在焊接、等離子體或加熱電源設備中接收通用輸入電壓用的方法和裝置的製作方法
2023-05-31 23:14:16
專利名稱：在焊接、等離子體或加熱電源設備中接收通用輸入電壓用的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般是涉及一些電源設備。較特別地，本發明是涉及在焊接、切割和加熱中使用的一些電源設備。
一些電源設備通常要把某一電力輸入轉換成為適合於某一特定應用所需要或所要求的電力輸出。在某些焊接應用中，那些電源設備通常所接收的是一個高電壓交流電流(VAC)信號，並提供一個高電流輸出的焊接信號。遍及全世界，公用事業所使用的那些電力供應(一些正弦型電壓)可以是200/208伏、230/240伏、380/415伏、500伏和575伏。這些電力供應可以是單相或三相的，而且可以是50或60赫(Hz)。其它一些在採礦和地鐵中用的電力供應，可以是直流電(DC)。此外，電力也可以用一些發電機來提供，這些發電機是用來提供具有這樣一些電壓和頻率的電力，或具有其它一些電壓或頻率的電力，或直流電電力。
那些焊接電源設備接收這樣的一些輸入，並產生電壓大約為10-40伏的直流高電流的焊接輸出。相當大的一部分電力是發送給焊接電弧，使該焊接電弧產生足夠的熱而來熔化金屬和建立焊接。一些切割用的電源設備接收這樣的一些輸入並產生電壓大約為80伏的直流高電流的切割輸出。一些感應加熱電源設備接收這樣的一些輸入並產生電壓大約為200伏的交流高電流的加熱輸出。由於焊接、加熱和切割都需要一些相類似的高電力輸出，焊接型電源設備或電力供應設備，如在此處所用者，其中包含某些焊接、等離子體以及感應加熱電源設備或電力供應設備。焊接型電力，如在此處所用者，即指焊接、等離子體或加熱電力。
給定各種不同的公用事業和發電機的電力輸入，要求焊接/等離子體/加熱電力供應設備，對某一寬廣範圍電力輸入的任何一種都能夠接收。一些障礙必須克服，才能容許一電力供應設備接收多種輸入電壓。第一，該電力線路必須能夠接收所期望的一些電壓大小和頻率，而且還仍然可提供所需要的輸出電壓。第二，不論所輸入的電壓是如何，還必須能提供所需要的控制電壓。此外，當配備有副電力設備(auxpower)(例如供某些工具等用)時，則不論輸入的電壓和頻率是如何，還必須能提供所需要的輸出電壓和頻率(例如於具有60赫頻率的110伏交流電)。
早期的一些電力供應設備，是使變壓器具有與每個所需要的電壓相對應的一些分接頭(tap)來克服這些障礙。這些分接頭是由用戶加以選擇，對每個輸入電壓把電力供應設備用人工進行再連接。這不但花費時間，而且還要求用戶打開電力供應設備。錯誤的連接電源設備的操作，其結果可能造成人身受傷害，斷電或電力不足。
已有技術的焊接電源設備，是在人工連接基礎上提供一種自動連接裝置來加以改進。例如在美國第5,319,533號專利中所述的米勒型電氣自動連接裝置(Miller Electric Autolink)，於此一併提出以供參考，當此類自動連接裝置首次接通時即對輸入電壓進行測試，並對所檢測到的輸入電壓自動地設置適合的連接。電力供應設備含有兩個接成並聯(例如對於230伏)或串聯(例如對於460伏)的變換器。如此的一些布置，一般是使得有兩種電壓連接的可能性。可是，較高的電壓必須為較低電壓的兩倍。因此，這樣一種電源設備不能連接至電壓從230-460伏到380-415伏或575伏的電力供應。
另一種已有技術的電力供應設備，其電源設備在寬廣範圍內接收電力的能力方而有顯著的改進。該種電力供應設備於在1994年11月18日提出申請、申請號為08/342,378、標題為「在焊接電源設備中接收通用輸入電壓用的方法和設備」(Method And Apparatus For Receiving AUniversal Input Voltage In A Welding Power Source)並於在1997年2月11日頒發的美國第5,601,741號專利中有所敘述，而且其專利權為本發明的受讓人所擁有。美國第5,601,741號專利中所述的電力供應設備在商業上實現為米勒型Omniline電力供應裝置(Miller Omnilinepowersupply)設備。
