非高频引弧逆变空气等离子切割机的研究
逆变式空气等离子切割机低频引弧技术的研究
基金项目：陕西省工业攻关研究发展计划（2011K09-05）；西安市科技局工业应用技术研发项目（CXY1017（1））定稿日期：2011-01-04作者简介：孙强（1955-），男，安徽丹凤人，教授，研究方向为开关电源理论与应用。
1引言与传统的火焰切割或激光切割相比，等离子切割机具有切割质量好、速度快、成本低等优势[1]。
随着逆变技术的发展，半桥式或者全桥式的主电路拓扑结构已成功地应用到等离子切割电源领域。
在国内，大多数等离子切割机采用高频引弧方式，但高频高压的引弧过程带来了严重的电磁干扰，且装置体积较大，这不仅影响到了电源自身的正常工作，而且对周边数控机的工作带来了严重的电磁干扰，更不能和数控机床有效地配合，从而影响等离子切割机走向全自动化的进展。
这里采用先进控制器DSP2812为核心，研制了一台功率为17kW ，切割电流30～100A 连续可调，并有切割、切网格、气刨3种工作模式的低频逆变式空气等离子切割电源。
2主电路拓扑结构主电路选用了Boost -半桥逆变的拓扑结构，其主电路拓扑结构如图1所示。
图中VQ 1为Boost 电路IGBT 驱动；VQ 2，VQ 3为半桥PWM 驱动信号，由DSP 控制；VQ 4用于引弧IGBT 驱动。
H 1为升压电感电流传感器，检测到的电流值送往UC3854，用于控制VQ 1，完成APFC ；H 2为用于过流检测的电流传感器；H 3，H 4为分别用于切割电流和引弧电流采样的电流传感器。
前级Boost 电路由控制器UC3854完成控制，实现升压和功率因数校正功能；考虑到整个电源的功率及逆变式空气等离子切割机低频引弧技术的研究孙强，刘延明（西安理工大学，自动化与信息工程学院，陕西西安710048）摘要：研制了一种全数字化控制的新型逆变式空气等离子切割机。
该等离子机采用非高频的引弧技术，有效地解决了传统技术中存在的高电磁干扰、引弧电路复杂、引弧成功率低等问题。
设计以高性能数字信号处理器DSP2812作为主控制芯片，通过理论分析、计算与仿真、控制算法的改进等措施，解决了低频引弧技术中的问题。
空气等离子切割机工作原理
空气等离子切割机工作原理1.气源供给：空气等离子切割机需要一个气源来产生等离子体，通常使用的气体是空气。
空气经过压缩机压缩后进入空气等离子切割机的主机。
2.等离子体产生：在主机中存在一个高频电源和一个电极，电极呈现锥体形状。
电极的顶端与喷嘴出口相接触。
电源产生高频交流电，并通过电极与空气之间产生较大的电压差，从而使空气分子发生电离。
当空气分子经受到电压的作用，其中的电子由于需从气体分子中脱离产生等离子体。
一旦在离子电场中形成等离子体，即可释放电离的能量。
3.等离子切割：产生的等离子体被推动以高速喷出，形成一个离子火花流。
离子火花流会与工件表面产生高热，并迅速将工件表面部分材料加热至气化温度。
同时，高能量等离子体还会迅速消耗工件表面的材料，使工件表面产生熔化并逐渐蒸发。
在等离子切割过程中，由于雾化的气体被吹离，这使得切割速度更快、更加精确。
由于离子火花流具有高能量，所以它可以切割多种类型的材料，包括金属和非金属。
4.控制系统：空气等离子切割机通常还配备了一个精确的控制系统，用于控制切割参数，比如离子喷射速度、电流强度等，以便实现对切割过程的准确控制。
1.切割速度快：由于离子火花流的高能量，空气等离子切割机能够快速切割材料，并实现高效的生产。
2.切割质量高：空气等离子切割机能够产生极高的切割质量，切割边缘光滑、无毛刺，减少二次加工的需求。
3.切割适用性广：空气等离子切割机适用于多种材料的切割，包括金属和非金属，具有较好的适应性。
4.环保节能：空气等离子切割机采用空气作为气源，无需使用任何化学品，避免了对环境的污染。
总而言之，空气等离子切割机通过产生高能量的等离子体，对工件表面进行加热、熔化和蒸发，实现了快速、高质量的切割工艺。
它具有切割速度快、质量高、适用性广和环保节能等优势，被广泛应用于工业生产中。
一种等离子切割机非高频引弧电路专利
