一種單管igbt工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本實用新型涉及一種單管IGBT工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，包括切割機的結構和電路設計，屬于逆變焊割機技術領域。
技術背景
[0002]當前，等離子切割機產品市場的競爭十分激烈。產品技術先進、成本有優(yōu)勢的，市場的競爭力會較高。
[0003]目前，國內外市場上逆變式空氣等離子弧切割機的額定電流通常在30A?100A(30?60%負載持續(xù)率)之間。國內此類切割機，很多是采用MOSFET管逆變控制技術來制作的。MOSFET管逆變切割機，需要采用很多的MOSFET管并聯(lián)來擴大器件的電流。這就使切割機的電路板尺寸大、電路板和整機結構復雜，同時也存在著產品可靠性低、制作成本高等問題。目前，采用IGBT的逆變等離子切割機逐漸成為此類產品開發(fā)的重點。由于IGBT的電流等級大，不需要像MOSFET管那樣，采用多管并聯(lián)的方式來擴大其器件的電流，因此，產品的可靠性得以提高。同時，這種逆變電子開關器件數(shù)量的減少可使切割機的電路板尺寸變小，電路板和整機結構變得簡單，同時產品的制作成本和工藝水平也得以提高。解決了MOSFET多管并聯(lián)技術存在的諸多問題。體現(xiàn)了 IGBT逆變控制技術的優(yōu)勢和發(fā)展前景。盡管IGBT逆變控制技術的等離子切割機已有不少產品，然而，不同的開發(fā)和設計思路，產品的成本等是不一樣的。采用IGBT模塊，固然切割機的額定輸出電流和負載持續(xù)率可以好大，但是產品制作成本等也高，不利于市場競爭。采用單管IGBT，能夠實現(xiàn)較大電流(如本實用新型65A)等級、高負載持續(xù)率(60%及以上)和可靠性的逆變切割機產品還是較少的。此類產品的控制技術水平是一大障礙。不同的產品制造企業(yè)，由于設計水平和成本的差異，產品的可靠性等性能也是存在較大差異的。
[0004]目前，MOSFET多管并聯(lián)的等離子切割機，其內部采用上、中、下三控制板和整機布局結構，顯得復雜和技術落后;采用單管IGBT逆變的切割機，有的采用單塊電路板的內部結構設計形式。有的采用二板上、下控制板和整機布局結構。與MOSFET多管并聯(lián)的等離子切割機相比，明顯有了較大的技術進步。但是，上述這些逆變空氣等離子切割機，受切割機電路和內部結構設計、功率器件散熱條件及其冷卻效果等因素的限制，使它們在較大電流輸出(如65A)時其負載持續(xù)率難以做的很大，較短的工作時間就會出現(xiàn)切割機熱保護。如不少切割機的負載持續(xù)率只有30?40%。如此短的切割時間，使不少客戶相當不滿意。甚至很多機器就是65A、60A的額定工作電流都達不到。另外，有的IGBT逆變切割機，由于大功率器件發(fā)熱嚴重，甚至會燒壞電路板，使電路板無法修復，造成廠家或用戶的較大經濟損失。其次，不同的切割機產品，所采用的控制電路不同，產品的可靠性也有較大的差異性。市場上很多的切割機產品，由于工作可靠性差，經常損壞，也受到了很多用戶的批評，甚至廠家失去了市場。再者，我國的切割機生產企業(yè)數(shù)量多，并且呈現(xiàn)小而分散的特點。由于企業(yè)的實力弱，產品的生產數(shù)量很少，沒有能力采用大量的SMT貼片器件來實現(xiàn)切割機產品的自動化或規(guī)模化生產，因此，產品的生產效率低下，制作工藝水平往往是手工作業(yè)水平，顯得十分落后。同時，也為產品的不可靠埋下了質量隱患。
[0005]雖然采用IGBT逆變控制電路構成的空氣等離子弧切割機種類是比較多的。它們的電路和切割機內外部結構形式也是多種多樣的。但是，不同的電路及其結構設計思路，所采用的具體電路形式和整個電路布置的方式是不同的。不僅如此，切割機的性能指標包括輸出的電流/電壓范圍及其對應的負載持續(xù)率、絕緣等級、溫升、制作工藝水平、產品的可靠性等也會表現(xiàn)出一些明顯的差距。即使是在相同的產品參數(shù)性能指標下，由于具體電路及其切割機結構設計方面的不同，或者所采用的電子元器件的封裝形式不同，因而電路板等元器件的裝配、焊接和檢測工藝水平、自動化程度等也會明顯不同，這就會使逆變式空氣等離子弧切割機這類電子產品電路板的尺寸、生產時安裝的方便性、生產效率、生產成本、產品的成本等也會顯著不同。例如，采用大量自動插件和SMT貼片器件的切割機，由于裝焊這些器件通常采用先進、高效、適合于大批量自動化生產和檢測的設備，所以，可極大地提高電路板或電子產品的生產效率，降低生產成本，增加產品的市場競爭力。
