CN100398244C - 大电流焊接电源和埋弧焊方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于电弧焊接的逆变式电源，该电源包括一个驱动一个输出变压器的初级端的高开关速度的逆变器，该变压器包含一个电流超过250安培的初级电路，一个电流工作范围最大可超过700安培的次级电路，和一个将次级电流整流为适合用于焊接的直流电流的整流器。

Description

大电流焊接电源和埋弧焊方法
技术领域
本申请为2003年7月11日递交的先前申请S.N.10/617,236的部分继续申请。
本发明涉及电弧焊技术，特别是一种基于开关逆变器的电源，该逆变器能够产生此前用于焊接或其他用途的逆变式电源无法获得的焊接电流。
背景技术
本发明针对一种为使用埋弧工艺的电弧焊接特别设计的电源。这种焊接操作需要极大的焊接电流，通常超过1000安培。因而，用于此目的的电源一般包含强大的变压器输入式电源。近年来，焊接工业逐渐过渡到使用比庞大的大功率变压器式电源焊接效果更好、波形控制更精确且重量更轻的高开关速度逆变器。高开关速度逆变器包含一系列使电流在输出变压器的初级线圈中向相对的方向流动的成对开关。变压器的次级线圈连接到一个输出整流器，这样逆变式电源的输出信号通常是一个直流电压。因而，连接到高开关速度逆变器的直流电压通过使用输出变压器和输出整流器转变成直流输出。这已经在1990年代初期成为焊接工业的标准工艺，并成为许多为焊接设计的逆变电源的专利的主题。Blankenship5,349,157；Blankenship 5,351,175；Lai5,406,051；Thommes 5,601,741；Kooken 5,991,169；Stava 6,051,810；Church6,055,161；和Morguichi 6,278,080都是现今被广泛应用于电弧焊领域的使用输出变压器和整流器的逆变器的例子。这些专利在这里以参考编入，作为显示了本发明针对的高开关速度逆变式电源的类型的背景技术。这种类型的高效率电源的起源是多年前为照明和其他固定负载设计的低功率电路，它们的输出电流很低，例如小于10安培。这些年来焊接工业已将现有的低电流、高速逆变式电源转变成输出电流范围大致在200-300安培的焊接电源。从低容量电源到可产生焊接所需的输出电流的电源的转变涉及几年来高成本的开发工作。此开发工作产生了为电弧焊设计的最大可达500-600安培的高输出电流容量的逆变式电源。事实上，克利夫兰林肯电子公司(俄亥俄)已经向市场投放了一种输出电流容量范围大致在500-600安培的电弧焊电源。这已是基于带有输出交流变压器的高速开关逆变器的高效率电源的最大容量。更大的电流无法经济地获得。因而，这些逆变器本身无法用于大电流焊接操作，如管道制造厂重管焊的埋弧焊接。管道制造厂里这样的埋弧焊接通常会使用若干个串联电极，每个电极至少需要1000安培电流，无论电流是直流的还是交流的。因而，因为每个串联电极至少需要1000安培的焊接电流，逆变式电源无法用于管道制造厂里的埋弧焊接。林肯电子公司通过为埋弧焊接操作中的每个电极使用数个逆变器解决了这个问题。此项技术已在这里作为参考编入的Stava 6,291,798中大致说明。数个逆变器的合并使用使管道工业可以在管道截面的埋弧焊接中使用高效率的逆变式电源。然而，每个电极需要一个或更多的单独电源。此项主张代价很高，但与其他基于正弦输入变压器类型的电源相比确有很多优点。Stava 6,291,798被以参照编入来说明一种用低电流逆变式电源来实现大电流的方案。数个低电流逆变器连接起来以实现大输出电流的方法已在Stava 6,365,874，该Stava针对一个作为逆变器提到的电路，但该电路不是本发明的所针对的类型的电路。在Stava 6,365,874中，一个高容量输入变压器和整流器产生一个在焊接操作中被交替转换来产生交流焊接电流的直流电压。此专利与为电弧焊设计的逆变器的类型不同，但确说明了用数个逆变器来得到大输出电流的思想。这种类型的电路取代了埋弧焊接使用的基于变压器的电源。此专利在这里以背景信息被以参照编入。Stava6,365,874中出示的类型的电路可被转换成使用本发明针对的类型的逆变器，其中，交流输出电流由一个逆变器产生。此输出电路出示于Stava6,111,216中，其中未说明特定的逆变器。此专利被以参照编入。它说明了为交流电弧焊接使用一种不确定的逆变器的思想，其中，不考虑逆变器电流，极性反转点的大电流被减小以缩小Stava 6,111,261和Stava 6,365,874中出示的输出极性开关的尺寸。因为当使用交流输出电流时本发明需要Stava 6,111,261和声明的发明的实现来控制输出电流的转换，故这两个专利被作为背景信息被以参照编入。然而，此专利针对输出转换思想是概念上的，而不是针对任何类型的逆变器细节。
本发明针对于一种高转换速度的逆变器，它有一个带有次级整流器的变压器来产生电弧焊所需要的输出直流电压。在过去的十年中，这类电源已被修改和开发用于电弧焊接。本发明涉及此类电源的更进一步的开发，以在使单逆变器式电源的输出电流加倍的方法上更进一步。本发明涉及电源的几处变化，其中一处是在电源的输出端使用矩阵变压器，该变压器采用一种允许大电流从电源中输出变压器的初级传递至次级的新的模块思想。变压器的实际电路可以多样化；然而，这里作为背景信息被以参考编入的Blankenship5,351,175中出示了一个代表性的变压器电路。这些变压器模块是构成了变压器的次级的部件，且变压器的初级被交错插在这些模块中。矩阵变压器中使用了不止一个模块。此技术已为人熟知且出示在Herbert 4,942,353中，该专利在这里被编入，以便不必重复说明该矩阵变压器技术。在Herbert 5,999,078中，两个相邻的磁心装有次级绕组和初级绕组，且每个模块包含半匝次级绕组。这些模块仅通过一个芯体提供一个将被连接作为次级绕组的一部分的平的导电带件。初级绕组再依照标准矩阵变压器技术被交替插在这些模块中。一个在特定的磁心中含有几匝的相似模块出示在Herbert 6,734,778中。这里编入了这些专利来说明先前有关矩阵型变压器的次级绕组中使用的模块的技术。
