CN103475207A - 焊接电流源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊接电流源（10），其具有第一整流电路（14），第一整流电路能在输入侧联接到单相交流电压源上并在输出侧通过无源功率因数校正电路（16）与时钟控制的桥式电路（26）相连，并且焊接电流源具有谐振变换器（38），谐振变换器具有变压器（40）和至少一个振荡回路，振荡回路具有至少一个电容器（44）和至少一个串联的电感器（42），并且谐振变换器在初级侧与桥式电路（26）相连而在次级侧与第二整流电路（52）相连，在第二整流电路的输出端上能联接焊接电极（56）和待焊接的工件（58）。为了改进焊接电流源使其一方面能够低成本地制造并且另一方面具有很小的谐波负载，提出：与变压器并联有至少一个电容器（48）和/或至少一个电感器。

Description

焊接电流源

技术领域

本发明涉及一种焊接电流源，其具有第一整流电路，该第一整流电路能够在输入侧联接到单相的交流电压源上，并且该第一整流电路在输出侧通过无源的功率因数校正电路与时钟控制的桥式电路相连，并且该焊接电流源具有谐振变换器，该谐振变换器具有变压器和至少一个振荡回路，该振荡回路具有至少一个电容器和至少一个与该电容器串联的电感器，并且该谐振变换器在初级侧与桥式电路相连而在次级侧与第二整流电路相连，在该第二整流电路的输出端上能够联接焊接电极和待焊接的工件。

背景技术

这种焊接电流源使用在电弧焊接方法中，其中电弧在焊接电极与工件之间燃烧，从而使得焊接电极的电弧侧端部熔化并且材料以液滴的形式转移到工件上。公知的焊接电流源通常具有第一整流电路，其将在输入侧提供的单相交流电压整流成脉冲式直流电压。为了减小脉冲式直流电压的波纹，通常使用平滑电容器，该平滑电容器为后置的时钟控制的桥式电路提供具有很小的纹波（Restwelligkeit）的直流电压。为了控制时钟控制的桥式电路，焊接电流源通常具有控制单元。依赖于控制单元的控制信号，所提供的直流电压被桥式电路变换成高频交流电压，将该高频交流电压输送给谐振变换器，第二整流电路后置于该谐振变换器。谐振变换器使高频交流电压发生转换，接下来第二整流电路对该高频交流电压进行整流。

由第二整流电路提供的直流电压加在焊接电流源的输出端上并且可以将其提供给焊接电极和待焊接的工件。

将平滑电容器用于减小由第一整流电路提供的直流电压的波纹具有如下后果，即，给交流电压源施加了很大的谐波。通常，作为交流电压源使用的是公共的电压馈电网，并且谐波导致馈电网电压失真。为了使这种失真保持在一定限度内，由公共的电压馈电网的运营商来预先给定谐波负载的临界值，使用者必须遵守该临界值。作为谐波负载的标准可以考虑焊接电流源的功率因数。功率因数限定为焊接电流源的有功功率与其视在功率的比值。在完全没有谐波出现的理想情况下，功率因数正好为1。功率因数越小，电压馈电网带有的谐波负载就越大。

为了减小这种谐波负载，在US6,091,612中提供了一种焊接电流源，其中代替平滑电容器使用无源的功率因数校正电路，该无源的功率因数校正电路后置于第一整流电路并且为时钟控制的桥式电路提供具有虽然减小了但是总还是不可忽略的波纹的直流电压。在公知的焊接电流源中，谐振变换器设计为串联谐振变换器。它包括变压器，该变压器在初级侧具有串联振荡回路，该串联振荡回路具有电容器和与该电容器串联的电感器。由焊接电流源提供在时间上恒定的直流电压。直流电压的高度可以通过对时钟控制的桥式电路的适当控制来改变。

