專利名稱：具有多個電源的電弧焊機的制作方法
技術領域：
本發明涉及電弧焊接技術，特別涉及一種具有多個獨立電源的改進的電弧焊機。
本發明特別適用于采用具有兩個將D．C電流轉換成A．C電流的晶體管型開關的輸出焊接站。因此，本發明的第二方面是可以在低電流下實現晶體管型開關在導電狀態和非導電狀態之間的切換，以避免每個輸出開關周圍對大緩沖器電路的需要。在1999年1月19日向美國申請的流水號為233235的專利申請中公開了本發明中采用的這一換流器電源的原理和類型。這里參考該申請，將其作為本發明中使用的換流器電源和在低電流下切斷焊接站的晶體管型開關的原理的背景技術。本發明采用高電流控制開關型焊接站。只有當輸入低電流時才切斷開關。
本發明特別適用于管道焊接，特別是對于管道焊接中的串聯電極或并聯電極，這里將通過特別的參考文獻對其進行說明；但是本發明具有非常寬的應用，可以用于需要極高電流水平的單電極電弧焊機，如焊接電流超過1000-2000安培。
用于管道焊接的電弧焊機和其它類似應用常常要求焊接電流超過1000-2000安培。過去，要對產生如此高焊接電流的焊機進行特殊設計。但是，當所需電流升高超過特殊電源的設計參數時，必須設計和制造較高負載的電弧焊機。例如，具有1000-1500安培最大電流的電弧焊機不能用于需要2000安培的焊接操作。當制成并使用較高負載焊機時，還是會受到其最大電流負載的限制。因此，當焊接應用中需要高的電流水平時，如尖端(pike)焊接，常常需要傳統設計的昂貴焊機。
由于較高焊接電流要求對焊機進行重新設計和制造，因此，因可使用電源的電流負載有限而不能使現場應用到達最優。已經通過將多個低負載焊機連接到輸出焊接站而產生一種高電壓焊機的嘗試。這些嘗試都不成功，因為難于平衡兩個或多個獨立電源的動態電流分配負載。
本發明克服了以前提供高電流電源的嘗試特別是對于管道焊接的缺點，提供一種具有僅通過添加多個電源便可大大提高輸出電流的性能的電弧焊機，而且還獲得串聯電源之間的良好靜態和動態電流分配。本發明的電弧焊機使兩個或多個電源之間的不均勻電流分配達到最小。在現有電路中，每個電源需要輸入指令信號、其自反饋和誤差放大器控制電路。這樣，由于分量變化，因而在電源之間不能進行動態電流分配。本發明利用一個電源的誤差放大器，不僅控制電源，指的是主電源，而且將相同主電流信號傳給其他電源。焊機的其他電源不具有其自指令信號或誤差放大器控制電路。因此，只在電弧焊機中提供一個誤差放大器和反饋控制電路。不將誤差放大器和反饋電路用于并聯設置的以提高電流輸出功率的每個單獨電源。
根據本發明，提供一種包括多個電源以產生給定強度的D．C電流的電弧焊機，其電流由單個可調的指令信號控制。該D．C電流由具有D．C輸入電流和輸出的焊接站使用，使電弧焊接電流在電極和工件之間通過。一種傳感器，如分路器，檢測弧電流。多個電源包括一個主電源和一個或多個副電源。主電源包括第一高速開關型變換器，該變換器具有輸出變壓器和輸出整流器，以產生具有由主電流信號和脈沖寬度調制器決定其強度的第一D．C電流，該脈沖寬度調制器工作在高頻并具有由主電流信號和誤差放大器控制的電流控制電壓輸入，該誤差放大器用于通過比較單獨指令信號和檢測焊接站輸出的弧電流而產生主電流信號。主電源包括指令信號和誤差放大器反饋控制電路，用于控制主電源中的脈沖寬度調制器。構成焊機的多個電源包括至少一個副電源，該副電源還包括具有輸出變壓器和輸出整流器的開關型變換器，用于產生第二D．C電流，該第二D．C電流具有由與主電源中所使用的相同主電流信號和第二脈沖寬度調制器確定的強度，該第二脈沖寬度調制器工作在高頻并具有與主電源的主電流信號關聯的電流電壓輸入。