电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其包括一级调制单元及与该一级调制单元相连接的二级调制单元，所述一级调制单元包括依次连接的全桥逆变电路、高频变压电路和次级整流滤波电路，所述二级调制单元包括均流斩波电路；本发明电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源采用逆变式和斩波式脉冲电源相结合，完成两级调制的数控脉冲调频电源，前级采用逆变式结构，后级采用斩波式结构。该脉冲电源不仅能实现对输出脉冲幅值、频率、占空比、波形的调节，以达到对不同加工条件的需求，适用于短电弧的各种加工条件，而且整机具有体积小、重量轻、效率高等优点，易于实现，成本低，利于广泛推广应用。
【专利说明】电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉冲调频电源【技术领域】，具体涉及一种电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源。
【背景技术】
[0002]短电弧切削加工技术对高强度、超硬材料的加工具有高效率、优质的表面加工质量等特性得到了广泛的应用。目前短电弧机床所使用的脉冲加工电源的常用实现方式有斩波式和逆变式两种。斩波式脉冲电源输入级一般采用工频变压器降压，再整流滤波后经斩波电路变换成脉冲电流。该方案结构简单，成本较低，但输入级使用工频变压器，这大大增加了整机电源的体积、损耗，使得电源效率较低。而逆变式脉冲电源采用直流开关逆变技术，其中使用高频变压器使得整机体积、重量较小，效率以及功率因素大大提高，克服了斩波式脉冲电源中使用工频变压器的缺点。但是，逆变式脉冲电源也有不足之处，在许多生产过程中常常需要脉冲电源提供可调的脉冲频率、占空比、输出波形等参数以满足不同的加工条件，而逆变式脉冲电源则不能实现以上功能，它只能对脉冲幅值进行适当的调节。
【发明内容】
[0003]针对上述不足，本发明目的在于，提供一种高效、高功率因数、低直流纹波系数的脉冲输出，并且能对输出参数(频率、幅值、占空比、波形)进行连续调节，以达到对不同加工条件的需求，适用于短电弧的各种加工条件的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源。
[0004]本发明为实现上述目的，所提供的技术方案是:
[0005]一种电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其包括一级调制单元及与该一级调制单元相连接的二级调制单元，所述一级调制单元包括依次连接的全桥逆变电路、高频变压电路和次级整流滤波电路，所述二级调制单元包括均流斩波电路。
[0006]作为本发明的一种改进，所述全桥逆变电路包括由4个IGBT组成的桥式逆变电路和母线电压缓冲电容C2?C3，该母线电压缓冲电容C2?C3连接在所述桥式逆变电路的直流母线上形成一母线电压缓冲型缓冲电路。
[0007]作为本发明的一种改进，所述高频变压电路包括一高频变压器及一与该高频变压器相连，并能隔离该高频变压器初级的直流分量的电容C4。
[0008]作为本发明的一种改进，所述高频变压器的磁芯采用软磁铁氧体材料制成。
[0009]作为本发明的一种改进，所述次级整流滤波电路包括肖特二极管Dl?D2、稳流电感LI和大容量铝电解储能电容C5，所述肖特二极管Dl和肖特二极管D2分别与所述稳流电感LI 一端相连接,该稳流电感LI另一端与所述电容C5 —端相连接,该电容C5另一端与所述高频变压器相连接。
[0010]作为本发明的一种改进，所述均流斩波电路由四个相并联的MOSFET组成。
[0011]作为本发明的一种改进，其还包括三相不控整流模块，该三相不控整流模块与所述全桥逆变电路相连接。[0012]作为本发明的一种改进，其还包括与一级调制单元和二级调制单元相连接的驱动电路、控制板和单片机。
[0013]作为本发明的一种改进，所述单片机为16位高速单片机ARM7，所述控制板为移相集成控制芯片UC3879。
[0014]作为本发明的一种改进，其还包括输出电路、寄生电感Lr和续流二极管D3，所述寄生电感Lr 一端与输出电路的正极相连接，该输出电路的负极通过续流二极管D3与所述寄生电感Lr的另一端相连接。
[0015]作为本发明的一种改进，其还包括EMI滤波电路、输入软启动电路、风冷系统、辅助电源系统。
[0016]本发明的有益效果为:本发明电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源采用逆变式和斩波式脉冲电源相结合，完成两级调制的数控脉冲调频电源，前级采用逆变式结构，后级采用斩波式结构。该脉冲电源不仅能实现对输出脉冲幅值、频率、占空比、波形的调节，以达到对不同加工条件的需求，适用于短电弧的各种加工条件，而且整机具有体积小、重量轻、效率高等优点，易于实现，成本低，利于广泛推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明的功能结构框图。
[0018]图2为本发明的主电路拓扑。
