非高频机械引弧场效应电力开关器件等离子切割机

1、实用新型专利说明书非高频机械引弧绝缘栅场效应电力开关器件逆变式等离子切割机技术领域本实用型涉及焊接 /切割设备，尤其是一种非高频机械引弧绝缘栅场效应电力开关器件逆变 式等离子切割机。背景技术目前的逆变式等离子切割机均存在设计不合理，制造工艺差，电磁干扰大，对电网的传导干 扰和周围空间的辐射干扰都大大超过国家 EMC 标准和国际的 CE 标准。其主要原因在于： 1，功率变压器没有有效的电磁屏蔽装置。2，切割引弧采用的是高频高压引弧方式，在引弧的一瞬间，电磁干扰信号幅度非常高，严 重干扰周边的其他设备的正常工作。无法适应焊割设备的数字化要求。3，电磁场的泄露和高频高压引弧引起的焊割设备周边电磁场强

2、度超标，会对人体健康产生 不良影响。引弧的高压还会增加操作者触电的危险。4，整机结构设计不合理，强迫风冷系统热交换效率不高，散热不良，造成设备的暂载率偏 低，不符合国家 CCC 的标准和国际 CE 标准，无法满足用户长时间高负荷的使用要求。 发明内容本实用新型要解决的问题是， 能够设计制造一种具有良好高效的风道结构， 安装有良好的功 率变压器电磁屏蔽装置，暂载率高，电磁干扰小，安全高效的非高频机械引弧的绝缘栅场效应 电力开关器件逆变式等离子切割机。为达到以上目的，本实用新型 “非高频机械引弧绝缘栅场效应电力开关器件逆变式等离子切 割机”包括按设备的电功率流向而顺序连接的：输入滤波电路、软启动电

3、路、一次侧整流滤波 电路、逆变电路、隔离变压器和二次侧整流滤波电路。以及弱电部分的引弧控制电路、主控制 电路、PWM脉宽调制和隔离驱动电路电路等，并且，隔离驱动电路和逆变电路相连接。特别的， 引弧控制电路和二次整流滤波电路双向联通。逆变电路为全桥式逆变电路， 逆变器桥路由绝缘栅场效应电力开关器件 VT1、 VT2、 VT3、 VT4 桥接而成，R9 R11、R13 R15分别为四只绝缘栅场效应电力开关器件的栅极串联驱动电阻， R10 R12 R14 R16分别为四只绝缘栅场效应电力开关器件的栅极并联泄流电阻。而 R7和C18; R8 和C19; R17和C21; R18和C22分别为四只绝缘栅

4、场效应电力开关器件两极（对于 MOSFE器件 为D和S极，对于IGBT器件为C和E极，对于MCT器件为A和K极）并联的阻容吸收电路。设有 PCB 板和 F 形齿状铝型材散热器，左右对称安装的两只该散热器形成风道左右壁，上 PCB 板安装于该散热器顶端，中 PCB 板安装与该散热器底端，上下 PCB 板形成风道上下壁， 这样，一个高效散热风道就构成了。所述主控制电路 隔离驱动电路 逆变电路均安放在上 PCB 板上，所述引弧控制电路 隔 离变压器、二次侧整流滤波电路均安放在下 PCB板上。隔离变压器是本设备的大功率器件，工 作时其漏感会向外泄露大量的电磁场能量，本安装方式使得隔离变压器安置于 F

5、形齿状铝型材 散热器的下部，其上下左右均有金属导体包围着，这就极大地屏蔽了隔离变压器电磁漏感能量 的泄露，极大的衰减了电磁干扰能量，使得主电路上的电磁干扰的处理变得简单容易。而且， 这样的风道结构气密性很好，轴流风机的强迫风冷效率很高，散热效果好，暂载率高。本实用新型在采用了屏蔽隔离变压器电磁漏感能量的泄露的基础上， 还在电源进线端设立了 输入滤波电路（EMC电路），使设备能完全达到“ CCC”和CE的EMC检测标准要求。另外：引弧控制电路部分采用了低气流维弧技术，正常切割时，大气流电磁气阀导通，气流 量大，满足切割的大电流大气流要求;维弧时，小气流气阀开通，满足维弧的小电流小气流要 求。同时

6、，使用了两个分流器，分别用于维弧电流和切割电流的反馈采样。通过这样的技术处 理，本切割机在切割时不需要高频高压引弧，采用的是机械引弧方式，使得电磁干扰和电磁污 染锐减，提高了本切割机和周围电气设备，以及和本切割机配套的数控设备的可靠性。同时以 提高了操作者的安全性。附图说明图一是本实用新型的电路方框图 图二是本实用新型的电路原理图 图三是本实用新型的主机风道结构图 图中，1 为输入滤波电路， 2 为软启动电路， 3 为一次侧整流滤波电路， 4 为逆变电路， 5 为隔离变压电路， 6 为二次侧整流电路， 7 为引弧控制电路， 8 为主控制电路， 9 为 PWM 脉宽 调制电路， K1 为控制厚膜

