專利名稱：由無刷交流發電機提供焊接電流的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及由發動機驅動的焊接電源裝置，更具體講涉及一種D.C焊接電源裝置，它采用一臺由發動機驅動的多相交流發電機，該發電機把電流提供給多相的晶閘管整流器電路。更具體講，本發明提供從多相交流發電機向焊接設備提供短路電流的方法。
自含有汽油或柴油燃料的焊接電源裝置是廣泛應用的產品。這樣的產品一般包括一臺汽油或柴油發動機，該發動機驅動一臺具有電輸出的發電機，該電輸出被用于產生電弧和焊接金屬。一般使用三相交流發電機。公知的一種三相交流發電機是三相無刷感應交流發電機。這樣的交流發電機具有如下的優點，即比其它型號的電機制造成本低，堅固并基本可靠。無刷交流發電機的缺點是在其輸出被短路時的特性，要么無電流流動，或電流很不穩定。在許多應用中，是決遇不到短路條件的，剛才描述的問題沒有意義。但在焊接應用上，短路條件，或者非常類似于短路條件的狀況是常常遇到的。在短路條件期間無輸出或不穩定特性是所面臨的主要問題。
本發明提供一種控制三相被整流的無刷交流發電機的輸出的方法，即使在輸出短路或接近短路的條件下，也提供可控制的電流。根據本發明，一臺多相感應交流發電機把三相電流提供給三相晶閘管整流器，該整流器接著提供用于焊接的DC輸出電流。用于傳感焊接輸出量值的裝置檢測短路狀況的存在，并防止在整流器電路中的晶閘管中所述的一個開啟，同時開啟至少一個剩下的晶閘管，用來在短路狀況下提供可控的輸出。
進一步根據本發明，提供傳感裝置感應繞組的輸出電壓，并通過檢測平均電壓相對預選值的壓降檢測短路狀況。
又進一步根據本發明，使用一微處理器控制來提供根據用戶所選參數電流幅值控制，也有選擇地相應短路狀況開啟晶閘管或防止晶閘管的開啟。
更進一步地根據本發明，提供電流給弧焊接機的方法包括提供一臺具有多相輸出的多相交流發電機；提供多相整流器，它用幾個接收來自交流發電機輸出并具有直流輸出的晶閘管組成；感應短路狀況的存在；以及在測出短路狀況時，防止晶閘管中所選的一個在短路狀況持續時期的間隔上導通。
本發明的主要目的是提供一種多相無刷交流發電機焊機，它具有良好的短路響應。
本發明的另一個目的是提供一種控制整流器的方法，用于合理控制無刷交流發電機焊機的短路電流。
本發明的更進一步的目的是提供一種控制整流器的方法，用于控制無刷多相交流發電機，在短路狀況期間能維持輸出電流。
本發明的又更進一步的目的是提供一種有整流的無刷多相交流發電機焊接電源裝置的控制器，它運行可靠，能處理短路狀況，制造成本低。
本發明的這些和其它目的及優點從下列說明，相應附圖和附加的權利要求書變得更加便于理解。
圖1是主要以方框形式表示的一臺發動機驅動的焊機的電路圖，該焊機包括一臺交流發電機、整流器和控制線路；圖2是一流程圖，該流程圖描繪了在圖1的電路中所用的部分控制程序和機構；圖3是對應于過零遮斷的流程圖，該過零遮斷獲得圖1電路中的定時信息；圖4是對應于反饋和控制遮斷程序的流程圖，該程序完成圖1電路的主要控制功能；圖5以圖解的方式表示圖1中所示的交流發電機的繞組；圖6以圖解的方式表示圖1電路中所用的電壓傳感電路；圖7表示由圖1電路達到的優選短路開啟程序；圖8表示在圖1的電路中獲得的輸出電流波形；以及圖9表示由圖1的電路獲得的輸出伏安曲線。
在該說明書的末尾有附加的程序表，它詳細說明圖4的方法中一部分的執行情況。
現參見附圖，其中所做的描述是出于僅說明本發明一個最佳實施例的目的而不局限于該實施例，圖1表示一個弧焊接供電裝置，其中發動機10經軸12與交流發電機14連接。該交流發電機14是一臺三相、感應型的無刷交流發電機，它具有三相焊接功率輸出16和同步輸出20。一般，這樣的交流發電機還可有提供120V或240V電流的輔助輸出。如圖5中所見，該交流發電機具有三個△連接的焊接電流繞組24，25，26，以及二個勵磁繞組27，28。電容器29提供所需的無功功率，二個附加的電容器(未示出)一般以慣用方式在三相間互連。
