空氣等離子切割機(jī)引弧策略

韓 明，楊 程，蔡 濤，胡宏晟，王 濤

（1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064）

空氣等離子切割機(jī)引弧策略

韓 明1，楊 程2，蔡 濤1，胡宏晟1，王 濤1

（1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064）

空氣等離子切割機(jī)的傳統(tǒng)引弧控制策略為恒流控制，導(dǎo)致引弧電阻功率等級高且需要實(shí)時采樣引導(dǎo)弧電流。提出了改進(jìn)的引弧控制策略，無需檢測引導(dǎo)弧電流即可增加引導(dǎo)弧電流線性，在保證引弧成功率的前提下，極大降低了引弧電阻的功率等級，并減少電流傳感器的使用，降低成本，同時能靈活調(diào)節(jié)引導(dǎo)弧的強(qiáng)烈程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)的引弧控制策略的理論分析以及實(shí)用性。

空氣等離子切割機(jī)；引弧控制策略；引導(dǎo)??；切割弧

0 前言

等離子切割機(jī)以其加工質(zhì)量好、效率高、切割范圍廣以及成本低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)熱加工領(lǐng)域[1-3]。用于金屬材料熱加工的等離子切割機(jī)的等離子弧為轉(zhuǎn)移弧，即引弧過程中先在割炬與電極之間產(chǎn)生引導(dǎo)弧，再將引導(dǎo)弧轉(zhuǎn)移至電極與工件之間形成切割弧，因此引導(dǎo)弧的質(zhì)量決定了引弧成功率。引弧成功率是衡量等離子切割機(jī)的性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，且對切割質(zhì)量有影響。

傳統(tǒng)的引弧控制策略為恒電流控制，保證了引導(dǎo)弧的穩(wěn)定，但是需要額外的引導(dǎo)弧電流傳感器以及引弧電路上的引弧電阻的功率等級高。本研究提出一種改進(jìn)的引弧控制策略，不僅保證引弧成功率高，而且無需檢測引導(dǎo)弧電流并降低了引弧電阻的功率等級，從而降低了設(shè)備的成本和體積。該控制策略已在以DSP2407為核心的10 kW空氣等離子切割機(jī)上得到應(yīng)用，驗(yàn)證了其實(shí)用性。

1 等離子切割機(jī)等效模型與工作原理

等離子切割機(jī)有兩種引弧方式：接觸式引弧[4]和非接觸式引弧[5]。接觸式引弧所用電極是非固定的，割炬通電時電極與噴嘴短路，此后電極受壓縮空氣的作用力與噴嘴分離，利用分離瞬間氣隙小、電場強(qiáng)的電氣特性來擊穿氣體[6]，但易造成割炬與電極的損壞且不適用于大電流場合。

非接觸式引弧采用的電極是固定式，引弧過程中通過高頻高壓將氣體電離后形成等離子弧，結(jié)構(gòu)簡單、引弧成功率高[7]。實(shí)驗(yàn)用切割機(jī)采用非接觸引弧方式，其高頻高壓源（HFHV）的單個電壓波形如圖1所示。

1.1 等離子切割機(jī)等效電路模型的建立

等離子切割機(jī)電路拓?fù)淙鐖D2所示，高頻主變壓器T1前端采用移相全橋控制，后端采用全橋整流拓?fù)?。開關(guān)管IGBT1~IGBT4為大功率IGBT，VD1~ VD4為IGBT寄生二極管，C1~C4等效于IGBT寄生電容與外接電容之和。Cb為隔直電容，Lr為諧振電感（包含主變漏感）。VD5~VD8為整流二極管，Lf為輸出濾波電感。C5為輸出濾波電感，C6為儲能電容，C7為高頻電容。R1為緩沖電阻，Rarc為引弧電阻，R3為壓敏電阻，Q5為MOSFET。T2為匝比3∶10的高頻耦合變壓器，S1為開關(guān)。虛線框中為引弧電路。

