CN1247357C - 具有多个电源的电弧焊机 - Google Patents

Abstract

一种电弧焊机，包括连接到具有D.C输入的单个焊接站的多个电源，每个所述电源包括开关型变换器；一电路，在所述焊接站的输入端与输出D.C电流并联；一反馈电路，包括用于产生表示所述弧电流的电流信号的传感器；一指令信号源；一电路，用于根据所述检测的电流信号和所述指令信号产生主电流信号；一电路，将所述主电流信号应用于所述多个电源的输入端，使所述焊接站的所述D.C输入端的D.C电流由所述电源平均供给。

Description

具有多个电源的电弧焊机

技术领域

本发明涉及电弧焊接技术，特别涉及一种具有多个独立电源的改进的电弧焊机。

本发明特别适用于采用具有两个将D.C电流转换成A.C电流的晶体管型开关的输出焊接站。因此，本发明的第二方面是可以在低电流下实现晶体管型开关在导电状态和非导电状态之间的切换，以避免每个输出开关周围对大缓冲器电路的需要。在1999年1月19日向美国申请的流水号为233235的专利申请中公开了本发明中采用的这一换流器电源的原理和类型。这里参考该申请，将其作为本发明中使用的换流器电源和在低电流下切断焊接站的晶体管型开关的原理的背景技术。本发明采用高电流控制开关型焊接站。只有当输入低电流时才切断开关。

本发明特别适用于管道焊接，特别是对于管道焊接中的串联电极或并联电极，这里将通过特别的参考文献对其进行说明；但是本发明具有非常宽的应用，可以用于需要极高电流水平的单电极电弧焊机，如焊接电流超过1000-2000安培。

背景技术

用于管道焊接的电弧焊机和其它类似应用常常要求焊接电流超过1000-2000安培。过去，要对产生如此高焊接电流的焊机进行特殊设计。但是，当所需电流升高超过特殊电源的设计参数时，必须设计和制造较高负载的电弧焊机。例如，具有1000-1500安培最大电流的电弧焊机不能用于需要2000安培的焊接操作。当制成并使用较高负载焊机时，还是会受到其最大电流负载的限制。因此，当焊接应用中需要高的电流水平时，如尖端(pike)焊接，常常需要传统设计的昂贵焊机。

由于较高焊接电流要求对焊机进行重新设计和制造，因此，因可使用电源的电流负载有限而不能使现场应用到达最优。已经通过将多个低负载焊机连接到输出焊接站而产生一种高电压焊机的尝试。这些尝试都不成功，因为难于平衡两个或多个独立电源的动态电流分配负载。

发明内容

本发明克服了以前提供高电流电源的尝试特别是对于管道焊接的缺点，提供一种具有仅通过添加多个电源便可大大提高输出电流的性能的电弧焊机，而且还获得串联电源之间的良好静态和动态电流分配。本发明的电弧焊机使两个或多个电源之间的不均匀电流分配达到最小。在现有电路中，每个电源需要输入指令信号、其自反馈和误差放大器控制电路。这样，由于分量变化，因而在电源之间不能进行动态电流分配。本发明利用一个电源的误差放大器，不仅控制电源，指的是主电源，而且将相同主电流信号传给其他电源。焊机的其他电源不具有其自指令信号或误差放大器控制电路。因此，只在电弧焊机中提供一个误差放大器和反馈控制电路。不将误差放大器和反馈电路用于并联设置的以提高电流输出功率的每个单独电源。