一种等离子切割机非高频引弧电路专利离子切割机非高频引弧电路，涉及引弧电路的技术领域，其包括等离子切割机主电路，等离子切割机主电路信号连接有割炬，等离子切割机主电路依次信号连接有触发电路和主控板，主控板的输出端信号连接有第一电磁阀SV1和第二电磁阀SV2，主控板的输入端信号连接有枪开关和电流传感器；主控板还信号连接有常闭干簧管，常闭干簧管的线圈两端分别信号连接等离子切割机主电路和割炬，常闭干簧管远离主控板的一端信号连接有驱动电路，驱动电路用于驱动割炬。
本申请割炬的引弧电弧熄灭，同时保持电弧强度，完成由等离子电弧到切割弧的转换；具有割炬结构简单，且电路简单，便于工作人员制作和操作的效果。
1.一种等离子切割机非高频引弧电路，包括等离子切割机主电路，所述等离子切割机主电路信号连接有割炬，其特征在于：所述等离子切割机主电路依次信号连接有触发电路和主控板，所述主控板的输出端信号连接有第一电磁阀SV1和第二电磁阀SV2，所述主控板的输入端信号连接有枪开关和电流传感器，所述电流传感器的两端分别信号连接所述等离子切割机主电路和接地；所述主控板还信号连接有常闭干簧管，所述常闭干簧管的线圈两端分别信号连接所述等离子切割机主电路和所述割炬，所述常闭干簧管远离所述主控板的一端信号连接有驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述割炬；所述常闭干簧管的线圈与所述等离子切割机主电路之间依次信号连接有第二电容器C2和小弧，所述等离子切割机主电路与所述第二电容器C2之间信号连接有第一电容器C1，所述第一电容器C1的另一端接地，所述第一电容器C1远离地的一端与所述第二电容器C2之间信号连接有第三电容器C3，所述第三电容器C3的另一端信号连接在所述电流传感器与地之间。
2.根据权利要求1所述的一种等离子切割机非高频引弧电路，其特征在于：所述驱动电路包括驱动子电路和IGBT，所述驱动子电路的输入端信号连接所述常闭干簧管，所述驱动子电路信号连接所述割炬和所述IGBT的栅极。
空 气 等 离 子 切 割 机工作原理
空气等离子切割机第一节空气等离子切割机工作原理一、等离子弧的产生与特点通常把电弧密度为自然条件下的电弧密度（未经压缩）的电弧称为自由弧；自由弧的导电气体设有完全电离，电弧的温度在6000℃到8000℃之间。
而在气压、电压和磁场的作用下，柱状的自由弧（柱截面积正比于功率）可以压缩成等离子弧，等离子弧的导电截面小能量集中。
弧柱中气体几乎可全部达到离子状态。
电弧温度可高达15000℃-30000℃。
能使金属等物体迅速熔化。
二、等离子切割的原理与应用切割，一般指的是金属的切割。
等离子弧切割是利用极细而高温的等离子弧，使局部金属迅速熔化，再用气流把熔化的金属吹走的切割方法。
等离子弧切割由于切割效率高、损耗低、适用范围广等优点已广泛应用于各类工程建设、制造等行业。
三、等离子弧切割电源与氩弧焊电源技术参数比较四、等离子切割机工作技术参数五、等离子切割与气体切割比较第二节等离子切割的起弧方式一、接触起弧与转移起弧等离子弧切割一般有两种起弧方式：1、接触式：即把与极针绝缘的喷嘴贴在工件（联接切割电源正端）上，然后把高频高压电流加到联接电源负端的电极针（钨针），使极针喷出电弧，电弧在电压、气压、磁场作用下形成等离子弧，通过大电流维持等离子弧稳定燃烧，然后稍抬高喷嘴（避免炽热的工件损坏喷嘴），开始切割。
其过程简图如图9.1这种切割方式多适用于小电流（小功率的切割机）。
图9.12、转移弧式（维弧式）：即把电源正端通过一定的电阻和继电器开关联接到喷嘴上，使得极针与喷嘴间形成电弧（由于有电阻限流，电弧较小），然后把喷嘴靠近直接联接电源正端的工件上，极针与工件间便形成能量更大的电弧，电弧被压缩后形成等离子弧，而喷嘴与电源正端的联接被断开，开始切割。
图9.2为其过程简图图9.2转移弧式切割方式可以避免电弧在气压的作用下偏离喷嘴中心而损坏喷嘴。
此种方式适用于大功率切割机。
