（电力电子与电力传动专业论文）等离子切割高性能电源系统的研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g 肼 y 18 0 5 0 ipl淄l i 1 u 。 r e s e a r c ho nh i g h - p e r f o r m a n c ep l a s m a c u t t i n gp o w e rs u p p l ys y s t e m a t h e s i si n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g 所jj i a n a d v i s e db y p r o f h el i g a o s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：焦缝已 日期： 丝f ! ：主：绰 摘要 电源是等离子切割的动力来源，电源变换技术是现代等离子切割设备中的核心技术之一， 研究高效高可靠性的等离子切割电源对于提高切割效率和质量具有重要意义。 本文设计了一种以两相并联带无源低损缓冲电路的b u c k 变换器为主电路的等离子切割电 源，尤其对无源低损缓冲电路的参数设计作了细致、深入的研究。在分析无源低损缓冲电路的 基础上，还对一种适用于大功率场合的耦合电感式无源无损缓冲电路进行了研究。详细分析了 该缓冲电路的各个工作模态，并对谐振元件参数作了优化设计。通过一台原理样机验证了理论 分析和设计方法的正确性。 等离子切割电源工作中的引弧是产生等离子弧的重要环节，本文详细分析了引弧电路的工 作原理和数学模型，讨论了产生高频振荡的条件，对引弧用高频振荡器进行了仿真建模，并给 出了引弧电路关键参数的设计原则。 针对等离子切割电源陡降外特性的特点，通过建立等离子切割电源主电路的小信号模型， 设计了满足其外特性要求的电流闭环控制系统，给山了控制参数的设计原则，并完成了单片机 控制系统、p w m 控制电路及驱动电路的设计。 结合主电路和电流闭环控制系统的设计参数，对其进行了仿真研究。在理论分析和仿真研 究的基础上，完成了一台3 0 k w 的等离子切割电源工程样机的研制，并进行了静态满负载烤机 实验和现场切割实验，测试了相关性能指标参数。实验结果表明，所研制的等离子切割电源效 率高、可靠性好，符合陡降外特性的要求。 关键词：等离子切割电源，无源低损，无源无损，高频引弧，b u c k 变换器，小信号模型 一 等离子切割高性能电源系统的研究 a b s t r a c t p o w e rs u p p l yi st h ep o w e rs o u r c eo fp l a s m ac u t t i n g ，p o w e rc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h e c o r et e c h n o l o g i e so fm o d e m p l a s m ac u t t i n ge q u i p m e n t s ，r e s e a c h i n gt h ep l a s m ac u t t i n gp o w e rs u p p l y h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h ec u t t i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t y ap l a s m ac u t t i n gp o w e rs u p p l yb a s e do nt w op a r a l l e lb u c kc o n v e r t e rw i t hp a s s i v el o wl o s s y s n u b b e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , e s p e c i a l l yt h ep a r a m e t e rd e s i g no ft h ep a s s i v el o wl o s s ys n u b b e ri s r e s e a r c h e di nd e t a i la n dd e e p l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep a s s i v el o wl o s s ys n u b b e r , t h i sp a p e r a l s