美國第5,601,741號專利的焊接/等離子體/加熱電力供應設備(於此一併提出以供參考)，含有一個輸入級，一個前置調節器級，和一個輸出級。此外，還有一個控制器(帶有一個電源設備)對電力供應設備進行控制，以產生所需要的輸出。供控制器用的電力供應設備於此處稱為輔助電力供應設備(auxiliary power supply)。可是，本發明還含有一個供工具等用的電力輸出，它常常也被稱之為輔助電力輸出(auxiliary power output)。因此，為了避免混淆，此處將把那些供工具用的電力輸出稱之為副電力(aux power)，而把供控制用的電力稱之為控制電力。
通常，米勒型Omniline電力供應設備的輸入級接收交流電公用事業或發電機的電力，並對該電力進行整流而提供一個初級直流電信號。該經過整流的直流電信號被提供給含有一個升壓變換器(boostconverter)的前置調節器。該升壓變流器把該經過整流的直流電信號電壓升高，來建立一條直流總線。輸出級含有一個逆變器(inverter)、一個變壓器和一個整流器，從該總線來建立焊接、切割或加熱電力(焊接型電力)。
因為直流總線(由於升壓變換器的作用)被建立，然後逆變換(invert)產生輸出電力，該輸出電力的電壓和頻率則與輸入的電壓和頻率無關。這就容許使用在一寬廣範圍的一些輸入電壓和輸入頻率。
可是，供控制器用的電力是通過把輸入電壓變壓後而獲得。故控制電力電路決定了所進入的電力的大小，並連接變壓器上的那些分接頭來獲得所需要的控制電力。由於所需要的控制電力量相對比較小，因此控制電力變壓器也相對比較小。從而當某一寬廣範圍的輸入電力是可接收時，則輸入也必須有足夠的大小以便使得對所選擇的分接頭的控制電壓也是可接收的。
因此Omniline電力供應設備，通過對一個其大小與輸入電壓無關的直流總線進行逆變換來提供所需要的輸出電壓。另外，Omniline電力供應設備還可通過選擇變壓器上的分接頭，來建立控制電力。這便容許在一寬廣範圍的輸入電壓可被使用，但此時仍要求輸入電壓具有適當的大小，以便把它變壓成為控制電壓。另外，該項已有技術並不提供其電壓和頻率與輸入電壓和頻率無關的副電力設備(供一些工具用)。
因此，就需要能接收任何共用的輸入電壓或頻率的焊接電源設備。最好，這對於焊接電力輸入和控制電力輸入無須任何交連就能實現。另外，還需要具有這樣一種焊接電源設備，它能產生其電壓和頻率與輸入電壓和頻率無關的副電力和焊接電力。
按照本發明的第一方面焊接型電源設備應有能力接收某一範圍的一些輸入電壓和頻率。它含有一個輸入電路，一個前置調節器，一個輸出電路，一個前置調節器的控制器、以及一個控制電力電路。該輸入電路接收某一輸入頻率和某一輸入大小的輸入電力，並向前置調節器提供一個其大小與輸入大小相響應的信號。該前置調節器則向輸出電路提供一個直流電信號，而該直流電信號具有前置調節器的大小與輸入大小無關。該輸出電路提供一個焊接型輸出電力信號，它具有一個與輸入頻率無關的輸出頻率和一個與輸入電壓無關的輸出電壓。前置調節器的控制器與該前置調節器相連接，並從控制電力電路接收電力。該控制電力電路則由該直流電信號獲得電力，並向該控制器提供控制電力，這個控制電力則具有一個與輸入大小無關的控制電力大小和一個與輸入頻率無關的控制頻率。
在一個實施例中，輸入電路含有一個整流器。
前置調節器的大小大於初級大小，並且該前置調節器包含一個可具有多種不同選擇方案的升壓變換器(boost converter)。該升壓變換器可含有一個慢電壓通斷的開關(slow voltage switched switch)和一個慢電流通斷的開關(slow current switched switch)。
輸出電路含有一個逆變器，該逆變器可以包含一個具有其他多種選擇方案的通斷緩衝器(snubber)。
在另外的一些實施例中，前置調節器的大小大於控制電力大小，而且/或控制電力電路含有一個反向變換器(buck converter)。
按照本發明的第二方面一種由某一範圍的一些輸入電壓和頻率來提供焊接型電力的方法，它包含接收一個具有某一輸入頻率和某一輸入大小的輸入電力信號。從而提供一個初級信號，它具有一個與輸入大小相響應的大小。該初級信號被變換為一個直流第二級信號，它具有與輸入大小無關的第二級大小。從該直流電第二級信號所獲得的一個焊接型電力信號，具有一個與輸入頻率無關的輸出頻率，並還具有一個與輸入電壓無關的輸出電壓。該直流電第二級信號被變換成為控制電力，它具有一個與輸入大小無關的控制電力大小。
