CN110603452A - 检测泄漏电流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了检测泄漏电流的方法和装置。用于监测焊接型系统的示例装置包括：测试信号发生器，被配置为向焊接型电路输出测试信号；以及锁相放大器，被配置为：基于测试信号接收参考信号；根据参考信号测量焊接型电路中的泄漏电流；并且产生代表泄漏电流的输出信号。

Description

检测泄漏电流的方法和装置

相关申请

本国际申请要求2017年5月8日提交的题为“Methods and Apparatus forDetecting Leakage Current(检测泄漏电流的方法和装置)”的美国专利申请No.15/589,415的优先权。美国专利申请No.15/589,415被全篇援引包含于此。

背景技术

本发明总体涉及焊接型系统，并更具体地涉及检测泄漏电流的方法和装置。

用于焊接、等离子切割和感应加热的电力供应器是众所周知的。通常，这样的电力供应器不具有接地故障中断电路，而是包括降低的开路输出电压、小电流、高频启动电路和警示标签。然而，对于感应加热难以提供降低的输出电压。接地故障中断电路在焊接、等离子切割和感应加热行业之外是已知的，但是由于焊接、等离子切割和感应加热行业的电力供应器的特性和这些电力供应器所使用在的环境，在焊接、等离子切割和感应加热行业中使用已知的接地故障中断电路是困难的。

期望提供具有低压接地故障保护电路的焊接、等离子切割和/或感应加热的电力供应器，该低压接地故障保护电路具有低电流阈值但不易受到高频噪声的不利影响，该高频噪声通常由用于焊接、等离子切割和感应加热的电力供应器产生。

发明内容

公开了检测泄漏电流的方法和装置，其大体通过至少一张附图被展示和结合至少一张附图被描述，并在权利要求书中被更完整地阐述。

附图简述

图1示出了根据本公开的一些方面的包括漏电检测电路的一个示例感应加热系统。

图2示出了根据本公开的一些方面的包括漏电检测电路的另一个示例感应加热系统。

图3是表示测量焊接型电路中的漏电的示例方法的流程图。

附图不一定按比例绘制。在合适的情况下，相似或相同的附图标记用于表示相似或相同的部件。

具体实施方式

所公开的示例焊接型电力供应器包括漏电检测电路，其能够在高噪声环境下进行可靠的低电压操作。在一些示例中，锁相放大器(又名同步解调器)用于检测焊接型电路与工件之间的过大的泄漏电流。在一些示例中，将低电压AC测试信号施加到焊接型电路，并且测量所得电流。该锁相放大器被调谐到测试信号的频率和相位，并且滤除所有其他信号。

在一些示例中，窗口比较器用于检测过大的泄漏电流和针对正常系统操作所预期的下限泄漏电流。可以从连接到焊接型电源的延长电缆中的寄生电容来预期下限电流。如果未检测到这些电容，一些示例系统会警告用户未连接延长电缆或测试电路未正常工作，和/或禁止焊接型电力的输出。

如本文所使用的，“电路”包括任何模拟和/或数字器件，功率和/或控制元件，例如微处理器、数字信号处理器(DSP)、软件等，分立和/或集成器件，或其部分和/或其组合。

所公开的用于监测焊接型系统的示例装置包括测试信号发生器和锁相放大器。测试信号发生器将测试信号输出到焊接型电路。锁相放大器基于测试信号接收参考信号，基于参考信号测量焊接型电路中的泄漏电流，并且生成代表泄漏电流的输出信号。

一些示例还包括比较器，该比较器将输出信号与阈值进行比较，以确定在焊接型电路中是否存在至少阈值泄漏电流。一些这样的示例还包括阈值生成器，用于基于测试信号来确定阈值。在一些示例中，当存在至少阈值泄漏电流时，比较器指示焊接型电路耦接到测试信号发生器和锁相放大器。