二、转移起弧控制电路原理转移弧式切割方式要求先在极针上喷嘴间产生小电弧，然后靠近工件产生等离子弧，通以大电流维持电弧稳定后断开用于起弧的高频高压电流以及小电弧，其控制电路原理图9.3图9.3工作原理：维弧电路的控制继电器（J2A）与高频高压电流产生控制继电器（J1A）并联，这样，手开关合上时（S1合上），由于输出电压的作用使得J1、J2同时动作，J1A、J2A吸合，高频高压电流产生器工作，把高频高压电流加到了电极针上，而J2A吸合使得喷嘴经过电阻PTC、R3、R4联接到了电源输出正端，于是，钨针与喷嘴间形成电弧，由于PTC、R4、R5的限流，此电弧较小，温度低。
非接触等离子切割机引弧原理
非接触等离子切割机引弧原理
非接触等离子切割机的引弧原理主要涉及高速气流的产生和电弧的形成。
首先，切割头或枪头会向工件表面喷射高速的等离子气体，通常是氧气和一种辅助气体（如氮气或空气）。
这些气体经过喷嘴形成高速的气流。
接着，引弧板上的小孔或槽会使气流局部加热，并在引弧板和工件之间形成高温等离子体。
这个等离子体形成的高温区域就是电弧的形成区域。
通过引弧板上的小孔或槽，电弧能够从引弧板传导到工件表面，并在工件表面上产生高温、高能量的等离子切割区域。
此外，非接触式引弧逆变式等离子器切割机需要非接触式引弧，因此必须产生副弧。
在按下开关后、引弧之前，副弧在等离子割枪碰嘴处形成电弧，再被压缩空气喷出。
当喷出的副弧接触到被切割工件后，副弧应该被关断，主弧应该打开，开启大功率切割工作模式。
这种由副弧转主弧的控制逻辑被称为转移弧控制。
以上内容仅供参考，建议咨询专业人士获取准确信息。
基于DSP新型等离子切割电源的研究
摘要 ： 介绍 了将非高频引弧技术应用于半桥逆变式空气等离子切割机用 电源 的方法 ． 设计了以 Ｔ ３０ ２ １ ＭＳ ２ Ｆ ８ ２型 Ｄ Ｐ Ｓ
为 控 制 器 的控 制系 统 ， 析 了非 高 频 引 弧 的工 作 原 理 ， 给 出 了切 割 过 程 详 细 的工 艺 流 程 图。 对 电 源 系 统进 行 了建 分 并 模 仿 真 ， 建 样 机 并 进行 了验 证 。 搭
第４ ４卷 第 ７期
２１ ０ ０年 ７月
电 力 电子 技 术
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Ｖｏ．４ ．Ｎｏ． １ ４ ７
基于 Ｄ Ｐ新型等离子切割 电源的研究 Ｓ
孙 强 ，黄 西平 ，员 博 ， 赵 晨
（ 西安 理 工 大 学 ，陕 西 西 安 ７０４ ） １０ ８
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逆变式空气等离子切割机低频引弧技术的研究
引 言
与传 统 的火 焰 切割 或 激 光 切 割相 比 ， 离 子切 等
２ 主 电 路 拓 扑 结 构
主 电路 选 用 了 Ｂ ｏｔ 桥 逆 变 的 拓 扑 结 构 。 ｏｓ 半 一 其
主 电路 拓 扑 结构 如 图 １ 示 。 所
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一种非高频等离子切割机维弧装置的制作方法
一种非高频等离子切割机维弧装置的制作方法本实用新型涉及一种非高频等离子切割机维弧装置，属于切割机技术领域。
背景技术：：现有等离子切割电源维护(转移弧)分为两类：1.高频高压作为引弧方式的切割电源：把电源输出正端通过一定的电阻和继电器开关连接到喷嘴上，利用高频高压作为作为引弧装置，使得电极与喷嘴间形成电弧(由于有电阻限流，电弧较小)，然后把喷嘴靠近直接连接电源正端的工件上，电极与工件间便形成能量更大的电弧，电弧被压缩后形成等离子弧，而喷嘴与电源正端的连接被断开，开始切割。
