金属加工电源转换器系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明总体上涉及焊接系统以及用于执行金属加工操作(例如，气体保护金属极弧焊(GMAW))的系统的领域。更具体地讲，本公开涉及对在这些系统中使用的电源和转换电路的控制的创新。
[0002]许多应用存在用于使两个或更多个工件彼此连接或切割工件的焊接及切割系统。这些应用不仅存在于整个工业中，而且用于建筑、造船、维修等。在弧焊系统中，电力转换成可用于焊接过程的形式，并且电力提供在电极与工件之间建立并维持电弧所需的电压和电流。等离子切割和类似操作也要求适用于特定过程的经调整处理的电力。在气体保护金属极弧焊(GMAW)中，在朝着工件推进的电极与工件本身之间建立电弧。在操作期间，随着熔池推进，电极由于添加到焊缝中而被消耗。
[0003]在焊接及切割电源中，电力电子电路通常被切换为开启和关闭以控制用于此过程所需的电力输出。这种切换通常由施加到电源内的转换电路的电力电子开关的栅极的脉宽调制(PWM)信号执行。常规的系统利用此转换电路中的单个逆变器和电感器来平滑输出波形。然而，这种系统中的电感器可能非常大，从而意味着额外的成本和重量。对这些系统的改进包括使用两个或更多个逆变器或转换器，这些逆变器或转换器被切换以提供所需输出。输出电流的波纹振幅由此减小，因此减小了输出电感器的大小。
[0004]这种系统中存在的一个问题是独立受控的逆变电路可能在操作期间变得失去平衡。结果可能是两个逆变器的占空比的“游走”偏差，其中一个逆变器趋于逐渐承担大部分负载，从而引起热失衡，进而破坏通过使用多个逆变器所获得的益处。此外，电流系统可能没有考虑电力转换器中的变压器电路的磁动态。由于对变压器的磁化和退磁的通常假设，当50%的PWM占空比被当作单极或单端逆变电路的每个的极限时，获得小于全部潜在的电力输出。
[0005]因此本领域中需要能够允许避免例如上述缺陷的改进。
【发明内容】
[0006]本公开阐述了可以在焊接及类似电源中实施的并且被设计成回应这些需求的某些方案。根据本公开的某些方面，一种焊接或切割电源系统包括:转换电路，其包括第一和第二固态开关电路，每个固态开关电路具有用于产生在可控值的适于焊接或切割操作的输出功率的两个电力电子开关，所述第一和第二固态开关电路并联地电耦接以提供结合的输出。输出电感耦接至所述第一和第二固态开关电路二者的输出。控制电路耦接至所述第一和第二固态开关电路并且被配置成提供PWM控制信号，所述PWM控制信号用于控制所述开关电路的电力电子开关的状态以独立于所述输出电力的水平来维持所述开关电路的所需负载。对于所述开关电路的每个周期，所述控制电路被配置成基于所需的占空比在所述第一开关电路上施加PWM控制信号，确定施加在所述第一开关电路上的所述PWM控制信号的持续时间，以及基于所确定的持续时间在所述第二转换器上施加PWM控制信号而无需重新确定所述第二开关电路的占空比。
[0007]根据其他方面，一种焊接或切割系统包括:电源，包括第一和第二固态开关电路，每个固态开关电路具有用于产生在可控值的适于焊接或切割操作的输出功率的两个电子电子开关，所述第一和第二固态开关电路并联地电耦接；输出电感器，耦接至所述第一和第二固态开关电路二者的输出。控制电路耦接至所述第一和第二固态开关电路并且被配置成基于所需的占空比确定所述第一开关电路的PWM控制信号，确定所述第一开关电路的所述PWM控制信号的持续时间，以及基于所确定的持续时间确定施加在所述第二转换器上的PWM控制信号而无需重新确定所述第二开关电路的占空比。
[0008]根据又一方面，一种焊接或切割方法，包括:在电力转换器的第一开关电路上施加PWM控制信号，所述电力转换器包括以交错开关模式工作的至少两个开关电路，第一开关电路的控制信号基于所需的占空比以产生焊接或切割输出，以及确定施加在所述第一开关电路上的所述PWM控制信号的持续时间。在所述电力转换器的第二开关电路上施加PWM控制信号一持续时间，该持续时间基于所确定的PWM的持续时间。
【附图说明】
[0009]当结合附图阅读以下详细说明时，会更好地明白本发明的这些和其他特征、方面和优点，其中在整个附图中相同的标记代表相同的部件，其中:
[0010]图1是根据本公开的并入了电力转换电路的示例性GMAW焊接系统的图示；
[0011]图2是电力转换电路的示例性部件的图示；
[0012]图3是利用本公开的方面的当前设想的双重两开关电力转换器的电气原理图；
[0013]图4是图示了用于给图3的电路的两个转换器提供控制信号的示例性逻辑的流程图；
[0014]图5至图10是示例根据本技术的两个转换器的控制的示例性控制及输出波形的图示；
[0015]图11至图14是用于更充分利用电路的能力的开关控制信号的图示；以及
[0016]图15至图19是通过使用图11至图14描绘的控制方案可获得的类型的示例性电压和电流波形的概略图示。
【具体实施方式】
[0017]图1图示了 GMAW系统(特别是MIG焊接系统)形式的示例性焊接系统10。在此示例性系统中，电源12接收并转换施加在送丝机14上的电力。送丝机将电力输送到焊炬16以完成焊接操作。尽管本公开使用此GMAW电源作为说明新电路和控制技术的示例性基础，但是应当理解的是，同样的教导可以应用于其他焊接过程以及其他金属加工过程(例如，等离子切割)中使用的电源。
[0018]电源12接收来自任何合适来源(例如电网、发动机发电机组、混合电源、燃料电池、电池或它们的组合)的输入电力18。电力转换电路20将电力转换成适于焊接(或其他金属加工)过程的形式。电源可以被设计成执行可以由操作员选择的多种不同的焊接过程，并且电力转换电路包括允许依照所需过程进行电力转换的部件，例如，以下讨论的固态开关。在选定的过程期间，控制及处理电路22耦接至电力转换电路20并且控制电力转换电路的操作。例如，也如以下所讨论的，控制及处理电路22可以提供调节电力转换电路内的固态开关的导通状态的信号以产生所需的输出电力。在许多应用中，控制及处理电路将包括具有相关联的存储器的一个或多个数字处理器或微处理器以存储并执行电源上可用的过程。这些过程可以包括恒压(CV)过程、恒流(CC)过程、脉冲过程、切割过程等。可以经由耦接至控制及处理电路22的操作员界面24选择过程及其他焊接参数。电源可以进一步包括允许与远程的或联网的部件和系统通信的电路(在图1中图示为数据/网络接口26)。这种电路可以允许监测焊接操作、记录焊接数据、下载或配置新过程、更新过程等等。最后，电源有时候包括可用于存储过程、过程参数、系统更新和任何合适的数据的可移除存储器28。
[0019]电力和数据可以经由一个或多个电缆或电缆束30从电源