CN1204994C - 大电流焊接电源 - Google Patents

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Abstract

一种用来以具有一个最大电流值和一个减弱状态的连续电流脉冲产生焊接电流的焊接电源，包括：一个传感器，用来测量焊接电流的瞬时值；一个比较器，用来当瞬时电流处于显著低于最大电流值的选择值时，产生小电流信号；及一个电路或程序，用来当在产生断开信号之后产生低电流信号时，产生第二逻辑信号，由此当焊接电流一般达到选择值时，基于晶体管的开关从导通状态切换到非导通状态。

Description

大电流焊接电源
技术领域
本发明涉及电弧焊接，更具体地说，涉及一种用来以连续电流脉冲产生大焊接电流的改进焊接电源。
背景技术
本发明利用晶体管切换类型的逆变器，来把三相输入电源转换成一个负载耦合变压器，由该变压器能整流逆变器的交流输出，以在焊接操作的电极与工件之间产生电流。这种逆变器采用以高于18kHz操作的脉冲宽度调制器，以便控制流经焊接操作装置的焊接电流的大小。这些逆变器在先有技术中是熟知的，并且一般表示在Blankenship5,349,157和Blankenship 5,351,175中。这些专利包括在这里供参考，用作说明三相逆变器的背景信息，电流由把电流脉冲引导到逆变器的输出变压器的一个高频脉冲宽度调制器控制。这些专利表明使用一个脉冲宽度调制器的三相逆变器的概念，该脉冲宽度调制器带有一个用来控制在逆变器输出处的电流的误差放大器，该电流在焊接操作中使用。
为了提供交流焊接操作，特别是用于交流MIG焊接的操作，已经建议，对于在输出变压器上带有一个次级绕组的晶体管切换网络类型逆变器的输出级，使用一个输出耦合变压器，以建立一个一般为正的终端和一个一般为负的终端。通过使用一个电感器和两个基于晶体管的开关，如IGBT，能通过焊接操作引导正电流脉冲，随后是负电流脉冲。通过闭合一个把逆变器输出处的正终端经电极和工件耦合到负或接地终端上的第一开关，产生正电流脉冲。为了使电流反向和引起负电流脉冲，由一个基于晶体管的第二开关把焊接操作装置连接到在逆变器输出处的负终端上。把每个基于晶体管的开关与电极和工件以及一个电流持续电感器的一部分串联。通过交替地当第二开关断开时闭合第一开关而当第二开关闭合时断开第一开关，建立交流焊接过程。该过程包括连续的正和负电流脉冲。用来产生交流焊接过程的这种结构已经证明十分成功；然而，当焊接电流大时，即超过约200安培时，与基于晶体管的第一和第二开关相并联的缓冲器非常昂贵和十分大。当断开一个脉冲且接通下一个脉冲时，这些缓冲器必须保持开关两端的高电压。只要适当处理在从一种极性到相反极性的切换操作期间的电压，这种用于大焊接电流的逆变器电源在交流电弧焊接中就是成功的。这是把基于逆变器的电源用于大焊接电流的一个明显缺点。
人们发现，切换通过由脉冲宽度调制器操作的切换型逆变器产生的大焊接电流，会由于焊接操作中的感抗和必须在极性之间切换电流的速度而引起高电压。在以上定义类型的交流焊机中在正极性与负极性之间的变换期间的感应电压，等于感抗乘以衍生电流。因而电压可能非常难以抑制。为此，当在正极性与负极性之间切换大焊接电流时，一直使用各种结构的能量吸收缓冲器电路来减小或控制感应电压。在这方面的大电流一般是指高于约200安培和超过1,000-1,200安培。处理这些高电压必需的缓冲器电路都涉及高损耗和/或高成本。该高电压等于焊接电路的电感乘以在切换操作期间每单位时间瞬时电流的变化。由于在逆变器的输出处在焊接操作中使用的晶体管具有切断开关以停止导通所需要的固定时间，所以由缓冲器处理的感应电压，与开关开始切断时的电流大小和通与断之间的过渡成比例。为此，在过去，在大电流切换用途中使用的电路，如电弧焊机，通常包括上述精巧的缓冲器结构，以抑制当切断开关时出现的高电压峰值。
发明内容
在由脉冲宽度调制器操作的切换逆变器驱动的类型的交流焊机中，特别是由三相电源驱动的一种中，通过本发明可急剧减小当在逆变器输出处切换大电流时的瞬态电压。已经对1200安培的基于交流逆变器的电源试验了本发明，其中在每个电流脉冲后沿处切断开关以使焊接电流的极性反转之前，把输出电流减小到150安培。当一个开关切断时，另一个开关接通以产生相反极性的电流脉冲，该电流立刻变换到相反极性的150安培，并且然后迅速变换到以相反方向通过焊接电路中的电感器的最大电流。通过在切断大电流脉冲之前切断逆变器，使在除去脉冲中的电流迅速衰减到低电流值。因此，以低电流值完成在极性之间的切换，该低值在例子中设置在150安培。在该例子中，显著减小了当切断开关时在他们两端的感应电压。的确，在1200安培下，当电流的开关值设置得较低时，能除去缓冲器。减小缓冲器电压力，以便允许较高的交流切换频率，而不增加缓冲器的功率处理要求。