发明内容
用于高容量电弧焊接的一种标准逆变式电源已经作了修改，该修改后的电源可用于输出焊接电流可超过700安培，特别是约1000安培的直流或交流焊接。基本的修改是一种并联作为输出变压器的次级使用的新的共轴模块，以允许大焊接电流流过变压器。此外，电源的输入端被连接至一个电压超过400伏特的三相线电流。因而，输入到通常为无源电路但也可能是有源电路的整流器和功率因子校正级的能量是一个相对较高的电压，且有超过250安培甚至300-350安培的极大的电流。因而，电源的逆变级被转换成使用电流容量超过250安培的开关，这样流至输出变压器的初级的电流为250-300安培。通过为输出变压器使用新的共轴模块，次级电流通常为1000安培。因为埋弧焊接需要此类电流，此电流水平被指定为大电流的界限，且作为大电流的界限被提及。设计一个可达到这种要求的电流水平的逆变式电源是一个新的概念。获得超过700安培的输出电流使逆变式电源的输出电流大大超过了焊接工业中任何以前可得到的输出电流。
依照本发明给出了一种用于电弧焊接的电源。该电源包含一个驱动输出变压器初级的高开关速度逆变器，其中变压器的初级电路工作在超过250安培的电流下，而变压器的次级电路工作在最大电流超过700安培的电流范围内。前述逆变器使用由脉冲宽度调制器控制的成对开关的脉冲宽度调制，而脉冲宽度调制器受一个使用波形技术的控制器控制。该电源包括一个将次级电流整流成适合电弧焊接的直流电压的输出整流器。
依照本发明的另一技术方案给出了一种埋弧焊接方法，该方法包括将一个超过400伏特的三相交流电压整流为一个直流信号，将该直流信号功率校正为一个电压超过400伏特的直流总线，通过高速交换直流总线将该直流总线逆变为一个最大电流超过250安培的交流信号，将该交流信号转换为一个最大超过700安培的焊接电流，将该焊接电流连接至一个埋弧电极并使电极沿着路径移动。此方法可选择工作在直流电流或交流电流下。当工作在交流电流模式下时，逆变操作的电流水平先于交流电流的每次极性反转被降低，如Stava 6,111,216所述。该专利涉及一种概括的变换概念，而不是某种特定类型的逆变器。
本发明的第一个目的是提供一种使用脉冲宽度调制且含有一个输出变压器和整流器的逆变式电源，该电源被设计用于获得此前无法获得的超过700安培的焊接电流。
本发明的进一步的目的是提供一种电源，如前所述，该电源的逆变器的输出变压器包含可将输出变压器初级端约300安培的电流转变成输出变压器次级端约1000安培以上的电流的共轴模块化次级绕组，。
本发明的另一目的是提供一种涉及在焊接操作中产生至少约700安培的焊接电流的埋弧焊方法，该方法可用于使用一个直径超过0.09英寸的电极的直流或交流MIG焊接。
接下来的描述和附图使这些以及其他目的和优点变得显而易见。
附图说明
图1是显示了本发明的一个实施例的结构框图。
图1A是本发明的实施例中使用的波形技术控制方案的局部逻辑图。
图1B是本发明的实施例中使用的高开关速度逆变级和新的输出变压器的原理线路图。
图2是本发明用于埋弧焊的原理图，显示了使用本发明的另外的优点。
图3-7是用本发明可获得的典型电流图样和分步的电流图。
图8是将本发明实施例用于埋弧焊接的方法的流程图。
图9是一幅电流图，显示了应用了Stava 6,111,216中公开和要求专利权的技术的发明的一个技术方案。
图10是一副配线图，显示了本发明的实施例为了调节图9中原理图示的极性反转电流水平的修改。
图11是用于本发明的实施例的模块的绘画视图。
图12是图11中的模块的侧视图，显示了同心管构造一侧的局部截面。
图13是一幅原理线路图，显示了图11和12中显示的模块中的电流流程。
图14是一副图11-13中显示的模块以及交替穿插于同心管组件中的通道的独立初级绕组的线路图。
图15是一副与图13相似的原理线路图，显示了使用两个带有全波输出整流器的平行管件的修改了的模块。
图16是如图11-13所示的三个模块的线路图，它们被连接成电弧焊接机电源的电源变压器的输出。
图17是高开关速度逆变器的原理线路图，该逆变器用于初级绕组和/或交替插在原理图式子图16以及详细显示于图11-13和图18中的模块中的绕组。
图18是如图16所示连接的三个模块的绘画视图，这些模块使用了一些图11-13中显示的和可用于图1中的电源的模块。
具体实施方式
本发明涉及一种用于跨过电极E和工件W之间的间隙的电弧焊接的电源S，其中该电源包括一个带有电源容量超过250安培的开关的工作在开关频率大致在40kHz范围内的高开关速度的逆变器300。图1所示的电源S的优选逆变器300的详细情况显示在图1B中。实施例的控制结构原理图示于图1A中。参照电源S的实施例，该电源的输入级是一个超过400伏特交流电压的三相线电流。三相电源310由整流器312整流，在线路320中产生一个直流信号，此直流信号被引导至一个标准的功率因数校正级的输入端或电路330。电路330宜为无源式且依照标准工艺包含了电感器332和电容器334的原理表示。然而，本发明同样可应用于一个用来产生跨接在线路340，342上的第一直流总线的有源功率因数校正级。此直流总线的电压大致与线路320的峰值电压相等。线路340，342处经功率因子校正和前置调节后的直流总线为高开关速度逆变器300的输入。通过在输入级310处提供高输入电压，在直流总线340，342处可得到高电压、大电流和大功率，因此逆变器300中的极高容量的开关为输出变压器350提供了大电流。