[0019]图3为本发明的总体原理图。
【具体实施方式】
[0020]实施例:参见图1至图3，本实施例提供的一种电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其包括一级调制单元及与该一级调制单元相连接的二级调制单元，所述一级调制单元包括依次连接的全桥逆变电路、高频变压电路和次级整流滤波电路，所述二级调制单元包括均流斩波电路。
[0021]所述全桥逆变电路包括由4个IGBT组成的桥式逆变电路和母线电压缓冲电容C2?C3，该母线电压缓冲电容C2?C3连接在所述桥式逆变电路的直流母线上形成一母线电压缓冲型缓冲电路。Ql?Q4为四个IGBT组成的桥式逆变电路，将前级的高压直流电变换为正负对称的方波脉冲交流电。电路采用移相PWM控制方式，其基本原理是每个桥臂的两个开关管180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位，即移相角。通过调节此移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，在变压器副边得到占空比可调的正负半周对称的交流方波电压，达到调节输出电压的目的。全桥逆变结构采用ZVS PWM软开关变换技术，利用功率管寄生电容或外接电容与高频变压器原边漏感或外接电感的谐振来实现功率管的零电压通断，这样可有效消除开光管的电压应力，增加功率器件的使用寿命。C2、C3分别是前后桥臂的母线电压缓冲电容，它直接接于IGBT逆变器的直流母线上，构成母线电压缓冲型缓冲电路，能有效抑制由直流母线的寄生电感引起的尖峰电压，但没有直接转移IGBT开关应力的作用。
[0022]所述高频变压电路包括一高频变压器及一与该高频变压器相连，并能隔离该高频变压器初级的直流分量的电容C4。所述高频变压器的磁芯采用软磁铁氧体材料制成。该材料特点显著，具有饱和磁通密度高，剩余磁感应强度低，磁滞损耗和涡流损耗小等优点。另夕卜，高频变压器的磁饱和抑制也是变压器设计的一项重要内容，本电源选用两个ECO公司的800V20uF电解电容并联后串于变压器初级绕组上，以抑制电压器的偏磁现象，试验证明效果明显。高频变压器输出次级整流滤波电路采用全波整流，每路整流器件采用多个肖特二极管并联，其作用也是起到分流，降低单个二极管的载流能力，提高输出功率。此处二极管并联分流与上一段提到MOSFET并联分流具有同样的问题，那就是均流的效果，电流分流不均衡将导致某个功率管过热损坏。因此，将功率管均匀分布于同一扇热板上，使其工作于同样的温度环境下，这样可达到较好的均流特性，对电源的性能也具有积极的作用。
[0023]参见图2，Tr是一高频变压器，完成电源前后级的隔离与变压功能。C4为隔直电流，由于逆变器输出两端伏秒值因各种原因不等而造成的变压器偏磁现象，导致电源不能正常工作，C4可以隔离变压器初级的直流分量，从而有效避免变压器的偏磁现象。
[0024]所述次级整流滤波电路包括肖特二极管Dl?D2、稳流电感LI和大容量铝电解储能电容C5，所述肖特二极管Dl和肖特二极管D2分别与所述稳流电感LI 一端相连接，该稳流电感LI另一端与所述电容C5 —端相连接，该电容C5另一端与所述高频变压器相连接。
[0025]参见图2，Dl、D2为二次整流肖特二极管，由它组成次级整流滤波电路，由于输出回路的大电流特性，整流二极管采用多个并联，起到均流的作用，从而提高脉冲电源的输出功率。L1、C5分别是稳流电感和大容量铝电解储能电容，它们既可以起到平缓电流的作用，也可以为斩波电路提供持续的供电能力。
[0026]所述均流斩波电路由四个相并联的MOSFET组成。
[0027]参见图2，Tl?T4为四个场效应管MOSFET并联组成的均流斩波电路，该均流斩波电路功能是提供频率、占空比可调脉冲电流。并联作用同肖特二极管相同，并联均流以减少单个二极管的载流量，提高电源输出功率。
[0028]该模块功能是提供频率、占空比可调脉冲电流。并联作用同肖特基快恢复二级管相同，并联均流以减少单个二极管的载流量，提高电源输出功率。
[0029]本实施例中，电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源还包括三相不控整流模块，该三相不控整流模块与所述全桥逆变电路相连接。
[0030]参见图2，ZL表示三相不控整流，Cl为高耐压、大容量铝电解滤波电容，它们组成输入级整流滤波电路，将三相380V交流电变换为514V左右的平滑高压直流电。该整理电路结构简单，且具有直流侧输出纹波电流小等优点。
[0031]本实施例中，电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源还包括与一级调制单元和二级调制单元相连接的驱动电路、控制板和单片机。所述单片机为16位高速单片机ARM7，所述控制板为移相集成控制芯片UC3879。该移相集成控制芯片UC3879主要产生四路图腾柱全桥驱动信号，并完成对放电回路的保护，以及对输出电压的恒压闭环控制。单片机用于完成后级斩波驱动信号的输出，并实现人机接口通讯。驱动电路主要功能是完成对驱动信号的功率放大以达到大功率开关器件的驱动阀值信号。
