SciTech-EECS-Circuits-Power Electrics(功率器件): 等离子体(电弧:大功率)效应(正负极+数控脉冲放电时间 实现 等离子切割机(逆变式 + 高压引弧式)电解/电镀/电子显微、显像/电火花线切割/特斯拉线圈 ) + WEDM(电火花线切割数控加工)
SciTech-EECS-Circuits-Power Electrics(功率器件): 特斯拉线圈 :
电(弧)离效应(正负极+数控脉冲放电时间 实现 电解/电镀/电子显微、显像/电火花线切割) + WEDM(电火花线切割)
参考文献
大功率电弧加热器起弧过程流场特性研究 - (cstam.org.cn, 中国力学学会期刊网)
Quantitative Study of Flow Characteristics During Ignition for High Power Arc Heater
Dong-bin OU, Hui ZENG, , Han-dong MA, Xian-xiang YAN
Beijing Key Laboratory of Arc Plasma Application Equipment, China Academy of Aerospace Aerodynamics, Beijing
中国航天空气动力技术研究院(机构), 电弧等离子应用装备北京市重点实验室, 北京 100074
基金项目: NSF(国家自然科学基金,11802299);载人航天领域预先研究项目(010502)
作者简介: 欧东斌(1979-,oudongbin@sina.com)男, 研究员, 主要研究方向为气动热和热防护试验技术
通讯作者: 曾徽(1989,zenghuikeda@outlook.com)男, 高工, 主要研究气动热试验研究与高焓光学诊断
中图分类号: O433.1;O657.31, 收稿日期: 2020-10-15, 修回日期: 2021-01-01, 刊出日期: 2021-05-01电弧等离子体是通过电极之间击穿放电,产生热电弧,实现对冷态介质加热.
目前大功率的电弧等离子体发生器在航空航天领域有重要的应用,
是国内外开展飞行器防热材料筛选和考核研究最重要的地面模拟试验设备.
本研究:基于
"发展的高焓气流非接触式光谱诊断"方法,开展
对10 MW量级大功率长分段电弧加热器起弧过程流场特性的定量、定性研究,在线测量
等离子气流的辐射光谱,并获得了
等离子体气流电子温度和电极烧蚀铜原子摩尔组分浓度的测量结果.
研究结果表明:
- 起弧开始阶段: 纯氩气通入, 等离子体辐射光谱以分立的氩原子谱线为主。氩气起弧时:
- 等离子体气流电子温度稳定在11 000 K±300 K, 显示出稳定的起弧特性.
- 同时电弧等离子体气流的铜原子摩尔组分浓度在\((1~25) \times 10^{-6}\) 之间周期性变化,
显示弧根旋转过程有不规则的电极烧蚀变化.
- 过渡阶段: 空气通入步增, 出现了N2和N2+的连续分子谱和Ar、N、O原子谱,等离子体电子温度随之降低;
- 正式运行阶段: 纯空气介质运行, 辐射光谱以N2和N2+连续分子谱和N、O原子谱为主.
- 起弧完整过程, 都伴有持续的电极烧蚀, 等离子体辐射光谱的铜原子谱线总存在.
- 发展的发射光谱诊断方法, 为研究电弧加热器真空氩气起弧特性提供量化手段,
可以为 "真空-常压的氩气起弧试验技术" 的发展和 "电极优化" 提供直接量化依据,
为大功率常压叠片电弧加热试验平台发展奠定基础.
一种新型高频高压引弧器的制作方法
本发明特别是涉及一种适用于氩弧焊接电源高频高压非接触式起弧
装置.
