帶有相位錯開的二次開關的等離子體切割或電弧焊接電源的製作方法

2023-05-16 23:15:01 4

專利名稱：帶有相位錯開的二次開關的等離子體切割或電弧焊接電源的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及等離子體切割和電弧焊接電源，更具體地涉及帶有多個二次開關的電源。
等離子體電弧切割是利用電弧切割金屬工件的一種工藝。通常，等離子體電弧切割使用電極和被切割金屬之間的電弧。該電弧產生切割金屬工件的等離子體。
一般認為開始等離子體電弧切割過程的理想電壓是250伏(開路)。在切割過程開始後，切割電弧電壓約為90-125伏。當然，切割電弧(帶負載輸出)電壓取決於切割電弧的長度。電弧越長，負載電壓越大，相反，電弧越短，負載電壓越小。類似地，切割電弧電壓也隨著輸出電流的幅值變化。
典型的現有技術等離子體電弧切割電源接收一輸入電壓(從輸電線或發電機)並向一對輸出端子提供輸出電壓，一個輸出端子是電極而另一個端子接到工件上。電源提供約為250伏的開路電壓和約為90-125伏的帶負載電壓。已知的等離子體電弧切割電源有很多種，例如磁電源、逆變電源、相控電源以及斬波器或二次開關，本發明 涉及基於斬波器的電源。
圖5所示的現有技術斬波器包括電壓源601，開關602，二極體604和向負載605提供輸出電流的電感603。電壓源601可以是接受輸電線路電壓的變壓器和整流器。電壓源601應能夠提供輸入功率，一般應以理想的電壓水平提供。當然，電壓源不必是恆壓源而只是適用於斬波器電源即可。當開關602合上時電流從電壓源601的正極輸出端向負載605、電感603和開關602流動。在該時間內負載電流(和電感電流)增加，且電感603存儲取決於在602閉合時加在電感603上的伏-秒數的能量。伏秒數由開關602的閉合時間和電源電壓及負載電壓決定。當開關602斷開時電流通過二極體604、負載605和電感603。當開關602斷開時負載電流(及電感電流)減小且電感603釋放能量，也取決於電感603加在二極體604和負載605上的伏-秒數(時間和負載電壓)。在一些高電流應用中單個電壓源可以有一個以上的斬波器並聯相連。這些斬波器互相同相位運行，因此負載電流正好是任一斬波器輸出電流的兩倍。
加在負載605上的電壓取決於開關602接通的時間，與開關602斷開的時間有關。具體而言輸出電壓等於開關602的接通時間與其接通時間和斷開時間之和的比值再乘以電壓源601的輸出電壓。因此，如果開關602有50％的接通時間負載電壓將是電源電壓的50％。典型地，採用電流反饋元件與控制迴路共同控制開關602的通斷時間。
因此，斬波器的電流輸出為三角形(鋸齒形)，其幅值和頻率是預定的，但隨著開關頻率變化。其運行基於DC電壓輸入向期望的DC電流輸出的受控切換。鋸齒輸出可具有波紋電流的特徵，取決於低於最小電流的最大電流。
斬波器電源的一個缺點是輸出的波紋電流額定值。當採用同相併聯斬波器時，輸出波紋是單個斬波器波紋的兩倍。在開關型(斬波器)電源中，空氣等離子電弧切割機的輸出切割能力會受到不利影響，如果其波紋電流能力不適合於相應工作的話，即在相對恆定的電流下，而不是鋸齒狀輸出下，切割效果最佳。如果波紋電流大於額定值，電壓源中輸入電容的壽命也要受到影響。波紋電流在電容器中產生內部熱量，使與溫度相關的參數產生伴隨的變化。溫度增加可降低任何電化學原件的期望壽命。通常還難於保證對電容器適中的環境溫度，更不用說允許過量的波紋電流還會加重這種情況。即使對於適當額定值的電容器，在沒有從殼體外表面散熱的措施時也會產生危險的內部溫度。另外，峰值電流的幅值取決于波紋百分數。由於高的峰值電流會損害易耗材料，因而低波紋電流是理想的。
