CN110651422A - 用于gtaw焊接装备的点火装置 - Google Patents

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Abstract

用于焊接装备的点火装置包括电容器、变压器、连接到变压器的次级绕组的高电压输出电路、使得电容器能够放电到变压器的初级绕组的放电开关、充电器以及控制充电器和放电开关的操作控制电路。

Description

用于GTAW焊接装备的点火装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月22日提交的美国非临时申请no.15/630,737的权益，并且要求于2017年5月25日提交的临时申请No.62/510,885的优先权，这两个申请的内容通过引用整体并入本文中。
技术领域
本实施例涉及气体保护钨极弧焊(gas tungsten arc welding，GTAW)装备，并且尤其涉及电弧启动(arc starting)或点火装置。
背景技术
在焊接设备中，提供电弧的电源是基本部件。取决于电焊接的方法，电源可以输送不同参数的电功率。任何类型的焊接电源的输出电压都被限制在由焊接方法的需要、安全要求和设备的广泛理解的有效性所限定的水平。一般而言，最大电压太低以至于无法在正常操作距离下导致从工作电极到工件的电击穿。因此，焊接的开始可能以接触的方式发生。在这种情况下，焊接从工作电极和工件的直接接触开始。在激活电源之后，当一定的电流从电源流出时，接触终止，从而导致电极和工件之间的电压激增和电弧。作为接触方法的替代，可以在没有电极和对象接触的情况下开始焊接。在这种替代情况下，焊接设备包括辅助装置，该辅助装置在短时间内输送足够高的电压以引起电极和焊接对象之间的电击穿，并进一步开始电弧和焊接过程。
发明内容
在GTAW焊接中，期望在没有电极和工件的接触的情况下启动电弧。根据本文描述的实施例的点火装置通过控制电压、能量和操作的时间来提供电弧的点火所需的高电压以及高可靠性和高安全性。
附图说明
图1描绘了根据示例实施例的点火装置的功能电路图。
图2描绘了根据示例实施例的点火装置中的几个信号的时间图。
图3描绘了根据示例实施例的随着增加的时间标度的充电电容器上的电压的时间图。
具体实施方式
本文描述的实施例采用了适合于用于GTAW焊接的非接触式电弧启动的电容器放电电弧点火装置。
电容器放电电弧点火装置的操作原理如下。在第一操作周期中，电容器被充电器电路充电到预定电压电平。一旦被充电，电容器就被放电到高电压输出电路中，该高电压输出电路包括电容器、开关以及电极之间的空气或气隙的串联连接。在特定实施方式中，串联连接可以包括高电压变压器，以获得用于使大气电离并产生用于焊接的电弧所需的高电压。
当在GTAW的环境中使用时，并且根据本文描述的实施例，点火装置被配置为提供过程的可靠的非接触式的启动，并且为操作者提供改进的安全水平。
在本实施例中，并且在高水平下，点火装置包括蓄积电容器、充电器、放电开关和高频高电压变压器。充电器周期性地为电容器充电。借助于放电开关，电容器通过高电压变压器的初级绕组周期性地放电。然后，变压器的高电压次级绕组将高电压输送到电极和工件之间的间隙。由于电路的电感和电容，放电过程以谐振方式进行。根据间隙中的损耗和谐振电路的所有元件中的损耗，该过程被衰减。
根据示例实施例，以三种方式控制电容器被充电到的电压电平，从而通过将电压、电荷和释放的能量保持在可接受的限制内来提供可靠性和安全性。
在实施例中，“一次性操作”的时间(即，活动外部控制信号内的操作时间)被限制为特定值，从而通过限制一个周期内释放的能量并且在导致永久激活外部控制线或启动信号的故障情况下禁用永久生成高电压来提供可靠性和安全性。
图1描绘了根据示例实施例的点火装置100的功能电路图。该图描绘了功能块和分立元件。
图2描绘了根据示例实施例的点火装置中的几个信号的时序图。如下面将更详细解释的，该图除其它外还示出了无意的无限制启动信号(启动)在内部被限制为预定义极限(一次性信号)。在去除启动信号并随后启动激活之后，可以开始下一个操作。在特定实施例中，低频或步调(pace)振荡器G2停止操作。但是，在另一个实施例中，振荡器G2可以继续其操作，同时以另一种方式禁用电容器的充电。还示出了点火放电开关的触发脉冲(触发)。最后一个时间图示出了在操作的周期期间电容器上的电压(VC1)。
图3描绘了随着增加的时间标度的充电电容器上的电压的时间图，以更清楚地图示充电和放电过程并示出电压电平VC11和VC13。电压电平VC12未在图中示出。预期VC12大于VC11，并且小于VC13，但这不是强制性条件。
参考图1，在点火装置100中，被配置为反激转换器的充电器110对电容器C1进行充电。充电器110包括具有电感L1的初级绕组和电感L2的次级绕组的耦合电感器T1、具有反向阻断能力的呈现为MOSFET晶体管V1和二极管V2的串联连接的开关S1、次级整流器V3以及基于峰电流模式(PCM)的原理操作的脉冲宽度调制(PWM)控制电路N1 120。
