CN1129626A - 由无刷交流发电机提供焊接电流的方法和装置 - Google Patents

Abstract

具有多相交流发电机和晶闸管整流器的焊接电源装置，利用控制电路在出现短路时有选择地阻止晶闸管导通，实现在短路条件下交流发电机焊接电源装置的可靠运行。

Description

由无刷交流发电机提供焊接电流的方法和装置

本发明涉及由发动机驱动的焊接电源装置，更具体讲涉及一种D.C焊接电源装置，它采用一台由发动机驱动的多相交流发电机，该发电机把电流提供给多相的晶闸管整流器电路。更具体讲，本发明提供从多相交流发电机向焊接设备提供短路电流的方法。

自含有汽油或柴油燃料的焊接电源装置是广泛应用的产品。这样的产品一般包括一台汽油或柴油发动机，该发动机驱动一台具有电输出的发电机，该电输出被用于产生电弧和焊接金属。一般使用三相交流发电机。公知的一种三相交流发电机是三相无刷感应交流发电机。这样的交流发电机具有如下的优点，即比其它型号的电机制造成本低，坚固并基本可靠。无刷交流发电机的缺点是在其输出被短路时的特性，要么无电流流动，或电流很不稳定。在许多应用中，是决遇不到短路条件的，刚才描述的问题没有意义。但在焊接应用上，短路条件，或者非常类似于短路条件的状况是常常遇到的。在短路条件期间无输出或不稳定特性是所面临的主要问题。

本发明提供一种控制三相被整流的无刷交流发电机的输出的方法，即使在输出短路或接近短路的条件下，也提供可控制的电流。根据本发明，一台多相感应交流发电机把三相电流提供给三相晶闸管整流器，该整流器接着提供用于焊接的DC输出电流。用于传感焊接输出量值的装置检测短路状况的存在，并防止在整流器电路中的晶闸管中所述的一个开启，同时开启至少一个剩下的晶闸管，用来在短路状况下提供可控的输出。

进一步根据本发明，提供传感装置感应绕组的输出电压，并通过检测平均电压相对预选值的压降检测短路状况。

又进一步根据本发明，使用一微处理器控制来提供根据用户所选参数电流幅值控制，也有选择地相应短路状况开启晶闸管或防止晶闸管的开启。

更进一步地根据本发明，提供电流给弧焊接机的方法包括提供一台具有多相输出的多相交流发电机；提供多相整流器，它用几个接收来自交流发电机输出并具有直流输出的晶闸管组成；感应短路状况的存在；以及在测出短路状况时，防止晶闸管中所选的一个在短路状况持续时期的间隔上导通。

本发明的主要目的是提供一种多相无刷交流发电机焊机，它具有良好的短路响应。

本发明的另一个目的是提供一种控制整流器的方法，用于合理控制无刷交流发电机焊机的短路电流。

本发明的更进一步的目的是提供一种控制整流器的方法，用于控制无刷多相交流发电机，在短路状况期间能维持输出电流。

本发明的又更进一步的目的是提供一种有整流的无刷多相交流发电机焊接电源装置的控制器，它运行可靠，能处理短路状况，制造成本低。

本发明的这些和其它目的及优点从下列说明，相应附图和附加的权利要求书变得更加便于理解。

图1是主要以方框形式表示的一台发动机驱动的焊机的电路图，该焊机包括一台交流发电机、整流器和控制线路；

图2是一流程图，该流程图描绘了在图1的电路中所用的部分控制程序和机构；

图3是对应于过零遮断的流程图，该过零遮断获得图1电路中的定时信息；

图4是对应于反馈和控制遮断程序的流程图，该程序完成图1电路的主要控制功能；

图5以图解的方式表示图1中所示的交流发电机的绕组；

图6以图解的方式表示图1电路中所用的电压传感电路；

图7表示由图1电路达到的优选短路开启程序；

图8表示在图1的电路中获得的输出电流波形；以及

图9表示由图1的电路获得的输出伏安曲线。

在该说明书的末尾有附加的程序表，它详细说明图4的方法中一部分的执行情况。

现参见附图，其中所做的描述是出于仅说明本发明一个最佳实施例的目的而不局限于该实施例，图1表示一个弧焊接供电装置，其中发动机10经轴12与交流发电机14连接。该交流发电机14是一台三相、感应型的无刷交流发电机，它具有三相焊接功率输出16和同步输出20。一般，这样的交流发电机还可有提供120V或240V电流的辅助输出。如图5中所见，该交流发电机具有三个△连接的焊接电流绕组24，25，26，以及二个励磁绕组27，28。电容器29提供所需的无功功率，二个附加的电容器(未示出)一般以惯用方式在三相间互连。

