CN107175386A - 具有变频辅助功率输出的电弧焊机 - Google Patents

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Abstract

一种电弧焊接系统包括具有开关型功率转换器的焊接电源。焊接电极连接至该开关型功率转换器以从其接收电能并产生电弧。变频辅助电源通过该电弧焊接系统的辅助功率输出向辅助负载供应电能。发动机‑发电机连接至该焊接电源和该变频辅助电源，以向该焊接电源供应电能从而产生该电弧，并且进一步将电能供应至该变频辅助电源。控制器操作性地连接至该变频辅助电源并且被配置成用于根据辅助电源频率设置来控制该变频辅助电源的输出电压频率。该变频辅助电源的输出电压频率是独立于该发动机‑发电机的发动机速度的。

Description

具有变频辅助功率输出的电弧焊机
发明背景
发明领域
本发明涉及一种由发电机供电并且具有辅助功率输出以用于为辅助负载(如灯、电动工具以及类似物)供应电能的焊机。
相关技术说明
电弧焊接机器可以由发动机-发电机供电，从而允许电弧焊接机器独立于公用电源来运行。这样的电弧机器可以具有允许其他电气设备运行的辅助功率输出(例如，插座)。辅助功率的频率(例如，60Hz)通常取决于驱动发电机的发动机的运行速度(RPM)。将期望提供一种电弧焊接系统，其中，辅助功率输出的频率既是用户可调的又是独立于发动机速度的。
发明简要概述
以下概述呈现了简化的总结，以提供对本文所讨论的系统和方法的一些方面的基本理解。本概述不是对在此讨论的系统和方法的广泛的综述。这并不旨在确定关键的要素或限定这样的系统和方法的范围。其唯一的目的是以简化的形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细的说明的序言。
以下总结了本发明的实例方面和实施例。应理解，可以单独地或彼此组合地提供这些实例方面和/或实施例。
根据一个方面，提供了一种包括焊接电源的电弧焊接系统。该焊接电源包括开关型功率转换器。焊接电极操作性地连接至该开关型功率转换器以从该开关型功率转换器接收电能并从该电弧焊接系统产生电弧。变频辅助电源通过该电弧焊接系统的辅助功率输出向辅助负载供应电能。发动机-发电机操作性地连接至该焊接电源和该变频辅助电源，以向该焊接电源供应电能从而产生该电弧，并且进一步将电能供应至该变频辅助电源。控制器操作性地连接至该变频辅助电源并且被配置成用于根据辅助电源频率设置来控制该变频辅助电源的输出电压频率。该变频辅助电源的输出电压频率是独立于该发动机-发电机的发动机速度的。
根据另一个方面，提供了一种包括焊接电源的电弧焊接系统。该焊接电源包括开关型功率转换器。焊接电极操作性地连接至该开关型功率转换器以从该开关型功率转换器接收电能并从该电弧焊接系统产生电弧。第一变频辅助电源通过该电弧焊接系统的第一辅助功率输出向第一辅助负载供应电能。第二变频辅助电源通过该电弧焊接系统的第二辅助功率输出向第二辅助负载供应电能。发动机-发电机操作性地连接至该焊接电源、该第一变频辅助电源和该第二变频辅助电源，以向该焊接电源供应电能从而产生该电弧，并且进一步将电能供应至该第一和第二变频辅助电源。控制器操作性地连接至该第一和第二变频辅助电源并且被配置成用于根据第一辅助电源频率设置来控制该第一变频辅助电源的第一输出电压频率，并且根据第二辅助电源频率设置来控制该第二变频辅助电源的第二输出电压频率。位置信号接收器操作性地连接至该控制器并且被配置成用于接收位置信号并且基于该位置信号来产生当前位置信息。该控制器自动地基于该当前位置信息确定该第一辅助电源频率设置和该第一变频辅助电源的输出电压水平。
根据另一个方面，提供了一种包括焊接电源的电弧焊接系统。该焊接电源包括开关型功率转换器。焊接电极操作性地连接至该开关型功率转换器以从该开关型功率转换器接收电能并从该电弧焊接系统产生电弧。变频辅助电源通过该电弧焊接系统的辅助功率输出向辅助负载供应电能。发动机-发电机操作性地连接至该焊接电源和该变频辅助电源，以向该焊接电源供应电能从而产生该电弧，并且进一步将电能供应至该变频辅助电源。控制器操作性地连接至该变频辅助电源并且被配置成用于根据辅助电源频率设置来控制该变频辅助电源的输出电压频率。全球导航卫星系统(GNSS)接收器操作性地连接至该控制器，并且被配置成用于接收GNSS信号并且基于这些GNSS信号生成当前位置信息，其中该控制器自动地基于该当前位置信息确定该辅助电源频率设置和输出电压水平。
