CN101400472A - 高电流交流焊机 - Google Patents

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Abstract

一种电弧焊接组件，包括：耦合到输入电源的充电电路及调节器、与充电电路及调节器并联连接以增加焊接输出可用的功率的能量存储元件以及与能量存储元件并联连接、用于控制电极与工件之间的焊接电弧的焊接输出控制器。

Description

高电流交流焊机
本发明的技术领域
本发明总体上涉及焊接技术。尤其适用于与接收交流(AC)输入的高电流焊接电源一起应用，并且将特别参考这种接收AC输入的高电流焊接电源来说明。然而，可以理解的是，本发明还适合于其它类似的应用。
供参考的包含内容
下面的相关申请被提及，通过参考使得每个应用的公开内容都完全地包括在这里：
在2004年8月17日由William T.Mattews等人提交的名称为“HYBRIDPOWERED WELDER”的美国专利申请号No.10/919,815；和
在2004年4月1日由John M.Stropki，Jr.等人提交的名称为“EXTENSIONLIFT TRUCK MODIFICATION”的美国专利申请号No.10/815,536。
本发明的背景技术
许多焊接应用需要使用能够插入标准的110-120伏特AC、60Hz插座的焊接电源来执行，诸如可以在大多数家庭、办公室以及商业场合中存在的类型的插座。由于标准AC插座的低输出电压的缘故，需要来自插座的相对高的电流来熔化电极和基料。然而，这种插座的典型AC输入被还可用作其它的AC插座的断路器限制在仅有15(或30)安培。相应地，从这种AC插座可获得的功率受到限制，因此进一步限制了可提供给焊接的功率。
由于标准AC插座典型地被限制到15(或30)安培，这仅仅允许向焊接应用的大约1800(或3600)瓦特的功率。因此，例如假设90％的效率设计并且功率因数是1，在120伏特AC的30安培电路的可用焊接功率将仅为3240瓦特。对于各种焊接处理，这种数量的功率将会产生如下的焊接电流：
焊条焊接-130A
MIG焊接-150A
TIG焊接-185A
这个功率是100％时间可用的。然而，许多焊接应用需要更大的电流。因此，由于大多数的焊接不是100％的占空比，这在非焊接期间内使用该电源来充电能量存储设备是有用的。这种设备可以是任何数量的物件，最常见的是电池。单独的或是与来自插座的电源组合的这种存储的能量可以用来产生任意大小的焊接功率。
一些现有技术的AC焊机提供非平衡的输出来补偿当使用钨电极时自然发生的非平衡负载，而其它类型的公知的焊接电源仅使用电池电源作为输入。然而，这些类型的电源通常在为焊接应用提供的电源的大小及持续时间上受到限制。
美国专利No.6,777,649涉及一种使用诸如电池的能量存储设备的焊接类型的电源作为升压机构。通常地，这个专利提供来自标准AC双插座的焊接并且提供高达大约25伏特的输出电压、高达150安培的输出。在电压调节后提供电池并且电池与焊接输出串联，从而该电池简单地“提升”(或增加到)输出电压。因此，电源电路仅需要利用来自该电池的额外的12伏特来提供12伏特的输出。然而，在这个专利中的电源不会从能量存储元件获得任何额外的电流，即在非焊接期间不对电池充电。
因此，优选地使用可以以15至30安培定额从标准的110-120伏特的AC插座充电的能量存储元件，但是还能够在短时间期间内为焊接操作提供较高的功率输出。通过使用不同的充电系统，焊机可适用于利用AC或DC以及高或低的功率等级的各种输入电源工作。使用这种系统，可以得到不受限制的焊接电流。焊接电流的大小将依赖于能量存储元件的尺寸。
本发明的简要叙述
根据本发明的一个方面，提供了电弧焊接组件，包括：耦合到输入电源的充电电路及调节器、与该充电电路及调节器并联连接以增加焊接电源输出的能量存储元件、以及与能量存储元件并联连接、用于控制电极与工件之间的焊接电弧的焊接输出控制器。
根据本发明的其它方面，能量存储元件可包括至少一个电池和/或至少一个电容器。可选地，至少一个电池与至少一个电容器可以并联连接，以便为特定的焊接应用提供额外的功率。
根据本发明的其它方面，焊接输出控制器可包括各种类型和组合的电路。例如，焊接输出控制器可包括DC降压断路器(DC down chopper)，其中，DC降压断路器包括脉冲宽度调制器，至少部分地控制给电极的焊接电流，以及波形生成器，至少部分地控该制脉冲宽度调制器，DC降压断路器生成一系列电流脉冲，这些电流脉冲构成了代表电流波形的焊接周期，该脉冲宽度调制器控制多个电流脉冲的电流脉冲宽度。同样，焊接输出控制器可包括前向转换器/逆变器，其中，前向转换器/逆变器包括变压器的初级线圈和开关元件的串联电路，所述串联电路耦合到能量存储元件以及整流器平滑电路，根据开关元件的开关操作整流和平滑在变压器的次级线圈中感应的电压，其中，整流器平滑电路的整流器元件在开关元件的接通周期内导电。焊接输出控制器还可包括升压转换器。
