宽范围等离子切割机电流源的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种无需降压变压器、宽范围直流电流范围的等离子切割直流电源，具体地，涉及一种宽范围等离子切割机电流源。
【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电源、引弧箱、气控箱、冷却系统、管线等主要部分。
[0003]等离子电源是机用等离子切割装置的核心部件之一，按照其发展历程，先后可以包括各式硅整流式电源、晶闸管整流式电源、逆变式电源以及斩波式电源。其中，逆变式电源、斩波式电源是最具发展潜力的电源机种。逆变式电源适合输出电流位于30A-200A、20kff以下的应用场合。鉴于整体成本较低、效率较高、控制方便和便于容量扩充，尤其切割电流质量较高，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、530A、650A、800，甚至达到1000A，用于切割更厚的金属板材和管材，功率等级也由22kW超175kW方向增加。正常工作时，等离子弧柱电压范围为50-175V(260A等级)、50-150V(130A等级)左右，但是输出电流等级与切割机容量配置有关，输出特性为快速下垂特性。
[0004]原有的斩波式电源为了获得较低的直流输出电压，功率电路一般配置如下:
[0005](I)采用三相降压变压器和三相二极管不控整流器，输入三相380V交流正弦电压，得到三相220V交流电压，经过整流器后得到空载311V左右的直流电压，降压与整流效率只有0.98*0.98 = 0.96左右；
[0006](2)采用单级斩波(降压)BUCK DC-DC变换器，由于输出直流电压较低，输出电流较低时占空比较大，不会出现占空比较低以及相关问题，斩波降压的效率只有0.94-0.96，
[0007]结果，最后使得整机效率可达0.88-0.94，采用软开关技术可以提升效率到0.96左右。由于降压变压器采用了 Υ/Υ Δ结构，网侧功率因数可达0.88 (输出130A)和0.98 (输出 260A)ο
[0008]对于大功率的斩波式电源，为了改善网侧功率因数，只能采用多次级绕组的大功率降压变压器，可以将网侧功率因数提升到接近于1，而且降压变压器起到电气隔离作用，有利于改善等离子切割机系统的稳定性和可靠性，而且无需软上电环节。但是降压变压器体积庞大，非常笨重，消耗材料以及运输成本较多，而且变换效率也不高，一般不高于
0.96-0.98。对于功率不是特别高的斩波式电源，可以采用三相LC滤波器+ 二极管整流器的供电方式，消除了降压变压器，额定负荷下网侧功率因数提升也可以做到0.96以上。
[0009]由于没有采用降压变压器，而采用了三相LC滤波器，整流器空载直流电压将高于网压峰值水平(600V左右)，与正常切割电压50-175V差距较大，如果采用传统单级BUCKDC-DC变换器，使得最低占空比过低，在轻载下尤为严重，BUCK DC-DC变换器工作在DCM状态下，失去可控性，造成开关损耗增加。为此可以采用多级传统BUCK DC-DC变换器依次串联或支持宽范围电流的新型BUCK DC-DC变换器。
[0010]综合以上，本实用新型就是不使用降压变压器，改使用三相LC滤波器，采用多级传统BUCK DC-DC变换器依次串联或支持宽范围电流的新型BUCK DC-DC变换器，构成一种适合130A以下的等离子电源的功率电路，即宽范围等离子切割机电流源。
[0011]经过对宽范围等离子切割机电流源现有技术以及相关技术的检索，发现主要有以下代表性文献:
[0012]田国涛.可实现宽范围电压输出的PWM平方型变换器电源的研宄.华南理工大学，硕士学位论文，2004年；
[0013]伍健.等离子切割高性能电源系统的研宄.南京航空航天大学，硕士学位论文，2010 年.