附图简要说明
图1是实例电弧焊接系统的示意图；
图2是实例电弧焊接系统的示意图；
图3是实例电弧焊接系统的示意图；并且
图4是实例电弧焊接系统的示意图。
发明详细说明
本发明涉及一种由发动机-发电机供电并且具有用于向辅助负载供应电能的一项或多项变频辅助功率输出的电弧焊机。现在将参照附图描述本发明，其中相同的参考编号在通篇中被用来指代相同的要素。将理解的是，这些不同附图不必以彼此按比例的方式来绘制，在给定的附图内也同样是这样，并且特别地，部件的尺寸被任意地绘制，以便于对附图加以理解。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了多个具体的细节以便提供对本发明的全面理解。然而，可能明显的是，可以不需要这些具体的细节地实践本发明。此外，本发明的其他实施例是可能的并且能够以除了如所描述的方式之外的方式来实践和实施本发明。在描述本发明中采用的术语和短语是出于促进对本发明的理解的目的，并且不应该被认为是限制性的。
如在此使用的，术语“焊接”指代电弧焊接工艺。实例电弧焊接工艺包括金属保护电弧焊(SMAW)(例如，手弧焊)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)以及其他焊接工艺，如气体保护金属电弧焊(GMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)等等。
图1中示意性地示出了实例电弧焊接系统10。焊接系统10包括由发动机14驱动的发电机12，由此形成发动机-发电机。实例发动机包括柴油发动机、汽油发动机、LP燃气发动机等等。发电机12产生用于为焊接电源16(下文中未“焊机”)供电的电能。发电机12被示意性地示出为同步3相交流发电机。然而，该发电机不需要就是同步3相交流发电机。例如，如果期望的话，该发电机可以是单相交流发电机或直流发电机。
焊机16包括用于在电弧焊接过程中生成焊接波形的电路。图1中将焊接操作示出为在焊接电极20(耗材或非耗材)和工件22之间延伸的电弧18。
焊机16还包括用于向一个或多个辅助功率输出24、26(例如，图1中的Aux l和Aux2)提供交流或直流电的电路。辅助功率输出24、26向辅助负载28、30提供电力。可以由焊机16供电的实例辅助负载包括工具、灯、泵、装料机等等。在常规发电机驱动的焊机中，辅助功率将由发电机12供应。如果电弧焊接系统是具有用于向焊机供应电能的一个或多个电池的混合供电电弧焊接系统，则还可以从电池供应该辅助功率。
辅助功率输出24、26可以包括便于连接至辅助负载28、30的适当的出口。实例出口包括例如在北美常见的NEMA标准出口、在欧洲常见的CEE出口、以及其他类型的出口。辅助功率输出24、26可以包括易于适应在全世界不同地理地点使用的多种样式的出口，或者焊机16可以包括用于将一种样式出口转换到成另一种样式出口的适当的适配器。
在图1的电弧焊接系统10中，辅助功率输出24、26是变频辅助功率输出。可以调整辅助功率输出的输出电压频率。辅助功率输出24、26处的输出电压由焊机16内的一个或多个逆变器提供。焊机16包括操作性地连接至逆变器的控制器32来控制辅助功率输出24、26处的输出电压的特征(例如，频率和电压水平)。通过已知的脉宽调制技术，控制器32可以在辅助功率输出24、26处提供不同电压水平、和频率。例如，当在北美使用时，可以控制辅助功率输出24、26以所期望的电压水平(例如，120V、240V等)提供60Hz的功率。当在欧洲使用时，可以控制辅助功率输出24、26以所期望的电压水平(例如，220V等)提供50Hz的功率。其他频率和电压是有可能的。例如，当在机场使用时，可以控制辅助功率输出以120V提供400Hz的功率。
