多重级联斩波降压等离子切割电源的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种多重级联斩波降压等离子切割电源，所述电源包含降压电路（1）、斩波电路（2）和割炬电路（3），所述降压电路（1）为一工频变压器，该工频变压器包含有一星形接线的初级绕组和五个三角形接线的次级绕组，所述斩波电路（2）包含有五组相互并联的BUCK电路；降压电路（1）的五组次级绕组分别经五组BUCK电路后接入割炬电路（3）。本实用新型多重级联斩波降压等离子切割电源，其支持输出直流电流可达650A，电路简单、控制方便，同时具有输入功率因数高（0.96以上）、输出直流电流纹波低低于2~5%。
【专利说明】多重级联斩波降压等离子切割电源
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电源，尤其是涉及一种用于等离子切割上且采用多重级联斩波降压方式的电源，属于等离子切割领域与电力电子变换领域。
【背景技术】
[0002]机用等离子切割装置是由机械设备、电控设备、供气设备等组成，其中电控设备包括电源系统、数控系统、割炬系统和ECAN总线，电源系统又包括等离子切割电源、引弧箱、气控箱、冷却系统、管线等主要部分；
[0003]等离子切割电源是机用等离子切割装置的核心部件之一，按照发展历程，可以包括各式硅整流式电源、晶闸管整流式电源、逆变式电源、斩波式电源。其中，逆变式电源、斩波式电源是最具发展潜力的电源机种。鉴于整体成本较低和效率较高，在大功率等离子切割装置中，斩波式电源日益受到青睐，功率电路支持输出电流等级已经由130A、260A、400A、53(^、65(^、800、100(^，用于切割更厚的金属板材和管材，功率等级也由221^超1751^方向增加。另一个方面，对金属工件切割的质量要求也越来越高。影响切割质量指标的因素有多种，包括割炬水平运动精度、割炬垂直运动精度、保护气与切割气的稳定度、切割电流的精度等等。仅就切割电流而言，等离子切割电源输出电流精度和响应速度是影响切割质量的重要指标，而这又与滤波电感感值、开关频率、线路阻抗、直流电源密切相关。其中，直流电源品质包括电压稳定度和纹波峰峰值以及纹波频率，如果这几项指标较差，切割电流的纹波就会较大，切割质量肯定较差。为此需要改进这些指标，目前常用手段为增加电解电容的容值，但是一味增加电解电容容值也会带来低频振荡和成本、体积过大问题，因此,大功率设计和输出电流精细化是离子切割电源必需面对和解决的问题；
[0004]为此，已有相关学者对此进行了深入的研讨:如“陈要玲”于2008年在“兰州理工大学”发表的硕士学位论文“IGBT逆变式等离子切割电源”；“何伟军”于2009年在“南京航空航天大学”发表的硕士学位论文“大功率空气等离子切割电源的设计与研究”；“伍健”于2010年在“南京航空航天大学”发表的硕士学位论文“等离子切割高性能电源系统的研究”；前者属于逆变式等离子切割电源，功率等级难以提升；后二者只适用于输出直流电流低于130A以下的应用场合，功率等级不会超过30kW ；
[0005]综上所述，对于目前等离子切割电源所采用的电路结构，现有的功率电路尚且不能获得本质上纹波电流更低的等离子切割电源。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种多重级联斩波降压等离子切割电源，其支持输出直流电流可达650A，电路简单、控制方便，同时具有输入功率因数高(0.96以上)、输出直流电流纹波低等优点。
[0007]本实用新型的目的是这样实现的:一种多重级联斩波降压等离子切割电源，所述电源包含有降压电路、斩波电路和割炬电路，所述降压电路为一工频变压器，该工频变压器包含有一星形接线的初级绕组和五个三角形接线的次级绕组，所述斩波电路包含有五组相互并联的BUCK电路；降压电路的五组次级绕组分别经五组BUCK电路后接入割炬电路。