一些示例包括比较器，该比较器将输出信号与阈值进行比较，以确定在焊接型电路中是否存在小于阈值泄漏电流的泄漏电流。在一些这样的示例中，当存在至少阈值泄漏电流时，比较器指示焊接型电路中存在电流泄露故障。

在一些示例中，测试信号发生器和锁相放大器经由焊接型电力供应器电容性地耦接到焊接型电路。在一些示例中，测试信号发生器以与由焊接型电力供应器向焊接型电路输出的焊接型频率不同的频率生成测试信号。在一些示例中，焊接型电路是电感性地耦接到待加热工件的感应加热电缆、电阻加热电缆、向焊炬提供焊接电流的焊接电缆、向等离子体炬提供电流的等离子电缆或延长电缆中的至少一种，该延长电缆拟耦接在焊接型电力供应器与感应加热电缆、电阻加热电缆、焊接电缆或等离子电缆之间。

一些示例还包括反馈电缆，该反馈电缆耦接至待使用焊接型电路加工的工件，并且该反馈电缆向锁相放大器提供泄漏电流。一些示例装置还包括控制电路，以响应于输出信号来启用或禁用焊接型电力供应器。

所公开的示例方法包括：将测试信号从测试信号发生器输出到焊接型电路；在锁相放大器处基于测试信号接收参考信号；用锁相放大器基于参考信号测量焊接型电路中的泄漏电流；以及利用锁相放大器基于泄漏电流产生输出信号。

一些示例方法还包括利用电路将输出信号与第一阈值或第二阈值中的至少一个进行比较，以确定以下各项中的至少一项：1)在所述焊接型电路中是否存在至少上限阈值泄漏电流；或2)在焊接型电路中是否存在小于下限阈值泄漏电流的泄漏电流。一些示例还包括基于测试信号生成第一阈值或第二阈值中的至少一个。一些示例方法还包括：当存在至少下限阈值泄漏电流时，输出信号，所述信号指示焊接型电路联接至测试信号发生器和锁相放大器。

一些示例方法还包括当存在至少上限阈值泄漏电流时，输出信号，所述信号指示在焊接型电路中存在电流泄漏故障。在一些示例中，输出测试信号包括以与由焊接型电力供应器向焊接型电路输出的焊接型频率不同的频率生成测试信号。一些示例方法还包括响应于输出信号来启用或禁用焊接型电力供应器。

下面参考感应加热和感应加热工件来描述附图。然而，所公开的示例可应用于其他焊接型电力供应器和焊接型电路。如本文所用，术语“焊接型电路”包括能够转换、输送、产生和/或以其它方式向工件提供电力的设备和/或电路器件的任意组合，该电力适合于焊接、等离子切割、感应和/或电阻加热、CAC-A和/或热丝焊接/预热(包括激光焊接和激光熔覆)，所述设备和/或电路器件包括逆变器、转换器、斩波器、谐振电力供应器、准谐振电力供应器等，以及与之相关的控制电路和其他辅助电路。如本文所用，术语“焊接型电力供应器”是指适合于提供用于焊接、等离子切割、感应和/或电阻加热、CAC-A和/或热丝焊接/预热(包括激光焊接和激光熔覆)的电力的电力供应器。如本文所用，术语“焊接型频率”是指适合于焊接、等离子切割、感应和/或电阻加热、CAC-A和/或热丝焊接/预热(包括激光焊接和激光熔覆)的从焊接型电力供应器输出的电力的频率。

图1示出了包括漏电检测电路102的示例感应加热系统100(例如，焊接型系统)。感应加热系统100被配置为从感应加热电源104向感应加热线圈106提供电力。感应加热线圈106与工件108磁耦合，该工件108将通过感应加热线圈106被加热。在操作中，感应加热电源104以某一加热频率向感应加热线圈106输出电力，感应加热线圈106将电力传递至工件108以感应加热该工件108。如图1所示，感应加热电源104可以经由延长电缆110耦接到感应加热线圈106。示例漏电检测电路102可以被包括在感应电源104的外壳中并且耦接到感应加热电路。