此外，焊接输出控制器可包括电源拓扑的组合。这些可具有高和低的电流容量。因此，焊接输出控制器可包括特定应用的、与高电流电路并联连接的限流升压电路，诸如DC降压断路器。当焊条利用小于70伏特的能量存储元件焊接时，这种组合电路经常可提供特别的优点。诸如由在俄亥俄州克利夫兰市(Cleveland，Ohio)的林肯电气公司提供的E-6010类型的一些焊条电极要求25伏特及其以下、从100到300安培的高电流，但是它们还要求较低的电流(60安培)、大约50至60伏特的较高电压来产生可接受的电弧。
根据本发明的其它方面，输入电源可包括110-120伏特AC墙壁插座或220-240伏特AC墙壁插座，并且该装置还可包括输入塞绳和用于连接到合适的AC墙壁插座的三叉的插头。
附图的简要说明
图1是根据本发明的方面的高电流AC焊接组件的方框图。
图2表示使用DC降压断路器和电池的高电流AC焊机的实施例的简化示意图。
图3表示使用DC降压断路器和电容器的高电流AC焊机的可选实施例的简化示意图。
图4表示使用DC降压断路器以及并联的电池和电容器的高电流AC焊机的可选实施例的简化示意图。
图5表示使用前向的转换器/逆变器的高电流AC焊机的可选实施例的简化示意图。
图6表示使用升压转换器的高电流AC焊机的可选实施例的简化示意图。
图7表示包含与限流升压电路并联的高电流电路的可选组合电路。
本发明的实施例的详细说明
现在参考附图，其中所表示的仅仅是为了说明优选实施例及其优点而并不是为了限制的目的，其中相同的数字表示几幅附图中相对应的部件。图1是高电流AC焊接组件的简化方框图。如图所示，高电流AC焊接组件通常包括输入电源12、充电电路14、能量存储元件16以及焊接输出控制器18。
输入电源12典型地包括接地的110-120伏特AC、60Hz墙壁插座，尽管还可以使用其它合适的输入电源，诸如不同电压的AC工业电源(例如，重负荷的220-240伏特AC插座)以及来自发电机的AC电压。因此，尽管没有示出，高电流焊接组件典型地还包括输入塞绳和用于连接到AC墙壁插座的三叉的插头。
如上所述，高电流焊接组件包括典型地包括能量存储元件16，它典型地包括一个或多个电池、蓄电池或电容器。能量存储元件16的实际电压可以取决于焊接应用的需要变化。例如，能量存储元件16可包括标准的12伏特电池或48伏特的电池组。所选择的电压基于耦合到该电压的功率转换器的类型。对于12伏特的电池，可以使用一些类型的升压来得到焊接电压。如果使用高于24伏特，则可使用升压和/或降压断路器。
耦合充电电路14以便接收来自输入电源12的电能。充电电路14还通过开关(未示出)耦合到能量存储元件16，这样当在输入电源12保持正常信号电平时，如果需要，通过充电电路14在能量存储元件16中存储电能。充电电路是本领域公知的，充电电路的最简单形式包括变压器、整流器以及限流电阻。当然，各种类型的公知的充电电路可适合与高电流焊接组件一起使用。
例如，正如普通的铅酸型电池一样，能量存储元件16可运行在大约12伏特DC的电平，而输入电源12可以是120伏特AC的数量级。因此，在这样的情况下，充电电路14从输入电源12逐步降低AC电压并且将其转换为DC电压，从而可与能量存储元件16相兼容。
焊接输出控制器18可包括但并不限于DC断路器、前向转换器/逆变器和/或升压转换器的普通焊接电源电路的任何一种或组合。高电流AC焊接组件可适于向诸如焊条、TIG、MIG、药芯焊丝、表面清理、脉冲MIG和TIG应用的多处理焊接应用以及等离子体切割应用提供焊接输出。可以理解的是，例如可以诸如通过调节卷轴焊枪(spool gun)的焊丝供给速度的其它方式来控制焊接输出。
在操作中，输入电源12被导向到充电电路和用来监视并且控制能量存储元件16的充电的调节器14。典型地，在操作中，来自输入电源12的电流与来自能量存储元件16的电流组合，从而总电流被导向到焊接输出并且由焊接输出控制器18控制。
当能量存储元件16正在向焊接输出控制器18提供电流时，可以设计充电电路14成为不发生能量存储元件16的充电。然而，当电池不向焊接输出提供电流时，充电电路14可以被设计为将AC输入电源12的整流电流导向到能量存储元件16以便对其充电。可以理解的是，当正在产生电弧时，来自输入电源12的电流可以被导向到电极。还可以理解的是，甚至当正在产生电弧时，来自输入电源12的电流也可以被导向到能量存储元件16。