与其中使用平滑电容器的焊接电流源相比较，由US专利文献6,091,612公知的焊接电流源具有如下优点，即，可以减小电压馈电网的谐波负载。然而，公知的焊接电流源必须是超大规格的，以便能够确保焊接电极与工件之间的稳定的电弧。其原因在于，在形成电弧时，可能由于电弧长度和/或电弧电阻的变化而短暂地出现焊接电压和焊接电流的波动。例如，在电弧长度短暂地变长时，焊接电流大大降低而焊接电压可能明显升高。在电弧长度短暂地减小时，焊接电流升高而焊接电压大大降低。因为焊接电流源必须适应电流波动和电压波动，所以在由US专利文献6,091,612中公知的焊接电流源中必需的是，所有的构件首先是变压器都根据短暂出现的最大值来设计。与电流平均值和电压平均值相比较，尤其是由同时出现的最大输出电压和最小输入电压组成的组合要求焊接电流源的超大规格。这与巨大的成本相关。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种开头所提及类型的焊接电流源，其一方面能够低成本地制造，而另一方面具有很小的谐波负载。

根据本发明，在该类型的焊接电流源中，该任务通过如下方式来解决，即，与变压器并联有至少一个电容器和/或至少一个电感器。

根据本发明的焊接电流源的显著特征在于，以组合的方式使用无源的功率因数校正电路和谐振变换器，其中，至少一个电容器和/或至少一个电感器与变压器并联。已经表明的是，通过这种构造方式一方面可以将电压馈电网的谐波负载保持得很小，而另一方面可以根据焊接电流和焊接电压的额定值（也就是说根据焊接过程在时间上的平均值）来设计根据本发明的焊接电流源的构件。如在US专利文献6,091,612公知的焊接电流源中所要求那样的构件的超大规格在根据本发明的焊接电流源中不是必需的。通过提供至少一个与变压器并联的电容器和/或至少一个与变压器并联的电感器使根据本发明的焊接电流源适应焊接电压和焊接电流短暂出现的最大值和最小值。至少一个电容器和/或电感器与变压器并联的布置方式具有如下后果，即，电容器和/或电感器也与电弧并联。如果焊接电流短暂地强烈地下降，那么并联的电容器和并联的电感器可以瞬时导走与电流额定值相比较的出现的电流过剩。如果焊接过程短暂地需要焊接电压强烈地升高，那么该电压可以由并联的电容器和/或并联的电感器来提供，这是因为与谐振变换器的输入端相比在这些构件上由于谐振变换器的谐振条件可以有明显更高的电压下降。

与变压器并联或者串联的电感器和电容器构成储能元件，该储能元件依赖于谐振变换器的谐振频率来储存能量。在这种情况下，根据本发明，至少一个储能元件与变压器并联。

因此，根据本发明的焊接电流源在其输出端上提供时间上变化的直流电压和时间上变化的直流电流，它们可以实现稳定的焊接过程，其中，仅必须根据输出电压和输出电流的额定值，也就是说时间上的平均值来设计焊接电流源尤其是变压器。这可以实现焊接电流源的低成本制造。此外，提供针对输出电流和输出电压的时间上变化的值具有如下优点，即，与由US6,091,612公知的焊接电流源相比，可以将谐波负载保持得更小。

根据本发明的焊接电流源可以实现的是，以很小的谐波负载固有地维持焊接过程，那么在输出电压强烈地降低时，可以短暂地提供非常高的输出电流。这具有如下优点，即，当存在非常短的电弧长度时（该电弧长度在实践中导致焊接电极与工件之间电短路），焊接电极的电弧侧端部能够由于强烈地升高的电流而短暂地熔化，从而使液滴从焊接电极转移到工件上，并且由此再次延长了电弧长度，该短路在实践中自行结束。

在根据本发明的焊接电流源中，根据焊接过程转换在与变压器并联的电容器或者与变压器并联的电感器上在谐振情况下出现的谐振电压升高。因此，输出电压可以独立于谐振变换器的输入电压来调整，从而电弧稳定性可以不需要超大规格或者附加电路以简单的方式低成本地得以保证。同时，可以将焊接电流源所联接的电压馈电网的谐波负载保持得很小。