根据本发明，提供一种用来通过逆变器以具有最大电流值和减弱状态的连续电流脉冲产生焊接电流的焊接电源，所述电流脉冲流过包括与工件有焊接关系的电感器、输出功率开关和电极的串联电路，所述电源具有：(i)带有连接到一个电源上的输入端的所述逆变器，所述逆变器包括当逆变器接通时处于第一电极性的至少第一输出终端，(ii)控制装置，用于产生切断所述逆变器的断开信号，并从所述至少第一终端除去电流，以把所述电流脉冲向断开状态变换，和(iii)所述输出功率开关包括至少基于晶体管的第一开关，该开关具有当产生第一命令信号时使电流从所述至少第一终端流过的导通状态、和当产生第二命令信号时堵塞电流的非导通状态，所述控制装置还包括：电路或程序，用于产生至少第二命令信号，还包括延迟装置，用于在所述第二信号将所述输出功率开关从所述导通状态切换到所述非导通状态之前关断所述逆变器。
本发明还提供一种以具有最大电流值和减弱状态的连续电流脉冲产生焊接电流的方法，所述电流脉冲流过包括与工件有焊接关系的电感器、输出功率开关和电极的串联电路，电源具有：逆变器级，带有连接到一个电源上的输入端，当所述逆变器接通时处于第一电极性的至少第一输出终端，和控制装置，用于产生切断所述逆变器的断开信号，并从所述至少第一终端除去电流，以把所述电流脉冲向断开状态变换，以及所述输出功率开关包括至少基于晶体管的第一开关，该开关具有当产生第一命令信号时使电流从所述至少第一终端流过的导通状态、和当产生第二命令信号时堵塞电流的非导通状态，所述方法还包括：(a)测量所述焊接电流的瞬时值；(b)当所述瞬时电流处于显著低于所述最大电流值的选择值时，产生小电流信号；及(c)当在产生断开信号之后产生低电流信号时，产生所述第二命令信号，由此当所述焊接电流一般达到所述选择值时，所述基于晶体管的开关从所述导通状态切换到所述非导通状态。
本发明还提供一种用来通过逆变器产生连续正和负电流脉冲的方法，当接收到第一命令信号时，通过关闭基于晶体管的第一开关，使所述正电流脉冲流过与工件串联的电感器第一段和电极；及当接收到第二命令信号时，通过关闭基于晶体管的第二开关，使所述负电流脉冲流过电感器第二段和所述电极，该方法还包括：(a)在所述第一与第二命令信号之间切换以反转所述电流脉冲的极性；和(b)在切换所述命令信号之前切断所述逆变器。
本发明还提供一种用于在一个电极和一个接地工件处进行交流大电流电弧焊接的焊接电源，所述电源包括：逆变器，用来把交流电压转换成具有至少200安培的最大电流的直流电流源，该逆变器带有正终端、负终端、接地终端、及输出切换网络，该输出切换网络包括与所述正终端、电感器第一段、所述电极和所述接地工件串联的基于晶体管的第一开关；与所述负终端、电感器第二段、所述电极和所述接地工件串联的基于晶体管的第二开关；及控制装置，用来交替地在一个第一开关反转点处接通所述第一开关和切断所述第二开关、及在一个第二开关反转点处接通所述第二开关和切断所述第一开关，以产生具有用于电弧焊接的交替正和负电流脉冲的交流大焊接电流，其中所述逆变器具有低电感、和在接收到逆变器断开信号时用来切断所述逆变器的装置、及用来在所述反转点之前产生所述逆变器切断信号的控制装置。
按照本发明，提供一种用来产生连续电流脉冲的焊接电流的焊接电源的改进，由此脉冲具有一个最大电流值和一个减弱(trailing off)状态。因而，在最佳实施例中涉及连续的正和负电流脉冲的电流脉冲的每一个，变换到一般高于约200安培的最大电流值。电源带有一个逆变器级，该逆变器级带有一个连接到最好是三相的电源上的输入端、一个当逆变器接通时处于第一电极性的第一终端、一个当逆变器接通时处于第二电极性的第二终端、及一个接地终端。在本发明中，一个控制器产生一个切断逆变器级，并因而从终端除去大电流的断开信号。逆变器级的这种释放把电流向断开状态变换。当断开逆变器级时，脉冲电流向零电流衰减。在电源的正常使用中，逆变器级保持接通，而输出开关用来从负变换到正极性。这就产生了在本发明的背景中讨论的问题。
按照本发明，即使当把输出开关用来使极性反转时，也切断产生用于交流电弧焊机的电流的逆变器级，从而当有极性反转时允许电流向零电流衰减。当达到低值时，使开关反向，终止现有的电流脉冲并且立刻产生相反极性的下一个电流脉冲。开关处于包括两个基于晶体管的开关的功率切换网络中，每个具有当产生第一逻辑信号时电流从终端之一通过的导通状态、和当产生第二逻辑信号时中断电流的非导通状态。本发明能与仅产生单个极性的脉冲的单个输出功率开关一起使用。因而，广义地说，本发明涉及切断逆变器级，允许电流脉冲衰减到选择的电流级，并且然后切断输出功率开关以终止电流脉冲。然而，本发明的最佳实施例用于交流电弧焊接。有两种电流脉冲。当接通一个输出开关时，另一个输出功率开关断开，反之亦然，从而连续产生相反极性的电流脉冲。电流脉冲的每一个带有一个尾沿，通过在减小脉冲电流必需的短时间期间切断逆变器，产生该尾沿。然后通过把第二逻辑信号施加到开关上终止电流脉冲，由此把开关变换到非导通状态。在实际中，用于每个功率开关，不管是单个开关直流单元还是两个开关交流单元，的第一逻辑信号，是接通开关的逻辑1。逻辑0是把该开关或诸开关切断的第二逻辑信号。