以此方式，第一和第二D．C電流合并以構成焊接站的至少一部分D．C輸入電流。實際上，如果兩電源組成電弧焊機的“多個電源”，第一D．C電流是所需輸入電流的50％。副電源的第二D．C電流提供另外50％的電流。如果在電弧焊機中使用三個電源，每個電源為輸出焊接站提供33．3％輸入電流。因此，由于每個電源使用相同主電流信號作為其脈沖寬度調制器的輸入，故電弧焊機中的電源數量通過使電流自動平衡而自動確定用于驅動焊接站的D．C電流的比例。將單指令信號用于電弧焊機，并且只應用單反饋電路。通過利用這些新的原理，可以以任何數量組合多個相對較小電源如500安培電源以產生所要求的最大焊接電流。六個小電源組合起來產生3000安培焊接電流，每個電源定為最大500安培。通過本發明實現組合小電源以形成具有極高輸出焊接電流的電弧焊機的能力。不需要在每次電流需要量提高時都設計一種電源。
根據本發明的另一方面，單獨電源的脈沖寬度調制器使用的高頻至少是18kHz。此外，由多個電源供電的單獨焊接站包括第一和第二晶體管型開關，如1GBT，通過在一對控制線上的門邏輯在導電狀態和非導電狀態之間切換。根據本發明的第二方面，該開關直到電弧電流低于給定值時才從導電狀態切換到非導電狀態。實際上，該給定值大約為100-150安培。本發明對多個電源采用單個焊接站，這樣就需要大開關，并且單個控制器產生邏輯信號以在選擇的給定值從導電切換到非導電。主電源控制該切換，一個或多個副電源只補充焊接電流。
根據本發明另一方面，每個電源中的輸出變壓器包括線圈特別是初級線圈、與線圈相關的電流傳感器和與單獨電源的脈沖寬度調制器相關的電路，以在線圈中的電流超過給定值時至少保持開關之一一段時間為非導電。這指的是結合在標準寬度調制器芯片中的反鐵心飽和電路，用于防止輸出焊接站中的過電流。
根據本發明的另一方面，該新型電弧焊機和串聯和／或并聯焊機如管道焊機一起使用。
本發明的首要目的在于提供一種電弧焊機，該電弧焊機通過組合多個單獨小電源而產生高焊接電流，迫使電源所分配的電流相等。
本發明的另一目的是提供一種電弧焊機，如上所述，該電弧焊機結合多個并聯電源，獲得在電源之間分配的極好靜態和動態電流。
本發明的進一步目的是提供一種電弧焊機，如上所述，該電弧焊機使用單電流指令信號以及單獨誤差放大器和反饋電路，以模擬或數字形式，用于控制每個單獨電源，以準確分配電弧焊機的電流需要量。
下面結合附圖進行說明會使上述和其他目的和優點更顯而易見。
圖1是顯示本發明最佳實施例的組合的接線圖和方框圖；圖1A是顯示稍有改變的電弧焊機的焊接站的視圖；圖2顯示當焊機使用兩個以上電源時的本發明最佳實施例的簡化接線圖；圖3是顯示由根據本發明構成的一個兩電源電弧焊機提供的D．C電流的視圖；圖4是類似于圖3的顯示有電流分配缺陷的現有技術的視圖；圖5是顯示在圖1中采用的單獨電源的脈沖寬度調制器芯片的反鐵芯飽和電路的部分方框圖；圖6是顯示用于管道焊接的本發明的多個電極串聯和并聯布置的方框圖；圖7是圖5所示的采用本發明的并聯電極和串聯電極的部分橫剖面放大視圖。
現在參照附圖，目的只是顯示本發明最佳實施例而不是為了對其進行限定，圖1顯示了向開關型焊接站12供應焊接電流Ia的電弧焊機10，該開關型焊接站12具有使焊接電流通過電極14和工件16的晶體管型開關Q1、Q2。由要焊接在一起的管段的兩端或管機的延長縫形成接縫。電弧焊機具有多個變換器型電源，在圖1中顯示了其中兩個，即電源PSA和電源PSB。電源PSA是受讓人林肯電氣公司使用的獨特電源，其實現了在焊接站12輸入端提供D．C電流的本發明。電源PSA包括開關型的變換器20，其具有標準高頻開關網，用于由來自整流器24的能量從輸出級22供應D．