[0032]本实施例中，电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源还包括输出电路、寄生电感Lr和续流二极管D3，所述寄生电感Lr 一端与输出电路的正极相连接，该输出电路的负极通过续流二极管D3与所述寄生电感Lr的另一端相连接。
[0033]参见图2，Lr和D3分别为负载和线缆的寄生电感和回路的续流二极管。由于回路和负载寄生电感Lr的存在，在一个放电脉冲结束时，放电回路任有寄生电感为负载放电，D3的作用则是为放电回路提供放电通道，避免并联场效应管承受额外电流而损坏。
[0034]本实施例中，电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源还包括EMI滤波电路、输入软启动电路、风冷系统、辅助电源系统。
[0035]一级调制单元相当于一稳压直流电源，完成的功能是为二级级调制单元提供稳定的可调直流电压。其实，该直流电压也可以直接通过工频变压器获得，但是工频变压器效率较低，输出直流纹波大，而通过DC/DC开关变换器代替工频变压器可有效地避免以上的缺点。二级级调制单元是一均流斩波电路，采用多个MOS管并联组成，完成的功能是对负载提供持续的电流脉冲，并且可连续调节脉冲的频率及占空比。DC/DC变换器也可以为负载提供电流脉冲，但是由该变换器直接提供的电流脉冲具有固定的频率和占空比，不能完成本脉冲电源所需的功能。故本电源采用两级调制电路结构，既能完成电源的多参数输出功能，又能实现电源的高效，节能。DC/DC变换器主电路拓扑采用全桥变换结构，该结构输出功率是半桥结构的两倍，是大功率开关电源的首选结构。全桥结构中的功率变换器件采用绝缘栅极双极性晶体管IGBT，该器件具有开关速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好、载流量大、阻断电压高等诸多优点，是作为大功率DC/DC变换器的首选开关器件。DC/DC变换器的直流电压来自于三相不控整流，采用三相不控整流模块对电网三相电整流滤波得到。该整流方式简单方便，并且输出直流纹波低。
[0036]本发明电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源实现具体功能如下:
[0037](I)电源对输出脉冲频率调节范围50HZ-20KHZ ；
[0038](2)脉冲电压幅值调节范围3-36V ；
[0039](3)脉冲占空比调节范围0-90% ；
[0040](4)脉冲电源输出电流峰值可达3000A，瞬时功率高达120KW ；
[0041](5)该电源具备稳压、稳流两种输出模式，可任意切换；
[0042](6)电源具有过压、欠压、缺相、模块故障、超温、输出过压、输出短路、故障显示等保护电路，对电源起到实时的保护。
[0043]参见图3，本发明电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源的具体工作流程如下:
[0044]三相380V经输入电感L、空气开关ZK后送入三相不控整流器ZL，输入电感L防止电源启动是的浪涌电流冲击。输入其中一输入火线上的LH为交流互感器，它是利用电磁感应原理来测量输入平均电压。EMI为输入电网滤波，一方面防止电网电压浪涌对电源的损害，另一方面亦阻止电源对电网造成的污染。
[0045]三相不控整流器右侧有限流电阻R、线圈KM以及触发板，它们组成电源输入级软启动电路。其工作原理是:KM原态为断态，当空气开关ZK闭合电源接通，输出经限流电阻R送入后级，R防止浪涌电流。此后，触发板检测输入电压趋于稳定后，触发线圈KM，使其接通，将限流电阻R短路，以减小电源损耗。Cl为电容量铝电解电容，用于三相整流后的滤波，LI则为逆变电路输入稳流电感。
[0046]三相整流之后，由绝缘栅极双极性晶体管IGBT QU Q2、Q3、Q4组成的全桥逆变电路，将整流滤波之后的平滑直流电逆变为高频正负对称脉冲交流电，这部分为电源核心，其工作的好坏直接影响整机电源的性能。C2为IGBT的缓冲电容器，它直接接于IGBT逆变器的直流母线上，构成母线电压缓冲型的缓冲电路，它能有效抑制由直流母线的寄生电感引起的尖峰电压，但没有转移IGBT开关应力的作用。C3、C4为IGBT寄生电容或外接电容，它与高频变压器原边寄生电感或外接电感的谐振作用可实现移相控制ZVS PWM全桥变换器。
[0047]Tr为高频变压器，它将全桥逆变出的高压脉冲方波降压为所需的低压电，并起到前后级隔离的作用。C5、C6为隔直电流，防止变压器偏磁现象。Ml为一线圈，利用电磁感应原理将电流取样后，经采样电阻Rg转换为电压信号，送入过流保护电路以保证电源的过载损坏。
[0048]此后，由D1、D2组成的次级整流滤波电路将低压脉冲交流转换为脉冲直流。C7为大容量铝电解电容，它将脉冲直流电存储，为后级斩波电路提供功率源，L2为稳流电感。
[0049]霍尔电压传感器并联于次级整流滤波输出端，一方面检测电源输出电压，用于输出电压显示；另一方面用于恒压输出的闭环控制。霍尔电流传感器串联与次级整流滤波输出端，检测输出电流的大小用于输出电流显示，同时也用于恒流输出的闭环控制。
