逆變等離子切割機的制作方法

專利名稱：逆變等離子切割機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種逆變等離子切割機。
背景技術：
逆變等離子切割機都存在電能使用效率低的問題，效率一般不超過70%，其原因在于，目前逆變等離子切割機中存在的AC/DC變換器都是由橋式整流器與電容濾波器構成 的。由于大量濾波電容器的存在，使得整流二極管的導通角變得很窄，僅在交流電壓峰值附 近才能導通，致使交流電流產生嚴重失真且發生相位漂移，變成了尖峰脈沖。這種電流波形 中包含大量的諧波分量，經濾波后輸出的有用功功率就會顯著降低。再者，由于諧波的存在 對電網也會造成一定程度的污染。

實用新型內容本實用新型提供的一種逆變等離子切割機，在傳統等離子切割機基礎上增加一種 功率校正裝置，使得逆變等離子切割機的輸入電壓與電流相位同步、電流波形的畸變得到 改善，同時還可以抑制諧波，減小峰值電流和有效電流，最終提高功率能效，該逆變等離子 切割機還改善了散熱性能，提高了器件的使用壽命，保證了整機的穩定性和可靠性。為了達到上述目的，本實用新型提供一種逆變等離子切割機，包含電路連接的逆 變整流電路、引弧電路、控制電路和輔助電源電路，特別還包含一個功率校正電路；所述的功率校正電路的輸入端接入外部電源，輸出端電路連接到所述逆變整流電 路，該功率校正電路包含電路連接的初級整流電路和直流升壓電路；所述的初級整流電路中包含電路連接的EMI (電磁干擾)濾波電路和整流電路；所述的直流升壓電路中包含電路連接的升壓控制電路和升壓電路；EMI濾波電路主要濾除由電網進入切割機的各種干擾信號，并防止切割機內部電 路產生的高頻擾竄電網，或對其他設備和應用環境造成干擾；整流電路把通過接線端子輸入切割機的經過濾波的交流電壓轉換成直流電壓，升 壓控制電路輸出PWM(脈沖寬度調制)信號到升壓電路，通過PWM信號來調整升壓電路的關 斷時間，從而將整流電路輸出的直流電壓升壓為直流信號；所述的升壓控制電路對整個功 率校正電路進行過壓、欠壓、開環保護；所述的功率校正電路還包含防浪涌電路，用于防止開機瞬間的浪涌電流；所述的功率校正電路還包含分壓電路，用于檢測輸出的升壓直流電壓的變化，并 把分壓信號送給升壓控制電路，形成電壓反饋；所述的功率校正電路還包含分流電路，用于檢測輸出電流變換，并將分流信號送 給升壓控制電路，形成電流反饋；所述的功率校正電路還包含補償電路，用于反饋匹配各種負載條件；所述的逆變整流電路包含電路連接的單端正激逆變電路和半波整流電路；[0016]在逆變電路中，單端正激逆變電路把功率校正電路中輸出的直流信號逆變成方波 直流信號，并可實現電壓的箝位，半波整流電路將經過升壓后的方波直流信號轉換成直流 信號；所述的引弧電路連接所述的逆變整流電路的輸出端，完成切割過程； 所述的控制電路分別電路連接所述的功率校正電路、逆變整流電路和引弧電路， 控制整個切割機的工作；所述的輔助電源電路分別電路連接所述的功率校正電路、逆變整流電路、引弧電 路和控制電路，為上述電路提供電源；所述的逆變等離子切割機還包含一控制面板電路，其分別電路連接上述的功率校 正電路、逆變整流電路、引弧電路、控制電路和輔助電源電路，該控制面板電路用于輸入各 種指令，并顯示工作狀態。所述的逆變等離子切割機的內部結構上，采用風扇與主要功率器件及散熱器交叉 排列的方式；主要功率器件固定在散熱器上，后蓋上設置一后部風扇，印刷電路板設置在切割 機中部，在印刷電路板上設置一中部風扇，后部風扇、中部風扇和主要功率器件均處于同一 水平線上，后部風扇通過后蓋百葉窗抽外界空氣，中部風扇把內部熱量通過前蓋上的網狀 散熱孔及側面的百葉窗吹到切割機外面，這樣形成一個良好的水平風道，從而提高了內部 功率器件的使用壽命，保證了機器的穩定性及可靠性，進一步提高了整個機器的使用壽命。