图1的示例漏电检测电路102包括锁相放大器112和测试信号发生器114。测试信号发生器114将测试信号输出到感应加热电路(例如，感应电源104、延长电缆110和感应加热线圈)。测试信号发生器114被配置成以与焊接型频率(例如，感应加热频率)不同的频率生成测试信号，该焊接型频率是由感应电源104向感应加热电路输出的频率。测试信号可以是低电压测试信号。

锁相放大器112尝试测量感应加热电路中的泄漏电流。反馈电缆116耦接到工件108和漏电检测电路102，从而为由测试信号所导致的泄漏电流提供到锁相放大器112的路径。泄漏电流可能是由于延长电缆110和反馈电缆116之间的电容耦合和/或感应加热线圈106中的电绝缘故障(其导致感应加热线圈与工件108之间的电流泄漏)而引起的。

测试信号发生器114通过电容元件118、120电容性地耦接到感应加热电路。测试信号发生器114通过反馈电缆116中的电容元件122电容性地耦接到工件108。例如，电容元件122可以包括在与工件108电接触的连接器中。反馈电缆116也可以通过如通过电容元件125所示的寄生电容而电容性地耦接到延长电缆110。在图1的示例中，反馈电缆116被包括在延长电缆110的外包皮中，以至少确保延长电缆110和反馈电缆116之间的寄生电容的下限值。如下所述，寄生电容的认识使得漏电检测电路102能够认识到延长电缆110和/或感应加热线圈106是否连接到感应电源104。

锁相放大器112接收基于由测试信号发生器114输出的测试信号的定时参考信号124。锁相放大器112还接收表示感应加热电路中的泄漏电流的电流信号126。在图1的示例中，漏电检测电路102包括相移块128，该相移块128施加相移到测试信号以生成定时参考信号124。可以对相移块128进行调谐，使得定时参考信号124具有与电流信号126相似的相位。相移块128可以基于电容元件118、120、122的期望电容值和期望的寄生电容的期望电容值，将相移施加到测试信号，从而导致其在测试信号与电流信号126之间的相移。

为了产生电流信号126，示例漏电检测电路102包括电流感测电路130，该电流感测电路130包括差分放大器132和具有预定电阻的电流感测电阻器134。

锁相放大器112基于定时参考信号124来测量由电流信号126表示的感应加热电路中的泄漏电流。锁相放大器112输出输出信号136，该输出信号136可以被低通滤波器138滤波(例如，将输出信号限制为输出信号136的较低频率或直流分量)。

示例漏电检测电路102包括漏电警报电路140，以确定由锁相放大器112测量的泄漏电流(由滤波后的输出信号136表示)是否在泄漏电流值的可接受范围内。如上所述，当延长电缆110和加热线圈106正确地连接到感应电源104时，感应加热电路可以有意或无意地具有至少下限泄漏电流。高于上限的泄漏电流可以指示出延长电缆110和/或加热线圈106的故障。示例漏电检测电路102确定由测试信号导致的泄漏电流是否在上限和下限之间的范围内。

漏电警报电路140包括阈值生成器142和一个或多个比较器144。阈值生成器142从测试信号发生器114输出的测试信号产生幅度参考信号146、148。以这种方式，幅度参考信号146、148的值反映了测试信号中的任何变化。如果测试信号发生器114能够产生稳定的输出，则可以使用恒定值来产生示例幅度参考信号146、148。幅度参考信号146、148代表泄漏电流上限和/或泄漏电流下限。示例比较器144将输出信号136与幅度参考信号146、148进行比较，以确定输出信号136是否在上限和下限之间的泄漏电流范围内。

比较器144将输出信号136与第一阈值进行比较以确定在感应加热电路中是否存在至少上限阈值泄漏电流和/或将输出信号136与第二阈值进行比较以确定感应加热电路中是否存在小于下限阈值泄漏电流的泄漏电流。比较器144基于上述比较将警报信号150、152输出到控制电路154。当比较器144中的相应一个比较器确定输出信号136大于上限幅度参考信号146或小于下限幅度参考信号148时，可以以预定信号电平输出警报信号150、152。

