一种空气等离子切割电源引弧电路的研究_王寿福
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杨松一行先后深 入武汉市香港路 8号万科小区 , 详细察看光纤到户机房及设备运行管理 、光纤到户 接入设备 与技术 、光纤到户 服务与应用 , 还走进用户家中了解光纤到户的应用服务情况 。 杨松对武汉分公司利用光纤到 户在小区内实 现语音网 、宽带网 、电视 网合一服务 , 使用户享受到高带宽的互联网服务与电话 、电视服务的做法给予了肯定 。 在小区光纤应用 展示区 , 杨松看到 光纤到户 后的小区可实现 ITV、高清电视 、视频电话 、全球眼 、高带宽上网等多 项服务 后高兴 地指出 , 光纤 到户技 术先进 , 服 务空间大 , 为 “三 网合一 ”推进打下基础 , 武汉电信作为国有 大型电信运营企业 , 在这方面进行了积极探索 , 并取得可喜成就 。
[ 4] 朱敖正 .脉冲等离子弧焊机及控制电路研究 [ J] .电焊机 , 1999, 29(5):4-8.
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 。
本文研究的等离子切割电源是 基于 DSP控制的 数字化电源 , DSP对切割进行控制时 , 也做引弧控制 。
等离子切割机的工作过程是气 、电 、高频弧按一定 的逻辑关系协调工作的过程 。 逻辑工作过程是靠等离 子切割机内部的逻辑控制电路来控制的 , 因此逻辑控 制电路的控制能力 、电路的可靠性以及是否容易维修 等将影响等离子切割机的使用效果 [ 3, 4] 。 本文的控制 时序如图 3所示 。
关键词 :高频引弧 ;等离子切割 ;数字控制
中图分类号 :TN86
文献标识码 :A
StudyonaKindofArcIgnitionCircuitBasedonAirPlasma-CuttingPower
WANGSou-fu, HELiang-zhong, ZHUGuo-rong, DUANShan-xu (HuazhongUniversityofScience＆Technology, Wuhan430074, China)
摘要 :传统的高频引弧电路存在干扰严重 , 体积大 、效 率低等 缺点 。 文章 提出一 种以 NE555多 谐振荡 器为核 心的高
频引弧器 , 给出了该电路的引弧工作原理及参数设计方法 , 并通过对其输出电流信号和开关信号的检测 , 实现了 DSP对其
引弧过程的控制 , 最后对引弧电路进行仿真与实验 , 结果表明 , 引弧电路受干扰 大大减小 , 引弧能力强 , 安全可靠 。
图 2 高频引弧优化电路
图 1 传统高频引弧装置
利用工频变压器将电网电压升压来获得高压 , 起 弧时干扰特别大 , 而且升压变压器体积大 、损耗大 、效 率低 , 受电网电压波动影响[ 2] 。 因此在传统高频引弧 装置的基础上设计了一种基于 NE555 定时器的高频
收稿日期 :2008-06-20 作者简介 :王寿福 (1984-), 男 , 安徽安庆人 , 华中科技大学电子 与电力传动 , 硕士研究生 , 主要 研究方向 :多功能等离 子孤焊切 割电源 。
2008年 9月 25日第 25卷第 5期
文章编号 :1009-3664(2008)05-0001-03
TelecomPowerTechnology
Sep.25, 2008, Vol.25 No.5
研制开发
一种空气等离子切割电源引弧电路的研究
王寿福 , 何良宗 , 朱国荣 , 段善旭 (华中科技大学电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430074)
Keywords:highfrequencyarcignition;plasma-cutting;digitalcontrol
0 引 言
在工业生产中 , 等离子切割以其切割范围广 、效率 高等显著的优点而获得广泛的应用 。 在切割时 , 等离 子引弧需要通过高频高压电路 , 而引弧成功之后 , 维持 电弧就不需要了 , 可以说引弧电路设计的好坏在一定 程度上决定了切割质量 , 所以对等离子切割电源的高 频引弧电路和引弧控制的研究是很有必要的 [ 1] 。
