CN1163811A - 带有相位错开的二次开关的等离子体切割或电弧焊接电源 - Google Patents

带有相位错开的二次开关的等离子体切割或电弧焊接电源 Download PDF

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Abstract

公开了一种向一对输出端子提供输出的电源，例如等离子体切割电源或焊接电源。该电源包括一电压源和多个斩波器。斩波器并联在电压源和输出端子之间。一控制器控制斩波器与多个斩波器中每一其它斩波器均不同相。斩波器理想地包括一续流二极管、一电感和一开关。斩波器数量约等于开路电压与负载输出电压之比。

Description

带有相位错开的二次开关的等离子体切割或电弧焊接电源
本发明总体涉及等离子体切割和电弧焊接电源，更具体地涉及带有多个二次开关的电源。
等离子体电弧切割是利用电弧切割金属工件的一种工艺。通常，等离子体电弧切割使用电极和被切割金属之间的电弧。该电弧产生切割金属工件的等离子体。
一般认为开始等离子体电弧切割过程的理想电压是250伏(开路)。在切割过程开始后，切割电弧电压约为90-125伏。当然，切割电弧(带负载输出)电压取决于切割电弧的长度。电弧越长，负载电压越大，相反，电弧越短，负载电压越小。类似地，切割电弧电压也随着输出电流的幅值变化。
典型的现有技术等离子体电弧切割电源接收一输入电压(从输电线或发电机)并向一对输出端子提供输出电压，一个输出端子是电极而另一个端子接到工件上。电源提供约为250伏的开路电压和约为90-125伏的带负载电压。已知的等离子体电弧切割电源有很多种，例如磁电源、逆变电源、相控电源以及斩波器或二次开关，本发明  涉及基于斩波器的电源。
图5所示的现有技术斩波器包括电压源601，开关602，二极管604和向负载605提供输出电流的电感603。电压源601可以是接受输电线路电压的变压器和整流器。电压源601应能够提供输入功率，一般应以理想的电压水平提供。当然，电压源不必是恒压源而只是适用于斩波器电源即可。当开关602合上时电流从电压源601的正极输出端向负载605、电感603和开关602流动。在该时间内负载电流(和电感电流)增加，且电感603存储取决于在602闭合时加在电感603上的伏-秒数的能量。伏秒数由开关602的闭合时间和电源电压及负载电压决定。当开关602断开时电流通过二极管604、负载605和电感603。当开关602断开时负载电流(及电感电流)减小且电感603释放能量，也取决于电感603加在二极管604和负载605上的伏-秒数(时间和负载电压)。在一些高电流应用中单个电压源可以有一个以上的斩波器并联相连。这些斩波器互相同相位运行，因此负载电流正好是任一斩波器输出电流的两倍。
加在负载605上的电压取决于开关602接通的时间，与开关602断开的时间有关。具体而言输出电压等于开关602的接通时间与其接通时间和断开时间之和的比值再乘以电压源601的输出电压。因此，如果开关602有50％的接通时间负载电压将是电源电压的50％。典型地，采用电流反馈元件与控制回路共同控制开关602的通断时间。
因此，斩波器的电流输出为三角形(锯齿形)，其幅值和频率是预定的，但随着开关频率变化。其运行基于DC电压输入向期望的DC电流输出的受控切换。锯齿输出可具有波纹电流的特征，取决于低于最小电流的最大电流。
斩波器电源的一个缺点是输出的波纹电流额定值。当采用同相并联斩波器时，输出波纹是单个斩波器波纹的两倍。在开关型(斩波器)电源中，空气等离子电弧切割机的输出切割能力会受到不利影响，如果其波纹电流能力不适合于相应工作的话，即：在相对恒定的电流下，而不是锯齿状输出下，切割效果最佳。如果波纹电流大于额定值，电压源中输入电容的寿命也要受到影响。波纹电流在电容器中产生内部热量，使与温度相关的参数产生伴随的变化。温度增加可降低任何电化学原件的期望寿命。通常还难于保证对电容器适中的环境温度，更不用说允许过量的波纹电流还会加重这种情况。即使对于适当额定值的电容器，在没有从壳体外表面散热的措施时也会产生危险的内部温度。另外，峰值电流的幅值取决于波纹百分数。由于高的峰值电流会损害易耗材料，因而低波纹电流是理想的。