图6更详细地表示图1的电压传感电路142。在输出端A，分压器144把高电压分压，并将分压后的电压供给整流器146。整流器146的输出由电容器148滤波后供给阈值检测器149。该阈值检测器149提供在输出端A上的该输出电压的输出指示。对于一选定阶段保持很低的输出是短路条件的表示。用在传感电路142中的滤波防止象在降压焊接(drop transfer welding)上所遇到的极小持续时间的短路被解释成破坏性短路。滤波和适当常量的选择，象需要补救行为的短路的电压指示允许瞬间短路，这些短路对交流发电机没有不利的影响。

在三条交流发电机输出线22A、22B、22C上承载三相焊接功率输出，这三条输出线以惯用方式承载三相输出。整流桥30接收线路22A、22B、22C上的三相输出。该整流桥30由三个半导体控制整流器(“SCR”)31，32，33和三个二极管34，35，36组成SCR和二极管以惯用桥接布置的方式连接。SCR和二极管的每一个接收来自三相电力线之一的电流，并把电流输送给DC焊接功率输出线40和DC焊接接地线42。有时以惯用方式添加象电感器、扼流圈和/或电容器这样的滤波元件。图中示出了一个输出扼流圈100。在图8中表示了该扼流圈100的效果。上曲线表示无扼流圈的输出电流，下曲线表示有扼流圈的输出电流。在工业上，所描述的SCR—二极管桥是众所周知的。另外，使用六个SCR也是众所周知并可利用的方案。

一般讲，为了提供所需的无功功率，在交流发电机输出线22A、22B、22C或这些绕组的扩展部分之间连接电容器(未示出)。

线路40上的DC焊接功率输出被连接到电焊电极41上，DC接地4线42被连接到工件43上。如惯用的一样二者由电弧44被电气连接。另外，电极和接地线的极性可根据需要改变。电弧电流在电流传感分路46上被感应到，并且把电流幅值信息进行处理且传输到数字处理器电路130。为了把电弧电压信息提供给该数字处理器电路130，可使用电弧电压传感线48。

在焊接供电装置上设置所预期的电流输入140。预期的电流输入140可采用调节控制盘、按钮或其它将数字信息引入电气设备的惯用装置的形式。允许操作者设置预期的焊接电流，并将这个信息传送给数字处理器电路130，该电路实际控制电流，并达到所预期的结果。在输入端140也可设置其它的焊接参数。该数字处理器电路通过把选通信号提供给SCR的栅极端G1、G2、G3控制SCR31、32、33的开启。如惯用的，整流桥30接收来自交流发电机14的三相功率。整流桥30的输出电流由SCR31、32、33借助栅极G1、G2、G3中的信号对所选时间段的导通来控制。数字处理电路接收来自电流传感支路46、电压线48和同步线20的信息。该处理器通过把实际电流与经预期电流输入140设定的预期电流相比较，来决定把选通信号超前或延迟多少。借助同步线20上的同步信息使选通信号同步。当需要的电流越多，SCR在正的行进半周上越早导通，并且把越多的电流输送到电弧44上。

当在电弧44上出现短路条件时，在其输出线22A、22B、22C上交流发电机实际上看成没有阻抗。提供无功功率和励磁电流的电容器和/或电感器被短路。这能引起在输出线上产生电流的磁场失去稳定，结果完全中止输出电流和/或不稳定状态，在本发明中通过确保在每个周期间交流发电机具有一些电阻抗来解决该问题，借助以可靠的方式维持交流发电机内的磁场。当感应到短路条件时，选通信号不提供给SCR31、32、33中的一个或更多。当不给SCR提供选通信号时，它不导通，并不传导电流。这为交流发电机提供一阻抗防止磁场失稳。在最佳实施例中，这通过软件控制来做这一工作。但是，可通过数字或模拟电子控制获得同样的电路条件。

通过控制选通信号来确保阻抗的手段表示在图2—7中。主程序150(图2)包含初始化步骤152，设定初始阶段步骤154和服务显示及开关步骤156。大体上，当接通机器时，主程序做机器自检，计算如三相功率输出16所见的三相功率振荡周期，并读入在前板140上设置的用户输入。剩下的控制功能由遮断来驱动。必须要牢记的是，微处理器控制操作非常快。目前的微处理器在时钟频率从2MHZ到约100MHZ变化范围上运行。另一方面，三相交流发电机的频率约50HZ或60HZ。因此，在三相交流发电机的每一周波中该微处理器正在完成千百万次的运行步骤。