逆变直流焊机 改(加)装 等离子切割功能
一种新型高频高压引弧器的制作方法
本发明特别是涉及一种适用于氩弧焊接电源高频高压非接触式起弧
装置。
氩弧焊接电源的起弧操作分为 "非接触起弧" 和 "接触起弧",为避免焊枪钨针污染工件,绝大多数应用中氩弧焊接电源都是采用高频高压引弧器实现非接触起弧。传统高频高压引弧器主要有两种方案:
- 由工频高漏抗升压变压器和振荡电路构成, 例如专利《一种与逆变焊机配用的高频引弧器(专利号zl96247049.x)》,其优点是高频引弧功率强劲,可靠性较好;缺点是占载率低,工频变压器体积和重量都较大,成本较高,对振荡电路中元器件的质量要求较高;
- 采用高压包的反激式变换器和振荡电路构成, 例如专利《逆变焊机专用高频引弧器(专利号zl02283471.0)》和专利《基于高压放电保护器的高频引弧器(授权公告号cn203304744u)》,其优点是体积较小,成本较低,缺点是引弧功率较小,可靠性较差。
为此,本发明提出了一种新型高频高压引弧器, 对两种传统引弧方案"取长补短",
有: 体积小, 重量轻, 控制灵活, 引弧功率强劲, 响应速度快, 占载率高, 可靠性好的特点。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种新型高频高压引弧器, 所述新型高频高压引弧器,包括:
- 整流滤波电路
输入为高频交流电压,输出为稳定的直流电压;
其输入端1_1,1_2通过绕组 由 氩弧焊接电源的主变压器获取是高频交流电能,
整流滤波电路 的4个 整流二极管 采用的是 快恢复型二极管,
lc滤波电路因为是对高频电能脉冲滤波, 所以lc滤波器的体积和重量大大减小。 - 驱动模块:
两路驱动信号受外控制端控制实现启动和停止;
两路驱动信号(带死区的, 占空比和频率都固定的),分别驱动升压型电力电子变压器3的半桥llc谐振变换器的上、下桥臂.
驱动模块外接一个控制信号ctr, ctr可以控制驱动模块驱动信号的产生和关断,用以控制高频高压引弧器的启动和停止;
所述驱动模块在启动模式时,有两路带死区时间的互补对称的驱动脉冲信号输出,分别驱动半桥电路的上、下桥臂;
所述的两路驱动脉冲信号的死区时间一般取升压型电力电子变压器3中所选用的mosfet的关断时间的3~5倍;
所述的两路驱动脉冲信号的占空比小于但接近50%,其频率固定不可调,其频率fs取值为
上式的lr和cr分别为升压型电力电子变压器3中谐振腔的谐振电感和谐振电容。
同时谐振电流流过变压器t2初级,将能量传递到变压器t2次级,用于实现氩弧焊接电源的非接触式起弧,起弧所需能量由升压llc谐振变压器t1不断补充。 - 升压型电力电子变压器 实现输出高频交流高压;
采用llc谐振变换器实现高频升压, 谐振腔的谐振电感lr和激磁电感lm集成在llc谐振升压变压器t1内;
变压器的初次级匝比a为"". 上式,Vin为整流滤波电路1输出的直流电压值;
Vout为变压器t1次级输出电压值, 取值一般大于AC2000V, 以保证Vout能够击穿 放电器f的钨极之间的空气气隙.
