具有交联逆变器电路系统的焊接电力供应器的制作方法

具有交联逆变器电路系统的焊接电力供应器
1.本技术是申请日为2016年12月9日、国际申请号为pct/us2016/065778、国家申请号为201680076465.2、发明名称为“具有交联逆变器电路系统的焊接电力供应器”的发明专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术主张2016年11月17日申请的第15/354,282号美国专利申请、2015年12月31日申请的第62/274,117号美国临时专利申请、2016年1月25日申请的第62/286,764号美国临时专利申请的优先权和权益。第15/354,282号美国专利申请、第62/274,117号美国临时专利申请以及第62/286,764号美国临时专利申请全文因此以引用方式并入本文。


背景技术：

4.用于焊接的电力供应器通常将来自墙上插座的交流(ac)电力转换为适用于焊接操作的输出。输出电力是以适当电压和/或电流电平提供，并且可根据工艺要求来控制和调节。
5.在例如钨极惰性气体(tig)提升启动等焊接操作期间，存在短路事件。在该短路事件期间，特别难以将电力供应器的输出电流控制到可接受的电平以使工件在短路事件期间不熔化。
6.在电力供应器中需要可按有效且反应迅速的方式减小从电力供应器输出的电流电平并减少随之而来的热量的电路系统。


技术实现要素：

7.提供用于具有交联逆变器电路系统的焊接电力供应器的方法和系统，实质上如附图中的至少一幅所图示和/或结合附图中的至少一幅所描述，如权利要求书中更全面地阐述。
附图说明
8.图1示出根据本公开的焊接系统中的电力供应器的实施例。
9.图2示出根据本公开的电力供应系统的一些部件的实施例。
10.图3示出根据本公开的交联逆变器电路系统的实施例。
11.图4a示出根据本公开的来自第一逆变器电路系统的初级变压器电流的实施例。
12.图4b示出根据本公开的来自第二逆变器电路系统的初级变压器电流的实施例。
13.图4c示出根据本公开的图4a和图4b中的电流波形的总和的实施例。
14.图4d示出根据本公开的基于第一逆变器电路系统的输出的输出电感器电流的实施例。
15.图4e示出根据本公开的基于第二逆变器电路系统的输出的输出电感器电流的实施例。
16.图4f示出根据本公开的图4d和图4e中的输出电感器电流波形的总和的实施例。
具体实施方式
17.本公开的一些实施例涉及用于提供具有交联逆变器电路系统的焊接电力供应器的系统和方法。
18.图1示出根据本发明的方面的示范性焊接电力供应器10，其中示范性焊接电力供应器10为焊接操作供电、控制焊接操作并提供焊接操作。电力供应器10面向操作员的一侧包含控制面板12，其中操作员可经由控制面板12来控制材料(例如，电力、气体流、送丝等)到焊炬14的供应。工作线夹16连接到工件以闭合焊炬14、工件和电力供应器10之间的电路，并确保适当电流。在一些实施例中，例如，针对焊条焊接操作，焊炬14可以是电极。电力供应器10的便携性可通过一组轮子18来增强，其中轮子18使操作员能够将电力供应器10移动到焊接位置。电力供应器10的内部部件可被配置成将来自墙上插座或其它ac或直流(dc)电压源(例如，发电机、电池或其它电源)的电力转换为与在工件与焊炬14之间维持焊接电弧的电压、电流和/或功率需求相一致的输出。
19.在一些实施例中，电力供应器10是逆变器式的，并且包含用于产生焊接输出的两个交联逆变器。通过此拓扑，输出上所见的波纹频率两倍于逆变器的基本开关频率。为了例如在例如tig提升启动等焊接操作期间控制短路状况下的电流，电源的开关频率降低。开关频率可通过在短路状况期间停用逆变器中的一个来降低。当停用一个逆变器时，输出频率与逆变器中的每一个的基本频率或原始频率(即，在此实例中，启用两个逆变器时的频率)的一半相同。输出波纹频率的这种降低限制了输送到工件的电流(和热)。
20.如本文所使用，逆变器可以是逆变器或转换器。在一些实施例中，逆变器可包含接收或提供被逆变为ac信号的dc总线信号的电力电路。在一些实施例中，逆变器可以是转换器，其中所述转换器包含接收或提供ac或dc信号并将其转换为ac或dc信号中的一个或另一个或转换至不同频率的电力电路。因此，术语逆变器可在其范围内涵盖例如降压转换器、电力转换器、升压转换器、逆变器、隔离逆变器或转换器、dc/ac逆变器或转换器、高频(例如，比线路频率高出大约数十倍的频率)逆变器等。
