逆變器式發電機和焊接系統的制作方法

本發明總的來說涉及焊接系統，更具體地，涉及逆變器式焊接系統。

焊接是已在各種工業和應用中變得越來越普遍的工藝。因此，各種焊接應用(例如，建筑和造船)可能需要便攜式的并且可容易搬運到遠程的焊接位置的焊接應用。因此，在某些情況下，通常需要這些焊接裝置可作為遠離電網或其它主電源的獨立單元來操作。因此，已開發利用替代電源(例如，小型汽油發動機)的各種焊接系統。然而，某些焊接任務(例如，野外地或遠程地被執行以快速修復某個設備和/或其它機械裝置的焊接)例如，可能包含與其它較大焊接任務相比極小的負載需求。提供更緊湊且有效的便攜式焊接系統也許是很有用的。

技術實現要素：

在一個實施例中，一種系統包含：發動機，其被配置成驅動發電機以產生第一電力輸出；以及第一逆變器，其通信地耦接到發電機。第一逆變器被配置成將第一電力輸出轉換為第二電力輸出。所述系統包含通信地耦接到發電機的第二逆變器。第二逆變器被配置成將第一電力輸出轉換為第三電力輸出。第三電力輸出包含焊接電力輸出。

在第二實施例中，一種焊接電力供應單元包含：發動機，其被配置成驅動發電機以產生第一電力輸出；以及第一逆變器，其通信地耦接到發電機。第一逆變器被配置成將第一電力輸出轉換為第二電力輸出。焊接電力供應單元包含通信地耦接到發電機的第二逆變器。第二逆變器被配置成將第一電力輸出轉換為焊接電力輸出。焊接電力供應單元包含可拆卸地耦接到焊接電力供應單元并被配置成接收焊接電力輸出的焊炬。

在第三實施例中，一種焊接系統包含機殼。所述機殼包含：發動機，其被配置成驅動發電機以產生第一電力輸出；以及多個逆變器，其通信地耦接到發電機。多個逆變器被配置成將第一電力輸出同時地轉換為第二電力輸出和第三電力輸出。第三電力輸出包含焊接電力輸出。

附圖說明

當參照附圖閱讀以下具體實施方式時，本發明的這些和其它特征、方面和優點將變得更好理解，其中在全部附圖中，相同附圖標記表示相同部分，其中：

圖1是逆變器式電力供應單元的立體圖，所述逆變器式電力供應單元用于對焊接操作和/或輔助設備進行供電、控制以及提供消耗品；

圖2是根據本發明的實施例的包含焊接電路的圖1的逆變器式電力供應單元的示意圖；以及

圖3是圖示根據本發明的實施例的圖1的逆變器式電力供應單元的電力轉換技術和輸出的一系列曲線圖。

具體實施方式

本發明的實施例涉及逆變器式發電機和焊接系統。在某些實施例中，逆變器式發電機和焊接系統可用于允許系統相對容易地被四處移動，或可被設計為通常固定的系統。此外，逆變器式發電機和焊接系統可被設計成用于室外操作，在此情況下，逆變器式發電機和焊接系統可在機殼內包含發動機-發電機單元，該發動機-發電機單元為給定的焊接操作提供必要的電力。因此，逆變器式發電機和焊接系統可被設計成用于其中一個或更多個市電電源可能至少暫時不能接取的各種應用和位置(例如，遠程的位置、遠離典型工作區域或工作站的位置、野外位置等)中。此外，在某些實施例中，逆變器式發電機和焊接系統可被配置成作為獨立發電機、獨立焊接機或同時作為獨立發電機并作為獨立焊接機來操作。以此方式，逆變器式發電機和焊接系統可向操作員提供如下優點：具有用于輔助設備(例如，在露營地或其它野外工地的照明)的充足電力以及用于執行一個或更多個焊接操作(例如，在露營地或野外工地)的充足電力。

考慮到前述內容，在圖1中圖示發電機和焊接系統的實施例，例如，逆變器式發電機和焊接系統10。逆變器式焊接系統10可為焊接操作和/或輔助設備提供電力和控制。逆變器式焊接系統10可包含封裝在箱體或機殼14中的電力供應單元12。如上所述，在某些實施例中，逆變器式焊接系統10可用于使電力供應單元12能夠相對容易地被四處移動，或可被設計為通常固定的系統。此外，逆變器式焊接系統10可被設計成用于室外操作，在此情況下，逆變器式焊接系統10可在機殼14內包含例如發動機-發電機單元、燃料電池和蓄能裝置中的一個或更多個為給定的焊接操作或其它應用提供必要的電力。在某些實施例中，逆變器式焊接系統10可被設計成用于其中一個或更多個市電電源可能至少暫時不能接取的各種位置(例如，遠程的位置、遠離典型的工作區域或工作站的位置、野外位置等)中。因此，電力供應單元12可作為獨立單元來操作，從而在與附加的電源隔離時產生焊接操作和/或輔助操作所需的電力。