llc谐振腔的谐振电感的取值,应该满足:
较大的谐振电感可以避免升压型变压器输出端短路(例如起弧过程钨针与工件触碰)时,llc谐振腔初级电流不会大于所限制的最大电流,确保电路的可靠性。
4.高频高压振荡电路: 实现高频振荡并进步一升压。
由放电器f, 高压谐振电容c3以及升压变压器t2组成,当放电器f的钨极之间空气气隙被击穿,
高压谐振电容c3和升压变压器t2初级等效电感l3谐振,谐振频率为:
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
本发明提供的一种新型高频高压引弧器,
- 起弧所需能量取自氩弧焊接电源的主功率高频变压器,能量获取方式非常方便,不需额外电路;
- 因为输入端是对高频能量进行整流滤波,相应的滤波电路体积可以很小;
- 升压电路采用固定频率的半桥llc模式的电力电子变压器方式,
llc谐振变换的高效率电能传递特征确保引弧器的引弧功率强劲和较高占载率:- llc谐振腔的驱动频率 大于但接近 谐振腔的固有谐振频率, 确保变压器t1次级短路时谐振腔的等效输入阻抗仍保持感性;
- llc谐振变换器的两个功率mosfet仍能工作在零电压开关(zvs)状态,确保电路可靠性;
*整个电路都工作在高频状态,功率密度大,有效地减小引弧器的体积;
整个电路结构简洁可靠,便于模块化,成本具有优势。
原理的区别: 等离子切割机 VS 氩弧焊机高频引弧电路
新款 都是“SiC(碳化硅)的功率管+整流管/桥”+"高性能MCU/DSP/FPGA"精准控制"引弧"、"起弧成功检测"及信号处理、全软件智能控制, 而且 轻松实现“切割(等离子)”、“氩弧焊”、“无气焊”和 “手工电弧焊”四机合一。
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老款: 引弧电路(串接 焊接输出电路)
老款: 高压变压器引弧, 但原理 足够 透彻, 对后文的“新款”极易理解:
- "高频变压器(上图的T4)"的次级
串接
在"焊接用低压(空载72V)直流输出电路"; - "手把开关" 控制的"继电器"驱动"高频变压器" 的“初级”
导通
, - "高频变压器"的 次级
串接在
的 "焊接输出电路"感生"脉冲高压"击穿空气引弧放电
, - 空气击穿成的"等离子体"*实际如同 "导通电线",
理解这点非常重要
。
引弧时存在“双电压(引弧高压与焊接输出电压)”的“叠加态”。 - "等离子体"
导通
串接的"焊接用低压(空载72V)直流输出电路"供应高能量电流。 - —旦"等离子体"
导通
"焊接输出电路"完成
, 引弧用的"脉冲高压"即停止。
焊接电路带载后, 输出由"空载72V"降到"驱动控制
的带载电压(因负载自动调压以达设置的恒流值)", 电流增加;
"高频引弧电路" 受 "有关电流" 的 "变化感应电路" 的驱动而自动断开
"高压引弧电路"。 - "等离子体"`导通"焊接输出电路"的高能量 融化 工件。
- 等离子切割时由空气压缩机产生的"高压空气流"把融化的工件部分及时吹出割缝。
- 达到焊接、切割目的。
引弧
高压是怎么加到焊把上去的?
高压是 电容对 引弧器 放电,经过引弧器次级线圈 感应到焊把上的.
就是先对一个大电容充电,再让电容经可控硅对一线圈放电,
由于放电的电流大,时间短,有极大的磁场变化速度,在线圈次级感应出很高的电压,
而次级线圈是串联在焊把线路,可引起焊把电极对工件的放电,起到引弧的作用。
氩弧焊
氩弧焊的起弧, 采用高压击穿的起弧方式,先在电极针(钨针)与工件间加以高频高压,
击穿氩气导电,然后供给持续的电流,保证电弧稳定。
氩弧焊机在"主回路、辅助电源、驱动电路、保护电路等方面"与"逆变电焊机"相同。
"焊把开关"控制氩弧焊机, 要求 氩气 "先来后走",而电流则 "后来先走"(对气而言).