按照本发明，使用一个传感器来测量焊接电流的瞬时值，当瞬时电流处于明显低于电流脉冲的最大电流值的一个选择值时，使用一个比较器来产生低电流信号，并且在产生切断逆变器级的信号之后产生低电流信号时，一个电路或程序产生用来切断一个开关的第二逻辑信号。如果把两个开关用于交流焊接，则当一个电流脉冲由其功率开关切断时，接通下一个电流脉冲，所以当以后再接通逆变器级时，电流直接向最大电流前进。仅在极性反转之前的短时间段内切断逆变器。因为逆变器类型电弧焊机的输出阻抗一般是小的值，所以输出电流能迅速改变。下一个电流脉冲前进到最大电流，并且然后保持最大电流，直到下一个电流反转序列。
首先切断逆变器级，并且然后诸开关使极性反转。在电流响应切断的逆变器而衰减到选择值之后，实现两种极性之间的实际切换。由于在开关两端的感应电压是切换时的电流乘以固定电感的函数，所以在开关反向操作期间电流变化的急剧减小也急剧地减小感应电压。已经发现，能几乎不用或不用缓冲器来切换1000-1200安培。这是使用高频逆变器切换网络和输出开关来产生相反极性电流脉冲的类型的交流焊机的改进。
按照本发明的另一个方面，本发明的逆变器级由一个单或多相输入供电。由于本发明能与三相输入一起使用，所以容易平衡焊接操作，而用于大电流焊接的该类型的先有技术切换单元是具有生成不平衡功率的单相电源。这种不平衡在本发明中使用的大电流值下是更成问题的。
按照本发明的又一个方面，逆变器级涉及由以高于约18kHz的频率操作的脉冲宽度调制器控制的切换网络。该脉冲宽度调制器以高速率操作逆变器级中的开关。交流焊机的平均焊接电流传送到一个误差放大器，以便通过按照标准逆变器实践改变脉冲调制器的工作循环，来控制焊接操作的平均电流。在使用本发明的电源输出处产生的电流脉冲频率相当低，即小于约400Hz。的确，交流焊接操作实际上在40Hz-200Hz的一般范围内，这与逆变器级的高频操作大不相同。
按照本发明的另一个方面，改进的电源能用来产生一个单极性脉冲、或交变极性脉冲。因而，焊机具有直流负模式、直流正模式或交流模式。在所有模式中，切断逆变器级，允许最大电流衰减到较低的选择电流值，这时通过断开产生电流脉冲的开关终止电流脉冲。由于在交流操作模式中反转极性的速率确定交流焊接操作的频率，所以电压控制振荡器或类似软件编程用来改变焊接脉冲频率；但是，相同的频率用于操作逆变器级的脉冲宽度调制器。因而，仅通过改变控制极性切换网络的振荡器、其他电路或程序的速率，就能容易地调节交流焊接频率。
已经发现，本发明能把电流脉冲终止时的脉冲电流减小到小于约200安培的值，并且最好减小到在100-150安培一般范围内的值。即使当脉冲的最大电流是1000-1200安培时，也能使用终止电流脉冲后沿的这种低电流切换。至此，在这种大电流交流电源中需要极大、昂贵的缓冲器。
按照本发明，通过在第一与第二命令信号之间的切换产生相反极性的电流脉冲。一个命令信号接通一个开关，而另一个命令信号断开另一个开关。这反转电流脉冲的极性。在切换命令信号以使输出焊接操作的极性反转之前，采用一个时间延迟电路来切断逆变器级。
在本发明的描述中，第一和第二逻辑信号与一个信号开关有关。逻辑1(第一逻辑信号)接通开关，而逻辑0(第二逻辑信号)断开开关。当然，能颠倒逻辑信号的数字值。在交流操作模式中，有第一和第二命令信号。这两个命令信号是用来接通一个开关和断开另一个开关的信号。这些命令信号永远不会是相同的逻辑，并且按照本发明的最佳实施例由触发器的Q和Q终端产生。当接通一个开关时，另一个开关断开。这是命令信号的操作。当逻辑1接通开关时和逻辑0断开开关时，逻辑信号与单个开关有关。因而，每个命令信号带有两个指示由命令信号控制的各个开关的导通状态的逻辑信号。当需要命令信号时，这一般意味着开关接通一个逻辑信号。
本发明的主要目的在于提供一种焊接电源，该焊接电源产生具有约200安培的大电流值的连续电流脉冲，并且通过切断一个功率开关终止脉冲，改进该电源，由此在明显低于终止脉冲的最大电流的低电流值处，出现功率开关的切断。
本发明的另一个目的在于提供一种如以上定义的用于电弧焊接的独特交流电源，该电源具有有很大最大电流的交替电流脉冲。当断开的功率开关载有大大低于电源的大电流的电流时，通过断开一个功率开关和闭合另一个功率开关反转脉冲。
本发明的又一个目的在于提供一种如以上定义的电源，该电源由一个逆变器级驱动，该逆变器级连接到三相电源上，并且在高频下由一个脉冲宽度调制器操作，由此高频逆变器级提供用于低频交流焊接操作的电流。
本发明的又一个目的在于提供一种如以上定义的用来产生连续电流脉冲的电源，该电源利用基于晶体管的开关，如IGBT，当切断极性反转开关时，该电源几乎不需要或不需要缓冲。
本发明的再一个目的在于提供一种如以上定义的用来产生连续电流脉冲序列的电源，该电源能操作由在比约20kHz高的频率下和以超过约200安培的最大电流下操作的逆变器级驱动的低达40-60kHz的输出频率。这是一种用于电弧焊接的独特交流电源，该电源由于有大输出电流值下的低频输出电流的能力，而具有高频逆变器转换的优点。
附图说明
由与附图一起进行的如下描述，将明白这些和其他目的与优点。
图1是在实施本发明的最佳实施例时使用的逆变器级和输出切换网络的示意线路图；
图1A是图1中所示电源简化线路图，表明在本发明的最佳实施例中使用的反转切换网络；