如圖1進一步示出，電力供應單元12可包含控制面板16，操作員可例如通過控制面板16經由刻度盤和開關18而控制焊接操作的機械操作特性，例如，功率、焊接輸出等。控制面板16還可包含分別用于輸出交流(AC)和/或直流(DC)輸出電力的輔助電力輸出插座20和焊接電力輸出連接器21。當操作員經由控制面板16來調整操作參數時，可產生信號并且該信號被可包含在電力供應單元12內的一個或更多個控制電路接收。電力供應單元12控制器可根據這些輸入來實施期望的焊接操作。例如，在一個實施例中，控制器可實施使用手工電弧焊(SMAW)或焊條焊接操作和/或工藝類型的恒定電流方案。

在某些實施例中，電極組件22可從電力供應單元12的焊接電力輸出連接器21延伸到焊接位置。第一電纜24和焊炬26可作為電極組件22的部件耦接到電力供應單元12。焊炬26可用于緊固適用于手工電弧焊(SMAW)(例如，焊條焊接)操作的焊接電極。從電力供應單元12的焊接電力輸出連接器21延伸到焊接處的工作組件28包含終止在工作線夾32處的第二電纜30。在例如焊接操作期間，工作線夾32可耦接到工件34以在焊炬26、工件34和電力供應單元12之間產生電路。也就是說，隨著焊接操作員例如使焊炬26的電極的尖端接觸或緊密接近工件34，電路通過電纜24和30、焊炬26、工件34和工作線夾32而完成，以在電極尖端與工件34之間產生電弧來執行工件34的焊接。

在某些實施例中，如圖1進一步圖示，可包含可拆卸的(例如，可拆除的)容器36作為電力供應單元12的一部分。可拆卸的容器36可用于存放逆變器式焊接系統10的一個或更多個部件。例如，可拆卸的容器36可以是可連接到電力供應單元12的外部部分的袋狀物、包狀物或類似容器。因為逆變器式焊接系統10可用作便攜式(例如，能夠被單個操作員手提或被單個操作員四處搬運)發電機和/或焊接發電機，所以可拆卸的容器36可被設置成促進逆變器式焊接系統10的便攜性。例如，可拆卸的容器36可由逆變器式焊接系統10的操作員用來包裝或存放電極組件22的一個或更多個部件(例如，電纜24、焊炬26等)和/或工作組件28的部件(例如，電纜30、工作線夾32等)。

圖2圖示圖1的逆變器式電力供應單元12的示意性實施例。如圖示，逆變器式電力供應單元12可包含全部封裝在單個機殼14內的發動機38、發電機40、DC總線42、逆變器43和44、降壓和/或隔離變壓器46、輸出電路47和48以及控制電路50。在某些實施例中，逆變器式電力供應單元12可用于產生輔助操作和/或焊接操作的所命令的電力輸出電平，如下文所詳細描述的。這些所命令的電力輸出電平可以是基于電流強度、電壓、焊絲類型、送絲速度、電極直徑等來命令。因此，發動機38可用于驅動發電機40來產生可用于提供輔助電力輸出52(例如，AC電輸出)的電力(例如，電功率)以對附加裝置或其它輔助設備(例如，燈、研磨設備、切割工具等)供電和/或產生焊接電力輸出54(例如，DC電輸出)。

發動機38可包含燃料源，用于將動力提供給發電機40。發動機38可包含由汽油、柴油、LP燃料、天然氣或其它燃料供能的內燃機，并且可被配置成驅動一個或更多個旋轉驅動軸。例如，在一個實施例中，發動機38可包含具有低于約15hp、低于約10hp或低于約5hp的額定功率的工業氣體/柴油發動機。因此，在前述的額定功率和物理大小下，發動機38可被稱為小型工業發動機。耦接到發動機38的發電機40可將發動機38的動力輸出(例如，機械能)轉換為電力，從而產生交流(AC)電壓輸出。在某些實施例中，發電機40可額定為小于約1000瓦(W)、小于約2000W、小于約3000W、小于約4000W或者甚至高達約5000W。