or e s e a r c h sap a s s i v el o s s l e s ss n u b b e rw i t hc o u p l e d i n d u c t o ra p p l i c a b l et oh i g h - p o w e rs i t u a t i o n t h eo p e r a t i o np r o c e s so ft h es n u b b e ra n dt h eo p t i m i z a t i o no ft h er e s o n a n c ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d i n d e t a i l ap r o t o t y p ei sb u i l tt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h et h e o r ya n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d o l o g y a r ci g n i t i o ni sa ni m p o r t a n ts t e pt of o r mt h ep l a s m aa r cw h e nt h ep l a s m ac u t t i n gp o w e rs u p p l yi s w o r k i n g ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i cm o d l eo ft h ea r ci g n i t i o nc i r c u i t , d i s c u s s e st h er e a l i z ec o n d i t i o n so ft h eh i g hf r e q u e n c yo s c i l l a t o r a l s ot h es i m u l a t i o nm o d l eo f t h eh i g h f r e q u e n c yo s c i l l a t o rf o ra r ci g n i t i o ni sb u i l t ，a n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo fk e yp a r a m e t e r si sa n a l y z e d f o rt h ed r a m a t i cd e c r e a s i n ge x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a s m ac u t t i n gp o w e rs u p p l y , t h e c u r r e n tc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dt h r o u g hs m a l ls i g n a lm o d e lo ft h ep l a s m ac u t t i n g p o w e rs u p p l y , w h i c hi s i na c c o r d a n c ew i t ht h ee x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ed e s i g no fc o n t r o l p a r a m e t e r s ，m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e m ，p w mc o n t r o lc i r c u i t ，a n dd r i v ec i r c u i ta r er e s p e c t i v e l y a n a l y z e d c o m b i n e dw i t hd e s i g n e dp a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep l a s m ac u t t i n gp o w e rs u p p l y s y s t e mi sb u i l t b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，a3 0 k wp l a s m ac u t t i n gp o w e rs