在一個實施例中，輸入信號被整流。
在其它一些實施例中，第二級大小大於初級大小，而且把初級信號變換成為一個直流電第二級信號的變換還對該初級信號進行升壓變換。升壓變換可以包含對一個開關進行慢電壓通斷和慢電流通斷。
在不同的選擇方案中，該輸出電力信號是由逆變換直流電第二級信號來提供，而且/或使用一個可通斷的緩衝器。
在另外的某些選擇方案中，第二級大小大於控制電力大小，而且/或把直流電第二級信號變成控制電力的變換還包含將該直流電第二級信號進行反向變換。
按照本發明的第三方面一種有能力接收某一範圍的一些輸入電壓和頻率的焊接型電源設備，它包含一根直流電總線。一個輸出電路接收該直流電總線，並提供一個焊接型輸出電力信號。該輸出電力在電壓和頻率方面皆與輸入電力無關。一個控制器與該輸出電路相連接。供控制器用的電力則通過一個控制電力電路從該直流電總線而來。
按照本發明的第四方面一種由某一範圍的一些輸入電壓和頻率來提供焊接型電力的方法，它包含接收一根直流總線，和提供其大小與該直流電總線大小無關的焊接型電力、但該電力仍是從該直流電總線來獲得。直流總線亦轉換為控制電力，其大小與直流總線大小無關。
按照本發明的第五方面一種由某一範圍的一些輸入電壓和頻率來開始提供所預定的焊接型電力的方法，它包含接收一個輸入電力信號和提供一個其大小與該輸入電力大小相響應的初級直流電信號。一個其大小小於初級直流電大小的第二級直流電電壓，是從該初級直流大小而獲得。一個控制變換器則由該第二級直流電電壓來控制，使該控制變換器產生一個控制直流電電壓。一個輸出變換器由該控制直流電電壓來控制，以產生一個輸出信號。
圖1為按照本發明所構造的一個焊接電力供應設備的框圖2為圖1的前置調節器的一個實施例的電路圖；圖3為用於圖1輸出電路的一個帶有可通斷的緩衝器(switchedsnubber)的變換器的一個實施例的電路圖；圖4為控制電力電路和圖1控制器的一些部分的一個實施例的電路圖；以及圖5為副電力電路和圖1控制器的一些部分的一個實施例的電路圖。
在對本發明的至少一個實施例詳細地作說明之前，應理解本發明並不局限於它在一些構造細節上的應用，而且也不局限於以下說明中所陳述的或在附圖中所說明的那些零部件的布置。本發明可能還有其它一些實施例，或可能以各種不同的方法來實行或實現。另外，還應理解此處所用的術語和用語是為了敘述的目的，而且不應認為是具有限制性的。凡是相同的零部件皆用相同的參考號碼來指明。
雖然本發明將參照某一特定的具有一些特定的零部件、而且在某一特定環境中使用的電力供應設備來進行說明，但在一開始就必須理解，本發明還可用其他一些電力供應設備，部件來實現以及用於其他一些環境中。
現在參考圖1，一個焊接電源設備100含有一個輸入電路101，一個前置調節器102，一個輸出電路103，一個控制器104，一個控制器電力供應設備105，以及一個副電力供應設備106。
輸入電路101接收公用事業或發電機的電力，並向前置調節器102提供一個信號。在本優先實施例中，該輸入為交流電，而且該輸入電路含有一個整流器和電容器組(rectifier and capacitor bank)。因此，該輸入電路的輸出是一個其頻率為輸入頻率兩倍的直流電(單極的)信號。在其他一些實施例中，輸入電路101是由其它一些零部件所組成。
前置調節器102從輸入電路101接收信號，並提供預調節信號。在本優先實施例中，前置調節器102含有一個升壓變換器，並把該經過整流的信號升壓為直流總線(約800伏直流電)。前置調節器102是被加以控制，無論輸入的情況如何，該直流電總線的電壓均約為800伏。因此該直流電總線的電壓與輸入(電壓)大小無關。(如於此處所使用的，當第二級電壓的大小被控制得成為一個不與初級電壓成正比的值、或不是初級電壓的一個函數時，第二級電壓是與初級電壓無關)。此外，該直流總線的頻率(大致為零，但帶有脈動)是與輸入的頻率無關。(如於此處所使用的，當第二級電壓的大小被控制得成為一個不與初級電壓成正比的值、或不是初級電壓的一個函數時，第二級電壓則與初級電壓無關)。
在其它一些實施例中，前置調節器102含有一些其它型式的變換器，例如一個逆變器，一個串聯共振變換器等等。變換器，如於此處所用的，包含一個電力電路，它接收或提供一個交流電或直流電信號，並把它變換成其它的交流電或直流電信號，或變換成具有不同的頻率。逆變器，如於此處所用的，包含一個電力電路，它接收或提供一個直流總線信號，而該直流總線信號則被逆變換成為一個交流電信號。