本實用新型使電能的使用效率可達到90%以上，對電網的污染可達到國家電網的 指標。由于采用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET) 功率開關管，大大縮小了切割機的重量和體積。本實用新型的優點是節能、環保、輕巧、使用 方便、采用寬電壓輸入(95 265V)，使等離子切割機可走進家庭。
圖1是本實用新型提供的一種逆變等離子切割機的結構示意圖；圖2是本實用新型提供的一種逆變等離子切割機的功率校正電路的電路圖；圖3是本實用新型提供的一種逆變等離子切割機的逆變整流電路的電路圖；圖4是本實用新型提供的一種逆變等離子切割機的輔助電源電路的電路圖；圖5是本實用新型提供的一種逆變等離子切割機的引弧電路的電路圖；圖6是本實用新型提供的一種逆變等離子切割機的控制電路的電路圖；圖7是本實用新型提供的一種逆變等離子切割機的操作面板的電路圖。
具體實施方式
以下根據圖1 圖7，具體說明本實用新型的較佳實施方式如圖1所示，本實用新型提供的一種逆變等離子切割機的內部器件具有特殊排布 結構，在整個機器的內部結構上采用風扇與主要功率器件及散熱器交叉排列的方式。主要 功率器件固定在散熱器上，后部風扇3固定在后蓋之上，通過后蓋上的百葉窗抽外界空氣 對第四散熱器4、第五散熱器5、第六散熱器6及電感2進行散熱，中部風扇7固定在印刷電 路板1上，對第八散熱器8、主變壓器9及輸出電感10進行散熱，并把散熱器、變壓器及電感產生的 熱量通過前蓋上的網狀散熱孔及上蓋側面的百葉窗吹到機器外面。后部風扇3、中部風扇7及第四散熱器4、第五散熱器5、第六散熱器6、第八散熱器8、電感2、輸出電感10及變壓器 9均處于同一水平線上。后部風扇3通過后蓋百葉窗抽外界空氣，中部風扇7把內部熱量通 過前蓋及側面百葉窗吹到外界，這樣形成一個良好的水平風道，從而提高了內部功率器件 的使用壽命，保證了機器的穩定性及可靠性，進一步提高了整個機器的使用壽命。另外，需 要散熱的功率器件在電位相同的情況下共用同一散熱器，減小了整機的體積。如圖2所示，為等離子切割機的功率校正電路，該電路主要包括 由電容CO、Cl、C2、C3、C5、C6，電阻Rl、R2，RV1，共模電感Li，繼電器K1，整流橋 BRGl組成的初級整流電路；由控制芯片U2 (型號ICE2PCS01)及其外圍電路，功率開關管Q3 (型號 SPW47N60C3)，快恢復二極管D34、D35、D39，電感L3 (圖1中電感2)、電解電容C023、C024組 成的直流升壓電路；在初級整流電路中，電容CO、Cl、C5、C6與共模電感Ll以及電阻Rl組成EMI (電 磁干擾)電路；整流橋BRGl把通過接線端子ACl、AC2輸入切割機的95⑴265V交流電壓轉換成 135⑴375V的直流電壓HT+、V0UT-，無極性電容C2、C3用于平滑轉換后的直流電壓信號。 繼電器Kl與功率電阻Rl用于防止開機瞬間的浪涌電流。在直流升壓電路中，電感L3與快恢復二極管D34、D35、D39及功率開關管Q3組成 升壓電路，升壓電路中，電感L3用于儲能。功率校正控制器U2及其外圍電路通過GATE腳輸出PWM信號到功率開關管Q3的柵 極，通過PWM信號來調整功率開關管Q3的開通時間，將135⑴375V直流電壓HT+、V0UT_升 壓到390V直流信號VOUT+、V0UT-。