本实用新型涉及切割机电源技术领域，具体涉及一种大功率等离子切割电源。
背景技术：
随着机械加工技术中“以焊代铸”趋势的加速，人们对等离子切割的关注目光已经不只局限于切割薄钢板和非铁金属，更多的是用它来满足高速度、高质量、低成本的加工制造业中用量最大的中厚碳钢板切割的需求。恰逢此时国际上水射流等离子切割技术、长寿命氧气等离子切割技术和精细等离子切割技术相继诞生并发展成熟，及时给予了数控空气等离子切割机制造商以技术上的有力支撑。外部市场的迫切需求，加上内在技术准备的日臻完善，促成了数控等离子切割技术在许多领域得到了广泛的应用，如其应用在汽车、机车、压力容器、化工机械、核工业、通用机械、工程机械、钢结构等各行各业。等离子切割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18000-24000K，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。
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，根据等离子弧的需要，对电源有以下基本要求：(1)具有陡降的外特性。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。对于等离子弧这种非线性负载，若采用平硬的恒压外特性曲线的电源，与等离子弧的水平状静特性曲线要么全部重合，要么没有交点，故不是引不起电弧，就是造成电流极大，将电源烧毁；与等离子弧上升或下降状静特性曲线虽有一个交点，但只是一个理论的工作点，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，在进行等离子切割工艺时，等离子电弧的阳极斑点，将沿着工件的厚度或喷嘴的孔道，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，具有陡降外特性的电源电流变化最小。(2)引燃主电弧时，电流上升不能太快。(3)要求高的空载电压。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，有利于引弧和工作稳定，提高切割质量。
逆变式等离子切割电源由于高频变压器分布参数作为谐振电路的一部分，变压器漏感参与谐振，漏感太大会限制变压器的输出功率，影响谐振频率以及增大开关管的电压应力，损坏半导体器件，因而存在返修率高，可靠性低的问题，一般应用在20kW以下的场合。
技术实现要素：
(一)解决的技术问题
本实用新型针对上述大功率等离子切割电源存在的缺陷问题，提供一种大功率等离子切割电源，采用工频变压器将电网的380VAC三相交流电经三相变压器隔离降压为两路三相200V交流电，再经三相桥整流和电容滤波为直流电供给斩波器，斩波器为两个Buck变换器模块并联，斩波器将直流电切换成15.5kHz的高频脉冲电，经输出滤波后输出平稳的直流电流供给切割电弧；具有控制电路简单、开关频率高、控制特性好、可靠性高、成本低的优点，是当前大功率空气等离子切割电源的理想选择。
(二)技术方案
为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：
一种大功率等离子切割电源，包括降压变压器、第一整流器、第二整流器、第一斩波器、第二斩波器、输出滤波、控制器、驱动电路、过流保护电路、高频高压引弧电路、变压器过温保护电路、人机界面、报警器、水路故障信号、气路故障信号；降压变压器输入端与电网相连，降压变压器的输出端分别与第一整流器、第二整流器输入端相连；第一整流器输出端与第一斩波器输入端相连，第二整流器输出端与第二斩波器输入端相连，第一斩波器、第二斩波器的输出端分别与输出滤波相连；驱动电路、过流保护电路、高频高压引弧电路、变压器过温保护电路、人机界面、报警器、水路故障信号、气路故障信号为控制器的外围电路分别与控制器相连；驱动电路的输出端分别与第一斩波器、第二斩波器相连，过流保护电路、高频高压引弧电路分别与输出滤波相连，变压器过温保护电路与降压变压器相连。