变压器350的初级352存在开关频率约为40kHz且的大致范围在300安培的交变电流。通过设置如图11-18中描述的新的模块式矩阵变压器，变压器350的次级可将初级的电流提高3-5倍。在实施例中初级端或绕组352和次级端或网络360间的增加的电流约为3倍。这样，流入初级352超过300安培的输入电流可在显示为A1、A2和A3且使用图11-18中显示的模块的次级网络或矩阵变压器360中产生约1000安培电流。逆变器300中的开关对的占空比使次级网络360中可流通约50-1000安培电流。该占空比可为5％至100％。变压器350的输出被整流器370整流，在引线380处产生一个正电压，在引线382处产生一个负电压，而在引线384处产生一个中心地。这样，电源S将级310的高输入线电压转换成线路380，382处的一个电流范围在50安培至约100安培直流控制电压。直流总线380，382的电压大大小于直流总线340，342的电压。实际上，此电压小于直流100伏特。依照标准焊接工艺，焊接操作可由跨接至引线380，382的电极E和工件W直接进行。然而，在本发明的实施例中，电源是一种可工作在直流焊接和交流焊接两种模式下的高电流容量电源。为实现这种选择性，本发明的一项特点是包括了一个由输出直流总线380，382驱动的标准极性开关。极性开关390可被设在直流正，直流负，或交流。与极性开关390选择的实际操作模式无关，本发明的实施例中的波形由林肯克利夫兰电子公司(俄亥俄)引导的波形技术控制。这种控制系统包含了原理图示于图1A中的部件，其中电流测量分流器400的输出引线402被连接至带有来自标准波形发生器410的第二输入410a的误差放大器420。这样，电源S实施的焊接操作的波形和电流由发生器410输出的波形图依照与反馈线路402中的实际电流的比较来控制。原理图示为误差放大器420的比较器是控制系统中的一个软件部件，它在线路422上输出一个信号。线路422上的信号电平控制了逆变器300中各种开关对的占空比。实际的控制是通过振荡器432驱动的脉冲宽度调制器430实现的。输出端434上的信号被导向逆变器300的控制器C，很好地显示在了图1B中。当然，反馈控制可以是焊接过程中的电弧电压、电弧电流或电弧功率。作为最常见的反馈参量，反馈电流控制仅以示意的目的作了说明，以说明本发明的实施例中的波形技术控制。控制器C、脉冲宽度调制器430和波形发生器410需要一个控制电压，此控制电压可由连接至直流总线340，342的降压转换器或电源S中的其他直流电压的提供。在本发明的示例实施例中，用于控制电源S的电路板的控制电压由输入电源310的一个单相驱动的电源440提供。电源440在线路442中产生一个约直流15伏特的控制电压来驱动电源S中使用的各种控制器。当极性开关工作在交流模式时，强度可达1000安培的电流在正极性和负极性间转换。如Stava6,111,216所述，极性开关390设置了线路450以将此线路中的极性反转信号导至逆变器300。当极性开关将改变极性时，逆变器被关闭。于是，此信号将逆变器300的输出电流大小减小至一个约0-200安培的低水平。在实际的极性反转生效前，极性开关350将等待，直到线路380，382中的电流减小至一个设定的水平。这是图9和图10中显示的标准技术，并在先前的Stava专利中作了详细说明，该专利的针对的示此输出思想，而不是逆变器的细节本身。
在图1B中，开关SW1，SW2由选通线路460，462协同操作。它们通过脉冲宽度调制改变这些线路上信号的占空比关系来控制。开关SW3，SW4由线路470，472中的选通信号以相似的方式协同操作。这是一个全桥高开关速度逆变器网络，其中开关选同信号依照线路434中来自脉冲宽度调制器430的信号从控制器C输出。这些开关工作在约40kHz频率下，且包含一个控制输出电流在50安培至1000安培的工作循环。电容器480可稳定逆变器300构成直流总线的引线340，342间的电压。通过依照本发明描述的实施方法来构建电源S，该电源可输出一个直流或交流焊接电流，其最大电流强度可大于700安培，实际上至少约1000安培。此前这在高速开关逆变器中从未实现，且在使用1980年代时的低负载逆变器并把它们转换成可输出此前无法获得的输出电流的大容量工业电源上更进了一步。
图9和图10显示了本发明的实施例的一点改动，其中主动缓冲器500被跨接至极性开关390中的每个开关上。因为这些缓冲器是完全相同的，图10中仅出示了连接至极性开关SW5的缓冲器。依照操作标准，二极管502与电容器504串联连接。此电容器是开关SW5上的电压。电容器上的电压由控制了开关508的探测器506检测。当电容器504的电压向一个给定的电平靠近时，它通过关闭开关508由电阻510放电。在图9中脉冲600，602表示极性开关390的交流操作。当线路450中出现一个显示极性将被反转的信号时，逆变器300在点610被调低或关闭。电流而后将衰减，直到达到一个指定的水平612。此时，电流实际上被反转了。如果输出电流在1000安培，电流612可能为300安培。这样，电流下降量为f，而转换仅在一个表示为e的电流水平发生。这是当没有可产生大于约500-600安培的焊接电流的焊接电源时Stava 6,111,216的系统的实现。通过使用缓冲电路500，电流反转水平612可调。当无缓冲器跨接至极性开关390中的开关时，反转水平很低。通过使用有源缓冲器500，正脉冲600中的转换点电流612和负脉冲602中的转换点电流613可调节被至高一些的水平。因为电压S的输出工作在不同的频率下，极性开关390中的开关可包含缓冲器，它们可包含一个有源缓冲电路500或不用缓冲器。