但斩波器电源相对便宜、可控制、且无损耗。而且斩波器能较好地适应接收输入电压并以更低的输出电压提供负载电流。因此，理想地是提供一种利用斩波器的有利的方面，而又能避免其一个主要缺点---负载中过量的波纹电流的基于斩波器的电源。
焊接电源与等离子体电弧切割电源具有许多相似之处。具体而言，以通常接受的固定开路电压(约80伏)可最好地开始焊接过程。但开始后运行负载输出电压一般在20-45伏的范围内，通常为25伏。最后，与等离子体电弧切割过程相同，实际电弧电压随着电流和电弧长度变化。
在某些焊接应用中理想地是用一个电源向多个并联的焊接站提供电流。因而按照这种布置一个以上的焊机可使用一个给定的电源。典型地，为提供产生初始焊接电弧必要的开路电压，电源是一恒定电压源(80伏)。每一焊接站包括一与焊接电极(工件)串联的可变电阻。电阻消耗足够的功率以产生典型的负载输出电压，即20-45伏。显而易见这非常浪费功率---只有25％的功率被输送到电弧负载，而75％的功率消耗在电阻中。
因而，较理想地是提供一种能够提供80伏开路电压和25伏范围的负载电压的焊接电源。理想地，这样的焊接电源能够向多个并联焊接站供电，且不浪费功率。
根据本发明的一实施例，一种电源，诸如等离子体切割电源或焊接电源，向一对输出端子提供输出。该电源包括一电压源和多个斩波器。这些斩波器在电压源和输出端子之间并联连接。一控制器控制斩波器从而使他们相对与多个斩波器中的每个其它斩波器都不同相。这些斩波器理想地包括一续流(freewheeling diode)二极管、一只电感和一只开关。
根据本发明的第二实施例，电压源包括用于接受线电压的变压器和整流器。
根据本发明的第三方面，提供有用户选择的电流输入和电流反馈。控制回路接收这些信号。
根据本发明的第三方面，有两只斩波器并联，且第二斩波器被控制为基本上与第一斩波器相差180°。
根据本发明的第四方面，控制回路包括斜波发生器以产生用于控制第一斩波器的第一斜波信号和用于控制第二斩波器的第二斜波信号，其中第一斜波信号与第二斜波信号相比基本相差180°。
根据本发明的第五方面有三只斩波器并联，且这三只斩波器被控制互相基本相差120°。
根据本发明的第六方面有N只斩波器，且电源向一对输出端子在无负载存在时提供开路电压(OCV)并在有负载存在时提供负载输出电压(LOV)。N大约等于OCV/LOV。
对于本领域技术人员，通过研究以下附图、详细介绍和所附权利要求即可明白本发明的其它基本特征和优点。
图1是根据本发明制造的电源的方框图；
图2是图1的斩波器和图1的控制器的一部分的回路图；
图3是对于根据本发明制造的电源用于开路电压约为负载电压的两倍的情况下的每一斩波器中的电流和负载电流的曲线图；
图4是对于根据本发明制造的电源用于开路电压约为负载电压的四倍的情况下的每一斩波器中的电流和负载电流的曲线图；以及
图5是现有技术斩波器的回路图。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前应当明确本发明并不仅限于在以下介绍中阐明的或附图中展示的其构造细节和元件布置上的应用。本发明能够有其他实施例或以多种方式实践或实现。还应明确下面采用的术语和专门用语仅限于解释目的而不应被认为是一种限制。
一般地，根据最佳实施例制造的等离子体电弧切割电源如图1所示。等离子体电弧切割电源100包括斩波器102和斩波器104，并联相连。斩波器102和斩波器104均从电压源101接收输入电压。斩波器102包括输出电流感应LEM 103而斩波器104包括输出电流感应LEM 105。斩波器输出被提供到负载106。控制器108从LEM 103和105接收电流反馈信号，以及电流参考信号。电流参考信号是用户选定的电流切割幅值，典型地由等离子体电弧切割电源前面板上的电位计提供。控制器108向斩波器104提供第一开关信号及向斩波器102提供第二开关信号。开关信号确定斩波器102和104中的开关何时接通。