这此都是通过"焊把开关"控制""电路和气路实现的。
已有用亚弧焊机改装二保焊机成功案例,而且非常好用。
等离子切割机,亚弧焊,二氧化碳保护焊,都是在 逆变电焊机 之上改进的。
“电焊机”改(加)“等离子切割”,要注意两者区别:
逆变电焊机 | 等离子切割机 |
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这里设定是 逆变电弧焊机. 电焊机 是总称, 包括很多种类. |
全名"空气等离子切割机", 要用到空气, 对电弧进行压缩形成"等离子电弧"用于切割, 并且冷却 割枪 的 电极和喷嘴 |
输出功率电源 是 恒流电源 | 输出功率电源 是 恒流电源 |
输出空载电压: 一般为 50-90V. 焊接时电压: 一般为几十V及以下! |
输出空载电压: 一般为270-350V之间. 输出切割电压: 由 实际切割负载确定, 因为其"恒流" |
输出电压 和 输出电流 的关系: \(V_{out}=20+0.04×I_{out}\) | 输出电压 与 输出电流 的关系: $ V_{out} = 80+0.4×I_{out}$. 实际上, 切割电压由电流大小和切割工件厚度, 以及线路损失决定 |
输出端 接上 正极电缆+焊把钳 和 负极电缆+地线夹 就可以焊接 | 常用的都有: 压缩气源: 预先供气+延后断气冷却+通断自控 "高频引弧装置"引导"起弧切割". |
将"逆变直流焊机" 改(加)装"等离子切割"功能是可行的. 但需要专业知识. |
断开高频(引弧)装置, 将切割枪开关短路, 可直接用于小电流焊接. 但必须注意操作安全 和 电击危险. 因为输出电压太高, 电弧能拉很长才断弧. 该功能只作为专业人员检测时使用. |
市售成品“等离子切割机”的指标 和 配置图
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逆变(非高频引弧)空气等离子切割
逆变(非高频引弧)空气等离子切割机的研究_电焊机期刊
丁 强,苗则层,鲍云杰(北京时代科技股份有限公司,北京 100085)
摘要:成功研制了一种新型非高频定电流引弧的 IGBT 逆变空气等离子切割机,该机切割电流在 30~120 A 范围内连续可调。整机原理上:
- 采用 Boost 升压PFC(功率因数校正)技术, 将整流后的电网电压提高为 720 V 的稳定直流高压,
- 然后通过 IGBT 半桥逆变主电路、高频变压器和桥式整流得到相应的切割直流电压。
- 采用 DSP数字化控制技术, 实现"半桥 PWM 控制"、"非高频引弧",
以及整机的过电压、欠电压、过电流、过热等功能。
试验表明该等离子切割机有可靠性高、电磁干扰小、一次引弧成功率高等特点。
关键词:非高频引弧;Boost 升压;IGBT 半桥逆变;数字化控制
中图分类号: TG483, 文献标识码: A, 文章编号: 1001-2303(2009)02-0055-04
Research on the inverter air plasma cutting machine of non-HF contact pilot arc
专题讨论 DING Qiang,MIAO Ze-ceng,BAO Yun-jie( Beijing Time Technologies Co.,Ltd, Beijng, 100085, China)
Abstract:This paper introduces an air plasma arc cutting machine of non-HF contact pilot arc with low starting current.This machine which based on:
- boost PFC comes into being 720 V DC voltage.
- Through IGBT half-bridge main circuit, HF transformer, DSP control technology and bridge rectifier it outputs 30~120 A cutting current
- There are some protective functions of over-voltage, low-voltage, over-current and over-heat,etc.
- The PWM of half-bridge is adjusted by using DSP digital control technology.
Experimental results verify that the power supply system is higher stability, lower EMI and higher successful ratio of pilot arc.
Key words:non-HF pilot arc;Boost PFC;IGBT half bridge inverter circuit;digital control
高压引弧 款 等离子切割机
等离子体点火设备启停比较频繁,及时稳定启动等离子体点火设备能安全可靠运行。
等离子体非接触引弧,要满足:
- 高频率
- 高电压
- 高能量(作用在正、负极的脉冲能量高)**
"非接触结构" 会导致 "高能量脉冲"的“源头电流超大”,
所以在“电路设计”等方面要提高能量转换率,使最终“起电弧的能量比例高”。常规等离子体引弧:
采用负载 正、负极 直接与 引弧器输出脉冲的电源 连接结构,
引弧器输出 "高压高频脉冲" 直接作用在等离子体阴、阳极上, 这种结构在正极 与 负极:- 接触引弧时,起弧成功率很高,
- 非接触式引弧时,因为负载线路等因素影响,起弧成功率得不到保障。
旧款 "等离子割炬" 的 "割枪结构 和 原理":
特斯拉线圈:
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