內(nèi)環(huán)d軸的電流指令。電流指令與實(shí)際電流反饋?zhàn)鞅容^，得到的誤差值再經(jīng)過電流環(huán)數(shù)字PI控制器的輸出值，經(jīng)過Park反變換后得到三相靜止坐標(biāo)系下的調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。

2.2 控制系統(tǒng)

圖3 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

需要注意的是，為了減小啟動(dòng)時(shí)的瞬間電流，增加了電網(wǎng)電壓作為前饋。其中，KK為d軸和q軸的前饋系數(shù)，為鎖相環(huán)，K為變換器等效增益。

對(duì)于后級(jí)移相全橋則采用單電流環(huán)的單環(huán)控制策略，簡(jiǎn)單可靠，如圖5所示。其中，K+K/s為電流環(huán)控制器，G為等效采樣延時(shí)，G為被控對(duì)象，為反饋系數(shù)。

2.3 氣路模塊

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的切割功能，需要高壓氣流。因此還需要對(duì)焊接設(shè)備的氣路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其氣道結(jié)構(gòu)圖如圖6所示?？梢酝ㄟ^調(diào)壓閥手動(dòng)調(diào)節(jié)氣壓大小，設(shè)備通過控制電磁閥控制供氣的通斷，通過氣壓傳感器檢測(cè)氣壓并進(jìn)行保護(hù)。

圖4 三相高頻PWM整流電路控制框圖

圖6 氣路模塊結(jié)構(gòu)圖

氣路模塊主要由過濾器，調(diào)壓閥，氣壓傳感器，接頭以及能夠控制氣流通斷的電磁閥等部件組成。壓縮空氣首先經(jīng)過過濾器進(jìn)行空氣凈化，再通過接頭連接到調(diào)壓閥上，調(diào)壓閥具有手動(dòng)調(diào)壓旋鈕，是一個(gè)3口的設(shè)備。側(cè)面兩個(gè)口為進(jìn)氣口和出氣口，背部連接氣壓傳感器，可以進(jìn)行氣壓值的觀測(cè)。

2.4 引弧模塊

如圖7所示為引弧模塊電路原理圖。設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)，輸出約200 V的空載電壓，該電壓經(jīng)過功率電阻R1對(duì)電容C2充電。

切割開始，控制器檢測(cè)到割炬開關(guān)被按下，發(fā)送引弧控制指令YHC。引弧程控板閉合T1，并給火花板充能，擊穿火花塞FD，獲得高頻高壓電，經(jīng)過壓敏電阻R3和電容C3施加到引弧線與割炬的電極之間，擊穿空氣。電容C2再通過二極管D1迅速放電，維持小弧。最后，等離子體在壓縮空氣的協(xié)助下擴(kuò)散到工件上，形成大弧，最終成功引弧。

圖7 引弧模塊電路圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證高頻逆變式等離子切割電源設(shè)計(jì)的合理性及實(shí)用性，在設(shè)計(jì)的工程樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)一致。

圖8 切割電源A相輸入電流波形圖

圖8為切割電源滿載A相輸入電流波形。由圖可知，切割電源輸入電流波形基本正弦，測(cè)得輸入電流THD為2.9%，功率因數(shù)為0.99。

圖9 滯后臂上管的驅(qū)動(dòng)及電壓波形圖

圖9所示為輸出電流為50 A時(shí)，移相全橋電流滯后臂上管的驅(qū)動(dòng)及電壓波形。由于對(duì)于移相全橋電路來說，由于電路特性，相比于超前臂，滯后臂較難實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。由圖可知，切割電源在輸出電流為50A時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)。

圖10為切割電源切割10mm厚鋼板的切割縫隙圖，由圖可見，切割縫隙通透、連續(xù)，寬度一致，切割無明顯缺陷。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)高頻逆變式等離子切割電源的主電路、控制系統(tǒng)、氣路以及引弧等模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子切割的目的。而且采用前級(jí)三相高頻PWM整流電路、后級(jí)移相全橋電路的高頻逆變式等離子切割電源具有輸入特性好，功率因數(shù)高，切割質(zhì)量好等優(yōu)勢(shì)。并且切割樣機(jī)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性及實(shí)用性。同時(shí)，軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)，能夠進(jìn)一步減小器件的開關(guān)損耗，提升系統(tǒng)效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

[1] 趙家瑞.逆變焊接與切割電源〔M〕.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1996: 261-262.

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Design and Implementation of High Frequency Inverter Plasma Cutting Power Supply

Wu Renguo

(Naval Representatives Bureau in Wuhan, Wuhan 430064)

TN864

A

1003-4862（2017）03-0074-04

2017-01-15

吳任國(guó)(1965-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：船電技術(shù)。