控制电路154响应于警报信号150、152启用和/或禁用感应电源104。例如，如果输出信号136高于对应于泄漏电流上限的幅度参考信号146，控制电路154接收指示在感应加热电路中存在电流泄漏故障的警报信号150，并且作为响应可以命令感应电源104禁止输出电力。类似地，如果输出信号136低于与泄漏电流下限相对应的幅度参考信号148，则控制电路154接收警报信号152，该警报信号152指示测试信号发生器114和锁相放大器112(或者更总括地说，漏电检测电路)没有耦接到感应电源104、延长电缆110和/或感应加热线圈106(或者更总括地说，感应加热电路)。作为响应，控制电路154可以命令感应电源104禁止输出电力。在一些示例中，控制电路154是与控制焊接型电力供应器(例如，感应电源)的操作相同的控制电路和/或处理电路，该控制电路154包括控制输入电力到输出焊接型电力(例如感应加热电力)的转换。

虽然示例阈值生成器142既生成幅度参考信号146又生成幅度参考信号148，并且比较器144包括多个比较器，用于将输出信号136与幅度参考信号146、148进行比较，但是在其他示例中，阈值生成器142生成用于上限或下限中的仅一个的幅值参考信号，并且漏电报警电路140仅包括一个比较器，以将输出信号136与幅度参考信号进行比较。

图2示出了包括漏电检测电路102的另一示例感应加热系统200。示例感应加热系统200包括如前面图1所描述的漏电检测电路102、感应电源104、延长电缆110、感应加热线圈106和工件108。与图1中设置了反馈电缆116以传导泄漏电流的示例系统100不同，在图2的示例中，系统200包括一个或多个辅助电路202，辅助电路202通过辅助导线206、208从辅助电力供应器204远程供电。

辅助电力供应器204向辅助电路202输送直流电力，辅助电路202可以包括传感器、处理电路、通信电路和/或可能有用的任何其他电路，上述电路比感应电源104的物理位置更靠近工件108。辅助导线206、208被包括在示例延长电缆110的外包皮中，并且可以与感应加热电路中的导线210、212分离地端接。在图2的示例系统200中，辅助导线之一(例如，辅助导线208)被电容性地耦接到工件108，以传导泄漏电流以用于由锁相放大器112进行测量。

如上所述，所公开的示例可应用于感应加热系统和感应加热电路以外的焊接型系统和焊接型电路。所公开的示例可以使用在的示例焊接型电路包括以下至少之一：配置成电感性地耦接至待加热的工件的加热电缆；配置成向焊炬提供焊接电流的焊接电缆；配置成向等离子体炬提供电流的等离子电缆；或延长电缆，其被配置为耦接在焊接型电力供应器与加热电缆、焊接电缆或等离子电缆之间。

以上公开了处理来自锁相放大器112的输出的示例方法。然而，锁相放大器112的输出(例如，输出信号136)可以以其他方式和/或使用与所描述的具体电路不同的其他类型的电路来被处理。例如，数字和/或模拟电路的任何组合可用于处理泄漏电流的测量值和/或使用泄漏电流测量值来控制焊接型系统。

图3是表示用于测量焊接型电路中的漏电的示例方法300的流程图。下面参照图1的感应加热系统100描述示例方法300，但可以将该示例方法300应用于任何其他焊接型系统、焊接型电力供应器和/或焊接型电路以测量漏电。

在框302处，示例测试信号发生器114生成测试信号并将测试信号输出到焊接型电路(例如，图1的感应加热电路)。例如，测试信号发生器114可以在与焊接型频率不同的频率下产生低电压测试信号。

