一种空气等离子切割机单传感器引弧电路及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于弧焊电源技术领域，更具体地，涉及一种空气等离子切割单传感器引 弧电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 弧焊电源是焊接设备中的重要组成部分，对弧焊设备产业的发展有重要意义，对 国家工业的发展密切相关。弧焊电源是一种低压大电流输出的，在动态响应特性、可靠性方 面较一般电源要求更高的特殊电源。现有等离子切割电源的主电路通常采用移相全桥拓 扑，实现电网和后级电路的隔离，确保切割操作的安全，而且通过选取谐振电容参数实现桥 臂的软开关技术。等离子切割电源引弧方式分为接触式引弧和非接触式引弧两种。接触式 引弧无需使用高频高压，所以该方法对电源系统的干扰较小，适用于电流强度小于100A的 场合。非接触式引弧需要通过高频高压将气体电离，多用在大功率的切割电源中。
[0003] 现有的非接触引弧方式，割枪喷嘴的电极接主电路输出负极，工件接输出正极，再 在输出正极线上引出一根引弧线到割炬。这样的连接就可以在割炬不触碰工件的基础上， 先在割炬和钨极之间形成一个稳定的横弧，横弧被气管中压缩的空气吹到工件上，电弧从 割炬和钨极间转移到钨极和工件间，完成了电弧的转移，建立了纵弧。一般情况下，横弧电 流是指引弧时钨极和割炬之间的电流，引横弧过程指从按下割枪开关到输出电流达到某一 比较小电流值之间的过程，纵弧电流是指钨极和工件之间的电流，引纵弧过程是指引横弧 过程结束后到输出电流稳定期间的过程。
[0004] 当前的引弧控制方法大多数都是基于两个电流传感器的设计，一个检测引弧电 流，一个检测主电路电流，而且对横弧的控制方法多为电流闭环控制。
[0005] 现有的高频非接触引弧切割机有一缺点，即横弧电流的限制是靠引弧线上的引弧 电阻来实现，该引弧电阻需要承受上千瓦的功率，经常损坏，并导致切割机重量体积大，效 率低。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种空气等离子切割单传感器引弧 电路及其控制方法，旨在解决现有尚频非接触引弧电路引弧电阻功率等级尚、效率低的问 题。
[0007] 本发明提供了一种空气等离子切割单传感器引弧电路，包括引弧吸收模块、维弧 模块和滤波模块；所述滤波模块的输入端用于连接移相全桥模块的输出端，所述滤波模块 的输出端用于连接至检测模块的输入端；所述引弧吸收模块的第一输入端连接至所述滤 波模块的输出端，所述引弧吸收模块的第二输入端连接至高频模块的第二输出端，所述引 弧吸收模块的第一输出端与移相全桥模块的第二输入端连接，所述引弧吸收模块的第二输 出端与所述维弧模块的第一输入端连接，所述引弧吸收模块的第三输出端与割炬连接；所 述维弧模块的第二输入端连接至所述滤波模块的输出端，所述维弧模块的输出端与割炬连 接。
[0008] 更进一步地，所述滤波模块包括滤波电感Lp其一端作为所述滤波模块的输入端， 另一端作为所述滤波模块的输出端。
[0009] 更进一步地，所述引弧吸收模块包括第一电容Q、第二电容C2、第三电容C 3和第三 电阻r3;所述第一电容c 4勺一端作为所述引弧吸收模块的第一输入端，所述第二电容C 2的 一端作为所述引弧吸收模块的第二输出端，所述第一电容(^的另一端和所述第二电容(:2的 另一端连接后作为所述引弧吸收模块的第一输出端；所述第三电容c3的一端和所述第三电 阻私的一端相连后作为所述引弧吸收模块的第三输出端，所述第三电容(:3的另一端和所述 第三电阻私的另一端相连后作为所述引弧吸收模块的第二输入端。
[0010] 更进一步地，所述维弧模块包括第二电阻私、第一开关管Qi、第一二极管Di和引弧 瓷管电阻Rarc;所述第二电阻R 2的一端和所述第一开关管Q :的一端连接后作为所述维弧模 块的第二输入端，所述第二电阻私的另一端作为所述维弧模块的第一输入端；所述引弧瓷 管电阻Rarc的一端与所述第一开关管Q i的另一端连接，所述引弧瓷管电阻R _的另一端作 为所述维弧模块的输出端。
