CN102596479A - 能量转换方法和设备以及焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于转换用于操作电弧(6)的能量存储器(2)的能量的方法和设备。使用电源部(3)和用于设置用于操作所述电弧的电流的输入和/或输出装置(5)来转换能量。本发明还涉及一种对应的焊接装置。为了能够给用户提供关于能量存储器(2)的状态的信息，根据所述能量存储器的确定容量和所述输入和/或输出装置(5)上的用于所述电流的设置值来计算利用所述设置电流操作所述电弧(2)的剩余时间，并且在对应的显示器(27)上显示所述时间。

Description

能量转换方法和设备以及焊接装置

技术领域

本发明涉及一种用于转换用于操作电弧的能量存储器的能量的方法，其中使用电源单元以及用于设定用于操作所述电弧的电流的输入和/或输出装置来转换能量。

本发明还涉及一种用于转换用于操作电弧的能量存取器的能量的设备，该设备具有用于转换能量的电源单元和用于设置用于操作所述电弧的电流的输入和/或输出装置。

最后，本发明还涉及一种焊接装置，该焊接装置包括能量存取器、用于产生电弧的焊炬、输入和/或输出装置、以及用于转换用于操作所述电弧的所述能量存储器的能量的设备。

背景技术

为了增强移动性，通常的理解是使用能量存储器作为向适当装置的电子系统或功率电子器件供应电能的电源，使得能够利用所述装置执行应用。由于其有限的能量，能量存储器必须定期充电。

从DE 26 50 522A1和GB 2 316 244A的说明书例如已知在用于金属处理的装置中(例如在焊接装置中)使用能量存储器。

US 2005/0109748A1描述了一种焊接装置，该焊接装置具有用于分别产生焊接能量或电弧的能量存储器。该能量存储器的电压通过升压转换器转变成中间电压，该中间电压又通过下游的降压转换器降压至电弧所需的电压。所述能量存储器能够使用充电装置来充电。所述充电装置是一个独立单元，该独立单元可以集成在该焊接装置中，或者可以作为外部单元连接至该能量存储器。其不利之处在于，用于电弧的能量在两个步骤中产生，由此在升压转换器和降压转换器中都发生开关损失，并且由此而导致效率度降低。另外，需要降压转换器将升压的中间电压转换为电弧电压，从而由于更大的电压差而增加了开关损失。

US 2009/008374和US 2007/181547描述了便携式的电池操作的焊接装置，在该焊接装置中显示电池的充电状态。

而且，JP 10-272563A和JP 2003-028939A描述了便携式的电池操作的焊接装置，在该焊接装置中，提供了与用户有关的关于电池充电容量的信息。

发明内容

本发明的目的是创造出一种上述的方法和上述的设备，通过所述方法和设备能够向用户通知关于能量存储器的状态。应该避免或至少减少公知方法和设备的缺点。

本发明的另一目的是创造出一种焊接装置和利用所述焊接装置执行的方法，通过所述焊接装置和方法能够给用户提供理想的能量管理，以便使用能量存储器的有限能量。

本发明的目的通过上述方法来解决，其中利用依赖于所述能量存储器的确定容量的设置电流以及用于在所述输入和/或输出装置上设置的电流的值来计算和显示用于操作电弧的剩余时间。在操作用于焊接装置的电弧的情况下，所述参数将是剩余焊接时间，该剩余焊接时间是当设置所述电流时仍然剩余的用于焊接的时间。这里，有利的是，当启动所述设备时，用户已经获取关于所述能量存储器仍然能够使用多长时间的第一信息，也就是关于用户能够焊接多长时间的信息。

有利地，在所述电弧操作期间即在消耗能量的同时，调整或推断并显示基于计算出的值的所述信息。

如果以规定时间间隔执行对所述剩余时间的值的调整，并且存储所述剩余时间的相应值，则当启动或改变用于操作所述电弧的电流时，可以基本通过存储值进行更精确的计算。

另一个优点是使用具有控制器的能量存储器，由此增加计算的精度。

本发明的目的还通过上述的设备来解决，其中设置了用于计算依赖于所述能量存储器的确定容量的用于操作所述电弧的剩余时间的值和用于在所述输入和/或输出装置上设置的电流的值的计算单元、以及用于显示计算出的剩余时间的值的显示单元。在已经描述的优点中以及如下的描述中能够由此产生的优点和其他优点。