C電流，整流器24由標準三相線電壓L1、L2和L3饋電。輸出級22產生通過焊接站12的輸入端30、32的D．C電流。輸出級22具有變壓器40，變壓器40包括初級線圈44和具有接地中心接頭46的次極線圈44。整流器級50包括二極管52、54、56和58，其極性如圖1所示，根據工作在高頻的標準脈沖寬度調制器70的輸入線60上的脈沖信號產生通過端30、32的D．C電流。該高頻大于18kHz并由振蕩器72對其進行控制。實際上采用數字形式。這樣，模擬的輸入端74設有D／A轉換器76。線60上的脈沖控制端30、32上的輸出D．C電流，由線80中的主電流信號的電壓確定該電流水平。因此，線80上的電壓量決定了由電源PSA施加到焊接站12的輸入端30、32的D．C電流。根據本發明，線80中的主電流信號由控制器100產生，該控制器是數字控制電路。因此，必須對傳給控制器100的模擬信號進行轉換。最好由數字表示線80上的電壓。該數字形式實現了低噪聲傳輸。控制器100具有標準指令輸入信號，可以將其模擬顯示成電位計102的輸出，以控制線104上的電壓。由控制器100利用該模擬指令信號以確定焊接站12的輸出操作。在控制器100將該模擬電壓轉換成數字信號。在本發明最佳實施例中，指令信號是指向控制器100的線110上的數字信號。某些標準反饋電路采用了焊接電流傳感器120，圖示的是一種分路器，用于提供代表線122中的弧電流的電壓。將該模擬信號傳給控制器100，在控制器100中將模擬信號轉換成數字信號，以便根據標準軟件進行處理。一種數字實現的誤差放大器型電路150接收由線104或線110上的信號控制的指令信號，以便形成連接到誤差放大器150的第一輸入線152上的附加值。其它輸入154是來自轉換器156的數字信號，在該轉換器156中將線122中的模擬表示轉換成數字量。根據由誤差放大器150圖示的標準技術處理線152、154中的兩數字量，以產生主電流信號，該主電流信號是線80中的數字量。焊接站12包括晶體管型開關Q1、Q2，如IGBT，該開關在導電和非導電狀態之間切換。選擇開關的大小，使其適應總焊接電流。由PSA的控制器100產生線170、172上的門邏輯。在這里參考的順序號為233235的在先申請中給出了該結構類型。控制器還產生線180上的同步輸出，用于配合標準設計或采用如圖6所示的本發明的單獨焊機的數量。通過采用單控制器100的軟件，可以降低開關電流特征。
如上所述，作為“主”電源的電源PSA根據線80中的主電流信號向端30、32提供D．C電流。本發明采用多個電源，包括至少一顯示為PSB的副電源。該副電源除了沒有單獨控制器100或單獨反饋電路外與主電源PSA基本相同。因此，PSB包括標準開關型轉換器200，其與變換器20類似，轉換器200具有一與變換器20的輸出級22基本相同的輸出級202。線204、206中的D．C電流平行流到焊接站12的輸入端30、32，使來自PSA的電流和來自PSB的電流合并以提供焊接站的輸入電流。象電源PSA中一樣，電源PSB包括以輸入線212上的脈沖控制工作在高頻的脈沖寬度調制器220的方式由三相線電壓L1、L2和L3饋電的整流器210，由振蕩器222的頻率控制該高頻超過18kHz。線80上的由轉換器224轉換成模擬信號形成的主電流數字信號的電壓控制流過線204和206的輸出電流。本發明在電弧焊機10中采用兩個以上電源。這樣，圖中將傳遞主電流信號的線80延伸了。該線用于控制第三電源PSC，如圖2所示。第三電源在并聯到輸入端30、32的線230、232中產生其自電流。在操作中，由線104或110上的指令信號控制焊接站12。