u p p l y p r o t o t y p ei s b u i l t t h es t a t i cf u l l - l o a da n dc u t t i n ge x p e r i m e n t sa r ef i n i s h e d ，a n dt h er e l e v a n t p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r et e s t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eb u i l tp r o t o t y p ep o s s e s s e s h i g he f f i c i e n c y , h i g hr e l i a b i l i t y a n dm e e t st h e r e q u i r e m e n t so fd r a m a t i cd e c r e a s i n g e x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：p l a s m ac u t t i n gp o w e rs u p p l y ，p a s s i v el o wl o s s y , p a s s i v el o s s l e s s ，h i g hf r e q u e n c ya r c i g n i t i o n ，b u c kc o n v e r t e r s m a l ls i g n a lm o d e l 第一章绪论。1 1 1 等离子切割概述1 1 2 等离子切割原理及对电源的要求i 1 2 1 等离子切割原理l 1 2 2 等离子切割对电源的要求i 1 3 等离子切割电源的发展及研究现状2 1 3 1 等离子切割电源的发展2 1 3 2 研究现状4 1 4 无源软开关技术在等离子切割电源中的应用5 1 5 本文的研究内容和意义6 1 5 1 本文的研究内容6 1 5 2 本文的研究意义6 第二章电源变换器主功率电路原理与设计7 2 1 引言一7 2 2 主电路拓扑结构的选择：8 2 3 输入电路的设计8 2 3 1 输入变压器设计8 2 3 2 输入整流滤波电路设计1 0 2 4 主开关管的选择l l 2 5 输出滤波电路设计1 2 2 5 1 滤波电感的设计一1 2 2 5 2 滤波电容的选择1 4 2 5 3 电阻的计算1 4 2 6 缓冲电路的设计1 5 2 6 1 无源低损缓冲电路的结构1 5 2 6 2 缓冲电路工作原理分析1 6 2 6 3 缓冲电路参数设计18 2 7 本章小结3 1 i i i 等离子切割高性能电源系统的研究 第三章耦合电感式无源无损缓冲电路的研究3 2 3 1 引言3 2 3 2 耦合电感式m v s 无源无损缓冲电路结构。3 3 3 3 缓冲电路工作原理分析3 4 3 4 缓冲电路实现软开关的条件3 9 3 5 缓冲电路参数优化设计3 9 3 5 1 缓冲电路设计原则与损耗模型3 9 3 5 2 缓冲电路参数优化设计。4 0 3 6 实验验证4 2 3 7 本章小结4 4 第四章高频引弧电路的研究4 5 4 1 引言4 5 4 2 引弧电路的工作原理4 5 4 3 引弧电路数学模型分析4 6 4 4 振荡回路参数分析4 8 4 4 1 振荡放电衰减系数6 4 8 4 4 2 振荡放电频率，一4 8 4 4 3 振荡放电电流电压幅值，m 和一4 9 4 5 引弧用高频振荡器的仿真4 9 4 6 引弧电路的设计5 0 4 6 1 工频升压变压器t l 的设计5 0 4 6 2 高频耦合变压器t 2 的设计5l 4 6 3 振荡电容的选择5 2 4 6 4 火花放电器及其间隙5 2 4 7 本章小结。5 2 第五章电源控制系统5 3 5 1 引言5 3 5 2 等离子切割电源的外特性分析5 3 5 3 控制系统分析与设计5 4 i v 6 3 实验波形分析6 8 6 4 样机效率测试7 l 6 5 电源外特性测试7 2 6 6 样机照片7 3 6 7 本章小结7 4 第七章结束语7 5 7 1 本文的主要工作7 5 7 2 进一步的工作展望7 5 参考文献7 7 致谢8 0 硕士期间发表论文、参与的科研项目及获得荣誉。8 l v 等离子切割高性能电源系统的研究 图表清单 图1 1 硅整流式等离子切割电源结构图2 图1 2 硅整流磁放大器式等离子切割电源3 图1 3 带平衡电抗器的晶闸管整流电源3 图1 4i g b t 斩波的等离子切割电源4 图1 5i g b t 全桥逆变式等离子切割电源4 图2 1 等离子切割电源的总体系统框图7 图2 2 等离子切割电源的主电路拓扑8 图2 3 带无源低损缓冲电路的b u c k 变换器1 5 图2 4 无源低损缓冲电路理论工作波形。