根据本发明，斩波器102和104互相不同相运行。具体说，斩波器104与102相差180°运行。正如下面更详细介绍的，这大大降低了电源100的波纹输出。
由于期望的开路电压与大约负载电压的比值的关系，图1的布置在等离子体电弧切割电源中尤其有用。具体说，该比值接近于2(250伏比90-125伏)。因此，如果电压源提供250伏的开路电压，当每一斩波器的接通时间约为50％时可得到大约一半的负载电压。
根据本发明，当每一斩波器的接通时间为50％，且相对于另一斩波器相差180°时，输出波纹基本为零。例如，如图3所示，图中表示以虚线表示的开关通断时间的斩波器A输出电流和斩波器B输出电流。这两电流之和就是负载电流且可看出基本是平滑的。
实践中，等离子体电弧切割过程要求负载电压略低于开路电压的一半，因此每一斩波器的接通时间要略小于50％。图4表示负载输出电压为开路电压的25％的斩波器电流和负载电流。正如所见到的，负载输出电流带有约为每一斩波器中波纹电流的三分之二的波纹(为解释起见进行了夸大)。因此提供的波纹输出降低了。
其他的应用可使用具有互相不同相的并联斩波器的电源。一般地，斩波器的数目约等于开路电压与典型负载输出电压的比值。因此，对于具有期望的80伏开路电压和约25伏负载电压的焊接电源，采用三只互相相差120°的并联斩波器将是合适的。
现在参照图2，图中表示控制器108和斩波器部分的最佳实施例。控制器108包括斜波发生器201，电流误差回路203和驱动器回路205。控制器108可包括现有技术中典型元件和部分。
斜波发生器201包括多个运算放大器A3A，A3B和A3C。运算放大器A3A被设置为积分器并包括与反相输入端相连的反馈电容C12。运算放大器A3A的非反相输入端接地。运算放大器A3A的输出通过电阻R44提供至反相运算放大器A3B。运算放大器A3B包括与其反相输入端相连的反馈电阻R52而非反相输入端接地。运算放大器A3B的输出端与设置为比较器的运算放大器A3C的反相输入端相连。运算放大器A3C包括与运算放大器A3C的非反相输入端相连的反馈电阻R50和R51。A3C的输出通过电阻R45作为输入提供给运算放天器A3A的非反相输入端。
因此，斜波发生器201在A3A的输出通过电阻R34产生锯齿斜波(该信号被标为RAMP A)。运算放大器A3B的输出是RAMP B，它除了相位与RAMP A相差180°外其它与RAMP A相同。RAMP B通过电阻R53提供给电流误差回路203。RAMP A和RAMP B是用来确定斩波器102和104中的开关的断开时间和接通时间之和的长度的时间信号。
电流误差回路203包括输入IFB，它是从一LEM，如斩波器102的输出上的LEM 103导出的电流反馈信号。该信号可按现有技术的典型方式处理。电流误差回路203还包括一IREF输入，它是用户选择的期望电流(典型地是利用电源前面板上的单个电位器获得)。
用户选择电流的表示信号，IREF，通过一对电阻R8和R69提供给运算放大器A2A。电流反馈信号，IFB，通过电阻R38提供给运算放大器A2A。电流参考信号和电流反馈信号二者均被提供到运算放大器A2A的反相输入端。运算放大器A2A的非反相输入端接地。一个负15伏的电压信号通过电阻37也与放大器A2A的反相输入端相连以提供最小电流偏移。
放大器A2A包括从其输出连接到其反相输入端的反馈电阻R18，R19，C1，二极管D1和D2。因而放大器A2A的输出是电流差值信号，即表示参考电流与反馈电流之差。通过电阻R37提供一最小偏移电流信号以在IREF为最小值时提供一最小电流。
放大器A2A的输出通过电阻R30提供到运算放大器A2B的反相输入端。运算放大器A2B被连接为比较器并在其非反相输入端从斜波发生器201接收作为时间信号输入的RAMP B。因此，比较器A2B的输出是“零”或“一”，取决于从R30来的电流差值信号是大于还是小于时间信号(RAMP B)。