缓冲程序的选择决定了在何种电流下极性开关390将实际执行反转操作的电流反转点612，614。图9和图10的说明不是本发明的要点，但在本发明的实际应用中有使用。发生器410的许多焊接波形也是如此。图3-7显示了各种使用波形发生器410的波形技术产生的交流波形。图3中，交流MIG波形700周期为a，且包含正的部分702和负的部分704。部分704的振幅或大小为x。负振幅为y。此例中，波形700提供了一个更大的负安培数。反过来图4中显示的波形710也是如此，其中正的部分712的大小x比负的部分714的大小更大。每个正的和负的部分由一些小电流脉冲z形成，与通过波形发生器410控制的波形技术来对逆变器300的输出进行脉冲宽度调制的常规特性一致。如果电流需要是正弦波，这可通过使用本发明的实施例中应用的波形技术来完成。此性能示例于图5中，其中波形720含有一个正的正弦曲线部分722和一个负的正弦曲线部分724。因为需要通过开关390来反转波形720的正的部分和负的部分间的极性，波形通常包含大致垂直的过渡部分726，728，即图9中显示的电流反转点。交流焊接波形的占空比可被改变，如图6所示，波形730包含了有相同振幅但不同时限或占空比的正的部分732和负的部分734。部分732的时间长度为c而部分734的时间长度为d。对于振幅和占空比的变化连同波形实际的形状变化已作了说明。图7显示了包括正的部分的742，752和负的部分744，754的波形740，750。波形740的频率为低频f1而波形750的频率为高频f2。图3-7是许多交流波形的代表波形，它们可由电源S中使用的优选的布置来实现。要执行直流焊接时，波形形式可由波形发生器410依照标准控制技术控制。图3-7和图9-10涉及部件的操作和本发明实施例的小的修改，对本发明的实施不构成限制。
本发明主要可应用于使用大直径电极线的焊接，如线的直径范围为0。090至0。3英寸，例如每次焊接操作的电流的大致范围超过650安培的埋弧焊接。当几个电极串联使用来进行焊接时，特别是繁重的制造焊接时，电源S可应用于每个电极。将本发明用于埋弧焊接的思想示意于图2和8中，其中基本的电极是单电极E。图2中，工件800是用沉积助熔剂层802和连接至电源S的输出端子392的电极E焊接的管道交会点。该交会点可以是接缝或管道制造厂的中止焊缝。通过将工件800如箭头804所示参照电源移动，电极E熔化成移动工件上的沉积熔铸金属。这是标准的埋弧焊接工艺。当然，某些情况下管道焊接是在野外进行的，其中使用了不止一个电极，如交流MIG过程。因为电源S的容量约为1000安培，本发明的一项正常存在的特性示意于图2中，其中每个电极需要小于约300安培的电流。除了电极E外，显示了三个电极810，812，814。已发现电源S的刚性本质使得它可通过使用串联电阻820，822，824和826驱动4个电极，每个电极的焊接电流约为200安培。这样，当其中一个电极与工件800短路时，其他电极可继续进行焊接。因为电源S的高电流容量，使用一个电源使数个电极工作成为可能。此能力使能量可存储在电感器中，这样当一个电路短路时不会耗尽来自其他电极的全部电流。图2中几个电感器的原理示意是为了说明高容量电源的优点。电源S适宜于配合单电极E使用；然而，多电极焊接也可使用电源S进行。这在无论是交流还是直流的MIG焊接时都特别有益。本发明可用于管道制造厂里的单电极E和管道制造厂里或野外的多电极。
使用电源S的埋弧焊接方法以流程图显示于图8中。依照本发明的实施例，一个超过400伏特的交流三相线电压被整流，如区块902所示。区块904的整流输出由一个有源或最后为无源的功率因数作功率因数校正，如区块904所示。功率因数校正电路904的直流输出被转换成电流强度超过300安培的交流信号，如区块906所示。此大电流被转换成一个电流增加至超过700安培且大致范围在1000安培的次级交流信号。为达到此目的，变压比应在3∶1至4∶1之间。来自区块908中表示的变换操作的电流经整流产生一个被导向产生直流或交流焊接电流的开关的直流总线，如区块910所示。此电流的大小可达1000安培，如区块912所示。此大焊接电流被连接至一个埋弧电极E，如图2中所示。此电极的直径的范围大致在0.090至0.300英寸间。这由区块914表示出来。于是，本发明一般适用于使用直径超过约0.100英寸的电极的焊接。此后，由大电流电源驱动的电极被沿着区块916所示的工件连同区块918所示的粒状助熔剂802移动。照这样，使用了一个单独的逆变器实施埋弧焊接。不需要联合两个单独的逆变器电源来产生埋弧焊接过程中需要的电流。
通过使用图1中显示的电源S的一个模块化结构的矩阵次级360，将过去的高开关速度逆变器转换成输出焊接电流超过700安培且范围大致在1000安培的电源成为可能。于是，输出次级绕组被分为几个部分A1、A2和A3，如图1B中原理图示。变压器350的次级端通过使用许多模块A构成，如图11-18中的描述和说明。数个模块A被用于一个矩阵变压器，其初级绕组被交错插在两个或更多的模块A之间。每个模块是相同的，且将被描述为一个模块并被联合使用于变压器350的输出。