根据本实用新型的一实施例，所述降压变压器副边设有两个绕组，两个副边绕组分别与第一整流器和第二整流器输入相连，所述第一整流器、第二整流器为三相硅整流桥模块；所述第一斩波器、第二斩波器为第一BUCK电路、第二BUCK电路，所述第一BUCK电路包括晶体管Q1、电容C11、续流二极管VD1、电感Lm1，晶体管Q1的发射极与电容C11一端相连，晶体管Q1的集电极与续流二极管VD1 阳极相连，续流二极管VD1阴极分别与电容C11另一端、电感Lm1 一端相连；所述第二BUCK电路包括晶体管Q2、电容C12、续流二极管VD2、电感Lm2，晶体管Q2的发射极与电容C12一端相连，晶体管Q2的集电极与续流二极管VD2阳极相连，续流二极管VD2阴极分别与电容C12另一端、电感Lm2一端相连；电感Lm1、电感Lm2另一端分别与输出滤波相连。
根据本实用新型的一实施例，所述降压变压器将电网三相380V 交流电降压为两路三相200V交流电。
根据本实用新型的一实施例，所述第一整流器、第二整流器为三相硅整流桥模块DF100AA120。
根据本实用新型的一实施例，所述续流二极管VD1、VD2为快恢复二极管，所述晶体管Q1、Q2为开关管IGBT。
根据本实用新型的一实施例，所述控制器为单片机PIC16F877。
根据本实用新型的一实施例，所述驱动电路包括驱动芯片U1、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2、 C3、C4，二极管D1、D2，所述驱动芯片U1为SG3526，占空比信号通过电阻R1与U1的1脚相连，U1的1脚还分别与电阻R6、R7、电容C1一端相连，电阻R7、电容C1另一端接地，电阻R6与U1的18 脚相连；U1的2脚分别与电阻R2、电容C3一端相连，电阻R2、电容C3另一端接地，U1的3脚与2脚相连，U1的4脚通过电容C2接地，U1的6脚和7脚接地；U1的9脚与电阻R4一端相连，电阻R4 另一端与电阻R3一端相连，电阻R3另一端接地，U1的10脚通过电容C4接地；U1的11脚通过电阻R5接地，U1的12脚通过电阻R8 与U1的18脚相连；U1的13脚与二极管D1的阳极相连，二极管D1 的阴极与第一斩波器相连，U1的16脚与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与第二斩波器相连。
根据本实用新型的一实施例，所述过流保护电路包括电阻R11、 R12、R13、R14、R15、R16，运算放大器U2、U3，电容C5、C6、 C7，二极管D3，所述运算放大器U2的同相输入端分别与电阻R11、电容C5一端相连，电容C5另一端接地，运算放大器U2的反相输入端与输出端相连，运算放大器U2的输出端通过电阻R14与运算放大器U3的反相输入端相连，运算放大器U3的同相输入端分别与电阻R12、R13、电容C6一端相连，电阻R12、电容C6另一端接地，电阻R12另一端与参考电压Vref相连，电阻R5连接在运算放大器 U3的反相输入端与输出端之间，电阻R16与电容C7串联后并联在电阻R5两端，运算放大器U3的输出端与二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极与控制器相连。
根据本实用新型的一实施例，所述高频高压引弧电路包括交流电源、升压变压器T2、整流二极管D4、D5、D6、D7，滤波电容C8，开关管VT1、VT2、VT3、VT4，隔离变压器T3、二极管D8,所述交流电源与升压变压器T2原边相连，升压变压器T2的副边一端与二极管D4阳极、二极管D6阴极相连，升压变压器T2的副边另一端与二极管D5阳极、二极管D7阴极相连，二极管D4阴极、二极管 D5阴极相连，二极管D6阴极、二极管D7阳极接地，电容C8并联在二极管D5阴极与地之间；所述开关管VT1、VT2、VT3、VT4构成逆变桥，开关管VT1、VT2集电极相连，开关管VT1的发射极与开关管VT3的集电极相连，开关管VT2的发射极与开关管VT4的集电极相连，开关管VT3和开关管VT4的发射极接地，开关管VT1、 VT2的发射极分别与隔离变压器T3的原边相连，隔离变压器T3的副边与二极管D8阳极相连，二极管D8的阴极与输出滤波相连。