如上所述，電力供應單元12可包含DC總線42以及逆變器43和44。DC總線42可包含連接到總線電容58(Cbus)的橋式整流器56。在某些實施例中，橋式整流器56可包含用于將經由發電機40產生的傳入的AC電壓信號(例如，115V、120V、200V、208V、230V或類似的額定電壓)轉換(例如，整流)為經濾波的直流(DC)電壓信號的二極管(例如，D1、D2、D3和D4)的結構(例如，H橋結構)。如果低AC電壓由發電機40供應，那么升壓電路可被整合到DC總線42中以使電壓上升到期望的操作電平。經整流且濾波的DC電壓信號可接著被傳輸到輔助逆變器43的電力開關60(例如，半導體開關Q1、Q2、Q3、Q4)或被傳輸到焊接電力逆變器44的電力開關62(例如，半導體開關Q5、Q6、Q7、Q8)以分別產生AC輔助電力輸出52和DC焊接電力輸出54。

具體來說，電力開關60(例如，開關Q1、Q2、Q3、Q4)可將經整流且濾波的DC電壓信號轉換為AC電壓信號，所述AC電壓信號可接著經由輸出電路47的電感器64和電容器66而濾波以產生恒定的AC輔助電力輸出52。應了解，電力開關60和62可包含例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、場效應晶體管(FET)等集成電力電子開關裝置的任何結構，所述結構可被控制(例如，由控制電路50控制)以從“開啟”(例如，啟用)狀態和“關斷”(例如，停用)狀態切換來控制經由逆變器43和/或逆變器44進行的電力轉換，并且由此擴展開，控制AC輔助電力輸出52和DC焊接電力輸出54。

例如，以類似方式，電力開關62(例如，開關Q5、Q6、Q7、Q8)可將經整流且濾波的DC電壓信號轉換為AC電壓信號，所述AC電壓信號可接著經由降壓和/或隔離變壓器46而被減小(例如，降壓)到適用于產生焊接電力輸出的電壓電平(例如，約70V AC或其它類似的額定電壓)。變壓器46可以是能夠將例如由逆變器44的電力開關62所產生的AC電壓信號減小到適用于產生焊接電力輸出以供應到焊炬26的電壓電平的任何裝置。變壓器46還可用于隔離逆變器式電力供應單元12的特定的焊接電路與電力供應單元12的AC輔助電力輸出52電路。輸出電路48可接著經由輸出整流器68將從變壓器46接收的焊接電平AC電壓信號轉換回DC電壓信號。新的DC電壓信號可接著用于支持各種焊接操作和/或焊接過程(例如，SMAW焊接過程)。

雖然未圖示，但如上所述，應了解，AC輔助電力輸出52可用于對另一外部裝置和/或其它輔助設備供電。例如，逆變器式電力供應單元12可將AC輔助電力輸出52供應到外部照明設備、研磨設備、切割工具等。同樣，如上所述，逆變器式電力供應單元12還可用于產生焊接電力輸出，例如，以執行一個或更多個焊接操作。此外，通過提供逆變器43和44結合發動機38和發電機40，逆變器式電力供應單元12可比其它發電機和/或焊接系統更顯著安靜地操作。

在某些實施例中，如圖2進一步圖示，發動機38、發電機40、DC總線42以及逆變器43和44可各自由控制電路50控制和/或命令。控制電路50可包含模擬控制電路，或可包含處理器70和/或其它數據處理電路，該處理器70和/或其它數據處理電路可通信地耦接到存儲器72以執行指令來控制例如發動機38、發電機40和橋式整流器56以及相應逆變器43和44的電力開關60和62的一個或更多個參數。這些指令可按照例如存儲器72和/或其它存儲裝置等有形的非暫時性計算機可讀介質中所存儲的程序或代碼來編碼。處理器70可以是通用處理器、系統芯片(SoC)裝置、專用集成電路(ASIC)或其它處理器結構。類似地，存儲器72可包含例如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、閃存(例如，NAND)等。