模块A构成自一个第一部件10和中止于含有一个连接孔16的下部接头14的第一管件12。当模块A仅包括第一部件10时，管件12中的中心通道18用作初级绕组通道。如将被说明的那样，实施例含有两个通过嵌套两个通常由铜制成且相互嵌套的共轴导电管而形成的部件。第一部件10的第二管件20包括一个带有下部连接孔24的端子接头22，且带有一个中心圆柱装通道26。为将管件12相对于管件20固定以便这些管件互相平行且间隔开来，设置了一个第一跳线带件。带件30中的两个空的孔洞环绕于管件10，20的第一末端，这样焊接交会点32将管件固定在孔洞中。如目前已经描述，跳线带件位于管件的一端，管件互相平行且相互隔开，它们的另一端各自有突出的接头16，22。如稍后将作说明，仅部件10可能被使用；然而，实施例涉及本质上与部件10相同的第二部件40和因直径较小而套入管件12，20的管件间的共轴关系。部件40包括一个含有一个带有连接孔46的下部接头44的第三管件42和一个容纳绕组P的中央通道48。第四管件50有一个带有连接孔54的下部接头52，这样第三个和第四个管件可通过第二跳线带件60连接在一起，该带件带有环绕管件42，50的第一末端的隔开的空隙。环绕管件的焊接交会点62将管件连入跳线带件60的孔洞中。除管件42，50的直径大大小于管件12，20的直径外，此第二部件与第一部件是十分相似的。在管件的圆柱形间隙中设置了一个Nomex绝缘套筒或圆柱件70，72。这些圆柱形绝缘套筒将构成了模块A的基本部件的共轴管件电隔离。塑料末端帽件80，82在帽件80中设置了两个横向隔开的凹槽84，而在帽件82中设置了两个凹槽86。图12中仅显示了凹槽84，86中的一个。其余的凹槽是相同的，无需再说明。模块A的左共轴部件的构造本质上与右共轴部件的构造相同，如图12中的剖面所示。如图所示，在帽件凹槽84，86间设置了一些铁氧体圈状环或磁心90-98。为使磁心居中设置了一些硅垫圈100，这样带有头部112的螺钉110将末端帽件夹在一起。此举措将隔开的环围绕模块A的共轴管件固定。带有共轴管件的部件10，40由一个带有弓形初级绕组导板122的上部塑料突出部分120固定在模块A上。该突出部分由横向隔开的螺钉124固定到末端盘件82上。突出部分120包含横向隔开的槽126，128，这样该突出部分可通过绕着隔开的跳线带件30，60转动由部件10，40的一个边缘移动到中心位置。当塑料突出部分位于模块的中心时，它由螺钉固定到末端帽件82上。这使得部件10，40被夹到模块A上图12中显示的位置，且使带件30，60间隔开固定。共轴管件由与末端帽件80，82中的圆柱状凹槽84，86分别同心的孔洞80a，82a定位。每个末端帽件中设置了两个这类孔洞。垫圈100使共轴管件位于磁心环90-98构成的圆柱体中心。
模块A被连接作为由逆变器的初级驱动的高频变压器的次级。此电气布置涉及用带有孔洞132，134和136的中心抽头连接器130将部件10，40串联连接。铆钉140将孔洞与接头52连接起来，而铆钉142将孔洞136和接头14连接起来。为稳定中心抽头130，抽头的末端设置了圆柱状翼144，146，与图12中很好地作了说明。如图13所示，模块A被连接至带有二极管152，154和输出端子156的整流器150。通过这种布置，单独的共轴模块允许初级绕组或绕组P穿在圆柱形通道48，56中，故该模块为高频率变压器的次级。当应用于电弧焊接机时，这是本发明的常规用法。实施例的简化线路图示例于图14中，出示了初级绕组P和次级绕组12/20和42/50。
依照模块A的修改，图15中显示的模块A’仅包括了只带有定义了端子末端16，24的导电管件12，20的管形部件10。这些端子跨接至带有输出端子162，163的全波整流器160。管件12，20可以是一个单独的管子；然而，本发明中使用了两个管件来减小感应，故逆变器的初级绕组围绕跳线30穿过容纳开口18，26的中心绕组。
一些模块A被排列起来，为图16中由电极E和工件W表示的焊接机提供高频变压器。电源S中使用的此矩阵变压器思想原理图示于图16-18中，其中模块A1，A2和A3由图18中显示的多模块部件的一端中的末端带件190，192和另一端上的末端带件194，196连接在一起。螺钉夹住一个围绕模块A1，A2和A3的框架，将它们装配为一行，如图18所示，其中每组通到48，56相互平行且边对边对齐。图18中显示的部件的线路图出示于图16中，其中端子156并联连接至端子170而中心抽头148并联连接至端子172。线路图17中原理图示了一个或多个逆变器的初级绕组。逆变器200在初级P1中产生一个交流电流。逆变器202在初级P2中以相同的方式产生一个交流电流。这两个初级绕组一同交错穿插于模块A1，A2和A3中。实际上，图18中的矩阵变压器中使用了两个初级绕组；然而，这种类型的矩阵变压器中也使用一个单独的绕组。图16-18仅示例说明了图11-13中的共轴次级变压器模块A可作为单独的次级绕组或并联的次级绕组用于矩阵变压器中。其他的一些布置方式将模块A用作逆变器300和极性开关390间的变压器350的次级绕组。模块A中的管状共轴导体可由环绕各个管件的中心轴的拉长带状螺旋线代替。这种螺旋线构造仍保持了同心管件间的共轴关系。词条“管件”定义一个连续的的管形导体，如目前所述，或可选的实施例中使用的螺旋管。
通过在变压器350的次级360中使用新的共轴模块，将开关SW1-SW4的额定电流提高至约300安培的水平是可能的。这样，只要受脉冲宽度调制器340的控制，逆变器300的输出可达到最大的额定电流。这样可在初级绕组352中产生350安培的电流。通过使用共轴矩阵变压器得到3∶1至4∶1的匝数比，焊接电流可达到约1000安培。此前这从未在焊接工业中实现，且将普通的低功率逆变式电源转变成一种全新类型的可驱动1000安培电流的埋弧焊接设备的工业电源。实施例由一个调节占空比的脉冲宽度调制器控制。另一种可选的控制手段是使用调节相移的脉冲宽度调制器，如一些逆变器中所作的那样。

Claims (107)

1.一种用于电弧焊接的电源，该电源包括一个用于驱动一个输出变压器初级端的高开关速度逆变器，所述输出变压器含有一个电流可超过250安培的初级电路和一个工作电流范围最大可超过700安培的次级电路，和一个将所述次级电流整流成适合于焊接使用的直流电流的输出整流器。
2.如权利要求1的电源，其中，所述的次级电流包括一些独立的绕组模块，每个模块都有特定的电流容量，且并联于总输出焊接电流即所述独立绕组模块的电流之和。