在图2至图7中表示高电流AC焊接组件的各个实施例。
例如，图2表示所公开的发明的一个实施例的简化示意图。更特别的，图2表示高电流AC焊接组件，包括耦合到充电电路及调节器14的120伏特AC输入电源12、与充电电路及调节器14并联连接的电容器16a、以及与电容器16a并联连接的普通DC降压断路器18a，其中，电容器16a起着能量存储元件16的功能，其中降压断路器18a控制电极E与工件W之间的电流，即焊接输出。如图2至图7所示，焊接组件包括焊丝进给机。然而，可以理解的是，焊接组件可以与不需要焊丝进给机的焊接应用一同使用。
在操作中，电容器16a在一对输入导线20、22之间提供DC输入，导线表示为向降压断路器18a的输入。断路器18a包括开关级24，该开关级24进一步包括诸如具有绝缘光学耦合的IGBT(绝缘栅双极晶体管)驱动器(未示出)的MOSFET的开关器件26，IGBT驱动器根据由标准的光学耦合器件以20-40kHz之间的频率驱动的反馈输入的脉冲来切换。当然，可以理解的是，除了MOSFET之外，开关器件26可以是BJT(双极结型晶体管)或是IGBT。实际上，到驱动器的输入的脉冲是来自脉宽调制器(PWM)30的输出28。脉宽调制后的输出的脉冲使得开关器件26以典型的20kHz的给定速率打开及关闭，控制占空比以便确定在电极E与工件W之间流通的电流量。
续流二极管32与焊接操作并联连接并且在开关级26的并联扼流圈(或电感器)34的后面。根据标准技术，波形生成器36以20kHz的优选频率驱动PWM30。以这种方式，PWM30和波形生成器36功能定义了降压断路器18a的控制电路。可以理解的是，操作频率可以在各种电平设定在20-100kHz的正常无线电频率范围内。
降压断路器18a根据标准断路器技术运行，利用线路28上的脉冲的占空比控制加到电极E与工件W之间的电弧的电流。因此，在操作中，DC电流通过开关器件26加到电感器34。通过打开和关闭开关器件26，可以控制电感器中的电流以及在电极E与工件W之间的电弧。当开关器件26闭合时，电流通过电感器34加到电弧。当开关器件26断开时，在感应器34中存储的电流持续流过电弧并且通过二极管32。开关的闭合的重复速率优选地是20KHz，这允许超快地控制电弧。通过改变开关器件26的接通时间与断开时间的比值(即，占空比)，控制加到电极E与工件W之间的电弧的电流。
当然，可以理解的是，高电流焊接组件的许多其它的变化是可能的。例如，图3和图4表示可选的高电流焊接组件，在大多数方面是与图2所示的焊接组件相似的。如图3所示，能量存储元件可包括电池16b，代替电容器16a。并且如图4所示，能量存储元件16c可包括并联连接的电容器16a和电池16b来向焊接输出提供所需的额外电流。
图5表示本发明的可选实施例。这个实施例包括连接到充电电路及调节器14的120伏特AC输入电源12、与充电电路及调节器14并联连接的能量存储元件16，诸如电容器16a和/或电池16b、以及与能量存储元件16并联连接的普通的前向转换器/逆变器18b，从而该前向转换器/逆变器18b控制电极E与工件W之间的电流，即焊接输出。
一个晶体管的前向转换器/逆变器可能是最基本类型的变压器绝缘的降压(buck)转换器。这种配置广泛用于将直流(DC)电压转换为另一值的DC电压以及逆变器当中。逆变器将直流电流转换为交流电流(AC)。它通常使用在称为“前向转换器”电路的电路中。然而，可以理解的是，对于不同的工业场合和不同的技术人员来讲，“前向转换器”电路的名称可以改变。还可以被称为“逆变器”、“DC转换器”、“降压(buck)”、“前馈”及其它。
如图5所示，电源开关38与变压器40的初级线圈P串联。每次由脉宽调制(PWM)控制器30的栅极驱动信号接通和断开并控制电源开关38。转换器18b的次级侧具有耦合到变压器40的次级线圈S的前向整流器42、续流整流器44以及由输出扼流圈46和输出电容器48组成的输出滤波器。该输出滤波器沿着表示为输入到前向转换器18b的一对输入导线50、52从初级侧DC电源16传送DC能量到负载。根据电源开关38在变压器40的次级线圈S中感应的电压进行整流并且平滑，从而在跨接输出电容器48的电极E与工件W之间生成DC输出电压。
当接通电源开关38时，在变压器40的初级线圈的两端施加能量存储元件16的电压，并且该电压被耦合到次级线圈S。次级线圈S的正端变为正，并且接通前向整流器42，续流整流器44断开，并且前向电源电流流经输出扼流圈46、输出电容器48以及负载。