[0014]前者提出一种宽范围电压输出的PWM平方型变换拓扑，后者提出一种采用降压变压器和单级BUCK DC-DC变换器的等离子电源。
[0015]综合以上，对宽范围等离子切割机电流源现有技术以及相关技术检索后发现，尚无基于三相LC滤波器、两级串联BUCK DC-DC变换器或支持宽范围电流BUCK DC-DC变换器等构成的适合130A以下的等离子电源的功率电路。
【实用新型内容】
[0016]针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种宽范围等离子切割机电流源，支持输出直流电流可达130A，电路简单、控制方便，同时具有输入功率因数高、整机效率高等优点。
[0017]本实用新型提供一种宽范围等离子切割机电流源，包括前级电路、后级电路和割炬电路，所述前级电路包括三相LC滤波器和三相整流器，所述三相LC滤波器包括第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容、第三电容，其中第一电感的一端与三相交流电源的火线Ua相连，另一端与三相整流器中整流桥的a相输入端、第一电容的一端相连，第二电感的一端与三相交流电源的火线Ub相连，另一端与三相整流器中整流桥的b相输入端、第二电容的一端相连，第三电感的一端与三相交流电源的火线Uc相连，另一端与三相整流器中三相整流桥的c相输入端、第三电容的一端相连，第一电容、第二电容与第三电容的另一端相连；所述三相整流器由三相整流桥、电阻和第一电解电容构成，其中三相整流桥的正极与负极之间并联第一电阻和第一电解电容。
[0018]所述后级电路包括第一 BUCK DC-DC变换器、第二 BUCK DC-DC变换器，所述第一BUCK DC-DC变换器与第二 BUCK DC-DC变换器串联。
[0019]所述第一 BUCK DC-DC变换器包括第一二极管、第四电感、第一 IGBT模块和第二电解电容，第二 BUCK DC-DC变换器包括第二二极管、第二 IGBT模块和第五电感；其中第一二极管的阴极与第四电感的一端、前级电路中第一电解电容的正极相连接，第一二极管的阳极与第二电解电容的阴极、第一 IGBT模块的集电极连接，第一 IGBT模块的发射极连接第一电解电容的负极，第四电感的另一端与第二电解电容的阳极、第五电感的一端、第二二极管的阴极相连，第二二极管的阳极与第二 IGBT模块集电极连接，第二 IGBT模块的发射极连接第二电解电容的阴极。
[0020]所述割炬电路包括工件和割炬，工件与后级电路中第五电感的另一端相连，割炬与后级电路中第二二极管的阳极、第二 IGBT模块的集电极相连接。
[0021]与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果:
[0022]本实用新型的工作原理是采用前级电路、后级电路和割炬电路实现宽范围等离子切割机电流源的全部功能，所述前级电路完成对交流电源的滤波和整流，后级电路完成宽电流输出的BUCK DC-DC变换，割炬电路完成对工件的切割，具体地:
[0023]所述前级电路，三相交流电压经过三相LC滤波器、三相整流器后，得到直流电压，由于LC谐振原因，在空载时，得到直流电压平均值高于网压峰值，视谐振强度而定。轻载下，直流电压平均值基本上等于网压峰值。重载下，直流电压平均值基本上低于网压峰值。当参数配置合理时，在三相LC滤波器的作用下，可以获得接近0.96以上的网侧功率因数。
[0024]所述后级电路，为宽范围BUCK DC-DC变换电路，输入前级电路提供的直流电压，输出直流电流。直流电流的大小依赖于待切割工件所需的功率大小。如果第一单级BUCKDC-DC变换电路中功率器件IGBT模块的占空比为dl，第二单级BUCK DC-DC变换电路中功率器件IGBT模块的占空比为d2，则后级电路的最终占空比为比dl*d2，位于[0，1]，通过合理调节dl与d2大小，可以产生宽范围输出的直流电流。当输入直流电压高时，要求占空比dl*d2比较大，才能输出同样的直流电流，因此后级电路适用于高直流电压输入，解决了占空比低带来的开关损耗大、输出电流调节能力差以及降压变压器笨重等实际问题，是一种重要的革新