CN100436022C - 具有高功率因子的电弧焊机发电机 - Google Patents

具有高功率因子的电弧焊机发电机 Download PDF

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Abstract

一种电弧焊机发电机，该类发电机由下列部件构成：整流器级(100)，接着是两种高频类型PFC级(200)和反相器级(300)，后一级将电能供给用于焊弧(404)的最后整流器级，所述PFC级包括两个互相电磁耦合的电感器(203，204)；两个二极管(212，213)，具有相反导电方向；两个调正电容器(216，217)，及用于控制所述两个第一开关的所述连续接通和断开切换的装置。以致整形由整流级吸收的所述电流，用于使它相关于所述线电压的所述波形。所述反相器级包括4个三元组：第二控制开关，二极管和电容器，并还有一种控制装置，用于所述4个第二开关并用于将电能提供给所述焊弧的所述最后级的所述电流。

Description

具有高功率因子的电弧焊机发电机
技术领域
本发明涉及用在电弧焊机的发电机；更特别地，本发明涉及将交流单相或三相电源电流转换为直流电流的发电机，所述直流电流可控制并适用于焊弧。
背景技术
电弧焊机发电机出现的问题主要关系至从电源干线吸收的低功率因子的电流。
另外，对依据已知布局和方法提供的电弧焊机的效率具有负影响的另一个因素是电源电压的不可预知的变化。
参考作为例子的背景技术，在图1中示出传统的广泛使用电子焊机布局。
该布局包括：在电源方面，仅由二极管后跟着一组调正电容器2(levelingcapacitor)组成的第一整流器级1。
如此整流和调正的电流供给由高频电子开关提供的反相器模块3，该电流供给变压器4的初级线圈。
第二整流器级5跟着变压器4的次级线圈。
从第二整流器级5输出端的电流经电感器6均匀，并供给焊弧7。
在工作期间，这类发电机从主干线吸收如图2中所示类型形状的电流。
非常明显：这种类型的波形含有高谐波含量，并必然伴有低功率因子。
在这种情形中，为了在电弧中具有高有用的功率电平，必须从主干线吸收高RMS值。
这对电源网络必然伴有相当大的负影响，因为吸收电流的高谐波含量和高RMS值导致电源导线上热量的增加及电源线的电压波形的相当大的变形，这依次导致连接在那里的变压器铁芯损耗的增加。
另外，波形失真导致电源线上相当大的噪声。
此外，当电焊发电机被提供极限功率时(比如，由国内通用系统提供)，即使电焊弧上传递的功率低于等效电阻负载功率，高强度吸收的RMS电流仍将使通用系统的热保护干涉。
而且，如已经提及的，具有图1所示类型布局的电焊发电机不可避免地受到输入电源电压变化的影响，并这相当多地减少所述发电机的性能。
由于这些问题，已经设计出具有附加级的电焊发电机：允许尽可能按正弦波吸入电源电流，即，使发电机等效于电阻性负载，以致能使用用户可用的所有有效功率。
也已采用附加级：具有使发电机自动地适应电源电压变化的任务，保证发电机良好和稳定的性能。
具有这种类型布局的发电机能具有图3示意性所示的类型。
该布局清楚地示出：相对于图1的图解，存在一个附加级8，插入在第一整流器级1和调正电容器2的组之间。
这附加级，称作为PFC，能按各种类型提供。
这种类型的发电机总之是昂贵的和复杂的并在选择需要经受高电压的元件时有时是至关重要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种电弧焊发电机，能从电源吸收高功率因子的电流。
在这个目的内，本发明的目标是提供一种电弧焊发电机，它不敏感于从电源取出的电源电压的变化。
另一个目标是提供一套电路，在该电路中，有可能使用成本低和效率高的元件。
在下文中将变得更明白的这个目的和那些及其他目标是由包含由主干线供给的整流级，跟着PFC级及反相级的类型的电弧焊的发电机实现的，这两种级都是高频类型，后者提供一个输出级，用于将电能提供给焊弧，其中：
所述PFC级包括：两个电感器，互相电磁耦合，并串联地安置在整流级的输出端；两个第一高频控制开关，连接在一个公共节点和分别在两个电感器输出端的两个节点之间；两个二极管，具有相反导电方向，分别连接到开关和互感电感器间的节点；两个调正电容器，连接到所述二极管输出节点和所述第一开关的公共端；进一步提供用于控制所述两个第一开关的连续接通和断开切换的装置，以整形由所述整流级吸收的电流，使它相关于线电压波形。
所述反相器级，提供在所述第一高频开关的公共端和所述电容器间的公共节点之间，包括4个三元组，每个包括一个第二控制开关，一个二极管和一个电容器，如此地连接以形成5个节点，分别为一个中心节点，两个中间节点和两个外部节点，所述外部节点连接到所述第一开关和所述各个二极管之间的节点，所述中间节点连接到所述两个第一电子开关的公共端，分别介入一个二极管，一个电容器连接在所述中间节点之间，为所述4个第二开关进一步配备一个控制装置，提供给电焊弧的输出级的电流是从两个第一开关的公共端和所述四个三元组的中心节点之间取出的，所述4个三元组每个包括第二控制开关，二极管和电容器。
附图说明
将从下面较佳实施例的详细描述中，借助于附图中非限制性例子的描述，本发明进一步的特性和优点将变得更加明白，其中：
图1，2，3和4是已知设备图及其运行图解图；
图5是一张本发明四级发电机的示意图，特别描述它的连接；
图6是PFC级详图；
图7是反相器级详图。