21.通过在电力供应器10中使用交联逆变器布置，一些实施例避免电路复杂性，而响应时间未有损失。例如，通过使用交联逆变器布置，一些实施例可避免使用附加电路系统，该附加电路系统将通过依赖于时间的控制回路而使频率不断地转变。相比之下，通过使用交联逆变器布置，一些实施例可通过例如经由逆变器中的开关来启用或停用逆变器中的一个而几乎即刻地改变输出频率(例如，加倍或减半)。开关可由传感器控制(例如，断开或接通)，其中所述传感器检测例如焊接操作期间的短路状况或正常操作状况。此外，通过使用交联逆变器布置，一些实施例使得交联逆变器电路中的任一个的基本频率(也可称为基本操作频率)不改变。基本频率是逆变器电路的操作频率。在一些实施例中，逆变器电路在操作时提供基本频率，并且在逆变器电路不操作时提供不同频率(例如，约0hz)。这不同于较复杂的电路，其中逆变器电路的基本频率通过频率控制回路来改变。
22.在一些实施例中，通过使用交联逆变器布置，焊机电流可被控制到短路状况中(例如，tig提升启动)。交联逆变器布置可限制被提供到短路中的能量，以便不使钨(或其它金属)与基底金属熔融和/或熔接在一起，从而导致“粘性”启动。
23.图2图示可包含在焊接电力供应器10中的一些部件的示范性框图。具体来说，图2图示电压或电流源20，其中电压或电流源20在操作中将dc输出到第一逆变器电路24和第二
逆变器电路26。在一些实施例中，电压或电流源20可以是dc源，例如，电池。在一些实施例中，电压或电流源20可包含对传入ac整流并将其转换为dc的电路。
24.第一逆变器电路24和第二逆变器电路26可按并联布置或交联布置来配置。在一侧，第一逆变器电路24、第二逆变器电路26以及电压或电流源20连接到第一同一节点(例如，第一同一电路节点)。在另一侧，第一逆变器电路24、第二逆变器电路26和滤波电感器28连接到第二同一节点。
25.逆变器电路24、26操作以在单个节点处组合其相应输出，经组合的输出被馈送到滤波电感器28中，滤波电感器28供应用于焊接操作的输出电压v_out。通过停用逆变器电路24、26中的一个，输出电流i_out的频率可降低一半。焊接电弧32是通过焊接电流30来供应，并连接到工件34。在一些实施例中，可取代滤波电感器28而使用若干电感器。在其它实施例中，电感器28可具有用于组合两个逆变器电路24、26的输出的多个绕组。
26.图3是图示根据本公开的焊接电力供应器10中的交联逆变器电路系统的实施例的电路图，其中交联逆变器电路系统包含例如第一逆变器电路24(例如，第一前向逆变器电路)和第二逆变器电路26(例如，第二前向逆变器电路)。电压或电流供应器20被配置成将dc电力提供到第一逆变器电路24和第二逆变器电路26。
27.在第一逆变器电路24中，一对开关z1、z2(例如，电力半导体开关)对dc电压进行斩波，并在变压器t的初级绕组一侧(图3中的变压器t的左侧)将经斩波的dc电压供应到变压器t。变压器t将经斩波的初级电压变压为适用于切割或焊接电弧的电平的次级电压，并将其供应到变压器t的次级绕组(图3中的变压器t的右侧)。次级电压接着由整流二极管d3、d4整流，并供应到滤波电感器28。一组二极管d1、d2提供续流路径以供变压器t中所存储的磁化电流在所述一对开关z1、z2断开时流动，并且因此将变压器铁芯中所存储的磁通量或能量重置。此外，当开关z1、z2断开时，第一逆变器电路24被停用，并且第一逆变器电路24不再对流过滤波电感器28的输出电流作出贡献。
28.类似地，在第二逆变器电路26中，一对开关58、60(例如，电力半导体开关)对dc电压进行斩波，并在变压器t'的初级绕组一侧(图3中的变压器t'的左侧)将经斩波的dc电压供应到变压器t'。变压器t'将经斩波的初级电压变压为次级电压，并将其供应到变压器t'的次级绕组(图3中的变压器t'的右侧)。次级电压接着由整流二极管d3'、d4'整流，并供应到滤波电感器28。一组二极管d1'、d2'提供续流路径以供变压器t'中所存储的磁化电流在所述一对开关z1'、z2'断开时流动，并且因此将变压器铁芯中所存储的磁通量或能量重置。此外，当开关z1'、z2'断开时，第二逆变器电路26被停用，并且第二逆变器电路24不再对流过滤波电感器28的输出电流作出贡献。
