CN105189009B - 复合焊接系统以及用于控制该系统的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种复合焊接系统。在一个实施例中，所述焊接系统包括发动机驱动的发电机、储能装置、接触器以及控制器。所述控制器可配置成当所命令的输出低于阈值电平时控制来自所述发电机的焊接功率输送，以及当所述所命令的输出高于所述阈值电平时控制来自所述发电机和所述储能装置两者的焊接功率的输送。闭合所述接触器使得所述储能装置能够在焊接操作期间贡献焊接功率，并且能够与在焊接操作之间的充电无关地由所述发电机输出充电。本公开还公开了其他的复合焊接系统和方法。

Description

复合焊接系统以及用于控制该系统的方法

背景技术

本发明大体上涉及焊接系统，并且更具体地涉及复合焊接系统。

焊接是一种已经在各种工业和应用中变得日益普遍存在的工艺。因此，多种焊接应用，诸如建筑和造船业，可需要便携并且可轻易运输到远距离焊接位置的焊接设备。因此，在一些情形中，使这种焊接装置作为远离电网或者其他主用电源的独立单元来操作往往是所希望的。因此，已经开发出了多种利用备用电源的焊接系统，所述备用电源包括诸如储能装置(例如，电池)与发电机(例如，发动机驱动的发电机)。此外，还已经开发出了使用储能装置与发电机两者的复合焊接系统。

发明内容

在一个实施例中，焊接系统包括发电机和发动机，所述发动机经调适用于驱动所述发电机产生第一功率(power)输出。所述焊接系统还包括储能装置，诸如电池，所述储能装置配置为用于释放能量来产生第二功率输出；所述焊接系统还包括充电器，所述充电器耦接至所述储能装置并且耦接至所述发电机，以接收来自所述发电机的功率并对所述储能装置充电。所述焊接系统还包括控制器，所述控制器配置成用于控制来自所述焊接系统的焊接功率输出的输送，所述焊接功率输出包括来自所述第一功率输出或者所述第二功率输出中的至少一个的功率，其中，所述控制器在操作中使得当所命令的输出低于阈值时，焊接输出功率包括来自第一功率输出而不是第二功率输出的功率，以及当所述所命令的输出高于所述阈值时，所述焊接输出功率包括来自所述第一功率输出和所述第二功率输出两者的功率。此外，所述焊接系统包括接触器，所述接触器配置成使得当所命令的输出高于所述阈值时，所述储能装置能够提供第二功率输出来作为焊接输出功率的部分。在操作中，所述控制器可以命令闭合接触器，以在焊接操作期间提供所述第二功率输出作为焊接输出功率的一部分，并且使得所述第一功率输出能够与在焊接操作之间的充电器无关地对所述储能装置进行充电。

在另一实施例中，焊接系统包括发电机、配置成驱动所述发电机的发动机、储能装置，以及充电器，所述充电器配置成接收来自发电机的功率并且对所述储能装置进行充电。所述焊接系统还包括输出总线，所述输出总线配置成从所述发电机和所述储能装置接收功率；以及接触器，所述接触器耦接在所述储能装置和所述输出总线之间，以使得当所述接触器闭合时，所述接触器将功率从储能装置传递到输出总线。另外，所述焊接系统包括耦接至所述发电机的整流器，以及配置成控制所述输出总线的电压的控制器。所述焊接系统经由所述控制器配置成在焊接操作期间，最大化来自所述发电机的功率以及最小化从所述电池获得的功率。在另一个实施例中，一种操作焊接系统的方法包括：从所述焊接系统的输出总线输出焊接功率，以及通过调节所述输出总线的电压来控制从所述电池获得的到所述输出总线的功率的量。

附图说明

本发明的这些和其他特征、方面以及优点在参照附图阅读以下详细描述后将变得更易理解，其中在所有附图中相同的元件符号代表相同的部件，其中：

图1是方块图，示出了根据本发明的复合焊接电源的部件；

图2A和图2B描绘了复合焊接电源的各种操作状态，以及使得所述复合焊接电源的操作状态变化的条件的实例；

图3是流程图，表示复合焊接电源的可能操作；以及

图4是曲线图，示出了根据本发明在复合焊接操作期间用于负载、电池输出以及发电机输出的命令电流的实例。

具体实施方式

如在下文中更详细描述的，提供了一种复合焊接系统和用于控制此类系统的方法的实施例。在一个实施例中，所述复合焊接系统适于经由发动机-发电机单元提供输出功率，以满足由操作员命令的较小电流负载需求(例如，小于325安培)，以及经由储能装置补充输出功率，从而满足较大命令电流负载(例如，高于325安培)。虽然某些实施例在下文中是在基于电池的系统的情境中描述的，另外的实施例可包含多种适当的储能装置中的任意一者，诸如电容器、燃料电池等等。此外，所公开的复合焊接系统的实施例可包括具有低于例如25马力或者30马力的额定功率的发动机，但是可能仍然能够通过合并来自一个或多个电池和发动机-发电机单元两者的输出功率来产生输出功率以满足大负载命令(例如，高于325安培)。

