金屬加工電源轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)和方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明總體上涉及焊接系統(tǒng)以及用于執(zhí)行金屬加工操作(例如，氣體保護(hù)金屬極弧焊(GMAW))的系統(tǒng)的領(lǐng)域。更具體地講，本公開涉及對在這些系統(tǒng)中使用的電源和轉(zhuǎn)換電路的控制的創(chuàng)新。
[0002]許多應(yīng)用存在用于使兩個或更多個工件彼此連接或切割工件的焊接及切割系統(tǒng)。這些應(yīng)用不僅存在于整個工業(yè)中，而且用于建筑、造船、維修等。在弧焊系統(tǒng)中，電力轉(zhuǎn)換成可用于焊接過程的形式，并且電力提供在電極與工件之間建立并維持電弧所需的電壓和電流。等離子切割和類似操作也要求適用于特定過程的經(jīng)調(diào)整處理的電力。在氣體保護(hù)金屬極弧焊(GMAW)中，在朝著工件推進(jìn)的電極與工件本身之間建立電弧。在操作期間，隨著熔池推進(jìn)，電極由于添加到焊縫中而被消耗。
[0003]在焊接及切割電源中，電力電子電路通常被切換為開啟和關(guān)閉以控制用于此過程所需的電力輸出。這種切換通常由施加到電源內(nèi)的轉(zhuǎn)換電路的電力電子開關(guān)的柵極的脈寬調(diào)制(PWM)信號執(zhí)行。常規(guī)的系統(tǒng)利用此轉(zhuǎn)換電路中的單個逆變器和電感器來平滑輸出波形。然而，這種系統(tǒng)中的電感器可能非常大，從而意味著額外的成本和重量。對這些系統(tǒng)的改進(jìn)包括使用兩個或更多個逆變器或轉(zhuǎn)換器，這些逆變器或轉(zhuǎn)換器被切換以提供所需輸出。輸出電流的波紋振幅由此減小，因此減小了輸出電感器的大小。
[0004]這種系統(tǒng)中存在的一個問題是獨立受控的逆變電路可能在操作期間變得失去平衡。結(jié)果可能是兩個逆變器的占空比的“游走”偏差，其中一個逆變器趨于逐漸承擔(dān)大部分負(fù)載，從而引起熱失衡，進(jìn)而破壞通過使用多個逆變器所獲得的益處。此外，電流系統(tǒng)可能沒有考慮電力轉(zhuǎn)換器中的變壓器電路的磁動態(tài)。由于對變壓器的磁化和退磁的通常假設(shè)，當(dāng)50%的PWM占空比被當(dāng)作單極或單端逆變電路的每個的極限時，獲得小于全部潛在的電力輸出。
[0005]因此本領(lǐng)域中需要能夠允許避免例如上述缺陷的改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開闡述了可以在焊接及類似電源中實施的并且被設(shè)計成回應(yīng)這些需求的某些方案。根據(jù)本公開的某些方面，一種焊接或切割電源系統(tǒng)包括:轉(zhuǎn)換電路，其包括第一和第二固態(tài)開關(guān)電路，每個固態(tài)開關(guān)電路具有用于產(chǎn)生在可控值的適于焊接或切割操作的輸出功率的兩個電力電子開關(guān)，所述第一和第二固態(tài)開關(guān)電路并聯(lián)地電耦接以提供結(jié)合的輸出。輸出電感耦接至所述第一和第二固態(tài)開關(guān)電路二者的輸出?？刂齐娐否罱又了龅谝缓偷诙虘B(tài)開關(guān)電路并且被配置成提供PWM控制信號，所述PWM控制信號用于控制所述開關(guān)電路的電力電子開關(guān)的狀態(tài)以獨立于所述輸出電力的水平來維持所述開關(guān)電路的所需負(fù)載。對于所述開關(guān)電路的每個周期，所述控制電路被配置成基于所需的占空比在所述第一開關(guān)電路上施加PWM控制信號，確定施加在所述第一開關(guān)電路上的所述PWM控制信號的持續(xù)時間，以及基于所確定的持續(xù)時間在所述第二轉(zhuǎn)換器上施加PWM控制信號而無需重新確定所述第二開關(guān)電路的占空比。
[0007]根據(jù)其他方面，一種焊接或切割系統(tǒng)包括:電源，包括第一和第二固態(tài)開關(guān)電路，每個固態(tài)開關(guān)電路具有用于產(chǎn)生在可控值的適于焊接或切割操作的輸出功率的兩個電子電子開關(guān)，所述第一和第二固態(tài)開關(guān)電路并聯(lián)地電耦接；輸出電感器，耦接至所述第一和第二固態(tài)開關(guān)電路二者的輸出。控制電路耦接至所述第一和第二固態(tài)開關(guān)電路并且被配置成基于所需的占空比確定所述第一開關(guān)電路的PWM控制信號，確定所述第一開關(guān)電路的所述PWM控制信號的持續(xù)時間，以及基于所確定的持續(xù)時間確定施加在所述第二轉(zhuǎn)換器上的PWM控制信號而無需重新確定所述第二開關(guān)電路的占空比。
