一种空气等离子切割电源引弧电路的研究

通镌电海技术　２００８年９月２５日第２５卷第５期Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｐ．２５，２００８，Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．５　文章编号：１００９—３６６４（２００８）０５—０００１—０３　晦涤　譬　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）　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。　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　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａ　Ｋｉｎｄ　ｏｆ　Ａｒｃ　Ｉｇｎｉｔｉｏｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｉｒ　Ｐｌａｓｍａ－Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｐｏｗｅｒ　ＷＡＮＧ　Ｓｏｕ－ｆｕ，ＨＥ　Ｌｉａｎｇ－ｚｈｏｎｇ，ＺＨＵ　Ｇｕｏ—ｒｏｎｇ，ＤＵＡＮ　Ｓｈａｎ－ｘｕ　（Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｒｃ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｈａｖｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｌａｒｇｅ　ｖｏｌ—　ｕｍｅ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｒｃ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＮＥ５５５　ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｉ　ｏｆ　ＨＦ　ａｒｃ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ＤＳＰ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｃ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　１ａｒｇｅｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉＳ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｓａｆｅ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｒｃ　ｉｇｎｉｔｉｏｎ；ｐｌａｓｍａ－ｃｕｔｔｉｎｇ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏ１　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ｌ１］。　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Ｔ　、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。　虬　图２高频引弧优化电路　图１传统高频引弧装置　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Ｋ　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ｒｒ１，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　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　。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（１９８４一），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。　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　维普资讯 http://www.cqvip.com 通镶电凉梭】Ｉ：　２００８年９月２５日第２５卷第５期　Ｔｅｌｅｅｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｐ．２５，２００８，Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．５　的击穿电压时，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Ｔ　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　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　］。本文的控制　时序如图３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。　图４所示为本文的引弧控制电路，图５为引孤子程　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　Ｋ　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Ｌ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。　图４基于ＤＳＰ控制的引弧控制电路　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Ｔ　的次　级端为Ｃ　充电，直到Ｃ　两端电压Ｕｃ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　图５引弧电路子程序流程　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Ｔ：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；Ｒ　、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　维普资讯 http://www.cqvip.com

通缱电潦技术　王寿福等：一种空气等离子切割电源　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２００８年９月２５　Ｅｔ第２５卷第５期　引弧电路的研究　Ｓｅｐ．２５，２００８，Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．５　电压波形如图７所示。　２　２００　ｐＦ／３０　ｋＶ，耦合变压器　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９Ｏ　以上，具有较高的可靠性。　一　挚螂　挡车箱瑚耐　０　０　０　０　０　图６引弧电路仿真模型　……　Ｉ…　；…　……　一…　∥ｓ　图８实验测得引弧电路的输出波形　　＿４结语　｝　牌ｉ　　＾　．ｆｉ１　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：　图７引弧电路仿真波形　Ｅ１］　黄石生．弧焊电源及其数字化控制［Ｍ］．北京：机械工业　３实验结果研究　出版社，２００６．　Ｅ２］　魏继昆，谭蓉．用于逆变焊机的几种高频引弧器设计　为了验证高频引弧电路产生高频高压信号的可行　口］．电焊机，２００４，３４（１２）：３５—３７．　性，通过以上方法设计搭建了引弧电路实验台架，其主　［３］　雷　斌，刘雪峰．ＴＩＧ焊程控接触引弧的实现［Ｊ］．电焊　要参数为：脉冲充电频率，即ＭＯＳＦＥＴ管ＩＲＦ８４０的　机，２００２，３２（１２）：１６—１７．　驱动频率厂＝１０　ｋＨｚ，变压器ｒｒ１为电视机常用的高压　Ｉ－４］　朱敖正．脉冲等离子弧焊机及控制电路研究［Ｊ］．电焊机，　包，其原副边匝比为２　５　０：２　５　０　０，充电电容Ｃ＝　１９９９，２９（５）：４—８．　粥　疆藏善　武汉光纤到户工程覆盖用户２０万　日前，湖北副、武汉杨松，武汉常委、常务副袁善腊等，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，以引导，市场　动作，共赢的价值链有效推进。　杨松一行先后深入武汉市路８号万科小区，详细察看光纤到户机房及设备运行管理、光纤到户接人设备与技术、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。　武汉分公司是全国最早实现光纤到户商用服务的企业，目前，光纤到户工程已覆盖用户２０万。通过光纤到户，还提前实现了　武汉农村村通宽带目标。　（摘自：人民邮电报）　・３。