缺点：①.采用高频高压引弧方式：高频高压对其电源自身及电网的干扰较大，大幅度降低电源的可靠性、稳定性；增加了对电源自身及电网的抗干扰技术及成本；②.维弧(转移弧)方式：采用自然弧工作模式(维弧回路中串联电阻限流)，此种方式在电网电压偏低时维弧电流会随之变小，影响电弧不能正常维持，导致实际切割时维弧不连续或者不能引弧现象；电网电压偏高时维弧电流也随之变大，导致维弧回路中开关器件过载而损坏；③.维弧(转移弧)回路中开关器件：采用继电器作为开关，继电器属于机械式开关器件，在有电流流过时开与关，容易产生触点拉弧粘连现象，导致维弧(转移弧)与主弧电流不能有效的切换；2.非高频维弧(转移弧)切割电源：在上述1高频高压作为引弧方式的切割电源基础上，只是把高频高压引弧装置改为由切割枪电极与喷嘴拉弧产生电弧的引弧方式；缺点：①.维弧(转移弧)方式：采用自然弧工作模式(维弧回路中串联电阻限流)，此种方式在电网电压偏低时维弧电流会随之变小，影响电弧不能正常维持，导致实际切割时维弧不连续或者不能引弧现象；电网电压偏高时维弧电流也随之变大，导致维弧回路中开关器件过载而损坏；②.维弧(转移弧)回路中开关器件：采用继电器作为开关，继电器属于机械式开关器件，在有电流流过时开与关，容易产生触点拉弧粘连现象，导致维弧(转移弧)与主弧电流不能有效的切换；③.不能满足连续维弧模式：A.电网电压适应能力差，在电网电压过低时维弧电流小，导致维弧断续或不维弧，不能达到正常工作模式；B.引弧方式采用切割枪电极与喷嘴拉弧式引弧，切割时需要等待气体自动停止后才能进行下一次启动，此现象不能满足网状体金属切割以及短板金属切割。
等离子切割机调研报告
等离子切割机调研报告引言等离子切割机是一种新型的热切割设备,他的工作原理是以压缩空气为工作气体,以高温高速的等离子弧为热源、将被切割的金属局部熔化、并同时用高速气流将已熔化的金属吹走、形成狭窄切缝。
该设备可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料切割,不仅切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小,工件变形度低、操作简单,而且具有显著的节能效果。
该设备适用于各种机械、金属结构的制造、安装和维修工作中、薄板材的切断、开孔、挖补、开坡口等切割加工。
例如中联重科在工程起重机、泵车、搅拌车等大批量产品的薄板件加工中均采用了此类技术,并取得了显著的经济效益。
在工业生产中,金属热切割一般有气割、等离子切割、激光切割等。
其中等离子切割与气割相比,其切割范围更广、效率更高。
而精细等离子切割技术在材料的切割表面质量方面已接近了激光切割的质量,但成本却远低于激光切割。
因此,等离子切割自20 世纪50 年代中期在美国研制成功以来,得到迅速发展。
随着计算机及数字控制技术的迅速发展,数控切割也得以蓬勃发展,并在改善加工精度。
节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大优势。
这促使等离子切割技术从手工或半自动逐步向数控方向发展,并成为数控切割技术发展的主要方向之一。
数控等离子切割技术是集数控技术、等离子切割技术、逆变电源技术等于一体的高新技术,他的发展建立在计算机控制、等离子弧特性研究、电力电子等学科共同进步基础之上。
我国的数控切割技术起步于20 世纪80 年代,而数控等离子切割技术起步更晚。
但近年来,国内一些高校、科研单位、以及技术力量雄厚的制造厂商如哈电数控等对数控等离子一．等离子弧切割的工作原理等离子弧切割又称为等离子体切割，是一种热切割的方法。
等离子体被称为物质存在的第四种状态。
物质的存在通常有三种状态既气、液、固三态。
等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，离解成带正电荷和带负电荷的自由电子所组成，整体的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为等离子体。
空 气 等 离 子 切 割 机工作原理.doc
空气等离子切割机第一节空气等离子切割机工作原理一、等离子弧的产生与特点通常把电弧密度为自然条件下的电弧密度（未经压缩）的电弧称为自由弧；自由弧的导电气体设有完全电离，电弧的温度在6000℃到8000℃之间。
而在气压、电压和磁场的作用下，柱状的自由弧（柱截面积正比于功率）可以压缩成等离子弧，等离子弧的导电截面小能量集中。
弧柱中气体几乎可全部达到离子状态。
电弧温度可高达15000℃-30000℃。
能使金属等物体迅速熔化。
二、等离子切割的原理与应用切割，一般指的是金属的切割。