控制器32根据一个或多个辅助电源频率设置(例如，0Hz或DC、50Hz、60Hz、400Hz等)来设置辅助功率输出24、26的输出电压频率。控制器32还根据一个或多个辅助电源电压设置(例如，100V、120V、208V、220V、240V等)来设置输出电压水平。控制器具有用于储存对辅助功率输出的设置的相关联的存储器部分34。焊机16包括用户界面36，该用户界面操作性地连接至控制器32以便直接从焊接系统10的用户接收对辅助功率输出24、26的频率和/或电压的设置。用户界面36还可以允许设置多种不同焊接参数，如焊接电压和电流、焊接波形、焊丝给送速度等。
在某些实施例中，焊机16可以包括被配置成用于接收位置信号并基于该位置信号生成当前位置信息的位置信号接收器38。当前位置信息包括标识出位置信号接收器38以及由此焊机16的当前位置的数据。位置信号接收器38操作性地连接至控制器32并与该控制器通信以周期性地将当前位置信息传输至该控制器。控制器32可以基于由位置信号接收器38提供的当前位置信息自动地确定辅助电源频率设置和输出电压水平。为此，控制器32可以编程有适合于全世界不同地理地点的默认频率和电压水平设置。因此，焊机16可以自动确定其当前地理地点并且根据当前地理地点设定辅助功率输出24、26的频率和/或电压水平。如果期望的话，这样的设置可以经由用户界面36手动地超越控制。如焊接系统10从一个地点移动到另一个地点，就可以自动地或手动地将辅助功率输出24、26的电压和频率设置调整为适合于当前地点的设置。
位置信号接收器38的一个实例是全球导航卫星系统(GNSS)接收器。GNSS接收器从在轨卫星接收GNSS信号传输，并且基于每次传输的行进时间来确定GNSS接收器的位置。GNSS接收器包括全球定位系统(GPS)接收器和伽利略系统与格罗纳兹(GLONASS)系统的接收器。
控制器32可以是电子控制器并且可以包括处理器。控制器32可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑控制器等等中的一者或多者。控制器32可以包括存储致使该控制器提供在此赋予它的功能的程序指令的存储器部分34(例如，RAM或ROM)。
图2以所示焊机的额外细节提供实例电弧焊接系统10的另一个示意图。发电机12中的电枢绕组向焊机内的开关型功率转换器40供应电功率。实例开关型功率转换器包括直流斩波器、逆变器等等。来自发电机的交流功率由功率转换器40内的整流器42整流。整流器42的直流输出供应焊机的直流总线43。直流总线43进而将电能供应给开关电路，如斩波器或逆变器44。
出自斩波器/逆变器44的电引线46、48提供用于电弧焊接电流的完整电路。电弧焊接电流从斩波器/逆变器44流动通过电极20、跨过电弧18、并通过工件22。焊接电极20和工件22经由电引线46、48操作性地连接至开关型功率转换器40。焊接电极20从开关型功率转换器40接收电能(如由发动机-发电机供应)，以用于产生电弧18。
控制器32操作性地连接至开关型功率转换器40以向开关型功率转换器提供控制信号来控制焊接波形。控制器32可以经由反馈信号监测焊接工艺的多个不同方面(例如，焊接电流/电压)并因此在电弧焊接过程中调节焊接参数。
控制器32还操作性地连接至用于通过辅助功率输出24向辅助负载28供应电能的变频辅助电源50。控制器32控制如上所述的变频辅助电源50的输出频率和/或电压水平。发电机12向变频辅助电源50和开关型功率转换器40两者供应电能。然而，变频辅助电源50与斩波器/逆变器44和电弧焊接电流有效地电绝缘。变频辅助电源50可以包括整流器52和逆变器54，以用于由发电机12的功率输出产生所期望的交流输出电压和频率。发电机12可以被配置成用于向如图2中所示的变频辅助电源50供应3相电功率、或(如果期望的话)单相电功率。