引弧电路 , 并利用 DSP对引弧信号进行数字化 控制 , 用来克服以上的缺点 。 1.1 引弧电路工作原理
本文研究的高频引弧优化设计电路如图 2所示 , 主要由高漏抗升压变压器 T1 、输出耦合变压器 T2 、高 压充电电容 C和火花放电器 FD所组成 。
1 高频引弧电路设计
传统的高频引弧装置为高频高压信号 , 如图 1所 示。
图 3 控制时序图
当割炬上按钮开关被按下时 , 立刻开始供气 ;2 s
后起弧 , 提前通气和滞后关闭气体 , 其目的都是保护电 极不被氧化 , 起弧脉冲宽必须小于 3 s。为了防止高频 引弧装置因持续工作而造成损耗 , 并且切割需要的大 电流并非一次引弧就能成功 , 因此需要供电脉冲一直 存在 , 起弧脉冲按周期进行关断 , 直到大弧形成 , 给定 的切割电流建立起来 ;按钮开关抬起时 , 主电源电路立 刻停止供电 , 停止切割 。 15 s以后停止供气 (滞后停气 用于冷却割炬 ), 本次切割过程全部完毕 。
为了验证高频引弧电路产生高频高压信号的可行 性 , 通过以上方法设计搭建了引弧电路实验台架 , 其主 要参数为 :脉冲充电频率 , 即 MOSFET管 IRF840的驱 动频率 f=10 kHz, 变 压器 T1 为电 视机常 用的高 压 包 , 其 原 副 边 匝 比 为 2 5 0 ∶2 5 0 0 , 充 电 电 容 C=
[ 1] 黄石生 .弧焊电 源及其数 字化控 制 [ M] .北京 :机械 工业 出版社 , 2006.
[ 2] 魏继昆 , 谭 蓉 .用于 逆变 焊机 的几 种高 频引 弧器 设计 [ J] .电焊机 , 2004, 34(12):35-37.
[ 3] 雷 斌 , 刘雪 峰 .TIG焊程 控接 触引 弧 的实 现 [ J] .电焊 机 , 2002, 32(12):16-17.
图 4所示为本文的引弧控制电路 , 图 5为引弧子程 序流程 。当割炬上按钮开关合上后 , DSP通过检测 , 置 引弧控制信号为高电平 , 而此时的输出为空载状态 , 输 出电流的检测值为 零 。因 此图 4中的电 流检测通过 LM311比较器的输出为高电平 , 与非门的两个输入端都 为高电平 , 则使得其输出也为高电平 , 三极管 BD237导 通 , 使得图中 24 V的继电器工作 , 从而其常开开关 K1 开始闭合 , 即图 2中的 K1 闭合 , 使得图 2中电路开始引 弧工作 , 完成引弧工作 。 一旦引弧完成以后 , 输出电流 的检测值 Io使得比较器 LM311的输出为低电平 , 因此使 得三极管 DB237关断 , 继电器断开 , 其常开开关断开 , 切 断其引弧电路 , 停止工作 , 使引弧完成之后引弧电路关 断 。 引弧控制的子程序图如图 5所示 。
Abstract:Thetraditionalhigh-frequencyarcignitioncircuitshavethedisadvantageofseriousinterference, largevolumeand lowefficiency.ThispaperpresentsakindofhighfrequencyarcignitioncircuitbasedonNE555 andintroducestheworkprinciple andparameterdesignofthecircuit.Throughdetectingtheoutputcurrentandswitchingsignal, thecontrolofHFarcignition processisrealizedwithDSP.Finally, theavailabilityofthearcignitioncircuitisprovedbysimulationandexperiments.Theresultsshowthatthecircuitislargelyreducedandthecapacityissignificant.Moreover, thesystem isstableandsafe.