其中，電阻R036、R037、R038、R039、R040組成分壓器， 用于檢測輸出電壓V0UT+、V0UT-的變化，并把分壓信號送給控制芯片U2的VSENSE腳，形成 電壓反饋，另外U2還根據VSENSE腳電壓的變化對整個功率校正電路進行過壓、欠壓、開環 保護。分流電阻R045、R046、R047、R048、用于檢測輸出電流變換，并通過電阻R041把反饋 信號送給U2的ISENSE腳，ICOMP腳通過電容C025充放電對反饋電流進行平均，形成電流 反饋，同時對功率開關Q3進行過流保護。電阻R044，電容C026、C027構成補償網絡來反饋 匹配各種負載條件。電阻R042，R043用于設定輸出PWM信號的頻率。控制芯片U2由來自 圖4中的直流電壓信號VCC通過芯片的VCC腳供電，并經電容C029、C030濾波與緩沖。Jl 與J2外接電磁氣閥，控制電路(圖6)通過排針J8的GAS腳控制繼電器K2的線圈K2A，從 而控制繼電器K2觸點K2B的通斷，達到控制等離子切割機的氣路的目的。電阻R7及電容 C36組成繼電器K2的滅弧電路。如圖3所示，為等離子切割機逆變整流電路，主要包括由功率開關管Ql、Q2(型號SKW30N60HS)，快恢復二極管D14、D20，變壓器Tl (圖 1中變壓器9)組成的單端正激逆變電路；由快恢復二極管D36、D37、D38，電感L2 (圖1中電感10)組成的半波整流電路；在逆變電路中，功率管Q1、Q2及變壓器Tl主要用于把圖2中功率校正電路中輸出 的直流信號VOUT+、VOUT-逆變成65KHZ的方波直流信號。快恢復二極管用于電壓的箝位。 電阻R21與電容C22，電阻R27與電容C27分別組成RC吸收電路，對功率管Ql與Q2進行 保護，電容C4加在母線兩端對Ql、Q2進行保護。穩壓管D12、D13、D15，電阻R23、R25，電容C24及穩壓管D17、D18、D19，電阻R26、R30，電容C28分別組成保護網絡，用于抑制干擾信號 對Q1、Q2門極驅動信號的影響。驅動芯片IS02、I0S3將控制電路(圖6)中TO輸出，經電 阻R24、R28的PWM信號進行功率放大，再通過門極電阻R22、R29控制功率開關管Q1、Q2。來 自圖4中的直流電壓VI+、VI-，V2+、V2-通過R16、R40限流，給芯片I0S2、IS03提供電源。 電容C23、C25、C26、C29主要用于濾波與緩沖。在功率開關管Q1、Q2關斷時，高頻變壓器Tl 上電壓極性顛倒，快恢復二極管D14、D20導通，電壓被箝位。互感器T2主要用于感應流過 功率管Ql、Q2的電流。并把反饋信號通過排針J8的Mess_I (J8_6P)腳和J8_7P腳傳送給 控制電路(圖6)。在二次整流電路中，快恢復二極管D36、D37、D38組成半波整流電路，用于經將高頻變壓器Tl升壓后的方波信號轉換成直流信號。電感L2用于儲能與濾波。電阻R52、R53 用于建立空載電壓。安規電容C50、C51用于抑制高頻干擾。20腳排針底座J8用于大印刷 電路板與控制電路印刷電路板之間的信號連接。如圖4所示，為切割機的輔助電源電路，輔助電源電路主要用于對整個電路中的 控制芯片提供電源。控制芯片Ul (型號UC3842BN)及其外圍電路和變壓器T3構成單端反 激式開關電源電路，電阻R07、R08、R09用于給控制芯片Ul提供上電瞬間的啟動電壓。電阻 R014、R015、R033,電容C019、C020組成開關電源的反饋回路，電阻R013、R034采集電流信 號并反饋給控制芯片Ul的ISENSE腳，對功率開關管Q02(型號FQP4N90C)進行過流保護。 電阻R016、R017與電容C022組成RC振蕩，給控制芯片提供輸出PWM信號頻率基準、控制 芯片Ul的OUTPUT腳輸出PWM信號經柵極電阻ROll驅動功率開關管Q02工作。