但斬波器電源相對便宜、可控制、且無損耗。而且斬波器能較好地適應接收輸入電壓並以更低的輸出電壓提供負載電流。因此，理想地是提供一種利用斬波器的有利的方面，而又能避免其一個主要缺點---負載中過量的波紋電流的基於斬波器的電源。
焊接電源與等離子體電弧切割電源具有許多相似之處。具體而言，以通常接受的固定開路電壓(約80伏)可最好地開始焊接過程。但開始後運行負載輸出電壓一般在20-45伏的範圍內，通常為25伏。最後，與等離子體電弧切割過程相同，實際電弧電壓隨著電流和電弧長度變化。
在某些焊接應用中理想地是用一個電源向多個並聯的焊接站提供電流。因而按照這種布置一個以上的焊機可使用一個給定的電源。典型地，為提供產生初始焊接電弧必要的開路電壓，電源是一恆定電壓源(80伏)。每一焊接站包括一與焊接電極(工件)串聯的可變電阻。電阻消耗足夠的功率以產生典型的負載輸出電壓，即20-45伏。顯而易見這非常浪費功率---只有25％的功率被輸送到電弧負載，而75％的功率消耗在電阻中。
因而，較理想地是提供一種能夠提供80伏開路電壓和25伏範圍的負載電壓的焊接電源。理想地，這樣的焊接電源能夠向多個並聯焊接站供電，且不浪費功率。
根據本發明的一實施例，一種電源，諸如等離子體切割電源或焊接電源，向一對輸出端子提供輸出。該電源包括一電壓源和多個斬波器。這些斬波器在電壓源和輸出端子之間並聯連接。一控制器控制斬波器從而使他們相對與多個斬波器中的每個其它斬波器都不同相。這些斬波器理想地包括一續流(freewheeling diode)二極體、一隻電感和一隻開關。
根據本發明的第二實施例，電壓源包括用於接受線電壓的變壓器和整流器。
根據本發明的第三方面，提供有用戶選擇的電流輸入和電流反饋。控制迴路接收這些信號。
根據本發明的第三方面，有兩隻斬波器並聯，且第二斬波器被控制為基本上與第一斬波器相差180°。
根據本發明的第四方面，控制迴路包括斜波發生器以產生用於控制第一斬波器的第一斜波信號和用於控制第二斬波器的第二斜波信號，其中第一斜波信號與第二斜波信號相比基本相差180°。
根據本發明的第五方面有三隻斬波器並聯，且這三隻斬波器被控制互相基本相差120°。
根據本發明的第六方面有N只斬波器，且電源向一對輸出端子在無負載存在時提供開路電壓(OCV)並在有負載存在時提供負載輸出電壓(LOV)。N大約等於OCV/LOV。
對於本領域技術人員，通過研究以下附圖、詳細介紹和所附權利要求即可明白本發明的其它基本特徵和優點。


圖1是根據本發明製造的電源的方框圖；圖2是圖1的斬波器和圖1的控制器的一部分的迴路圖；圖3是對於根據本發明製造的電源用於開路電壓約為負載電壓的兩倍的情況下的每一斬波器中的電流和負載電流的曲線圖；圖4是對於根據本發明製造的電源用於開路電壓約為負載電壓的四倍的情況下的每一斬波器中的電流和負載電流的曲線圖；以及圖5是現有技術斬波器的迴路圖。
在詳細解釋本發明的至少一個實施例之前應當明確本發明並不僅限於在以下介紹中闡明的或附圖中展示的其構造細節和元件布置上的應用。本發明能夠有其他實施例或以多種方式實踐或實現。還應明確下面採用的術語和專門用語僅限於解釋目的而不應被認為是一種限制。
一般地，根據最佳實施例製造的等離子體電弧切割電源如圖1所示。等離子體電弧切割電源100包括斬波器102和斬波器104，並聯相連。斬波器102和斬波器104均從電壓源101接收輸入電壓。斬波器102包括輸出電流感應LEM 103而斬波器104包括輸出電流感應LEM 105。斬波器輸出被提供到負載106。控制器108從LEM 103和105接收電流反饋信號，以及電流參考信號。電流參考信號是用戶選定的電流切割幅值，典型地由等離子體電弧切割電源前面板上的電位計提供。控制器108向斬波器104提供第一開關信號及向斬波器102提供第二開關信號。開關信號確定斬波器102和104中的開關何時接通。