根据本发明，提供一种包括多个电源以产生给定强度的D.C电流的电弧焊机，其电流由单个可调的指令信号控制。该D.C电流由具有D.C输入电流和输出的焊接站使用，使电弧焊接电流在电极和工件之间通过。一种传感器，如分路器，检测弧电流。多个电源包括一个主电源和一个或多个副电源。主电源包括第一高速开关型变换器，该变换器具有输出变压器和输出整流器，以产生具有由主电流信号和脉冲宽度调制器决定其强度的第一D.C电流，该脉冲宽度调制器工作在高频并具有由主电流信号和误差放大器控制的电流控制电压输入，该误差放大器用于通过比较单独指令信号和检测焊接站输出的弧电流而产生主电流信号。主电源包括指令信号和误差放大器反馈控制电路，用于控制主电源中的脉冲宽度调制器。构成焊机的多个电源包括至少一个副电源，该副电源还包括具有输出变压器和输出整流器的开关型变换器，用于产生第二D.C电流，该第二D.C电流具有由与主电源中所使用的相同主电流信号和第二脉冲宽度调制器确定的强度，该第二脉冲宽度调制器工作在高频并具有与主电源的主电流信号关联的电流电压输入。以此方式，第一和第二D.C电流合并以构成焊接站的至少一部分D.C输入电流。实际上，如果两电源组成电弧焊机的“多个电源”，第一D.C电流是所需输入电流的50％。副电源的第二D.C电流提供另外50％的电流。如果在电弧焊机中使用三个电源，每个电源为输出焊接站提供33.3％输入电流。因此，由于每个电源使用相同主电流信号作为其脉冲宽度调制器的输入，故电弧焊机中的电源数量通过使电流自动平衡而自动确定用于驱动焊接站的D.C电流的比例。将单指令信号用于电弧焊机，并且只应用单反馈电路。通过利用这些新的原理，可以以任何数量组合多个相对较小电源如500安培电源以产生所要求的最大焊接电流。六个小电源组合起来产生3000安培焊接电流，每个电源定为最大500安培。通过本发明实现组合小电源以形成具有极高输出焊接电流的电弧焊机的能力。不需要在每次电流需要量提高时都设计一种电源。

根据本发明的另一方面，单独电源的脉冲宽度调制器使用的高频至少是18kHz。此外，由多个电源供电的单独焊接站包括第一和第二晶体管型开关，如1GBT，通过在一对控制线上的门逻辑在导电状态和非导电状态之间切换。根据本发明的第二方面，该开关直到电弧电流低于给定值时才从导电状态切换到非导电状态。实际上，该给定值大约为100-150安培。本发明对多个电源采用单个焊接站，这样就需要大开关，并且单个控制器产生逻辑信号以在选择的给定值从导电切换到非导电。主电源控制该切换，一个或多个副电源只补充焊接电流。

根据本发明另一方面，每个电源中的输出变压器包括线圈特别是初级线圈、与线圈相关的电流传感器和与单独电源的脉冲宽度调制器相关的电路，以在线圈中的电流超过给定值时至少保持开关之一一段时间为非导电。这指的是结合在标准宽度调制器芯片中的反铁心饱和电路，用于防止输出焊接站中的过电流。

根据本发明的另一方面，该新型电弧焊机和串联和/或并联焊机如管道焊机一起使用。

本发明的首要目的在于提供一种电弧焊机，该电弧焊机通过组合多个单独小电源而产生高焊接电流，迫使电源所分配的电流相等。

本发明的另一目的是提供一种电弧焊机，如上所述，该电弧焊机结合多个并联电源，获得在电源之间分配的极好静态和动态电流。

本发明的进一步目的是提供一种电弧焊机，如上所述，该电弧焊机使用单电流指令信号以及单独误差放大器和反馈电路，以模拟或数字形式，用于控制每个单独电源，以准确分配电弧焊机的电流需要量。