在框304处，相移块128将测试信号转换为定时参考信号124。例如，相移块128可以基于泄漏电流相对于测试信号的预期的相移来调整该测试信号的相位。

在框306处，锁相放大器112接收定时参考信号124和电流测量值(例如，电流信号126)。在框308处，锁相放大器112使用电流信号126和定时参考信号124测量焊接型电路中的泄漏电流。

在框310处，锁相放大器112产生代表所测量的泄漏电流的输出信号136。例如，锁相放大器112可以参考定时参考信号124确定电流信号126的幅度和相位，以输出具有与所测量的泄漏电流相对应的幅度的直流信号。

在框312处，阈值生成器142基于测试信号生成上限漏电阈值。上限漏电阈值对应于泄漏电流的上限，高于上限的泄漏电流可被认为是对于焊接型系统的操作来说过大。在框314处，比较器144确定泄漏电流是否大于上限漏电阈值。

如果泄漏电流不大于上限漏电阈值(框314)，则在框316处，阈值生成器142基于测试信号生成下限漏电阈值。下限漏电阈值对应于泄漏电流的下限，低于该泄漏电流可以认为是指示焊接型电路未被正确连接以用于焊接型系统的操作。在框318处，比较器144确定泄漏电流是否小于下限漏电阈值。

如果泄漏电流大于上限漏电阈值(框314)或者如果泄漏电流小于下限漏电阈值(框318)，则在框320处，控制电路154禁止焊接型输出和/或输出警报(例如，通过用户界面)。例如，控制电路154可以控制焊接型电力供应器以禁止焊接型电力的输出。相反，如果泄漏电流既不大于上限漏电阈值(框314)也不小于下限漏电阈值(框318)，则控制返回到框302以继续监视泄漏电流。

尽管以上以示例顺序将框302至320描述为不同的功能，但是示例漏电检测电路102可以在操作期间在基本上连续的基础上执行框302至320中的一个或多个。

尽管上面参考感应加热描述了一些示例，但是可以将这些示例修改为用于电阻加热，其中加热电缆向被加热的加热元件提供电力(或用作加热元件)，该加热元件通过I²R被加热并热耦合到要被加热的工件。可以将以上描述的示例修改为基于加热电缆中的施加加热电力和/或加热频率，通过电阻加热电缆进行通信。

如本文中使用的，术语“电路”和“线路”表示实体电子器件(例如硬件)和可配置硬件、可由硬件执行和/或以其它方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(代码)。如本文中使用的，例如，特定的处理器和存储器当执行第一一行或多行代码时可构成第一“电路”并当执行第二一行或多行代码时可构成第二“电路”。如本文中使用的，“和/或”表示由“和/或”连接的列表中的任意一个或多个项目。比如，“x和/或y”表示三元素集{(x),(y),(x,y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”表示“x和y中的一者或两者”。又如，“x、y和/或z”表示七元素集{(x),(y),(z),(x,y),(x,z),(y,z),(x,y,z)}中的任意元素。换句话说，“x、y和/或z”表示“x、y和z中的一者或多者”。如本文中使用的，术语“示例性”表示为非限制性示例、范例或例示。如本文中使用的，术语“比如”和“例如”引出一个或多个非限制性示例、范例或例示的列表。如本文中使用的，每当电路包括执行一项功能所需的硬件和代码(如果需要)时，电路“可操作”以执行该功能，而不管该功能的执行是否被禁用或不被启用(例如通过用户可配置的设定、工厂调整等)。

尽管已参照某些实施方式描述了本方法和/或系统，但本领域技术人员将理解，可作出许多改变并可用等效物替代而不脱离本方法和/或系统的范围。另外，可作出许多修改来使特殊情况或材料适应于本公开的教义而不脱离其范围。例如，所公开的示例的框图和/或组成部分可被合并、分割、重新排列和/或以其它方式被修改。因此，本方法和/或系统不仅限于所公开的具体实施方式。相反，本方法和/或系统将包括不管是字面上还是根据等同原则落在所附权利要求书的范围内的所有实施方式。

Claims (20)