7、电路， DR1 为隔离驱动厚膜电路， EU1 为辅助电源电路， MOT1 为强 迫风冷用轴流风机。 具体实施方式如图一所示：本实用新型非高频机械引弧绝缘栅场效应电力开关器件逆变式等离子切割机， 包括按设备的电功率流向而顺序连接的：输入滤波电路1、软启动电路 2、一次侧整流滤波电路3、逆变电路 4、隔离变压器 5 和二次侧整流滤波电路 6。以及弱电部分的引弧控制电路 7、主控 制电路8 PWM脉宽调制电路9等，并且，隔离驱动电路和逆变电路相连接。特别的，引弧控制 电路和二次整流滤波电路双向联通。图一中各电路的构成和相互连接关系见图二。如图二所示：输入滤波电路1由电源开关S1，差模滤波电容C1和C

8、4,共模滤波电容C2, C3, C5, C6 以及共模滤波电感 L1 组成。电网干扰信号通过上述滤波器的滤除， 使得本切割机免受外界电磁 干扰，提高稳定性；同样，本切割机产生的干扰信号会也会被上述滤波器滤除，使得本切割不 会对外界产生电磁干扰，提高其他设备的稳定性。软启动电路2由晶体三极管Q1,定时电容C10,继电器RL1和其触点RL1-1, 次侧限流电 阻R1以及电阻R2, R3二极管D2, D3, D4组成。当本切割机电源开关 S1打开后，继电器RL1 处于失电状况，触点RL1-1断开，电网电压经过一次侧限流电阻 R1的限流后缓慢为主回路一次 侧电容充电，充电电流很小。同时软启动电路 2的

9、电源端立即有+24V电压（由辅助电源EU1输 出），该电压通过R3限流，对定时电容C10缓慢充电，当定时电容上电压达到二极管 D3的稳压 值时，晶体三极管Q1导通，继电器RL1得电其触点RL1-1闭合，一次侧限流电阻R1被短路失 去作用，整个软启动过程结束，整机进入正常工作状态。软启动电路 2 可以避免开机大电流冲 击损坏器件，使整机可靠性得到保障。一次侧整流滤波电路3由整流桥BR1和电容C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17和电阻R6组成。 送 入 机内 的 交 流电 压 电 流 通 过整 流 桥 BR1 整 流成 直 流 电 压 电 流， 经 过 电 容 C11,C12,C

10、13,C14,C15,C16,C17 等滤波后送往逆变器 4.逆变电路 4由四组绝缘栅场效应电力开关器件 VT1， VT2， VT3， VT4 桥接而成， R9、R11、 R13 R15分别为四只绝缘栅场效应电力开关器件的栅极串联驱动电阻，R10 R12 R14 R16分别为四只绝缘栅场效应电力开关器件的栅极并联泄流电阻，DR1为隔离驱动电路。而R7和C18;R8和C19; R17和C21; R18和C22分别为四只绝缘栅场效应电力开关器件两极（对于 MOSFET 器件为D和S极，对于IGBT器件为C和E极，对于MCT器件为A和K极）并联的阻容吸收电路。 从隔离驱动电路DR1输出的四路PWMH

11、号分别有序的送到四组绝缘栅场效应电力开关器件VT1 ,VT2， VT3， VT4 上，让其按 VT1 和 VT4; VT2 和 VT3 分别同时导通，而 VT1 和 VT2; VT3 和 VT4 相位相差 180o 导通，这样的交替导通，就会将直流电压电流逆变成中频交流方波电压 电流，该中频交流方波电压电流送至隔离变压器 T1 的一次侧。隔离变电路 5由具有一次侧绕组和二次侧绕组的中频变压器 T1 担当，隔离变电路 5一次侧 一头接逆变桥的桥臂中点，另一头穿过一次侧电流互感器 T2后接逆变桥的桥臂另一中点。二次 侧接到二次侧整流电路。一次侧绕组和二次绕组是通过绝缘材料安全绝缘的。二次侧整流滤波

12、电路6由快恢复整流二极管D5, D6, D7, D8,滤波电感L2以及阻容吸收电 阻 R19, R20, R21, R22和阻容吸收 C23, C24, C25, C26等组成。引弧控制电路7由双电压双运算放大器 U1,晶体三极管Q6 Q7继电器RL2 RL3和周边元 件组成。主控制电路8, PWM脉宽调制电路9和隔离驱动电路等由控制厚膜电路 K1 , MOSFE驱动管 M1, M2 M3 M4以及周边电路组成。其中控制厚膜电路 K1能够实现脉宽调制（PWM）,温度 超高保护和电网电压过 /欠压保护。主控制电路的工作原理是：分流器 ST1的采样信号通过C29, R28, VR1, D13送到控