[0008]本实用新型多重级联斩波降压等离子切割电源，所述斩波电路包含有第一BUCK电路、第二 BUCK电路、第三BUCK电路、第四BUCK电路和第五BUCK电路，所述星形接线的初级绕组输入380V的三相交流电源，三角形接线的五个次级绕组的初相分别为-24°、-12°、0°、+12° 和+24°，输出电压均为 220V;
[0009]所述第一 BUCK电路包含有第一三相整流桥，所述第一三相整流桥的输入端与初相为-24°的次级绕组相连接，所述第一三相整流桥的正负极之间并联连接有第一电解电容和第一功率电阻，所述第一三相整流桥的负极连接至第二节点，所述第一三相整流桥的正极与第一 IGBT的集电极相连，所述第一 IGBT的发射极经第一电感接入第一节点，且第一IGBT的发射极与第一二极管的负极相连，第一二极管的正极接入第二节点；
[0010]所述第二 BUCK电路包含有第二三相整流桥，所述第二三相整流桥的输入端与初相为-12°的次级绕组相连接，所述第二三相整流桥的正负极之间并联连接有第二电解电容和第二功率电阻，所述第二三相整流桥的负极连接至第二节点，所述第二三相整流桥的正极与第二 IGBT的集电极相连，所述第二 IGBT的发射极经第二电感接入第一节点，且第二IGBT的发射极与第二二极管的负极相连，第二二极管的正极接入第二节点；
[0011]所述第三BUCK电路包含有第三三相整流桥，所述第三三相整流桥的输入端与初相为0°的次级绕组相连接，所述第三三相整流桥的正负极之间并联连接有第三电解电容和第三功率电阻，所述第三三相整流桥的负极连接至第二节点，所述第三三相整流桥的正极与第三IGBT的集电极相连，所述第三IGBT的发射极经第三电感接入第一节点，且第三IGBT的发射极与第三二极管的负极相连，第三二极管的正极接入第二节点；
[0012]所述第四BUCK电路包含有第四三相整流桥，所述第四三相整流桥的输入端与初相为+12°的次级绕组相连接，所述第四三相整流桥的正负极之间并联连接有第四电解电容和第四功率电阻，所述第四三相整流桥的负极连接至第二节点，所述第四三相整流桥的正极与第四IGBT的集电极相连，所述第四IGBT的发射极经第四电感接入第一节点，且第四IGBT的发射极与第四二极管的负极相连，第四二极管的正极接入第二节点；
[0013]所述第五BUCK电路包含有第五三相整流桥，所述第五三相整流桥的输入端与初相为+24°的次级绕组相连接，所述第五三相整流桥的正负极之间并联连接有第五电解电容和第五功率电阻，所述第五三相整流桥的负极连接至第二节点，所述第五三相整流桥的正极与第五IGBT的集电极相连，所述第五IGBT的发射极经第五电感接入第一节点，且第五IGBT的发射极与第五二极管的负极相连，第五二极管的正极接入第二节点。
[0014]本实用新型多重级联斩波降压等离子切割电源，所述第一三相整流桥、第二三相整流桥、第三三相整流桥、第四三相整流桥和第五三相整流桥均为二极管不控三相整流桥。
[0015]本实用新型多重级联斩波降压等离子切割电源，所述割炬电路包含有工件和割炬，上述第一节点经第六电感后与工件相电连接，所述第二节点与割炬的负极相电连接。
[0016]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0017](I)五组BUCK电路设计，便于实现模块化设计，可以均摊总功率，支持更大总功率，切割更厚的工件；(2)五组BUCK电路采用交错移相驱动方式，在公共平波电抗器作用下，获得更加精细的、纹波更低的切割电流，实现精密切割；(3)降压电路的设计，可以满足等离子切割的工作电源要求，同时次级绕组不同相位的设计有利于改善网侧功率因数，降低谐波电流的危害。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本实用新型多重级联斩波降压等离子切割电源的电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]参见图1，本实用新型涉及的一种多重级联斩波降压等离子切割电源，