數字反饋電路將由線154表示的數字形式的檢測弧電流與線152上的數字信號比較，從而產生由線80表示的數字主電流信號。當然，圖1上的“線”代表數字數據的軟件處理。主電流信號代表所要求的電流和實際輸出電流之間的差。該信號一般是電弧焊機10中的電源裝置數的倒數。如圖1所示，主電流信號是請求每個電源提供一半所要求電流的信號。因此，每個電源會提供相同的電流量，電流加在提供所要求焊接電流的端30、32。焊機10具有極好的靜態和動態電流分配能力，可以組合大量具有小電流額定值的電源以產生電弧焊機10所需的高輸出電流。弧焊機10的操作顯示在圖3中，其中曲線300是總弧焊接電流，其50％來自由曲線302表示的電源PSA，50％來自由曲線304表示的電源PSB。通過使用由線80表示的控制構成焊機的所有電源的單數字主電流信號，使每個電源產生組成總電流的相等電流分量。單反饋電路調整該電流水平。可以組合小電源以形成具有超過2000-3000安培的輸出電流的焊機。在現有技術中，如圖4所示，由具有其自指令信號、控制器100和反饋電路的并聯電源輸出的電流形成曲線310和312，該電流不是相等的電流分量。
圖1A顯示稍有改變的電弧焊機10的焊接站12。雖然該焊接站不是本發明的一部分，但是顯示了一種改變的焊接站12a。在該焊接站中，晶體管型開關Q1、Q2向包括一系列扼流圈174a而不是用于最佳實施例的中心引線扼流圈174的輸出電路提供焊接電流Ia。焊接站的這兩個實施例采用多個電源，如PBSA、PBSB、PBSC等。
在本發明的最佳實施例中，每個電源具有一個電路以防止過電流，特別是在起動時。顯示了電源PSA中使用的用于電源的電路。實際上，所有電源使用相同的電路。脈沖寬度調制器70具有由端AS上的電壓水平激勵的標準反鐵芯飽和電路。輸出變壓器40具有檢測由方框322所表示的初級線圈電流Ip的電流轉換器320。線324上的電壓具有表示初級線圈電流的電壓。當線324上的電壓升高并超過一定電壓水平時，在PWM芯片中的反鐵芯飽和電路阻止轉換器20中的一個開關或FET的操作，從而降低初級線圈42上的輸出電流。這樣，根據標準操作，限制了電源的輸出電流，從而防止過電流操作。
如圖6和7所示，本發明具有實際通用性，并能用于多種需要高焊接電流的應用。圖6和7顯示了兩個均根據本發明構成的單獨電弧焊機10和10a。焊機10b是只具有主電源的標準焊機。焊機10、10a和10b用于管道焊接，其中三個電極14、330和332沿組成工件16的板340、342之間的間隙移動。顯示的電極成并聯以及串聯，并由托架350抓持進行單位移動，托架350由虛線結構表示。三個電極由托架350抓持在一起，在板340、342之間的接縫內在箭頭a所指的方向上移動。所示的三個電極由三個單獨的電弧焊機10、10a和10b控制以進行單位焊接操作。當然，單個電極、并聯電極和／或兩個或多個電極的串聯布置可以用于單獨的電弧焊機。當電極采用單獨焊機時，焊接站12工作在具有圖6中360、362所指的調整相位的不同頻率或相同頻率。每個焊機10、10a和10b包括其自控制器100、100a和100b，控制器控制線170、172上的門邏輯信號的頻率。同步信號180通過控制器100a和100b控制輸出電流脈沖的起始位置。通過相位調節360、362調整焊機10和10b的相位或偏移。在這種方式下，晶體管型開關Q1、Q2的低頻切換使所有焊機處于不同相位。這防止了流入電極的電流之間的干擾。根據本發明，可以獲得實施例的各種變形，如選擇由單個主電流信號驅動的電源的數量和焊接站和電極布置的類型。可以對其進行模擬或數字操作。
該處理形式是數字的，但是可以是模擬的。實際上，PWM芯片70、220是模擬的。可以在本發明以后的改進型中將其數字化。
