一种采用单管igbt的逆变式空气等离子切割机的结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型是关于一种采用单管IGBT逆变的等离子弧切割机产品，切割机的设计总体分为上、下两层的内部结构，采用的电路板组件有三块，输出快速恢复整流电路板组件与单管IGBT电路板组件采用左右相对的位置布置，处于冷却风机的前方，便于这两块电路板上一些大功率器件的冷却和散热要求；本实用新型电路和电路板及整机的结构设计合理，安装方便，故生产效率高、制作成本低，本实用新型切割机的电路和整机结构设计独特，使得切割机的尺寸小，重量轻，携带十分方便，且负载持续率在小型逆变切割机中属于比较高的。
【专利说明】一种采用单管IGBT的逆变式空气等离子切割机的结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种小型IGBT逆变式空气等离子弧切割机产品，具体是一种采用单管IGBT逆变电路及其控制电路构成的直流空气等离子弧切割机。
技术背景
[0002]当前，等离子切割机产品市场的竞争十分激烈，不仅体现在技术的先进性和优势上，还在很大程度上取决于切割机的外观和结构设计、生产制造工艺的先进性、生产效率的高低、生产成本的多少，产品的一致性和可靠性等方面。
[0003]目前，国内外市场上小型逆变式空气等离子弧切割机的额定电流通常是设计为20-40Α的水平，国内不少此类切割机是采用MOSFET管逆变控制技术来制作的，MOSFET管逆变切割机，需要采用很多的MOSFET管并联来扩大器件的电流，这就使切割机的电路板尺寸大、电路板和整机结构复杂，同时也存在着产品可靠性低、制作成本高等问题；近一些年来，采用单管IGBT的逆变等离子切割机逐渐成为此类产品开发的重点，由于单管IGBT的电流等级大，不像MOSFET管那样，需采用多管并联的方式来扩大其器件的电流，因此，产品的可靠性得以提高，同时，这种逆变电子开关器件数量的减少可使切割机的电路板尺寸变小，电路板和整机结构变得简单，同时产品的制作成本和工艺水平也得以提高，解决了 MOSFET多管并联技术存在的诸多问题，体现了单管IGBT逆变控制技术的优势和发展前景；尽管小型单管IGBT逆变控制技术的等离子切割机也有不少产品，然而，不同的产品制造企业，由于设计水平的差异，产品的结构和可靠性等性能也是存在较大差异的。
[0004]对于MOSFET多管并联的等离子切割机，其内部采用上、中、下三控制板和整机布局结构，显得复杂和技术落后；采用单管IGBT逆变的切割机，有的采用单块电路板的内部结构设计形式，有的采用二板上、下控制板和整机布局结构，与MOSFET多管并联的等离子切割机相比，明显有了较大的技术进步；但是，上述这些逆变空气等离子切割机，受切割机电路和内部结构设计、功率器件散热条件及其冷却效果等因素的限制，使它们在较大电流输出(如40Α)时其负载持续率难以做的很大，较短的工作时间就会出现切割机热保护，如不少切割机的负载持续率只有20-40%，如此短的切割时间，使不少客户相当不满意，甚至很多机器40Α的额定工作电流都达不到；另外，有的单管IGBT单电路板结构的逆变切割机，由于大功率器件发热严重，甚至会烧坏电路板，使电路板无法修复，造成厂家或用户的较大经济损失；其次，我国的切割机生产企业数量多，并且呈现小而分散的特点，由于企业的实力弱，产品的生产数量很少，没有能力采用自动插件器件来实现切割机产品的自动化或规模化生产，因此，产品的生产效率低下，工艺水平往往是手工作业水平，显得落后，同时，也为产品的不可靠埋下了隐患。
[0005]虽然采用单管IGBT逆变控制电路构成的空气等离子弧切割机种类是比较多的，它们的电路和切割机内外部结构形式也是多种多样的，但是，不同的电路及其结构设计思路，所采用的具体电路形式和整个电路布置的方式是不同的，不仅如此，切割机的性能指标包括输出的电流/电压范围及其对应的负载持续率、绝缘等级、温升、制作工艺水平、产品可靠性等也会表现出一些明显的差距，即使是在相同的产品参数性能指标下，由于具体电路及其切割机结构设计方面的不同，或者所采用的电子元器件的封装形式不同，因而电路板等元器件的装配、焊接和检测工艺水平、自动化程度等也会明显不同，这就会使逆变式空气等离子弧切割机这类电子产品电路板的尺寸、生产时安装的方便性、生产效率、生产成本、产品的成本等也会显著不同，例如，如果采用大量自动插件器件和集成电路的切割机，装焊电路板这些器件可采用先进、高效、适合于大批量自动化生产设备，所以，可极大地提高电路板或产品的生产效率，降低生产成本，增加产品的市场竞争力。