根据本实用新型的一实施例，所述变压器过温保护电路包括热敏电阻RT，电阻R17、R18、R19、R20、R21，电容C9、C10，运算放大器U4，所述热敏电阻RT一端与电阻R17、R18一端相连，热敏电阻RT另一端接地，电阻R17另一端与正5V电源相连，电阻 R18另一端与运算放大器U4的同相输入端相连，运算放大器U4的同相输入端还通过电容C9接地，运算放大器U4的反相输入端分别与电阻R20、电容C10一端相连，电容C10另一端接地，电阻R20 另一端与电阻R19一端相连，电阻R19另一端与正5V电源相连，运算放大器U4的输出端通过电阻R21与正5V电源相连。
(三)有益效果
本实用新型的有益效果：一种大功率等离子切割电源，采用工频变压器将电网的380VAC三相交流电经三相变压器隔离降压为两路三相200V交流电，再经三相桥整流和电容滤波为直流电供给斩波器，斩波器为两个Buck变换器模块并联，斩波器将直流电切换成15.5kHz 的高频脉冲电，经输出滤波后输出平稳的直流电流供给切割电弧；采用两个Buck变换器模块并联，借助于大功率电力电子开关及高频变压器可以代替工频变压器，从而使变压器和电抗器重量、体积、材料大幅度减少，效率相应提高；具有控制电路简单、开关频率高、控制特性好、可靠性高、成本低的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型原理框图；
图2为主电路原理图；
图3为驱动电路原理图；
图4为过流保护电路原理图；
图5为高频高压引弧电路原理图；
图6为变压器过温保护电路原理图。
附图标记说明：
1、降压变压器T1；2、第一整流器；3、第二整流器；4、第一斩波器；5、第二斩波器；6、输出滤波。
电阻Ro、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、 R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21，热敏电阻 RT，电容Co、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、 C12，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、VD1、VD2，驱动芯片U1，运算放大器U2、U3、U4，开光管Q1、Q2、VT1、VT2、VT3、 VT4，升压变压器T2、隔离变压器T3，电感Lm1、Lm2。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
结合图1，一种大功率等离子切割电源，包括降压变压器、第一整流器、第二整流器、第一斩波器、第二斩波器、输出滤波、控制器、驱动电路、过流保护电路、高频高压引弧电路、变压器过温保护电路、人机界面、报警器、水路故障信号、气路故障信号。降压变压器输入端与电网相连，降压变压器的输出端分别与第一整流器、第二整流器输入端相连；第一整流器输出端与第一斩波器输入端相连，第二整流器输出端与第二斩波器输入端相连，第一斩波器、第二斩波器的输出端分别与输出滤波相连；驱动电路、过流保护电路、高频高压引弧电路、变压器过温保护电路、人机界面、报警器、水路故障信号、气路故障信号为控制器的外围电路分别与控制器相连；驱动电路的输出端分别与第一斩波器、第二斩波器相连，过流保护电路、高频高压引弧电路分别与输出滤波相连，变压器过温保护电路与降压变压器相连。