圖6更詳細地表示圖1的電壓傳感電路142。在輸出端A，分壓器144把高電壓分壓，并將分壓后的電壓供給整流器146。整流器146的輸出由電容器148濾波后供給閾值檢測器149。該閾值檢測器149提供在輸出端A上的該輸出電壓的輸出指示。對于一選定階段保持很低的輸出是短路條件的表示。用在傳感電路142中的濾波防止象在降壓焊接(drop transfer welding)上所遇到的極小持續時間的短路被解釋成破壞性短路。濾波和適當常量的選擇，象需要補救行為的短路的電壓指示允許瞬間短路，這些短路對交流發電機沒有不利的影響。
在三條交流發電機輸出線22A、22B、22C上承載三相焊接功率輸出，這三條輸出線以慣用方式承載三相輸出。整流橋30接收線路22A、22B、22C上的三相輸出。該整流橋30由三個半導體控制整流器(“SCR”)31，32，33和三個二極管34，35，36組成SCR和二極管以慣用橋接布置的方式連接。SCR和二極管的每一個接收來自三相電力線之一的電流，并把電流輸送給DC焊接功率輸出線40和DC焊接接地線42。有時以慣用方式添加象電感器、扼流圈和/或電容器這樣的濾波元件。圖中示出了一個輸出扼流圈100。在圖8中表示了該扼流圈100的效果。上曲線表示無扼流圈的輸出電流，下曲線表示有扼流圈的輸出電流。在工業上，所描述的SCR—二極管橋是眾所周知的。另外，使用六個SCR也是眾所周知并可利用的方案。
一般講，為了提供所需的無功功率，在交流發電機輸出線22A、22B、22C或這些繞組的擴展部分之間連接電容器(未示出)。
線路40上的DC焊接功率輸出被連接到電焊電極41上，DC接地4線42被連接到工件43上。如慣用的一樣二者由電弧44被電氣連接。另外，電極和接地線的極性可根據需要改變。電弧電流在電流傳感分路46上被感應到，并且把電流幅值信息進行處理且傳輸到數字處理器電路130。為了把電弧電壓信息提供給該數字處理器電路130，可使用電弧電壓傳感線48。
在焊接供電裝置上設置所預期的電流輸入140。預期的電流輸入140可采用調節控制盤、按鈕或其它將數字信息引入電氣設備的慣用裝置的形式。允許操作者設置預期的焊接電流，并將這個信息傳送給數字處理器電路130，該電路實際控制電流，并達到所預期的結果。在輸入端140也可設置其它的焊接參數。該數字處理器電路通過把選通信號提供給SCR的柵極端G1、G2、G3控制SCR31、32、33的開啟。如慣用的，整流橋30接收來自交流發電機14的三相功率。整流橋30的輸出電流由SCR31、32、33借助柵極G1、G2、G3中的信號對所選時間段的導通來控制。數字處理電路接收來自電流傳感支路46、電壓線48和同步線20的信息。該處理器通過把實際電流與經預期電流輸入140設定的預期電流相比較，來決定把選通信號超前或延遲多少。借助同步線20上的同步信息使選通信號同步。當需要的電流越多，SCR在正的行進半周上越早導通，并且把越多的電流輸送到電弧44上。
當在電弧44上出現短路條件時，在其輸出線22A、22B、22C上交流發電機實際上看成沒有阻抗。提供無功功率和勵磁電流的電容器和/或電感器被短路。這能引起在輸出線上產生電流的磁場失去穩定，結果完全中止輸出電流和/或不穩定狀態，在本發明中通過確保在每個周期間交流發電機具有一些電阻抗來解決該問題，借助以可靠的方式維持交流發電機內的磁場。當感應到短路條件時，選通信號不提供給SCR31、32、33中的一個或更多。當不給SCR提供選通信號時，它不導通，并不傳導電流。這為交流發電機提供一阻抗防止磁場失穩。在最佳實施例中，這通過軟件控制來做這一工作。但是，可通過數字或模擬電子控制獲得同樣的電路條件。
通過控制選通信號來確保阻抗的手段表示在圖2—7中。主程序150(圖2)包含初始化步驟152，設定初始階段步驟154和服務顯示及開關步驟156。大體上，當接通機器時，主程序做機器自檢，計算如三相功率輸出16所見的三相功率振蕩周期，并讀入在前板140上設置的用戶輸入。剩下的控制功能由遮斷來驅動。必須要牢記的是，微處理器控制操作非常快。目前的微處理器在時鐘頻率從2MHZ到約100MHZ變化范圍上運行。另一方面，三相交流發電機的頻率約50HZ或60HZ。因此，在三相交流發電機的每一周波中該微處理器正在完成千百萬次的運行步驟。