比较器A2B的输出通过电阻R36提供给反相器U1A。反相器U1A的输出提供给门驱动回路205。反相器U1A的输出通过门驱动回路205控制斩波器102中的开关何时通断，这取决于由斜波发生器201产生的时间信号RAMP B和电流参考信号与电流反馈信号之差。
门驱动回路205包括推拉式输出电路MOSFET Q4和Q5。推拉式输出电路MOSFETQ4和Q5由反相器U1A的输出驱动，该输出通过电阻R46和电容C16提供以产生延时。电容C16的输出提供给反相器U1B，它驱动MOSFET Q4的门。一只二极管跨接在电阻R46上。类似地，电阻R47，二极管D10，电容C13和反相器U1C被作为晶体管Q5的输入提供。在MOSFET Q4和MOSFETQ5导通之前，RC网络R46和C16，以及R47和C13提供一个小的延时。二极管D9和D10提供MOSFET Q4和Q5的瞬时关断。因而可省去跨接MOSFET Q4和Q5的保安电路。
MOSFET Q4和Q5接在正15伏电压源和地之间。MOSFET Q4和Q5的公共节点通过电阻R32提供给斩波器102，并使斩波器102中的开关接通和断开。电阻R32限制流入斩波器102中开关的门电路的电流。提供电阻R31以使在机器电源关闭时保持IGBT断开。在正15伏电源和地之间提供有电解电容C9和去藕合电容C8。
如图2所示，斩波器102包括接收门驱动信号的IGBTQ6(或某种其它开关)。在标准斩波器配置中提供续流二极管D16和电感L2。电阻R21、二极管D14和电容器C7为IGBT Q6提供缓冲器。图中还表示出了LEM103和输出207及208。
当IREF与IFB之差表示需要额外电流时，IGBT Q6的接通时间就保持更长一些，从而提供额外的伏-秒数并允许电感12和负载中的电流上升到更大的幅值。当IFB大于IREF，表明需要更小的电流时，IGBT Q6的接通时间就保持更短一些。这样就对斩波器102的控制进行了介绍。
斩波器104是利用与电流误差回路203和门驱动电路205相同的回路控制的。但是，斩波器104的电流误差回路的斜波输入是RAMP A，不是RAMP B。因而，控制斩波器104的电流误差回路的输出与电流误差回路203的输出基本相同，但相位相差180°。斩波器104的门电路驱动回路(未示出)与门电路驱动回路205相同。门电路驱动回路(未示出)的输出被提供给斩波器104。
因而，正如可看出的，斩波器102和104被控制为互相相差180°。此外，斩波器102和104还被控制向负载106提供期望的电流。
已经围绕等离子体电弧焊接电源对上述最佳实施例进行了介绍，但该实施例对于焊接电源也具有同样好的性能。更具体讲，对于焊接电源提供大约三个并联斩波器是较理想的，因为其开路电压一般约为负载输出电压的三倍。
当焊接电源是根据此发明制造的时，它将适用于具有多个焊接站(并联)的情况。每站将包括三只斩波器，每只与另外两只都相差120°。这样的电源将比标准斩波器的波纹电流小，且比现有技术的基于电阻的焊接站的功率损耗小。
因而，明显看出根据本发明已提供了一种完全满足上面提出的目的和优点的具有相位交错二次开关的电源。
虽然对本发明的介绍是结合其特定实施例进行的，但本领域专业人员显然明白可以有许多替代方案、修改和变更。因而，以下权利要求书的精神和宽广范围中将包括所有这样的替代方案、修改和变更。
参考号       元件类型               值
A2A          线性347运算放大器
A2B          线性347运算放大器
A3A          线性347运算放大器
A3B          线性347运算放大器
A3C          线性347运算放大器
C1           电容                  0.01微法
C7           电容                  0.01微法
C12          电容                  0.001微法
C13          电容                  100皮法
C16          电容                  100皮法