结合图2，大功率等离子切割电源主电路包括降压变压器1、第一整流器2、第二整流器3、第一斩波器4、第二斩波器5、输出滤波 6。降压变压器1副边设有两个绕组，两个副边绕组分别与第一整流器2和第二整流器3输入相连。第一整流器2、第二整流器3为三相硅整流桥模块，三相硅整流桥模块DF100AA120。第一斩波器4、第二斩波器5分别为第一BUCK电路、第二BUCK电路，第一BUCK电路包括晶体管Q1、电容C11、续流二极管VD1、电感Lm1，晶体管 Q1的发射极与电容C11一端相连，晶体管Q1的集电极与续流二极管 VD1阳极相连，续流二极管VD1阴极分别与电容C11另一端、电感Lm1一端相连；第二BUCK电路包括晶体管Q2、电容C12、续流二极管VD2、电感Lm2，晶体管Q2的发射极与电容C12一端相连，晶体管Q2的集电极与续流二极管VD2阳极相连，续流二极管VD2阴极分别与电容C12另一端、电感Lm2一端相连；电感Lm1、电感Lm2另一端分别与输出滤波6相连，输出滤波6包括滤波电容Co和负载电阻Ro，负载电阻Ro与滤波电容Co并联。降压变压器将电网三相380V 交流电降压为两路三相200V交流电。续流二极管VD1、VD2为快恢复二极管，所述晶体管Q1、Q2为开关管IGBT。
控制器为单片机PIC16F877。大功率等离子切割电源以PIC16F877 单片机为核心，对整个电源进行实时精确闭环控制，采用脉宽调制方法来控制电源的输出电流，单片机经D/A转换器输出电流给定信号，与分流器采样的电感电流信号进行PID调节后，通过脉宽调制芯片 SG3526输出PWM脉冲，再经光耦驱动模块HCPL-3120进行功率放大后触发IGBT，以实现功率的输出。
具体工作时，降压变压器T1将三相380V交流电降压为两路三相 200V交流电，再由三相桥式整流模块和电容滤波变成直流电。斩波器将直流电切换成15.5kHz的高频脉冲电，经输出滤波后输出平稳的直流电流供给切割电弧。采用两个Buck变换器模块并联，为了便于驱动电路的设计，将功率管置于低压侧，因而Buck变换器的输入和输出不共地，要使两个模块输出并联，必须将模块的输入隔离。为满足切割工艺要求以及安全用电需要，降压变压器一方面将工业用电与切割机体用电隔离，也将两个斩波器输入隔离，便于输出并联；另一方面将工业用电转化为系统要求的电压等级，由于整流滤波电容较大，合闸时电容充电会引起较大的浪涌电流，输入变压器可以抑制浪涌电流，因此不必设置输入缓冲电路。
结合图3，驱动电路包括驱动芯片U1、电阻R1、R2、R3、R4、 R5、R6、R7、R8、R9、R10，电容C1、C2、C3、C4，二极管D1、D2。驱动芯片U1为SG3526，占空比信号通过电阻R1与U1的1脚相连， U1的1脚还分别与电阻R6、R7、电容C1一端相连，电阻R7、电容 C1另一端接地，电阻R6与U1的18脚相连；U1的2脚分别与电阻 R2、电容C3一端相连，电阻R2、电容C3另一端接地，U1的3脚与 2脚相连，U1的4脚通过电容C2接地，U1的6脚和7脚接地；U1 的9脚与电阻R4一端相连，电阻R4另一端与电阻R3一端相连，电阻R3另一端接地，U1的10脚通过电容C4接地；U1的11脚通过电阻R5接地，U1的12脚通过电阻R8与U1的18脚相连；U1的13 脚与二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极与第一斩波器相连， U1的16脚与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与第二斩波器相连。
脉宽调制电路采用SG3526，它是一种具有推挽输出功能的脉冲宽度调制集成电路，SG3526由基准电压、振荡器、误差放大器、比较器、触发器、锁存器、分相器、输出级以及欠压锁定、软启动、同步、复位、关断等电路组成。其工作电源电压：8.0～35V；输出集电极电源电压：4.5V-35V；双路源吸入/输出电流：100mA；基准电源输出电压：5.0V，负载电流：20mA；振荡频率：1-400kHz，振荡器电阻范围：2kΩ～150kΩ，振荡电容范围1nF-20nF；40kHz死区时间 3％-50％可控；温度范围：-65℃-150℃；具有数字限流、欠压保护、可编程的软启动和空载时间设定等。