根据本发明的焊接电流源的另一优点在于，利用它的帮助可以降低所谓的偏吹作用（Blaswirkung）。在这种情况下，它指的是一种磁效应，其出现在电弧焊接中。它可以通过磁力线来解释，该磁力线由被电流流过的导体产生，电弧、焊接电极、联接电缆并且还有工件都属于被电流流过的导体。磁力线将偏转力施加到导体上。例如，将电弧从工件的边缘引开。由于磁偏吹作用，可能影响焊缝的质量。磁偏吹作用尤其出现在利用直流电流进行焊接的情况下。因为在根据本发明的焊接电流源中输出电流被脉冲化，所以它具有时间上恒定的直流电流分量和叠加的交流电流分量。后者在工件中感应出涡流，该涡流降低了磁偏吹作用。

在本发明的有利的实施方式中，根据本发明的焊接电流源的变压器具有小于1的变压比。例如可以设置变压比为0.1。这可以实现的是，将在时间上的平均值为250V的输入电压转换成在时间上的平均值为25V的输出电压。在这种设计方式中，将在时间上的平均值为15A的输入电流转换成在时间上的平均值为150A的输出电流。

有利的是，与变压器并联有唯一的电容器。在本发明的特别优选的设计方式中，该电容器与变压器的次级侧并联。在这种情况下，特别具有优点的是，振荡回路具有如下电感器，该电感器设计为变压器的初级绕组与次级绕组之间的漏电感。由此可以取消用于振荡回路的电感器的单独的结构元件。

但是可选地也可以设置，电容器与变压器的初级侧并联。

可以设置的是，与变压器并联有唯一的电感器。该唯一的电感器可以与变压器的初级侧并联或者也可以与变压器的次级侧并联。电感器也可以作为磁化电感器集成到变压器中。由此可以取消用于与变压器并联的电感器的单独的结构元件。

优选地，振荡回路具有电容器和电感器，它们相互串联并且与变压器的初级侧串联。

无源的功率因数校正电路对本领域技术人员来说是本身公知的。优选地，在根据本发明的焊接电流源中使用的无源的功率因数校正电路具有两个彼此并联的电流路径，其中，在每个电流路径中都相互串联有二极管和电容器，并且这两个电流路径在二极管与电容器之间的区域中通过连接线路彼此相连，其中，在连接线路中仅联接有一个其他二极管。因此，在功率因数校正电路中可以放弃使用欧姆电阻。

附图说明

对本发明的优选实施方式的下列描述用于与附图结合进行详细阐述。其中：

图1示出根据本发明的焊接电流源的方框图；以及

图2示出图1中的焊接电流源的输出特性曲线簇。

具体实施方式

在图1中示意性示出根据本发明的焊接电流源的简化方框图，该焊接电流源整体上利用附图标记10来标示。它包括两个电压馈电端子11、12，该电压馈电端子可以联接到单相的交流电压源上，尤其是联接到公共的电压馈电网上。这两个电压馈电端子11、12形成第一整流电路14的输入端，该第一整流电路在所示出的实施例中构造为桥式整流器。借助于第一整流电路14，可以对施加电压馈电端子11、12上的单相交流电压进行整流。为了减少整流后的电压的纹波，在第一整流电路14上联接有功率因数校正电路16，其具有第一电流路径17和与该第一电流路径并联的第二电流路径18，在这两条电流路径中接有各一个二极管19或20和与这两个二极管串联的电容器21或22。在二极管与电容器之间的区域中，两个电流路径17、18通过连接线路23彼此相连，另一个二极管24接到该连接线路23中。

后置于功率因数校正电路16的是时钟控制的桥式电路26，该桥式电路26由功率因数校正电路16供应脉冲式直流电压。桥式电路26构造为全桥并且具有四个开关元件27、28、29、30，各一个续流二极管31、32、33、34配属于这四个开关元件。这种桥式电路26对于本领域技术人员来说是本身公知的，并因此在这里不需要进行详细阐述。对桥式电路26的控制借助于控制单元36来进行，该控制单元36通过如下方式来触发开关元件27、28、29、30，即，桥式电路26提供如下高频交流电压，其具有可变的频率和可变的脉宽。