電阻R03、 R04,電容C014、快恢復二極管DOlO組成RCD吸收電路對功率管Q02進行保護。變壓器9_10 繞組經二極管D32整流后形成直流電壓Vf給控制芯片Ul提供電源。同時，9-10繞組經二 極管D9整流后形成直流電壓VCC，VCC通過排針J8的15腳給控制電路(圖6)中的芯片供 電。并經二極管D013后形成電壓VCCl給風扇FAN1、FAN2提供電源。1_2繞組及11-12繞 組經二極管D6、D8整流后形成直流電壓VI、V2，給圖3中驅動芯片IS02、IS03提供電源。 5-6繞組經二極管D30整流后輸出直流電壓V3，供給圖5中的光耦ISOl。如圖5所示為切割機引弧電路。光耦ISOl的1-2單元主要用于控制切割機的焊 槍開關，輸出GUN信號通過J8的19腳傳送給控制電路(圖6)。旁路電阻R43、R44與切割 槍一起構成引導弧回路，R43、R44的作用是限制引導弧電流，將引導弧限制在能夠順利引燃 切割弧的最低值，并且保證切割過程中切割弧的存在。光耦ISOl的3-4單元、7-8單元，根 據采集到電阻R43、R44的電壓信號進行一系列引弧控制。光耦ISOl的3_4單元在僅有引 導弧存在的情況下內部發光二極管導通。與光耦ISOl輸出端14相連的Ig被拉到V0UT-。 這樣就保證了引導弧電流大小的恒定，不受切割電流設定值Ig的影響。光耦ISOl的7-8 單元用于完成切割過程提起切割槍。在僅有引導弧存在的情況下，電容C54與放電電阻R51 形成計時器，并通過排針J8的J8_17P與控制電路(圖6)相連，完成一定時間后引導弧自 動熄滅的功能。保證切割過程的安全性。電壓V3通過限流電阻R46接到光耦ISOl的5-6 單元。電壓信號VCC通過兩個溫度開關與輸出端光耦的11-12連接。輸出0VER_H0T信號 給控制電路(圖6)，用于完成切割機的過熱保護。溫度開關ST、STl分別安裝在功率開關 Q2上的散熱器與高頻變壓器Tl上。電阻R3、R4、R5、R6，二極管D40通過20腳排針J8的 J8_1P、J8_2P與控制電路(圖6)相連，組成機器的過壓與欠壓保護。電阻R37、R38通過20腳排針J8的J8_9P、J8_14P腳與控制電路(圖6)相連，用于電流采樣。插座J_3通過7芯 排線與操作面板電路(圖7)相連，輸出指示信號及切割電流設定值的傳輸。如圖6所示，為等離子切割機的控制電路，該電路位于一小印刷電路板上，通過20 腳排針J8與大印刷電路板相連。在整個控制電路中，控制芯片TO(型號UC3845BDG)主要 用于輸出PWM信號驅動(圖3)逆變回路功率開關管Q1、Q2以及采集逆變電路的電流信號， 對功率管Ql、Q2進行過流保護。電阻R24、R30、R36、R37、R43及圖5中電阻R37、R38，電容 (14、(17、(18、二極管019，穩壓管012對來自(圖3)互感器T2感應出的電壓信號Mess_I 進行整流、濾波、分壓，并把感應電壓IF送給TO的ISENSE腳，對圖3中功率開關管Ql、Q2 進行過流保護。電阻R29、電容C13通過排針J8的C_PWM腳與圖5中電阻R39組成RC振 蕩，為圖3中的逆變回路提供逆變頻率基準。三極管Q11，電阻R35組成斜坡補償電路保證 輸出PWM信號穩定。三極管Q17用于控制芯片OUT腳PWM信號的輸出與關閉。芯片TO輸 出VREF基準電壓，用于RC振蕩的基準電壓。U7(型號MC33074DG)為內部包含4組運放的集成芯片。其中U7A單元根據排針 J8.1P腳電壓對切割機進行過壓保護。U7B單元根據排針J8_2P腳及0VER_H0T腳對切割機 進行欠壓與過熱保護。