等离子电弧切割系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请请求享有美国临时专利申请第61/715, 729号的权益，该专利在2012年10 月18日提交，并且命名为"等离子焰炬供电电路及冷却系统"，该专利的全部内容通过引用 在此处并入本文。
技术领域
[0002] 本发明总体设及等离子切割系统及加工领域。更具体地，本发明设及用于为等离 子切割系统提供供电和冷却的方法及设备，其使用更少构件，需要更小体积和/或降低设 计复杂性。
【背景技术】
[0003] 等离子电弧焰炬广泛地运用于材料的切割和标记。等离子焰炬通常包括具有安装 在焰炬主体内的中屯、排出通孔的电极和喷嘴，电连接件，用于冷却的通道，W及用于电弧控 制流体（例如，等离子气体）的通道。焰炬产生等离子电弧，其为具有高溫度和高动量的气 体的压缩电离束。在焰炬中使用的气体可为非反应性（例如，氣或氮）或反应性的（例如， 氧或空气）。在操作期间，前驱电弧首先在电极（阴极）和喷嘴（阳极）之间产生。前驱电 弧的产生可借助于禪合至直流电源和焰炬的高频率，高电压信号，或借助于任何类型的接 触起动方法。
[0004] 用于等离子切割系统的已知的供电电路和相关的冷却系统需要多个硬件构件。例 如，现有的供电电路包括四个绝缘栅双极晶体管（IGBT);八个直流值C)母线电容器；六个 功率电阻器；四个风机；两个散热器；两个直流母线电容器支承板；和/或四个印刷电路板 (PCB)组件。运些已知的技术将很大的体积和/或复杂性引入电源设计中，运体现在每单位 质量供应功率，每单位体积的供应功率，和/或在操作期间电源的溫度上。
【发明内容】
[0005] 本发明通过降低体积和/或设计复杂性同时提供相同或更佳的（i)电源的每单位 重量的功率输出和/或（ii)电源的每单位体积的功率输出来解决对等离子电弧焰炬电源 的未实现的需求。本发明还实现相比已知电源在操作期间的电源的较低平均壳体溫度。在 一个实施例中，目前的发明包括两个IGBT而不是四个；四个直流母线电容器而不是八个； =个功率电阻器而不是六个；零个用于供电电路的风机而不是四个；一个冷却板而不是两 个散热器；一个直流母线电容器支承板而不是两个；W及一个PCB组件而不是四个。因此， 电源的每单位质量和/或每单位体积输送更多的功率输出，同时保持在操作期间较低的平 均壳体溫度。
[0006] 在一些实施例中，冷却板可改善电源的冷却，降低构件要求，和/或改善功率性 能。在一些实施例中，使用了多脉冲变压器。多脉冲变压器可有助于满足或超过功率质量标 准，功率质量标准由功率因数基准和用于输入电流的总谐振失真灯皿）的基准所限定。在 一些实施例中，风机和/或一组挡板定向成冷却多脉冲变压器和/或一组输出电感器。风 机和/或挡板可改善冷却并且允许磁构件尺寸减小且重量降低。在一些实施例中，每个电 感器连接至共同的线圈。
[0007] 在一些实施例中，分开的斩波器在供电电路中电连接至相异的电感器。在一些实 施例中，斩波器直接连线至单个电容器组。在一些实施例中，斩波器W交替模式操作。使用 单个电容器组W交替模式操作可导致电容器脉动电流的大大降低。斩波器的交替操作可实 现输入和/或输出脉动电流的抵消。在一些实施例中，多脉冲变压器连接至串联连接的两 个=相二极管电桥。将多脉冲变压器连接至串联连接的两个=相二极管电桥可实现电容器 和/或副绕组的脉动电流额定降低，导致变压器和/或直流母线电容器的尺寸和重量的减 小。在一些实施例中，电感器禪合，例如绕共同磁忍缠绕。在等离子电源中使用禪合的电感 器可导致电源减小尺寸，重量和/或易于组装。