有利地，设置用于对所述能量存储器进行再次充电的装置，从而可以根据传输给用户的信息迅速并方便地执行能量存储器的充电处理。

在所述输入和/或输出装置上设置用于显示所述能量存储器的充电状态的发光二极管。

另外，可以在所述输入和/或输出装置上设置用于开启和关闭所述充电装置的设置元件。

最后，本发明的目的还通过上述的焊接装置来解决，该焊接装置被设计成用于执行上述方法或具有上述设备。

附图说明

在所附的示意图的帮助下更详细地说明本发明。在附图中：

图1是焊接装置的示意图；

图2是用于转换用于操作电弧的能量存储器的能量的设备的示意性框图；

图3是该转换设备的电路图；以及

图4和图5是根据本发明设计的焊接装置的输入和/或输出装置的示意图。

具体实施方式

首先应注意到所述实施方式的相同部件以相同的附图标记表示。

在图1中示出了装置1，该装置1包括至少一个能量存储器2、电源单元3、控制装置4和输入和/或输出装置5。装置1被设计成用于形成电弧6，该电弧6由控制装置4控制。因而，装置1例如能够用作焊接装置、切割装置、清洁装置或钎焊装置。这种装置1的细节，例如焊炬7的冷却，将不再进行详细描述，因为这通常可以从现有技术中获知。

用于电弧6的电流在分别布置在焊炬7中或保持在电极夹中的电极32与工件8之间产生。由若干个零件形成的工件8也连接至装置1。因此，电流从由能量存储器2供电的电源单元3提供。而且，可以在输入和/或输出装置5上调节或控制该电流以及其他的参数(如果合适的话)。为此目的，所述输入和/或输出装置5连接至控制装置4。优选地，电源单元3在输出端设置有端口或套管，通过该端口或套管可以连接焊炬7或工件8。因而，电源单元3转换被存储在能量存储器2中的能量，使得能够像下面实施方式中所描述的那样执行例如焊接处理。

通过将用于操作电弧6的降压转换器用作电源单元3，并且以缓冲方式执行连接至能量存储器2的降压转换器的至少一个开关9的开关过程，则可以以最小开关损失将能量提供给电弧6，由于能量存储器2，该能量仅有限程度地可用。为此目的，在该将降压换器中集成用于执行缓冲开关过程的缓冲电路(吸收电路)10。

现在，在图2和图3的帮助下描述包括所集成的缓冲电路10的电源单元3。该降压转换器的基本元件是开关9、11以及电感器12。这还被称为使用同步转换器作为同步降压转换器。为了以有效方式产生用于电弧6的能量，也就是说，为了以99％左右的效率度产生用于电弧6的能量，开关9与缓冲电路10连接，从而既获得接通过程中的接通缓冲又获得断开过程中的断开缓冲。这样，非常少的能量被转换成热，因而仅需要对电源单元3的电子器件进行最小程度的冷却。因而电源单元3所需的空间也降低至最少。

在该实施方式中，缓冲电路10利用存储元件例如电容器和电感器以及二极管实现。通常，二极管控制电流的方向，由此在至少开关9的开关操作时能够以最小的开关损失将能量存储器2的能量转换成焊接处理、切割处理或清洁处理的电弧6所需的能量。

接通缓冲器被分成两个电路，其中第一电路由串联串接至开关9的电感器13形成，第二电路由电容器14和二极管15构成。第二电路由控制单元16主动控制。第一电路借助于第二电路而被间接地主动控制，从而完全地获得主动接通缓冲。

在控制单元16的最简单的形式中，该控制单元16由开关17形成，与开关9一样，该开关17在其输入侧连接至能量存储器2。在这种情况下，开关17也相应地被缓冲。具体地说，断开缓冲借助于电容器18和二极管19实现，接通缓冲借助于电感器20和21实现。