用于控制的基本定时基准是同步线20上的同步信号。该同步信号被送给数字处理器电路130中的过零检测器。当测到一个过零时，一个信号通过微处理器，该微处理器设定一过零特征位，这在过零遮断程序160(图3)可见到。这个程序的作用是利用确定SCR31、32、33开启角所用的同步信号注释过零时间。如果该同步信号线载有代表交流发电机转子磁场位置的电压信号的话，这个信号的过零有一个对应输出功率的全部三相22A、22B、22C功率信号过零的固定的时间关系。此外，如果交流发电机转子的旋转速度与数字处理电路130时钟速度相比基本恒定，并且已知旋转方向的话，对于为所有三个SCR31、32、33产生选通信号的使用讲，同步线20上的单个同步信号是足够的。

反馈和控制遮断程序170(图4)完成对SCR的最初定时和开启操作。该程序以有规律和频繁的间隔被调用。如上文所述，在线22A、22B、22C上的交流发电机的输出具有约50或60HZ的频率。这提供了大致17毫秒的时间段。反馈和控制遮断程序170被极频繁地调用，从而为这个频率和时间段的信号提供足够的取样率，在被调用后，该反馈和控制遮断程序170首先检查，查看是否由过零遮断程序160设置了新的过零特征位。如果设置了特征位，该程序在新的过零转移步骤172上转移。然后，数字处理器电路130计算新的设定过零时间和以前的过零时间之间的时间段，从而在计算步骤174获得一个新的时间段。以前从反馈线路中读入的信息被处理，从而得到焊接参数，参考角，以及用于随后计算的下一个取样间隔。随后是取平均值步骤176。获得并计算所监测参数的平均值。然后在清除特征位步骤178上处理器清除在过零遮断程序160上设定的过零特征位。对于下一个取样遮断程序170开始的时间也在清除特征位步骤178上设置。然后在读电弧反馈步骤184上重新加入反馈和控制遮断程序170的主程序。

如果新的过零转移步骤172确定还未设置过零特征位，刚叙述的转移不进行，反馈和控制遮断程序170与主程序一起继续，在设定下一个遮断步骤182上以设定新的取样间隔来开始。一旦设定为中断，则初始化下一个反馈和控制遮断程序170，该程序继续到读电弧反馈步骤184上读入电流电弧反馈。由电压传感电路142感应交流发电机输出电压，并将其送给数字处理器电路130。电弧电流经电流传感分路46感应，并且同样在数字处理器电路130中被数字化。这些值在读反馈步骤184上被读入，并存入存储器中，用来在取平均值步骤172中计算平均值及其他的需要。

在步骤176中计算出的平均值和在步骤184上获得的反馈信息被用于在计算步骤186上计算SCR的开启角。如一般所公知的，SCR仅在它们正偏置，并仅当在其栅极上收到选通脉冲时才导通。所以通过SCR的电流量由当收到选通脉冲时SCR正向偏置半周的时间的位置决定。把选通脉冲施加给SCR的栅极的这一点一般是以角量度为基准的。在本实施例中，对三个SCR的每一个计算开启角。然后计算对于每个SCR的从在线路20上的同步信号过零开始的延迟时间，并存储。然后数字处理器电路130具有开启每个SCR时间的信息。在定时步骤188上，反馈和控制遮断程序将来自时钟的电流时间和开启单个SCR的设定时间相比较，确定这时是否是开启一个SCR的时间或不是。如果不是开启SCR的时间，程序跳到读控制输入和计算设定点步骤210，如果是开启SCR时间，执行短路判定步骤190。这个步骤启动这样的一个程序，该程序决定为了防止由于短路状况的磁场失稳是否跳过SCR开启。数字处理器130把变量ARCV和常数SHORT—VAL相比较，上述ARCV是在电压传感电路142上感应的电压的数字表示，SHORT—VAL是指示短路的电压值。该比较确定短路状况存在或不存在。如果不存在短路状态，在短路程序中所用的各种计数值在清零计数器中被重置为零，特征位步骤192和程序着手在开启步骤194上设置下一个SCR用来开启。如果判定步骤190确定短路条件存在，执行计数比较判定步骤196。由计数比较判定步骤达到的目的是在检出短路之后，固定数量的SCR开启(象1)，继而有固定数量的SCR(象3)的不开启。

