等離子切割機(jī)半橋逆變電源的設(shè)計(jì)

朱彬若，江劍鋒，渠浩，董婭韻，楊喜軍，唐厚君

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437; 2. 上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

等離子切割機(jī)半橋逆變電源的設(shè)計(jì)

朱彬若1，江劍鋒1，渠浩2，董婭韻2，楊喜軍2，唐厚君2

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437; 2. 上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

相比全橋逆變式DC-DC變換器，半橋逆變式DC-DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小功率等離子切割機(jī)等應(yīng)用場合。設(shè)計(jì)了一種采用半橋逆變式DC-DC變換器、短路引弧、閉環(huán)電流控制等特征的等離子切割機(jī)逆變電源，兼具有過熱保護(hù)、過壓保護(hù)和橋臂電壓失衡保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)了輸出電流在35 A～115 A之間連續(xù)可調(diào)的等離子切割機(jī)實(shí)物樣機(jī)。切割工件實(shí)測結(jié)果表明，基于逆變電源等離子切割機(jī)的切割質(zhì)量達(dá)到類激光水平。

金屬切割；等離子切割機(jī)；半橋逆變電源；狀態(tài)空間平均法；短路引弧

0 引 言

金屬熱切割方法主要包括火焰切割、等離子切割和激光切割。相較于火焰切割，等離子切割具有操作簡便、速度快、質(zhì)量高、范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。相較于激光切割，等離子切割具有成本低、厚度大、耗材省、性價(jià)比高的優(yōu)勢。上世紀(jì)80年代左右，等離子切割技術(shù)從國外引入中國市場，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)科研院所和企業(yè)逐漸掌握了等離子切割技術(shù)，但更多的是以引進(jìn)國外核心部件為主，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。因此，真正實(shí)現(xiàn)等離子切割機(jī)國產(chǎn)化還需更多投入。等離子電源大致分為以下幾類：硅整流電源、晶閘管整流電源、高頻逆變電源和高頻斬波電源。隨著等離子切割技術(shù)向高精度、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化趨勢發(fā)展，逆變電源和斬波電源逐漸成為當(dāng)前主流。斬波電源適用于大功率場合，效率較高，設(shè)計(jì)簡單，易于模塊化，但為了降低開關(guān)損耗，開關(guān)頻率一般不大于10 kHz，因此需要體積龐大的平波電感，而且需要采用笨重的三相降壓變壓器。逆變電源適用于中小功率場合，具有體積小、效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

在引弧方面，等離子切割包括接觸式和非接觸式。接觸引弧一般采用高頻引弧，通過高頻高壓擊穿噴嘴與電極之間的氣體間隙，從而得到等離子電弧。高頻引弧成功率高，但對周圍環(huán)境構(gòu)成高頻干擾。非接觸引弧又稱短路引弧，先將噴嘴和電極進(jìn)行短路，形成短路電流，再利用氣體將噴嘴和電極吹開，從而形成電弧。短路引弧成本低，干擾小，適用于低成本、中小功率場合。

在功率電路方面，相比全橋逆變式DC-DC變換器，半橋逆變式DC-DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，適用于中小功率等離子切割機(jī)的應(yīng)用場合。在控制電路方面，國內(nèi)等離子切割機(jī)一般采用模擬控制電路，國外大多采用數(shù)字控制電路。數(shù)字控制電路相對較復(fù)雜，但拓展性強(qiáng)、易于二次開發(fā)，是等離子電源發(fā)展的方向。在控制方法方面，等離子切割電源一般采用電流閉環(huán)控制。也可以增加電壓環(huán)，形成雙閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更加運(yùn)行平穩(wěn)，順利由引弧階段過渡到切割階段[1]。本設(shè)計(jì)基于中小功率等離子切割機(jī)應(yīng)用，采用短路引弧和半橋逆變電源電路，支持輸出電流范圍35 A～115 A，具有較高的電流精度。