具体工作时，输入电压与反馈电压分别接在误差放大器同、反相输入端，经放大后，误差控制电压加到比较器同相输入端，振荡器产生的锯齿波信号，加在比较器反相输入端。当误差控制电压大于锯齿波信号时，比较器输出高电平，反之输出低电平。比较器输出的方波信号频率与锯齿波频率相同，并且方波脉宽随输入电压大小变化。脉冲信号经过触发器分相后，产生两路相位相差180°的PWM信号，再经过晶体管组成的功率放大电路，从13,16脚输出。管脚3电压误差控制电压的大小控制输出波形的脉冲宽度，也就控制了电感电流平均值。误差控制电压越高，脉宽越宽，反之，误差控制电压越低，脉宽越窄。
结合图4，过流保护电路包括电阻R11、R12、R13、R14、R15、 R16，运算放大器U2、U3，电容C5、C6、C7，二极管D3。运算放大器U2的同相输入端分别与电阻R11、电容C5一端相连，电容 C5另一端接地，运算放大器U2的反相输入端与输出端相连，运算放大器U2的输出端通过电阻R14与运算放大器U3的反相输入端相连，运算放大器U3的同相输入端分别与电阻R12、R13、电容C6 一端相连，电阻R12、电容C6另一端接地，电阻R12另一端与参考电压Vref相连，电阻R5连接在运算放大器U3的反相输入端与输出端之间，电阻R16与电容C7串联后并联在电阻R5两端，运算放大器U3的输出端与二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极与控制器相连。运算放大器U2、U3可以是LM339。
没有发生过流现象时，运算放大器U3输出端为高电平，由于二极管D3单向导电性，过流保护电路的输出信号不会输出给控制器。当发生过流现象时，运算放大器U3的输出端为低电平，二极管D3 导通，过流保护电路输出低电平信号给控制器。
结合图5，高频高压引弧电路包括交流电源、升压变压器T2、整流二极管D4、D5、D6、D7，滤波电容C8，开关管VT1、VT2、 VT3、VT4，隔离变压器T3、二极管D8。交流电源与升压变压器T2 原边相连，升压变压器T2的副边一端与二极管D4阳极、二极管D6 阴极相连，升压变压器T2的副边另一端与二极管D5阳极、二极管 D7阴极相连，二极管D4阴极、二极管D5阴极相连，二极管D6阴极、二极管D7阳极接地，电容C8并联在二极管D5阴极与地之间；开关管VT1、VT2、VT3、VT4构成逆变桥，开关管VT1、VT2集电极相连，开关管VT1的发射极与开关管VT3的集电极相连，开关管VT2的发射极与开关管VT4的集电极相连，开关管VT3和开关管 VT4的发射极接地，开关管VT1、VT2的发射极分别与隔离变压器 T3的原边相连，隔离变压器T3的副边与二极管D8阳极相连，二极管D8的阴极与输出滤波相连。
结合图6，变压器过温保护电路包括热敏电阻RT，电阻R17、 R18、R19、R20、R21，电容C9、C10，运算放大器U4。热敏电阻RT一端与电阻R17、R18一端相连，热敏电阻RT另一端接地，电阻R17另一端与正5V电源相连，电阻R18另一端与运算放大器 U4的同相输入端相连，运算放大器U4的同相输入端还通过电容C9 接地，运算放大器U4的反相输入端分别与电阻R20、电容C10一端相连，电容C10另一端接地，电阻R20另一端与电阻R19一端相连，电阻R19另一端与正5V电源相连，运算放大器U4的输出端通过电阻R21与正5V电源相连。运算放大器U4可以是LM339。
当变压器没有出现过温现象时，运算放大器U4输出端输出低电平；当变压器出现温度过高现象时，热敏电阻RT阻值升高，运算放大器U4的同相输入端电压升高，运算放大器输出高电平给控制器。
综上所述，本实用新型实施例，大功率等离子切割电源，采用工频变压器将电网的380VAC三相交流电经三相变压器隔离降压为两路三相200V交流电，再经三相桥整流和电容滤波为直流电供给斩波器，斩波器为两个Buck变换器模块并联，斩波器将直流电切换成15.5kHz 的高频脉冲电，经输出滤波后输出平稳的直流电流供给切割电弧；采用两个Buck变换器模块并联，借助于大功率电力电子开关及高频变压器可以代替工频变压器，从而使变压器和电抗器重量、体积、材料大幅度减少，效率相应提高；具有控制电路简单、开关频率高、控制特性好、可靠性高、成本低的优点。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。