· 2·
图 4 基于 DSP控制的引弧控 制电路
图 5 引弧电路子程序流程
2 引弧电路的仿真
根据以上分析 , 本文所建立高频高压引弧电路仿 真模型如图 6所示 。 由高频引弧工作原理可知 , 它产 生高频高压的过程分为两级 , 第一级 :变压器 T1 的次 级端为 Ck充电 , 直到 Ck两端电压 UCk上升到火花放 电器 FD的击穿电压 ;第二级 :从 FD被 击穿开始 , Ck 和 Lk开始进行 LC衰减振荡 , 直至 Ck上电压降至不足 以维持 P继续导通 , 如果此时电弧仍未引燃 , 则重复 进行上述过程 。 由于引弧电路的核心就是用高频高压 的信号引燃电弧 , 因此第二级成为 本文研究的重 点 。 图 6中 Ck与 T2 的初级绕组原边漏感 Lk构成 LC振荡 电路 , 产生高频振荡 。 由于火花间隙己被击穿 , 故其电 阻很小 , 等效为 R3 ;R1 、R2 分别是 T1 初级绕组及振荡 回路上的等效电阻 。 P、f(u)和 Relay三个模块 共同 实现 了火 花放电 器 FD的实际 功能 。经 仿真 , 其输 出
由图 2可知 , 高频引弧电路是典型单端正激变换 器 , 其中开关管的驱动信号是由定时器 NE555构成的 受控多谐振荡器发出 。 当进行引弧实验时 , 引弧控制 电路的动作使得常开开关 K1 闭合 , 由电源板提供的 48 V直流电压加在引弧电路的输入端 , 当 NE555发出 信号触发 IRF840的栅极时 , MOSFET管 IRF840 的开 关作用通过变压器 T1 , 将平 稳的直流空载电 压 48 V 转化为高压 。 这个电压向电容 C单向充电 , 由于火花 放电器 FD两端之间有空气间隙 , 所以充电电容 C开 始充电时刻与后端无法形成回路 , 因此充电电容 C一 直充电 , 直到电容 C上的电压达到火花放电器 FD的
· 1·
Fra Baidu bibliotek
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
2008年 9月 25日第 25卷第 5期
电压波形如图 7所示 。
王寿福 等 : 一种空气等离子切割电源 引弧电路的研究
Telecom PowerTechnology Sep.25, 2008, Vol.25 No.5
2 200 pF/30 kV, 耦合变压器 T2 的变比 1∶3, 进行了引 弧实验 , 测得 T2 副边的输出端电压波形如图 8所示 。 从图中可以看出 , 其输出最高幅值可达 6 000 V, 为一 衰减的正弦波与仿真要求的特性相同 。在针对不同厚 度的钢板进行多次实现后 , 发现其引弧一次性成功率 在 90 %以上 , 具有较高的可靠性 。
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
[ 4] 朱敖正 .脉冲等离子弧焊机及控制电路研究 [ J] .电焊机 , 1999, 29(5):4-8.
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 。
本文研究的等离子切割电源是 基于 DSP控制的 数字化电源 , DSP对切割进行控制时 , 也做引弧控制 。
等离子切割机的工作过程是气 、电 、高频弧按一定 的逻辑关系协调工作的过程 。 逻辑工作过程是靠等离 子切割机内部的逻辑控制电路来控制的 , 因此逻辑控 制电路的控制能力 、电路的可靠性以及是否容易维修 等将影响等离子切割机的使用效果 [ 3, 4] 。 本文的控制 时序如图 3所示 。
关键词 :高频引弧 ;等离子切割 ;数字控制
中图分类号 :TN86
文献标识码 :A
StudyonaKindofArcIgnitionCircuitBasedonAirPlasma-CuttingPower
