一种绝缘栅双极型晶体管逆变空气等离子切割机制造技术

一种绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ管）逆变空气等离子弧切割机，以ＩＧＢＴ管做为全桥逆变结构中的开关元件，采用脉宽调制与零流零压谐振开关即ＰＷＭ－ＺＣＣ／ＺＶＣ联合控制方式，大幅度降低了开关损耗及开关时的电流电压冲击，极大地改善了逆变过程的开关条件并具备多重保护功能，其引弧器采用单端反激逆变升压结构。该机具有高可靠性、高性能、高效率，整机趋向小型化、大或超大功率，适用于几乎所有金属材料的高质量切割。（*该技术在2004年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种绝缘栅双极型晶体管(即IGBT管)等离子弧切割机，属金属焊割设备。空气等离子弧切割机是仅用电和压缩空气便能实现大多数金属材料切割的设备。可对目前绝大部分金属及非金属材料进行直线、曲线的快速熔化切割。为使空气等离子弧切割机向体小、量轻、高性能、节能、高可靠性方向发展，目前国际上大力推广和采用逆变电源技术。其技术主要体现在采用脉冲宽度调制即PWM调制电源输出功率及所需输出特性；采用达林顿晶体管、晶体管、场效应管等电子器件作为逆变开关器件；采用半桥式、全桥式作为主要变换结构。上述的逆变控制还存在一系列技术难点1、由于局限于PWM调制方式，其最大的特点就是强制逆变，即为实现逆变过程，必须强迫通断每一个逆变开关器件。因而不可避免地对开关器件本身以至整个电源系统造成瞬时的电压和电流冲击，开关应力很大。由此造成开关损耗大；开关电流、电压瞬态冲击大；需要可靠的吸收保护电路，以保证系统的正常工作；逆变频率难于提高，难于在大或超大功率逆变电源上可靠的应用。中国专利90221541.8《绝缘栅型双极性晶体管弧焊逆变器》就是如此。2、采用晶体管逆变或达林顿管逆变，其开关速度慢，开关损耗大，但其通态损耗小；而采用场效应管作逆变开关器件，其开关速度快，损耗小，但其通态损耗大，大功率输出时尤其突出。3、采用半桥式逆变，其输出功率范围有限；采用全桥逆变又存在逆变平衡、直通、开关器件多且保护需完善可靠等一系列难点，不改变强迫逆变控制手段时更突出。此外，空气等离子切割机还需要可靠的、小型或微型化的、系统抗引弧和其他干扰性能强、程序控制合理的引弧装置，为此如何设置一系列保护措施以保证机器的正常工作呢？本技术的目的是提供一种IGBT管逆变空气等离子弧切割机，以克服上述现有技术的缺陷或解决上述难题。该机采用脉冲宽度调制与零电流关断、零电压开通谐振逆变控制技术(即PWM－ZCC／ZVC)，以达到1、大幅度减小强迫通断桥式逆变电路中开关器件的通断损耗；改善逆变电路次级整流器件(主要是快速恢复二极管)的工作条件，使整流导通与截止转换损耗减小；彻底消除逆变桥中开关管关断时产生的电压反激，减弱开通瞬间的电流尖峰和电压振荡，不需任何瞬态吸收保护，桥式逆变电路简单明了；由于保留PWM调制，使系统调节简单实用，使逆变过程效率得以进一步提高，体积重量进一步减小，实现逆变电源大或超大功率输出并具备理想的恒流特性。2、采用吸收了晶体管、场效应管的优点、克服其缺点的IGBT管作为开关器件，使逆变结构和工作电路简化，可靠性增加，体积和重量进一步减小。3、合理地解决PWM调制、ZCC控制和ZVC控制三者之间的约束关系，使系统能在切割或焊接等负载动态变化极大的场合(如空载、负载、短路变化)正常工作。4、解决引弧器小型化、轻量化及电路系统抗干扰能力差的问题。并合理地设置多重保护环节，使该机能正常可靠运行。附附图说明图1为本技术电路原理图；附图2 为本技术主控电路即脉冲宽度调制与零电流零电压谐振开关联合控制逆变PWM－ZCC／ZVC主电路原理框图；附图3为本技术零电流零电压ZCC／ZVC驱动电路原理图；附图4为本技术引弧电路原理图。参照图1，网路工频交流电经主开关K1、交流接触器CJ1连接到整流桥ZL1之交流端，经ZL1高压整流器以及滤波电容C1、C2而直接整流获得高压直流。其正端与逆变全桥上端相连，负端串联传感器T1后与逆变全桥下端相联；逆变全桥由Q1－Q4四个IGBT管组成四个桥臂，电容C4、C5分别并联在Q2、Q4管的集电极和发射极之间；高频变压器B1与传感器T2和电容C6串联后跨接于全桥两端。在全桥结构中，Q2、Q4组成ZVC零电压开通半桥臂，Q1、Q3组成ZCC零电流关断半桥臂，两半桥互补，从而组成ZCC／ZVC逆变全桥，且在Q1－Q4管上无须加入任何吸收电路。当Q1、Q4导通，Q2、Q3断开时电流正向流通；当Q1、Q4断开Q2、Q3导通时，电流逆向流通，从而使B1初级两端流过高频电流，实现直流变交流的变换即逆变过程。