用作應用電弧設備的電源裝置的制作方法

專利名稱：用作應用電弧設備的電源裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于像電弧焊機、電弧切割機和弧光放電燈之類應用電弧設備的一種電源裝置，而更詳細地涉及能夠根據二個不同數值電壓中的任何一個數值電壓運作的上述電源裝置。
背景技術：
裝配用于應用電弧設備的常規小尺寸、輕型的電源裝置以便通過輸入整流器把施加到電源裝置的AC輸入電壓轉變到DC電壓。然后把作為結果而產生的DC電壓通過輸入變頻器轉換成高頻電壓。然后通過高頻變壓器使高頻電壓變壓成具有所希望數值的電壓。使變壓的高頻電壓通過輸出整流器變回到能夠對負載施加DC電壓的DC電壓。JapanesePatent Application Publican No.HEI 05-277731A公開基于上述電源基本原理裝配、能夠根據較高和較低二個AC輸入電壓中的任一個AC輸入電壓操作的應用電弧設備的電源裝置實例。
Japanese Patent Application Publication No.HEI 05-277731A所公開的電源裝置提供有一對變頻器。為了把例如400V的較高AC輸入電壓施加到電源裝置的輸入端，在輸入整流器的輸出端內串聯連接二個變頻器。如果使用例如200V的較低AC輸入電壓，則在輸入整流器的輸出端內使二個變頻器互相并聯連接。為了防止正在施加于串聯連接時的各個變頻器時候的輸入電壓不相等，為在每個變頻器的輸出端內連接的高頻變壓器設置第三級線圈。此外，用二極管電橋來使在每組第三級線圈中感生的高頻電壓變換成反饋到變頻器輸入側的DC電壓。更準確地說，由在第一高頻變壓器中的第三級線圈內感生的高頻電壓產生的DC電壓被反饋到與第二高頻變壓器聯結的變頻器輸入端，而由在第二高頻變壓器中的第三級線圈內感生的高頻電壓產生的DC電壓被反饋到與第一高頻變壓器聯結的變頻器輸入端。
在上述日本專利發布中公開的電源裝置在高頻變壓器內需要第三級線圈，并且需要與各組第三級線圈聯結的二極管電橋，這妨礙減小這種類型電源裝置的尺寸和重量。

發明內容
本發明的目的是為了提供在尺寸上既能小在重量上又能輕的一種應用電弧設備的電源裝置。
根據本發明第一實施例，用作應用電弧設備的電源裝置包括用于使施加于電源裝置的輸入端的較高和較低二個AC輸入電壓中的任一個AC輸入電壓整流的整流器。第一和第二變頻器連接在輸入整流器的輸出內。高頻變壓器連接在第一和第二變頻器中的每個變頻器的輸出內。輸出整流器連接在每個高頻變壓器的輸出內。開關電路在二個AC輸入電壓中的較高AC輸入電壓施加于輸入整流器時起在輸入整流器輸出端之間使第一和第二變頻器互相串聯連接的作用，而在二個AC輸入電壓中的較低AC輸入電壓施加于輸入整流器時起在輸入整流器輸出端之間使第一和第二變頻器并聯連接的作用。在開關電路為輸入整流器的輸出端之間串聯連接第一和第二變頻器而運作時電壓平衡控制裝置起抑制正在施加于第一和第二變頻器時候的輸入電壓之間失衡作用。
電壓平衡控制裝置可以包括在第一變頻器的輸入端之間并聯連接的第一電容器和在第二變頻器的輸入端之間并聯連接的第二電容器。第一半導體開關器件的第一導電路徑與第一電容器并聯連接。第一半導體開關器件具有用于控制第一導電路徑導通狀態的第一控制電極。第二半導體開關器件的第二導電路徑與第二電容器并聯連接。第二半導體開關器件具有用于控制第二導電路徑導通狀態的第二控制電極。使第一驅動電路與用于改變第一導電路徑導通狀態的第一控制電極連接。使第二驅動電路與用于改變第二導電路徑導通狀態的第二控制電極連接。使控制電路連接在引出具有一半輸入整流器輸出電壓幅度的電壓的節點和串聯連接的第一和第二電容器的連接點之間。控制電路對第一和第二變頻器檢測在輸入電壓之間的失衡，并且根據在輸入電壓中所檢測的失衡量控制第一和第二驅動電路。