圖1 HFHV的電壓波形

圖2 等離子切割機(jī)電路拓?fù)?/p>

在建立等離子切割機(jī)主電路等效模型之前，作如下假設(shè)：（1）所有功率開關(guān)管、二極管均為理想器件；（2）所有電感、電容和變壓器均為理想元件。

空氣等離子切割機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

由于要實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的ZVS，移相全橋電路需引入諧振電感，從而導(dǎo)致變壓器二次側(cè)的占空比丟失，表達(dá)式為[8]

表1 空氣等離子切割機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

式中 ΔD為占空比丟失；D為控制器輸出的占空比；Uo為輸出電壓；TS為開關(guān)周期；If為輸出濾波濾波電感電流。占空比丟失導(dǎo)致二次電壓丟失，等效于二次電壓被一個虛擬電阻Rd分壓，等離子切割機(jī)等效電路模型如圖3所示。

圖3 等離子切割機(jī)等效電路模型

等效虛擬電阻大小Rd則由式（2）給出[9]，其電阻值與輸入電壓、輸出電流、占空比均無關(guān)系，只與主電路的物理參數(shù)有關(guān)

經(jīng)計(jì)算，Rd=6.22 Ω。

1.2 工作原理

等離子切割機(jī)進(jìn)行切割操作時，首先按下割槍開關(guān)，控制器控制開關(guān)管Q5與開關(guān)S1開通，高頻高壓源HFHV產(chǎn)生的高頻高壓經(jīng)過高頻耦合變壓器T2升壓后通過高頻電容C7加載在割炬與電極之間，將兩者間的空氣電離成等離子體，使割炬與電極之間形成通路。然后輸出濾波電容C5、儲能電容C6以及主電路通過Q5、Rarc為等離子體供電，等離子弧電流密度增大，形成引導(dǎo)弧。壓縮空氣將割炬與電極之間的引導(dǎo)弧轉(zhuǎn)移至電極與工件之間形成高溫的切割弧。切割弧可將鋼板局部熔化，同時壓縮氣體將熔渣吹掉，形成切口，從而進(jìn)行鋼板的切割操作。

等離子切割機(jī)中的切割弧是引導(dǎo)弧經(jīng)過轉(zhuǎn)移所得，即引導(dǎo)弧的質(zhì)量決定了切割機(jī)的引弧成功率。傳統(tǒng)的引弧控制策略為恒電流控制，將引導(dǎo)弧電流控制為恒電流，雖然引弧成功率高，但是引弧電阻的功率等級高且需要IF1和IF2兩個電流傳感器。

等離子弧的溫度與電流大小幾乎成線性關(guān)系，而等離子弧的電阻率指數(shù)隨溫度的升高呈幾何形式下降[10]，即等離子弧的電流越大，等離子弧的導(dǎo)電特性越好。由于等離子切割機(jī)工作時，割炬與工件之間的距離約為3~5 mm，為了提高引導(dǎo)弧轉(zhuǎn)切割弧的成功率，一般取引導(dǎo)弧電流約為20 A。因?yàn)榈入x子弧電流密度最大時引導(dǎo)弧最容易轉(zhuǎn)移為切割弧，所以保持引導(dǎo)弧電流峰值不變的情況下引弧成功率不變。

當(dāng)引導(dǎo)弧電流幅值保持不變的情況下，將其控制成鋸齒波型式，不僅引弧成功率不變，而且減少了電流傳感器IF2的使用以及引弧電阻的功率等級減小了2/3，如式（3）所示?；诖耍岢隽烁倪M(jìn)的引弧控制策略。

2 改進(jìn)的引弧控制策略分析

改進(jìn)的引弧控制策略流程如圖4所示。切割機(jī)進(jìn)行切割時，首先按下割槍開關(guān)，建立引導(dǎo)弧。若輸出電壓小于180 V，則控制器輸出占空比D以增量為定值Δd線性增加，直至輸出電壓大于180 V后，占空比D置0后又以增量為定值Δd線性增加。若主電路輸出電流超過20 A，表明引導(dǎo)弧成功轉(zhuǎn)為切割弧，引弧電路停止工作。