图2是线路图，表示在用来产生逆变器断开信号及第一和第二命令信号的最佳实施例中使用的控制装置的逻辑网络；
图3是曲线图，表示通过实施本发明的最佳实施例产生的各种波形；
图4是曲线图，示意地表明在描述本发明的基本方面中有用的交流焊接电流波形；
图5-7是曲线图，表示用于使用图2中所示本发明最佳实施例的交流焊接的电流波形；
图8是示意线路图，表明本发明最佳实施例的改进；及
图9是曲线图，表明通过图8中所示最佳实施例的改进产生的的电流波形。
具体实施方式
现在参照附图，其中的表示仅是为了表明最佳实施例的目的而不是为了限制最佳实施例的目的，图1和1A表示一个用来使交变电流通过电极E和接地工件W的交流焊接电源10。电源10利用带有一个整流器14和适于把大值直流提供给输出切换网络16的标准逆变器级12，该输出网络产生电源10的电流脉冲，以便在工件W处进行焊接操作。为了提供形成网络16的输入的直流输出终端，把一个全波整流器18连接到逆变器级上，从而把至整流器14的多相输入电压转换成具有超过200安培最好高达1000-1200安培的最大电流值的直流电源。
逆变器级12在结构方面是颇为标准的，并且包括一个表示为形成至整流器14的一个输入的多相电源的交流输入20，整流器14把直流链路22引导到晶体管切换网络30，以便经负载变压器32的初级绕组34提供交变电流脉冲。一个带有中心零点38的次级绕组36接地，并且连接到焊接操作的工件W上。晶体管切换网络包括MOSFET开关或其他类似晶体管型开关，以便在初级绕组34中产生交变电流脉冲。负载变压器32具有非常低的电感，从而能十分迅速地切断网络30。开关网络的这种快速通和断广泛用在焊接电源中，例如由The LincolnElecrtric Company of Cleveland，Ohio销售的标准STT焊机中，该焊机一般表示在通过参考包括在这里的Stave 5,001,326中。具有低电感且能够十分迅速切断的逆变器级的概念是熟知的。如在该先有专利中、和通过参考包括在这里的其他专利中表示的那样，切换网络30由在先有Stava专利中表示的以超过18kHz且最好在20-40kHz之间操作的一个颇为标准的脉冲宽度调制器40操作。形成转换器或逆变器的晶体管切换网络的脉冲宽度调制器控制是标准技术，并且逆变器级的输出电流由来自误差放大器50的线42上的电压控制，该放大器可以响应在具有代表电源10的希望输出电流的电压或数目字的输入线52上的电压值，用软件方法实现。在本发明中，把希望电流值设置到一个超过约200安培的值。由放大器50把输入线52上的代表性信号与输入线54上电压信号或数目字形式的电源平均输出电流相比较。来自电流测量分路60的电压具有代表线62中瞬时电流值的一个值。一个电流平均电路64平均线62中的瞬时电流值，该值可以是模拟或数字值。电路64在放大器50的输入线54中产生一个平均电流代表性电压信号或字。如至今描述的那样，逆变器级涉及标准技术。按照本发明的一个方面，可以是计算机中的软件、或模拟电路的控制器70，按照标准控制概念在线52上产生代表性电压；然而，除线52中的电压或字之外，控制器70也在线72中提供逆变器断开信号。在线72中的逻辑1立刻释放脉冲宽度调制器以切断逆变器级12，从而它不再向整流器18供给电流。控制器70也在线80、82中产生开关命令信号，其中第一逻辑，即逻辑1立刻把相应输出功率开关接通，而第二逻辑，即逻辑0，立刻断开相应输出功率开关。全波整流器18包括二极管D1-D4，以产生一个正电流终端90、一个负电流终端92、及一个连接到中心抽头或零点38上及连接到工件W上的接地或公共终端94。电源10利用输出切换网络16，以便在电极E与工件W之间产生大电流脉冲。如表明的那样，一个IGBT形式的基于晶体管的第一开关SW1，当在线80中接收到命令信号时闭合。开关SW1的闭合产生从正电流终端90经输出电感器110的正段112且然后跨过焊接过程的电弧的电流脉冲。一个IGBT形式的基于晶体管的第二开关SW2，当在线82中接收到逻辑1时闭合，以便产生经电感器110的负段114、且到形成逆变器级12的输出的整流器18的负电流终端92的负电流脉冲。缓冲器100、102分别并联地在开关SW1、SW2两端连接。如果不实施本发明的基本方面，则这些缓冲器必须十分大，并且必须处理极高的电压，因为感应电压等于电感器段112或114的值和电流的微分或瞬时变化。如果电流在1000-1200安培的范围内，则短切断时间给出大的di/dt。感应电压极高，并且必须由缓冲器100、102调节。至此描述的用在大电流交流焊接操作中的电源是新的，并且能处理超过200安培的大电流和甚至超过1000安培的大电流。这是用于MIG焊接的AC焊机的优点。然而，本发明的主要方面减小了缓冲器100、102的尺寸和/或需要。