如果一個直流電輸入信號被接收到，輸入電路103則簡單地把該直流電信號傳到前置調節器102，或者全被略去。如果該直流電輸入信號具有足夠的大小，前置調節器102可以簡單地傳送，提供一個直流電輸入作為直流電總線，或者全被略去。
輸出電路103接收該直流電總線，並提供一個適合於焊接/加熱/切割的輸出。在本優先實施例中，輸出電路103含有一個逆變器，一個隨於其後的變壓器，一個隨於其後的整流器以及一個輸出電感器。該輸出電力也和該直流電總線和輸入信號的頻率以及電壓無關。在其它一些實施例中，輸出電路103是由其它一些零部件所組成，並提供一個交流電或直流電輸出。
控制器104含有一個類似於在已有技術中所知道的電路系統，並引起升壓和一些逆變器開關對反饋和一個設定點(setpoint)(例如對於升壓變換器為800伏電壓以及對於輸出逆變器的用戶設定點)相響應地進行通斷。
控制電力是利用控制器電力供應設備105來提供給控制器的。在本優先實施例中，控制器電力供應設備105是從前置調節器102的輸出獲得電力。控制器電力供應設備105含有一個把直流800伏降為直流15伏的反向變換器。控制器電力供應設備輸出的大小和頻率因此和直流電總線以及輸入電力無關。容易看出，一旦有800伏的直流總線存在，則控制電力即可容易地從該總線，而不需要從一個控制電力變壓器來獲得，而且對任何輸入電壓和頻率都可接收。因此，例如調整變壓器的那些分接頭，不需要實行連接。
控制前置調節器102，輸出電路103和控制器電力供應設備105的電路系統，由於它們的公共性能(控制性能)，而集中在一起地稱之為控制器104。可是在實踐中，它們可以形成為一些各異和遠離設置的電路，它們可以共用電路系統，它們可以駐留在一個公共的微處理器或DSP(DSP=Digital Signal processor=數位訊號處理器)內，而且它們可以分享那些控制信號和反饋。
啟動時的一個潛在的困難，是控制器電力供應設備105內的反向變換器的開關被控制器104進行控制的結果在控制器使得升壓變換器的開關通斷之前，該800伏直流電總線建立不起來，但該控制器不能控制該開關，一直要等到它具有電力，並且供控制器用的電力又要從該直流電總線來獲得。
在本優先實施例中，這個困難被克服了，因為即使在升壓變換器開始通斷來建立該800伏直流電總線之前，該直流總線即將具有與經整流過的輸入電壓大小相同的電壓，它通常最少具有110伏均方根值(rms)。由於反向變換器把該總線的電壓降低到直流電15伏，即使大小相對比較低的輸入電壓(例如110伏交流電)也足以建立控制器電力。此外，供反向變換器用的控制電力是從一個15伏浮動電源設備，利用從該總線流出的電流來獲得。
該啟動的前後次序將在下面作詳細的敘述，但一般是如下所述。在啟動時，直流電總線，通過一個預先充電電阻器迅速地升高到整流後的輸入電壓。該預先充電電阻器於該總線充電後即被旁路。從該總線流出的來的電流，對一些為反向變換器的控制器提供電力的電容器進行充電。反向變換器的控制器對該反向變換器進行控制，使之產生15伏的直流電力用於控制器104的所有部分。控制器104對前置調節器102內的升壓變換器進行控制，使得經整流過的輸入升壓並產生一個800伏直流電總線。因此，該800伏直流電總線被建立，並能在用戶開始焊接時向輸出電路103提供電力。
另外，副電力供應設備106包含一個逆變器，並產生一個合成的副電力，即處於所需輸出頻率的所需輸出電壓(例如60赫的110伏交流電)。控制器104還對副電力供應設備106進行控制。
採用在(美國)第5,601,741號專利所示的電路系統(並與在其附圖內具有相同號碼的那些特點相對應)即可使輸入電路101，前置調節器102，輸出電路103以及對它們進行控制的控制器104的一些部分均可被實現。可是，多種電路也可用來實現本發明的這個部分，而其細節此處將不詳細地敘述。
在另一實施例中，為前置調節器而使用了一種特別的開關電路，因為它提供效率高的慢電壓通斷和慢電流通斷。該電路在標題為《具有低損失通斷的電力變換器》(Power Converter With Low lossSwitching)、於1998年7月9日提出申請、而且其權利屬本發明的發明人所有的(美國)專利申請第09/111,950號的專利申請書中曾予敘述。這裡所用的慢電壓/電流轉變(transition)或通斷(SVT=Slow VoltageTransition=慢電壓的轉變和SCT=Slow Current Transition=慢電流轉變)，是指當開關通斷時，這些轉變使電壓或電流的升高是被放慢的轉變(但不是保持為零)。