[0006]也就是说，结构和电路设计不同的切割机，其技术参数、使用性能、生产效率，甚至产品外观和可靠性以及市场竞争力等是差别比较大的。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于提供一种采用单管IGBT的逆变式空气等离子切割机的结构，依据电流等级的不同，可设计为40A/96V (40%)、30A/92V (60%)、20A/88V (80%)等多种电流等级和规格型号的产品，不仅体积小，而且重量轻，携带十分方便，切割机的控制电路板设计为三块，电路板都采用了插件器件及自动加工工艺方法进行生产，切割机的电路和电路板及整机的结构设计合理，安装方便，故生产效率高、制作成本低。
[0008]为实现上述目的采用以下技术方案:
[0009]一种采用单管IGBT的逆变式空气等离子切割机的结构，其特征在于:包括整流电路板、IGBT电路板、主控制板、逆变主变压器、电流输出滤波电抗器、机箱、控制变压器、气压开关和电磁气阀，各个部分之间通过一些控制导线进行电路连接，机箱内部分为上、下两层，其中逆变主变压器、滤波电抗器、控制变压器、压缩空气气压开关、电磁气阀设置在下层，整流电路板、IGBT电路板、主控制电路板设置在上层，整流电路板与IGBT电路板左、右相对布置，位于上层的后部并处于机箱后部冷却风扇的前方，便于风扇冷却器件，主控制电路板位于上层的前部，主控制电路板下方设有中隔板与下层元件器隔离。
[0010]机箱的前面板上安装的零部件有:塑料前面板、工作和电源及热保护状态指示灯、试气检测/切割转换开关、输出电流调节电位器、气电一体式快速输出接头组件、工件夹电缆快速接头组件、航空插座；机箱的后面板上安装的零部件有:供电电源线、电源开关、压缩空气进气接口、塑料后面板、冷却风机。
[0011]本实用新型切割机采用模块化的设计理念，主要模块有:整流电路板；IGBT电路板；主控制板；逆变主变压器；电流输出滤波电抗器；引弧高频耦合电抗器、机箱等，对不同电流等级和负载持续率要求的切割机，可通过配置不同的模块规格参数，形成不同输出额定电流和负载持续率的产品，使产品系列化，例如，采用小的或不同电流等级的IGBT器件及其散热器尺寸，可形成另一个适合小电流(如20A、30A)输出的组件；改变快速恢复二极管的型号和参数，配合改变相应的散热器，可形成另外的快速恢复整流二极管及其散热器模块等，当然，这些模块和零部件的变化，目的是使产品的制作成本与相应机器的规格参数和性能指标相匹配，这样，每种规格型号的切割机才能实现最优化的成本控制模式。同时，也可使不同规格的切割机具有不同的成本，这就提升了所开发产品的市场竞争力。
[0012]本实用新型不仅采用了先进的逆变控制技术，而且具有结构简单、体积小、重量轻、成本低、生产效率高、制造技术先进等优点；通过改变不同模块的配置规格和参数，即可改变切割机的输出电流或功率及负载持续率的大小，容易形成符合国家和国际标准的系列化产品，良好的电路及其结构、布局设计是本实用新型的优势所在，也是满足高效和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型切割机的结构设计示意图
[0014]图2是本实用新型切割机整流(电路)板的元器件布局设计示意图
[0015]图3是本实用新型切割机IGBT (电路)板的元器件布局设计示意图
[0016]图4是本实用新型切割机主控制板的元器件布局设计示意图
[0017]图中各部件的名称如下:1、背带；2、塑料后面板；3、切割机的外壳；4、塑料前面板；5、左横梁支架；6、整流电路板；7、IGBT电路板；8、右横梁支架；9、逆变主变压器；10、中隔板；11、主控制电路板；12、主变压器安装支架系；13、滤波电抗器；14、滤波电抗器安装支架系；15、控制变压器；16、切割机底座板；17、电源开关；18、压缩空气进气口 ；19、电源线系；20、冷却风扇；21、压缩空气气压开关；22、电磁气阀；23、切割机橡胶地脚系；24、气电一体式快速输出接头组件；25、航空插头；26、工件夹电缆快速接头组件；27、输出电流调节电位器；28、试气检测/切割转换开关；29、电源、工作、热保护指示灯。
【具体实施方式】
[0018]如图1所示，一种采用单管IGBT的逆变式空气等离子切割机的结构除了切割机的外壳2、3、4和16、冷却风扇20、电源开关17、电源线19等少量的零部件外，切割机的内部主要分为上、下层两个部分，整流电路板6与IGBT电路板7左、右相对布置，位于后部冷却风扇20的前方，便于风扇冷却器件，电路的功能方面，其上层电路部分作用是供电、输入整流和滤波以及输出参数控制部分；其下层电路部分作用是逆变变换、输出整流和电流滤波、电流信号检测和气压检测等部分。各部分之间通过一些控制导线进行电路连接。