WANGSou-fu, HELiang-zhong, ZHUGuo-rong, DUANShan-xu (HuazhongUniversityofScience＆Technology, Wuhan430074, China)
摘要 :传统的高频引弧电路存在干扰严重 , 体积大 、效 率低等 缺点 。 文章 提出一 种以 NE555多 谐振荡 器为核 心的高
频引弧器 , 给出了该电路的引弧工作原理及参数设计方法 , 并通过对其输出电流信号和开关信号的检测 , 实现了 DSP对其
引弧过程的控制 , 最后对引弧电路进行仿真与实验 , 结果表明 , 引弧电路受干扰 大大减小 , 引弧能力强 , 安全可靠 。
图 2 高频引弧优化电路
图 1 传统高频引弧装置
利用工频变压器将电网电压升压来获得高压 , 起 弧时干扰特别大 , 而且升压变压器体积大 、损耗大 、效 率低 , 受电网电压波动影响[ 2] 。 因此在传统高频引弧 装置的基础上设计了一种基于 NE555 定时器的高频
收稿日期 :2008-06-20 作者简介 :王寿福 (1984-), 男 , 安徽安庆人 , 华中科技大学电子 与电力传动 , 硕士研究生 , 主要 研究方向 :多功能等离 子孤焊切 割电源 。
2008年 9月 25日第 25卷第 5期
文章编号 :1009-3664(2008)05-0001-03
TelecomPowerTechnology
Sep.25, 2008, Vol.25 No.5
研制开发
一种空气等离子切割电源引弧电路的研究
王寿福 , 何良宗 , 朱国荣 , 段善旭 (华中科技大学电气与电子工程学院 , 湖北 武汉 430074)
Keywords:highfrequencyarcignition;plasma-cutting;digitalcontrol
0 引 言
在工业生产中 , 等离子切割以其切割范围广 、效率 高等显著的优点而获得广泛的应用 。 在切割时 , 等离 子引弧需要通过高频高压电路 , 而引弧成功之后 , 维持 电弧就不需要了 , 可以说引弧电路设计的好坏在一定 程度上决定了切割质量 , 所以对等离子切割电源的高 频引弧电路和引弧控制的研究是很有必要的 [ 1] 。
引弧电路 , 并利用 DSP对引弧信号进行数字化 控制 , 用来克服以上的缺点 。 1.1 引弧电路工作原理
本文研究的高频引弧优化设计电路如图 2所示 , 主要由高漏抗升压变压器 T1 、输出耦合变压器 T2 、高 压充电电容 C和火花放电器 FD所组成 。
1 高频引弧电路设计
传统的高频引弧装置为高频高压信号 , 如图 1所 示。
图 3 控制时序图
当割炬上按钮开关被按下时 , 立刻开始供气 ;2 s
后起弧 , 提前通气和滞后关闭气体 , 其目的都是保护电 极不被氧化 , 起弧脉冲宽必须小于 3 s。为了防止高频 引弧装置因持续工作而造成损耗 , 并且切割需要的大 电流并非一次引弧就能成功 , 因此需要供电脉冲一直 存在 , 起弧脉冲按周期进行关断 , 直到大弧形成 , 给定 的切割电流建立起来 ;按钮开关抬起时 , 主电源电路立 刻停止供电 , 停止切割 。 15 s以后停止供气 (滞后停气 用于冷却割炬 ), 本次切割过程全部完毕 。
为了验证高频引弧电路产生高频高压信号的可行 性 , 通过以上方法设计搭建了引弧电路实验台架 , 其主 要参数为 :脉冲充电频率 , 即 MOSFET管 IRF840的驱 动频率 f=10 kHz, 变 压器 T1 为电 视机常 用的高 压 包 , 其 原 副 边 匝 比 为 2 5 0 ∶2 5 0 0 , 充 电 电 容 C=
[ 1] 黄石生 .弧焊电 源及其数 字化控 制 [ M] .北京 :机械 工业 出版社 , 2006.
[ 2] 魏继昆 , 谭 蓉 .用于 逆变 焊机 的几 种高 频引 弧器 设计 [ J] .电焊机 , 2004, 34(12):35-37.
[ 3] 雷 斌 , 刘雪 峰 .TIG焊程 控接 触引 弧 的实 现 [ J] .电焊 机 , 2002, 32(12):16-17.