后置于桥式电路26的是谐振变换器38，其具有变压器40和总共三个独立的、依赖于谐振变换器38的频率的储能元件。第一储能元件以电感器42的形式构成，该电感器42同样像以电感器44形式的第二储能元件那样与变压器40的初级线圈46串联。第三储能元件以另一电容器48的形式构成，该电容器48与变压器40的次级线圈50并联。初级线圈46与电感器42和与该电感器42串联的电容器44相结合构成串联振荡回路，而次级线圈50与同次级线圈50并联的电容器48相结合构成并联振荡回路。与初级线圈46串联的电感器42可以设计为在变压器40的初级线圈与次级线圈之间的漏电感。因此，电感器42不必强制性地设计成单独的结构元件。

根据额定值，也就是说焊接电流源10的输出电流和输出电压在时间上的平均值来设计变压器40。变压器40的电压传输比小于1，在所示的实施例中电压传输比为大约0.1，从而将大约250V的初级侧的额定电压变换成大约25V的次级侧的额定电压。以相应的方式，将大约15A的初级侧的额定电流变换成大约150A的次级侧的额定电流。然而，由于在谐振变换器38中产生的谐振，短暂地在与次级线圈50并联的电容器48上出现明显更高的电压。

后置于谐振变换器38的是第二整流电路52，其同样构造成桥式整流器并且对由谐振变换器38提供的交流电压进行整流。整流后的输出电压施加在焊接电流源10的输出夹接线端子54、55上。在输出夹接线端子54、55上能够以常见的方式联接有焊接电极56和待焊接的工件58，从而在焊接电极56与工件58之间形成电弧，在该电弧的作用下，材料可以从焊接电极56转移到工件58上。

电弧的长度并因此其电阻经受时间上的波动。这导致的后果是，施加到输出夹接线端子54、55上的输出电压以及流至焊接电极56的输出电流都经受波动。这些波动同样像变压器40的初级电流的波动（也就是说流过初级线圈46的电流的波动）那样由控制单元36来采集。为此，控制单元36通过输入线路68与初级电流传感器60相连，该初级电流传感器60采集在串联振荡回路中流动的电流，以及控制单元36通过输入线路71与输出电流传感器62相连，该输出电流传感器62采集焊接电流源10的输出电流，并且控制单元36通过输入线路69、70与输出夹接线端子54、55相连，从而控制单元36也可以采集焊接电流源10的输出电压。基于所采集的电流值和电压值，控制单元36控制时钟控制的桥式电路26的开关元件27、28、29、30。为此，控制单元36通过控制线路73、74、75、76与开关元件27、28、29、30相连。

焊接电流源10所提供的输出电压和输出电流依赖于施加在桥式电路26的输入端上的输入电压，也就是说它们依赖于无源的功率因数校正电路所提供的电压。焊接电流源10的输出特性曲线簇在图2中示出并且再次给出焊接电流源10的输出电压与输出电流之间依赖于不同的输入电压的关系。清楚可见的是，在输出电压保持不变的情况下可以降低输入电压。在输出电压保持不变的情况下，输出电流以如下程度降低，即，由此产生的较小的电弧功率相应于谐振变换器38的传输特性。依赖于输入电压，可以近似独立于输出电压的高度来维持特定的输出电流。因此，例如可以在输入电压为100V的情况下仍然近似独立于输出电压来确保将近40A的输出电流。由此形成固有的恒定电流特性，其对于电弧的稳定性来说是非常有利的。

从根据图2的输出特性曲线簇中清楚可见的是，输出电流在输出电压下降的情况下可以大大升高。当电弧电阻降低时，输出电压降低。降低的输出电压导致输出电流大大提高，并由此导致焊接电极熔化，从而紧接着再次构成较大的电弧电阻，并且输出电压升高。因此，焊接电极与工件之间形成的短路反作用于焊接电流源10的特性。