1.一种监测焊接型系统的装置，包括：

测试信号发生器，所述测试信号发生器被配置成向焊接型电路输出测试信号；以及

锁相放大器，所述锁相放大器被配置为：

基于所述测试信号接收参考信号；

根据所述参考信号测量所述焊接型电路中的泄漏电流；和

产生代表所述泄漏电流的输出信号。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括比较器，所述比较器被配置成将所述输出信号与阈值比较，以确定在所述焊接型电路中是否存在至少阈值泄漏电流。

3.根据权利要求2所述的装置，还包括阈值生成器，所述阈值生成器被配置成基于所述测试信号确定所述阈值。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所述比较器被配置成当存在至少所述阈值泄漏电流时，指示所述焊接型电路耦接到所述测试信号发生器和所述锁相放大器。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括比较器，所述比较器被配置为将所述输出信号与阈值比较，以确定在所述焊接型电路中是否存在小于阈值泄漏电流的泄漏电流。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述比较器被配置成当存在至少所述阈值泄漏电流时，指示在所述焊接型电路中存在电流泄露故障。

7.根据权利要求5所述的装置，还包括阈值生成器，所述阈值生成器被配置成基于所述测试信号确定所述阈值。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述测试信号发生器与所述锁相放大器经由焊接型电力供应器电容性地耦接到所述焊接型电路。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述测试信号发生器被配置成以与由所述焊接型电力供应器向所述焊接型电路输出的焊接型频率不同的频率来生成所述测试信号。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述焊接型电路为感应加热电缆、电阻加热电缆、焊接电缆、等离子电缆或延长电缆中的至少一个，所述感应加热电缆被配置成电感性地耦接到要被加热的工件，所述焊接型电缆被配置成向焊炬提供焊接电流，所述等离子电缆被配置成向等离子体炬提供电流，所述延长电缆被配置成耦接到焊接型电力供应器与所述感应加热电缆、所述电阻加热电缆、所述焊接电缆或所述等离子电缆之间。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括反馈电缆，所述反馈电路被配置成耦接到要使用所述焊接型电路加工的工件，并且被配置成向所述锁相放大器提供所述泄漏电流。

12.根据权利要求1所述的装置，还包括控制电路，所述控制电路被配置成响应于所述输出信号而启用或禁用焊接型电力供应器。

13.一种方法，包括：

从测试信号发生器向焊接型电路输出测试信号；

在锁相放大器处基于所述测试信号接收参考信号；

利用所述锁相放大器基于所述参考信号测量所述焊接型电路中的泄漏电流；以及

利用所述锁相放大器基于所述泄漏电流生成输出信号。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括使用电路将所述输出信号与第一阈值或第二阈值中的至少一个进行比较，以确定以下中的至少一个：1)所述焊接型电路中是否存在至少上限阈值泄漏电流；或2)在所述焊接型电路中是否存在低于下限阈值泄露电流的泄漏电流。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于所述测试信号生成所述第一阈值或所述第二阈值中的至少一个。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括当存在至少下限阈值泄漏电流时，输出信号以指示所述焊接型电路耦接到测试信号发生器和所述锁相放大器。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括当存在至少上限阈值泄漏电流时，输出信号以指示在所述焊接型电路中存在电流泄露故障。

18.根据权利要求13所述的方法，其中输出所述测试信号包括以与由焊接型电力供应器向所述焊接型电路输出的焊接型频率不同的频率生成所述测试信号。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述焊接型电路是被配置成电感性地耦接到待加热工件的感应加热电缆、电阻加热电缆、被配置成向焊炬提供焊接电流的焊接电缆、被配置成向等离子体炬提供电流的等离子电缆或延长电缆中的至少一种，所述延长电缆被配置成耦接在焊接型电力供应器与所述感应加热电缆、所述电阻加热电缆、所述焊接电缆或所述等离子电缆之间。

20.根据权利要求13所述的方法，还包括响应于所述输出信号启用或禁用焊接型电力供应器。