1 整體方案與工作原理

1.1 弧轉(zhuǎn)移過程

等離子電弧為直流電弧，根據(jù)氣體放電理論，典型直流電弧的伏安特性如圖1所示[2]。

圖1 典型直流電弧伏安特性曲線

等離子切割過程可以分為以下五個(gè)階段：瞬時(shí)短路階段、吹弧階段、弧轉(zhuǎn)移階段、弧穩(wěn)定階段和熄弧階段[3]。

切割開始時(shí)，割炬電極和噴嘴相接觸，形成短路回路，控制短路電流維持恒定，此階段為瞬時(shí)短路階段；此后打開氣路，通過壓縮空氣將電機(jī)和噴嘴吹開，拉出電弧，為吹弧階段。瞬時(shí)短路階段和吹弧階段分別對應(yīng)圖1的DE段和EF段，使噴嘴和電極間電弧工作在一個(gè)穩(wěn)定可自持的放電特性區(qū)域。

隨著電弧被吹出噴嘴，接觸工件，工件和電極間形成回路，此階段稱為弧轉(zhuǎn)移階段，對應(yīng)圖1中FG和GH段，為使工作電弧平穩(wěn)地由輝光放電進(jìn)入電弧放電，可增大工件和電極間電壓或減小工件和電極間距離，以提高工件和電極間電場強(qiáng)度。

當(dāng)工件和電極間回路形成后，通過控制維持工件和電極間電流穩(wěn)定在設(shè)定電流值，此階段為弧穩(wěn)定階段，對應(yīng)圖1中HK段，此階段電弧較穩(wěn)定，可利用Steenbeck-Raizer通道模型進(jìn)行定性分析[4-6]。

需要停止切割時(shí)，電弧根據(jù)設(shè)定流程逐步降低直至熄滅，此階段稱為熄弧階段，對應(yīng)圖1中由K點(diǎn)反向恢復(fù)至DEF段。由圖1可知，在反向恢復(fù)過程中，電流由電弧放電階段下降至輝光放電階段時(shí)，會產(chǎn)生電壓尖峰，對系統(tǒng)產(chǎn)生過壓沖擊，在電路設(shè)計(jì)中需要特別注意。

以弧轉(zhuǎn)移過程為基礎(chǔ)，根據(jù)狀態(tài)機(jī)編程思路，得到總體控制程序架構(gòu)如圖2所示。

圖2 等離子切割機(jī)總體控制程序架構(gòu)

1.2 電路拓?fù)渑c工作原理

功率電路采用半橋逆變DC-DC變換器，如圖3所示，包含網(wǎng)側(cè)濾波電感、三相工頻二極管不控整流橋、半橋逆變電路、高頻變壓器、次級高頻二極管不控整流橋、引弧支路和工件負(fù)載環(huán)節(jié)。

圖3 等離子切割機(jī)逆變電源的功率電路

功率電路的核心部分是半橋逆變電路，其工作原理如下：

S1與S2PWM驅(qū)動(dòng)信號占空比d(d<0.5)相同，相差180，開關(guān)周期為Ts，可得到半橋逆變電路的四個(gè)開關(guān)狀態(tài)：

狀態(tài)1：0

狀態(tài)2：dTs

狀態(tài)3：0.5Ts

狀態(tài)4：(0.5+d)Ts

圖4 次級負(fù)載的等效開關(guān)狀態(tài)

對于狀態(tài)1和狀態(tài)3，變壓器初級電流方向不同，但對于次級負(fù)載表現(xiàn)一致，因此可以合并為一個(gè)狀態(tài)a。類似地，狀態(tài)2和狀態(tài)4也可合并為狀態(tài)b。假定高頻變壓器的變比為n∶1，狀態(tài)a和狀態(tài)b如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在上述理論基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真分析，并制作等離子切割機(jī)逆變電源樣機(jī)實(shí)物如圖5所示，包括控制電路、反激電源電路、顯示與輸入電路和功率電路等。額定輸入電壓380 V/50 Hz，額定輸出功率16.8 kW，額定輸出電壓160 V，引弧電流20 A，額定輸出電流115 A，開關(guān)頻率24 kHz，直流側(cè)吸收電容2×3 μF，直流母線電壓波動(dòng)幅度低于10%，額定負(fù)載電阻160/105Ω?？刂破鞑捎肨MS320F28335，半橋逆變電路IGBT選用SKM300GB126D，驅(qū)動(dòng)器采用HCPL-316J；引弧IGBT選用1MBI100U4F- 120L-50，驅(qū)動(dòng)器采用HCPL-312。氣控電路采用SMC公司生產(chǎn)的流量精密減壓閥VEX1133-02N- X259和兩個(gè)微型三通電磁閥V124-5MOU-X255相互配合。