根據本發明，斬波器102和104互相不同相運行。具體說，斬波器104與102相差180°運行。正如下面更詳細介紹的，這大大降低了電源100的波紋輸出。
由於期望的開路電壓與大約負載電壓的比值的關係，圖1的布置在等離子體電弧切割電源中尤其有用。具體說，該比值接近於2(250伏比90-125伏)。因此，如果電壓源提供250伏的開路電壓，當每一斬波器的接通時間約為50％時可得到大約一半的負載電壓。
根據本發明，當每一斬波器的接通時間為50％，且相對於另一斬波器相差180°時，輸出波紋基本為零。例如，如圖3所示，圖中表示以虛線表示的開關通斷時間的斬波器A輸出電流和斬波器B輸出電流。這兩電流之和就是負載電流且可看出基本是平滑的。
實踐中，等離子體電弧切割過程要求負載電壓略低於開路電壓的一半，因此每一斬波器的接通時間要略小於50％。圖4表示負載輸出電壓為開路電壓的25％的斬波器電流和負載電流。正如所見到的，負載輸出電流帶有約為每一斬波器中波紋電流的三分之二的波紋(為解釋起見進行了誇大)。因此提供的波紋輸出降低了。
其他的應用可使用具有互相不同相的並聯斬波器的電源。一般地，斬波器的數目約等於開路電壓與典型負載輸出電壓的比值。因此，對於具有期望的80伏開路電壓和約25伏負載電壓的焊接電源，採用三隻互相相差120°的並聯斬波器將是合適的。
現在參照圖2，圖中表示控制器108和斬波器部分的最佳實施例。控制器108包括斜波發生器201，電流誤差迴路203和驅動器迴路205。控制器108可包括現有技術中典型元件和部分。
斜波發生器201包括多個運算放大器A3A，A3B和A3C。運算放大器A3A被設置為積分器並包括與反相輸入端相連的反饋電容C12。運算放大器A3A的非反相輸入端接地。運算放大器A3A的輸出通過電阻R44提供至反相運算放大器A3B。運算放大器A3B包括與其反相輸入端相連的反饋電阻R52而非反相輸入端接地。運算放大器A3B的輸出端與設置為比較器的運算放大器A3C的反相輸入端相連。運算放大器A3C包括與運算放大器A3C的非反相輸入端相連的反饋電阻R50和R51。A3C的輸出通過電阻R45作為輸入提供給運算放天器A3A的非反相輸入端。
因此，斜波發生器201在A3A的輸出通過電阻R34產生鋸齒斜波(該信號被標為RAMP A)。運算放大器A3B的輸出是RAMP B，它除了相位與RAMP A相差180°外其它與RAMP A相同。RAMP B通過電阻R53提供給電流誤差迴路203。RAMP A和RAMP B是用來確定斬波器102和104中的開關的斷開時間和接通時間之和的長度的時間信號。
電流誤差迴路203包括輸入IFB，它是從一LEM，如斬波器102的輸出上的LEM 103導出的電流反饋信號。該信號可按現有技術的典型方式處理。電流誤差迴路203還包括一IREF輸入，它是用戶選擇的期望電流(典型地是利用電源前面板上的單個電位器獲得)。
用戶選擇電流的表示信號，IREF，通過一對電阻R8和R69提供給運算放大器A2A。電流反饋信號，IFB，通過電阻R38提供給運算放大器A2A。電流參考信號和電流反饋信號二者均被提供到運算放大器A2A的反相輸入端。運算放大器A2A的非反相輸入端接地。一個負15伏的電壓信號通過電阻37也與放大器A2A的反相輸入端相連以提供最小電流偏移。