[0050]之后，由Tl、T2、T3、T4组成的均流斩波电路，采用高频、大电流功率器件M0SFET，完成电源的脉冲形成，属于电源的调频模块。D是输出电路的续流二极管，为放电脉冲结束后的负载电感续流之用，避免功率管的损坏。
[0051]接着是电源的控制及驱动部分，控制板提供全桥驱动信号，经驱动板驱动全桥开关器件，此外完成输出电压电流的双闭环控制及保护电路等。ARM板为后级斩波电路提供开关信号，经过渡板的光耦隔离后驱动后级开关管。ARM板和面板也实现人机交互，面板为用户提供输入按键和LED显示。通过按键可以改变电源输出脉冲的频率、幅值、占空比等参数，亦可通过LED显示这些参数的变化。
[0052]最后是整机电源辅助部分，图3中输入级有六个熔断器FU1-FU6，三相电经FU1-FU3后接入电源风扇，风扇起到功率管的散热作用。FU4-FU6接入辅助变压器输入端，为变压器过载提供保护。本电源辅助电源采用三个辅助变压器，分别为Trl、Tr2、Tr3。Trl两组输出端分别为控制板及全桥驱动板供电，Tr2为后级驱动板提供辅助电源，Tr3为过渡板、面板、ARM板提供电源。
[0053]本发明电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源采用逆变式和斩波式脉冲电源相结合，完成两级调制的数控脉冲调频电源，前级采用逆变式结构，后级采用斩波式结构。该脉冲电源不仅能实现对输出脉冲幅值、频率、占空比、波形的调节，以达到对不同加工条件的需求，适用于短电弧的各种加工条件，而且整机具有体积小、重量轻、效率高等优点，易于实现，成本低，利于广泛推广应用。
[0054]根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似结构而得到的其它电源，均在本发明保护范围内。
【权利要求】
1.一种电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，其包括一级调制单元及与该一级调制单元相连接的二级调制单元，所述一级调制单元包括依次连接的全桥逆变电路、高频变压电路和次级整流滤波电路，所述二级调制单元包括均流斩波电路。
2.根据权利要求1所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，所述全桥逆变电路包括由4个IGBT组成的桥式逆变电路和母线电压缓冲电容C2?C3，该母线电压缓冲电容C2?C3连接在所述桥式逆变电路的直流母线上形成一母线电压缓冲型缓冲电路。
3.根据权利要求1所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，所述高频变压电路包括一高频变压器及一与该高频变压器相连，并能隔离该高频变压器初级的直流分量的电容C4，所述高频变压器的磁芯采用软磁铁氧体材料制成。
4.根据权利要求3所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，所述次级整流滤波电路包括肖特二极管Dl?D2、稳流电感LI和大容量铝电解储能电容C5，所述肖特二极管Dl和肖特二极管D2分别与所述稳流电感LI 一端相连接，该稳流电感LI另一端与所述电容C5 —端相连接，该电容C5另一端与所述高频变压器相连接。
5.根据权利要求4所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，所述均流斩波电路由四个相并联的MOSFET组成。
6.根据权利要求1所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，其还包括三相不控整流模块，该三相不控整流模块与所述全桥逆变电路相连接。
7.根据权利要求1所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，其还包括与一级调制单元和二级调制单元相连接的驱动电路、控制板和单片机。
8.根据权利要求7所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，所述单片机为16位高速单片机ARM7，所述控制板为移相集成控制芯片UC3879。
9.根据权利要求1所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，其还包括输出电路、寄生电感Lr和续流二极管D3，所述寄生电感Lr 一端与输出电路的正极相连接，该输出电路的负极通过续流二极管D3与所述寄生电感Lr的另一端相连接。
10.根据权利要求1所述的电弧切削机床大功率数控脉冲调频电源，其特征在于，其还包括EMI滤波电路、输入软启动电路、风冷系统和辅助电源系统。
【文档编号】H02M9/06GK103973153SQ201310043216
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年2月5日 优先权日:2013年2月5日
【发明者】周建平, 梁楚华, 章翔峰, 何强, 姜宏, 许燕, 操窘 申请人:新疆大学