按照本发明，如图2和3中所示，在反转线80、82中的逻辑或命令信号之前的短时间内，由线72中的信号切断逆变器级12的网络30。因而，在反转开关SW1、SW2的导通状态之前，切断电流供给。能使用多种结构来完成该控制操作。这样的结构可能是硬件、软件或其组合。为了说明起见，一个硬件控制电路或装置150包括图2中所示的逻辑网络。来自控制装置或逻辑网络的输出脉冲表示在图3的时间坐标曲线中，以及电流曲线的生成交变电流脉冲P1、P2表示在图3的顶部。在表明的控制电路或装置150中，逻辑网络包括带有其连接到线80上的Q终端和其连接到线82上的Q终端的触发器160。该触发器可能是软件或由另一种非符合装置代替。在这些终端上的逻辑表示在图3中曲线200、202中。当一个命令信号处于逻辑1时，另一个命令信号处于逻辑0。因此，当一个开关SW1、SW2切断时，另一个开关立刻接通。该切换动作反转脉冲的极性，以产生一个包括用在电弧焊接中的脉冲P1、P2的交流输出。触发器160的数据终端D连接到能用软件方法实现的振荡器170的输出线172上。触发器160的数据终端D上的二进制逻辑表示在曲线206中，曲线206构成出现在线172中振荡器170的输出。为了把逻辑从D终端传送到Q终端，必须在时钟终端CK处接收时钟脉冲，时钟终端CK表明为连接到电压值比较器180的输出182上。这些逻辑装置以模拟术语和符号表示；然而，也使用数字电路。触发器160按照在触发器160的输出处和在线80、82上提供表示在曲线200、202上的逻辑的标准实践而操作。在这些线上的逻辑分别控制开关SW1、SW2。在图3中，当表示在曲线206中的数据D是逻辑0时，出现一个时钟脉冲204a。该时钟动作引起逻辑0出现在命令信号线80上，和逻辑1出现在命令信号线82上，如曲线200、202中所示。因而，在点200a处，有开关SW1、SW2的导通状态的反转。这把电流从脉冲P1变换到脉冲P2，以在正极性电流脉冲P1与负极性电流脉冲P2之间提供极性反转。当曲线206处于逻辑1时，在接收到时钟脉冲204b时在点200b处再次反转在线80、82上的命令信号。因而，电流脉冲的极性再次从负极性脉冲P2反转到正极性脉冲P1。对于下一个时钟脉冲204c，实现另一种电流极性反转。因而，触发器160在电源10的输出处产生交流焊接电流。产生在图3中表示为曲线206的信号的振荡器170，是一个标准电压控制振荡器，其中在线174上的电压输入改变输出172中的脉冲频率。振荡器速率的这种变化，改变用于图3的上部曲线中所示的脉冲极性的反转频率。以类似的方式，通过改变线176上的电压，能改变振荡器170的工作循环。工作循环在图3中表示为50％。通过改变线176中的电压，按照标准实践，能改变振荡的工作循环，以改变在电源10的交流输出中的电流脉冲的工作循环。
在图3中由曲线204表示的在线182中的时钟脉冲通过比较输入线184、186上的电压产生。输入线184是在焊接操作中由分路60检测的瞬时电弧电流。在输入端186上的电压是对应于线184上的电压设置的变阻器188的输出，线184处于最好在100-150安培范围内且一般小于约200安培的选择值。当瞬时电流低于由变阻器188设置的表明为100安培的选择值时，逻辑1出现在线182中。再参照图3中的曲线204，脉冲204a-204c表示在其期间比较器180输出指示比在输入186处的选择值小的电流的逻辑1的时间。通过读线62中的瞬时值、和把该值用来计时触发器160，保证极性变化仅出现在低于100安培的值下。该特征只是本发明的一个方面。还必须通过线72中的逻辑1切断逆变器级12，作为开关SW1、SW2的极性反转的准备。本发明的该方面由各种结构实现，其中之一作为逻辑网络210表明在图2中。该网络利用逆变器212变换线172上的逻辑，这时它出现在线172a上。“与非”门230带有一个具有线82上的逻辑的输入232，该逻辑表示在图3的曲线202中。至门230的另一输入是作为图3中曲线206的线172。当曲线202和206的逻辑都是逻辑1时，逻辑0出现在线234中。这在线72中产生逻辑1，这是“与非”门250的输出。以类似方式，“与非”门240具有连接到线80上的输入242，并且表示为图3中的曲线200。在线172a上的振荡器变换逻辑表示在图3的曲线202中。当逻辑1出现在曲线200和220上时，逻辑0出现在门240的输出244处以在线72中产生逻辑1。在线72中的逻辑是表示在图3的曲线222中的逆变器断开信号。振荡器曲线206一改变逻辑，该逆变器断开信号就出现。逆变器212用在逻辑网络210中，以便完成切断逆变器级12的信号的适当产生。如图3中所示，断开信号222a-222c出现在时钟脉冲204a-204c即将引起开关SW1和SW2反转之前。因而，在脉冲222a-222c期间，切断逆变器并且保持断开。在触发器160输出上的逻辑直到下一个时钟脉冲出现时才改变。在上部曲线中所示的电流沿线300衰减，直到在曲线的点302处达到反转点200a。此后，通过改变曲线200、202中所示的线80、82上的逻辑，有极性的立刻反转。这要求在IGBT中固有的一定过渡时间，指示为出现在点302与点304之间。逆变器级12再次接通，并且电流沿线306增大到最大值。在图3中所示的电流脉冲P1、P2的极性的每次反转期间，发生这种相同的操作。在点302与点304之间有由开关SW1、SW2的固有切换时间引起的非常短的延迟。这些开关是指示他们没有转换的晶体管基极。实际上，这些开关是IGBT。当使用基于晶体管的开关时，在切换操作期间没有切换能量损失。当然，在实施本发明时，能采用按照一个终端上的逻辑改变导通的其他快速切换装置，只要他们具有处理能超过1000安培的大电流的能力。