变频辅助电源50的输出可以如上讨论地以手动或自动方式被调整成满足有待从变频辅助电源供电的辅助负载的要求。而且，变频辅助电源50的输出电压频率是独立于发动机14的速度(RPM)的。发电机12供应的电功率的频率取决于发动机14的转速。然而，由于逆变器54由整流的发电机输出来产生变频辅助电源50的输出电压，所以供应给辅助负载28的输出电压频率可以不同于发电机供应的电功率的频率。发动机14例如在不同负载条件下的速度的波动将不会影响变频辅助电源50的输出电压频率。
图3提供实例电弧焊接系统10的另一个示意图。在图3中，变频辅助电源包括逆变器54，但没有整流器。逆变器54由焊机的直流总线43供电。因此，直流总线43和整流器42被合适地确定成同时向开关型功率转换器40中的斩波器/逆变器44和变频辅助电源50中的逆变器54两者供应电能。
图4提供了实例电弧焊接系统10的又另一个示意图。图4中所示的系统与图2中的类似，但添加了第二变频辅助电源56。第二变频辅助电源56包括与第一变频辅助电源50分离开的整流器58和逆变器60。第二变频辅助电源56通过第二辅助功率输出26向第二辅助负载30供应电能。第二变频辅助电源56的输出电压和频率可以独立于第一变频辅助电源50来加以设置。因此，焊机可以同时为不同的辅助负载供应不同的电压和/或频率。例如，第一变频辅助电源50可以被设置成以120V、60Hz(或220、50Hz)提供功率，并且第二变频辅助电源可以被设置成以不同电压/频率(例如，120V、400Hz)提供功率。辅助功率输出24、26与彼此或与焊接电流电绝缘。可以经由来自位置信号接收器38(图1)的当前位置信息自动地或经由用户界面36手动地确定第一和第二变频辅助电源50、56提供的频率和/或电压。与第一变频辅助电源50相同，第二变频辅助电源56的输出频率独立于发动机14的速度(RPM)。
如果期望的话，第二变频辅助电源56中的逆变器60可以直接从焊机的直流总线43供电。
图中示出了具有两个辅助功率输出和变频辅助电源的电弧焊接系统。然而，如果期望的话，该电弧焊接系统可以包括额外的辅助功率输出和变频辅助电源。
应该明显的是，本披露是通过举例的方式的并且可以通过添加、更改或消除来作出多种不同改变而不脱离本披露内容中的教导的合理范围。因此，本发明不限于本披露的特定的细节，除非以下权利要求书必要地如此限定。

Claims (20)

1.一种电弧焊接系统，包括：
焊接电源，该焊接电源包括开关型功率转换器；
焊接电极，该焊接电极操作性地连接至该开关型功率转换器以从该开关型功率转换器接收电能并从该电弧焊接系统产生电弧；
变频辅助电源，该变频辅助电源用于通过该电弧焊接系统的辅助功率输出向辅助负载供应电能；
发动机-发电机，该发动机-发电机操作性地连接至该焊接电源和该变频辅助电源，以向该焊接电源供应电能从而产生该电弧，并且进一步将电能供应至该变频辅助电源；以及
控制器，该控制器操作性地连接至该变频辅助电源并且被配置成用于根据辅助电源频率设置来控制该变频辅助电源的输出电压频率，
其中该变频辅助电源的输出电压频率是独立于该发动机-发电机的发动机速度的。
2.如权利要求1所述的电弧焊接系统，进一步包括操作性地连接至该控制器并且被配置成用于接收辅助电源频率设置的用户界面。
3.如权利要求2所述的电弧焊接系统，其中从该用户界面可获得的、针对该辅助电源频率设置的频率选择包括50Hz、60Hz和400Hz中的每一者。
4.如权利要求1所述的电弧焊接系统，进一步包括位置信号接收器，该位置信号接收器操作性地连接至该控制器并且被配置成用于接收位置信号并且基于该位置信号来产生当前位置信息，其中该控制器自动地基于该当前位置信息确定该辅助电源频率设置和输出电压水平。
5.如权利要求4所述的电弧焊接系统，其中该变频辅助电源包括逆变器。
6.如权利要求4所述的电弧焊接系统，其中该位置信号接收器是全球导航卫星系统(GNSS)接收器。
7.如权利要求1所述的电弧焊接系统，其中该变频辅助电源是第一变频辅助电源，并且该电弧焊接系统进一步包括第二变频辅助电源，该第二变频辅助电源用于通过该电弧焊接系统的第二辅助功率输出向进一步的辅助负载供应电能，其中，该第二变频辅助电源的输出电压频率是独立于该发动机-发电机的发动机速度和该第一变频辅助电源的输出电压频率二者的。