在本優先實施例中用來實現前置調節器102的電路(連同輸入電路101和電壓源109在一起)示於圖2中。圖2的實施例使用一根90-250伏交流電力線作為輸入電壓109。輸入電路101含有一些二極體D60、D70、D80和D9，這些二極體對輸入電壓進行整流來提供一個單極性正弦型輸入電壓。
當輸入電壓為正弦型，前置調節器102的功率因數修正部分(下面將敘述)起最佳的作用，雖然它可能是另一種交變輸入。因此，在一個實施例中配備一個電容小的(10微法)電容器(圖中未示出)跨接在輸入整流器上來使輸入線路電壓平滑。
經過整流的輸入電壓被施加在升壓電感器L10(750微亨)上，生壓電感器與升壓開關Z1(最好為一個IGBT)相連形成一個升壓變換器。一個反並聯的的二極體D50跨接在開關Z1上，以便在一些轉變時保護開關Z1。提供無損失通斷的電路部分，包含一個緩衝器電感器L2(3.9微亨)，一對電容器C100(1微法)和C200(0.068微法)，以及一些二極體D10、D20、D30和D40。開關Z1以所知的方式被通斷，以致無論輸入的電壓是如何，前置調節器102的輸出均為所需要的電壓。該輸出被提供跨接在一個電容器C50(2000微法)上，而電容器C50則為下級變換器提供一個穩定的電壓源(在本實施例中為200伏)。此外，電容器C50可防止電壓上升到危險的高壓和防止開關Z1被損壞。
前置調節器102提供功率因數修正的部分是一個功率因數修正電路204(圖2)，而且一般地檢測輸入電壓的波形，並使電流波形與線電壓的波形相一致。這就提供一個非常接近於1的功率因數，在本優先實施例中為0.99。功率因數修正電路204可以用一個集成電路，例如一個UC3845或一個ML4831型號的集成電路來實現，或者用一些如上面提供參考的《具有低損失通斷的電力變換器》中所示的那些零部件來實現，於此一併提出以供參考。
功率因數修正電路204把從輸入電路101、前置調節器102所送出的輸出電壓，和從前置調節器102(利用一個CT,CT=CurrentTransformer=電流互感器)所送出的輸出電流接收來作為一些輸入。因為前置調節器102的頻率(25千赫)比線頻率(60赫)高得多，故前置調節器的電流可通過檢測輸入電壓的形狀，而來對輸入線電壓的形狀進行跟蹤，以及控制與輸入電壓的形狀相響應的輸入電流。
輸出電路103可包含一個常規的逆變器，一個輸出變壓器，一些輸出整流器，以及一個如(美國)第5,601,741號專利中那樣的輸出電感器。可是，在一個實施例中，該逆變器是一個可被通斷的緩衝器，如在《具有低損失通斷的電力變換器》中所述，和如圖3中所示。
用可被通斷的緩衝器來實現的逆變器，包含一個直流電電壓源1501，一對帶有兩個反並聯的二極體1503和1505的開關1502和1504，一對電容器1507和1508(1410微法)，一個變壓器1509，一個電容器1512(0.099微法)，一個含有二極體1510和1511的輸出整流器，以及輸出電感器1513。
電容器1512跨接在變壓器1509上由開關1502和1504來進行通斷。開關1402和1403用於軟通斷的開關1502和1504。開關1402和1403不需要任何特殊的定時，並於有效的50％工作循環(duty cycle)情況隨同主時鐘(main clock)運行。例如，開關1502和1402一起接通，從而開關1502把電流發往變壓器1509，此時開關1402不做任何事。當開關1502斷開，而開關1402仍保持接通時，而且電流經過開關1402和二極體1405被引導至電容器1512時，因此給SVT(慢電壓轉變)斷開。開關1402於轉變後斷開，二極體1405則防止電流從電容器1512回流。這通過利用開關1502和1402以及二極體1405以補償的形式發生。因此該電路提供全波變壓器的用途，PWM(PWM=Pulse-Width Modulation=脈衝寬度調製)控制，無額外電路系統的、完全的電容器平衡控制，以及帶SVT的一些開關的高效率使用。另一個實施例，則包含使用一個全電橋型緩衝器。