一旦過熱、過壓、欠壓任何一種情況發生，二極管D15的3腳就會輸 出幅值為VCC的高電平信號H0T_P0WER，并通過排針J8傳送給大印刷電路板，最終通過排線 J_3傳送給操作面板電路(圖7)，點亮故障指示D26燈。同時，二極管D14輸出高電平VCC， 關閉控制芯片U6輸出的PWM信號，把輸出電流給定值Igl拉到V0UT-，并通過J8_16P腳關 閉操作面板電路(圖7)上的切割指示燈D35。U7C單元為一電壓給隨器，把電流反饋信號 1:1的送給U7D的13腳。U7D單元為一 PI運算器，把電流給定信號Igl與電流反饋信號經 過一定的運算后經電阻R27送給控制芯片U6的COMP腳。芯片U6根據COMP腳電壓的變化 來改變輸出PWM信號的占空比。通過這一電流反饋系統達到切割機輸出電流的恒定。U5(型號NE556)主要用于控制引導弧電流的持續時間以及切割機滯后送氣的時 間。當切割槍開關合上時，U5的RESETl腳會產生一觸發信號。使556_0UT1輸出一定寬度 的高電平脈沖信號用來控制引導弧持續時間。脈沖高電平的寬度有控制芯片U5的1腳與 2腳外接的電阻R44、R45，電容C33來確定。當切割槍開關松開時⑴5的REST2腳會產生一 觸發信號，556_0UT2輸出一定寬度的高電平脈沖用來控制滯后送氣的時間，高電平脈沖信 號的寬度由U5的12腳與13腳外接電阻R60、R61及電容C29來確定。U4(型號⑶4093BM)內部包含四個與非門單元，通過4個與非門相互連接形成一 邏輯電路。在TO的556_0UT1輸出高電平期間。U4的U4_11P腳輸出低電平，保證了引導 弧電流期間有PWM信號的輸出，高電平信號過后TO的556_0UT1腳輸出低電平，關閉PWM信 號。由于在引導弧期間圖5中光耦ISOl的3-4單元導通，電流給定Ig被拉到V0UT-。高電 平脈沖信號使開關管Q12關斷，保證二極管Q9的2腳有電壓輸出。同時Igl有電壓輸出。 Q9的2腳電壓大小決定了引導弧電流的大小。U3(型號⑶40106BCM)內部包含6個非門單元，通過6個非門的相互連接形成一 觸發電路。用來控制U4的觸發信號RESETl。切割槍合上時圖5中光耦ISOl的1-2單元導 通。光耦ISOl輸出端的GUN腳變成高電平信號VCC。當GUN腳為高電平VCC時，三極管Q4 導通，圖3中送氣繼電器K2閉合，保證了在整個切割過程中氣體的存在。同時U3的U3_10P 腳輸出低電平，保證切割槍合上有PWM信號輸出。切割槍開關松開以后，由于U5的556_0UT2輸出一定寬度的高電平，切割槍松開以后三極管Q4繼續導通。送氣繼電器K2繼續閉合一段時間。這一過程完成滯后送氣。如圖7所示，為操作面板電路，主要有電位器R42及LED燈，電位器R42主要用來 調節切割機輸出電流的大小，綠色LEDD2用作電源指示，黃色LEDD35用來切割指示。紅色 LEDD26用來故障(過壓、欠壓、過熱)指示。所述的功率校正電路(圖2)、逆變及二次整流電路(圖3)、輔助電源電路(圖4)、 引弧電路(圖5)位于大印刷電路。控制電路(圖6)位于一小印刷電路板，與大印刷電路 板通過20針的排針連接。操作面板電路(圖7)位于另一小印刷電路板，與大印刷電路板 通過7芯排線連接。