等离子弧切割是利用极细而高温的等离子弧，使局部金属迅速熔化，再用气流把熔化的金属吹走的切割方法。
等离子弧切割由于切割效率高、损耗低、适用范围广等优点已广泛应用于各类工程建设、制造等行业。
三、等离子弧切割电源与氩弧焊电源技术参数比较四、等离子切割机工作技术参数五、等离子切割与气体切割比较第二节等离子切割的起弧方式一、接触起弧与转移起弧等离子弧切割一般有两种起弧方式：1、接触式：即把与极针绝缘的喷嘴贴在工件（联接切割电源正端）上，然后把高频高压电流加到联接电源负端的电极针（钨针），使极针喷出电弧，电弧在电压、气压、磁场作用下形成等离子弧，通过大电流维持等离子弧稳定燃烧，然后稍抬高喷嘴（避免炽热的工件损坏喷嘴），开始切割。
其过程简图如图9.1这种切割方式多适用于小电流（小功率的切割机）。
图9.12、转移弧式（维弧式）：即把电源正端通过一定的电阻和继电器开关联接到喷嘴上，使得极针与喷嘴间形成电弧（由于有电阻限流，电弧较小），然后把喷嘴靠近直接联接电源正端的工件上，极针与工件间便形成能量更大的电弧，电弧被压缩后形成等离子弧，而喷嘴与电源正端的联接被断开，开始切割。
图9.2为其过程简图图9.2转移弧式切割方式可以避免电弧在气压的作用下偏离喷嘴中心而损坏喷嘴。
此种方式适用于大功率切割机。
二、转移起弧控制电路原理转移弧式切割方式要求先在极针上喷嘴间产生小电弧，然后靠近工件产生等离子弧，通以大电流维持电弧稳定后断开用于起弧的高频高压电流以及小电弧，其控制电路原理图9.3图9.3工作原理：维弧电路的控制继电器（J2A）与高频高压电流产生控制继电器（J1A）并联，这样，手开关合上时（S1合上），由于输出电压的作用使得J1、J2同时动作，J1A、J2A吸合，高频高压电流产生器工作，把高频高压电流加到了电极针上，而J2A吸合使得喷嘴经过电阻PTC、R3、R4联接到了电源输出正端，于是，钨针与喷嘴间形成电弧，由于PTC、R4、R5的限流，此电弧较小，温度低。
等离子切割机技术研究报告
等离子切割机技术研究报告《等离子切割机技术研究报告》一、研究背景随着现代工业的发展，对材料加工精度和效率的要求越来越高。
等离子切割机作为一种新型的材料切削工艺，在金属、非金属等材料的加工中展现出了广阔的应用前景。
为了更好地理解等离子切割机技术的原理和特点，本报告对该技术进行了深入研究和分析。
二、等离子切割机技术的原理等离子切割机利用气体电离产生等离子，通过等离子束对材料进行切割。
其原理包括等离子产生、等离子束聚焦和等离子束切割三个环节。
等离子切割机通过合理的控制参数，使等离子束能够高效切割各种材料，大大提高了切割精度和效率。
三、等离子切割机技术的特点1. 切割精度高：等离子切割机能够实现高精度的切割，切割线条平滑，切割质量可靠。
2. 切割速度快：等离子切割机可以在短时间内完成大面积的切割任务，提高了生产效率。
3. 适应性强：等离子切割机适用于各种材料的切割，包括金属、非金属、有机材料等。
4. 操作简便：等离子切割机具有简单的操作界面，操作人员只需要掌握基本的操作技巧即可进行切割。
四、等离子切割机技术的应用领域等离子切割机技术在多个领域有着广泛的应用，包括金属零件的切割、汽车制造、船舶制造、航空航天等。
其切割精度和效率的优势使其成为现代工业中不可或缺的一部分。
五、等离子切割机技术的发展趋势随着科技的进步，等离子切割机技术也在不断发展和改进。
未来，人们可以期待等离子切割机技术在切割速度、切割精度和适应性方面的进一步提升。
同时，研究人员也可以在材料选择、刀具设计等方面进行更深入的探索，以满足不同行业对等离子切割机技术的需求。
总结：等离子切割机技术是一种具有广阔应用前景的材料加工技术，具备高精度、高效率和适应性强的特点。
通过深入研究与探索，可以不断提高等离子切割机技术在实际应用中的效果，推动现代工业的发展。
一种空气等离子切割电源引弧电路的研究_王寿福
行业信息
武汉光纤到户工程覆盖用户 20 万