用來控制該通斷緩衝器的特定電路系統可以是常規的控制電路系統，如在《具有低損失通斷的電力變換器》中所述及的那樣。
一個用來實現控制器電力供應設備105的電路，以及對控制器電力供應設備105進行控制的控制器104的一部分均被示出。在本優先實施例中，控制器電力供應設備105包含一個反向變換器，而且包含一個開關401，一個自由轉向的二極體403(freewheeling diode)和一個以常規反向布置而構成的反向電感器L1，以及一個電阻器404(0.5歐)。
在本實施例中，控制反向變換器(或調節器)的電路系統也示在圖4上，並為控制器104的一部分。一位熟練於本技術的人士將迅速地認識到，該控制電路系統可與控制前置調節器102和輸出電路103的控制器104的一部分位於相同的控制板上，或者把它布置在遠離該處的地方，例如控制器電力供應設備105用的PC(PC=Printed Circuit=印刷電路)板上。
一般，反向變換器是這樣受到控制，使在啟動時，電流從直流電總線流出來對一個電容器進行充電，從而提供足夠的電力來通斷反向開關。跨接在電容器上的電壓為浮動電壓(floating voltage)，並足夠操作反向變換器的控制電路系統。該控制電路系統使反向開關重複地通斷，而來建立一個約為15伏直流電的控制電力。該15伏直流電然後用來使其餘的控制電路得到電力。
更特別地，當電力供應設備被接通時，直流電總線將具有一個和輸入的、經過整流的信號的峰電壓(peak voltage)相等的電壓(例如，對於一個具有140伏均方根值的輸入，約為直流200伏)。從總線流出的電流經過一對電阻器R5(150千歐)和R4(150千歐)來對一對電容器C5(0.1微法)和C2(100微法)進行充電。跨接在C2和C5上的電壓被稱為BUCK-COM和BUCK+15V，而且對於控制反向變換器的電路系統是一個浮動的電壓供應設備(floating voltage supply)。適當地選擇電阻器R5和R4(以及以下所述的其它一些零部件)的電阻值，可決定直流總線上用來操作反向變換器的控制電路系統所需要的最小電壓。在本優先實施例中，該最小電壓不高於對110伏交流電進行整流所得到的電壓。
當跨接在電容器C5和C2上的電壓大約達到11.7伏時，開關Q1即接通。開關Q1被用來使反向變換器的邏輯或控制電路系統能夠(或不能夠)工作。當橫跨在電容器C2和C5上的電壓小於11.7伏時，開關Q1斷開，並使邏輯電路不能工作。一個電阻器R2(10千歐)，一個電阻器R3(100千歐)以及一個齊納二極體(zener diode)與開關Q1結合起來建立接通電壓。因此，電阻器R3的電阻值也設定對控制反向控制器的電路系統進行操作所需要的最小電壓。
邏輯電路系統含有許多「與非」門(NAND gate)U4A,U4B,U4C和U4D，以及結合一起的電路系統電容器C1(0.1微法)和C3(0.001微法)，電阻器R6(20千歐)，R7(332千歐)和R8(20千歐)。該電路系統控制許多並聯的「非」門U3，它們的輸出是經過一個電阻器R12(10歐)而送到反向開關401的基極的接通/斷開信號。邏輯電路系統用的供應電壓即為浮動的BUCK-COM/BUCK+15V的電壓供應。
當那些「非」門U3的輸出為1時，反向開關401接通，當那些「非」門U3的輸出為0時，反向開關401斷開。當它們的輸入為0時，那些「非」門U3的輸出為1，此時要求兩個「與非」門U4D的輸入均為1。
在啟動時，於總線把BUCK-COM/BUCK+15V的電壓供應設備充電達到11.7伏之前，開關Q1斷開。因此，至「與非」門U4A的輸入為0，並且「與非」門U4A的輸出為1。該輸出經過二極體D3以及電阻器R6和R7饋送到「與非」門U4B的輸入銷(input pin)2，而且「與非」門U4B的輸出因此為0。「與非」門U4B的輸出則被饋送到「與非」門U4A的輸入銷2，從而把「與非」門U4D的輸出保持在高位(並保持開關401斷開)。此外，在啟動時，「與非」門U4C的輸出為1，這是因為它的從兩個「與非」門U4B的輸入均為0。
