[發明專利]一種模塊化斬波式等離子切割電源控制方法及裝置

有效

• 申請號: 201310350153.4
• 申請日: 2013-08-12
• 公開（公告）號: CN103433608A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 王興偉;林樺;鐘和清;鄧禹;蔡濤;林磊
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K10/00
• 分類號: B23K10/00;H02M7/12
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于等離子切割電源技術領域，具體涉及一種基于模塊化斬波式拓撲結構的等離子切割電源的控制方法，該方法基于帶四路斬波模塊的全數字控制大功率等離子切割電源系統實現。

背景技術

空氣等離子弧切割是一種熱切割技術，利用等離子弧的高溫將被切金屬局部熔化并蒸發，同時借助高速等離子氣流將已經熔化的金屬吹離母材，從而形成狹窄切口。等離子弧柱溫度高，通常可達18000～24000K，遠遠超過所有金屬的熔點，可以切割任何黑色和有色金屬材料，使用范圍廣。與激光切割相比，具有生產效率高、被切割材料的品種范圍廣、厚度大和成本低等優勢；與火焰切割相比，具有可實現無掛渣切割、明顯減少了二次加工、熱影響區較小等優勢。

等離子切割電源是等離子切割過程中提供和控制能量的關鍵設備，其性能的好壞對等離子弧產生的可靠性、切割質量和生產效率都起著至關重要的作用。目前等離子切割電源主要分為逆變式和斬波式兩種拓撲結構。逆變式等離子切割電源采用了高頻逆變技術，具有體積小，重量輕等優點，然而逆變式等離子切割電源對功率器件要求高，控制電路復雜，工作環境惡劣，存在可靠性低的問題。逆變式等離子切割電源輸出電流多為30A～200A，一般應用在20kW以下的場合。功率等級在20kW以上的等離子切割電源一般采用斬波式拓撲結構，同時為了進一步提高系統的容量，減小功率開關管的電流應力，采用多路斬波模塊并聯的方式。具有控制電路簡單、開關頻率高、控制特性好、可靠性高等優點，是當前大功率等離子切割電源的主流。

等離子切割電源控制系統設計的目的是通過電流閉環負反饋調節，來獲得切割電源所需要的外特性、調節特性和動特性。對于具有單個斬波模塊的等離子切割電源，目前已具有較成熟的控制方法，但對于多個斬波模塊并聯的等離子切割電源，還需要協調各個斬波模塊之間的工作狀態，以減小輸出電流的紋波，最大效率的利用斬波模塊，延長使用壽命。因此，發明一種多個斬波模塊的等離子切割電源控制方法，實現等離子切割電源的高精度控制，提高整個系統的運行效率，具有重要意義。

發明內容

本發明針對模塊化斬波式等離子切割電源的斬波模塊電路，提供了一種模塊化斬波式等離子切割電源控制方法，對每路斬波模塊的輸出電流獨立階躍閉環控制實現等離子切割電源高精度切割。

本發明提供的一種用于模塊化斬波式等離子切割電源的控制方法，包括下述步驟：

第1步開始切割時，等離子切割電源對輸出電壓進行開環控制，數字化控制器控制第一斬波模塊的PWM驅動信號脈沖的占空比從0開始逐漸增大，電源輸出直流電壓從0開始斜坡上升，減小突加電壓對電源功率器件的沖擊；

第2步當氣隙擊穿引弧成功后，數字化控制器對各斬波模塊的輸出電流進行獨立階躍閉環控制，依據等離子切割電源總輸出電流指令值i_z選擇不同的斬波模塊進行閉環控制，使控制系統不用在電壓環和電流環之間不停地切換；

第3步結束。

作為上述技術方案的優先方案，第2步具體包括下述過程：

如果總輸出指令電流值i_z小于或等于電源額定電流值的1/4，則進入第2.1步，如果總輸出指令電流值i_z大于電源額定電流值的1/4并小于或等于電源額定電流值的1/2，則進入第2.3步，其它情況，則進入第2.5步；

第2.1步總輸出電流全部由第一斬波模塊提供，第一斬波模塊的最大穩態指令電流值為總輸出指令電流值i_z；第二、第三和第四斬波模塊不輸出電流，第二、第三和第四斬波模塊的指令電流值始終為0；第一斬波模塊的輸出電流采用階梯方式從0逐漸上升到最大穩態指令電流值i_z；

第2.2步切割完成后，第一斬波模塊的輸出電流采用階梯方式從i_z逐漸下降為0，每個階梯跳躍的電流值i_s和持續時間T_i與階梯上升時相同，然后進入第3步；