CN100381242C - 单一功率因数电弧焊机的发电机 - Google Patents

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Abstract

一种单一功率因数电弧电焊机的发电机，包括在其次级绕组上提供电弧电焊机电流的电流变压器，并且所述变压器通过在初级绕组上设置输入校平和整流单元供电，在所述整流单元和所述变压器间设置了具有两个电子开关的电路(103)，所述电路提供半桥结构，通过合并变压器级和连接到所述变压器的次级绕组的整流器级(105)、以及一个校平电感(106)，执行DC/DC转换，所述电路合并了设置在变压器初级绕组侧面的谐振电容器和电感元件，所述元件为设置在电子开关下游的一组电容器充电，还保持在其两端的电压恒定，也提供了适合控制绕组电流并确保从电力网正弦型吸收的装置。

Description

单一功率因数电弧焊机的发电机
技术领域
本发明涉及电焊机的发电机。
背景技术
在图1中示出了根据现有技术的带有电子控制和电源电路的电焊机典型示意图。
该设计提供了整流级1，随后是一组依靠带有高频电子开关的逆变器方块为电源变压器供电的校平电容器2。
在变压器4的次级绕组后面是整流器5，随后是校平在电弧电焊机7中循环的输出电流的电感器6。
在工作中，图示的这类焊机从电力网中吸收具有如图2所示波形的电流，如图所示，它有高的谐波含量。
在这种情况下，功率因数是低的，而为了在电弧上有高的输出功率，必需从电力网抽取高RMS(均方根)电流值。
吸取电流的高RMS因数和高谐波含量是严重的问题，特别当电源线不适合这类负载时尤为严重。
这种情况特别发生在普通耗电量规模的家庭环境中使用焊机。
在这种情况中，线路发热，变得危险。于是需要考虑从电弧和从执行焊接所可能会发生的相应结果，来限制由发电机输送的功率。
如果不这样做，那么甚至在输出有用功率比等效阻性负载的有用功率更低时，由发电机吸收的高强度RMS电流也将导致***热断电而安全跳闸。
这类电子设计的发电机对输入电源电压中的变化也是敏感的，尢其是当电压降低时。
这时，发电机的性能从而焊机的性能显著下降。
鉴于这些问题，已经开发出带有附加级的焊机发电机，使它对电源侧吸收尽可能正弦的电流。
在这种情况中，发电机等效于一个阻性负载，这使得可用所有有效功率。
附加级也使发电机自动适应电力网电压的变化，这样确保了焊机在其工作范围中的工作。
在图3中示出了附加级基本部件的典型示意图。
通过将该设计与图1的设计相比较，可注意到附加级11***在整流器方块12和校平电容器方块13之间。
这样的附加级11通常称作BOOST型PFC，并且包括电感器14，电子开关15，二极管16，如图3所示。
方块11通过采用适宜的设备17控制开关15，除了能够吸收如图4所示那样正弦输入电流之外，还能够在输入电压变化时保持电压值和校平电容器方块13的终端为恒定。
这样使在反相器方块18中使用的电源开关尺寸最优化。
在图5，6和7中示出了另一种已知的发电机。
在这种情况中，有一种单一输入整流级21，能够同时保证从电力网的正弦吸收和对输入电压波动的自动适应。
输入级21更详细地示于描述单相电源情况的图6和描述三相电源情况的图7中。
本发明申请人在专利WO 01/03874中更详细地描述了这些电路。
在这种情况中，发电机由图5示出的一系列模块组成，即输入整流级21，电容器校平级22，电子开关反相级23，电流变压器24，和用于电弧电焊机26的电源级25。
发电机的最重要部分位于输入整流器级21中，由图6和图7详细示出。
图6首先详细示出关于单相电源发电机的输入级21。
在这种电路结构中，电感器27直接连接到电力网输入端28。
在电感器后面是互相反向连接的两个二极管29和30，它们分别由电开关控制，并分别用标记31和32表示。
输出端33和34连接到校平电容器级22。
在如图7所示的三相电源情况中，有用于由标识35，36和37代表的各个相位的三个电感，它们直接连接到电力网38。
各个电感后面分别是二极管39，40和41，分别由用标记42，43，44表示的电子开关控制。
由于减少了所用功率元件，这个结构提高了整个***的效率。
所有示出的现有类型设备中的问题是需要使用两级结构，也就是，第一输入适配级(PFC)和提供焊机逆变器的第二转换级。
此外，有分别专用于输入适配级(PFC)和逆变器级的两个电子控制电路。
发明概述
本发明的目的是减少所需元件的数目，从而降低发电机的成本。
本发明下一个目的是提供能够集成和执行PFC级功能和逆变级功能的单一级。
另一个目的是减少所用功率元件数目。
又一个目的是减少所用控制元件数目。
还有一个目的是相对已知发电机提高发电机效率。
本发明的另一个目的是相对具有可比特性的发电机降低发电机的成本。
关于发电机的这些和其它的目的将在下面更为清晰，这类单一功率因数电弧电焊机的发电机，包括在其次级绕组上提供电弧电焊机电流的电流变压器，并且所述变压器通过在初级绕组上设置输入校平和整流单元供电，其特点是在所述整流单元和所述变压器单元间***一个电路，该电路具有两个电子开关，后者通过合并变压器和连接到所述变压器的次级绕组的整流级以及一个校平电感，提供执行DC/DC转换的半桥结构，所述电路结合了在变压器主要绕组侧面上设置的谐振电容和电感元件，这些元件为设置在电子开关下游的电容组充电并保持电压稳定，也提供了适于控制焊接电流，确保从电力网中正弦型吸收的装置。