放大器A2A包括從其輸出連接到其反相輸入端的反饋電阻R18，R19，C1，二極體D1和D2。因而放大器A2A的輸出是電流差值信號，即表示參考電流與反饋電流之差。通過電阻R37提供一最小偏移電流信號以在IREF為最小值時提供一最小電流。
放大器A2A的輸出通過電阻R30提供到運算放大器A2B的反相輸入端。運算放大器A2B被連接為比較器並在其非反相輸入端從斜波發生器201接收作為時間信號輸入的RAMP B。因此，比較器A2B的輸出是「零」或「一」，取決於從R30來的電流差值信號是大於還是小於時間信號(RAMP B)。
比較器A2B的輸出通過電阻R36提供給反相器U1A。反相器U1A的輸出提供給門驅動迴路205。反相器U1A的輸出通過門驅動迴路205控制斬波器102中的開關何時通斷，這取決於由斜波發生器201產生的時間信號RAMP B和電流參考信號與電流反饋信號之差。
門驅動迴路205包括推拉式輸出電路MOSFET Q4和Q5。推拉式輸出電路MOSFETQ4和Q5由反相器U1A的輸出驅動，該輸出通過電阻R46和電容C16提供以產生延時。電容C16的輸出提供給反相器U1B，它驅動MOSFET Q4的門。一隻二極體跨接在電阻R46上。類似地，電阻R47，二極體D10，電容C13和反相器U1C被作為電晶體Q5的輸入提供。在MOSFET Q4和MOSFETQ5導通之前，RC網絡R46和C16，以及R47和C13提供一個小的延時。二極體D9和D10提供MOSFET Q4和Q5的瞬時關斷。因而可省去跨接MOSFET Q4和Q5的保安電路。
MOSFET Q4和Q5接在正15伏電壓源和地之間。MOSFET Q4和Q5的公共節點通過電阻R32提供給斬波器102，並使斬波器102中的開關接通和斷開。電阻R32限制流入斬波器102中開關的門電路的電流。提供電阻R31以使在機器電源關閉時保持IGBT斷開。在正15伏電源和地之間提供有電解電容C9和去藕合電容C8。
如圖2所示，斬波器102包括接收門驅動信號的IGBTQ6(或某種其它開關)。在標準斬波器配置中提供續流二極體D16和電感L2。電阻R21、二極體D14和電容器C7為IGBT Q6提供緩衝器。圖中還表示出了LEM103和輸出207及208。
當IREF與IFB之差表示需要額外電流時，IGBT Q6的接通時間就保持更長一些，從而提供額外的伏-秒數並允許電感12和負載中的電流上升到更大的幅值。當IFB大於IREF，表明需要更小的電流時，IGBT Q6的接通時間就保持更短一些。這樣就對斬波器102的控制進行了介紹。
斬波器104是利用與電流誤差迴路203和門驅動電路205相同的迴路控制的。但是，斬波器104的電流誤差迴路的斜波輸入是RAMP A，不是RAMP B。因而，控制斬波器104的電流誤差迴路的輸出與電流誤差迴路203的輸出基本相同，但相位相差180°。斬波器104的門電路驅動迴路(未示出)與門電路驅動迴路205相同。門電路驅動迴路(未示出)的輸出被提供給斬波器104。
因而，正如可看出的，斬波器102和104被控制為互相相差180°。此外，斬波器102和104還被控制向負載106提供期望的電流。
已經圍繞等離子體電弧焊接電源對上述最佳實施例進行了介紹，但該實施例對於焊接電源也具有同樣好的性能。更具體講，對於焊接電源提供大約三個並聯斬波器是較理想的，因為其開路電壓一般約為負載輸出電壓的三倍。
當焊接電源是根據此發明製造的時，它將適用於具有多個焊接站(並聯)的情況。每站將包括三隻斬波器，每隻與另外兩隻都相差120°。這樣的電源將比標準斬波器的波紋電流小，且比現有技術的基於電阻的焊接站的功率損耗小。