3.如权利要求2的电源，其中，所述的每个模块包括一个带有第一和第二末端的第一导电管；一个带有第一和第二末端的第二导电管，第二导电管与第一导电管平行且很靠近，所述管件含有一个用于容纳所述初级电路的一个或更多初级绕组的中心拉长通道；一个环绕每个所述的管件的磁心；一个连接至所述管件的所述第一末端的跳线带件；和一个在所述管件的所述第二末端处构成连接器的电路。
4.如权利要求3的电源，其中，所述的每个磁心均包含一些围绕所述管件的其中的一个管件的环形圈。
5.如权利要求4的电源，包括了一个在所述跳线带件上的突出物和一个位于所述平行管件的所述中心通道间的引导表面。
6.如权利要求3的电源，包括了一个在所述跳线带件上的突出物和一个位于所述平行管件的所述中心通道间的引导表面。
7.如权利要求6的电源，包括了一个含有带有第一和第二末端的第三导电管的导电部件，一个带有第一和第二末端的第四导电管，和一个连接所述第三和第四管件的所述第一端部的第二跳线带件，所述第三和第四管件相互平行且平行于所述第一和第二管件；所述第三和第四平行管件分别被套入所述第一和第二管件的所述通道中，且具有拉长通道，该拉长通道容纳所述初级绕组或带有相互间隔开的第一和第二跳线带件的所述初级电路的绕组；一个位于所述第一和第三管件间的第一管状绝缘体；一个位于所述第二和第四管件间的第二管状绝缘体；一个将所述导电部件连接至所述的第一和第二管件之一的一个第二末端来将所述管件连成一个串联电路的中心抽头。
8.如权利要求7的电源，其中，所述第一和第二管件之一的所述第二末端和所述第三和第四管件之一的一个末端被连接至一个整流器。
9.如权利要求7的电源，包括了一个所述跳线带件间的绝缘体。
10.如权利要求4的电源，包括了一个含有带有第一和第二末端的第三导电管的导电部件，一个带有第一和第二末端的第四导电管，和一个连接所述第三和第四管件的所述第一端部的第二跳线带件，所述第三和第四管件相互平行且平行于所述第一和第二管件；所述第三和第四平行管件分别被套入所述第一和第二管件的所述通道中，且具有拉长通道，该拉长通道容纳所述初级绕组或带有相互间隔开的第一和第二跳线带件的所述初级电路的绕组；一个位于所述第一和第三管件间的第一管状绝缘体；一个位于所述第二和第四管件间的第二管状绝缘体；一个将所述导电部件连接至所述的第一和第二管件之一的一个第二末端来将所述管件连成一个串联电路的中心抽头。
11.如权利要求10的电源，其中，所述第一和第二管件之一的所述第二末端和所述第三和第四管件之一的一个末端被连接至一个整流器。
12.如权利要求10的电源，包括了一个所述跳线带件间的绝缘体。
13.如权利要求3的电源，包括了一个含有带有第一和第二末端的第三导电管的导电部件，一个带有第一和第二末端的第四导电管，和一个连接所述第三和第四管件的所述第一端部的第二跳线带件，所述第三和第四管件相互平行且平行于所述第一和第二管件；所述第三和第四平行管件分别被套入所述第一和第二管件的所述通道中，且具有拉长通道，该拉长通道容纳所述初级绕组或带有相互间隔开的第一和第二跳线带件的所述初级电路的绕组；一个位于所述第一和第三管件间的第一管状绝缘体；一个位于所述第二利第四管件间的第二管状绝缘体；一个将所述导电部件连接至所述的第一和第二管件之一的一个第二末端来将所述管件连成一个串联电路的中心抽头。
14.如权利要求13的电源，其中，所述第一和第二管件之一的所述第二末端和所述第三和第四管件之一的一个末端被连接至一个整流器。
15.如权利要求13的电源，包括了一个所述跳线带件间的绝缘体。
16.如权利要求6的电源，其中所述的跳线带件为一个中心抽头。
17.如权利要求5的电源，其中所述的跳线带件为一个中心抽头。
18.如权利要求4的电源，其中所述的跳线带件为一个中心抽头。
19.如权利要求3的电源，其中所述的跳线带件为一个中心抽头。
20.如权利要求2的电源，其中所述的每个模块包括第一套共轴的由管状绝缘体隔开的同心的嵌套的导电管；第二套共轴的由管状绝缘体隔开的同心的嵌套的导电管；一个围绕所述每套导电管的磁心，所述的每套均包含一个至少容纳所述初级电路的一个初级绕组的拉长中心通道，和将所述套的所述管件连接成串联电路的导体。
21.如权利要求2的电源，其中，所述高开关速度的逆变器工作在高于20kHz的频率。
22.如权利要求1的电源，其中，所述高开关速度的逆变器工作在高于20kHz的频率。
23.如权利要求2电源，包括了一个电压超过交流400伏特的三相输入电源。
24.如权利要求1的电源，包括了一个电压超过交流400伏特的三相输入电源。
25.如权利要求24的电源，包括了一个位于所述输入电源和所述逆变器之间的功率因数校正电路。
26.如权利要求25的电源，其中，所述功率因数校正电路为一个无源电路。
27.如权利要求23的电源，包括了一个位于所述输入电源和所述逆变器之间的功率因数校正电路。
28.如权利要求27的电源，其中，所述功率因数校正电路为一个无源电路。
29.如权利要求28的电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
30.如权利要求29的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
31.如权利要求30的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
32.如权利要求29的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
33.如权利要求27的电源，其中，所述逆变器受一个波形发生器驱动的脉冲宽度调制器控制。
34.如权利要求33的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