当电源开关38断开时，次级线圈S的正端变为负。前向整流器42断开，并且由于输出扼流圈46的电源电流必须经过续流整流器44持续传送到输出负载，因此必须接通续流整流器44。波形生成器36以20kHz的优选频率驱动PWM30。然而，这个频率可以是在20-100kHz的正常无线电频率范围内的不同的等级。
图6表示高电流焊接组件的另一实施例。在这个实施例中，高电流AC焊接组件包括耦合到充电电路及调节器14的120伏特AC输入电源12、与充电电路及调节器14并联连接的能量存储元件16以及与能量存储元件16并联连接的基本升压转换器18c，因而升压转换器18c控制电极E与工件W之间的电流，即焊接输出。
基本升压转换器18c通常不会比降压转换器复杂，但是为了逐步升高电压而具有不同设置的部件。操作包括使用开关电源MOSFET54作为改变开关的占空比来控制输出电压的高速开关。当开关54时接通，电流从输入电源流经电感器56和开关54并且能量被存储在电感器56的磁场中。电流不流经二极管58，并且通过并联连接的电容器60提供负载电流。随后，当开关54断开时，通过立即反向它自身的EMF，电感器56抑止电流的任何降低，从而由于这种升高的电压这时从电源流经电感器56、开关54以及负载，电感器的电压增加到(或“升高”)电源电压，并对电容器60充电。因此输出电压高于输入电压。
输入到驱动器上的脉冲是PWM30的输出62。输出的脉冲使得开关54以20kHz的速率开关和关闭，通过控制该脉冲的占空比确定被导向电极E和工件W的电流量。波形生成器36以20kHz的优选频率驱动PWM30。然而，这个频率可以是在20-100kHz的正常无线电频率范围内的不同的等级。
对于一些焊接处理，可能需要大于常规的48伏特。因此，可使用组合电路。在这个方面，图7表示高电流焊接组件的又一个实施例。在这个实施例中，高电流AC焊接组件包括耦合到充电电路及调节器14的120伏特AC输入电源12、与充电电路及调节器14并联连接的能量存储元件16以及用于控制电极E与工件W之间的电流的组合电路18d。
组合电路18d包括与升压电路18c并联连接的降压断路器18a。在这个配置中，降压断路器18a作为“高电流电路”，而升压电路18c作为“限流电路”，即输出电流小于100A。可选地，升压电路18c的输出62可以流经对电弧附加控制的电感器34(62a)或是直接地连接到负载(62b)。
组合电路18d还包括控制电路64，它典型地包括如上所述的波形生成器和脉冲宽度调制器。实际上，来自控制电路64的输出66的脉冲使得开关器件26以典型的20kHz的给定的速率打开及闭合，通过控制该脉冲的占空比确定被导向电极E和工件W的电流量。相似地，来自控制电路64的输出68的脉冲使得开关器件54以大约20kHz打开及闭合。然而，操作频率可以是在20-100kHz的正常无线电频率范围内的不同等级。
本发明已经参考优选实施例及其可选的实施例说明了。可以理解的是，在阅读并理解本发明的详细说明后，本领域技术人员可容易地提出对所公开的实施例的多种改变和变化。本发明包括所有这些改变和变化，只要它们落入本发明的保护范围之内。

Claims (28)

1.一种电弧焊接组件，包括：
a.充电电路及调节器，耦合到输入电源；
b.能量存储元件，与充电电路及调节器并联连接，用于增大焊接电流输出，其中该能量存储元件由充电电路及调节器充电；以及
c.焊接输出控制器，与能量存储元件并联连接，用于控制电极与工件之间的焊接电弧。
2.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该能量存储元件包括至少一个电池。
3.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该能量存储元件包括至少一个电容器。
4.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该能量存储元件包括并联连接的至少一个电池和至少一个电容器。
5.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该焊接输出控制器包括DC降压断路器，所述DC降压断路器包括脉宽调制器和波形生成器，该脉宽调制器用来至少部分地控制到电极的焊接电流，该波形生成器用来至少部分地控制脉宽调制器，该DC降压断路器生成一系列电流脉冲，该一系列电流脉冲构成了代表电流波形的焊接周期，该脉宽调制器控制多个电流脉冲的电流脉冲宽度。
6.根据权利要求5所述的电弧焊接组件，其中，该波形生成器以20kHz的频率驱动脉宽调制器。