權利要求
1．一種電弧焊機，其包括多個產生給定強度的D．C電流的電源，所述給定強度的D．C電流由可調的指令信號控制，由具有D．C輸入電流和輸出，該輸出使電弧焊接電流在電極和工件之間通過，以及弧電流傳感器的焊接站所使用，所述多個電源包括第一主電源和誤差放大器，所述第一主電源包括第一高速開關型變換器，所述變換器具有輸出變壓器和輸出整流器，以產生第一D．C電流，該第一D．C電流具有由主電流信號和第一脈沖寬度調制器確定的強度，所述第一脈沖寬度調制器工作在高頻并具有接通所述主電流信號的電流控制電壓輸入，所述誤差放大器用于通過比較所述指令信號和所述檢測弧電流而產生主電流信號，所述多個電源還包括第一副電源，所述第一副電源包括第二高速開關型變換器，所述變換器具有輸出變壓器和輸出整流器，以產生第二D．C電流，所述第二D．C電流具有由所述主電流信號和第二脈沖寬度調制器確定的強度，所述第二脈沖寬度調制器工作在高頻并具有接通所述主電源的主電流信號的電流控制電壓，由此使所述第一D．C電流和第二D．C電流合并，從而形成至少一部分所述輸入電流。
2．如權利要求1所述的電弧焊機，其中所述多個電源包括至少一第二副電源，所述副電源包括第三高速開關型變換器，所述變換器具有輸出變壓器和輸出整流器，以產生第三D．C電流，該第三D．C電流具有由所述主電流信號和第一脈沖寬度調制器確定的強度，所述調制器工作在高頻并具有接通所述主電源的主電流信號的電流控制電壓輸入，由此使所述第一、第二和第三D．C電流合并，從而形成至少一部分所述D．C輸入電流。
3．如權利要求2所述的電弧焊機，其中所述焊接電流是A．C電流。
4．如權利要求1所述的電弧焊機，其中所述焊接電流是A．C電流。
5．如權利要求4所述的電弧焊機，其中所述高頻至少大約為18kHz。
6．如權利要求2所述的電弧焊機，其中所述高頻至少大約為18kHz。
7．如權利要求1所述的電弧焊機，其中所述高頻至少大約為18kHz。
8．如權利要求7所述的電弧焊機，其中所述焊接站包括通過控制線上的門邏輯在導電和非導電狀態之間切換的第一和第二晶體管型開關。
9．如權利要求8所述的電弧焊機，該焊機包括只在所述弧電流低于給定值時從導電狀態向非導電狀態切換所述開關的裝置。
10．如權利要求9所述的電弧焊機，其中所述給定值大約為100-150安培。
11．如權利要求4所述的電弧焊機，其中所述焊接站包括通過控制線上的門邏輯在導電和非導電狀態之間切換的第一和第二晶體管型開關。
12．如權利要求11所述的電弧焊機，該焊機包括只在所述弧電流低于給定值時從導電狀態向非導電狀態切換所述開關的裝置。
13．如權利要求10所述的電弧焊機，其中所述給定值大約為100-150安培。
14．如權利要求1所述的電弧焊機，其中所述焊接站包括通過控制線上的門邏輯在導電和非導電狀態之間切換的第一和第二晶體管型開關。
15．如權利要求14所述的電弧焊機，該焊機包括只在所述弧電流低于給定值時從導電狀態向非導電狀態切換所述開關的裝置。
16．如權利要求15所述的電弧焊機，其中所述給定值大約為100-150安培。
17．如權利要求14所述的電弧焊機，其中在所述電源中的所述輸出變壓器包括線圈、與所述線圈相聯的電流傳感器和與所述電源的脈沖寬度調制器相連的電路，當所述線圈中的所述電流超過給定值時該電路使至少所述開關之一保持非導電一段時間。
18．如權利要求11所述的電弧焊機，其中在所述電源中的所述輸出變壓器包括線圈、與所述線圈相聯的電流傳感器和與所述電源的脈沖寬度調制器相連的電路，當所述線圈中的所述電流超過給定值時該電路使至少所述開關之一保持非導電一段時間。