附图说明

下面结合附图进行说明会使上述和其他目的和优点更显而易见。

图1是显示本发明最佳实施例的组合的接线图和方框图；

图1A是显示稍有改变的电弧焊机的焊接站的方框图；

图2显示当焊机使用两个以上电源时的本发明最佳实施例的简化接线图；

图3是显示由根据本发明构成的一个两电源电弧焊机提供的D.C电流的视图；

图4是类似于图3的显示有电流分配缺陷的现有技术的视图；

图5是显示在图1中采用的单独电源的脉冲宽度调制器芯片的反铁芯饱和电路的部分方框图；

图6是显示用于管道焊接的本发明的多个电极串联和并联布置的方框图；

图7是图5所示的采用本发明的并联电极和串联电极的部分横剖面放大视图。

具体实施方式

现在参照附图，目的只是显示本发明最佳实施例而不是为了对其进行限定，图1显示了向开关型焊接站12供应焊接电流Ia的电弧焊机10，该开关型焊接站12具有使焊接电流通过电极14和工件16的晶体管型开关Q1、Q2。由要焊接在一起的管段的两端或管机的延长缝形成接缝。电弧焊机具有多个变换器型电源，在图1中显示了其中两个，即电源PSA和电源PSB。电源PSA是受让人林肯电气公司使用的独特电源，其实现了在焊接站12输入端提供D.C电流的本发明。电源PSA包括开关型的变换器20，其具有标准高频开关网，用于由来自整流器24的能量从输出级22供应D.C电流，整流器24由标准三相线电压L1、L2和L3馈电。输出级22产生通过焊接站12的输入端30、32的D.C电流。输出级22具有变压器40，变压器40包括初级线圈44和具有接地中心接头46的次极线圈44。整流器级50包括二极管52、54、56和58，其极性如图1所示，根据工作在高频的标准脉冲宽度调制器70的输入线60上的脉冲信号产生通过端30、32的D.C电流。该高频大于18kHz并由振荡器72对其进行控制。实际上采用数字形式。这样，模拟的输入端74设有D/A转换器76。线60上的脉冲控制端30、32上的输出D.C电流，由线80中的主电流信号的电压确定该电流水平。因此，线80上的电压量决定了由电源PSA施加到焊接站12的输入端30、32的D.C电流。根据本发明，线80中的主电流信号由控制器100产生，该控制器是数字控制电路。因此，必须对传给控制器100的模拟信号进行转换。最好由数字表示线80上的电压。该数字形式实现了低噪声传输。控制器100具有标准指令输入信号，可以将其模拟显示成电位计102的输出，以控制线104上的电压。由控制器100利用该模拟指令信号以确定焊接站12的输出操作。在控制器100将该模拟电压转换成数字信号。在本发明最佳实施例中，指令信号是指向控制器100的线110上的数字信号。某些标准反馈电路采用了焊接电流传感器120，图示的是一种分路器，用于提供代表线122中的弧电流的电压。将该模拟信号传给控制器100，在控制器100中将模拟信号转换成数字信号，以便根据标准软件进行处理。一种数字实现的误差放大器型电路150接收由线104或线110上的信号控制的指令信号，以便形成连接到误差放大器150的第一输入线152上的附加值。其它输入154是来自转换器156的数字信号，在该转换器156中将线122中的模拟表示转换成数字量。根据由误差放大器150图示的标准技术处理线152、154中的两数字量，以产生主电流信号，该主电流信号是线80中的数字量。焊接站12包括晶体管型开关Q1、Q2，如IGBT，该开关在导电和非导电状态之间切换。选择开关的大小，使其适应总焊接电流。由PSA的控制器100产生线170、172上的门逻辑。在这里参考的顺序号为233235的在先申请中给出了该结构类型。控制器还产生线180上的同步输出，用于配合标准设计或采用如图6所示的本发明的单独焊机的数量。通过采用单控制器100的软件，可以降低开关电流特征。

如上所述，作为“主”电源的电源PSA根据线80中的主电流信号向端30、32提供D.C电流。本发明采用多个电源，包括至少一显示为PSB的副电源。该副电源除了没有单独控制器100或单独反馈电路外与主电源PSA基本相同。因此，PSB包括标准开关型转换器200，其与变换器20类似，转换器200具有一与变换器20的输出级22基本相同的输出级202。线204、206中的D.C电流平行流到焊接站12的输入端30、32，使来自PSA的电流和来自PSB的电流合并以提供焊接站的输入电流。象电源PSA中一样，电源PSB包括以输入线212上的脉冲控制工作在高频的脉冲宽度调制器220的方式由三相线电压L1、L2和L3馈电的整流器210，由振荡器222的频率控制该高频超过18kHz。线80上的由转换器224转换成模拟信号形成的主电流数字信号的电压控制流过线204和206的输出电流。本发明在电弧焊机10中采用两个以上电源。这样，图中将传递主电流信号的线80延伸了。该线用于控制第三电源PSC，如图2所示。第三电源在并联到输入端30、32的线230、232中产生其自电流。

在操作中，由线104或110上的指令信号控制焊接站12。数字反馈电路将由线154表示的数字形式的检测弧电流与线152上的数字信号比较，从而产生由线80表示的数字主电流信号。当然，图1上的“线”代表数字数据的软件处理。主电流信号代表所要求的电流和实际输出电流之间的差。该信号一般是电弧焊机10中的电源装置数的倒数。如图1所示，主电流信号是请求每个电源提供一半所要求电流的信号。因此，每个电源会提供相同的电流量，电流加在提供所要求焊接电流的端30、32。焊机10具有极好的静态和动态电流分配能力，可以组合大量具有小电流额定值的电源以产生电弧焊机10所需的高输出电流。弧焊机10的操作显示在图3中，其中曲线300是总弧焊接电流，其50％来自由曲线302表示的电源PSA，50％来自由曲线304表示的电源PSB。通过使用由线80表示的控制构成焊机的所有电源的单数字主电流信号，使每个电源产生组成总电流的相等电流分量。单反馈电路调整该电流水平。可以组合小电源以形成具有超过2000-3000安培的输出电流的焊机。在现有技术中，如图4所示，由具有其自指令信号、控制器100和反馈电路的并联电源输出的电流形成曲线310和312，该电流不是相等的电流分量。