8.如权利要求7所述的电弧焊接系统，进一步包括用户界面，该用户界面操作性地连接至该控制器，并且被配置成用于接收该第一变频辅助电源的辅助电源频率设置、和该第二变频辅助电源的更高的频率设置两者。
9.如权利要求1所述的电弧焊接系统，其中该变频辅助电源包括逆变器，该逆变器接收该发电机的输出电压，并且该发电机的输出电压的频率不同于该变频辅助电源的输出电压频率。
10.一种电弧焊接系统，包括：
焊接电源，该焊接电源包括开关型功率转换器；
焊接电极，该焊接电极操作性地连接至该开关型功率转换器以从该开关型功率转换器接收电能并从该电弧焊接系统产生电弧；
第一变频辅助电源，该第一变频辅助电源用于通过该电弧焊接系统的第一辅助功率输出向第一辅助负载供应电能；
第二变频辅助电源，该第二变频辅助电源用于通过该电弧焊接系统的第二辅助功率输出向第二辅助负载供应电能；
发动机-发电机，该发动机-发电机操作性地连接至该焊接电源、该第一变频辅助电源和该第二变频辅助电源，以向该焊接电源供应电能从而产生该电弧，并且进一步将电能供应至该第一和第二变频辅助电源；
控制器，该控制器操作性地连接至该第一和第二变频辅助电源并且被配置成用于根据第一辅助电源频率设置来控制该第一变频辅助电源的第一输出电压频率，并且根据第二辅助电源频率设置来控制该第二变频辅助电源的第二输出电压频率；以及
位置信号接收器，该位置信号接收器操作性地连接至该控制器并且被配置成用于接收位置信号并且基于该位置信号来产生当前位置信息，其中该控制器自动地基于该当前位置信息确定该第一辅助电源频率设置和该第一变频辅助电源的输出电压水平。
11.如权利要求10所述的电弧焊接系统，其中该第一和第二输出电压频率是独立于该发动机-发电机的发动机速度的。
12.如权利要求10所述的电弧焊接系统，进一步包括用户界面，该用户界面操作性地连接至该控制器，并且被配置成用于接收至少一个辅助电源频率设置。
13.如权利要求12所述的电弧焊接系统，其中从该用户界面可获得的、针对该至少一个辅助电源频率设置的频率选择包括50Hz、60Hz和400Hz中的每一者。
14.如权利要求10所述的电弧焊接系统，其中该第一变频辅助电源包括接收该发电机的输出电压的第一逆变器，并且该第二变频辅助电源包括接收该发电机的输出电压的第二逆变器，并且该发电机的输出电压的频率不同于与该第一变频辅助电源的第一输出电压频率和该第二辅助电源的第二输出电压频率都不同。
15.如权利要求10所述的电弧焊接系统，其中该位置信号接收器是全球导航卫星系统(GNSS)接收器。
16.一种电弧焊接系统，包括：
焊接电源，该焊接电源包括开关型功率转换器；
焊接电极，该焊接电极操作性地连接至该开关型功率转换器以从该开关型功率转换器接收电能并从该电弧焊接系统产生电弧；
变频辅助电源，该变频辅助电源用于通过该电弧焊接系统的辅助功率输出向辅助负载供应电能；
发动机-发电机，该发动机-发电机操作性地连接至该焊接电源和该变频辅助电源，以向该焊接电源供应电能从而产生该电弧，并且进一步将电能供应至该变频辅助电源；以及
控制器，该控制器操作性地连接至该变频辅助电源并且被配置成用于根据辅助电源频率设置来控制该变频辅助电源的输出电压频率；以及
全球导航卫星系统(GNSS)接收器，该全球导航卫星系统接收器操作性地连接至该控制器，并且被配置成用于接收GNSS信号并且基于这些GNSS信号生成当前位置信息，其中该控制器自动地基于该当前位置信息确定该辅助电源频率设置和输出电压水平。
17.如权利要求16所述的电弧焊接系统，其中该变频辅助电源包括逆变器。
18.如权利要求16所述的电弧焊接系统，进一步包括用户界面，该用户界面操作性地连接至该控制器，并且被配置成用于手动地接收该辅助电源频率设置。
19.如权利要求18所述的电弧焊接系统，其中从该用户界面可获得的、针对该辅助电源频率设置的频率选择包括50Hz、60Hz和400Hz中的每一者。
20.如权利要求16所述的电弧焊接系统，其中该发电机的输出电压的频率不同于该变频辅助电源的输出电压频率。
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