19．如權利要求18述的電弧焊機，其中在所述電源中的所述輸出變壓器包括線圈、與所述線圈相聯的電流傳感器和與所述電源的脈沖寬度調制器相連的電路，當所述線圈中的所述電流超過給定值時該電路使至少所述開關之一保持非導電一段時間。
20．如權利要求19所述的電弧焊機，其中所述電極是串聯和／或并聯焊機中的多個電極之一。
21．如權利要求20所述的電弧焊機，其中所述焊機是管道焊機。
22．如權利要求10所述的電弧焊機，其中所述電極是串聯和／或并聯焊機中的多個電極之一。
23．如權利要求22所述的電弧焊機，其中所述焊機是管道焊機。
24．如權利要求9所述的電弧焊機，其中所述電極是串聯和／或并聯焊機中的多個電極之一。
25．如權利要求24所述的電弧焊機，其中所述焊機是管道焊機。
26．如權利要求8所述的電弧焊機，其中所述電極是串聯和／或并聯焊機中的多個電極之一。
27．如權利要261所述的電弧焊機，其中所述焊機是管道焊機。
28．如權利要求1所述的電弧焊機，其中所述電極是串聯和／或并聯焊機中的多個電極之一。
29．如權利要求28所述的電弧焊機，其中所述焊機是管道焊機。
30．一種用于根據可調的指令信號控制多個電源的電路，每個電源由指向脈沖寬度調制器輸入端的電壓操作并連接到共用焊接站，該焊接站具有D．C輸入電流和輸出，該輸出使弧焊接電流在電極和工件之間通過，以及弧電流傳感器，所述電路包括誤差放大器和分配電路，所述誤差放大器用于通過比較指令信號和所述檢測的弧電流而產生主電流電壓，所述分配電路將所述主電流電壓信號傳遞到所述電源的脈沖寬度調制器的輸入端，由此，每個所述電源向所述共用焊接站提供與所述多個電源數量成反比的成比例的D．C電流。
31．如權利要求30所述的電弧焊機，其中所述焊接電流是A．C電流。
32．如權利要求30所述的電弧焊機，其中所述焊接站包括通過控制線上的門邏輯在導電和非導電狀態之間切換的第一和第二晶體管型開關。
33．如權利要求32所述的電弧焊機，該焊機包括只在所述弧電流低于給定值時從導電狀態向非導電狀態切換所述開關的裝置。
34．如權利要求33所述的電弧焊機，其中所述給定值大約為100-150安培。
35．如權利要求30所述的電弧焊機，其中所述電極是串聯和／或并聯焊機中的多個電極中的一個。
36．如權利要求35所述的電弧焊機，其中所述焊機是管道焊接。
37．一種電弧焊機，包括連接到單個焊接站的多個電源，該焊接站具有D．C輸入，用于使弧焊接電流通過電極和工件，每個所述電源包括開關型變換器，該變換器具有由加在所述電源的輸入端的信號確定的輸出D．C電流；一電路，在所述焊接站的輸入端與輸出D．C電流并聯；一反饋電路，包括用于產生表示所述弧電流的電流信號的傳感器；一指令信號源；一電路，用于根據所述檢測的電流信號和所述指令信號產生主電流信號；一電路，將所述主電流信號應用于所述多個電源的輸入端，使所述焊接站的所述D．C輸入端的D．C電流由所述電源平均供給。
全文摘要
一種電弧焊機,包括連接到具有D.C輸入的單個焊接站的多個電源,每個所述電源包括開關型變換器;一電路,在所述焊接站的輸入端與輸出D.C電流并聯;一反饋電路,包括用于產生表示所述弧電流的電流信號的傳感器;一指令信號源;一電路,用于根據所述檢測的電流信號和所述指令信號產生主電流信號;一電路,將所述主電流信號應用于所述多個電源的輸入端,使所述焊接站的所述D.C輸入端的D.C電流由所述電源平均供給。
文檔編號B23K9/073GK1292314SQ00124959
公開日2001年4月25日 申請日期2000年9月27日 優先權日1999年9月27日
發明者埃里奧特·K·斯特瓦 申請人:林肯環球公司