C9         电解电容     10微法
C8         电容         1微法
C35        电容         0.1微法
C39        电容         0.1微法
D1         齐纳二极管   7.5伏
D2         二极管
D9         二极管
D14        二极管
D16        二极管
L2         电感
LEM1       电流传感器
Q4         P通道MOSFET
Q5         N通道MOSFET
Q6         IGBT
R30        电阻         10千欧
R31        电阻         10千欧
R34        电阻         10千欧
R36        电阻         10千欧
R50        电阻         10千欧
R53        电阻         10千欧
R19        电阻         15千欧
R45        电阻         15千欧
R51        电阻         5.11千欧
R18        电阻         2.74兆欧
R8         电阻         30.1千欧
R37        电阻         30.1千欧
R21        电阻         1千欧
R38        电阻         8.25千欧
R32        电阻         15欧
R44        电阻         100千欧
R52        电阻         100千欧
R46        电阻         12.1千欧
R47        电阻              12.1千欧
R54        电阻              274欧
R69        电阻              2.21千欧
U1A        40106反相器
U1B        40106反相器
U1C        40106反相器

Claims (9)

1.用来向一对输出端子提供输出的电源，包括：
电压源；
在电压源和输出端子之间并联相连的多个斩波器，其中每一斩波器具有一控制输入；和
具有与多个控制输入中的一个相连的多个输出的控制器，其中每一斩波器被控制与多个斩波器每一其它斩波器均不同相。
2.权利要求1的设备，其中每一斩波器包括一续流二极管、一只电感和一个开关。
3.权利要求1的设备，其中电压源包括用来在一次侧接收线路电流的变压器以及被接为从变压器二次侧接收电压的整流器，其中整流器的一输出与并联的多个斩波器相连。
4.权利要求2的设备进一步包括：
用来向控制装置提供电流参考信号的电流选择装置；和
用来向控制装置提供电流反馈信号的的至少一个电流反馈装置；
其中控制装置包括用来响应于电流参考信号和电流反馈信号而控制斩波器的电流输出的装置。
5.权利要求4的设备，其中多个斩波器包括并联的第一和第二斩波器，且其中第二斩波器被控制基本与第一斩波器相差180°。
6.权利要求5的设备，其中控制回路包括用来产生控制第一斩波器的第一斜波信号和控制第二斩波器的第二斜波信号的斜波发生器，其中第一斜波信号与第二斜波信号基本相差180°。
7.权利要求1的设备，其中电源向一对输出端子在无负载存在时提供开路电压(OCV)及在负载存在时提供负载输出电压(LOV)，且在多个斩波器中有N只斩波器，N约等于OCV/LOV。
8.权利要求1的设备，其中电源是焊接电源。
9.权利要求1的设备，其中电源是等离子体电弧切割电源。
CN97102208A 1996-01-16 1997-01-10 用来向一对输出端子提供输出的电源 Expired - Fee Related CN1044790C (zh)

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