因此，焊接电流源10使焊接电极与工件之间的电弧稳定，并因此对焊接者来说使焊接过程变得容易。此外，焊接电流源10还具有如下优点，即，它仅具有很小的谐波负载，也就是说焊接电流源10所联接的电压馈电网仅被焊接电流源10加载很小的谐波。

在所示的实施例中，与变压器40并联的电容器48布置在变压器40的次级侧上。但是，这并非是强制性必需的。可选地，电容器48也可以布置在变压器40的初级侧上。此外，代替与变压器40并联的电容器48，也可以使用与变压器40并联的电感器，该电感器能够有选择地布置在变压器40的初级侧或者次级侧上。为了适应焊接过程的瞬时波动，除了两个串联的、以电感器42和电容器44形式的谐振元件肯定还应该使用电感器或者电容器形式的、与变压器40并联的谐振元件。第三谐振元件与变压器并联的布置方式确保了，该第三谐振元件与焊接电流源10的负载并联，也就是说与电弧并联。因此，也可以将施加在第三谐振元件上的谐振电压提供给焊接过程，并且可以对焊接电流的波动进行抵消，方法是：电流也能够流经与焊接过程并联地布置的第三谐振元件。

因此，焊接电流源10提供了脉冲式焊接电流。与无源的功率因数校正电路16的使用相结合，这可以实现将谐波负载保持得非常小。此外，脉冲式焊接电流具有如下优点，即，可以将所谓的偏吹作用保持得很低。在此偏吹作用是一种磁效应，其出现在电弧焊接中并且导致如下后果，即，电弧例如从工件棱边被引开。偏吹作用的降低由在工件中感应出的涡流产生，该涡流以与焊接电流反作用的方式分布。由涡流产生的磁场具有如下趋势，即，抵消由电弧产生的磁场。由焊接电流源10提供的脉冲式焊接电流具有交流电分量，其叠加在直流电上，该交流电分量降低了偏吹作用。

Claims (8)

1.一种焊接电流源，其具有第一整流电路（14），所述第一整流电路能在输入侧联接到单相的交流电压源上，并且所述第一整流电路在输出侧通过无源的功率因数校正电路（16）与时钟控制的桥式电路（26）相连，并且所述焊接电流源具有谐振变换器（38），所述谐振变换器具有变压器（40）和至少一个振荡回路，所述振荡回路具有至少一个电容器（44）和至少一个与所述电容器（44）串联的电感器（42），并且所述谐振变换器（38）在初级侧与所述桥式电路（26）相连而在次级侧与第二整流电路（52）相连，在所述第二整流电路的输出端上能联接焊接电极（56）和待焊接的工件（58），其特征在于，与所述变压器（40）并联有至少一个电容器（48）和/或至少一个电感器。

2.根据权利要求1所述的焊接电流源，其特征在于，所述变压器（40）具有小于1的电压传输比。

3.根据权利要求1或2所述的焊接电流源，其特征在于，与所述变压器（40）并联有唯一的电容器（48）。

4.根据权利要求3所述的焊接电流源，其特征在于，所述电容器（48）与所述变压器（40）的次级侧并联，并且所述振荡回路具有如下电感器，所述电感器构造为所述变压器（40）的初级绕组与次级绕组之间的漏电感。

5.根据前述权利要求之一所述的焊接电流源，其特征在于，与所述变压器（40）并联有唯一的电感器。

6.根据权利要求5所述的焊接电流源，其特征在于，所述电感器作为磁化电感器集成到所述变压器中。

7.根据前述权利要求之一所述的焊接电流源，其特征在于，所述振荡回路具有电容器（44）和电感器（42），它们相互串联并且与所述变压器（40）的初级侧串联。

8.根据前述权利要求之一所述的焊接电流源，其特征在于，所述无源的功率因数校正电路（16）具有两个彼此并联的电流路径（17、18），其中，在每个电流路径（17、18）中都相互串联有二极管（19、20）和电容器（21、22），并且所述两个电流路径（17、18）在二极管（19、20）与电容器（21、22）之间的区域中通过连接线路（23）彼此相连，在所述连接线路中仅联接有一个其他二极管（24）。

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