1 6 图2 5 带无源低损缓冲电路的b u c k 变换器各模态等效电路17 图2 6 采用r c d 箝位的b u c k 变换器等效电路一1 8 图2 7q 关断时r c d 箝位电路等效电路1 8 图2 8 ( a ) 电容c l 充电等效电路1 9 图2 8 ( b ) 电容c l 充放电曲线1 9 图2 9 电容c l 放电等效电路2 0 图2 1 0i g b t 关断电压电流波形2 l 图2 1 l 损耗标幺值随参数c 2 c 。变化关系曲线2 4 图2 1 2 缓冲电感l a 。取不同值时功率管开通电压电流波形2 5 图2 1 3 ( a ) 缓冲电感充电等效电路2 6 图2 13 ( b ) 缓冲电感充电电流曲线2 6 图2 1 4 二极管关断时等效电路及波形2 8 图2 15r 3 = o 时二极管两端电压尖峰随c 3 c b a 变化关系曲线。2 8 图2 1 6c 。取不同值时a x 酗。随r n 变化的关系曲线2 9 图2 1 7r c 缓冲电路损耗、u m 。, u i 。及缓冲电阻最优值随c 。变化关系曲线3 0 图3 1 文献【9 】提出的带耦合电感的飞跨电容型无源无损缓冲电路3 2 图3 2 带耦合电感的m v s 无源无损缓冲的b u c k 变换器3 3 图3 3 耦合电感等效电路3 3 图3 4 耦合电感式无源无损缓冲电路理论工作波形3 4 图3 5 耦合电感式无源无损缓冲电路各模态等效电路3 5 v l 图3 6k c 值随x 变化关系曲线k e = f ( x ) 4 1 图3 7 硬开关管电压电流波形4 2 图3 8 耦合电感无源无损软开关主开关管q 电压电流波形4 3 图3 9 续流二极管d 、托。和矗肽实验波形。4 4 图3 1 0 效率对比曲线4 4 图4 1 引弧电路基本结构4 6 图4 2 引弧电路振荡过程电路模型4 6 图4 3 振荡放电过程中、地和i 波形。4 7 图4 4c o 与l 的关系曲线4 8 图4 5 引弧电路振荡器仿真模型4 9 图4 6 引弧电路高频输出仿真波形5 0 图4 7 本文采用的引弧电路。5 0 图5 1 电源外特性和电弧伏安特性曲线5 3 图5 2 两种不同陡降外特性电源稳定性比较5 3 图5 3 等离子切割电源电流闭环控制原理框图- 5 4 图5 4b u c k 变换器一5 5 图5 5b u c k 变换器开关元件平均变量等效电路。5 5 图5 6b u c k 变换器大信号平均模型。5 6 图5 7b u c k 变换器小信号电路模型。5 6 图5 8 控制系统框图一5 7 图5 9 未加补偿网络时系统开环幅相特性曲线5 7 图5 1 0 双极点双零点补偿网络及其对数频率特性曲线5 8 图5 1 l 补偿网络和补偿后开环幅相曲线6 0 图5 12 单片机控制电路结构框图：6 l 图5 1 3d a 转换电路6 2 图5 1 4 电流采样及p i d 控制电路6 3 图5 15s g 3 5 2 6 np w m 控制电路6 3 图5 1 6h c p l 3 1 2 0 光耦隔离驱动电路6 4 图6 1 硬开关和带无源低损缓冲电路时i g b t 开通瞬间电压电流仿真波形6 5 图6 2 硬开关和带无源低损缓冲电路时i g b t 关断瞬间电压电流仿真波形6 6 图6 3 硬开关和带无源低损缓冲电路时续流_ 二极管d 电压电流仿真波形。6 6 图6 4i g b t 驱动及各缓冲元件电压电流仿真波形6 7 v i i 等离子切割高性能电源系统的研究 图6 5 仅p i d 调节时电感电流起动仿真波形。6 8 图6 6p i d 与三极管共同调节时电感电流起动仿真波形。6 8 图6 7 不同负载时i g b t 驱动、集射极电压及二极管电压波形6 9 图6 8 空载及满载时i g b t 驱动、输出电压波形6 9 图6 9 硬开关时i g b t 开关瞬间电压电流波形7 0 图6 1 0 带缓冲电路时i g b t 开关瞬间电压电流波形6 9 图6 1 l 硬开关时幻波形7 0 图6 1 2 带缓冲电路时矗。、如波形7 1 0 图6 1 3u c 2 、u c 3 、矗舢。、幻波形( i o = 5 0 a ) 。7 1 图6 1 4 “鲷、i t 峨、u l 波形( i ：5 0 a ) 7 2 图6 1 5 满载时电感电流起动波形7 3 图6 1 6 电源启动空载。负载过程、乇波形。