7.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该焊接输出控制器包括前向转换器/逆变器，所述前向转换器/逆变器包括变压器的初级线圈和开关元件的串联电路，所述串联电路连接到该能量存储元件以及整流器平滑电路，该整流器平滑电路根据开关元件的开关操作整流并且平滑在该变压器的次级线圈中感应的电压，其中，在开关元件的接通周期内，整流器平滑电路的整流器元件导电。
8.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该焊接输出控制器包括升压转换器。
9.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该焊接输出控制器包括DC降压断路器、前向转换器/逆变器以及升压转换器中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该焊接输出控制器包括并联连接的DC降压断路器和升压转换器。
11.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，其中，该输入电源包括110-120伏特AC墙壁插座。
12.根据权利要求11所述的电弧焊接组件，还包括输入塞绳和用于连接到110-120伏特AC墙壁插座的三叉的插头。
13.根据权利要求1所述的电弧焊接组件，还包括输入塞绳和用于连接到220-240伏特AC墙壁插座的三叉的插头。
14.根据权利要求13所述的电弧焊接组件，还包括输入塞绳和用于连接到220-240AC墙壁插座的三叉的插头。
15.一种在电极与工件之间形成电弧的方法，包括：
a.提供电弧焊接组件，该电弧焊接组件具有耦合到输入电源的充电电路及调节器、与该充电电路及调节器并联连接的能量存储元件、以及与该能量存储元件并联连接的焊接输出控制器；
b.利用该充电电路及调节器对该能量存储元件充电；
c.通过该能量存储元件中的存储能量增大焊接电流输出；以及
d.通过该焊接输出控制器控制电极与工件之间的焊接电弧。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，该能量存储元件包括至少一个电池。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，该能量存储元件包括至少一个电容器。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，该能量存储元件包括并联连接的至少一个电池和至少一个电容器。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，该焊接输出控制器包括DC降压断路器，所述DC降压断路器包括脉宽调制器和波形生成器，该脉宽调制器用来至少部分地控制到电极的焊接电流，该波形生成器用来至少部分地控制该脉宽调制器，该DC降压断路器生成一系列电流脉冲，该一系列电流脉冲构成了代表电流波形的焊接周期，该脉冲度制器控制多个电流脉冲的电流脉冲宽度。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括利用该波形生成器以20kHz的频率驱动该脉冲宽度调制器。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，该焊接输出控制器包括前向转换器/逆变器，所述前向转换器/逆变器包括变压器的初级线圈和开关元件的串联电路，所述串联电路连接到该能量存储元件以及整流器平滑电路，该整流器平滑电根据该开关元件的开关操作整流并且平滑在该变压器的次级线圈中感应的电压，其中，在该开关元件的接通周期内，该整流器平滑电路的整流器元件导电。
22.根据权利要求15所述的方法，其中，该焊接输出控制器包括升压转换器。
23.根据权利要求15所述的方法，其中，该焊接输出控制器包括DC降压断路器、前向转换器/逆变器以及升压转换器中的至少一个。
24.根据权利要求15所述的方法，其中，该焊接输出控制器包括并联连接的DC降压断路器和升压转换器。
25.根据权利要求15所述的方法，其中，该输入电源包括110-120伏特AC墙壁插座。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括输入塞绳和用于连接到110-120伏特AC墙壁插座的三叉的插头。
27.根据权利要求15所述的方法，还包括输入塞绳和用于连接到220-240伏特AC墙壁插座的三叉的插头。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括输入塞绳和用于连接到220-240AC墙壁插座的三叉的插头。
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