在图1所述的实施例中，复合电源10是在包括焊炬的焊接系统(例如，金属惰性气体(MIG)焊接系统)的情境中示出的。如本文所使用的，术语“焊接操作”是指常规的焊接工艺(例如，MIG焊接)，以及切割操作与凿槽操作。类似地，术语“焊接功率输出”是指用于焊接工艺、切割工艺或者凿槽工艺的功率输出。实际上，所公开的复合焊接系统的实施例可以递增方式提供功率用于焊接工艺、切割工艺，或者任何其他适当的焊接操作。

如所示出的，复合电源10包括发动机控制器12；发动机-发电机单元14，所述发动机-发电机单元14包括发动机16与发电机18；焊接控制器20；电池22；接触器24；变换器26；以及焊接功率变换器28，所述焊接功率变换器28产生用于焊接的输出功率、从输出到所述焊接功率变换器的反馈；以及整流器30。所述复合电源10还包括输出端子，以用于耦接至辅助输出端32、焊炬34以及接地36。

在所示出的实施例中，所述发动机-发电机单元14和所述电池22各自耦接成经由变换器26提供输出功率。然而，在其他配置中，可采用两个或更多个变换器来接收来自发动机-发电机单元14和电池22两者的功率，以及将此类输入功率转换成一或多个适当的功率输出。更进一步的，所示出的实施例示出了容纳在单一机械外壳内的发动机-发电机单元14、电池22以及功率变换器26。在其它实施例中，此类部件可在机械外壳中以多种适当方式中的任意一种方式耦接在一起。例如，在一个实施例中，所述发动机-发电机单元14可在一个外壳中与功率变换器26耦接，以及电池22可容纳在另一机械外壳中。在此类实施例中，分离的机械外壳可经由穿过焊接环境的电缆耦接。

在操作期间，所述复合电源10配置成以递增方式满足焊接操作的命令输出电平，如下文更详细的描述。此类命令输出电平可为基于电流、电压、电线类型、送丝速度、棒状焊条直径等等中的一个或多个来命令的。因此，发动机16配置成用于驱动发电机18产生功率，所述功率可用于例如提供功率至辅助输出端32、对电池22充电，以及经由功率变换器26提供一些或者所有功率用于焊接功率输出。在一些配置中，可包括专用电池充电器，以控制电池的充电模式。此外，在一些实施例中，所述发动机16可具有低于大约75马力，低于大约55马力、低于大约45马力、低于大约35马力、低于大约25马力、低于大约15马力，或者低于大约5马力的额定功率。例如，对于大功率焊接操作(例如，切割或者凿槽操作)而言，发动机可具有高达大约75马力的额定功率，以致所述发动机配置成满足所述焊接操作的大功率要求。

此外，所述电池22(电池22可包括一或多个串联、并联、或者串联和并联的物理电池)配置成放电以产生功率，所述功率可被经由接触器24和变换器26路由至焊炬34。在其他实施例中，所述电池22可释放功率，所述功率也是或者替代地被路由至其他焊炬(例如，切割炬或者气刨炬)或者作为辅助功率路由至其他装置。可并入适当的变换器来以所需的方式调节所路由的功率，以供所述装置使用。所述发动机控制器12配置成接收输入(例如，传感器反馈、手动输入等)以用于控制所述发动机和发电机，同时所述焊接控制器20可接收诸如来自直流总线和输出反馈28的输入，所述直流总线在整流器30和变换器26之间，所述输出反馈28是诸如反映用于焊接操作的输出的电压和电流的反馈。例如，此实施例可应用于以下情况中：低频率；高峰值功率需求，在所述需求中所述发动机-发电机输出是通过储能装置输出来补充的。在此类实施例中，在较低功率需求的情况中，所述储能装置可从发动机-发电机单元再充电，或者当所述发动机-发电机单元关闭时从另一电源再充电。