權利要求一種逆變等離子切割機，包含電路連接的逆變整流電路、引弧電路、控制電路和輔助電源電路，其特征在于，該逆變等離子切割機還包含一個功率校正電路；所述的引弧電路連接所述的逆變整流電路的輸出端，完成切割過程；所述的控制電路分別電路連接所述的功率校正電路、逆變整流電路和引弧電路，控制整個切割機的工作；所述的輔助電源電路分別電路連接所述的功率校正電路、逆變整流電路、引弧電路和控制電路，為上述電路提供電源；所述的功率校正電路的輸入端接入外部電源，輸出端電路連接到所述逆變整流電路，該功率校正電路包含電路連接的初級整流電路和直流升壓電路；所述的初級整流電路中包含電路連接的EMI濾波電路和整流電路；所述的直流升壓電路中包含電路連接的升壓控制電路和升壓電路；整流電路把通過接線端子輸入切割機的交流電壓轉換成直流電壓，升壓控制電路輸出脈沖寬度調制信號到升壓電路，通過脈沖寬度調制信號來調整升壓電路功率管的開關時間，從而將整流電路輸出的低直流電壓升高為高壓直流信號，所述的升壓控制電路對整個功率校正電路進行過壓、欠壓、開環保護。
2.如權利要求1所述的逆變等離子切割機，其特征在于，所述的功率校正電路還包含 防浪涌電路，用于防止開機瞬間的浪涌電流。
3.如權利要求1所述的逆變等離子切割機，其特征在于，所述的功率校正電路還包含 分壓電路，用于檢測輸出的升壓直流電壓的變化，并把分壓信號送給升壓控制電路，形成電 壓反饋。
4.如權利要求1所述的逆變等離子切割機，其特征在于，所述的功率校正電路還包含 分流電路，用于檢測輸出電流變換，并將分流信號送給升壓控制電路，形成電流反饋。
5.如權利要求1所述的逆變等離子切割機，其特征在于，所述的功率校正電路還包含 補償電路，用于反饋匹配各種負載條件。
6.如權利要求1所述的逆變等離子切割機，其特征在于，所述的逆變整流電路包含電 路連接的單端正激逆變電路和半波整流電路；在逆變電路中，單端正激逆變電路把功率校正電路中輸出的直流信號逆變成方波直流 信號，并可實現電壓的箝位，半波整流電路將經過升壓后的方波直流信號轉換成直流信號。
7.如權利要求1所述的逆變等離子切割機，其特征在于，所述的逆變等離子切割機還 包含一控制面板電路，其分別電路連接功率校正電路、逆變整流電路、引弧電路、控制電路 和輔助電源電路，該控制面板電路用于輸入各種指令，并顯示工作狀態。
8.如權利要求1所述的逆變等離子切割機，其特征在于，所述的逆變等離子切割機的 內部結構上，采用風扇與主要功率器件及散熱器交叉排列的方式主要功率器件固定在散 熱器上，后蓋上設置一后部風扇，印刷電路板設置在切割機中部，在印刷電路板上設置一中 部風扇，后部風扇、中部風扇和主要功率器件均處于同一水平線上，后部風扇通過后蓋百葉 窗抽外界空氣，中部風扇把內部熱量通過前蓋上的網狀散熱孔及側面的百葉窗吹到切割機 外面，這樣形成一個良好的水平風道，提高了內部功率器件的使用壽命，保證了機器的穩定 性及可靠性。
9.如權利要求8所述的逆變等離子切割機，其特征在于，需要散熱的功率器件在電位 相同的情況下共用同一散熱器。
專利摘要本實用新型提供的一種逆變等離子切割機，在傳統等離子切割機基礎上增加一種功率校正裝置，使得逆變等離子切割機的輸入電壓與電流相位同步、電流波形的畸變得到改善，同時還可以抑制諧波，減小峰值電流和有效電流，最終提高功率能效，該逆變等離子切割機將主要功率器件固定在散熱器上，后蓋上設置一后部風扇，印刷電路板設置在切割機中部，在印刷電路板上設置一中部風扇，后部風扇、中部風扇和主要功率器件均處于同一水平線上，后部風扇通過后蓋百葉窗抽外界空氣，中部風扇把內部熱量通過前蓋上的網狀散熱孔及側面的百葉窗吹到切割機外面，從而形成一個良好的水平風道，改善了散熱性能，提高了器件的使用壽命，保證了整機的穩定性和可靠性。
文檔編號H02M1/42GK201592309SQ200920074190
公開日2010年9月29日 申請日期2009年6月30日 優先權日2009年6月30日
發明者劉記周, 徐德進, 沈靜, 胡成綽, 范曄平 申請人:上海廣為電器工具有限公司;上海廣為美線電源電器有限公司;上海廣為拓浦電源有限公司