以作为交变脉冲P1、P2表示在图4中的交流电流，示意地说明本发明。在该说明中，一个逆变器断开信号出现在脉冲P3中的点320处。电流经输出电感器沿线322衰减，直到它达到由表示为100安培的选择低电流值确定的低值。对于脉冲P3该电流显著低于1200安培的最大电流。在开关反转点324处，根据线80、82上的逻辑，反转开关SW1和SW2。当这出现时，立刻产生脉冲P4，如一般沿竖直线330指示的那样，竖直线330是对于在该处把电流驱动到负最大值的点332的理论条件。开关一闭合，电流就由紧密耦合的中心抽头电感器变换到相反极性的相同值。在点334与336之间也完成经过零的过渡。在正或负输出电路中的标准系列电感器能使用本发明，结果是在选择值之间电流不会这样快地变换。图4中所示的交流电流本质上是代表性的，并且表示涉及切断逆变器级的本发明的基本概念，等待电流衰减到选择值，并且然后反转开关以颠倒大电流脉冲的极性。如以前指示的那样，通过改变示意表示为图2中振荡器170的软件，能改变输出脉冲的频率和工作循环。该特征示意地表明在图5和6中。在图5中，在脉冲P5与P6之间的工作循环是50％。如下部曲线中所示，在脉冲P7与P8之间的工作循环是20％，同时保持相同的频率。在图6中，如此增大频率，从而在脉冲P9与P10之间的50％工作循环由于增大的频率而产生较小的单个脉冲。这种增大的频率能有如图所示的工作循环改变，其中脉冲P11相对于脉冲P12具有20％的工作循环。术语“工作循环”在这里用来指示在正脉冲与负脉冲之间的相对时间。这种不平衡条件在一定的焊接操作中可能是便利的，其中在一个方向上的导通显著不同于在相反方向上的导通。按照另一个方面，有可能改变正和负电流脉冲的振幅，如图7中所示，其中用于脉冲P13的振幅a显著小于用于脉冲P14的振幅b。这种概念允许电流在一个方向比另一个方向大。当然，脉冲P5-P14利用本发明，其中通过首先切断逆变器级并然后反转开关SW1、SW2，实现脉冲的终止。能实现交变脉冲相对形状的其他变化。
最佳实施例的进一步改进表明在图8和9中，其中焊接电源400产生如图9中所示的一系列单极性脉冲P20。在本发明的这种改进中，只采用单个开关SW3来引导脉冲经过在电极E与接地工件W之间的电弧。通过这种改进，清楚地表明切断逆变器以允许大电流衰减到低选择值且然后切断诸如IGBT之类的功率开关的基本概念。新颖的、发明性概念是在由高频逆变器驱动的类型的焊接电源中，切断大电流脉冲且然后切断功率开关。在这种改进中，逆变器402具有由单个开关SW3控制的输出，以便使电流脉冲P20经过电感器404和跨过电极E和接地工件W。线410中的命令信号当开关SW3接通时具有逻辑1，而当该开关断开时具有逻辑0。线410上的逻辑由逻辑网络412控制，逻辑网络412带有用来接通开关的输入414和一个用来切断开关的线416中的逻辑。可以是软件的控制网络表示成一个硬件振荡器420，振荡器420带有一个用来接通或切断逆变器402的输出422，如线424中的逻辑指示的那样。如果开关SW3在所有时间都接通，则在电极E处出现方波脉冲。当接通逆变器时，开关SW3由线414上的逻辑接通。然而，当切断逆变器时，不立刻切断开关SW3。为了切断开关SW3需要线416中的逻辑信号。该逻辑信号是具有用来变换来自振荡器420的逻辑的一个逆变器432的“与”门430的输出。该变换逻辑出现在门430输入处的线432a上。至门430的另一输入是比较器440的输出440a，比较器440具有来自由分路446所测量的瞬时焊接电流控制的电流传感器440的在线442中的第一电压输入。至比较器440的第二输入是线450上的电压，线450具有代表选择电流值，如100安培，的电压或字。因而，当切断逆变器402时，逻辑1出现在线432a中。电流一减小到由线450上的电压确定的值，逻辑1就出现在门430的第二输入440a中。这引起逻辑1出现在线416中，以断开开关SW3并且终止电流脉冲。因而，当接通振荡器时，接通开关SW3。这表示在图9中脉冲P20的前沿处。本发明涉及切断逆变器402，如在点460处所示。通过开关SW3的电流沿线462衰减。当衰减的瞬时电弧电流达到指示为100安培的选择值时，门430产生断开开关SW3的逻辑1。呈现本发明的这种改进，以在单脉冲电源的上下文中表示本发明的主要方面。脉冲P20以由振荡器420的频率确定的频率出现，并且具有该振荡器的工作循环，该振荡器按照图2中振荡器170的讨论操作。因而，使用本发明能产生单个脉冲串，或者能产生交变焊接电流。
在表明的本发明的实施例中能进行各种变更，除在电流脉冲终止之前允许大电流脉冲向选择值衰减外，这些实施例一般包括标准技术。该概念，当用在大电流焊接电源中时，是极为有益的，并且降低图1中所示缓冲器100、102的成本，并因而降低大电流焊接电源的成本。