图1A显示稍有改变的电弧焊机10的焊接站12。虽然该焊接站不是本发明的一部分，但是显示了一种改变的焊接站12a。在该焊接站中，晶体管型开关Q1、Q2向包括一系列扼流圈174a而不是用于最佳实施例的中心引线扼流圈174的输出电路提供焊接电流Ia。焊接站的这两个实施例采用多个电源，如PSA、PSB、PSC等。

在本发明的最佳实施例中，每个电源具有一个电路以防止过电流，特别是在起动时。显示了电源PSA中使用的用于电源的电路。实际上，所有电源使用相同的电路。如图5所示，脉冲宽度调制器70具有由端AS上的电压水平激励的标准反铁芯饱和电路。输出变压器40具有检测由方框322所表示的初级线圈电流Ip的电流转换器320。线324上的电压具有表示初级线圈电流的电压。当线324上的电压升高并超过一定电压水平时，在PWM芯片中的反铁芯饱和电路阻止转换器20中的一个开关或FET的操作，从而降低初级线圈42上的输出电流。这样，根据标准操作，限制了电源的输出电流，从而防止过电流操作。

如图6和7所示，本发明具有实际通用性，并能用于多种需要高焊接电流的应用。图6和7显示了两个均根据本发明构成的单独电弧焊机10和10a。焊机10b是只具有主电源的标准焊机。焊机10、10a和10b用于管道焊接，其中三个电极14、330和332沿组成工件16的板340、342之间的间隙移动。显示的电极成并联以及串联，并由托架350抓持进行单位移动，托架350由虚线结构表示。三个电极由托架350抓持在一起，在板340、342之间的接缝内在箭头a所指的方向上移动。所示的三个电极由三个单独的电弧焊机10、10a和10b控制以进行单位焊接操作。当然，单个电极、并联电极和/或两个或多个电极的串联布置可以用于单独的电弧焊机。当电极采用单独焊机时，焊接站12工作在具有图6中360、362所指的调整相位的不同频率或相同频率。每个焊机10、10a和10b包括其自控制器100、100a和100b，控制器控制线170、172上的门逻辑信号的频率。同步信号180通过控制器100a和100b控制输出电流脉冲的起始位置。通过相位调节360、362调整焊机10和10b的相位或偏移。在这种方式下，晶体管型开关Q1、Q2的低频切换使所有焊机处于不同相位。这防止了流入电极的电流之间的干扰。根据本发明，可以获得实施例的各种变形，如选择由单个主电流信号驱动的电源的数量和焊接站和电极布置的类型。可以对其进行模拟或数字操作。

该处理形式是数字的，但是可以是模拟的。实际上，PWM芯片70、220是模拟的。可以在本发明以后的改进型中将其数字化。

Claims (30)

1.一种电弧焊机，其包括多个产生给定强度的D.C电流的电源，所述给定强度的D.C电流由可调的指令信号控制，由具有输入电流和输出电流以及弧电流传感器的焊接站所使用，所述输入电流为D.C电流，所述输出电流使电弧焊接电流在电极和工件之间通过，所述多个电源包括第一主电源和误差放大器，所述第一主电源包括第一高速开关型变换器，所述第一高速开关型变换器具有输出变压器和输出整流器，以产生第一D.C电流，该第一D.C电流具有由主电流信号和第一脉冲宽度调制器确定的强度，所述第一脉冲宽度调制器的工作频率至少为18kHz，并且其输入电流信号为主电流信号，所述误差放大器用于通过比较所述指令信号和来自焊接站的反馈信号而产生主电流信号，所述多个电源还包括第一副电源，所述第一副电源包括第二高速开关型变换器，所述第二高速开关型变换器具有输出变压器和输出整流器，以产生第二D.C电流，所述第二D.C电流具有由所述主电流信号和第二脉冲宽度调制器确定的强度，所述第二脉冲宽度调制器的工作频率至少为18kHz，并且其输入电流信号为主电流信号，由此使所述第一D.C电流和第二D.C电流合并，从而形成至少一部分所述焊接站的输入电流。

2.如权利要求1所述的电弧焊机，其中所述多个电源还包括至少一个第二副电源，所述第二副电源包括第三高速开关型变换器，所述第三高速开关型变换器具有输出变压器和输出整流器，以产生第三D.C电流，该第三D.C电流具有由所述主电流信号和第三脉冲宽度调制器确定的强度，所述第三脉冲宽度调制器的工作频率至少为18kHz，并且其输入电流信号为主电流信号，由此使所述第一、第二和第三D.C电流合并，从而形成至少一部分所述D.C输入电流。