因为短路条件是首先在名为SHORT—CNT下被检出的，连贯的SCR开启数被计数。计数比较步骤196决定它是否已经由把SHORT—CNT与SHORT—MAX的比较来完成。SHORT—MAX是在短路条件下所要求的连贯的SCR开启数。如果二个不相等，则得到“非”判定，在增量计数器步骤198上对计数SHORT—CNT增大。程序返回到SCR开启步骤194。如果SHORT—CNT计数等于SHORT—MAX，在步骤196上达到判定“是”，程序进到短路因子比较步骤202。

在SHORT—CNT1名下对连贯的SCR不开启数计数。把SHORT—CNT1与称为SHORT—FACTOR的常数在比较步骤202进行比较。SHORT—FACTOR是在短路条件期间所要求的被连贯地跳过开启的数值。如果二者相等，则意味着已经获得足够的所跳过的SCR开启数，并执行清除步骤204。清除步骤204把SHORT—FLG和SHORT—CNT1复位到零，并且返回到SCR开启步骤194。但是在步骤202上未确定SHORT—CNT1等于SHORT—FACTOR时，返回的判定是“非”，执行短路计数增量步骤206。这导致数字处理器电路130制止把选通脉冲送给下一个排定的要开启的SCR，从而完成开启周期上的跳跃。然后反馈和控制程序170的分支返回到在读控制输入步骤210上的主程序。通过选择适当的恒定值，并且递增上述计数，一个人可容易地编出响应短路跳过SCR开启的任一程序，在图7中表示了开启1，跳跃3的优选程序，这个程序把短路电流负载分布到所有SCR上，也容易编程任何其它适于维持交流发电机中磁场的程序。

开启1，跳跃3的程序给交流发电机的输出提供大阻抗。输出电压快速建立，电压传感电路142将指示无短路。正常开启将再使用。如果短路条件持续，上述过程将立即重复。刚才描述的控制程序产生如图9所示的伏安特性曲线，下降的伏安曲线段222是无短路控制的结果。短路开启跳跃程序产生大致为线性的低压段224。

无论判定步骤188、190、196和202的结果如何，执行读控制输入和计算设置点步骤210。由微处理器读前板设定值并设定对下一个遮断程序计算的点。然后端接反馈和控制中断程序170，并把数字处理器电路130的控制返回到主程序150，直到遮断又一次启动过零遮断程序160或反馈控制遮断程序170，上述的参见步骤190—206的指令的程序被全部列在所附的程序中，该程序完成这个控制功能。

上述的过程和布置提供了一种机构，用来在短路条件期间维持交流发电机的励磁，这在电焊中是经常遇到的。这些程序提供了可靠的使用无刷交流发电机做为电源的焊接电源装置的生产操作。而上述机构和方法在微处理器中执行，同样的机构可在分立的逻辑或模拟线路中执行。显然，根据本说明书的阅读和理解，对其他人来讲是可以进行对本发明的修改和替换的。这意味着对此的这样的所有修改和替换包括在所附权利要求书的范围之内。

AS400 BASIC                版本：NEWB43E.LIS          5/5/92
1108                ***********************************
1109                *本子程序检查输出电压以判断是否短路
1110                *需要开启方式
1111    
1112                *本程序由EMC在92年4月29日编制
1113
1114    
1115                短路方式
1116
1117                *LDAA SAMPV_AVG
1118 8394 96 3a      LDAA ARCV
1119 8396 81 3c      CMPA #SHORT_VAL         ；检查电压是否低于

                                                     短路阈值
1120 8398 25 08      BLO SHRT_1              ；如果低于闽值转移
1121
1122                 *不存在短路时执行这一部分
1123 839a 4f        CLRA
1124 839b 97 66     STAA SHORT_CNT           ；计数器清零
1125 839d 97 67     STAA SHORT_CNT1          ；计数器清零
1126 839f 97 68     STAA SHORT_FLG           ；清除特征位
1127
				
				<dp n="d13"/>
1128 83a1 39       RTS
1129
1130               SHRT_1
1131               *检测到短路时执行这一部分
1132 83a2 96 66    LDAA SHORT_CNT
1133 83a4 81 06    CMPA #SHORT_MAX         ；检查是否有足够开启

