空气等离子切割机引弧策略

韩 明，杨 程，蔡 涛，胡宏晟，王 涛

（1.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074；2.中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064）

空气等离子切割机引弧策略

韩 明1，杨 程2，蔡 涛1，胡宏晟1，王 涛1

（1.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074；2.中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064）

空气等离子切割机的传统引弧控制策略为恒流控制，导致引弧电阻功率等级高且需要实时采样引导弧电流。提出了改进的引弧控制策略，无需检测引导弧电流即可增加引导弧电流线性，在保证引弧成功率的前提下，极大降低了引弧电阻的功率等级，并减少电流传感器的使用，降低成本，同时能灵活调节引导弧的强烈程度。实验结果验证了改进的引弧控制策略的理论分析以及实用性。

空气等离子切割机；引弧控制策略；引导弧；切割弧

0 前言

等离子切割机以其加工质量好、效率高、切割范围广以及成本低等优点广泛应用于工业热加工领域[1-3]。用于金属材料热加工的等离子切割机的等离子弧为转移弧，即引弧过程中先在割炬与电极之间产生引导弧，再将引导弧转移至电极与工件之间形成切割弧，因此引导弧的质量决定了引弧成功率。引弧成功率是衡量等离子切割机的性能的重要标准，且对切割质量有影响。

传统的引弧控制策略为恒电流控制，保证了引导弧的稳定，但是需要额外的引导弧电流传感器以及引弧电路上的引弧电阻的功率等级高。本研究提出一种改进的引弧控制策略，不仅保证引弧成功率高，而且无需检测引导弧电流并降低了引弧电阻的功率等级，从而降低了设备的成本和体积。该控制策略已在以DSP2407为核心的10 kW空气等离子切割机上得到应用，验证了其实用性。

1 等离子切割机等效模型与工作原理

等离子切割机有两种引弧方式：接触式引弧[4]和非接触式引弧[5]。接触式引弧所用电极是非固定的，割炬通电时电极与喷嘴短路，此后电极受压缩空气的作用力与喷嘴分离，利用分离瞬间气隙小、电场强的电气特性来击穿气体[6]，但易造成割炬与电极的损坏且不适用于大电流场合。

非接触式引弧采用的电极是固定式，引弧过程中通过高频高压将气体电离后形成等离子弧，结构简单、引弧成功率高[7]。实验用切割机采用非接触引弧方式，其高频高压源（HFHV）的单个电压波形如图1所示。

1.1 等离子切割机等效电路模型的建立

等离子切割机电路拓扑如图2所示，高频主变压器T1前端采用移相全桥控制，后端采用全桥整流拓扑。开关管IGBT1~IGBT4为大功率IGBT，VD1~ VD4为IGBT寄生二极管，C1~C4等效于IGBT寄生电容与外接电容之和。Cb为隔直电容，Lr为谐振电感（包含主变漏感）。VD5~VD8为整流二极管，Lf为输出滤波电感。C5为输出滤波电感，C6为储能电容，C7为高频电容。R1为缓冲电阻，Rarc为引弧电阻，R3为压敏电阻，Q5为MOSFET。T2为匝比3∶10的高频耦合变压器，S1为开关。虚线框中为引弧电路。

图1 HFHV的电压波形

图2 等离子切割机电路拓扑

在建立等离子切割机主电路等效模型之前，作如下假设：（1）所有功率开关管、二极管均为理想器件；（2）所有电感、电容和变压器均为理想元件。

空气等离子切割机的关键参数如表1所示。

由于要实现滞后桥臂的ZVS，移相全桥电路需引入谐振电感，从而导致变压器二次侧的占空比丢失，表达式为[8]

表1 空气等离子切割机关键参数

式中 ΔD为占空比丢失；D为控制器输出的占空比；Uo为输出电压；TS为开关周期；If为输出滤波滤波电感电流。占空比丢失导致二次电压丢失，等效于二次电压被一个虚拟电阻Rd分压，等离子切割机等效电路模型如图3所示。