PMW控制电路N1 120可以是集成控制电路，并且包括产生高频fosc的短脉冲的振荡器G1、电压反馈放大器A1以及以电阻器R1和齐纳二极管V6形式的最大电流限制器。PMW控制电路N1 120还包括峰电流比较器A2、PWM锁存器D1和输出逻辑元件(与门)D2。PMW控制电路N1 120还可以进一步包括T-触发器D3，其将操作的频率(fosc)除以例如二，从而将最大占空比限制为50％。PMW控制电路N1 120包括控制输入端其启动和停止操作。虽然未在图中示出，但是在其它方案中，可以通过例如停止振荡器G1来停止操作，使得阻止MOSFET V1导通，并且使得电流不流过T1的初级绕组。
充电器由外部直流低压电源VDC供电。
本实施例的点火装置100还包括操作控制电路140，该操作控制电路140包括具有预定义频率并生成预定义宽度ton的脉冲的低频振荡器G2(参见图2和图3)。
来自低频振荡器G2的信号通过控制输入端被施加到与(AND)逻辑门D5，从而使得充电器110仅在ton时间内的激活脉冲期间能够操作。因此，充电器110在ton时间期间操作。在ton脉冲的下降斜坡上，触发脉冲由单稳态触发器D6生成。因此，被呈现为具有二极管V5的晶闸管V4的反向导通性的开关S2被激活，从而闭合高电压变压器T2的初级绕组z1和电容器C1的串联连接的电路。由于放电的谐振特性，需要通过V5的反向导通性。变压器T2的输出绕组z2连接到气隙，即，高电压输出电路130的高电压输出端(HV输出端)。高电压输出电路130可以包括钳位电路F1。一旦开关S2(晶闸管V4)被激活，高电压就在气隙处出现，使电极之间的空间电离，从而形成使能低压GTWA电弧的导电路径。与点火装置100的GTWA焊接电源互连在图1中未绘出，因为它与本实施例无关。
充电器110和PMW控制电路120在不连续电流模式操作(DCM)中基于反激转换器的原理工作。来自振荡器G1的每个脉冲设置PWM锁存器D1。在来自振荡器的脉冲的下降斜坡上，控制输出端OUT通过向V1的栅极施加适当的电压来激活开关S1。因此，初级绕组L1中的电流从零开始增加。使用电阻器R2感测电流，并且将电流感测信号CS输送到PWM控制电路比较器A2。一旦电流达到等于比较器A2的+输入端上的电压除以电阻R2的值，PWM控制电路锁存器D1就重置，从而关闭输出信号OUT。绕组L1、L2上的电压反转，并且耦合电感器T1中的电流开始流过二极管V5，从而对电容器C1进行充电。在G1振荡器的每个脉冲上重复该周期。
最初，绕组L1中的电流增加到某个最大值，该最大值由来自V6基准二极管的基准电压Vz和R2的电阻定义。当电容器C1的电压达到VC11电平(图2)时，电压反馈放大器A1开始减小电流基准。因此，电压反馈环路闭合，并且充电器将电容器C1上的电压保持在电平VC11。以这种方式，电容器上的电压以第一方式被调节。
由于VC1电压电平的重要性，因此实现了第二、单独的过压保护。具体而言，一旦达到电压VC12，比较器A3就重置触发器D7。每当不存在来自步调振荡器G2的脉冲时，触发器D7就重置。因此，即使在包括电压反馈放大器A1的电压反馈回路不工作的情况下，电容器C1上的电压也不能大于VC12。
电容器C1上的最大电压以第三种方式被限制到电平VC13。由于耦合电感器T1的初级绕组L1中的峰电流被限制为值Vz/R2，并且充电时间被限制为ton，因此电容器C1上的最大电压被限制为以下值：
Figure BDA0002283754500000051
如果PWM控制电路N1 120包括T-触发器D3，则
Figure BDA0002283754500000052
因此，根据本文描述的实施例，提供了一种点火装置，其包括充电器、被配置为控制充电器的电容器的充电的脉宽调制控制电路、电连接至电容器并且包括使得电容器能够被放电的开关的高电压输出电路，以及操作控制电路，该操作控制电路控制开关以使得在高电压输出电路的输出端处存在高电压。
本文描述的实施例提供了几个独特的特征，包括采用具有带反向阻断能力的开关的反激转换器的充电器、对充电电压的三重控制，以及有限的点火操作时间。
更具体而言，由于二极管V2，从具有带反向阻断能力的开关S1的反激转换器对蓄积电容器C1进行充电。二极管V2保护转换器和电压电源VDC免受在蓄积电容器C1和外部电感以及电容的谐振期间出现的反向电压的影响。
蓄积电容器C1上的最大电压以三种方式进行限制。首先，反激转换器具有准确限定的瞬时功率和准确限定的操作时间。电容器具有准确的电容。以这种方式，能量的一部分以及因此最大电容器的电压被很好地限定。第二，反激转换器包括经由A1的电压反馈环路，因此电容器的电压被很好地限定。第三，当电容器的电压太高时，经由具有锁存器D7的A3的备用电压反馈回路禁止反激转换器的操作。
最后，该单元的一次性操作在内部受到限制。当在计时器D4的输入端上存在启动信号时，其输出端(一次性信号)被激活，但仅仅达不长于预定义或预定时间的时间。另外，在没有启动信号的情况下，定时器D4的输出端不是活动的。一次性信号借助于门D5启用单元的操作。以这种方式，保护装备免受其中单元被无意施加的永久启动信号驱动的一般故障的影响。此外，由于该时间限制，在一个焊接周期内单元所输送的总能量和总电荷受限。
上面的描述仅意图是示例性的。在不脱离本文描述的概念的范围并且在权利要求的等同物的范围和区间内，可以在其中进行各种修改和结构改变。