具体实施方式
参考附图，依据本发明的发电机能理想地划分为4级，分别对主电源级赋予参考号100，对PFC级赋予参考号200，对反相器级赋予参考号300，并对输出和电弧供应级赋予参考号400。
主电源级100包括带有二极管101的传统整流模块，由主干线102供给，并可以是单相或三相。
两条输出导线，分别赋予参考号103和104，从级101引出并延伸进PFC级200，到两条输入引线201和202。
两个电感器203和204分别连接到输入引线201和202，并且互相电磁耦合。
两个电感器203和204的输出端，分别赋予参考号205和206，分别连接到第一节点207和第二节点208。
第一控制开关209的第一端连接到节点207，而第二控制开关210的第一端连接到节点208。
第一控制开关209的第二端和第二控制开关210的第二端连接到一个公共节点211。
第一个二极管212的第一端连接到节点207，而第二个二极管213的第一端连接到节点208；两个二极管具有相反的导电方向。
第一个二极管212的第二端连接到节点214，而第二个二极管213的第二端连接到节点215。
第一调正电容器216的第一端连接到节点214，而第二调正电容器217的第一端连接到节点215。
两个电容器216和217如此地安置，以使具有互相相反的极性，并且它们的第二端连接到节点211的节点218。
PFC级200含有三条输出导线，分别地将导线219连接到节点214，导线220连接到节点215，而导线221连接到节点218。
PFC级200含有控制装置222，该控制装置222控制所述开关209和210的接通和断开切换，这两种开关属于高频控制型(IGBT或MOSFET)。
装置222借助于接线223从输入端201取出电压信号Vin，借助于接线224从导线205取出电流信号Iin，借助于接线225从节点214或电容器216取出电压信号Vc1，并借助于接线226从节点215或电容器217取出电压信号Vc2。
在图中，接线227和228指定控制所述开关209和210。
借助于两个开关209和210的连续接通和断开切换的适当控制，控制装置222控制由主电源级100吸取的电流，对它进行整形，以使遵循从信号Vin获得的电压线波形，以使具有极少的失真并因此具有非常高的功率因子。
通过闭合开关209和210，电感器203和204内的电流按等于下列公式的斜率增加：
Vin/(L1+L2+M12)
这儿，M12是一个系数，它考虑到两个电感器的耦合，同时二极管212和213调正断开；而L1，L2分别相应于电感器203和204。
通过断开开关209和210，电流在203，212，216，217，213和204内流动，因此对调正电容216和217进行充电，并且该电流按等于下面公式的斜率下降：
-[Vin-(Vc1+Vc2)]/(L1+L2+M12)
借助于节点211和节点218之间，或两个开关209和210与具有相同电容的两个电容器216和217之间的接线，施加给每个开关的电压等于Vc/2，它是用标准已知PFC级配置产生的电压的一半。
这允许使用较低击穿电压的开关，并为关联到电子开关制造技术的原因，允许工作在更高切换频率，从而允许减少电感器203和204的值以改善从电源取出的电流控制。
如已知的，因为电子开关的击穿电压的升高，所述开关的适当切换时间也增大，并因此它变得日益需要降低切换频率，以限制由所述开关耗散的功率。
反相器级300具有高切换频率并包括：第一外部节点301，连接到PFC级的输出导线219；第二外部节点302，连接到输出导线220；第一中间节303，连接到介入一个二极管304的输出导线221；及第二中间节点305，连接到介入一个二极管306的输出导线221。
二极管304和306安置为具有相反导电方向。
平行配置中的第一个三元组元件，由控制开关307，二极管308和电容器309组成，放置在第一外部节点301和第一中间节点303之间。
平行配置中的第二个三元组元件，由控制开关311，二极管312和电容器313组成，放置在第一中间节点303和中心节点310之间。
同样地，平行配置的一个三元组元件，由第三个控制开关314，二极管315和电容器316组成，放置在第二外部节点302和第二中间节点305之间。
一个平行配置的三元组元件，由第四控制开关317，二极管318和电容器319组成，放置在第二中间节点305和中心节点310之间。
还有一个电容器320，连接在两个中间节点303和305之间。
反相器级300进一步包括控制装置321，用于切换四个控制开关307，311，317和314的接通和断开。
借助于对二极管304和306是公共的节点322和节点218之间的接线，可使影响到每个控制开关的最大电压减半。
这种情形允许使用比已知布局线路具有更高切换频率和速度的元件，因此，有可能减少电磁元件的尺寸。
由于PFC级200和反相器级300之间的连接，借助于导线219，221和220，借助于开关的适当的接通和断开的切换控制，有可能控制电容器216和217上电压的平衡，因此避免危及电焊电流的控制。
由节点322和节点310供给级400，变压器401的初级线圈与该级相关，所述变压器依次将电能提供给整流器402，在整流器402中，输出供给带有插入电感器403的焊弧404。
这儿并入意大利专利申请号PD2003A000027中的披露内容作参考，本申请宣称从该专利PD2003A000027中获得优先权。