為了使第一驅動電路在對第一變頻器的輸入電壓高于對第二變頻器的輸入電壓時使第一半導體開關器件變成導通的，和使第二驅動電路在對第二變頻器的輸入電壓高于對第一變頻器的輸入電壓時使第二半導體開關器件變成導通的，而可以安裝控制電路。
并且第一和第二驅動電路可以分別包括第一和第二光耦合器的光接收器件。在控制電路內包括第一和第二光耦合器的光發射器件。
第一光耦合器的光接收器件具有根據第一光耦合器中的發光器件發射的光量能變化的電阻，并且根據第一光耦合器中的光接收器件的可變電阻改變第一半導體開關器件的導電性。在這樣的情況下，在對第一變頻器的輸入電壓高于對第二變頻器的輸入電壓時第一光耦合器的光發射器件發射光。第二光耦合器的光接收器件具有根據第二光耦合器中的發光器件發射的光量能變化的電阻，并且根據第二光耦合器中的光接收器件的可變電阻改變第二半導體開關器件的導電性。在對第二變頻器的輸入電壓高于對第一變頻器的輸入電壓時第二光耦合器的光發射器件發射光。
第一和第二半導體器件可以分別是第一和第二變頻器的部件。
根據本發明第二實施例，用作應用電弧設備的電源裝置包括用于使施加于其輸入的AC電壓整流的輸入整流器。在輸入整流器的輸出端之間串聯連接第一和第二變頻器。使高頻變壓器與第一和第二變頻器中的每個變頻器的輸出連接，并且使輸出整流器與每個高頻變壓器的輸出連接。電壓平衡控制裝置為抑止施加于第一和第二變頻器的輸入電壓之間失衡而運作。電壓平衡控制裝置包括二個具有在輸入整流器的輸出端之間串聯連接的相同電阻的電阻器。第一電容器連接在第一變頻器的輸入端之間，而第二電容器連接在第二變頻器的輸入端之間。第一半導體開關器件與第一電容器并聯連接，而第二半導體開關器件與第二電容器并聯連接。設置各具有光發射器件和光接收器件的第一和第二光耦合器。第一光耦合器中的光發射器件連接接在兩個電阻器的連接點與第一和第二電容器的連接點之間，并且在第一電容器兩端之間的電壓高于在第二電容器兩端之間的電壓時發光。第二光耦合器中的光發射器件連接在兩個電阻器的連接點與第一和第二電容器的連接點之間，并且在第二電容器兩端之間的電壓高于在第一電容器兩端之間的電壓時發光。第一耦合器的光接收器與第一半導體開關器連接成在第一耦合器中的光發射器件發射光時使第一半導體開關器件變成導通的。第二耦合器的光接收器件與第二半導體開關器件連接成在第二耦合器中的光發射器件發射光時使第二半導體開關器件變成導通的。
第一和第二半導體開關器件可以分別是第一和第二變頻器中的部件。


圖1是根據本發明的電源裝置方框電路圖。
圖2是表示在圖1所示的電源裝置中使用的輸出控制單元的細節的電路圖。
圖3是表示圖2所示的輸出控制單元的一種變更的電路圖。
具體實施例方式
圖1中表示在應用電弧設備方面使用的一種根據本發明一個實施例的電源裝置，而該電源裝置包括把施加于AC輸入端1的AC輸入電壓轉變成DC電壓的輸入整流器2。在輸入整流器2的輸出側經由在下文更詳細描述的開關單元20連接變頻器3和4(inverter)。在變頻器3和4中的每個變頻器內把來自輸入整流器2的DC電壓轉變成高頻電壓。在高頻變壓器5和6中把來自變頻器3和4的高頻電壓分別變壓到具有預定數值的電壓。通過應用于負載(未表示出)的輸出整流器7和8使高頻電壓整流。