7 3 图6 1 7 样机效率曲线7 4 图6 1 8 电源外特性曲线7 4 图6 193 0 k w 等离子切割电源系统7 3 图6 2 03 0 k w 等离子切割电源功率板。7 4 图6 。213 0 k w 等离子切割电源控制板及分配板一7 4 表6 1 带缓冲电路时样机实验数据7 l 表6 2 硬开关时样机实验数据7 2 表6 3 电源外特性测试数据7 2 略写 g t r m o s f e t i g b t z v s z c s p w m m v s n o n m v s c c m 英文全称 g i a n tt r a n s i s t o r m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l dt r a n s i s t o r i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r z e r ov o l t a g es w i t c h i n g z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n m i n i m u mv o l t a g es t r e s s n o nm i n i m u mv o l t a g es t r e s s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e 二、基本符号及名称 基本符号 p n 研 l 仉 i d n a i 【 i u 。 五 彳c ，g r i ，r 2 ，r 3 d s i ，d s 2 名称 等离子切割电源额定输出功率 主变压器一次线电压有效值 主变压器一次绕组线电流 主变压器一次绕组匝数 三相整流桥迸线电压 整流桥额定电流 i g b t 关断尖峰电压 i g b t 额定电流 斩波器输入电压 斩波器开关频率 电感铁心磁路截面积 电感铁心气隙长度 缓冲电阻，p i d 控制器电阻 辅助二极管 中文名称 电力晶体管 功率场效应管 绝缘栅双极晶体管 零电压开关 零电流开关 脉宽调制 最小电压应力 非最小电压应力 连续导电模式 名称 主变压器视在功率 主变压器二次线电压有效值 主变压器二次绕组线电流 主变压器二次绕组匝数 整流桥输出电压 整流桥输出滤波电容 直流母线寄生电感引起的尖峰电 输出滤波电感 斩波器输出电压 电感铁心磁路窗口面积 电感绕组匝数 真空磁导率 缓冲电容，p i d 控制器电容 缓冲电感 i x 符 正 麟气也是m岛觇k氐帆 肌k 等离子切割高性能电源系统的研究 x 稳态切割时等效负载电阻 斩波器输出负载电流 i g b t 关断电压上升时间 缓冲电容c 2 中存储的能量 i g b t 栅极驱动信号 续流二极管电流 辅助电感电流 续流二极管反向恢复最大电流 续流二极管关断电压最大值 功率开关管i g b t 主续流二极管，占空比稳态值 耦合电感 谐振电容比值 q 关断时磁耦合电压 c o ，谐振角频率 谐振电容c r 电压 功率管q 电流最大值 关断缓冲电路工作时间 耦合电感匝比 谐振电容c ，最优值 漏感l i k 上限值 高频耦合输出变压器初级绕组 振荡放电衰减系数 振荡放电电流电压幅值 p i d 控制器直流增益 p i d 控制器第二零点角频率 p i d 控制器第二极点角频率 控制对象传递函数零点频率 母排寄生电感 i g b t 关断时电流下降时间 i g b t 关断损耗 i g b t 关断产生的总损耗 i g b t 集射极电压 i g b t 射极电流 电容c i 的电压 基准电容参数 缓冲电阻r 3 优化值 辅助二极管 耦合电感漏感 谐振缓冲电容 q 开通时磁耦合电压 谐振电容c 。电压 耦合电感漏感电流 电容c 。电压最大值 开通缓冲电路工作时间 最大占空比 功率管q 开通损耗 漏感l 毗下限值 引弧电路高压振荡电容 高频振荡回路振荡角频率 振荡放电频率 高频振荡回路等效电阻 经补偿后的开环截止频率 p i d 控制器第一零点角频率 p i d 控制器第一极点角频率 控制对象传递函数极点频率 k印盼如跚风缸机蛐一岫q厂r兀蚴嘞廓 耻k 矗 咏幻kq。x一地u h n岫h 6一k 她毒l 岛 第一章绪论 1 1 等离子切割概述 随着国内制造业在规模和技术上的进展及国家“以焊代铸”方针的贯彻，切割材料的总量不 断增加，对切割效率和切割质量的要求越来越剐1 1 。2 0 0 5 年，国内钢材消耗已超过3 亿吨，约 有4 0 的材料需要切割，则总量已超过1 2 亿吨，大部分使用等离子切割。等离子切割工艺是 以氩气、氮气或压缩空气作为等离子气源，利用高度压缩的等离子体电弧的高温加热作用和高 速离子流的机械冲刷作用切割工件，可以实现对有色金属、不锈钢及黑色金属的切割【2 ，3 1 。