用于控制的基本定時基準是同步線20上的同步信號。該同步信號被送給數字處理器電路130中的過零檢測器。當測到一個過零時，一個信號通過微處理器，該微處理器設定一過零特征位，這在過零遮斷程序160(圖3)可見到。這個程序的作用是利用確定SCR31、32、33開啟角所用的同步信號注釋過零時間。如果該同步信號線載有代表交流發電機轉子磁場位置的電壓信號的話，這個信號的過零有一個對應輸出功率的全部三相22A、22B、22C功率信號過零的固定的時間關系。此外，如果交流發電機轉子的旋轉速度與數字處理電路130時鐘速度相比基本恒定，并且已知旋轉方向的話，對于為所有三個SCR31、32、33產生選通信號的使用講，同步線20上的單個同步信號是足夠的。
反饋和控制遮斷程序170(圖4)完成對SCR的最初定時和開啟操作。該程序以有規律和頻繁的間隔被調用。如上文所述，在線22A、22B、22C上的交流發電機的輸出具有約50或60HZ的頻率。這提供了大致17毫秒的時間段。反饋和控制遮斷程序170被極頻繁地調用，從而為這個頻率和時間段的信號提供足夠的取樣率，在被調用后，該反饋和控制遮斷程序170首先檢查，查看是否由過零遮斷程序160設置了新的過零特征位。如果設置了特征位，該程序在新的過零轉移步驟172上轉移。然后，數字處理器電路130計算新的設定過零時間和以前的過零時間之間的時間段，從而在計算步驟174獲得一個新的時間段。以前從反饋線路中讀入的信息被處理，從而得到焊接參數，參考角，以及用于隨后計算的下一個取樣間隔。隨后是取平均值步驟176。獲得并計算所監測參數的平均值。然后在清除特征位步驟178上處理器清除在過零遮斷程序160上設定的過零特征位。對于下一個取樣遮斷程序170開始的時間也在清除特征位步驟178上設置。然后在讀電弧反饋步驟184上重新加入反饋和控制遮斷程序170的主程序。
如果新的過零轉移步驟172確定還未設置過零特征位，剛敘述的轉移不進行，反饋和控制遮斷程序170與主程序一起繼續，在設定下一個遮斷步驟182上以設定新的取樣間隔來開始。一旦設定為中斷，則初始化下一個反饋和控制遮斷程序170，該程序繼續到讀電弧反饋步驟184上讀入電流電弧反饋。由電壓傳感電路142感應交流發電機輸出電壓，并將其送給數字處理器電路130。電弧電流經電流傳感分路46感應，并且同樣在數字處理器電路130中被數字化。這些值在讀反饋步驟184上被讀入，并存入存儲器中，用來在取平均值步驟172中計算平均值及其他的需要。
在步驟176中計算出的平均值和在步驟184上獲得的反饋信息被用于在計算步驟186上計算SCR的開啟角。如一般所公知的，SCR僅在它們正偏置，并僅當在其柵極上收到選通脈沖時才導通。所以通過SCR的電流量由當收到選通脈沖時SCR正向偏置半周的時間的位置決定。把選通脈沖施加給SCR的柵極的這一點一般是以角量度為基準的。在本實施例中，對三個SCR的每一個計算開啟角。然后計算對于每個SCR的從在線路20上的同步信號過零開始的延遲時間，并存儲。然后數字處理器電路130具有開啟每個SCR時間的信息。在定時步驟188上，反饋和控制遮斷程序將來自時鐘的電流時間和開啟單個SCR的設定時間相比較，確定這時是否是開啟一個SCR的時間或不是。如果不是開啟SCR的時間，程序跳到讀控制輸入和計算設定點步驟210，如果是開啟SCR時間，執行短路判定步驟190。這個步驟啟動這樣的一個程序，該程序決定為了防止由于短路狀況的磁場失穩是否跳過SCR開啟。數字處理器130把變量ARCV和常數SHORT—VAL相比較，上述ARCV是在電壓傳感電路142上感應的電壓的數字表示，SHORT—VAL是指示短路的電壓值。該比較確定短路狀況存在或不存在。如果不存在短路狀態，在短路程序中所用的各種計數值在清零計數器中被重置為零，特征位步驟192和程序著手在開啟步驟194上設置下一個SCR用來開啟。如果判定步驟190確定短路條件存在，執行計數比較判定步驟196。由計數比較判定步驟達到的目的是在檢出短路之后，固定數量的SCR開啟(象1)，繼而有固定數量的SCR(象3)的不開啟。
因為短路條件是首先在名為SHORT—CNT下被檢出的，連貫的SCR開啟數被計數。計數比較步驟196決定它是否已經由把SHORT—CNT與SHORT—MAX的比較來完成。SHORT—MAX是在短路條件下所要求的連貫的SCR開啟數。如果二個不相等，則得到“非”判定，在增量計數器步驟198上對計數SHORT—CNT增大。程序返回到SCR開啟步驟194。如果SHORT—CNT計數等于SHORT—MAX，在步驟196上達到判定“是”，程序進到短路因子比較步驟202。