圖4 改進(jìn)的引弧控制策略流程

切割機(jī)進(jìn)行切割時，首先按下割槍開關(guān)，建立引導(dǎo)弧。若輸出電壓小于180 V，則控制器輸出占空比D以增量為定值Δd線性增加，直至輸出電壓大于180 V后，占空比D置0后又以增量為定值Δd線性增加。若主電路輸出電流超過20 A，表明引導(dǎo)弧成功轉(zhuǎn)為切割弧，引弧電路停止工作。

引引導(dǎo)弧過程中，電極與割炬之間一直存在等離子體，即可視為通路，引弧電路等效模型如圖5所示。R為割炬與電極之間的等離子體等效電阻，其值非常小，可忽略其影響。

圖5 引弧電路等效模型

因?yàn)檩敵稣伎毡菵每次在輸出電壓大于180 V時置0后又以增量為定值Δd線性增加，所以引導(dǎo)弧的能量先由電容提供，然后由主電路提供。當(dāng)定值增量Δd過小時，會存在電容與主電路能量不足以提供維持引導(dǎo)弧的能量，即引導(dǎo)弧存在斷弧情況。

2.1 引導(dǎo)弧連續(xù)時，引弧電路工作模態(tài)分析

當(dāng)引導(dǎo)弧連續(xù)時，可根據(jù)能量源不同將引導(dǎo)弧過程分為三個工作模態(tài)。

（1）工作模態(tài)1。

工作模態(tài)1的等效模型如圖6所示。當(dāng)D被置0后，C5給引弧電路提供能量。引導(dǎo)弧電流表達(dá)式為

式中 τ1=（Rarc+R）C5≈Rarc·C5；UC5（0）=Uo1，Uo1為D置0時的輸出電壓。該模態(tài)放電時間常數(shù)為20.4 μs，所以模態(tài)1持續(xù)時間為半個開關(guān)周期。即C5對引導(dǎo)弧電流的影響很小，所以工作模態(tài)1可忽略。

圖6 引導(dǎo)弧連續(xù)時，工作模態(tài)1等效模型

（2）工作模態(tài)2。

工作模態(tài)2的等效模型如圖7所示。當(dāng)模態(tài)1結(jié)束時，主電路此時還沒輸出，所以儲能電容C6通過R1與Rarc給引導(dǎo)弧提供能量。引導(dǎo)弧電流表達(dá)式為

式中 τ2=（R1+Rarc+R）C6≈（R1+Rarc）C6，工作模態(tài)1持續(xù)時間很短，儲能電容的電壓在模態(tài)1期間視為恒定，所以該模態(tài)的放電時間常數(shù)為3 ms。

圖7 引導(dǎo)弧連續(xù)時，工作模態(tài)2等效模型

（3）工作模態(tài)3。

工作模態(tài)3的等效模型如圖8所示。當(dāng)C6的電壓下降至與輸出電壓相等時，引引導(dǎo)弧過程由模態(tài)2進(jìn)入模態(tài)3。此模態(tài)時主電路為引導(dǎo)弧提供能量，并同時為C6充電。引導(dǎo)弧電流表達(dá)式為

圖8 引導(dǎo)弧連續(xù)時，工作模態(tài)3等效模型

因?yàn)镈是以增量為定值Δd線性增加，所以此模態(tài)下引導(dǎo)弧電流是線性增加的。即引導(dǎo)弧電流連續(xù)時，引導(dǎo)弧電流與主電路輸出電壓波形示意如圖9所示。其中t1~t2為工作模態(tài)2階段，t2~t3為工作模態(tài)3階段。

2.2 引導(dǎo)弧不連續(xù)時，引弧電路工作模態(tài)分析

引導(dǎo)弧不連續(xù)時，可根據(jù)能量源不同將引引導(dǎo)弧過程分為5個工作模態(tài)。工作模態(tài)1、2、5分別與引導(dǎo)弧連續(xù)時的三個工作模態(tài)對應(yīng)，不再贅述。下面分析工作模態(tài)3和4。