[0008] 一方面，本发明描述了等离子电弧切割系统的特征。等离子电弧切割系统包括构 造成支持等离子电弧产生的电源。电源包括直接连接至电容器组的多脉冲变压器和/或多 个半导体开关。电源包括热调节系统，其连接至电源并且构造成使多脉冲变压器冷却。热 调节系统包括与半导体装置和/或电容器直接接触的冷却板。热调节系统还包括布置在冷 却板内的流体管道。热调节系统还包括累，其连接至导管并且构造成引导冷却剂流体通过 导管。电源具有W下操作要求中的至少一个：（i)重量与功率比大约22. 4磅每千瓦；（ii) 体积与功率比大约1366立方英寸每千瓦；（iii)在切割操作期间平均半导体装置壳体溫度 大约100摄氏度；（iv)在切割操作期间最大变压器溫度在大约133摄氏度。
[0009] 在一些实施例中，电源具有至少两个所述操作要求。在一些实施例中，电源具有至 少=个所述操作要求。在一些实施例中，电源具有所有四个所述操作要求。在一些实施例 中，电源包括多个电感器。在一个实施例中，每个电感器串联连接至相异的半导体开关。在 一些实施例中，每个半导体开关包括绝缘栅双极晶体管。在一些实施例中，每个电感器安装 和/或缠绕在共同的磁忍上。在一些实施例中，热调节系统还包括连接至电源的一组风机 和/或连接至电源的一组挡板，风机和挡板定向成冷却至少一个变压器和电感器。
[0010] 在一些实施例中，变压器直接联接至多个整流器。在一些实施例中，整流器彼此串 联连接。在一些实施例中，每个整流器包括=相二极管电桥。在一些实施例中，电容器组包 括四个直流母线电容器。在一些实施例中，变压器为12脉冲变压器。
[0011] 另一方面，本发明描述了等离子切割系统的特征。等离子切割系统包括能产生等 离子电弧的电源。电源包括多个半导体开关。电源包括电连接至多个半导体开关的多个电 感器。每个半导体开关电连接至多个电感器的相异电感器。多个半导体开关构造成在交替 开关模式下操作。电源包括电连接至多个整流器的多脉冲变压器。多个整流器串联连接并 且电连接至多个半导体开关。等离子切割系统还包括液体冷却系统，其连接至电源并且构 造成热调节多个半导体开关。液体冷却系统包括冷却板。冷却剂通道形成在冷却板内。
[0012] 在一些实施例中，电源具有至少一个W下操作要求：（i)重量与功率比在大约 22. 4磅每千瓦；（ii)体积与功率比在大约1366立方英寸每千瓦；（iii)在切割操作期间平 均半导体装置壳体溫度大约100摄氏度；（iv)在切割操作期间最大变压器溫度在大约133 摄氏度。在一些实施例中，电源满足至少两个所述操作要求。在一些实施例中，电源满足至 少=个所述操作要求。在一些实施例中，电源满足所有所述操作要求。在一些实施例中，等 离子焰炬操作地连接至电源。
[0013] 在一些实施例中，电源包括限定电源的内表面的多个面板。在一些实施例中，电 源包括一组挡板，其安装在电源的内表面上且定向成引导电源内侧的空气流向多脉冲变压 器。在一些实施例中，多个半导体开关直接线接至电容器组。在一些实施例中，电容器组包 括四个直流母线电容器。在一些实施例中，冷却剂通道包括导管。在一些实施例中，冷却剂 通道形成迂回构造。在一些实施例中，多脉冲变压器是12脉冲变压器。在一些实施例中， 电感器安装在共同磁忍上，共同磁忍设置在电源内。
[0014] 在另一方面中，本发明描述等离子切割系统的特征，其包括使用至少两个交替斩 波器给等离子切割焰炬提供功率的装置。每个交替斩波器连接至相异的电感器。等离子切 割系统还包括用于交替斩波器液体冷却的装置。用于提供功率的装置特征在于W下中的 至少一者：（i)重量与功率比在大约22. 4磅每千瓦；（ii)体积与功率的比在大约1366立 方英寸每千瓦；（iii)在操作期间，平均半导体装置壳体溫度在大约100摄氏度；（iv)在切 割操作期间最大变压器溫度在大约133摄氏度。在一些实施例中，等离子切割系统特征在 于W下中至少两者：（i)重量与功率比在大约22. 4磅每千瓦；（ii)体积与功率的比在大约 1366立方英寸每千瓦；（iii)在切割操作期间