在一个实施例中，所述焊接控制器20配置成(即，包括启动控制器的适当程序、电路系统、或者程序和电路系统两者)控制整流器30，所述整流器30可为相控整流器，从而控制从发电机18传递到直流总线的功率输出的量。在本实施例中，当所述电平低于输出阈值(例如，325安培)时，来自发电机18的功率输出可用于满足所有的命令输出电平(例如，如由操作员经由对焊接机的控制而指定的期望输出)。当所述命令输出电平高于输出阈值时，来自电池22的功率输出可用于从发电机18补充该电平。

与直接调节来自电池22和发电机18两者的功率和电流不同，所述发动机控制器12可以大概恒定的水平将发电机转速保持在最高转速(例如，发电机的最大额定转速的至少百分之九十)处，以最大化来自所述发电机18的功率输出，以及最小化从所述电池22获得的任何功率。在一些实施例中，最大额定发电机转速是1800rpm或者1850rpm。当需要来自电池22的补充功率时，诸如在命令输出电平超过输出阈值的情况下，焊接控制器20可闭合接触器24。所述输出阈值可被设置为处于或者接近(例如，至少百分之九十)能够由发电机18经由功率变换器电路系统26提供的最大输出。因为所述发电机18每当电池22被使用时往往将提供最大功率，所以从电池22获得的功率被最小化并且等于满足命令输出电平所需的补充的量，而无需调节来自电池22的功率或电流。所述焊接控制器20还可监控并调节直流总线的电压，以便控制从电池22获得的功率的量。

当无需来自电池22的功率即可满足所述命令输出电平(例如，命令输出电平低于325安培)时，所述接触器24可保持断开，并且所述电池22的充电可被维持。如上所述，虽然电池22在图1中被示出为单一电源，但是应当理解的是，所述电池22实际上可为多个电池。例如，在一个实施例中，所述复合电源10包括五个、六个单元电池，所述电池具有每单元约2.27伏特的电容(或者，对于所有电池为约68.1伏特)。所述系统涓流充电或者浮充电所述一个或多个电池，并且充电器可用于维持所述电池的充电状态。当不在焊接操作中时(例如，当焊炬34和工件之间没有有效电弧时)，当所述电池22未充足电时或者当命令输出电平超过阈值时，可闭合所述接触器24，并且发电机18的全部功率可用于对电池22进行充电，与电池充电无关。

如上文一般性描述的，所述焊接控制器20可适于实施递增的功率存取方法，以确保以有效方式满足焊接操作的命令输出。此外，此类用于控制复合焊接系统的递增途径可允许发动机为小型的，例如额定功率小于大约25马力，同时维持处理大负载(例如，高于大约325安培)的能力。

复合电源10的操作状态的实例提供于根据一个实施例的图2A和图2B的方块示意图表40中。控制器20可检测各种条件并且致使复合电源10在各种操作状态之间转变。在复合电源10启动时(方块42)，所述接触器24被关闭。当起动所述系统时，如果电池22是充足电的并且命令输出(在当前实例中为输出电流)小于325安培，那么复合电源10进入低电流模式(方块44)。否则，所述复合电源10进入充电模式(方块46)。在低电流模式中，所述接触器24保持断开，直流总线是完全接通的，且发动机16是空转的。随着焊弧的启动，复合电源10从低电流模式移动到焊接低模式(方块48)。在该模式中，接触器24保持断开，直流总线处于满相、浮动模式，并且所述发动机16运行以提供功率到总线。当电弧关闭时，如果电池22保持充满状态那么所述复合电源10可返回至低电流模式，或者否则可转入充电模式(方块46)。在充电模式中，所述接触器24被闭合以允许来自发电机18的功率对电池22进行充电。另外，在充电模式中，所述总线可被维持在73.5伏特，以及所述发动机16运行以经由发电机18产生功率。

当在充电模式中电池的充电电流低于3安培时，所述复合电源10从充电模式转入结束充电模式(方块54)。类似于充电模式，在结束充电模式中，所述接触器24保持闭合，所述总线维持在73.5伏特，且所述发动机16继续运行。在结束充电模式中5分钟之后，复合电源10进入高电流浮动模式(方块52)，在该模式中接触器24保持闭合，总线完全接通，以及所述发动机16空转。然而，如果当电源10在充电模式或结束充电模式中时启动焊弧，那么复合电源10替代地进入十字路口状态(方块56)。如果命令电流超过325安培，那么复合电源10将从十字路口状态进入焊接高模式(方块50)，在该模式中接触器24闭合，总线以RPM模式操作，且发动机16运行。如果所述命令电流低于300安培，那么复合电源10将从所述十字路口状态进入焊接低模式。对于在十字路口状态中命令电流的其他电平(即，300至325安培)而言，接触器24保持闭合，所述总线维持在73.5伏特，并且所述发动机16继续运行。