（1）工作模態(tài)3。

工作模態(tài)3的等效模型如圖10所示。當(dāng)儲能電容C6放電至其電壓與主電路輸出電壓相等時，如果此時主電路的輸出電壓與提供的能量不足以維持引導(dǎo)弧穩(wěn)定會導(dǎo)致引導(dǎo)弧熄滅，引引導(dǎo)弧過程由工作模態(tài)2進(jìn)入工作模態(tài)3。此工作模態(tài)時主要是主電路通過R1、Rd給儲能電容C6充電，引導(dǎo)弧電流為0，主電路輸出電壓持續(xù)增加。即此模態(tài)時，主電路輸出電壓始終大于C6電壓。儲能電容C6電壓的表達(dá)式為

圖9 引導(dǎo)弧連續(xù)時，引導(dǎo)弧電流與輸出電壓波形

圖10 引導(dǎo)弧不連續(xù)時，工作模態(tài)3等效模型

（2）工作模態(tài)4。

工作模態(tài)4的等效模型如圖11所示。當(dāng)主電路的輸出電壓升至能維持引導(dǎo)弧時，引導(dǎo)弧再次產(chǎn)生，等效于主電路后接入負(fù)載，輸出電壓存在一個陡降，但是儲能電容C6的電壓不變，所以此時C6的電壓高于輸出電壓，進(jìn)入工作模態(tài)4。此階段是主電路與C6同時給引導(dǎo)弧提供能量。引導(dǎo)弧電流表達(dá)式為

圖11 引導(dǎo)弧不連續(xù)時，工作模態(tài)4等效模型

引導(dǎo)弧不連續(xù)時，引導(dǎo)弧電流與主電路輸出電壓波形示意如圖12所示。其中t1~t2為工作模態(tài)2階段，t2~t3為工作模態(tài)3階段，t3~t4為工作模態(tài)4階段，t4~t5為工作模態(tài)5階段。

圖12 引導(dǎo)弧電流不連續(xù)時，引導(dǎo)弧電流與輸出電壓波形

3 改進(jìn)的引弧控制策略參數(shù)設(shè)計(jì)

影響控制策略的參數(shù)主要有三個：（1）占空比D置0時的輸出電壓值Uo，決定引導(dǎo)弧電流的幅值，根據(jù)工程工作經(jīng)驗(yàn)取Uo=180 V；（2）引導(dǎo)弧轉(zhuǎn)切割弧的判斷條件輸出電流Io，為了避免雙弧同時作用時間過長損壞電極和割炬，此值不宜過大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取20 A；（3）占空比D的增量Δd，決定引導(dǎo)弧的強(qiáng)度、頻率以及連續(xù)性。

假設(shè)維持引導(dǎo)弧電流連續(xù)的最小電流為Imin，則工作模態(tài)2中電容C6電流減小到Imin的時間為Tmin，Tmin的計(jì)算方法如下

由式（5）、（9）可解得Tmin的表達(dá)式：

臨界狀態(tài)下，引導(dǎo)弧電流連續(xù)情況下的工作模態(tài)3中的引導(dǎo)弧電流初始值即為Imin，占空比初始值為ΔD1，則聯(lián)立式（6）、（10）可得占空比D的固定增量為

即當(dāng)Δd＜Δdmin時，引導(dǎo)弧斷弧，引導(dǎo)弧電流不連續(xù)；當(dāng)Δd＞Δdmin時，引導(dǎo)弧電流連續(xù)。為了保證引弧成功率，引導(dǎo)弧應(yīng)該避免斷弧情況，因此Δd應(yīng)該大于Δdmin，但是Δd過大會導(dǎo)致Rarc的功率過大。權(quán)衡引弧成功率以及引弧電阻Rarc的功率等級，實(shí)際應(yīng)用中Δd一般稍大于Δdmin。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

引導(dǎo)弧電流連續(xù)的臨界電流Imin由儲能電容C6容量以及等離子弧的特性決定，由實(shí)際試驗(yàn)測得Imin=5 A。等離子切割機(jī)的額定輸入為Ui=480 V直流電，結(jié)合表1中的參數(shù)，由式（11）可得Δdmin= 1.39×10-3。