35.如权利要求34的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
36.如权利要求33的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
37.如权利要求26的电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
38.如权利要求37的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
39.如权利要求38的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
40.如权利要求37的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
41.如权利要求25的电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
42.如权利要求41的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
43.如权利要求42的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
44.如权利要求41的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
45.如权利要求24的电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
46.如权利要求45的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
47.如权利要求46的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
48.如权利要求45电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
49.如权利要求23电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
50.如权利要求49的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
51.如权利要求50的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
52.如权利要求49的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
53.如权利要求22的电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
54.如权利要求53的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
55.如权利要求54的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
56.如权利要求53的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
57.如权利要求21的电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
58.如权利要求57的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
59.如权利要求58的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
60.如权利要求57的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
61.如权利要求2的电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
62.如权利要求61的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
63.如权利要求62的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
64.如权利要求61的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
65.如权利要求1的电源，其中，所述逆变器由一个脉冲宽度调制器控制。
66.如权利要求65的电源，其中，所述脉冲宽度调制器控制所述逆变器的相移。
67.如权利要求66的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
68.如权利要求65的电源，其中，所述脉冲宽度调制器由一个波形发生器驱动。
69.如权利要求65的电源，其中，所述的电源被连接至一个埋弧电极和一个将该电极相对于被焊接的工件移动的移动装置。
70.如权利要求61的电源，其中，所述的电源被连接至一个埋弧电极和一个将该电极相对于被焊接的工件移动的移动装置。
71.如权利要求24的电源，其中，所述的电源被连接至一个埋弧电极和一个将该电极相对于被焊接的工件移动的移动装置。
72.如权利要求22的电源，其中，所述的电源被连接至一个埋弧电极和一个将该电极相对于被焊接的工件移动的移动装置。
73.一种沿着工件上的一条路径实施埋弧焊接的方法，该方法包括：
(a)将一个交流电压超过400伏特的三相电源整流以得到一个直流信号；