把兩個不同數值的AC電壓中選擇的一個AC電壓施加于AC輸入端1。兩個AC輸入電壓中的第一AC輸入電壓例如是大約200V的較低電壓，而第二電壓例如是大約400V的較高電壓。當把較低電壓施加于輸入端1時，開關單元20使變頻器3和4在輸入整流器2的輸出端之間互相并聯連接。當把較高電壓施加于輸入端1時，開關單元20使變頻器3和4在輸入整流器2的輸出端之間互相串聯連接。
根據由驅動信號發生器50施加于變頻器3和4的控制信號來控制變頻器3和4，驅動信號發生器50響應從輸出控制單元52向其施加的信號而產生控制信號。輸出控制單元52檢測施加于負載(未表示出)的電壓和使驅動信號發生器50產生例如使施加于負載的電壓具有預定值之類的控制信號。換句話說，為了檢測輸送到負載的電流和使驅動信號發生器50產生例如使輸送到負載的電流具有預定值之類的控制信號而可以配置輸出控制單元52。
現在參閱圖2，平流電容器9和10分別連接在變頻器3和4的輸入端之間。在電容器9的負極板端和電容器10的正極板端之間連接的是組成開關單元20中的元件的繼電器觸點Ry1。另一個組成開關單元20中的元件的繼電器觸點Ry2連接在輸入整流器2的輸出端201和電容器10的正極板端之間。同樣，另一個組成開關單元20中的元件的繼電器觸點Ry3連接在輸入整流器2的輸出端202和電容器9的負極板端之間。(輸入整流器2的輸出端201比輸出端202更正，而因此在本說明書中輸出端201和202可以分別稱之為正輸出端201和負輸出端202。)當在聯結繼電器RY1的繼電器電路(沒有表示出)內沒有電流流動時合上繼電器觸點RY1，而在繼電器電路內電流流動時打開繼電器觸點RY1。當沒有電流流過繼電器電路時打開繼電器觸點RY2和RY3，而當電流流過繼電器電路時合上繼電器觸點RY2和RY3。是這樣安排的，當較低的AC電壓施加到AC輸入端1(圖1)時，沒有電流流過繼電器電路，而當較高的AC電壓施加到AC輸入端1時，電流流過繼電器電路。
電容器9和10的電容量是相等的因此在變頻器3和4串聯連接時能夠把相等的電壓施加于變頻器3和4。然而，隨負載電流的大小而定，在電容9和10中任一個電容兩端之間的電壓可能減小，引起在對變頻器3和4的輸入電壓之間的失衡。像這樣的電壓失衡能夠使得到較高輸入電壓的變頻器中的半導體開關器件承受過量電流。在最壞的情況下，熱量會損壞半導體開關器件。電壓平衡控制單元53常用來防止像這樣的事故。
如圖2所示，電壓平衡控制單元53包括內含在輸入整流器2的輸出端201和202之間串聯連接的兩個電阻器R1和R2的電壓分配器。電阻器R1和R2的電阻是互相相等的。因此，在電阻器R1和R2的連接處的電壓分配器輸出端Q上相對于在負輸出端202上電壓的電壓為二分之一在輸入整流器2的輸出端201和202之間電壓。光發射器件，可以是光耦合器中的光發射器件25，和二極管D1的串聯聯結被連接在輸出端Q和電容器10的正極板端之間。使該串聯裝配成當在輸出端Q上的電壓比電容器10的正極板端上的電壓高時電流流過光發射器件25以使光發射器件25發光。同樣，另一個發射光器件，可以是光耦合器中的光發射器件26，和二極管D2的另一串聯聯結被連接在輸出端Q和電容器9的負極板端之間。光發射器件26和二極管D2的串聯聯結裝配成當在電容器9的負極板端上的電壓比在輸出端Q上的電壓高時電流流過光發射器件26以使光發射器件26發光。