在SHORT—CNT1名下對連貫的SCR不開啟數計數。把SHORT—CNT1與稱為SHORT—FACTOR的常數在比較步驟202進行比較。SHORT—FACTOR是在短路條件期間所要求的被連貫地跳過開啟的數值。如果二者相等，則意味著已經獲得足夠的所跳過的SCR開啟數，并執行清除步驟204。清除步驟204把SHORT—FLG和SHORT—CNT1復位到零，并且返回到SCR開啟步驟194。但是在步驟202上未確定SHORT—CNT1等于SHORT—FACTOR時，返回的判定是“非”，執行短路計數增量步驟206。這導致數字處理器電路130制止把選通脈沖送給下一個排定的要開啟的SCR，從而完成開啟周期上的跳躍。然后反饋和控制程序170的分支返回到在讀控制輸入步驟210上的主程序。通過選擇適當的恒定值，并且遞增上述計數，一個人可容易地編出響應短路跳過SCR開啟的任一程序，在圖7中表示了開啟1，跳躍3的優選程序，這個程序把短路電流負載分布到所有SCR上，也容易編程任何其它適于維持交流發電機中磁場的程序。
開啟1，跳躍3的程序給交流發電機的輸出提供大阻抗。輸出電壓快速建立，電壓傳感電路142將指示無短路。正常開啟將再使用。如果短路條件持續，上述過程將立即重復。剛才描述的控制程序產生如圖9所示的伏安特性曲線，下降的伏安曲線段222是無短路控制的結果。短路開啟跳躍程序產生大致為線性的低壓段224。
無論判定步驟188、190、196和202的結果如何，執行讀控制輸入和計算設置點步驟210。由微處理器讀前板設定值并設定對下一個遮斷程序計算的點。然后端接反饋和控制中斷程序170，并把數字處理器電路130的控制返回到主程序150，直到遮斷又一次啟動過零遮斷程序160或反饋控制遮斷程序170，上述的參見步驟190—206的指令的程序被全部列在所附的程序中，該程序完成這個控制功能。
上述的過程和布置提供了一種機構，用來在短路條件期間維持交流發電機的勵磁，這在電焊中是經常遇到的。這些程序提供了可靠的使用無刷交流發電機做為電源的焊接電源裝置的生產操作。而上述機構和方法在微處理器中執行，同樣的機構可在分立的邏輯或模擬線路中執行。顯然，根據本說明書的閱讀和理解，對其他人來講是可以進行對本發明的修改和替換的。這意味著對此的這樣的所有修改和替換包括在所附權利要求書的范圍之內。
<pre listing-type="program-listing"><![CDATA[AS400 BASIC版本NEWB43E.LIS 5/5/921108***********************************1109*本子程序檢查輸出電壓以判斷是否短路1110*需要開啟方式11111112*本程序由EMC在92年4月29日編制111311141115短路方式11161117*LDAA SAMPV_AVG1118 8394 96 3a LDAA ARCV1119 8396 81 3c CMPA #SHORT_VAL ；檢查電壓是否低于 短路閾值1120 8398 25 08 BLO SHRT_1 ；如果低于閩值轉移11211122 *不存在短路時執行這一部分1123 839a 4fCLRA1124 839b 97 66 STAA SHORT_CNT ；計數器清零1125 839d 97 67 STAA SHORT_CNT1 ；計數器清零1126 839f 97 68 STAA SHORT_FLG ；清除特征位11271128 83a1 39 RTS11291130 SHRT_11131 *檢測到短路時執行這一部分1132 83a2 96 66LDAA SHORT_CNT1133 83a4 81 06CMPA #SHORT_MAX ；檢查是否有足夠開啟 出現1134 短路時進入短路方式1135 83a6 24 04BHS SHRT_2 ；如果足夠，則轉移11361137 83a8 4c INCA1138 83a9 97 66STAA SHORT_CNT ；增量計數1139 