[0008]根據(jù)又一方面，一種焊接或切割方法，包括:在電力轉(zhuǎn)換器的第一開關(guān)電路上施加PWM控制信號，所述電力轉(zhuǎn)換器包括以交錯開關(guān)模式工作的至少兩個開關(guān)電路，第一開關(guān)電路的控制信號基于所需的占空比以產(chǎn)生焊接或切割輸出，以及確定施加在所述第一開關(guān)電路上的所述PWM控制信號的持續(xù)時間。在所述電力轉(zhuǎn)換器的第二開關(guān)電路上施加PWM控制信號一持續(xù)時間，該持續(xù)時間基于所確定的PWM的持續(xù)時間。
【附圖說明】
[0009]當(dāng)結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)說明時，會更好地明白本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)點，其中在整個附圖中相同的標(biāo)記代表相同的部件，其中:
[0010]圖1是根據(jù)本公開的并入了電力轉(zhuǎn)換電路的示例性GMAW焊接系統(tǒng)的圖示；
[0011]圖2是電力轉(zhuǎn)換電路的示例性部件的圖示；
[0012]圖3是利用本公開的方面的當(dāng)前設(shè)想的雙重兩開關(guān)電力轉(zhuǎn)換器的電氣原理圖；
[0013]圖4是圖示了用于給圖3的電路的兩個轉(zhuǎn)換器提供控制信號的示例性邏輯的流程圖；
[0014]圖5至圖10是示例根據(jù)本技術(shù)的兩個轉(zhuǎn)換器的控制的示例性控制及輸出波形的圖示；
[0015]圖11至圖14是用于更充分利用電路的能力的開關(guān)控制信號的圖示；以及
[0016]圖15至圖19是通過使用圖11至圖14描繪的控制方案可獲得的類型的示例性電壓和電流波形的概略圖示。
【具體實施方式】
[0017]圖1圖示了 GMAW系統(tǒng)(特別是MIG焊接系統(tǒng))形式的示例性焊接系統(tǒng)10。在此示例性系統(tǒng)中，電源12接收并轉(zhuǎn)換施加在送絲機(jī)14上的電力。送絲機(jī)將電力輸送到焊炬16以完成焊接操作。盡管本公開使用此GMAW電源作為說明新電路和控制技術(shù)的示例性基礎(chǔ)，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，同樣的教導(dǎo)可以應(yīng)用于其他焊接過程以及其他金屬加工過程(例如，等離子切割)中使用的電源。
[0018]電源12接收來自任何合適來源(例如電網(wǎng)、發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組、混合電源、燃料電池、電池或它們的組合)的輸入電力18。電力轉(zhuǎn)換電路20將電力轉(zhuǎn)換成適于焊接(或其他金屬加工)過程的形式。電源可以被設(shè)計成執(zhí)行可以由操作員選擇的多種不同的焊接過程，并且電力轉(zhuǎn)換電路包括允許依照所需過程進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換的部件，例如，以下討論的固態(tài)開關(guān)。在選定的過程期間，控制及處理電路22耦接至電力轉(zhuǎn)換電路20并且控制電力轉(zhuǎn)換電路的操作。例如，也如以下所討論的，控制及處理電路22可以提供調(diào)節(jié)電力轉(zhuǎn)換電路內(nèi)的固態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)的信號以產(chǎn)生所需的輸出電力。在許多應(yīng)用中，控制及處理電路將包括具有相關(guān)聯(lián)的存儲器的一個或多個數(shù)字處理器或微處理器以存儲并執(zhí)行電源上可用的過程。這些過程可以包括恒壓(CV)過程、恒流(CC)過程、脈沖過程、切割過程等?？梢越?jīng)由耦接至控制及處理電路22的操作員界面24選擇過程及其他焊接參數(shù)。電源可以進(jìn)一步包括允許與遠(yuǎn)程的或聯(lián)網(wǎng)的部件和系統(tǒng)通信的電路(在圖1中圖示為數(shù)據(jù)/網(wǎng)絡(luò)接口26)。這種電路可以允許監(jiān)測焊接操作、記錄焊接數(shù)據(jù)、下載或配置新過程、更新過程等等。最后，電源有時候包括可用于存儲過程、過程參數(shù)、系統(tǒng)更新和任何合適的數(shù)據(jù)的可移除存儲器28。
[0019]電力和數(shù)據(jù)可以經(jīng)由一個或多個電纜或電纜束30從電源