[0006]也就是說，逆變等離子切割機的結構和電路設計不同，其技術參數(shù)、使用性能、生產效率，甚至產品的外觀和可靠性以及市場競爭力等是差別比較大的。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的在于提供一種單管IGBT工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，采用單管IGBT以及先進的逆變控制技術。所述的切割機，是一種三相380V供電，其額定電流/電壓為65A/104V，額定負載持續(xù)率60%，不僅體積小，而且重量輕，攜帶十分方便。當然，通過切割機外形和電路布局結構設計的變化，利用本實用新型所述的切割機電路板及其相應的零部件還可形成其它系列的產品，擴大產品的應用范圍，本實用新型切割機的電路和電路板及整機的結構設計合理，安裝方便，故生產效率高、制作成本低。
[0008]為實現(xiàn)上述目的采用以下技術方案:
[0009]一種單管IGBT工業(yè)級逆變空氣等離子弧切割機，包括外部部分和內部部分，其特征為，所述的內部部分主要分為上、下兩層布局，其上層部分包括供電、輸入整流、控制板部分;其下層部分包括主要為整流后濾波、逆變變換、輸出整流和電流濾波、電流信號檢測和氣路控制;所述的上層部分包括:控制變壓器、三相整流橋或橋堆、小弧控制板或線路板、高頻板或高頻控制板、主控制板，這些部件固定在切割機的中隔板上，各控制電路板位于上層部分，相當于被中隔板、左右側板、頂蓋組成的金屬外殼包圍，可起到隔離來自下層的大電流強電磁干擾的作用;所述的下層部分包括:濾波電解電容、擋風板、單管IGBT、熱保護器、小弧電磁閥、輸出整流快恢復二極管、橋臂電容、主弧電磁閥、假負載、電抗、引弧線圈、磁環(huán)、快恢復二極管、逆變諧振電容、諧振電感、換向電感、絕緣板、逆變主變壓器、霍爾傳感器，下層主要集中大功率高發(fā)熱量元件，通過中隔板與上層隔離，并與后面板的風道相通，形成快速冷卻通道。
[0010]所述的外部部分包括切前面板和后面板，前面板上安裝有:電源指示燈、過熱保護指示燈、欠壓/過壓指示燈、切割/試氣轉換或檢氣開關、電流調節(jié)電位器;前面板與工件連接的切割工件正極性輸出快速接頭座或快速接頭、等離子弧切割槍小弧接線柱、等離子弧切割槍開關的航空插座和等離子弧切割槍氣電一體化輸出接頭；后面板上安裝有:空氣開關、空氣濾清器、冷卻風扇，冷卻風機設置在后面板下部，使冷風從切割機機箱后部的進氣孔進行，可使下層部分的一些發(fā)熱器件或零部件有良好的冷卻效果。
[0011]在本實用新型各個控制電路板上，還有大量的其它電子元器件和零部件。各個控制電路板上，只有少量尺寸大的元器件和零部件需要生產人員手工裝配和焊接。其它很多SMT貼片式或插件式電子元器件，都是采用高效率的貼片機和插件機、自動焊接機和清洗機自動完成器件安裝、焊接和清洗的。因此，各個電路板的生產效率很高，出錯率低，制作質量都比較高，最終可使切割機產品生產時的一次合格率很高。降低了生產成本，提高了產品的市場競爭力。
[0012]本實用新型切割機的工作原理簡述如下:通電后，電源開關接通電網電源。相應的控制變壓器、各控制板等電路部分帶電工作。從電網來的交流電，經過整流橋整流后變?yōu)橹绷麟姟Ｔ俳涍^電解電容的濾波，變?yōu)檩^為穩(wěn)定的直流電，供給由單管IGBT組件、逆變變壓器、快速恢復二極管組件、濾波電感、換向電感、諧振電感等組成的逆變主電路。通過切割機前面板上的試氣檢測/切割轉換開關，可檢測切割機的氣體壓力是否正常，有沒有漏氣等現(xiàn)象。如果檢測正常，則通過該開關轉換到準備切割的工作狀態(tài)。壓縮空氣的氣壓和流量可通過空氣濾清器設定。當氣壓足夠的時候，才能使切割機進行正常工作，防止壓縮空氣的氣壓或流量不足燒壞等離子切割槍。
[0013]切割時，按壓等離子切割槍上的開關，即可實現(xiàn)等離子小電流的引導弧(簡稱小弧)點火，無需接觸工件。當切割槍去切割工件時，切割槍的電極與工件間可形成大電流的切割等離子弧(簡稱主弧)，實現(xiàn)對工件的切割操作。引弧高頻需要在其控制電路板、高壓電容、高壓包、(高頻耦合)引弧線圈等作用下才能形成。逆變和切割機輸出電流參數(shù)的控制是通過電路板的控制電路、電流給定電位器、霍爾