[0019]所述的上层部分，主要包括:整流电路板6、IGBT电路板7、主控制电路板11、供电电源线19、电源开关17、压缩空气进气接口 18等部分，主控制电路板11位于切割机上层的前方，远离大电流强电磁干扰的其它部件，以提高产品的工作可靠性，整流电路板6的主要作用是:1)完成从电网交流到直流输出的变换；2)完成逆变产生的几十KHz的交流再到直流工作输出的变换，IGBT电路板7的主要作用是:1)整流电路板整流后的滤波；2)在控制电路的作用下，与其它部分共同组成的电路完成从高压直流到几十KHz的交流变换。
[0020]所述的下层电路板部分，主要有逆变主变压器9、滤波电抗器13、控制变压器15、压缩空气气压开关21、电磁气阀22等零部件。
[0021]切割机的前面板上安装的零部件主要有:塑料前面板4、工作和电源及热保护状态指示灯29 (分为三个，绿色为切割机输出工作指示；白色为供电电源指示；黄色为过热状态指示)，试气检测/切割转换开关28、输出电流调节电位器27、气电一体式快速输出接头组件24、工件夹电缆快速接头组件26、航空插座25等部分。
[0022]切割机的后面板上安装的零部件主要有:供电电源线19、电源开关17、压缩空气进气接口 18、塑料后面板2、冷却风扇20等部分。
[0023]如图2所示，在上层部分的整流电路板6上布置有:单相整流器Q2及散热器、30A/24V直流继电器K1、快速恢复整流二极管及其散热器Dll和D12、50A/75mv分流器，还有很多的电阻R、电容C、接插件等电子器件和零部件，继电器的作用是完成切割机上电缓冲控制，防止开机启动冲击电流过大，快速恢复整流二极管的作用是将几十KHz的交流整流为直流输出电流，分流器则实现电流输出信号的采样。
[0024]如图3所示，在IGBT电路板7上布置有:三个47(^F/400V的滤波电解电容、4只单管IGBT及其散热器、电阻、电容和接插件等电子器件和零部件，电解电容主要是完成电网交流到直流变换后波形的滤波控制，IGBT是逆变控制的电子开关。
[0025]如图4所示，在主控制板(11)上，布置有大量的电子元器件。这些器件组成的电路实现逆变转换、输出恒流特性控制、上电缓冲控制、气流控制、过热保护控制等功能。
[0026]本实用新型三块电路板组件采用高效率的插件机和焊接机自动完成器件安装、焊接的，因此，电路板的生产效率很高，出错率低，制作质量都比较高，最终可使切割机产品生产时的一次合格率很高。降低了生产成本，提高了产品的市场竞争力。
[0027]本实用新型切割机采用模块化的设计理念，主要模块有:整流电路板6 ；IGBT电路板7 ;主控制板11 ;逆变主变压器9 ;电流输出滤波电抗器13 ;引弧高频耦合电抗器、机箱等。对不同电流等级和负载持续率要求的切割机，可通过配置不同的模块规格参数，形成不同输出额定电流和负载持续率的产品，使产品系列化，例如，采用小的或不同电流等级的IGBT器件及其散 热器尺寸，可形成另一个适合小电流(如20A、30A)输出的组件；改变快速恢复二极管的型号和参数，配合改变相应的散热器，可形成另外的快速恢复整流二极管及其散热器模块等，当然，这些模块和零部件的变化，目的是使产品的制作成本与相应机器的规格参数和性能指标相匹配，这样，每种规格型号的切割机才能实现最优化的成本控制模式，同时，也可使不同规格的切割机具有不同的成本，这就提升了所开发产品的市场竞争力。
[0028]冷却风扇20位于切割机底部机箱16的后部，冷风从切割机机箱后部的进气孔进入，可使上、下层部分的一些发热器件或零部件(如IGBT及其散热器；快速恢复二极管及其散热器；主变压器9 ;输出电抗器13等有良好的冷却效果，这样的风道和冷却方式设计，也是本实用新型空气等离子弧切割机实现较大电流和高负载持续率的重要原因之一。
[0029]本实用新型切割机的工作原理简述如下:通电后，电源开关(17)接通电网电源。相应的控制变压器(15)和控制板(6，7，11)等带电工作。从电网来的交流电，经过电路板