圖5 等離子切割機(jī)逆變電源實(shí)物

當(dāng)輸出電流為115 A時(shí)，等離子切割機(jī)逆變電源工作時(shí)序如圖6所示，圖中A蹤為電弧電壓波形，B蹤為引弧IGBT驅(qū)動(dòng)電壓波形，C蹤為等離子切割機(jī)輸出電流波形，即工件負(fù)載電流波形，D蹤為引弧電流波形。電源輸出時(shí)序與預(yù)期時(shí)序一致，滿足等離子切割機(jī)的工作需求。

圖6 等離子切割機(jī)逆變電源的工作時(shí)序

圖7 等離子切割機(jī)輸出電流紋波部分

工件負(fù)載輸出電流紋波部分如圖7所示，輸出額定電流115 A，紋波峰峰值約為12 A，紋波電流峰峰值為額定電流10.4%，滿足設(shè)計(jì)要求，電流紋波頻率約為48 kHz，即為單個(gè)逆變IGBT開關(guān)頻率的兩倍。電流紋波與負(fù)載輕重、開關(guān)頻率大小以及平波電感大小有關(guān)。

3 結(jié)束語

采用半橋逆變DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)了輸出直流電流35 A～115 A連續(xù)可調(diào)的等離子切割機(jī)電源裝置，短路引弧方式的引弧成功率在98%以上。分析了半橋逆變DC-DC變換器的小信號模型，根據(jù)弧切割過程設(shè)計(jì)了總體控制策略，給出現(xiàn)場實(shí)測波形。結(jié)合顯示與輸入模塊、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、橋臂電壓失衡保護(hù)構(gòu)成了完整的數(shù)字化等離子切割機(jī)電源，實(shí)際切割效果達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。

[1] 劉寶其，段善旭，李勛，等. 逆變式等離子切割電源雙閉環(huán)控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011, 31(9): 15-22.

[2] 楊津基. 氣體放電[M]. 北京：科學(xué)出版社, 1983.

[3] S RAMAKRISHNAN, M GERSHENZON, F POLIVKA, et al. Plasma generation for the plasma cutting process[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1997, 25(5): 937-946.

[4] 孫強(qiáng)，劉延明. 逆變式空氣等離子切割機(jī)低頻引弧技術(shù)的研究[J]. 電力電子技術(shù)，2011, 45(7):121-123.

[5] 李強(qiáng). 半橋逆變弧焊電源系統(tǒng)建模和仿真技術(shù)研究[D].青島：青島大學(xué)，2007.

[6] 賈德利，尤波，張雪巖，等. 逆變式等離子弧切割電源的建模及仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009, 21(18)：5840-5844.

Design of a Half-bridge Inverter for Plasma Cutting Machines

Zhu Binruo1, Jiang Jianfeng1, Qu Hao2, Dong Yayun2, Yang Xijun2, Tang Houjun2

(1. Electric Power Science Research Institute, State Grid Shanghai Electric Power Company, Shanghai 200437, China;2. Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

As compared with the full-bridge DC-DC inverter, the half-bridge DC-DC inverter features a simple structure, easy control and low cost, so it is applicable to small and medium power plasma cutting machines. The prototype plasma cutting machine designed and manufactured adopts a half-bridge DC-DC inverter, short circuit arc strike and closed loop current control and can perform such functions as overheat protection, overvoltage protection and bridge arm voltage unbalance protection. The output current is continuously adjustable in the range of 35A-115A. Results of actual measurements of work-pieces show that the cutting quality of the plasma cutting machine based on the inverter can almost reach the same level of a laser cutter.

metal cutting; plasma cutting machine; half-bridge inverter; state-space averaging method; short circuit arc strike

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.014

TM4

A

1000-3886(2016)05-0042-02

朱彬若(1971- )，女，滿族，浙江定海人，國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，高級工程師，主要從事智能電表、開關(guān)電源等。 渠浩(1990- )，男，江蘇徐州人，上海交通大學(xué)電氣工程系，工程碩士，主要從事等離子切割裝置。

定稿日期: 2016-05-12