与开关17一样，开关9的断开缓冲借助于电容器22和二极管23实现。二极管23抑制电容器22在开关9接通时借助于开关9进行的无控制充电。

开关11不需要缓冲，因为如现有技术中一般所知的那样，由同步降压转换器的基本功能原理自动地产生这种缓冲。

基于如下初始情况详细地描述开关过程中的接通缓冲和断开缓冲的功能，接通缓冲和断开缓冲根据同步转换器的控制由焊接装置1的控制装置4进行主动控制：

开关9打开，开关11闭合；电容器14、18和22以及电感器20、21和13放电。

根据所述初始情况，输出电流Ia或焊接能量借助于由开关11和电感器12形成的电路供应，开关11上的电压基本为零。之后，电感器12放电。为了在接下来的步骤中对电感器12进行再充电，开关9开启，开关11受到缓冲并且断开。

当接通开关9时，接通缓冲器根据本发明来操作，使得在接通时，仅必须对开关9的自身电容进行再充电。因此，仅仅导致了低的、几乎可忽略的接通损失。这是通过串联连接至开关9的电感器13实现的，该电感器13限制接通时的电流上升，从而使得该电流上升根据电感器13的尺寸而连续地发生。因而，仅由于输出电流Ia的极少量引起最小的开关损失。

只要流过电感器13的电流与输出电路Ia一样大，所述电流上升就持续进行。这意味着，由于电流限制，输出电流Ia通过开关9完全延时地流动到输出口。因而，电流不再经由与开关11并联连接的二极管15流动到输出端，从而电容器14与开关11并联地被再充电。在最简单的情况下，所述二极管15和所述电容器14是形成开关11的功率晶体管的一部分。借助于与所述电容器14串联连接的电感器13执行再充电。这导致节点K1的电压延时增加，并且连续地或缓慢地达到电源电压，即能量存储器2的电压。

而且，通过这种缓慢的电压增加，既避免了开关9上的电压峰值，又避免了开关11上的电压峰值，从而防止了开关9或11的短期的不期望的开关。特别地，防止了在开关9接通的情况下开关11也开启。这里，提及了所谓的“导电阶段”，其中焊接能够能够由能量存储器2直接供给。如果在节点K1施加电源电压，则情况就是这样。

在所述“导电阶段”期间，必须为随后的断开缓冲和接下来的接通缓冲进行适当的准备。在“导电阶段”内发生的“再充电阶段”期间，通过致动控制单元16即接通开关17来对电容器14、18和22进行充电。致动控制单元16的第一个可能的时间点是当在节点K1施加电源电压时。只要在电容器14处施加一半的电源电压，开关17就保持接通。而且，尺寸比电容器14小的电容器22和18在该时间期间借助于电感器21和二极管24而被完全地充电。所述电感器21和二极管24布置在电容器18和电容器22之间，从而两个电容器18、22都利用同一充电电流I L2充电。电感器21控制尺寸相等的电容器18和22的充电时间，从而使得它们被同时地且相同地充电至电源电压。电容器18和22至多在电容器14处达到一半电源电压所需的时间内充电。相应地执行电感器21的尺寸大小的确定。而且，电感器21和二极管24导致电容器18和22在充电过程中串联连接。然而，为了实现断开缓冲，电容器18和二极管19或电容器22和二极管23彼此独立地操作。

在该时间期间，与电容器14的充电电流IL1对应地，能量也被存储在串联连接至开关17的电感器20中。

在电容器18和22被完全再充电并且在电容器14处施加一半的电源电压时，开关17被断开。充电的电容器18和二极管19起到用于开关17的断开缓冲器的作用，因为在开关时，电源电压通过电容器18也施加在输出侧上，由此开关17能够以基本上零电位或没有任何电位差地断开或打开。于是，电容器18经由电感器20完全放电到电容器14或输出端。因而，由于电感器21、二极管19和二极管25，该中间存储的能量不会丢失。电容器18放电，而电容器22进一步保持在电源电压上。