如果所述电源10检测到总线上的电压降到低于最小阈值，诸如在图2B中的54伏特，那么复合电源10可进入故障模式(方块58)。在该故障模式中，接触器24闭合，总线以RPM模式操作，发动机16运行以经由发电机18产生功率，并且焊接输出被停用。如果总线上的电压随后增加到高于68.1伏特，那么复合电源10可返回至充电模式。否则，电源可进入应急模式(方块60)，在该模式中所述接触器24被断开。在停机时，复合电源10可保留其充电状态(方块62)，断开接触器24，关闭总线，并且停用发动机16。

复合电源10的操作的另一实例提供于根据一个实施例的图3中。具体地，在流程示意图表70中，在方块72处，复合电源10可监控命令输出(即，命令输出电流)。控制器12可在方块74处调节发电机18的转速，并且可在方块76处控制至总线的发电机输出(例如，经由整流器30)。如果命令输出电平低于输出阈值(决策方块78)，那么所述复合电源10可在方块80处致使接触器被断开。另外，电池可诸如经由充电器从发电机18接收功率(方块82)以及对电池22充电(或者维持电池22上的充电)(方块84)。复合电源10可在方块86处输出焊接功率。同时，复合电源10可在方块88处检测到发电机转速已降到低于转速阈值，以及作为回应闭合接触器24(方块90)以允许电池22提供功率到总线。如果输出命令不低于输出阈值(决策方块78)，那么电源10可在方块92处闭合接触器24。此外，随着所述接触器24闭合，电源10可直接从总线对电池22充电(方块94)。同时，电源10可提供输出焊接功率(方块96)至焊炬34(例如，在启动焊炬34上的触发器时)。

复合电源10的操作还可参考图4加以更透彻地理解，图4是曲线110，一般地描绘发电机输出和电池输出可如何用于一个实施例中来满足请求的负载。具体地，曲线112表示命令负载，而发电机输出和电池输出分别用附图标记114和116表示。在时间t1处，命令电流为大约120安培，并且由发电机输出114完全地满足。类似地，在时间t2处，命令输出为大约260安培，并且由发电机输出114再次完全满足。在时间t3处，命令负载112等于来自发电机输出114的最高电平。在目前示出的实施例中，最大发电机输出是325安培，但是将了解到其他实施例可具有不同的最大发电机输出。当命令负载112从t3增加至t4，以及再次增加至t5时，提供来自所述发电机18的最大输出，并且电池输出116增加以满足未由发电机输出114满足的负载112的部分。以这种方法，发电机输出114用于满足所有的命令负载112高达所述发电机的最大输出(例如，325安培)，以及所述电池输出116仅用于满足高于发电机的最大输出的额外负载112。

已经以举例说明的方式示出了如上所述的具体实施例，并且应当理解的是，这些实施例可较为容易地进行各种修改和替代形式。还应理解的是，所述权利要求书并非旨在受限于所公开的具体形式，而是涵盖落入本公开的精神和范围内的所有改进、等效形式或替代。

Claims (20)

1.一种焊接系统，包括：

发电机；

发动机，所述发动机配置成用于驱动所述发电机以产生第一功率输出；

储能装置，所述储能装置配置成用于释放能量以产生第二功率输出；

控制器，所述控制器配置成用于控制来自所述焊接系统的焊接功率输出的输送，所述焊接功率输出包括来自所述第一功率输出或者所述第二功率输出中的至少一者的功率，其中，所述控制器在操作中使得当命令的输出低于阈值时，所述焊接功率输出包括来自所述第一功率输出的功率而不包括来自所述第二功率输出的功率，以及当所述命令的输出高于所述阈值时，所述焊接功率输出包括来自所述第一功率输出和所述第二功率输出两者的功率；以及

接触器，所述接触器由所述控制器控制，并且配置成当所述命令的输出高于所述阈值时，使得所述储能装置能够提供所述第二功率输出来作为所述焊接功率输出的一部分，其中所述控制器在操作中接收来自所述焊接功率输出的反馈，并且自动地并以闭合环路的方式命令断开或闭合所述接触器，用以在焊接操作期间基于所述焊接操作所需的功率提供所述第二功率输出作为所述焊接功率输出的一部分，以及用以在焊接操作之间使得所述第一功率输出能够与所述储能装置的充电状态无关地对所述储能装置进行充电，其中所述控制器被配置成在焊接操作期间基于焊接功率的参数的所述阈值闭合或断开所述接触器，以使得所述储能装置能够或不能够提供所述第二功率输出，从而最大限度地使用来自所述发电机的功率以及最小限度地使用从所述储能装置获得的功率。