為了驗(yàn)證改進(jìn)的引弧控制策略，分別取五組不同的定值增量Δd進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參數(shù)如表2所示。

表2 五組不同的定值增量Δd參數(shù)

五組不同的定值增量Δd下的輸出電壓波形與引導(dǎo)弧電流波形如圖13所示。

圖13 不同定值增量Δd下的引導(dǎo)弧電流波形

圖13a、13b表明當(dāng)定值增量Δd過小時，存在引導(dǎo)弧斷弧現(xiàn)象，且Δd越大，斷弧持續(xù)時間越短，在引導(dǎo)弧斷弧期間，主電路輸出電壓按式（7）持續(xù)增加。引導(dǎo)弧再次產(chǎn)生時，引導(dǎo)弧電流先減小后線性增加，驗(yàn)證了引導(dǎo)弧斷弧時的工作模態(tài)分析。圖13c、13d、13e驗(yàn)證了引導(dǎo)弧電流連續(xù)時的工作模態(tài)分析，并表明可以通過調(diào)節(jié)Δd來控制引導(dǎo)弧的強(qiáng)烈程度。即實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論分析吻合，改進(jìn)的引弧控制策略得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本研究在給出等離子切割機(jī)主電路的等效模型的基礎(chǔ)上闡述了引弧電路的工作原理。在傳統(tǒng)的引弧控制策略基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的引弧控制策略，在不降低引弧成功率的同時降低引弧電阻的功率等級以及減少1個電流傳感器的使用，降低了成本。分析改進(jìn)的引弧控制策略的工作機(jī)理，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)的引弧控制策略的理論分析以及實(shí)用性。

[1]Ramakrishnan S，Gershenzon M，Polivka F，et al.Plasma generation for the plasma cutting process[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1997，25（5）：937-946.

[2]Sanajit N，Jangwanitlert A.Improved performance of a plasma cutting machine using a half-bridge dc/dc converter [C].Robotics and Biomimetics，2008.ROBIO 2008.IEEE International Conference on.Bangkok，Thailand：IEEE，2009：1601-1606.

[3]孔德杰，張光先.數(shù)控等離子切割技術(shù)在我國的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電焊機(jī)，2005，35（1）：6-7+38.

[4]丁強(qiáng)，苗則層.等離子切割機(jī)引弧方式研究[J].電焊機(jī)，2010，40（9）：43-45.

[5]魏繼昆，譚蓉.用于逆變焊機(jī)的幾種高頻引弧器設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2004，34（12）：35-37.

[6]宋曉清，賴曉陽.大功率等離子切割機(jī)引弧系統(tǒng)的研究[J].電力電子技術(shù)，2015，49（7）：100-102.

[7]王壽福，何良宗.一種空氣等離子切割電源引弧電路的研究[J].通信電源技術(shù)，2008，25（5）：1-3.

[8]劉寶其，段善旭.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.

[9]朱國榮.特種數(shù)字化弧焊電源關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[10]于婷婷.連續(xù)弧等離子點(diǎn)火器噴嘴電弧數(shù)值模擬分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

Arc striking strategy for air plasma cutting machine

HAN Ming1，YANG Cheng2，CAI Tao1，HU Hongsheng1，WANG Tao1
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China）

Traditional arc striking strategy for air plasma cutting machine is current closed-loop control，which results in the power level of arc resistance is high and need to sample the current of guiding arc in real time.The paper details a modified arc striking strategy to increase the current of guiding arc linearly without sampling it，and decrease the power level of arc resistance greatly on the basis of guaranteeing the success rate of arc striking，and decrease the number of current sensor，which reduce the cost of the machine and adjust the strength of guiding arc flexibility.Experimental results demonstrate the theoretical analysis and practicality of the modified arc striking strategy.

air plasma cutting machine；research of arc striking strategy；guiding arc；cutting arc

TG483

A

1001－2303（2017）02－0047-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.09

2016-06-29；

2016-12-03

韓 明（1992—），男，在讀碩士，主要從事特種焊割電源的研究。

獻(xiàn)

韓明，楊程，蔡濤，等.空氣等離子切割機(jī)引弧策略[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：47-53.