13、制厚膜 电路K1的8脚,电流给定信号通过C36 , R36送到控制厚膜电路K1的6脚,在控制厚膜电路 K1内部进行比较，得出误差信号。同时，一次侧电流互感器T2检测到按比例衰减了的一次测电流信号,经开关二极管 D9 , D10 , D11 , D12整流后在电阻R26 , R27及电容C28上形成脉 冲电压 该电压值正比于一次侧电流值 该信号送到控制厚膜电路 K1 的 11 脚 在内部一路作 为过流保护信号 当有逆变一次侧有异常大电流时 控制厚膜电路 K1 内部电路会立即封锁当前 驱动脉冲 使逆变电路的绝缘栅场效应电力开关器件立即关断 起到过流保护作用；另一路作 为比较信号和前面的误差信号进行

14、比较 得到适当宽度的 PWM 信号 该信号通过死区形成 分频和锁相后分别从控制厚膜电路 K1的23 , 27 , 29 , 25等脚输出，经MOSFE驱动管M1, M2, M3 M4的驱动放大，送至隔离驱动板 DR1隔离驱动板是一个单路输入四路输出的低漏感脉冲 变压器 驱动信号被该变压器分成四路 每路经过各自的整形 电平下移之后按一定规律送至 逆变器的四组绝缘栅场效应电力开关器件。辅助电源 EU1 给主控制电路 驱动电路等供电。切割机输出切割电流给定电路由电阻 R42 , R36和VR3电容C36组成。切割机输出维弧电流给定电路由电阻 R41 , R36和VR2电容C36组成 切割机枪开关控制

15、的实现：开关 PS1 是气压检测开关 当气压正常时此开关闭合。故可以 认为工作过程当中,PS1始终闭合。当枪开关S2未闭合时,晶体三极管Q2因基极无偏置电流 而截止，其集电极电压升高，晶体三极管 Q3得到基极偏置电流而导通，通过电阻 R29拉低了 控制厚膜电路 K1 的 18脚电压 电路处于无输出状态。当枪开关S2闭合时,24V电压通过R32给晶体三极管Q2提供基极偏置电流使其导通,其 集电极电压降低到饱和压降，晶体三极管 Q3便失去基极偏置电流而截止，控制厚膜电路K1的18脚变为高电平 电路开始输出。当枪开关S2闭合的同时,电容C34充电，晶体三极管Q4因此而导通,而晶体三极管 Q5 截止,

16、电磁阀V2失电关闭,无维弧小气流。很快的,电容C34充电结束,晶体三极管Q4截止, 这时电容C33为高电平,晶体三极管Q5便导通,电磁气阀V2得电开通,于是就有维弧小气流 维持切割枪上电弧。当枪开关关短时,切割机无输出，因电容 C33放电延时,电磁阀V2会延时失电关闭断气， 这就完成了预通气，滞后供电的功能。另外,在控制厚膜电路K1的18脚外围电路R29前并联了一只常开的温度继电器 TS1 将它置于逆变器的绝缘栅场效应电力开关器件 F 形齿状铝型材 散热器 10 或 12 的外表面 监测其表面温度 当其温度超过规定值时 温度继电器 TS1 会立即 闭合 将控制厚膜电路 K1 的 18脚电位拉低

17、 整机停止输出 使设备得以保护。引弧控制功能的实现：本实用新型的引弧方式为非高频机械引弧方式 具体为：当割枪开 关闭合式，电路工作，但输出的正负端还未曾接通，分流器ST2的负端电压为零，运算放大器U1的7脚为高,晶体三极管Q6导通,继电器RL2得电开通,其触电RL2-1闭合导通,使得维 弧端和输出端接通 此时由于电磁气阀 V2 的延时开通 维弧小气流不会立即开通 割枪枪头里 的针状电极和喷嘴短路 等电磁气阀 V2 开通后 气压会冲开针状电极使得针状电极和喷嘴间产 生间距 这一机械动作就会起到拉弧作用 机械拉弧（引弧）后就会在针状电极和喷嘴间形成 稳定的电弧。同时晶体三极管 Q7也导通,继电器R

18、L3得电，一方面一组触点RL3-1动作,使 电磁气阀 V1 失电断开关气，切割大气流是被关断的，另一方面另一组触点 RL3-2 将给定电流 值由 VR3 动点给出的切割电流给定值切换到由 VR2 动点给出的维弧电流给定值。当割枪嘴和工件接触时，维弧电弧引燃切割电弧，电弧发生微量转移，这时就有电流流过 分流器RT2,分流器RT2负端就有电压信号，经运算放大器 U1放大比较后，在其7脚输出低 电平，晶体三极管 Q6 和 Q7 均截止，继电器 RL2 和 RL3 均失电，同时会产生一系列动作，一 是维弧端 RL2-1 断开，二是气流由维弧的小气流切换成切割大气流，三是输出电流由维护时的 小电流切换到切割大电流，从而使切割机进入正常的切割状态