[其他]等离子电弧切割系统

说明书

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

本发明总体涉及等离子切割系统及加工领域。更具体地，本发明涉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

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心排出通孔的电极和喷嘴，电连接件，用于冷却的通道，以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，其为具有高温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，氩或氮)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耦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。

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(DC)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。这些已知的技术将很大的体积和/或复杂性引入电源设计中，这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温度上。

发明内容

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温度。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；三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；以及一个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温度。

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(THD)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。

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，斩波器以交替模式操作。使用单个电容器组以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三相二极管电桥。将多脉冲变压器连接至串联连接的两个三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，电感器耦合，例如绕共同磁芯缠绕。在等离子电源中使用耦合的电感器可导致电源减小尺寸，重量和/或易于组装。

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。热调节系统还包括泵，其连接至导管并且构造成引导冷却剂流体通过导管。电源具有以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温度大约100摄氏度；(iv)在切割操作期间最大变压器温度在大约133摄氏度。