断开开关17，则电容器14利用存储在电感器20中的能量而被再充电至电源电压。这是通过由电感器20、电容器14和二极管25形成的电路执行的。电感器20的尺寸大小使得在开关17接通时间期间能够存储足够能量，以便在开关17断开时将电容器14再充电至电源电压。

最后，当在电容器14处达到电源电压时，“导电阶段”内的“再充电阶段”也完成了。因而，“导电阶段”也能够被完成，这是因为其是为开关9的断开缓冲而设置的。另外，来自电感器13的能量的移除还被设置成使得当断开开关9时，还为开关9的接下来的接通过程几乎同步地提供接通缓冲。

当断开开口9时，与开关17一样，由于充电的电容器22并借助于二极管23，通过在开关9的输出侧或节点K2上提供电源电压而进行断开缓冲，使得基本不会在开关9处产生压降或电位差，因而其可以没有损失地断开。

因而，没有电流通过开关9从能量存储器2流入电感器13，从而存储在其中的能量也能够进行相当充分地放电。这执行为使得通过将电容器22完全放电，节点K2的电压借助于二极管23连续地下降至输出口。此外，当断开开关9时，电容器14放电，这影响节点K1处的电压。由于与电容器22相比电容器14更大，节点K1处的电压下降得比节点K2处的电压缓慢。因而，在电感器13上施加了所谓的负电压时间面积，由此电流由于电感器13而下降，这是因为电感器13处的电压的极性根据稍早正被放电的电容器22而被倒置。因而，节点K2处或开关9的输出侧上的电位在电容器22放电之后基本为零，节点K2处的所述电位由二极管26维持。电感器13处的负电压时间面积导致由于电感器13的放电产生的电流被供应至输出端。因而，电感器13和电容器14的能量基本没有任何损失地供应至输出电流Ia。因而，对于开关9的接下来的接通过程来说接通缓冲器再次可用。相应地，当断开开关9时，开关11再次被接通，从而输出电流Ia不会中断。具体地说，当节点K1处的电压基本上下降到零时会发生这种情况。因而提供了接通缓冲。因此，再次产生初始情况。只要需要焊接能量这就会反复进行。

由于电源单元3特别地用于从能量存储器2提供焊接能量，因此对于用户来说，根据能量存储器2的容量的可用能量有限。

因此，根据本发明，在输入和/或输出装置5上的根据图4和图5的显示单元27上显示可用的能量以及从该可用能量推导出的参数。优选地，根据能量存储器的能量和利用设置元件28设置的用于产生电弧6的电流来计算用于所述电流的能量将够用多长时间。例如按照如下描述的方式执行参数的技术，特别是可用时间即剩余时间的计算。

在根据现有技术的能量存储器2中，经常集成有所谓的“充电状态”(SOC)控制器和/或“健康状态”(SOH)控制器。根据设备1的控制装置4，所述控制器特别地传送电流充电状态，该电流充电状态基本上对应于能量存储器2的容量。而且，控制装置4还知道为电弧6设置的电流。需要所述电流，这是因为能够被有效地使用的能量存储器2的容量强烈地依赖于所施加的负载。所施加的负载对应于该设置电流。例如，在利用高焊接电流进行焊接时，能量存储器2的容量比利用中焊接电流或低焊接电流进行焊接时更快速地消耗。因而，能量存储器2的容量和用于操作电弧6的电流用作所述计算的基础。

例如，当起动设备1时，根据电流和容量计算所述设置电流能够工作的时间，并且将该时间显示在显示单元27上。这被称为剩余时间，或者在焊接装置的情况下被称为剩余焊接时间。当用于操作电弧6的电流特别是焊接电流改变时，则相应地调整剩余焊接时间。由于起动焊接装置时焊接处理尚未执行，所显示的剩余焊接时间仅用作参考值。这里，还没有考虑到实际的能量消耗。这特别地取决于电弧6的长度、所使用的焊接电极32、合适的焊接应用等。