Claims (39)

1.一种用来通过逆变器以具有最大电流值和减弱状态的连续电流脉冲产生焊接电流的焊接电源(10)，所述电流脉冲流过包括与工件(W)有焊接关系的电感器(110)、输出功率开关和电极(E)的串联电路，所述电源(10)具有：(i)带有连接到一个电源上的输入端的所述逆变器，所述逆变器包括当逆变器接通时处于第一电极性的至少第一输出终端(90)，(ii)控制装置(70)，用于产生切断所述逆变器的断开信号，并从所述至少第一终端(90)除去电流，以把所述电流脉冲向断开状态变换，和(iii)所述输出功率开关包括至少基于晶体管的第一开关，该开关具有当产生第一命令信号时使电流从所述至少第一终端(90)流过的导通状态、和当产生第二命令信号时堵塞电流的非导通状态，所述控制装置还包括：电路或程序，用于产生至少第二命令信号，还包括延迟装置，用于在所述第二信号将所述输出功率开关从所述导通状态切换到所述非导通状态之前关断所述逆变器。
2.根据权利要求1所述的焊接电源(10)，其中所述逆变器包括当所述逆变器接通时处于第二电极性的第二输出终端(92)。
3.根据权利要求1或2所述的焊接电源(10)，其中还包括：传感器，用来测量所述焊接电流的瞬时值；比较器，用来当所述瞬时电流处于显著低于所述最大电流值的选择值时，产生小电流信号；所述电路或程序用来当在产生断开信号之后产生低电流信号时，产生至少所述第二命令信号，由此当所述焊接电流一般达到所述选择值时，所述基于晶体管的开关从所述导通状态切换到所述非导通状态。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的焊接电源(10)，通过逆变器产生连续正和负电流脉冲，其中通过接收到一个命令信号时关闭所述基于晶体管的第一开关，所述正电流脉冲流过与工件(W)串联的电感器第一段和电极(E)，通过接收到一个命令信号时关闭所述基于晶体管的第二开关，所述负电流脉冲流过电感器第二段和电极(E)，其中所述控制装置(70)包括用于在所述命令信号之间切换以反转所述电流脉冲的极性的反转装置，以及所述延迟装置包括在反转所述命令信号之前切断所述逆变器的装置。
5.根据权利要求4所述的焊接电源(10)，其中所述延迟装置包括用来确定所述电流脉冲何时下降到选择值电流的装置、和用来当所述电流下降到所述选择值时致动所述反转装置的装置。
6.根据权利要求4或5所述的焊接电源(10)，其中所述电感器段是单个电感器的一部分。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述反转装置是逻辑触发器，其中Q逻辑是所述第一信号，而所述Q逻辑是所述第二命令信号。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述延迟装置包括逻辑网络，其中振荡器输出与所述逻辑信号之一相结合以切断所述逆变器，作为启动另一所述命令信号的准备。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述延迟装置包括用来检测瞬时焊接电流的装置、和用来当所述瞬时电流处于一个选择值时致动所述反转装置的装置。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述电源是多相电源。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述逆变器包括由在高于18kHz的频率下操作的一个脉冲宽度调制器控制的切换网络(30)。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述电流脉冲具有小于400Hz的频率。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述逆变器(12)包括一个输出变压器，该变压器带有一个接收高频电流脉冲的初级绕组和一个把电流脉冲提供到所述终端的次级绕组。
14.根据权利要求1-3和5-13中任一项所述的焊接电源(10)，其中电流脉冲都具有给定的电极性。
15.根据权利要求1-3和5-14中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述连续脉冲包括在正电流脉冲与负电流脉冲之间交变的脉冲。
16.根据权利要求15所述的焊接电源(10)包括用来产生所述正和负脉冲的装置及用来调节所述脉冲的频率的装置。
17.根据权利要求15或16所述的焊接电源(10)，包括用来调节在所述正与负电流脉冲之间的相对时间的装置。
18.根据权利要求15、16或17所述的焊接电源(10)，包括用来调节所述正和负电流脉冲的相对振幅的装置。
19.根据权利要求1-18中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述选择电流值小于200安培。
20.根据权利要求19所述的焊接电源(10)，其中所述选择电流值在100-150安培的一般范围内。