Claims (18)

1.一种用于焊接装备的点火装置，包括：
电容器；
变压器，具有连接到所述电容器的初级绕组；
高电压输出电路，包括所述变压器的次级绕组；
开关，使得所述电容器能够通过所述变压器的所述初级绕组被放电；
充电器，包括被配置为控制所述电容器的充电的脉冲宽度调制控制电路；以及
操作控制电路，控制所述充电器以引起所述电容器的周期性充电，并且还控制所述开关以引起所述电容器的周期性放电并且因此引起在所述高电压输出电路的输出端处存在高电压。
2.如权利要求1所述的点火装置，其中所述充电器被配置为提供有限的瞬时功率，并且所述充电器由所述操作控制电路激活达预定的时间量。
3.如权利要求1所述的点火装置，其中所述充电器包括具有带反向阻断能力的开关的反激转换器，所述反向阻断能力防止反向电压被施加到向所述充电器提供电压的电压电源。
4.如权利要求1所述的点火装置，其中所述脉冲宽度调制电路包括电压反馈电路，所述电压反馈电路控制所述电容器能够被充电到的最大电压。
5.如权利要求1所述的点火装置，其中所述操作控制系统包括电压传感器，并且所述操作控制系统被配置为在由所述电压传感器感测到的电压超过预定义电压电平时停止对所述电容器充电。
6.如权利要求1所述的点火装置，其中所述开关具有反向导通性，并且所述开关由通过所述操作控制电路生成的触发信号控制，以引起所述电容器的周期性放电。
7.如权利要求1所述的点火装置，其中所述操作控制系统包括步调振荡器，并且仅在来自所述步调振荡器的信号存在时才允许所述充电器操作。
8.如权利要求7所述的点火装置，其中施加到所述开关的触发信号是由来自所述步调振荡器的信号和一次性信号的逻辑组合生成的，或者直接由所述步调振荡器的信号生成的。
9.如权利要求1所述的点火装置，其中所述操作控制系统被配置为当外部命令信号保持激活的时间长于预定义时间时，停止所述充电器的操作。
10.一种操作点火装置的方法，所述点火装置包括：
电容器；
变压器，具有连接到所述电容器的初级绕组；
高电压输出电路，包括所述变压器的次级绕组；
开关，使得所述电容器能够通过所述变压器的所述初级绕组被放电；以及
充电器，包括被配置为控制所述电容器的充电的脉冲宽度调制控制电路，所述方法包括：
控制所述充电器以引起所述电容器的周期性充电；以及
控制所述开关以引起所述电容器的周期性放电并且因此引起在所述高电压输出电路的输出端处存在高电压。
11.如权利要求10所述的方法，还包括控制所述充电器以提供有限的瞬时功率并且激活所述充电器达预定的时间量。
12.如权利要求10所述的方法，还包括通过提供具有反向阻断能力的开关来防止将反向电压施加到向所述充电器提供电压的电压电源。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述脉冲宽度调制电路包括电压反馈电路，并且控制所述电容器能够被充电到的最大电压。
14.如权利要求10所述的方法，还包括感测电压，并且当感测到的电压超过预定义电压电平时，停止对所述电容器充电。
15.如权利要求10所述的方法，还包括用触发信号控制所述开关以引起所述电容器的周期性放电。
16.如权利要求10所述的方法，其中所述点火装置包括步调振荡器，并且所述方法还包括仅在来自所述步调振荡器的信号存在时才启用所述充电器。
17.如权利要求16所述的方法，还包括通过将来自所述步调振荡器的信号和一次性信号进行逻辑组合或者直接通过来自所述步调生成器的信号生成施加到所述开关的触发信号。
18.如权利要求10所述的方法，还包括当外部命令信号保持激活的时间长于预定义时间时，停止所述充电器的操作。
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