日前 , 湖北省委副书记 、武汉市委书 记杨松 , 武汉市委常委 、常务副市长袁善腊等 , 在中国电信武 汉分公司 总经理龚勃 陪同下到 武汉分公司光纤到户 小区调研 , 了解光纤到户建设 , “三网合一 ”推进工作情况 。 杨松对武汉分公司大力实施光纤到户工程 , 积极推 进 “三网合一 ”给予了充分肯定 , 强调发展光纤到户 , 推进 “三网 合一 ”要充分 发挥产 业优势 , 整合 建设与 服务资源 , 以 政府引 导 , 市 场动作 , 共赢的价值链有效推进 。
· 1·
2008年 9月 25日第 25卷第 5期
TelecomPowerTechnology
Sep.25, 2008, Vol.25 No.5
击穿电压时 , 使得其空气间隙击穿 , 火花放电器放电 , 此时电容 C、火花放电器击穿之后的等效电阻 R、耦合 变压器 T2 的初级绕组的电感 L构成 RLC振荡电路 , 产生高频高压信号 。 该信号通过 T2 耦合变压器升压 输出 , 加到电极和割嘴之间 , 将电极和割嘴之间的空气 电离 , 形成等离子体通路 , 实现了引弧电路的目的 。 1.2 引弧电路控制
图 8 实验测得引弧电路的输出波形
4 结 语
本文针对传统的等离子切割电源中高频引弧电路 存在的缺陷进行了分析 , 提出了一种优化的引弧电路 , 并对其引弧控制采用了 DSP控制 , 使其控制过程受干 扰小 , 控制简单 , 最后通过仿真和实验结果验证了该电 路的可行性 。
参考文献 :
3 实验结果研究
· 2·
图 4 基于 DSP控制的引弧控 制电路
等离子切割机的工作原理
等离子切割机的工作原理
等离子切割机是一种利用等离子体进行切割加工的设备。
它的工作原理基于等离子体的性质和作用。
首先，等离子体是一种高度激活的气体状态，其中的电子和离子以高速运动并相互碰撞。
这种碰撞会引起电子从原子中脱离，形成带电的离子和自由电子。
在等离子切割机中，首先需要使用高频电源产生高压放电。
高压放电会激活气体并使其转化为等离子体。
这时，气体中的电子会脱离原子并形成激活态。
接下来，利用等离子体的导电性质，通过切割枪向工件中引入等离子束。
切割枪通过等离子体中的电波场以及磁场进行控制，使得等离子束聚焦在一个小区域内。
等离子束的温度极高，能量极大，可以快速加热和熔化工件。
同时，切割枪还会向工件中喷射辅助气体，例如氧气或氮气。
辅助气体在等离子束中发生热化学反应，进一步加热和喷蚀工件。
这种热化学反应能够在切割过程中迅速溶解和蒸发切割区域的材料。
最后，利用切割枪的运动控制系统，将等离子束沿预定的路径在工件上进行移动，实现切割操作。
切割枪的速度和移动轨迹精确控制，可以实现复杂形状的切割。
总的来说，等离子切割机通过产生和控制等离子体，利用等离
子束的高温和高速能量进行切割加工。
它在金属、合金等材料的切割中具有高效率、高精度和灵活性的优势。
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图 5 半桥驱动波形及输出电压波形 Electric Welding Machine
· 57 ·
专题讨论
第 39 卷
流闭环传感器(IF1)检测到切割回路有一定电流后 关闭引弧 IGBT4，此时利用 IF1 电流采样信号通过 DSP 控制半桥 IGBT2、IGBT3 的导通来实现电流 30～ 120 A 的恒电流切割。该产品配数控切割机在电流 100 A、速度 1 500 mm／min 条件下切割 10 mm 厚的 普通碳钢样品如图 6 所示，从图中可看到样品切割 面光滑，挂渣极少。切割电流经过 IF1 采样波形如 图 7 所示，从图 7 可知切割电流稳定。
管，驱动电路复杂；而半桥电路由于只用两只开关
管，没有同时通断的问题，且其抗不平衡能力强，也
就是说对占空比的要求不是很高，所以驱动电路相
对于全桥就简单很多。另外由于采用了 APFC 电路，
该主电路不随电网电压变化而能稳定产生 720 V
直流高压，降低了对主电路 IGBT 电流的要求，所以
研制的等离子切割机采用半桥拓扑，选取 1 200 V、
Uff (Rff1、Rff2、Rff3、Cff1、Cff2)、电 压 误 差 放 大 器 的 输 出 端 Ua(Rvc、Rvf、Cvf)。电压环稳定输出电压：通过检测整流