高频变压器B1次级采用中心抽头绕组输出，并与整流二极管ZL2A、ZL2B组成抽头式全波整流方式，将B1变换到次级的高频交流电经整流而获得直流输出，经滤波电抗器L1滤波得到平滑的直流电流即切割电流。在L1与该直流输出正端间跨接RC旁路电路，引弧升压变压器B4与RC旁路构成切割所需的高频引弧回路，作引燃电弧之用；正端还串联分流器FL1，以提取切割电流反馈信号，并输出至切割工件作为正极。而割炬作为输出的负极，通过逆变电源切割电流负反馈控制获得恒定的切割电流输出。主控板即PWM－ZCC／ZVC主控电路，其19端接收T2送来的逆变电流信号，同时主控板6、7端，接收从高频变压器B1送来的逆变电压信号，两者作为主控板内部ZCC／ZVC电路中的零电流检测电路LJ的信号输入(见图2)。切割输出回路中的FL1检测输出反馈电流信号，送入主控板的8、9端，作为图2中光电隔离反馈放大电路GGF之输入信号。主控板分配输出的四路脉冲信号即图2中a、b、c、d脉冲信号，通过1－4端分别对应输出至ZCC／ZVC驱动电路板中，由该驱动电路分离处理获得四组独立的驱动脉冲信号A、B、C、D(见图3)，并通过其板上20A、21A、22A－20D、21D、22D端分别输送到逆变全桥中Q4、Q2、Q1、Q3管的发射极、栅极、集电极上，对应地控制Q1－Q4管之通断，由此形成一个由PWM调制输出的电流闭环控制、由零电流零电压ZCC／ZVC电路控制时序调节的系统，其工作原理为A、B脉冲为ZVC半桥服务，驱动电路A或B脉冲的出现，首先取决于PWM－ZCC／ZVC电路a或b脉冲的有无，其次取决于Q4或Q2管的两端即集电极与发射极之间电压UCE是否为零，当两个条件同时满足则A或B驱动脉冲输出，驱动Q4或Q2管导通，实现零电压开通，强迫关断的过程。C、D脉冲为ZCC半桥服务，C或D脉冲的出现和消失取决于c或d的出现，而c或d出现由PWM－ZCC／ZVC主控板直接控制获得，其消失由上述ZCC／ZVC时序闭环调节过程决定，实质是取决于逆变桥由通态向断态转换过程中电流是否变为零或过零，此条件满足时c或d消失并使C或D消失，实现对Q1、Q3管的强迫开通，零流关断过程。设在某一时刻，Q1、Q4管导通，Q2、Q3断。逆变电流经Q1、C7、B1、Q4形成回路，处于正常通态逆变过程。当A脉冲消失时，Q4管关断，此时回路中的C6、B1、C4、C5及其他寄生电感、电容形成LCR谐振，Q4管上的电压在谐振过渡中由零变成高压，而Q2则由高压变成零，满足零压开通条件而导通。此时逆变电流也由通态值减小过零或为零，从而控制关断Q1管，这样就完成了半个周期的逆变。当C脉冲出现时，Q3管导通，开始另外半个周期的逆变过程。为使高频变压器B1能够传输所需的功率，可通过调节通态时间即脉冲宽度来达到即PWM调制，从而实现既保证输出的调节，又保证ZCC／ZVC过程的实现。传感器T1检测逐个脉冲的过流信号，输至主控板的14端，以便通过图2中的逐脉冲保护电路ZM对系统进行保护。传感器T3检测引弧信号，输至主控板的15端，为程序控制服务。切割电流调节电路由R13、RW1、DW1、D5、D6、R7构成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝缘栅双级型晶体管逆变空气等离子弧切割机，以脉冲宽度固定调制技术、零电流和零电压开关技术为基础，采用全桥逆变方式，用ＩＧＢＴ晶体管做桥臂开关元件，包括逆变主回路、切割输出回路、主控电路、驱动电路、引弧电路以及相关的外围电路，其特征是 １）逆变回路包括由Ｑ↓［１］－Ｑ↓［４］四个ＩＧＢＴ管组成的逆变全桥，２）ＰＷＭ－ＺＣＣ／ＺＶＣ主控电路接收由切割输出回路中分流器ＦＬ↓［１］送来的输出信号、高频变压器Ｂ↓［１］送来的逆变电压信号和逆变主回路传感器Ｔ↓［２］送来的逆变电 流信号，向零电流零电压ＺＣＣ／ＺＶＣ驱动电路输送脉冲信号，由ＺＣＣ／ＺＶＣ驱动电路处理出驱动信号，输至逆变全桥中开关元件Ｑ↓［１］－Ｑ↓［４］的控制端，控制其开通和关断，从而变直流为交流，输到Ｂ↓［１］的初级并通过其向次级及切割输出回路输出，３）引弧电路由引弧电路板、初级接于引弧电路板而次级串接于切割回路的升压变压器Ｂ↓［４］和跨接的旁路ＲＣ元件组成，从主控电路获得启动或关闭信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韦伟平，雷丽平，
申请(专利权)人：广东金泰企业集团公司，韦伟平，雷丽平，
类型：实用新型
国别省市：44[中国|广东]