附图简述
下面的较佳详细描述更清楚地体现了本发明的特性和优点，这些描述是结合附图的非限定性的例子，附图中：
图1-7示出上述的常规发电机的方框图和示意图；
图8是根据本发明的用于单相电源发电机的典型电路示意图；
图9是图8中电路的详细电路图；
图10是电子开关控制块的例子；
图11是图10的电子开关控制块的不同实施例示图。
执行本发明的方式
参考图8-11，本发明的方框图在图8中示出，包括连接到电源电力网102的可以是单相或三相的(后者用虚线示出)输入整流级101，提供带自动PFC 103的DC/DC转换级，后者为功率转换器104供电，在次级绕组中有次级整流级105，它通过***输出校平电感106为电弧电焊机107供电。
在图9中更详细地示出了图8中的方框图。
在清晰的示图中，如果电力网是单相的，则电源电力网接到终端R和S；如果电力网是三相的，则还接到终端T；并且如果电源是单相的，则用于为由四个二极管D1，D2，D3，D4构成的输入整流级；如果电源是三相的，则该级还再由两个二极管D5和D6构成。
整流级通过二极管DCL为存储能量的一组电容器CB供电。
两个快速电子开关S1和S2串联设置并与这组电容器CB并联以形成功率逆变电路，它们对各自逆变器电路的电流都有其自由循环二极管，电流S1有二极管D1A，电流S2有二极管D2A。
在输入整流级的输出端有电容器CR，它结合串联电感LR连接到电源变压器T的初级绕组第一终端。
电源变压器T的初级绕组并联了一个电容器CT，它与电感LR和电容器CR一起形成谐振电路。
这里的次级整流单元GR处于电源变压器T的次级绕组，并通过输出校平电感Lo为电弧电焊机A供电。
在变压器T的初级绕组的第二终端和电子开关S1和S2的串接中心设置一个阻挡串联谐振的DC分量的电容CDC。
电子开关S1和S2用于执行DC/DC转换的半桥结构，由电源变压器T、第二整流级GR和校平电感Lo，集成了由谐振元件CT、LR和CR执行的PFC功能，通过二极管DCL为一组电容器CB充电，并当输入电压变化时保持在其两端电压的恒定。
控制电路用于快速开关S1和S2，能够控制焊接电流，同时确保对电力网的正弦型吸收。
在图9中，控制块构成了控制电路，它处理与电容器CT两端电压值成正比的信号VCT，与电容器CR两端电压值成正比的信号VCR，与电感LR中电流值成正比的信号ILR，由输出电流参考值设定的信号IRIF，和与由控制电流反馈使用的电弧电焊机A上电流值成正比的信号IRIF。
这些数据的处理供驱动两个开关S1和S2之用。
图10和图11示出两种控制电路。
图10示出称为频控模式的控制电路。
这一电路将用户设置的输出电流参考值IRIF与信号IF(IF正比于流过负载的输出电流值)进行比较，用于电流控制中的反馈，得到IRIF-IF的误差信号E。
由产生信号I*的调节放大器AR处理误差信号E。
信号I*进入电压控制的振荡器模块VCO，后者当I*值改变时，改变其振荡频率从而改变开关S1和S2的开关频率。
模块VCO输出信号F，它是驱动脉冲宽度调制器模块PWM的开关频率。
调制器PWM根据信号F和VCR改变控制脉冲的持续时间，从而将误差信号调零或将输出电流调到设置值IRIF。
同样由模块PWM处理的信号ILR用于软切换模式开关(也即无损耗)，以提高转换器的效率。
由模块PWM输出的信号控制驱动开关S1和S2的两个电路DRV1和DRV2。
图11示出采用路径控制模式的控制电路。
在此电路中，将输出电流的参考电流IRIF和与流过用于电流控制反馈的负载的输出电流值成正比的IF进行比较。
这个处理产生信号E，它是电流控制的误差信号，是参考值与反馈值之差。
由放大器调节器AR处理这一信号，它产生由误差信号E启动的信号I*。
这些信号进入用控制逻辑模块表示的控制开关切换的控制逻辑。
控制逻辑处理信号I*，-I*和ST，信号ST来源于与流经LR的电流值成正比的处理信号ILR和与CT两端电压值成正比的VCT所产生的路径信号，其中，处理信号ILR由用AR ILR表示的用于电流ILR的过滤器放大器处理，用AR VCT表示的处理电压VCT的过滤器放大器；这些模块输出的信号相加并决定ST值。
从这些信号I*，-I*和ST启动控制逻辑决定电子开关的开关频率和所加脉冲长度，以使误差信号返回零并将输出电流调到设置电流IRIF。
信号ILR用于使开关处于软切换模式，(也就是没有损耗的模式，)以提高转换器的效率。
控制逻辑模块驱动分别由DRV1和DRV2表示的两个电路，后者分别控制开关S1和S2。
上述描述和示例显然说明，根据本发明的电路通过集成了开关的功能，相对现有技术方案减少了功率元件数目，从而显著地提高了发电机的效率，本发明中的发电机只用一级结构因此比多串级的结构更有效率。
另外，本发明采用单一控制结构，从而去除了PFC级的控制电路。
通过采用一系列谐振元件CT，LR和CR，从而取得软开关型的开关结构，于是进一步提高了发电机的效率。
综上所述，本发明已经取得了所需的发明目的；具体而言，本发明提供了用于电弧电焊机的发电机，它能够从AC电力网电源中实际地吸取正弦电流，并且能够不损耗性能地自动适应输入电压的变化，并将这两种功能集成在单一级中。
此外，显然电路元件的选择不限制本发明的范围。
在这里通过引用合并本发明据以要求优先权的意大利专利PD2001A000182的内容。