后的输入电流 Iac 与输出直流电压 Us(Rvd 上分压)来
实时调整 IGBT1 的占空比，以获得稳定的输出电压。
采样到的电感电流 Is 与乘法器的输出进行比较后，
数
Key words：non-HF pilot arc；Boost PFC；IGBT half bridge inverter circuit；digital control
字
化
焊
0 前言
桥拓扑，而北京时代研制的非高频引弧逆变空气等 接
切割和焊接是金属行业的“裁缝”，目前国内 焊机公司大都同时生产切割机，由于逆变技术在焊 接产品上的应用日益成熟，电流 300 A 以下采用
由于采用了 DSP 数字化控制和相对简单的时 序，降低了气压以及割枪长度对引弧成功率的影 响，极大提高了切割机一次引弧成功率。该产品分别 在预设切割电流 30 A、75 A、120 A 和每种切割电 流引弧试验配全新电极、喷嘴情况下各做了 300 次 的引弧切割试验，试验结果表明产品的一次引弧成 功率在 300 次内大于 99％。另外产品在 0．65 MPa 压 缩空气下，20 m 长的切割枪仍能正常引弧切割。
︱
machine which based on boost PFC comes into being 720 V DC voltage．Through IGBT half-bridge main circuit，HF transformer，DSP control technology and bridge rectifier it outputs 30～120 A cutting current．There are some protective functions of over-voltage，low-
Electric Welding Machine ·55·
专题讨论
第 39 卷
图 1 等离子切割机主电路原理
1．1 Boost 升压功率因数校正(PFC)电路[1]
目前市场上销售的切割机功率前级一般都采
专
用二极管全桥整流方式，造成电网谐波污染，功率
题 因数下降，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干
讨
扰，导致电源的利用效率下降。随着微电子和电力
论 ︱
电子技术的飞速发展，用于功率因数校正(PFC)的专
︱ 用芯片已相当成熟。Unitrod 公司生产的 UC3854BN
逆 芯片，是一种工作于平均电流的升压型(boost)APFC
变 与 数
电路，其峰值开关电流近似等于输入电流，是目前 使用最广泛的 APFC 电路，内部电路主要由电压误
其高频分量进入电流误差放大器进行补偿、放大，其
电流放大器的输出再与锯齿波相比较决定 IGBT1
开关的占空比，使占空比的变化遵循正弦规律，从
而使电感电流能够跟随基准电流，提高功率因数。
等离子切割机在输入三相交流电源 380 V±20％
的情况下，经过升压电感 L1、IGBT1 和续流二极管 VD7， 在储能电容 C1、C2 两端得到恒定的 720 V 直流电压，
图 2 UC3854 的控制电路
压波动对切割质量的影响。三相 380 V 输入、实际切 割电流 120 A 条件下 boost 升压后的输出直流电压 波形如图 3 所示。从图 3 中可知，达到设计要求的输 出基本恒定的直流电压 720 V，输出纹波电压约为 18 V，纹波电压小于 2．5％，仪器实测功率因数 94％。
试验表明该等离子切割机具有可靠性高、电磁干扰小、一次引弧成功率高等特点。
关键词：非高频引弧；Boost 升压；IGBT 半桥逆变；数字化控制
中图分类号：TG483
文献标识码：A
文章编号：10 01－2303(2009)02－0055－04
Research on the inverter air plasma cutting machine of non-HF contact pilot arc
离子切割机采用了 boost 升压和半桥逆变拓扑，能 电
很好地克服电网波动对切割质量的影响，较好地
源 技
消除了负载对电网的高次谐波污染，同时采用了定
术