83ab 39 RTS11401141 SHRT_21142 *當需要短路方式時執行這部分1143 83ac 96 67LDAA SHORT_CNT11144 83ae 803 CMPA #SHORT_FACTOR1145 83bo 27 08BEQ SHRT_3 ；如果計數1為短路 系數則轉移1146 83b2 4c INCA1147 83b3 97 67STAA SHORT_CNT1 ；增量短路跳躍計數1148 *防止SCR開啟1149 83b5 86 01 LDAA #011150 83b7 97 68 STAA SHORT_FLG；當標志位＝1時下 一個SCR不開啟11511152 83b9 39RTS115311541155SHRT_31156*使下一個SCR開啟1157 83ba 4fCLRA1158 83bb 97 68 STAA SHORT_FLG；清除標志位使下 一個SCR能夠開啟1159 83bd 97 67 STAA SHORT_CNT1 ；清除跳躍計數11601161 83bf 39RTS1162]]></pre>
權利要求
1.一種焊接電源裝置，包括一臺有多相輸出的交流發電機，一個套流橋，它由接收所述交流發電機多相輸出的，具有可適用于直流弧焊的直流輸出的多個晶閘管；檢測上述直流輸出的裝置；允許操作者為所述的直流輸出選擇預期值的選擇裝置；用來控制所述晶閘管的工作，并因此使所述直流輸出響應所述選擇裝置的控制裝置；以及響應所述多相輸出的短路條件的裝置，所述的響應裝置在所述短路條件期間的至少一個開啟周期內，導致至少一個所述的晶閘管保持不導通。
2.根據權利要求1的焊接電源裝置，其中所述的響應裝置包括第一裝置，在短路期間對晶閘管開啟數計數，并使至少一個所述的晶閘管僅在所述第一計數裝置達到一所述值之后，在至少一個開啟周期上保持不導通。
3.根據權利要求2的焊接電源裝置，其中所述的響應裝置包括第二裝置，該裝置對在短路期間保持不導通的任何晶閘管的持續時間計數，以及當這第二計數裝置保持低于一選擇值時，使至少一個所述晶閘管保持一預定周期數的不導通。
4.根據權利要求1的焊接電源裝置，其中所述檢測所述直流輸出的裝置由檢測交流發電機輸出電壓的裝置組成，所述的響應裝置由把所述檢測的交流發電機輸出電壓與表示短路條件的一個所選值比較的裝置組成。
5.給電弧焊機提供電流的一種方法，包括提供具有多相輸出的多相感應交流發電機；提供接收來自所述交流發電機的所述多相輸出的多相整流器，所述的整流器具有整流輸出和多個晶閘管；每一個所述的晶閘管具有一控制柵極，該晶閘管被用來響應在所述控制柵極上的信號導通電流；提供檢測所述交流發電機輸出的幅值的裝置；當所述的檢測裝置檢測到一個表征短路狀況的述交流發電機輸出的幅值時，防止所述晶閘管中的所選擇的晶閘管導通。
6.根據權利要求5的方法，其中防止步驟包括以下分步驟確定短路是否存在；如果不存在短路允許下一個晶閘管開啟，如果短路存在，因為短路狀況的開始對晶閘管開啟數計數，并且確定這樣的開啟數是否等于一個選定的開啟計數；如果所述的開啟數不等于所述的選定開啟數，允許下一個晶閘管開啟，如果所述的開啟數等于所述的選定開啟計數，對持續阻止的晶閘管開啟數計數，確定這樣的阻止計數是否等于選定的跳躍計數；如果所述的阻止數等于所述的跳躍計數，允許下一個晶閘管開啟，如果阻止數不等于所述的跳躍計啟數，阻止下個晶閘管的開啟。
7.根據權利要求5的方法，其中所述的整流器由三個半導體控制整流器和三個二極管組成。
8.一種從焊接電源裝置上提供焊接電流的方法，該裝置具有一臺交流發電機和整流橋，該整流橋由多個晶閘管組成，該方法包括檢測所述交流發電機的輸出電壓；把所述檢測的輸出電壓與電壓基準相比較，從而確定是否存在短路；如果存在短路，跳過在所述橋電路上的所選晶閘管的開啟。
全文摘要
具有多相交流發電機和晶閘管整流器的焊接電源裝置，利用控制電路在出現短路時有選擇地阻止晶閘管導通，實現在短路條件下交流發電機焊接電源裝置的可靠運行。
文檔編號B23K9/073GK1129626SQ9411936
公開日1996年8月28日 申請日期1994年12月5日 優先權日1993年12月6日
發明者埃德沃德·M·克勞斯 申請人:林肯電氣公司