高頻逆變式等離子切割電源的設計與實現

吳任國

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高頻逆變式等離子切割電源的設計與實現

吳任國

（海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，武漢 430064）

研制了一種高頻逆變式等離子切割電源設備。設備采用高頻整流及軟開關技術，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，達到能夠對鋼結構進行等離子切割的目的。且具有輸入諧波特性好、功率因數高，體積重量小等優點。

等離子切割 高頻PWM整流 軟開關

0 引言

在現代工業領域中，焊接和切割是兩種同等重要的基礎工藝[1]。切割金屬材料是焊接的前道工序。90年代以來，現代焊接和切割技術同樣在不斷的相互促進和發展著,隨著焊接生產質量及自動化程度的提高，切割的效率和質量將直接影響焊接生產的效率和質量[2]。其中，逆變式等離子切割設備因其體積小，效率高以及切割質量較優而得到了快速而廣泛的發展[3]。

傳統焊接/切割電源大都采用不控整流技術，即對電網電壓進行不控整流、然后再經逆變為高頻方波電壓、降壓后進行整流的通用方案[4]。采用二極管進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，電流具有較大畸變，這樣就引起對電網輸入諧波的注入，使得對電網注入諧波及功率因數均不能滿足要求[5]。為了滿足相關標準的輸入特性要求，不少學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備的工作環境及電磁環境基礎上，嚴格按照相關的標準、法規進行設計研制，采用高頻PWM整流及軟開關技術[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，達到能夠對鋼結構進行等離子切割的目的。

1 系統組成、原理及功能

1.1 系統組成

高頻逆變式等離子切割電源系統框圖如圖1所示，包括AC/DC、DC/DC電路模塊，控制系統、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取電，首先經過AC/DC高頻整流變換為高壓直流電壓，再經過高頻隔離DC/DC電路得到直流輸出，用以供給切割作業使用。其中控制系統負責設備AC/DC和DC/DC電路的控制與保護以及對切割作業過程的監控和實時狀態的顯示。

1.2 工作原理

主電網三相380 V，50 Hz交流電，先經過濾波、高頻整流等前級電路變換為高壓直流電壓，穩定的直流高壓電再經過高頻逆變、隔離再整流等后級電路得到約200 V的直流輸出，用以供給切割作業使用。前級電路采用三相高頻PWM整流電路方案，高頻PWM整流拓撲簡潔，開關器件少，功率因數高，電流諧波較小，并且可以利用一體化封裝的三相開關模塊提高功率密度。后級則采用高頻隔離式移相全橋電路方案，該電路能夠實現軟開關，可以實現高頻化，體積重量更小，并且技術成熟，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，可作為切割作業的優質電源，能夠用于不超過10mm的鋼結構的空氣等離子切割。

2）具有自檢和故障（輸入過壓、輸入欠壓、輸入缺相、過溫等）的識別功能，在發生故障時，能夠通過聲、光進行報警。

3）可以通過裝置的信息采集裝置，實時監測設備的輸出電流以及氣壓量，并進行顯示。

2 切割電源方案的設計實現

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狀態轉換圖。當系統接線完畢初次上電后，檢測輔電板供電是否正常；然后系統開始預充電，當母線電壓足夠高時，閉合輸入預充電繼電器，系統進入待機狀態；當系統收到開機指令且無故障時，運行指示燈亮，系統進入到運行狀態；當系統處于待機狀態或者運行狀態時，系統發生故障，則此時故障指示燈亮，斷掉輸入繼電器，系統進入故障停機狀態。

對于控制方面，前級三相高頻PWM整流電路采用電壓定向的雙環控制策略，通過基于同步旋轉矢量坐標變換實現直流側的恒定以及交流側電壓電流的同向，具有動態響應快，控制精度高的優點。

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過電壓環數字PI控制器后作為電流內環d軸的電流指令。電流指令與實際電流反饋作比較，得到的誤差值再經過電流環數字PI控制器的輸出值，經過Park反變換后得到三相靜止坐標系下的調制信號，實現對被控對象的控制。

2.2 控制系統

圖3 系統狀態轉換圖

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

對于后級移相全橋則采用單電流環的單環控制策略，簡單可靠，如圖5所示。其中，K+K/s為電流環控制器，G為等效采樣延時，G為被控對象，為反饋系數。

2.3 氣路模塊

為了實現設備的切割功能，需要高壓氣流。因此還需要對焊接設備的氣路進行設計，其氣道結構圖如圖6所示。可以通過調壓閥手動調節氣壓大小，設備通過控制電磁閥控制供氣的通斷，通過氣壓傳感器檢測氣壓并進行保護。

圖4 三相高頻PWM整流電路控制框圖

圖6 氣路模塊結構圖

氣路模塊主要由過濾器，調壓閥，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。壓縮空氣首先經過過濾器進行空氣凈化，再通過接頭連接到調壓閥上，調壓閥具有手動調壓旋鈕，是一個3口的設備。側面兩個口為進氣口和出氣口，背部連接氣壓傳感器，可以進行氣壓值的觀測。

2.4 引弧模塊

如圖7所示為引弧模塊電路原理圖。設備空載運行時，輸出約200 V的空載電壓，該電壓經過功率電阻R1對電容C2充電。

切割開始，控制器檢測到割炬開關被按下，發送引弧控制指令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助下擴散到工件上，形成大弧，最終成功引弧。

圖7 引弧模塊電路圖

3 實驗結果及分析

為了驗證高頻逆變式等離子切割電源設計的合理性及實用性，在設計的工程樣機上進行了實驗，系統參數與設計參數一致。

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，測得輸入電流THD為2.9%，功率因數為0.99。

圖9 滯后臂上管的驅動及電壓波形圖

圖9所示為輸出電流為50 A時，移相全橋電流滯后臂上管的驅動及電壓波形。由于對于移相全橋電路來說，由于電路特性，相比于超前臂，滯后臂較難實現軟開關。由圖可知，切割電源在輸出電流為50A時，能夠實現軟開關。

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，寬度一致，切割無明顯缺陷。

4 結束語

通過對高頻逆變式等離子切割電源的主電路、控制系統、氣路以及引弧等模塊的設計實現，達到了對鋼結構進行等離子切割的目的。而且采用前級三相高頻PWM整流電路、后級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，功率因數高，切割質量好等優勢。并且切割樣機實驗也驗證了設計的合理性及實用性。同時，軟開關的實現，能夠進一步減小器件的開關損耗，提升系統效率，具有良好的經濟與社會效益。

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

[2] 陳要玲. IGBT逆變式等離子弧切割電源[D]. 蘭州理工大學, 2008.

[3] 伍健. 等離子切割高性能電源系統的研究[D]. 南京航空航天大學, 2010.

[4] 宗文博, 陳樹君, 盧振洋, 等. 一種ISOP結構弧焊電源主電路的研究[J]. 電焊機, 2016, (10): 61-65.

[5] 馮鑫振. 一體化高功率因數逆變式弧焊電源研究[D]. 華中科技大學, 2011.

[6] 朱國榮. 特種數字化弧焊電源關鍵技術研究[D]. 華中科技大學, 2009.

[7] 劉寶其, 段善旭, 李勛, 等. 逆變式等離子切割電源雙閉環控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2011, (09): 15-22.

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(1965-)，男，高級工程師。研究方向：船電技術。