在一個實施例中，控制電路50可用于控制相應逆變器43和44的電力開關60和62或逆變器式電力供應單元12的其它部件，以產生對輔助設備供電的穩定的AC電力輸出(例如，AC輔助電力輸出52)和/或產生支持一個或更多個焊接操作和/或焊接過程的穩定的DC焊接電力輸出。例如，逆變器式電力供應單元12可用于支持焊條(SMAW)焊接過程，所述焊條(SMAW)焊接過程可通常使用控制電路50所控制的恒定電流(CC)焊接電力輸出。在這種實施例中，控制電路50可通過調整逆變器44的輸出級處所檢測的電壓和/或電流強度反饋信號將所輸出的電流強度(例如，經由焊炬26產生的電弧的電流強度)控制為預定的CC值。在其它實施例中，逆變器式電力供應單元12可用于執行其它由用戶選擇的焊接過程，例如，藥芯焊接過程、金屬惰性氣體(MIG)焊接過程等。

在某些實施例中，可代替AC輔助電力輸出52、附加于AC輔助電力輸出52或與AC輔助電力輸出52并發地(例如，同時地)產生焊接電力輸出54。也就是說，電力供應單元12可實質上同時地(例如，實質上同時地發生)和/或并發地(例如，并行地或實質上同時地發生)產生AC輔助電力輸出52和DC焊接電力輸出54。例如，在操作期間，如果電力供應單元12以例如約3000W的額定輸出功率操作，那么電力供應單元12可提供3000W的電力作為AC輔助電力輸出52、3000W的電力作為DC焊接電力輸出54、或實質上同時地并發地為AC輔助電力輸出52和DC焊接電力輸出54的每個提供1500W的電力。

然而，應了解，作為相應電力輸出52和54提供的電力可取決于接收電力輸出52的具體輔助設備和/或經由電力輸出54而執行的具體焊接操作或任務。因此，當電力供應單元12并發地供應電力輸出52和54時，總電力輸出(例如，1000W、2000W、3000W、3500W等)可以在或可以不在相應電力輸出52和54之間均勻地劃分。此外，因為逆變器式電力供應單元12的本發明的實施例可被設計成用于各種位置(例如，遠程的位置、遠離典型的工作區域或工作站的位置、野外位置等)中，具有作為獨立發電機、獨立焊接機或同時作為獨立發電機和獨立焊接機來操作的能力，因此可向操作員提供如下優點：具有用于輔助設備(例如，在露營地或其它野外工地的照明)的充足電力以及用于執行一個或更多個焊接操作(例如，在露營地或野外工地)的充足電力。

圖3描繪一系列波形曲線圖76、78、80和82，其圖示了使用例如控制電路50實施的逆變器式電力供應單元12的先前論述的電力轉換和控制技術的實例。如圖3的曲線圖76所示，控制電路50可產生與所產生的三角波AC電壓信號84(例如，鋸齒載波信號)待比較的基準正弦波AC電壓信號86(例如，調制信號)。類似地，控制電路50還可將正弦波AC電壓信號86的反相信號與三角波AC電壓信號84進行比較。AC電壓信號86還可全部在控制電路50的存儲器72中所存儲的軟件內合成。信號84和86可接著用于驅動和/或控制逆變器43的電力開關60和/或逆變器44的電力開關62。逆變器43和/或逆變器44的所得輸出電壓信號可以是經脈寬調制(PWM)的逆變信號90，如曲線圖78所示。為了產生輔助電力輸出52，可接著對信號90進行濾波(例如，經由AC輸出電路47來濾波)以產生經濾波(例如，“整潔的”且穩定的)的AC電壓信號作為輔助電力輸出52，如曲線圖80所示。如上所述，可在逆變器式電力供應單元12的電力插座20處提供輔助電力輸出52，其中外部裝置和/或其它輔助設備(例如，照明設備、研磨設備、切割工具等)可耦接到電力插座20。

以類似方式，為了產生焊接電力輸出54，可經由變壓器46來減小(例如，降壓)曲線圖82的電壓電流信號91，并且經由DC輸出電路48轉換，以產生DC焊接電壓信號(例如，CC焊接輸出)作為焊接電力輸出54，如曲線圖82所示。還如上所述，可將焊接電力輸出54提供給逆變器式電力供應單元12的焊炬26，焊炬26可接著用于產生電弧來執行一個或多個焊接操作和/或焊接過程。應再一次了解，逆變器式電力供應單元12可分別地或實質上同時地(例如，并行地)產生輔助電力輸出52和焊接電力輸出54。

雖然僅在本文中說明和描述本發明的某些特征，但對于本領域的技術人員來說，可進行許多修改和改變。因此，應理解，所附權利要求書意圖涵蓋落入本發明的真實精神內的所有這些修改和改變。