等离 子切割与激光切割相比，具有生产效率高、被切割材料的品种范围广、厚度大、成本低等优势： 与火焰切割相比，具有可实现无挂渣切割、明显减少了二次加工、热影响区较小等优势。该切 割工艺自2 0 世纪5 0 年代中期在美国研制成功以来，得到迅速发展，逐渐成为已可以与应用于 厚板( q s o m m ) 切割的火焰切割和薄板卜l m m ) 切割的激光切割相匹敌，等离子切割已越来越为人 们所重视并优先选择【4 j 。 1 2 等离子切割原理及对电源的要求 1 2 1 等离子切割原理 等离子切割的原理是：利用等离子弧的高温将待切割处的金属迅速熔化，同时借助高速等 离子流的巨大冲力把熔化了的金属吹除，从而形成切口并把工件割开，因此是一种利用电能的 熔融切割方法。等离子弧柱温度高，通常可达1 8 0 0 0 - - 2 4 0 0 0 k ，远远超过所有金属和非金属的熔 点，可以切割任何黑色和有色金属以及非金属材料，适用范围广1 5 。 1 2 2 等离子切割对电源的要求 等离子切割电源作为等离子切割机的核心，一般采用直流电源，根据等离子弧切割的需要， 对电源有以下基本要求1 5 , 6 l ： ( 1 ) 要求陡降外特性。等离子弧的静特性在小电流时为下降特性，一般常用电流范围内为 水平特性，大电流时为上升特性。这说明等离子弧是一个非线性负载。对呈现水平状静特性的 等离子电弧而言，平硬的电源外特性曲线和电弧的静特性曲线要么全部重合，要么没有交点。 因此，不是引不起电弧，就是造成电流极大，将电源烧毁。对于具有上升或下降状静特性的等 离子电弧来说，平硬的电源外特性曲线和电弧静特性曲线虽有一个交点，但只能是一个理论上 的工作点，在实际使用过程中或不能稳定工作，或仍满足不了工艺上的要求。此外，从工艺要 求上来进行分析：在进行等离子切割_ f ：艺时，等离子电弧的阳极斑点。将沿着j c 件的厚度或喷 等离子切割高性能电源系统的研究 嘴的孔道，上下频繁的游动，因此电弧长度也随着频繁地变化，弧长的变化将引起电流的变化， 平硬外特性电源电流变化最大，缓降的次之，具有陡降外特性的电源电流变化最小。 因此，等离子电弧要求电源具有一个陡降的外特性。目前，等离子电弧所采用的电源，绝 大多数均为具有陡降外特性的直流电源。 ( 2 ) 要求高的空载电压。一般焊接电源空载电压小于1 0 0 v ，但空气等离子切割电源要求 空载电压在1 8 0 v 以上，大厚度切割甚至要求高达4 0 0 v 以上。这是因为为了保证等离子弧有足 够压缩作用，以形成高温高速的焰流，有利于切割的穿透力和吹走熔渣，这就要求有较大的工 作气流，有较大焰流长度和较高的电场强度，这些都会使工作电压大大提高，工作电压提高必 然要求空载电压相应提高，而且空载电压高，有利于引弧和t 作稳定，提高切割质量。 ( 3 ) 引燃主电弧时电流上升不能太快。 1 3 等离子切割电源的发展及研究现状 1 3 1 等离子切割电源的发展 现代切割设备的发展与电力电子技术和器件的发展密切相关，等离子切割电源正是随着现 代电力电子技术的发展而发展起米的。随着技术的不断进步，等离子切割电源经历了三次技术 革新，按时间顺序分别为：硅整流式等离子切割电源、晶闸管整流式等离子切割电源、斩波式 及逆变式等离子切割电源。 自2 0 世纪7 0 年代后期，我国生产的l g - - 4 0 0 1 型等离子切割机才开始有专用的硅整流式等 离子切割电源【6 】。硅整流式等离子切割电源是在硅整流式直流弧焊电源的基础上发展起来的， 只是切割电源较弧焊电源空载电压高，而且外特性只采用下降外特性。它们都是以硅二极管为 整流元件，将交流电整流成直流电。 硅整流式等离子切割电源组成如图1 1 所示。三相交流电经变压器降压到空载电压后，经 交流电抗器控制外特性形状并调节切割t 艺参数，再由整流器把三相交流电整流成直流，经输 出电抗器滤波后供给切割电弧。 图1 1 硅整流式等离子切割电源结构图 硅整流式等离子切割电源按有无交流电抗器可分为有电抗器型、无电抗器型和混合型。图 1 2 是一种有电抗器型硅整流式空气等离子切割电源，其交流电抗器采用的是磁放大器。 2 、使用 整流式 电子电 路控制获得等离子弧切割所要求的外特性和输出工艺参数，而无需庞大的磁放大器，也就用不 着将主变压器设计成增强漏磁型，而且利用其控制特性还可对电网电压波动和环境温度变化进 行补偿，以确保其稳定的工艺性能。图1 3 是一种带平衡电抗器的品闸管整流电源。 图1 3 带平衡电抗器的晶闸管整流电源 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力电子技术的发展，产生了新一代高频化、全控型、采用 集成电路制造工艺的电力电子器件，如g t r 、m o s f e t 和i g b t 等【8 l 。