图3 等离子切割机等效电路模型

等效虚拟电阻大小Rd则由式（2）给出[9]，其电阻值与输入电压、输出电流、占空比均无关系，只与主电路的物理参数有关

经计算，Rd=6.22 Ω。

1.2 工作原理

等离子切割机进行切割操作时，首先按下割枪开关，控制器控制开关管Q5与开关S1开通，高频高压源HFHV产生的高频高压经过高频耦合变压器T2升压后通过高频电容C7加载在割炬与电极之间，将两者间的空气电离成等离子体，使割炬与电极之间形成通路。然后输出滤波电容C5、储能电容C6以及主电路通过Q5、Rarc为等离子体供电，等离子弧电流密度增大，形成引导弧。压缩空气将割炬与电极之间的引导弧转移至电极与工件之间形成高温的切割弧。切割弧可将钢板局部熔化，同时压缩气体将熔渣吹掉，形成切口，从而进行钢板的切割操作。

等离子切割机中的切割弧是引导弧经过转移所得，即引导弧的质量决定了切割机的引弧成功率。传统的引弧控制策略为恒电流控制，将引导弧电流控制为恒电流，虽然引弧成功率高，但是引弧电阻的功率等级高且需要IF1和IF2两个电流传感器。

等离子弧的温度与电流大小几乎成线性关系，而等离子弧的电阻率指数随温度的升高呈几何形式下降[10]，即等离子弧的电流越大，等离子弧的导电特性越好。由于等离子切割机工作时，割炬与工件之间的距离约为3~5 mm，为了提高引导弧转切割弧的成功率，一般取引导弧电流约为20 A。因为等离子弧电流密度最大时引导弧最容易转移为切割弧，所以保持引导弧电流峰值不变的情况下引弧成功率不变。

当引导弧电流幅值保持不变的情况下，将其控制成锯齿波型式，不仅引弧成功率不变，而且减少了电流传感器IF2的使用以及引弧电阻的功率等级减小了2/3，如式（3）所示。基于此，提出了改进的引弧控制策略。

2 改进的引弧控制策略分析

改进的引弧控制策略流程如图4所示。切割机进行切割时，首先按下割枪开关，建立引导弧。若输出电压小于180 V，则控制器输出占空比D以增量为定值Δd线性增加，直至输出电压大于180 V后，占空比D置0后又以增量为定值Δd线性增加。若主电路输出电流超过20 A，表明引导弧成功转为切割弧，引弧电路停止工作。

图4 改进的引弧控制策略流程

切割机进行切割时，首先按下割枪开关，建立引导弧。若输出电压小于180 V，则控制器输出占空比D以增量为定值Δd线性增加，直至输出电压大于180 V后，占空比D置0后又以增量为定值Δd线性增加。若主电路输出电流超过20 A，表明引导弧成功转为切割弧，引弧电路停止工作。

引引导弧过程中，电极与割炬之间一直存在等离子体，即可视为通路，引弧电路等效模型如图5所示。R为割炬与电极之间的等离子体等效电阻，其值非常小，可忽略其影响。

图5 引弧电路等效模型

因为输出占空比D每次在输出电压大于180 V时置0后又以增量为定值Δd线性增加，所以引导弧的能量先由电容提供，然后由主电路提供。当定值增量Δd过小时，会存在电容与主电路能量不足以提供维持引导弧的能量，即引导弧存在断弧情况。

2.1 引导弧连续时，引弧电路工作模态分析

当引导弧连续时，可根据能量源不同将引导弧过程分为三个工作模态。

（1）工作模态1。

工作模态1的等效模型如图6所示。当D被置0后，C5给引弧电路提供能量。引导弧电流表达式为

式中 τ1=（Rarc+R）C5≈Rarc·C5；UC5（0）=Uo1，Uo1为D置0时的输出电压。该模态放电时间常数为20.4 μs，所以模态1持续时间为半个开关周期。即C5对引导弧电流的影响很小，所以工作模态1可忽略。