[0011] 本发明还提供了一种空气等离子切割单传感器引弧电路的控制方法，包括下述步 骤：
[0012] (1)判断割枪开关是否闭合，若是，则转入步骤（2);若否，则引弧过程结束；
[0013] (2)判断检测的输出电压是否大于等于阈值电压，若是，则控制移相全桥模块的输 出占空比为零；若否，则控制移相全桥模块的输出占空比线性增加，使得所述移相全桥模块 的输出电压线性增加；
[0014] (3)判断检测的输出电流是否大于等于阈值电流，若是，则引横弧过程结束；若 否，则返回至步骤（1)。
[0015] 更进一步地，所述阈值电压为180V，所述阈值电流为20A。
[0016] 更进一步地，所述引横弧过程分为三个工作模态，第一工作模态中，移相全 桥模块的输出占空比被置零后，第一电容(^开始放电，引弧瓷管电阻Rarc上的电流
其中，τ产!?_·(；，M〇) =UQ，U。为移相全桥输出占空比置零时的输 出电压值，U"(0)为工作模态一初始时刻第一电容Q上的电压，t为工作模态一的持续时 间，τ i为工作模态一等效电路的RC放电时间常数，R_为引弧瓷管电阻的阻值；C i为第一 电容(^的容值；
[0017] 第二工作模态中，第一电容Q放电结束后，第二电容C 2进行放电，引弧瓷管电阻上 的电流
：其中τ产（r_+r2) ·ε2，Μ〇) = UQ;U。为移相全桥输出占空比 置零时的输出电压值，R2为第二电阻R2的阻值，C2为第二电容(： 2的容值，τ 2为工作模态二 等效电路的RC放电时间常数，Μ〇)为工作模态二初始时刻第二电容C2上的电压；
[0018] 第三工作模态中，主电路给引弧环节提供能量，并同时给第一电容Q和第二电容 C2充电；引弧瓷管电阻的电流
A为输入电源电压，N为移相全桥变压器原 副边匝比，Rd为移相全桥占空比丢失等效电阻，D(t)为t时刻时移相全桥的输出占空比。
[0019] 本发明还提供了一种引弧系统，包括输入电源、移相全桥模块、引弧电路、检测模 块、高频模块和控制模块；所述移相全桥模块的第一输入端连接所述输入电源，所述移相全 桥模块的第二输入端连接至所述引弧电路的第二输出端和所述高频模块的第二输出端，所 述引弧电路的第一输入端连接至所述移相全桥模块的输出端，所述检测模块的输入端连接 至所述引弧电路的第一输出端，所述检测模块的第一输出端和第二输出端连接控制模块， 所述检测模块的第一输出端还连接工件；所述引弧电路的第二输入端连接至所述高频模块 的第二输出端，所述引弧电路的第三输出端连接至割炬；所述高频模块的输入端连接钨极； 所述控制模块的输出端连接至所述移相全桥模块的第三输入端；所述引弧电路为上所述的 空气等离子切割单传感器引弧电路。
[0020] 更进一步地，所述控制模块包括依次串联连接的参数获取模块、占空比增速计算 模块、引横弧控制模块和驱动模块。
[0021] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用的是占空比线性 增加的控制策略，所以引弧电阻的功率大大降低，提高了切割机的效率；此外，在控制过程 中，并没有检测横弧电流的大小，所以节省了器件成本，降低了切割机的重量和体积。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例提供的引弧系统的模块结构示意图；
[0023] 图2为本发明实施例提供的引弧系统中引弧电路的具体电路图；
[0024] 图3为本发明实施例提供的一种空气等离子切割单传感器引弧电路的控制方法 实现流程图；
[0025] 图4为本发明实施例提供的移相全桥输出电压和输出占空比示意图；
[0026] 图5为本发明实施例提供的引横弧的等效电路图；
[0027] 图6为本发明实施例提供的引横弧的三个工作模态等效图；
[0028] 图7为本发明实施例提供的引横弧过程中引弧瓷管电阻上电流和输出电压波 形图。
【具体实施方式】
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0030] 本发明提出一种基于单传感器引弧电路的控制方法，解决了现有高频非接触引弧 电路引弧电阻功率等级尚、效率低的问题，具有$父尚的转