(6)上的整流桥整流后变为直流电。再经过IGBT (电路)板(7)上的三个47(^F/400V电解电容的滤波，变为较为稳定的直流电，供给由IGBT组件(7)、逆变变压器(9)、快速恢复二极管组件等组成的逆变电路。通过切割机前面板(16)上的试气检测/切割转换开关(28)，可检测切割机的气体压力是否正常，有没有漏气等现象。如果检测正常，则通过该开关(28)转换到准备切割的工作状态。压缩空气的气压和流量可通过减压阀设定。当气压足够的时候，气压检测开关(21)才能动作，才能使切割机进行工作，防止压缩空气的气压或流量不足烧坏等离子切割枪。切割时，按压等离子切割枪上的开关，即可实现等离子小电流的引导弧点火，无需接触工件。当切割枪去切割工件时，切割枪的电极与工件间可形成大电流的切割等离子弧，实现对工件的切割操作。引弧高频需要在控制电路、引弧高频耦合电抗器和引弧电抗器等作用下才能形成。如果切割机有电流输出，则靠近引弧高频耦合电抗器的干簧管磁控开关才能动作，才能发出信号对电路的控制实施状态转换。逆变和切割机输出电流参数的控制是通过电路板(11)的控制电路、电流给定电位器(27)、电流检测的分流器(50A/75mv )等来实现的。切割机电源的输出外特性为垂直陡降或恒流输出特性。该输出特性是通过输出电流的截止负反馈和逆变电路IGBT的PWM脉冲宽度调节来实现的。电流输出的大小由电位器(27)进行调节和设定。分流器(50A/75mv)对输出电流进行采样。在电路板的控制作用下，当检测到的输出电流大小超过电位器(27)的设定值时，主控制板(11)产生的PWM脉冲的宽度会减小。随着输出电流的微小增加，PWM脉冲宽度大幅度减小，这样就实现了电流微小增加，输出电压快速下降，即切割机产生垂直陡降或恒流输出特性。调节电位器(27)即可调节切割机的输出电流大小，实现对不同厚度工件的切割操作。关于反馈和PWM及输出特性控制过程，可参见相关的控制原理说明进行了解。此外，当切割机中主要零部件(如IGBT、变压器)发生过热现象时，控制电路会关闭PWM脉冲输出，同时，切割机停止电流输出，并使过热指示灯(黄色)点亮。在冷却风机的作用下，当主要零部件(如IGBT、变压器)的温度下降到一定程度后，控制电路才能产生PWM脉冲输出。同时，切割机才可能有电流输出，同时过热指示灯(黄色)熄灭。
[0030]良好的电路及其结构、布局设计是本实用新型的优势所在，也是满足高效和低成本生产、高可靠性、制造技术先进性的重要保障。本实用新型专利申请保护的内容就在于保护这种切割机的结构和布局设计。
[0031]本实用新型不仅采用了先进的逆变控制技术，而且具有结构简单、体积小、重量轻、生产效率高、制造工艺先进等优点。通过改变不同模块的配置规格和参数，即可改变切割机的输出电流或功率及负载持续率的大小，容易形成符合国家和国际标准的系列化产品。例如，制成40A、30A、20A电流等级的切割机产品，可使切割机的输出功率大，额定输出电流高达40A/96V (40%负载持续率)?20A/88V (80%负载持续率)的水平。
[0032]以上内容是结合具体的切割机结构、布局和电路板及控制功能对本实用新型所作的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只限于这些说明。对本实用新型所述【技术领域】的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演和替换，这些都应该视为属于本实用新型保护的范畴。
【权利要求】
1.一种采用单管IGBT的逆变式空气等离子切割机的结构，其特征在于:包括整流电路板、IGBT电路板、主控制板、逆变主变压器、电流输出滤波电抗器、机箱、控制变压器、气压开关和电磁气阀，各个部分之间通过一些控制导线进行电路连接，机箱内部分为上、下两层，其中逆变主变压器、滤波电抗器、控制变压器、压缩空气气压开关、电磁气阀设置在下层，整流电路板、IGBT电路板、主控制电路板设置在上层，整流电路板与IGBT电路板左、右相对布置，位于上层的后部并处于机箱后部冷却风扇的前方，便于风扇冷却器件，主控制电路板位于上层的前部，主控制电路板下方设有中隔板与下层元件器隔离。
2.如权利要求1所述的一种采用单管IGBT的逆变式空气等离子切割机的结构，其特征在于:机箱的前面板上安装的零部件有:塑料前面板、工作和电源及热保护状态指示灯、试气检测/切割转换开关、输出电流调节电位器、气电一体式快速输出接头组件、工件夹电缆快速接头组件、航空插座；机箱的后面板上安装的零部件有:供电电源线、电源开关、压缩空气进气接口、塑料后面板、冷却风扇。
【文档编号】B23K10/00GK203696217SQ201320785960
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】朱宣东, 朱宣辉, 魏继昆, 蔡庆乐, 陈法庆 申请人:浙江肯得机电股份有限公司