图 4所示为本文的引弧控制电路 , 图 5为引弧子程 序流程 。当割炬上按钮开关合上后 , DSP通过检测 , 置 引弧控制信号为高电平 , 而此时的输出为空载状态 , 输 出电流的检测值为 零 。因 此图 4中的电 流检测通过 LM311比较器的输出为高电平 , 与非门的两个输入端都 为高电平 , 则使得其输出也为高电平 , 三极管 BD237导 通 , 使得图中 24 V的继电器工作 , 从而其常开开关 K1 开始闭合 , 即图 2中的 K1 闭合 , 使得图 2中电路开始引 弧工作 , 完成引弧工作 。 一旦引弧完成以后 , 输出电流 的检测值 Io使得比较器 LM311的输出为低电平 , 因此使 得三极管 DB237关断 , 继电器断开 , 其常开开关断开 , 切 断其引弧电路 , 停止工作 , 使引弧完成之后引弧电路关 断 。 引弧控制的子程序图如图 5所示 。
Abstract:Thetraditionalhigh-frequencyarcignitioncircuitshavethedisadvantageofseriousinterference, largevolumeand lowefficiency.ThispaperpresentsakindofhighfrequencyarcignitioncircuitbasedonNE555 andintroducestheworkprinciple andparameterdesignofthecircuit.Throughdetectingtheoutputcurrentandswitchingsignal, thecontrolofHFarcignition processisrealizedwithDSP.Finally, theavailabilityofthearcignitioncircuitisprovedbysimulationandexperiments.Theresultsshowthatthecircuitislargelyreducedandthecapacityissignificant.Moreover, thesystem isstableandsafe.
· 2·
图 4 基于 DSP控制的引弧控 制电路
图 5 引弧电路子程序流程
2 引弧电路的仿真
根据以上分析 , 本文所建立高频高压引弧电路仿 真模型如图 6所示 。 由高频引弧工作原理可知 , 它产 生高频高压的过程分为两级 , 第一级 :变压器 T1 的次 级端为 Ck充电 , 直到 Ck两端电压 UCk上升到火花放 电器 FD的击穿电压 ;第二级 :从 FD被 击穿开始 , Ck 和 Lk开始进行 LC衰减振荡 , 直至 Ck上电压降至不足 以维持 P继续导通 , 如果此时电弧仍未引燃 , 则重复 进行上述过程 。 由于引弧电路的核心就是用高频高压 的信号引燃电弧 , 因此第二级成为 本文研究的重 点 。 图 6中 Ck与 T2 的初级绕组原边漏感 Lk构成 LC振荡 电路 , 产生高频振荡 。 由于火花间隙己被击穿 , 故其电 阻很小 , 等效为 R3 ;R1 、R2 分别是 T1 初级绕组及振荡 回路上的等效电阻 。 P、f(u)和 Relay三个模块 共同 实现 了火 花放电 器 FD的实际 功能 。经 仿真 , 其输 出
由图 2可知 , 高频引弧电路是典型单端正激变换 器 , 其中开关管的驱动信号是由定时器 NE555构成的 受控多谐振荡器发出 。 当进行引弧实验时 , 引弧控制 电路的动作使得常开开关 K1 闭合 , 由电源板提供的 48 V直流电压加在引弧电路的输入端 , 当 NE555发出 信号触发 IRF840的栅极时 , MOSFET管 IRF840 的开 关作用通过变压器 T1 , 将平 稳的直流空载电 压 48 V 转化为高压 。 这个电压向电容 C单向充电 , 由于火花 放电器 FD两端之间有空气间隙 , 所以充电电容 C开 始充电时刻与后端无法形成回路 , 因此充电电容 C一 直充电 , 直到电容 C上的电压达到火花放电器 FD的
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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
2008年 9月 25日第 25卷第 5期
电压波形如图 7所示 。
王寿福 等 : 一种空气等离子切割电源 引弧电路的研究
Telecom PowerTechnology Sep.25, 2008, Vol.25 No.5
2 200 pF/30 kV, 耦合变压器 T2 的变比 1∶3, 进行了引 弧实验 , 测得 T2 副边的输出端电压波形如图 8所示 。 从图中可以看出 , 其输出最高幅值可达 6 000 V, 为一 衰减的正弦波与仿真要求的特性相同 。在针对不同厚 度的钢板进行多次实现后 , 发现其引弧一次性成功率 在 90 %以上 , 具有较高的可靠性 。
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