3.如权利要求1所述的电弧焊机，其中所述焊接站包括通过控制线上的门逻辑在导电和非导电状态之间切换的第一和第二晶体管型开关。

4.如权利要求3所述的电弧焊机，其中当电弧焊接电流低于给定值时，所述电弧焊机将所述第一和第二晶体管型开关从导电状态切换至非导电状态。

5.如权利要求4所述的电弧焊机，其中所述给定值为100-150安培。

6.如权利要求2所述的电弧焊机，其中所述焊接站包括通过控制线上的门逻辑在导电和非导电状态之间切换的第一和第二晶体管型开关。

7.如权利要求6所述的电弧焊机，其中当电弧焊接电流低于给定值时，所述电弧焊机将所述第一和第二晶体管型开关从导电状态切换至非导电状态。

8.如权利要求7所述的电弧焊机，其中所述给定值为100-150安培。

9.如权利要求6所述的电弧焊机，其中在所述电源中的所述输出变压器包括线圈、与所述线圈相联的电流传感器和与所述电源的脉冲宽度调制器相连的电路，当所述线圈中的所述电流超过给定值时该电路使至少所述第一和第二晶体管型开关之一保持非导电一段时间。

10.如权利要求3所述的电弧焊机，其中在所述电源中的所述输出变压器包括线圈、与所述线圈相联的电流传感器和与所述电源的脉冲宽度调制器相连的电路，当所述线圈中的所述电流超过给定值时该电路使至少所述第一和第二晶体管型开关之一保持非导电一段时间。

11.如权利要求9所述的电弧焊机，其中所述焊接电流是A.C电流。

12.如权利要求10所述的电弧焊机，其中所述焊接电流是A.C电流。

13.如权利要求10所述的电弧焊机，其中所述电极是串联和/或并联焊机中的多个电极之一。

14.如权利要求13所述的电弧焊机，其中所述电弧焊机是管道焊机。

15.如权利要求5所述的电弧焊机，其中所述电极是串联和/或并联焊机中的多个电极之一。

16.如权利要求15所述的电弧焊机，其中所述电弧焊机是管道焊机。

17.如权利要求4所述的电弧焊机，其中所述电极是串联和/或并联焊机中的多个电极之一。

18.如权利要求17所述的电弧焊机，其中所述电弧焊机是管道焊机。

19.如权利要求3所述的电弧焊机，其中所述电极是串联和/或并联焊机中的多个电极之一。

20.如权利要19所述的电弧焊机，其中所述电弧焊机是管道焊机。

21.如权利要求1所述的电弧焊机，其中所述电极是串联和/或并联焊机中的多个电极之一。

22.如权利要求21所述的电弧焊机，其中所述电弧焊机是管道焊机。

23.一种用于根据可调的指令信号控制多个电源的电路，每个电源由指向脉冲宽度调制器输入端的电压操作并连接到共用焊接站，该焊接站具有D.C输入电流和输出电流，该输出电流使弧焊接电流在电极和工件之间通过，以及弧电流传感器，所述电路包括误差放大器和一线路，所述误差放大器用于通过比较指令信号和所述检测的弧电流而产生主电流电压，所述线路将所述主电流电压信号传递到每个所述电源的脉冲宽度调制器的输入端，由此，在主电流电压信号的控制下，电源同时提供D.C电流给所述的共用焊接站。

24.如权利要求23所述的电路，其中所述焊接站包括通过控制线上的门逻辑在导电和非导电状态之间切换的第一和第二晶体管型开关。

25.如权利要求24所述的电路，其中当弧焊接电流低于给定值时，所述焊接站将所述第一和第二晶体管型开关从导电状态切换至非导电状态。

26.如权利要求25所述的电路，其中所述给定值为100-150安培。

27.如权利要求23所述的电路，其中在所述电源中的所述输出变压器包括线圈、与所述线圈相联的电流传感器和与所述电源的脉冲宽度调制器相连的电路，当所述线圈中的所述电流超过给定值时该电路使至少所述第一和第二晶体管型开关之一保持非导电一段时间。

28.如权利要求27所述的电路，其中所述焊接电流是A.C电流。

29.如权利要求23所述的电路，其中所述电极是串联和/或并联焊机中的多个电极中的一个。

30.如权利要求29所述的电路，其中所述焊接站是管道焊接。

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