29.组合的经整流的次级电压被供应到焊接电力供应器输出v_out，并且焊接电流i_out经由滤波电感器28而从电路24、26输出。在一些实施例中，逆变器电路24、26可包含额外部件或电路，例如，电容器、缓冲器、电压钳位、谐振“无损”缓冲器或钳位、门驱动电路、预充电电路、预调节器电路等。在一些实施例中，单个接地可被配置成支持两个逆变器电路24、26，并且第一逆变器电路24的二极管d3、d4的输出将在进入电感器28之前与第二逆变器电路26的二极管d3'、d4'的输出汇合。
30.图4a到图4f示出来自电力供应器10的交联逆变器电路24、26的各种中间电流和输出电流的实施例。图4a和图4b分别示出第一逆变器电路24和第二逆变器电路26的对应初级
变压器电流。逆变器电路24、26异相地操作。在图4a和图4b中，逆变器电路24、26异相180
°
地操作。因此，在一些实施例中，在图4a和图4b中的初级变压器电流处于相同频率(例如，个别逆变器电路的基本频率)下并且异相180
°
时，图4c中的组合电流以两倍的频率为特征。图4d和图4e分别示出来自第一逆变器电路24和第二逆变器电路26的对应输出电感器电流。图4f示出来自图4d和图4e的输出电感器电流的总和。
31.因此，在电流的减小(以及热的减少)有利于焊接操作时(例如，在短路状况、tig提升启动、钨极气体保护电弧焊(gtaw)提升启动等期间)，逆变器电路24、26中的一个可经由开关z1、z2、z1'、z2'被停用，并且电流的频率可减半。随后，当电流的增大(以及热的增加)有利于焊接操作时，逆变器电路24、26两者可经由开关z1、z2、z1'、z2'来启用，并且频率可加倍。在一些实施例中，输出电流频率可改变(例如，加倍和/或减半)，而不改变逆变器电路24、26中的任一个的基本频率。
32.一些实施例预期，除停用交联逆变器电路24、26中的一个之外，固件中的主控制回路还在短路状况期间被超控持续约25ms。在此时间期间，使用最小脉冲宽度(例如，最小“导通”时间)并忽略反馈控制。在一些实施例中，最小“导通”时间可以是约12μs或更小。在一些实施例中，最小“导通”时间可以是约1μs或更小。对所述控制进行超控的目的之一是将通到短路中的输出电流减到最小。此行为通常由下式控制：其中io是平均短路电流，vo是电源的开路电压，tmin是最小“导通”时间，rsc是短路电阻，并且period是在负载处所见的开关周期。增大周期以及具有较小的最小“导通”时间的此种组合可提供极清晰且一致的tig提升启动。
33.虽然图中示出了两个交联逆变器24、26，但一些实施例预期使用两个以上交联逆变器电路24、26。额外逆变器电路可提供较大频率范围和相对较大的控制。例如，通过各自具有基本频率f且异相120
°
的三个交联逆变器电路，焊接电力供应器可通过停用零个、一个或两个逆变器电路而以频率3f、2f和f提供输出电流。在另一实例中，通过各自具有基本频率f且异相360
°
/n的n个交联逆变器电路，焊接电力供应器可通过停用零个、一个、
……
或n-1个逆变器电路而以频率nf、(n-1)f、
……
、2f和f提供输出电流。
34.代替停用一个或更多个交联逆变器或除停用一个或更多个交联逆变器之外，一些实施例预期通过选通相互同相的逆变器来将频率降低一半(或以另一因子降低频率)。例如，可通过选通相互同相(而不是使用交联逆变器)的逆变器来使频率减半。
35.一些实施例还预期交联逆变器电路可用在用于等离子体切割的电力供应器中。
36.一些实施例进一步预期交联逆变器电路可用在用于其它应用的其它电力供应器中。
37.虽然已参照某些实施方案来描述本发明的方法、工艺和系统，但本领域的技术人员应理解，可进行各种改变，并且可替代等同物，而不偏离本发明的方法、工艺和系统的范围。此外，可进行许多修改以使特定情形或材料适应于本公开的教示，而不偏离本公开的范围。因此，希望本发明的方法、工艺和系统不限于所公开的特定实施方案，而是本发明的方法、工艺和系统将包含落入随附权利要求书的范围内的所有实施方案。