当执行焊接处理时，控制装置4基于焊接电流和焊接电压的实际值或能量存储器2的电流和电压的实际值计算在一定时间上的实际能量消耗。基于所述之前的能量消耗，能够推断出将来的能量消耗。因而，能够调节剩余焊接时间即仍然可以进行焊接的时间，并且可以在显示单元27上显示新的值。这可以在电弧6的操作期间以规则的时间间隔，例如每五秒、三十秒或六十秒进行。优选地，只要开始新的焊接处理，焊接电流改变或设备1被断开，则在显示单元27上显示至少计算出的剩余焊接时间。

另外，至少可以存储所述的至少计算出的值，使得当起动所述设备时，在显示单元27上显示接下来的所述值。

为了更精确地执行剩余焊接时间的计算，在焊接处理期间例如存储将以规则时间间隔检测到的实际值。因而，在该焊接处理之后，可以由此计算出在该焊接处理期间消耗的能量，能量消耗的所述值在该焊接处理期间分配给该设置焊接电流。当利用相同设置焊接电流执行若干次焊接处理时，可以获得能量消耗的平均值。由于对所执行的每个焊接处理来说，还存储了所需要的焊接时间，因此也可以将所述时间平均。这样，同样可以生成数据库，其中可以针对多个焊接电流的可能设置在规定时间上存储例如所述能量消耗的平均值。这种数据库因而可以利用所执行的每次焊接处理来更新。这样，可以实现当起动焊接装置1时或当改变焊接电流时，根据所述数据库的经验值基本可知由于设置焊接电流而引起的能量消耗。因此，根据能量存储器2的容量和存储在数据库中的每次焊接处理的能量消耗，可以计算出利用设置焊接电流和能量存储器2的可用容量能够执行多少次焊接处理。由于与能量消耗对应地将相关的焊接时间也存储在数据库中，可以计算出剩余焊接时间并将其显示在显示单元27上。

因此，可以反复地计算或确定剩余焊接时间，这是因为以规则时间间隔考虑仍然可用的能量和电流能量消耗。因此，也规则地更新显示在显示单元27上的剩余焊接时间，从而可以获得关于能量存储器2的相对精确的信息。

当然，所描述的剩余焊接时间的显示也可以用于类似功能。具体地说，当能量存储器2不与用于焊接的模进相组合但是例如与逆变器模块或器具模块组合时，情况就是如此。

当可以对能量存储器2进行充电时则是更有利的。当使用同步降压转换器作为电源单元3时，还可以通过作为升压转换器来操作该同步转换器而使用该同步降压转换器对能量存储器2进行充电。通过将输入端和输出端互换，同步降压转换器可以在相反方向上操作。因而，对于升压转换器的操作来说，根据图2，开关11、电感器12和二极管28十分重要。当二极管28的功能被开关替换时，则其被称为同步升压转换器。因此，在同步转换器的两个操作模式中都采用开关11，从而对于相应的操作模式来说需要不同的控制。例如，通过利用输入和/或输出装置5上的根据图4和图5的设置元件30致动充电模式(充电)来致动用于作为升压转换器操作的开关11的控制。所致动的充电模式例如由发光二极管31指示。

因而，在所致动的充电模式中，达到了能够对能量存储器2进行充电的基本要求。因此，需要连接适当的电压源。这在同步降压转换器的输出端上执行，在这种情况下，该输出端用作同步升压转换器的输入端。具体地说，当在焊接装置中使用电源单元3时，则焊接插口是所述输出端。作为电压源，例如可以使用车辆的电池。在焊接插口的区域中，可以提供逆向极性保护，从而在连接所述电压源时保护电源单元3。

根据升压转换器的一般公知的功能，电压源的电压必须低于能量存储器2的电压。

在致动充电模式和连接电压源之后，对能量存储器2进行充电。因此，触发开关11，使得电压源的电压上升至能量存储器2的电压。相应地，用于能量存储器2的充电电流经由二极管28流到能量存储器2，上述可能的SOC和/或SOH控制器为能量存储器2的各个单元提供同等的充电。充电状态由SOC和/或SOH控制器监测并发送至控制装置4。因而，充电状态例如可以显示在显示单元27上。因而，一旦能量存储器2被完全充满，则由控制装置4自动地终止充电处理。因而，这在显示单元27的输入和/或输出装置5上显示，或者通过发光二极管31(能量)中的一个来显示。例如，当能量存储器2必须进行充电时发光二极管31(能量)亮起红色，或者当能量存储器2完全充满时则亮起绿色。因此，通过使用设置元件30可以将充电模式改变回焊接模式(WIG或ELE)。