21.一种以具有最大电流值和减弱状态的连续电流脉冲产生焊接电流的方法，所述电流脉冲流过包括与工件(W)有焊接关系的电感器(110)、输出功率开关和电极(E)的串联电路，电源(10)具有：逆变器级(12)，带有连接到一个电源上的输入端，当所述逆变器接通时处于第一电极性的至少第一输出终端(90)，和控制装置(70)，用于产生切断所述逆变器的断开信号，并从所述至少第一终端(90)除去电流，以把所述电流脉冲向断开状态变换，以及所述输出功率开关包括至少基于晶体管的第一开关，该开关具有当产生第一命令信号时使电流从所述至少第一终端(90)流过的导通状态、和当产生第二命令信号时堵塞电流的非导通状态，所述方法还包括：
(a)测量所述焊接电流的瞬时值；
(b)当所述瞬时电流处于显著低于所述最大电流值的选择值时，产生小电流信号；及
(c)当在产生断开信号之后产生低电流信号时，产生所述第二命令信号，由此当所述焊接电流一般达到所述选择值时，所述基于晶体管的开关从所述导通状态切换到所述非导通状态。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述电源是多相电源。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中所述逆变器包括由在高于18kHz的频率下操作的脉冲宽度调制器控制的切换网络(30)。
24.根据权利要求21-23中任一项所述的方法，其中所述电流脉冲具有小于400Hz的频率。
25.根据权利要求21-24中任一项所述的方法，其中所述连续脉冲包括在正电流脉冲与负电流脉冲之间交变的脉冲。
26.根据权利要求21-25中任一项所述的方法，还包括：
(d)产生所述正和负脉冲及调节所述脉冲的频率。
27.根据权利要求21-26中任一项所述的方法，其中所述选择电流值小于200安培。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述选择电流值在100-150安培的一般范围内。
29.一种用来通过逆变器产生连续正和负电流脉冲的方法，当接收到第一命令信号时，通过关闭基于晶体管的第一开关，使所述正电流脉冲流过与工件(W)串联的电感器第一段和电极(E)；及当接收到第二命令信号时，通过关闭基于晶体管的第二开关，使所述负电流脉冲流过电感器第二段和所述电极(E)，该方法还包括：
(a)在所述第一与第二命令信号之间切换以反转所述电流脉冲的极性；和
(b)在切换所述命令信号之前切断所述逆变器。
30.根据权利要求29所述的方法，进一步包括：
(c)确定何时所述电流脉冲下降到选择值的电流；及
(d)当所述电流下降到所述选择值时致动所述反转动作。
31.一种用于在一个电极(E)和一个接地工件(W)处进行交流大电流电弧焊接的焊接电源(10)，所述电源(10)包括：逆变器，用来把交流电压转换成具有至少200安培的最大电流的直流电流源，该逆变器带有正终端(90)、负终端(92)、接地终端(94)、及输出切换网络(30)，该输出切换网络包括与所述正终端(90)、电感器第一段、所述电极(E)和所述接地工件(W)串联的基于晶体管的第一开关；与所述负终端(92)、电感器第二段、所述电极(E)和所述接地工件(W)串联的基于晶体管的第二开关；及控制装置，用来交替地在一个第一开关反转点处接通所述第一开关和切断所述第二开关、及在一个第二开关反转点处接通所述第二开关和切断所述第一开关，以产生具有用于电弧焊接的交替正和负电流脉冲的交流大焊接电流，
其中所述逆变器具有低电感、和在接收到逆变器断开信号时用来切断所述逆变器的装置、及用来在所述反转点之前产生所述逆变器切断信号的控制装置。
32.根据权利要求31所述的焊接电源(10)，包括用来把所述反转点设置在一般低于200安培的选择电流值处的装置。
33.根据权利要求31或32所述的焊接电源(10)，其中所述逆变器包括一个由在一般大于18kHz的高频下操作的一个脉冲宽度调制切换网络(30)。
34.根据权利要求31-33中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述正和负电流脉冲具有小于400Hz的频率。
35.根据权利要求31-34中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述逆变器最大电流一般大于1000安培。
36.根据权利要求31-35中任一项所述的焊接电源(10)，包括用来调节所述脉冲的频率的装置。
37.根据权利要求31-36中任一项所述的焊接电源(10)，包括用来调节在所述正与负电流脉冲之间的相对时间的装置。
38.根据权利要求31-37中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述逆变器包括一个连接到一个多相电源上的输入端。
39.根据权利要求31-38中任一项所述的焊接电源(10)，其中所述电感器段是单个电感器的一部分。
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