                                                   出现
1134                                       短路时进入短路方式
1135 83a6 24 04    BHS SHRT_2              ；如果足够，则转移
1136
1137 83a8 4c       INCA
1138 83a9 97 66    STAA SHORT_CNT          ；增量计数
1139 83ab 39       RTS
1140
1141               SHRT_2
1142               *当需要短路方式时执行这部分
1143 83ac 96 67    LDAA SHORT_CNT1
1144 83ae 803      CMPA #SHORT_FACTOR
1145 83bo 27 08    BEQ SHRT_3              ；如果计数1为短路

                                                   系数则转移
1146 83b2 4c       INCA
1147 83b3 97 67    STAA SHORT_CNT1         ；增量短路跳跃计数
1148               *防止SCR开启
				
				<dp n="d14"/>
1149 83b5 86 01         LDAA #01
1150 83b7 97 68         STAA SHORT_FLG    ；当标志位＝1时下

                                                  一个SCR不开启
1151
1152 83b9 39            RTS
1153
1154
1155                    SHRT_3
1156                    *使下一个SCR开启
1157 83ba 4f            CLRA
1158 83bb 97 68         STAA SHORT_FLG    ；清除标志位使下

                                                  一个SCR能够开启
1159 83bd 97 67         STAA SHORT_CNT1   ；清除跳跃计数
1160
1161 83bf 39            RTS
1162

Claims (8)

1.一种焊接电源装置，包括

一台有多相输出的交流发电机，

一个套流桥，它由接收所述交流发电机多相输出的，具有可适用于直流弧焊的直流输出的多个晶闸管；

检测上述直流输出的装置；

允许操作者为所述的直流输出选择预期值的选择装置；

用来控制所述晶闸管的工作，并因此使所述直流输出响应所述选择装置的控制装置；以及

响应所述多相输出的短路条件的装置，所述的响应装置在所述短路条件期间的至少一个开启周期内，导致至少一个所述的晶闸管保持不导通。

2.根据权利要求1的焊接电源装置，其中所述的响应装置包括第一装置，在短路期间对晶闸管开启数计数，并使至少一个所述的晶闸管仅在所述第一计数装置达到一所述值之后，在至少一个开启周期上保持不导通。

3.根据权利要求2的焊接电源装置，其中所述的响应装置包括第二装置，该装置对在短路期间保持不导通的任何晶闸管的持续时间计数，以及当这第二计数装置保持低于一选择值时，使至少一个所述晶闸管保持一预定周期数的不导通。

4.根据权利要求1的焊接电源装置，其中所述检测所述直流输出的装置由检测交流发电机输出电压的装置组成，所述的响应装置由把所述检测的交流发电机输出电压与表示短路条件的一个所选值比较的装置组成。

5.给电弧焊机提供电流的一种方法，包括：

提供具有多相输出的多相感应交流发电机；

提供接收来自所述交流发电机的所述多相输出的多相整流器，所述的整流器具有整流输出和多个晶闸管；

每一个所述的晶闸管具有一控制栅极，该晶闸管被用来响应在所述控制栅极上的信号导通电流；

提供检测所述交流发电机输出的幅值的装置；

当所述的检测装置检测到一个表征短路状况的述交流发电机输出的幅值时，防止所述晶闸管中的所选择的晶闸管导通。

6.根据权利要求5的方法，其中防止步骤包括以下分步骤：

确定短路是否存在；如果不存在短路允许下一个晶闸管开启，如果短路存在，因为短路状况的开始对晶闸管开启数计数，并且确定这样的开启数是否等于一个选定的开启计数；如果所述的开启数不等于所述的选定开启数，允许下一个晶闸管开启，如果所述的开启数等于所述的选定开启计数，对持续阻止的晶闸管开启数计数，确定这样的阻止计数是否等于选定的跳跃计数；如果所述的阻止数等于所述的跳跃计数，允许下一个晶闸管开启，如果阻止数不等于所述的跳跃计启数，阻止下个晶闸管的开启。

7.根据权利要求5的方法，其中所述的整流器由三个半导体控制整流器和三个二极管组成。

8.一种从焊接电源装置上提供焊接电流的方法，该装置具有一台交流发电机和整流桥，该整流桥由多个晶闸管组成，该方法包括：

检测所述交流发电机的输出电压；

把所述检测的输出电压与电压基准相比较，从而确定是否存在短路；

如果存在短路，跳过在所述桥电路上的所选晶闸管的开启。

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