因而，明顯看出根據本發明已提供了一種完全滿足上面提出的目的和優點的具有相位交錯二次開關的電源。
雖然對本發明的介紹是結合其特定實施例進行的，但本領域專業人員顯然明白可以有許多替代方案、修改和變更。因而，以下權利要求書的精神和寬廣範圍中將包括所有這樣的替代方案、修改和變更。
參考號 元件類型 值A2A 線性347運算放大器A2B 線性347運算放大器A3A 線性347運算放大器A3B 線性347運算放大器A3C 線性347運算放大器C1 電容 0.01微法C7 電容 0.01微法C12 電容 0.001微法C13 電容 100皮法C16 電容 100皮法
C9 電解電容 10微法C8 電容 1微法C35電容 0.1微法C39電容 0.1微法D1 齊納二極體 7.5伏D2 二極體D9 二極體D14二極體D16二極體L2 電感LEM1 電流傳感器Q4 P通道MOSFETQ5 N通道MOSFETQ6 IGBTR30電阻 10千歐R31電阻 10千歐R34電阻 10千歐R36電阻 10千歐R50電阻 10千歐R53電阻 10千歐R19電阻 15千歐R45電阻 15千歐R51電阻 5.11千歐R18電阻 2.74兆歐R8 電阻 30.1千歐R37電阻 30.1千歐R21電阻 1千歐R38電阻 8.25千歐R32電阻 15歐R44電阻 100千歐R52電阻 100千歐R46電阻 12.1千歐
R47電阻 12.1千歐R54電阻 274歐R69電阻 2.21千歐U1A40106反相器U1B40106反相器U1C40106反相器
權利要求
1.用來向一對輸出端子提供輸出的電源，包括電壓源；在電壓源和輸出端子之間並聯相連的多個斬波器，其中每一斬波器具有一控制輸入；和具有與多個控制輸入中的一個相連的多個輸出的控制器，其中每一斬波器被控制與多個斬波器每一其它斬波器均不同相。
2.權利要求1的設備，其中每一斬波器包括一續流二極體、一隻電感和一個開關。
3.權利要求1的設備，其中電壓源包括用來在一次側接收線路電流的變壓器以及被接為從變壓器二次側接收電壓的整流器，其中整流器的一輸出與並聯的多個斬波器相連。
4.權利要求2的設備進一步包括用來向控制裝置提供電流參考信號的電流選擇裝置；和用來向控制裝置提供電流反饋信號的的至少一個電流反饋裝置；其中控制裝置包括用來響應於電流參考信號和電流反饋信號而控制斬波器的電流輸出的裝置。
5.權利要求4的設備，其中多個斬波器包括並聯的第一和第二斬波器，且其中第二斬波器被控制基本與第一斬波器相差180°。
6.權利要求5的設備，其中控制迴路包括用來產生控制第一斬波器的第一斜波信號和控制第二斬波器的第二斜波信號的斜波發生器，其中第一斜波信號與第二斜波信號基本相差180°。
7.權利要求1的設備，其中電源向一對輸出端子在無負載存在時提供開路電壓(OCV)及在負載存在時提供負載輸出電壓(LOV)，且在多個斬波器中有N只斬波器，N約等於OCV/LOV。
8.權利要求1的設備，其中電源是焊接電源。
9.權利要求1的設備，其中電源是等離子體電弧切割電源。
全文摘要
公開了一種向一對輸出端子提供輸出的電源，例如等離子體切割電源或焊接電源。該電源包括一電壓源和多個斬波器。斬波器並聯在電壓源和輸出端子之間。一控制器控制斬波器與多個斬波器中每一其它斬波器均不同相。斬波器理想地包括一續流二極體、一電感和一開關。斬波器數量約等於開路電壓與負載輸出電壓之比。
文檔編號B23K10/00GK1163811SQ97102208
公開日1997年11月5日 申請日期1997年1月10日 優先權日1996年1月16日
發明者喬恩·O·雷諾斯, 約瑟夫·C·施奈德, 史蒂芬·H·李 申請人:伊利諾斯工具製造公司