[0020]所述电源包含有降压电路1、斩波电路2和割炬电路3，
[0021]所述降压电路I为一工频变压器，该工频变压器包含有一星形接线(Y接)的初级绕组和五个三角形接线(Λ接)的次级绕组，且星形接线的初级绕组输入380V的三相交流电源，三角形接线的五个次级绕组的初相分别为-24°、-12°、0°、+12°和+24°，输出电压均为220V ；
[0022]所述斩波电路2包含有五组相互并联的BUCK电路；
[0023]具体地，所述斩波电路2包含有第一 BUCK电路、第二 BUCK电路、第三BUCK电路、第四BUCK电路和第五BUCK电路，
[0024]所述第一 BUCK电路包含有第一三相整流桥BI，所述第一三相整流桥BI的输入端与初相为-24°的次级绕组相连接，所述第一三相整流桥BI的正负极之间并联连接有第一电解电容El和第一功率电阻Rl，所述第一三相整流桥BI的负极连接至第二节点B，所述第一三相整流桥BI的正极与第一 IGBTSl的集电极相连，所述第一 IGBTSl的发射极经第一电感LI接入第一节点A，且第一 IGBTSl的发射极与第一二极管Dl的负极相连，第一二极管Dl的正极接入第二节点B ；
[0025]所述第二 BUCK电路包含有第二三相整流桥B2，所述第二三相整流桥B2的输入端与初相为-12°的次级绕组相连接，所述第二三相整流桥B2的正负极之间并联连接有第二电解电容E2和第二功率电阻R2，所述第二三相整流桥B2的负极连接至第二节点B，所述第二三相整流桥B2的正极与第二 IGBTS2的集电极相连，所述第二 IGBTS2的发射极经第二电感L2接入第一节点A，且第二 IGBTS2的发射极与第二二极管D2的负极相连，第二二极管D2的正极接入第二节点B ；
[0026]所述第三BUCK电路包含有第三三相整流桥B3，所述第三三相整流桥B3的输入端与初相为0°的次级绕组相连接，所述第三三相整流桥B3的正负极之间并联连接有第三电解电容E3和第三功率电阻R3，所述第三三相整流桥B3的负极连接至第二节点B，所述第三三相整流桥B3的正极与第三IGBTS3的集电极相连，所述第三IGBTS3的发射极经第三电感L3接入第一节点A，且第三IGBTS3的发射极与第三二极管D3的负极相连，第三二极管D3的正极接入第二节点B ；
[0027]所述第四BUCK电路包含有第四三相整流桥B4，所述第四三相整流桥B4的输入端与初相为+12°的次级绕组相连接，所述第四三相整流桥B4的正负极之间并联连接有第四电解电容E4和第四功率电阻R4，所述第四三相整流桥B4的负极连接至第二节点B，所述第四三相整流桥B4的正极与第四IGBTS4的集电极相连，所述第四IGBTS4的发射极经第四电感L4接入第一节点A，且第四IGBTS4的发射极与第四二极管D4的负极相连，第四二极管D4的正极接入第二节点B ；
[0028]所述第五BUCK电路包含有第五三相整流桥B5，所述第五三相整流桥B5的输入端与初相为+24°的次级绕组相连接，所述第五三相整流桥B5的正负极之间并联连接有第五电解电容E5和第五功率电阻R5，所述第五三相整流桥B5的负极连接至第二节点B，所述第五三相整流桥B5的正极与第五IGBTS5的集电极相连，所述第五IGBTS5的发射极经第五电感L5接入第一节点A，且第五IGBTS5的发射极与第五二极管D5的负极相连，第五二极管D5的正极接入第二节点B ；
[0029]上述第一三相整流桥B1、第二三相整流桥B2、第三三相整流桥B3、第四三相整流桥B4和第五三相整流桥B5均为二极管不控三相整流桥；
[0030]所述割炬电路3包含有工件和割炬，上述第一节点A经第六电感L6后与工件相电连接，所述第二节点B与割炬的负极相电连接。
[0031]本实用新型的工作原理为:
[0032]采用降压电路1、斩波电路2和割炬电路3实现多重级联斩波降压等离子切割电源的全部功能，所述降压电路I完成交流电压的降压和功率因数校正，斩波电路完成将五组三相交流电压转换为一路直流电流，割炬电路完成对工件的切割，具体地:
[0033]所述降压电路2，将一路三相交流电压380V，转换为五路隔离的三相交流电压220V，相差12°，当后级斩波电路和割炬电路工作时，在网侧可以获得功率因数为0.96以上的输入电流波形，设置降压电路的次级绕组为五路三相交流电压220V的原因是:所得到的空载电压311V是适合割炬电路中等离子切割引弧和转移弧的，而且每组次级绕组和每一后级斩波电路中BUCK电路能够分摊1/5的总功率，便于斩波电路中BUCK电路的模块化设计；
[0034]所述斩波电路3，包括五组BUCK电路，分别输入不同相位的三相交流电压220V，经过二极管不控三相整流桥后均得到空载电压311V，在后接直流一直流变换后，各自得到一路直流电流，五路直流电流汇合后经过公共平波电抗器的作用，得到一路合成直流电流，鉴于五路直流一直流变换时IGBT驱动脉冲采用交错移相PWM驱动方式，基本移相角度为72°，即1/5开关周期，使得合成直流电流的纹波电流更低，该电流通过工件和割炬中负极，实现精细切割；
[0035]在本【具体实施方式】中:
[0036]交流输入电压宽范围，380V± 15%，工频50 Hz或60Hz，额定输入电压380VAC，额定输出直流电压平均值150V，额定输出电流650A，输入功率为llOkW。
[0037]IGBT 斩波频率:2OkHz ；
[0038]第一电解电容E1、第二电解电容E2、第三电解电容E3、第四电解电容E4和第五电解电容E5:450V, 2200mF,四只并联；
[0039]第一三相整流桥B1、第二三相整流桥B2、第三三相整流桥B3、第四三相整流桥B4和第五三相整流桥B5:600V, 300A/100。C ；
[0040]第一电感LI (平波电抗器)、第二电感L2 (平波电抗器)、第三电感L3 (平波电抗器)、第四电感L4 (平波电抗器)和第五电感L5 (平波电抗器):2.2mH, 130A,0.35mm,娃钢；
[0041]第六电感L6 (平波电抗器):lmH,650A,0.35mm,娃钢；
[0042]第一 IGBT SI与第一二极管Dl (反向快恢复二极管)、第二 IGBT S2与第二二极管D2 (反向快恢复二极管)、第三IGBT S3与第三二极管D3 (反向快恢复二极管)、第四IGBTS4与第四二极管D4 (反向快恢复二极管)和第五IGBT S5与第五二极管D5 (反向快恢复二极管):600V, 200AC/100,单桥臂 IGBT 模块；
[0043]第一功率电阻R1、第二功率电阻R2、第三功率电阻R3、第四功率电阻R4和第五功率电阻 R5:50k Ω ,5W ；
[0044]降压变压器TRl: 380V/5x220V, 120kVA。
[0045]需要理解的是，以上对本实用新型的具体实施例进行了描述，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容，均在本专利的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种多重级联斩波降压等离子切割电源，所述电源包含有降压电路(1)、斩波电路(2)和割炬电路(3)，其特征在于:所述降压电路(1)为一工频变压器，该工频变压器包含有一星形接线的初级绕组和五个三角形接线的次级绕组，所述斩波电路(2)包含有五组相互并联的BUCK电路；降压电路(1)的五组次级绕组分别经五组BUCK电路后接入割炬电路(3)。