Claims (7)

1.一种单一功率因数电弧电焊机的发电机，包括在其次级绕组上提供电弧电焊机电流的电流变压器(104)，并且所述变压器通过在初级绕组上设置输入校平和整流单元供电(101)，其特征在于，在所述整流单元(101)和所述变压器(104)间设置了具有两个电子开关(S1、S2)的电路(103)，所述电路提供半桥结构，通过合并所述变压器(104)和连接到所述变压器(104)的次级绕组的次级整流器级(105)、以及一个校平电感(106)来执行DC/DC转换，所述电路(103)合并了设置在所述变压器(104)的初级绕组侧的谐振电容器(CT，CR)元件和电感LR元件，所述元件为设置在所述电子开关下游的一组电容器(CB)充电，还保持在其两端的电压恒定，所述电路也提供了适合控制焊机电流并确保从电力网正弦型吸收的装置(102)。
2.如权利要求1所述的电焊机发电机，其特征在于，具有一谐振电路，通过由输入整流单元(101)提供的电容器CR，在电容器CR和电源变压器(104)T的初级绕组的第一终端间串联的电感LR，以及在变压器(104)T的初级绕组上并联的电容器CT组成。
3.如权利要求1所述的电焊机发电机，其特征在于，在电源变压器(104)T的次级绕组处有通过输出校平电感(106)L。为电弧电焊机供电的次级整流单元GR。
4.如权利要求1所述的电焊机发电机，其特征在于，用二极管DCL的初级整流单元(101)为一组电容器CB供电，与电容器并联的是串联的提供用于DC/DC转换的半桥结构的两个电子开关S1和S2。
5.如权利要求1所述的电焊机发电机，其特征在于，所述控制装置使用和处理电容器CR两端的电压，电容器CT两端的电压，电感LR中的电流，设置参考电流IRIF和焊接电流IF，产生驱动两个电子开关S1和S2的开关频率。
6.如权利要求1或5所述的发电机，其特征在于，所述控制装置是称为频率控制的第一控制装置，包括确定设置电流参考值IRIF和正比于电弧电流IF的信号之差的方块，其产生的信号称为误差信号E，该信号由调节放大器AR和电压控制振荡器模块处理，并产生可变频率信号，它由脉冲宽度调制器处理，确定在开关S1和S2上的控制脉冲的频率和宽度。
7.如权利要求1或5所述的发电机，其特征在于，所述控制装置是称为路径控制的第二替换控制装置，包括产生设置参考电流IRIF和电弧电流IF之差的误差信号的模块，所述信号和由通过处理正比于流经电感LR的电流的信号和正比于电容CR两端电压值的信号而确定的信号一起，产生“路径”信号，所述信号由确定电子开关S1和S2的开关频率和持续时间的控制逻辑处理。
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