IGBT 逆变技术的切割机也越来越多。但是市场上
电流的非高频引弧技术，减少了引弧时对周边电子
常见的无论是用晶闸管或是 IGBT 逆变技术的国
设备的高频污染。
字 差放大器、电流误差放大器、乘法器、振荡器和触发
化 器等组成。
焊 接
UC3854BN 芯片设计的功率因数校正控制电路
电
如图 2 所示，IF 为电流互感器。乘法器是 UC3854BN
源 的核心，乘法器的输出控制着电流环路，通过控制
技
输入电流来得到一个较高的功率因数。它有三个输
术
入端：调整电流端 Iac(Rvac)、来自输入的前馈电压端
150 A 的 IGBT，减少了开关管数量，提高了整机的
可靠性，降低了成本。
逆变电源中高频变压器的选取直接影响到整
图 导率高、电阻率高、 求较严格的场所，同时对人体健康也产生一定危
高频损耗小、价格便宜等特点，考虑磁心饱和和窗
害。该等离子切割机采用了非高频引弧技术，其电路
输出引脚(GPIO)。
设计的 DSP 控制系统框图如图 4 所示。整机利
用 DSP 技术实现了对半桥 PWM 输出控制、非高频
引弧小电流输出、30～120 A 恒电流切割、过电压、
欠电压、过电流、过热和气压不足等保护功能。
3 非高频引弧
传统的高压高频引弧电路在引弧过程中产生 的高频高压震荡信号将会带来非常严重的电磁干 扰(EMI)，无法用于自动数控切割和对电磁干扰要
收 稿 日 期 ：2008－06－27；修 回 日 期 ：2008－09－16 作 者 简 介：丁 强(1977—)，男，浙江义乌人，工程师，硕士，
主要从事切割电源的研发工作。
1 主电路拓扑
研发成功的等离子切割机主电路原理如图 1 所示。二极管 VD1～VD6 组成三相整流桥，负温度系 数的热敏电阻 RT1 和继电器 K1 组成开机缓起动电 路，防止开机因电容瞬间短路引起的大电流冲击，电 感 L1、续流二极管 VD7、IGBT1 组成 boost 升压功率因 数校正电路，IGBT2、IGBT3 和高频变压器 T1 组成半 桥逆变器，二极管 VD8～VD11 组成全波整流电路，输 出滤波电感 L2、IGBT4 和切割枪组成非高频引弧电 路，IF0 为过电流检测的电流传感器、IF1 和 IF2 分别为 切割和引弧时电流采样用的闭环霍尔电流传感器。
120 A 范围内连续可调。整机原理上采用 Boost 升压功率因数校正技术将整流后的电网电压提高为 720 V 的
稳定直流高压，然后通过 IGBT 半桥逆变主电路、高频变压器和桥式整流得到相应的切割直流电压。采用 DSP
数字化控制技术实现了半桥 PWM 控制、非高频引弧以及整机的过电压、欠电压、过电流、过热等功能。
图 3 Boost 升压后直流电压波形
1．2 IGBT 半桥逆变电路
有效抑制了由于电网电压波动造成整流后直流电
切割机中通常采用的全桥电路有四只开关管，
·56· Electric Welding Machine
专题讨论
丁 强等：非高频引弧逆变空气等离子切割机的研究
第2期
需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关
题 讨
信号，在 DSP 内部通过软件来输出 PWM 信号驱动
论
半桥 IGBT2、IGBT3 和引弧 IGBT4 导通以维持低电
︱
流空气等离子弧状态。引弧时的半桥驱动 PWM 波
︱
形和输出电压波形如图 5 所示，半桥驱动波形带死
逆 变
区控制，两路互补，同时输出电压波形较稳定。
与
2 DSP 数字化控制
随着电源数字化技术的不断成熟，越来越多的
专
DING Qiang，MIAO Ze-ceng，BAO Yun-jie
题
( Beijing Time Technologies Co．，Ltd．，Beijng 100085，China)
讨
论
Abstract：This paper introduces an air plasma arc cutting machine of non-HF contact pilot arc with low starting current．This
N1＝
U1·ton 2·B·Ae