2.根据权利要求1所述的焊接系统，所述焊接系统包括：焊接功率变换器电路系统，所述焊接功率变换器电路系统配置成用于改变所述第一功率输出的特性，以便在操作中所述焊接功率输出包括由所述焊接功率变换器电路系统改变的所述第一功率输出。

3.根据权利要求2所述的焊接系统，其中所述阈值是电流阈值，所述电流阈值为所述焊接系统配置用于从所述焊接功率变换器电路系统输出的最大电流的至少百分之九十。

4.根据权利要求3所述的焊接系统，其中所述电流阈值是325安培。

5.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述储能装置是电池。

6.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述焊接系统配置成用于对所述储能装置进行浮充电。

7.一种焊接系统，包括：

发电机；

发动机，所述发动机配置成用于驱动所述发电机；

储能装置；

输出总线，所述输出总线配置成用于从所述发电机和所述储能装置接收功率；

接触器，所述接触器耦接在所述储能装置和所述输出总线之间，从而使得在焊接操作期间，一旦所述接触器闭合，所述接触器将来自所述储能装置的功率传递到所述输出总线；

整流器，所述整流器耦接至所述发电机；以及

控制器，所述控制器配置成接收来自所述焊接系统的输出的反馈，并且通过自动地并以闭合环路的方式命令断开或闭合所述接触器来控制所述输出总线的电压；

其中所述焊接系统经由所述控制器配置成用于在焊接操作期间基于焊接功率的参数的阈值闭合或断开所述接触器以使得所述储能装置能够或不能够将功率传递到所述输出总线，从而最大限度地使用来自所述发电机的功率以及最小限度地使用从所述储能装置获得的功率。

8.根据权利要求7所述的焊接系统，其中所述控制器配置成用于通过控制所述整流器来控制所述发电机输出至所述输出总线的有效功率输出。

9.根据权利要求7所述的焊接系统，其中所述控制器配置成用于控制所述接触器的闭合，以允许所述储能装置输出功率至所述输出总线。

10.根据权利要求7所述的焊接系统，其中所述整流器是相控整流器。

11.根据权利要求7所述的焊接系统，包括焊炬，所述焊炬耦接到所述输出总线，从而所述焊炬从所述输出总线接收所述功率。

12.一种操作根据权利要求1-11中的任一项所述的焊接系统的方法，所述焊接系统包括电池和发电机，并且所述焊接系统配置成用于经由所述焊接系统的输出总线提供焊接功率，所述输出总线连接成使得所述输出总线能够从所述电池和所述发电机两者接收功率，在操作中所述焊接功率包括来自所述电池和所述发电机中的一者或两者的功率输出，所述方法包括：

从所述焊接系统的所述输出总线输出所述焊接功率；

经由控制器接收基于所述焊接系统的所述输出的反馈；以及

经由所述控制器基于所述焊接功率的参数的阈值自动地并以闭合环路的方式控制接触器的闭合或断开以使得所述电池能够将电压施加在所述输出总线上或阻止将电压施加至所述输出总线而调节所述输出总线的电压，从而控制由所述电池提供至所述输出总线的功率的量，

其中，在焊接操作期间，一旦所述接触器闭合，所述接触器将来自所述电池的功率传递到所述输出总线。

13.根据权利要求12所述的方法，包括：

监控电流输出命令的量级；

当所述电流输出命令的量级超过阈值时，闭合所述接触器以使所述电池能够施加电压至所述输出总线；以及

当所述电流输出命令的量级低于所述阈值时，断开所述接触器以阻止所述电池施加电压到所述输出总线。

14.根据权利要求13所述的方法，包括：当所述接触器断开时，对所述电池充电。

15.根据权利要求14所述的方法，包括：接收来自所述发电机的功率以用于充电。

16.根据权利要求13所述的方法，包括：当所述接触器闭合时，经由所述输出总线用来自所述发电机的输出功率对所述电池进行充电。

17.根据权利要求12所述的方法，包括：调节所述发电机的转速。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述焊接系统还包括相控整流器，所述方法进一步包括经由所述控制器控制所述相控整流器以控制从所述发电机提供到所述输出总线的功率的量。

19.根据权利要求17所述的方法，包括：检测到所述转速已经降到低于转速阈值，以及响应于所述转速降到低于所述转速阈值，闭合所述接触器以使得所述电池能够提供功率至所述输出总线。

20.根据权利要求12所述的方法，其中所述焊接系统不控制从所述电池获得的功率的量。