Claims (6)

1、一种电弧焊机的发电机，包括：由电源供电的整流级(100)，接着是两种高频类型PFC级(200)及反相器级(300)，后者提供输出级(400)，用于将电能供给焊弧(404)，其特征在于，
所述PFC级(200)包括：两个电感器(203，204)，互相电磁耦合，并串联放置在所述整流器级(100)的输出端；两个第一高频控制开关(209，210)，连接在一个公共节点(211)和分别在所述两个电感器(203，204)输出端的两个节点(207，208)之间；两个二极管(212，213)，具有相反导电方向，分别连接到所述开关(209，210)和互感电感器(203，204)之间的节点(207，208)；两个调正电容器(216，217)，连接到所述二极管(212，213)的输出节点(214，215)和所述第一开关(209，210)的公共节点(211)；进一步配置有用于控制所述两个第一开关(209，210)的连续接通和断开切换的装置(222)，以整形由所述整流器级吸收的电流，使它相关于所述线电压的波形；
所述反相器级(300)，提供在所述第一高频开关(209，210)的公共节点(211)和所述电容器(216，217)间的公共节点(218)之间，包括4个三元组，每个三元组包括：第二控制开关(307，311，317，314)，二极管(308，312，318，315)和电容器(309，313，319，316)，如此地连接，以形成5个节点：分别为中心节点(310)，两个中间节点(303，305)和两个外部节点(301，302)，所述外部节点(301，302)连接到所述第一开关(209，210)和所述各个二极管(212，213)之间的节点，所述中间节点(303，305)连接到所述两个第一电子开关(209，210)的公共节点(211)，分别介入一个二极管(304，306)，一电容器(320)连接在所述中间节点(303，305)之间，为所述4个第二开关(307，311，317，314)进一步提供一个控制装置(321)，提供所述焊弧的所述输出级(400)的所述电流是在所述两个第一开关(209，210)的公共点(211)和所述4个三元组的所述中心节点(310)之间取出的，所述4个三元组包括：第二控制开关(307，311，317，314)，二极管(308，312，318，315)和电容器(309，313，319，316)。
2、按照权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述主电源可以是单相或三相的。
3、按照权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述两个第一开关(209，210)属于称作为IGBT的类型。
4、按照权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述两个第一开关(209，210)属于称作为MOSFET的类型。
5、按照权利要求1所述的发电机，其特征在于，控制所述第一开关(209，210)的接通和断开切换的所述装置由装置(222)构成，所述装置(222)取出电压和电流信号(Vin，Vc1，Vc2，Iin)并控制由所述整流电源级(100)吸取的所述电流，通过整形从所述整流电源级(100)至所述PFC级(200)的输出电压信号(Vin)获得的它的波形，以减少失真并获得非常高的功率因子。
6、按照权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述反相器级(300)的所述两个二极管(304，306)，它们的所述公共节点(322)连接到位于所述PFC级(200)的所述调正电容器(216，217)之间的所述公共节点(218)，允许使所述4个控制开关(307，311，317，314)上的最大电压减半，允许使用具有高切换频率和速度的元件。
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