由于新一代器件具有较 晶闸管开关速度更快，控制性能好等优点，而逐渐取代晶闸管广泛应用于等离子切割电源中。 这也标志着等离子切割电源进入了第三个发展阶段，即出现了斩波式等离子切割电源【9 1 0 1 和逆 变式等离子切割电源【1 1 小1 。 斩波式等离子切割电源工作过程是：三相交流电经t 频变压器降压后，整流滤波，再经斩 波器得到中频脉冲电，经l c 滤波后输出平稳的直流电流供给切割电弧。与以往的等离子切割 电源相比，斩波式具有结构简单、开关频率高、控制特性好、可靠性高的优点，其缺点是由于 采用工频变压器降压，体积重量较大。图1 4 是一种采用i g b t 作为主开关管的斩波式等离子 切割电源。 等离子切割高性能电源系统的研究 t 图1 4i g b t 斩波的等离子切割电源 逆变式等离子切割电源采用了高频逆变技术，淘汰了笨重的工频变压器，具有高效、节能、 体积小、重量轻等优点【6 i 。根据采用的功率管不同，逆变式等离子切割电源有可分为：晶闸管 逆变式，晶体管逆变式，场效应晶体管逆变式，绝缘栅双极晶体管逆交式。图1 5 是一种i g b t 全桥逆变式等离子切割电源。 a b c 一 婚墨咯i 2阳。2王助：2嘞 入g ， ， 。 一 _-_ 稆鼯。 z吼z胁，zl 门兔 - + l m ，2l h d lc 歹 、 吼2 屹， 图1 5 g b t 全桥逆变式等离子切割电源 然而逆变式等离子切割电源对功率器件要求高，控制电路复杂，制造技术要求高，故存在 可靠性低的问题。在逆变式切割电源工作时，若电网电压波动较大，输出电压波动也很大，若 输出空载电压过低则不容易很快引弧成功：若空载电压过高将对手工等离子切割存在安全性问 题，还会增加输出整流管的电压应力，而且空载时电源的最大占空比输出会使切割电源中的变 压器始终处于最大的正反向励磁过程中，这不仅加大了变压器损耗，降低了电源的效率，还会 造成变压器温度升高，最恶劣的情况，可能造成变压器饱和，导致逆变颠覆，损坏开关管。逆 变式等离子切割电源输出电流多为3 0 a 2 0 0 a 6 1 ，般应用在2 0 k w 以下的场合。2 0 k w 以上的 等离子切割电源一般采用斩波式或晶闸管逆变式，与后者相比，斩波式等离子切割电源具有控 制电路简单、开关频率高、控制特性好、可靠性高的优点，是当前大功率空气等离子切割电源 的主流。 1 3 2 研究现状 等离子切割最早是1 9 5 5 年美国林德( l i r d e ) 公司开始应用于铝合金的切割。此后，英、德、 日、前苏联等国家相继研制成功，并应用于不锈钢、铝、铜及其合金等材料的切割，但其初期 切割效果和经济指标均不高。直到6 0 年代后期德国的门斯菲尔德( m a n s f i e l d ) 公司研制出p a 系 列空气等离子切割电源，除了对电源改进外，还对割矩作了改进，以克服氧对电极的高温氧化 4 就出现 割电源 几乎遍地开花，大有取代氧乙炔火焰切割的趋势，这主要是因为这类切割电源具有使用方便、 投资少、效率高等优点。据统计，仅日本在1 9 8 6 年小型空气等离子切割电源总产量达2 万台i l 6 j 。 与此同时，欧美各国也大量投产，如美国的林肯( l i n c o l n ) 、米勒( m i l l e 0 、海宝( h y p e a h e r m ) ：德 国的梅萨格里斯海姆( m e s s e rg r i e s h e i m ) 、英国的林德( l i r d e ) ；瑞典的伊萨( e s a b ) 等公司都生产 各种小型空气等离子切割电源，空气等离子切割电源实现了真正的产品化和产业化。 在国内，自1 9 8 4 年在九江展出国产第一台等离子切割电源以来，该热切割技术也得到迅速 的发展。随后，清华大学，哈尔滨工业大学、华南理工大学和时代公司等单位相继推出了采用 各种开关元件的逆变式切割电源。国内生产系列等离子切割电源厂家规模较大的有唐山松下、 上海东升、林肯电气、时代集团、梅塞尔( 昆山) 、上海威特力、常州泛洋、凯尔达、天焊厂等。 1 4 无源软开关技术在等离子切割电源中的应用 现有的开关式等离子切割电源大多采用硬开关电路，以p w m 控制技术，使功率器件在电 流和电压不为零时被强迫开、关。由于电路中存在寄生电感和寄生电容，导通和关断时又是工 作在电压和电流不为零甚至较大值的状态，所以开关损耗大，且损耗随着频率的增大而增加， 大大降低了电路的效率，也使切割机的可靠性大大降低。另外，硬开关型切割电源中的功率器 件的d u d t 和d i d t 造成很大