當總線把BUCK-COM/BUCK+15V的電壓供應充電達到11.7伏時，開關Q1接通，而且「與非」門U4A的輸入銷9變高位，從而使「與非」門U4A的輸出變低位，並使「與非」門U4B的輸出變高位，而且「與非」門U4D的輸出(經過那些門U3)使得開關401接通。此外，當「與非」門U4A的輸出變為0時，電容器C3經過電阻器R7放電(帶有相對比較長的RC時間常數，R=Resistance=電阻，C=Capacitance=電容)。當電容器C3已放電，「與非」門U4B的輸出變為1，致使「與非」門U4D的輸出變為0，反向開關401接通。
該組合的電路系統使得邏輯鎖閉，一直到「與非」門U4A的輸入銷8變為0。這個情況的發生，是由於當開關401接通時，經過電感器L1的電流增加，利用一對電阻器R11(2千歐)和電阻器R10(100千歐)以及一個電容器C4(0.001微法)把開關Q3接通。當開關Q3被接通，「與非」門U4A的輸入銷8為0並且「與非」門U4D的輸出為1，致使(最後地)「與非」門U4B的輸出變為0，「與非」門U4C的輸出變為1，而且「與非」門U4D的輸出變為1，開關401斷開。
使開關401通斷的過程是被重複的，並於所需要的15伏直流電總線在一對輸出PRECOM和PRE+15V上被建立後受到限制。電流經過電感器L1將一對電容器C13和C14(2200微法)充電。輸出PRECOM和PRE+15V被連得跨接在電容器C14和C14上，因此，當它們已被充電達標到15伏時，就提供所需要的控制電力。一個齊納(穩壓)二極體D8防止跨接在PRECOM和PRE+15V上的電壓變高。
當跨接在輸出PRECOM和PRE+15V上的電壓達到15伏時，一個電阻器R13(1千歐)，一對齊納(穩壓)二極體D5和D2(6.8伏)，一個光隔離器OC3，以及一個電阻器(1兆歐)對反向開關401的接通加以限制。當跨接在二極體D5和D2以及光隔離器OC3上的電壓降達到15伏時，光隔離器OC3接通，把「與非」門U4B的一些輸入拉高，斷開開關401。
在圖5中示出一個用來實現副電力供應設備106的電路，以及控制副電力供應設備106的控制器的一部分。一位熟悉本技術的人士將迅速地認識到，該控制電路系統可以作為控制前置調節器102和輸出電路103的控制器104的一部分而位於同一控制板上，或者可以位於遠離該處的地方，例如在控制器電力供應設備106用的PC板上。
在本優先實施例中，副電力供應設備106含有一個逆變器，並非常像電動機驅動，或典型的交流逆變器電路那樣進行運行(輸出遵循一種高、零和負、零、高、零，…的模式)。在本優先實施例中，輸出是一個60赫，575伏的綜合交流電供應(與800伏總線的大小有關)。該575伏供電可以被變換為所需的大小。另一種情況，可以用不同的總線值、或利用把總線值抵消降低到某一所需的水平，把該大小控制到一個比較低的值。該經過調節的水平可預先設定，或由用戶選擇。此外，頻率也可由用戶選擇(例如50或60赫)或預先設定。
逆變器含有4個開關501-505(原文如此，對照圖5，顯然505為504之誤)，它們被通斷以便在一對輸出AC/2和AC/1上產生交流電力。特別地，開關Q3和Q4正常情況都是閉合和自由轉向的(當橫跨輸出AC/2和AC/1上沒有施加電壓差時)。通過把開關502接通和把開關504斷開，AC1被提高(而AC/2被降低)。因此，傳導路徑是從總線經過開關502而到AC/1以及負載，並且然後從AC/2經過開關503而到大地(PRECOM)。相反地，通過把開關501接通和把開關503斷開，使AC/1被降低(而AC/2被提高)。因此，傳導路徑是從總線經過開關501而到AC/2以及負載，並且然從AC/3經過開關504而到大地(PRECOM)。
圖5上其餘的電路系統為控制電路系統，並由PRECOM和PRE+15V提供電力。該電路系統以常規的方式運行而且含有驅動電路系統，一些電平移換器(level shifter)，電流限制器，以及一個啟動電路(enable circuit)。
那些開關的「門」驅動以某一常規方式運行，並包含一些電阻器R16(10歐)，R17(5.11千歐)，R18(1兆歐)，R19(22.1歐)，R20(10歐)，R21(1兆歐)，R22(5.11千歐)，R23(22.1歐)，R24(2千歐)，R25(2千歐)，R26(2千歐)，R27(2千歐)，R28(20千歐)，R29(20千歐)，R30(20千歐)，和R31(20千歐)；一些電容器C6(100微法)，C7(0.1微法)，C10(100微法)和C11(0.1微法)；一些開關Q6,Q7,Q8,Q9,Q10和Q11；一些二極體D61和D7；以及一些光隔離器OC1和OC2。