图6 引导弧连续时，工作模态1等效模型

（2）工作模态2。

工作模态2的等效模型如图7所示。当模态1结束时，主电路此时还没输出，所以储能电容C6通过R1与Rarc给引导弧提供能量。引导弧电流表达式为

式中 τ2=（R1+Rarc+R）C6≈（R1+Rarc）C6，工作模态1持续时间很短，储能电容的电压在模态1期间视为恒定，所以该模态的放电时间常数为3 ms。

图7 引导弧连续时，工作模态2等效模型

（3）工作模态3。

工作模态3的等效模型如图8所示。当C6的电压下降至与输出电压相等时，引引导弧过程由模态2进入模态3。此模态时主电路为引导弧提供能量，并同时为C6充电。引导弧电流表达式为

图8 引导弧连续时，工作模态3等效模型

因为D是以增量为定值Δd线性增加，所以此模态下引导弧电流是线性增加的。即引导弧电流连续时，引导弧电流与主电路输出电压波形示意如图9所示。其中t1~t2为工作模态2阶段，t2~t3为工作模态3阶段。

2.2 引导弧不连续时，引弧电路工作模态分析

引导弧不连续时，可根据能量源不同将引引导弧过程分为5个工作模态。工作模态1、2、5分别与引导弧连续时的三个工作模态对应，不再赘述。下面分析工作模态3和4。

（1）工作模态3。

工作模态3的等效模型如图10所示。当储能电容C6放电至其电压与主电路输出电压相等时，如果此时主电路的输出电压与提供的能量不足以维持引导弧稳定会导致引导弧熄灭，引引导弧过程由工作模态2进入工作模态3。此工作模态时主要是主电路通过R1、Rd给储能电容C6充电，引导弧电流为0，主电路输出电压持续增加。即此模态时，主电路输出电压始终大于C6电压。储能电容C6电压的表达式为

图9 引导弧连续时，引导弧电流与输出电压波形

图10 引导弧不连续时，工作模态3等效模型

（2）工作模态4。

工作模态4的等效模型如图11所示。当主电路的输出电压升至能维持引导弧时，引导弧再次产生，等效于主电路后接入负载，输出电压存在一个陡降，但是储能电容C6的电压不变，所以此时C6的电压高于输出电压，进入工作模态4。此阶段是主电路与C6同时给引导弧提供能量。引导弧电流表达式为

图11 引导弧不连续时，工作模态4等效模型

引导弧不连续时，引导弧电流与主电路输出电压波形示意如图12所示。其中t1~t2为工作模态2阶段，t2~t3为工作模态3阶段，t3~t4为工作模态4阶段，t4~t5为工作模态5阶段。

图12 引导弧电流不连续时，引导弧电流与输出电压波形

3 改进的引弧控制策略参数设计

影响控制策略的参数主要有三个：（1）占空比D置0时的输出电压值Uo，决定引导弧电流的幅值，根据工程工作经验取Uo=180 V；（2）引导弧转切割弧的判断条件输出电流Io，为了避免双弧同时作用时间过长损坏电极和割炬，此值不宜过大，根据工程经验取20 A；（3）占空比D的增量Δd，决定引导弧的强度、频率以及连续性。

假设维持引导弧电流连续的最小电流为Imin，则工作模态2中电容C6电流减小到Imin的时间为Tmin，Tmin的计算方法如下

由式（5）、（9）可解得Tmin的表达式：

临界状态下，引导弧电流连续情况下的工作模态3中的引导弧电流初始值即为Imin，占空比初始值为ΔD1，则联立式（6）、（10）可得占空比D的固定增量为

即当Δd＜Δdmin时，引导弧断弧，引导弧电流不连续；当Δd＞Δdmin时，引导弧电流连续。为了保证引弧成功率，引导弧应该避免断弧情况，因此Δd应该大于Δdmin，但是Δd过大会导致Rarc的功率过大。权衡引弧成功率以及引弧电阻Rarc的功率等级，实际应用中Δd一般稍大于Δdmin。