(b)将所述直流信号作功率因数校正，成为一个电压超过直流400伏特的直流总线；
(c)通过所述直流总线的高速交换将该直流总线接入一个最大电流强度超过250安培的交流信号中；
(d)将所述交流信号转换成一个最大电流强度超过700安培的焊接电流；
(c)将所述焊接电流连接至一个与所述工件隔开的埋弧电极；和
(f)将所述电极沿着所述路径相对于所述工件移动。
74.如权利要求73的方法，其中，所述焊接电流可在交流电流和直流电流间选择。
75.如权利要求73的方法，其中，所述焊接电流为该焊接电流的交替极性反转的交流电流。
76.如权利要求75的方法，包括了先于极性反转降低所述反转操作的电流大小的操作。
77.如权利要求73的方法，其中，所述电极的直径至少为0.090英寸。
78.一种沿着一条路径焊接的方法，该方法包括：
(a)将一个交流电压超过400伏特的三相电源整流以得到一个直流信号；
(b)将所述直流信号作功率因数校正，成为一个电压超过直流400伏特的直流总线；
(c)通过所述直流总线的高速交换将该直流总线接入一个最大电流强度超过250安培的交流信号中；
(d)将所述交流信号转换成一个最大电流强度超过700安培的焊接电流；
(e)将所述焊接电流连接至一个直径大于0.090英寸的电极；和
(f)将所述电极沿着所述路径移动。
79.如权利要求78的方法，其中，所述焊接电流可在交流电流和直流电流间选择。
80.如权利要求78的方法，其中，所述焊接电流为该焊接电流的交替极性反转的交流电流。
81.如权利要求80的方法，包括了先于极性反转降低所述反转操作的电流大小的操作。
82.如权利要求78的方法，其中，所述电极的直径至少为0.090英寸。
83.如权利要求78的方法，其中，所述转换是通过一个至少有三个并联着的次级绕组的变压器完成的。
84.如权利要求83的方法，其中，所述转换是通过一个含有一个用于一种极性的电流的第一初级和一个用于相反极性的电流的第二初级的变压器完成的。
85.如权利要求78的方法，其中，所述转换是通过一个含有一个用于一种极性的电流的第一初级和一个用于相反极性的电流的第二初级的变压器完成的。
86.如权利要求85的方法，其中，所述初级绕组中的电流由所述初级相反的末端上的一对开关的占空比决定。
87.如权利要求84的方法，其中，所述初级绕组中的电流由所述初级相反的末端上的一对开关的占空比决定。
88.一种用于电弧焊接的电源，所述电源包括与输出变压器耦合的高速变换逆变器，所述输出变压器包括初级电路和次级电路，所述初级电路由所述逆变器驱动，所述次级电路包含多个与所述初级电路磁耦合的次级绕组，所述次级绕组并联以提供适合焊接使用的最大可超过700安培的次级输出电流。
89.如权利要求88所述的电源，其中所述初级电路是由所述逆变器驱动的单个初级绕组。
90.如权利要求88所述的电源，其中所述初级电路是由所述逆变器驱动的两个初级绕组。
91.如权利要求88所述的电源，其中所述次级绕组并联以提供适合焊接使用的最大可超过1000安培的次级输出电流。
92.如权利要求88所述的电源，包含将所述次级电流整流成适合焊接使用的直流电流的输出整流器。
93.如权利要求88所述的电源，其中所述初级电路包含多个独立绕组模块，每个模块都有特定的电流容量，且并联于总输出电流即所述独立绕组模块的电流之和。
94.如权利要求93所述的电源，其中所述模块分别包括：带有第一和第二末端的第一导电管；带有第一和第二末端的大致平行且很靠近的第二导电管，所述管具有用于容纳所述初级电路的一个或多个初级绕组的中心拉长通道；环绕每个所述管的磁心；连接至所述管件的所述第一末端的跳线带件；和在所述管的所述第二末端处构成连接器的电路。
95.如权利要求88所述的电源，其中，所述的直流电流被引导至一个工作在直流和/或交流模式下的极性开关。
96.如权利要求88的电源，其中，所述的电源被连接至一个埋弧电极和一个将该电极相对于被焊接的工件移动的移动装置。
97.如权利要求95的电源，其中，所述的极性开关包括一个在交流焊接过程中当极性将被反转时产生一个极性反转信号的电路，并将所述极性反转信号连接至所述逆变器和一个响应极性反转信号来减小所述变压器的初级电流的电路。
98.一种产生焊接电路的方法，所述方法包括：
a)整流交流电源来得到一个直流信号；
(b)将所述直流信号作功率因数校正，成为一个直流总线；
(c)通过高速变换所述直流总线，将所述直流总线逆变为一个交流信号；
(d)将所述交流信号转换成最大电流强度超过700安培的焊接电流。
99.如权利要求98的方法，其中由单个变压器进行所述转换，所述变压器具有初级电路和次级电路，所述初级电路由所述交流信号驱动，所述次级电路具有多个并联的次级绕组以提供所述最大可超过700安培的电流。
100.如权利要求98的方法，其中所述焊接电流可在交流电流和直流电流之间选择。
101.如权利要求98的方法，其中所述焊接电流为交流电流，具有所述焊接电流的交替极性反转。
102.如权利要求101的方法，包括先于极性反转来降低所述反转操作的电流大小的操作。
103.如权利要求98的方法，其中由具有至少三个并联次级绕组的变压器进行所述转换。
104.如权利要求103的方法，其中由具有用于一种极性电流的第一初级和用于相反极性电流的第二初级的变压器进行所述转换。
105.如权利要求98的方法，其中由具有用于一种极性电流的第一初级和用于相反极性电流的第二初级的变压器进行所述转换。
106.如权利要求105的方法，其中所述初级绕组中的电流由所述初级绕组相反的末端上的一对开关的占空比决定。
107.如权利要求104的方法，其中所述初级绕组中的电流由所述初级绕组相反的末端上的一对开关的占空比决定。
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