閂鎖電路系統對每一循環加以限制，並以常規的方式運行。該閂鎖電路系統包含電平移換器U1A(40109)；一些「門」U2A,U2B,U2C,U2D；一些電阻器R32(22.1千歐)，R33(22.1千歐)，R34(20千歐)，R35(20千歐)，R36(3.01千歐)，R37(5.11千歐)，R38(16千歐)，R39(1千歐)，和R40(20千歐)；一個電容器C15(0.000微法)以及一對開關Q12和Q13。而且還配備有一對電平移換器U1B和U1C(40109)。
啟動電路包含光隔離器OC4，一些電阻器R41(1兆歐)和R42(20千歐)，以及電容器C16(0.1微法)。一個電壓調節器電路包含電壓調節器VR1，電容器C18(0.1微法)，電容器C17(0.1微法)以及調節器VR1，並由反向調節器所生成的+15伏供應，產生一個經過調節的+5伏供應。
一個定時器電路來設定控制電路系統和副頻率(aux frequency)用的時鐘。該定時電路系統包含一個微處理器MPU1，電容器C19(22微微法)和電容器C20(22微微法)，一個晶體振蕩器Y1(4.096兆赫)，以及一個電平移換器U1D。
這些零部件以某一已知的方式運行來產生575伏，60赫的輸出。如上所述，該電路可被修改以容許用戶來選擇電壓大小和/或頻率。
對本發明可作多種修改，但它們仍然在本發明的設想範圍內。因此，顯然可見按照本發明已可提供一種方法和設備，它能根據任何典型的輸入電壓和頻率來提供完全滿足以上所陳述的那些目的和優點的焊接型電力。雖然本發明這裡已聯繫一些特定的實施例加以敘述，但仍清楚可見，對那些熟練本技術的人士說來，顯然本發明還會有很多選擇方案，修改型和變型。為此，應把在所附權利要求的精神實質和寬廣範圍內的所有這樣一些選擇方案，修改型和變型都一攬子都包括在內。
權利要求
1．一種有能力接收某一範圍的一些輸入電壓和頻率的焊接型電源設備，它包括一個輸入電路，構造得能接收具有某一輸入頻率和某一輸入大小的輸入電力信號，並提供一個其大小與輸入大小相響應的初級信號；一個前置調節器，構造得能接收該初級信號並提供一個直流電第二級信號，該直流電第二級信號具有一個與前置調節器大小無關的輸入大小；一個輸出電路，構造得能接收該直流電第二級信號並提供一個焊接型輸出電力信號，該焊接型輸出電力信號具有一個與該輸入頻率無關的輸出頻率並具有一個與該輸入電壓無關的輸出電壓；一個前置調節器的控制器，它與該前置調節器相連，而且還具有一個控制器的電力輸入；以及一個控制電力電路，構造得能接收該直流電第二級信號並提供一個控制電力信號給控制器電力輸入，此處的控制器電力信號具有一個與該輸入大小無關的控制電力大小和一個與該輸入頻率無關的控制頻率。
2．權利要求1的設備，其輸入電路含有一個整流器。
3．權利要求1的設備，其前置調節器大小大於初級信號的大小。
4．權利要求3的設備，其前置調節器含有一個升壓變換器。
5．權利要求4的設備，其升壓變換器含有一個慢電壓通斷開關和一個慢電流通斷開關。
6．權利要求3的設備，其輸出電路含有一個逆變器。
7．權利要求3的設備，其輸出電路含有一個可通斷的緩衝器。
8．權利要求3的設備，其前置調節器大小大於控制電力的大小。
9．權利要求3的設備，其控制電力電路含有一個反向變換器。
全文摘要
本發明揭示了一種提供焊接型電力的方法和裝置。該電源設備有能力接收在某一寬廣範圍內的一些輸入電壓的任何電壓,並含有一個把交流電輸入整流成為一個直流電信號的輸入整流器。一個直流電電壓級(dc voltage stage)把該直流電信號變換成為一個所需要的直流電電壓,以及一個逆變器把直流電信號逆變換為一個第二級交流電信號。一個輸出變壓器接收該第二級交流電信號,並提供一個第三級交流信號,該第三級交流信號具有一個適合焊接、切割或感應加熱用的電流大小。該焊接型電流可以被整流,以及通過一個輸出電感器來使之平滑。一個控制器向該逆變器提供一些控制信號,以及一個控制器電力供應設備還能接收某一範圍內的一些輸入電壓,並向該控制器提供一個控制電力信號和一個與輸電壓無關的電壓。
文檔編號B23K13/08GK1320502SQ0111015
公開日2001年11月7日 申請日期2001年3月30日 優先權日2000年3月31日
發明者史蒂文J·蓋斯勒 申請人:伊利諾斯器械工程公司