4 实验验证

引导弧电流连续的临界电流Imin由储能电容C6容量以及等离子弧的特性决定，由实际试验测得Imin=5 A。等离子切割机的额定输入为Ui=480 V直流电，结合表1中的参数，由式（11）可得Δdmin= 1.39×10-3。

为了验证改进的引弧控制策略，分别取五组不同的定值增量Δd进行实验，参数如表2所示。

表2 五组不同的定值增量Δd参数

五组不同的定值增量Δd下的输出电压波形与引导弧电流波形如图13所示。

图13 不同定值增量Δd下的引导弧电流波形

图13a、13b表明当定值增量Δd过小时，存在引导弧断弧现象，且Δd越大，断弧持续时间越短，在引导弧断弧期间，主电路输出电压按式（7）持续增加。引导弧再次产生时，引导弧电流先减小后线性增加，验证了引导弧断弧时的工作模态分析。图13c、13d、13e验证了引导弧电流连续时的工作模态分析，并表明可以通过调节Δd来控制引导弧的强烈程度。即实验现象与理论分析吻合，改进的引弧控制策略得到了验证。

5 结论

本研究在给出等离子切割机主电路的等效模型的基础上阐述了引弧电路的工作原理。在传统的引弧控制策略基础上提出改进的引弧控制策略，在不降低引弧成功率的同时降低引弧电阻的功率等级以及减少1个电流传感器的使用，降低了成本。分析改进的引弧控制策略的工作机理，并且通过实验验证了改进的引弧控制策略的理论分析以及实用性。

[1]Ramakrishnan S，Gershenzon M，Polivka F，et al.Plasma generation for the plasma cutting process[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1997，25（5）：937-946.

[2]Sanajit N，Jangwanitlert A.Improved performance of a plasma cutting machine using a half-bridge dc/dc converter [C].Robotics and Biomimetics，2008.ROBIO 2008.IEEE International Conference on.Bangkok，Thailand：IEEE，2009：1601-1606.

[3]孔德杰，张光先.数控等离子切割技术在我国的现状与发展[J].电焊机，2005，35（1）：6-7+38.

[4]丁强，苗则层.等离子切割机引弧方式研究[J].电焊机，2010，40（9）：43-45.

[5]魏继昆，谭蓉.用于逆变焊机的几种高频引弧器设计[J].电焊机，2004，34（12）：35-37.

[6]宋晓清，赖晓阳.大功率等离子切割机引弧系统的研究[J].电力电子技术，2015，49（7）：100-102.

[7]王寿福，何良宗.一种空气等离子切割电源引弧电路的研究[J].通信电源技术，2008，25（5）：1-3.

[8]刘宝其，段善旭.逆变式等离子切割电源双闭环控制策略[J].中国电机工程学报，2011，31（9）：15-22.

[9]朱国荣.特种数字化弧焊电源关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[10]于婷婷.连续弧等离子点火器喷嘴电弧数值模拟分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

Arc striking strategy for air plasma cutting machine

HAN Ming1，YANG Cheng2，CAI Tao1，HU Hongsheng1，WANG Tao1
（1.School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China）

Traditional arc striking strategy for air plasma cutting machine is current closed-loop control，which results in the power level of arc resistance is high and need to sample the current of guiding arc in real time.The paper details a modified arc striking strategy to increase the current of guiding arc linearly without sampling it，and decrease the power level of arc resistance greatly on the basis of guaranteeing the success rate of arc striking，and decrease the number of current sensor，which reduce the cost of the machine and adjust the strength of guiding arc flexibility.Experimental results demonstrate the theoretical analysis and practicality of the modified arc striking strategy.

air plasma cutting machine；research of arc striking strategy；guiding arc；cutting arc

TG483

A

1001－2303（2017）02－0047-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.09

2016-06-29；

2016-12-03

韩 明（1992—），男，在读硕士，主要从事特种焊割电源的研究。

献

韩明，杨程，蔡涛，等.空气等离子切割机引弧策略[J].电焊机，2017，47（02）：47-53.