当然，所述焊接装置还可以具有适当的连线，能量存储器2可以通过该连线使用充电装置进行充电。在这种情况下，不需要同步转换器的作为升压转换器的操作模式。

还可以在设备1上，特别是焊接装置1布置附加输出端，该输出端呈低压插座形式，该低压插座优选并联连接至电源单元3上的焊接输出端或焊接插口，即在焊接装置1上布置有用于向额外用电设备供电的输出端。因而，可以连接其他用电设备，例如灯、氖管、切断磨削工具，特别是柔性模块、胶枪、钻孔机器或钻孔模块、竖锯或竖锯模块等。

当然，在设备1或焊接装置中，可以布置升压转换器和DC/AC模块，因此，所述附加输出端可以设计为交流电压输出端，特别是240的插座。可以在设备1上，特别是在焊接装置上布置一个或更多个低压输出端和一个交流电压输出端，因而可以将以对应电压操作的其他装置直接连接至设备1。当连接并使用这种附加设备时，也可以如之前所描述的那样确定和指示其能量消耗。可以具有仍然可用能量的一般显示和/或用于一个或更多个焊接处理的时间段的显示，从而用户能够理想地使用现有能量。

设备1或焊接装置的这种设计的优点是现在给用户提供了用于结合材料的焊接装置，而且用于其他任务(例如分离材料)的附加装置可以连接至该焊接装置，因为存在公共电源。

Claims (12)

1.一种用于转换用于操作电弧(6)的能量存储器(2)的能量的方法，其中使用电源单元(3)和用于设置用于操作所述电弧(6)的电流的输入和/或输出装置(5)来转换能量，其特征在于，使用依赖于所述能量存储器(2)的确定容量的设置电流以及用于在所述输入和/或输出装置(5)上设置的电流的值来计算和显示用于操作电弧(6)的剩余时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在操作电弧(6)期间调整和显示所述剩余时间的值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以规定时间间隔执行对所述剩余时间的值的调整，并且存储所述剩余时间的相应值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据用于所述设置电流的能量消耗的存储值来计算所述剩余时间的值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过检索能量存储器(2)的至少一个控制器来确定所述能量存储器(2)的容量。

6.一种用于转换用于操作电弧(6)的能量存储器(2)的能量的设备，该设备具有用于能量转换的电源单元(3)和用于设置用于操作所述电弧(6)的电流的输入和/或输出装置(5)，其特征在于，设置了用于计算依赖于所述能量存储器(2)的确定容量的用于操作所述电弧(6)的剩余时间的值和用于在所述输入和/或输出装置(5)上设置的电流的值的计算单元、以及用于显示计算出的剩余时间的值的显示单元(27)。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述计算单元被设计成用于以规定时间间隔计算所述剩余时间的值，并且设置了用于存储所述剩余时间的相应值的储存器。

8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述能量存储器(2)的至少一个控制器被设置成能够用于确定所述能量存储器(2)的容量。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的设备，其特征在于，设置了用于对所述能量存储器(2)进行充电的充电单元。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，在所述输入和/或输出装置(5)上设置用于显示能量存储器(2)的充电状态的发光二极管(31)。

11.根据权利要求9或10所述的设备，其特征在于，在所述输入和/或输出装置(5)上设置用于开启和关闭所述充电装置的设置元件(30)。

12.一种焊接装置，该焊接装置具有能量存储器(2)、用于形成电弧(6)的焊炬(7)、输入和输出装置(5)和用于转换用于操作所述电弧(6)的能量存储器(2)的能量的装置，该焊接装置被设计成用于执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法。

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