2.如权利要求1所述一种多重级联斩波降压等离子切割电源，其特征在于:所述斩波电路(2)包含有第一BUCK电路、第二BUCK电路、第三BUCK电路、第四BUCK电路和第五BUCK电路，所述星形接线的初级绕组输入380V的三相交流电源，三角形接线的五个次级绕组的初相分别为-24°、-12°、0°、+12°和+24°，输出电压均为220V; 所述第一 BUCK电路包含有第一三相整流桥(B1)，所述第一三相整流桥(B1)的输入端与初相为-24°的次级绕组相连接，所述第一三相整流桥(B1)的正负极之间并联连接有第一电解电容(El)和第一功率电阻(R1)，所述第一三相整流桥(B1)的负极连接至第二节点(B)，所述第一三相整流桥(B1)的正极与第一 1GBT (S1)的集电极相连，所述第一 1GBT (S1)的发射极经第一电感(L1)接入第一节点(A)，且第一 1GBT(Sl)的发射极与第一二极管(Dl)的负极相连，第一二极管(Dl)的正极接入第二节点(B)； 所述第二 BUCK电路包含有第二三相整流桥(B2)，所述第二三相整流桥(B2)的输入端与初相为-12°的次级绕组相连接，所述第二三相整流桥(B2)的正负极之间并联连接有第二电解电容(E2)和第二功率电阻(R2)，所述第二三相整流桥(B2)的负极连接至第二节点(B)，所述第二三相整流桥(B2)的正极与第二 1GBT (S2)的集电极相连，所述第二 1GBT (S2)的发射极经第二电感(L2)接入第一节点(A)，且第二 1GBT(S2)的发射极与第二二极管(D2)的负极相连，第二二极管(D2)的正极接入第二节点(B)； 所述第三BUCK电路包含有第三三相整流桥(B3)，所述第三三相整流桥(B3)的输入端与初相为O。的次级绕组相连接，所述第三三相整流桥(B3)的正负极之间并联连接有第三电解电容(E3)和第三功率电阻(R3)，所述第三三相整流桥(B3)的负极连接至第二节点(B)，所述第三三相整流桥(B3)的正极与第三1GBT (S3)的集电极相连，所述第三1GBT (S3)的发射极经第三电感(L3)接入第一节点(A)，且第三1GBT (S3)的发射极与第三二极管(D3)的负极相连，第三二极管(D3)的正极接入第二节点(B)； 所述第四BUCK电路包含有第四三相整流桥(B4)，所述第四三相整流桥(B4)的输入端与初相为+12°的次级绕组相连接，所述第四三相整流桥(B4)的正负极之间并联连接有第四电解电容(E4)和第四功率电阻(R4)，所述第四三相整流桥(B4)的负极连接至第二节点(B)，所述第四三相整流桥(B4)的正极与第四1GBT (S4)的集电极相连，所述第四1GBT (S4)的发射极经第四电感(L4)接入第一节点(A)，且第四1GBT(S4)的发射极与第四二极管(D4)的负极相连，第四二极管(D4)的正极接入第二节点(B)； 所述第五BUCK电路包含有第五三相整流桥(B5)，所述第五三相整流桥(B5)的输入端与初相为+24°的次级绕组相连接，所述第五三相整流桥(B5)的正负极之间并联连接有第五电解电容(E5)和第五功率电阻(R5)，所述第五三相整流桥(B5)的负极连接至第二节点(B)，所述第五三相整流桥(B5)的正极与第五1GBT (S5)的集电极相连，所述第五1GBT (S5)的发射极经第五电感(L5)接入第一节点(A)，且第五1GBT(S5)的发射极与第五二极管(D5)的负极相连，第五二极管(D5)的正极接入第二节点(B)。
3.如权利要求2所述一种多重级联斩波降压等离子切割电源，其特征在于:所述第一三相整流桥(B1)、第二三相整流桥(B2)、第三三相整流桥(B3)、第四三相整流桥(B4)和第五三相整流桥(B5)均为二极管不控三相整流桥。
4.如权利要求2或3所述一种多重级联斩波降压等离子切割电源，其特征在于:所述割炬电路(3)包含有工件和割炬，上述第一节点(A)经第六电感(L6)后与工件相电连接，所述第二节点(B)与割炬的负极相电连接。
【文档编号】H02M7/23GK203725968SQ201420036160
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】田威 申请人:江苏博大数控成套设备有限公司