當串聯連接變頻器3和4時合上繼電器觸點RY1，而所以在電容器9的負極板端上的電壓等于在電容器10的正極板端上的電壓。因此，在平流電容器10兩端之間的電壓高于平流電容器9兩端之間的電壓時，在變頻器3和4串聯連接情況下，光發射器件26發光。相反，在平流電容器10兩端之間的電壓低于平流電容器9兩端之間的電壓時，光發射器25發光。
電阻器R3和半導體開關器件，例如IGBT15，的串聯聯結與平流電容器9并聯連接。IGBT15具有與電阻器R3串聯連接的集電極-發射極導通路徑。IGBT15具有連接驅動電路35的控制電極，例如柵電極。驅動電路35包括與光發射器件25組成光耦合器的光接收器件25a。同樣，電阻器R4和半導體開關器件，例如IGBT16’的串聯聯結與平流電容器10并聯連接。IGBT16具有與電阻器R4串聯連接的集電極-發射極導通路徑。IGT16具有連接驅動電路36的控制電極，例如柵電極。驅動電路36包括與光發射器件26組成光耦合器的光接收器件26a。電阻器R3和R4具有相同的電阻值。
使驅動電路35和36各裝配成在光接收器件從聯結的光發射器件接收光時，光接收器件的電阻變化。結果，使聯結的IBGT變成導通的。
因此，當使在平流電容器10兩端之間的電壓上升在輸出端Q上的電壓以上時，使光發射器件發光，IGBT16變成導通的，這就導致平流電容器10經由電阻器R4的放電。這樣又使在電容器10兩端之間的電壓降低。當在電容器9兩端之間的電壓高于在電容器10兩端之間的電壓時，由于在電容器10兩端之間電壓放電的結果，沒有電流流過光發射器件26。這樣就使光發射器件26停止發光，而使IGBT16變成不導通。同時，電流從輸出端Q流到平流電容器10的正極板端，而使光發射器件25發光，這就導致使IGBT15變成導通的。然后，平流電容器9通過電阻器R3放電，因此在平流電容器9兩端之間的電壓降低。當在平流電容器10兩端之間的電壓高于在平流電容器9兩端之間的電壓時，光發射器件25停止發光，而光發射器件26發光。這樣就使IGBT16變成導通的，導致在平流電容器10兩端之間的電壓降低。以這樣的方式使在電容器9兩端間的電壓和電容器10兩端間的電壓之間的失衡限制在一個范圍內。
在電源裝置的上述結構的情況下，沒有規定為了平衡作為對變頻器3和4施加的輸入電壓的電容器9兩端間和電容器10兩端間的電壓而在變頻器3和4的輸出內的變壓器5和6上非得有附加線圈。因而，該電源裝置在尺寸上既能較小在重量上又能較輕。
在電源裝置的上述結構中，借助于分別與電容器9和10并聯連接的IGBT15和16使在電容器9兩端間的電壓和在電容器10兩端間的電壓平衡。根據圖3所示發明第二實施例的一種電源裝置使用例如IGBT11、12、13和14在變頻器3和4中用的半導體開關器件以使在電容器9兩端間的電壓和在電容器10兩端間的電壓大體上相等。
如圖3所示，在電壓分配器的輸出端Q和平流電容器10的正極板端之間連接兩個光耦合器光發射器件21和22與二極管D1的串聯聯結。這樣的連接，在輸出端Q上的電壓高于在電容器10的正極板端上的電壓時使光發射器件21和22發光。同樣，在輸出端Q和平流電容器9的負極板端之間連接兩個光耦合器光發射器件23和24與二極管D2的串聯聯結。這樣的連接，在電容器9的負極板端上的電壓高于輸出端Q上的電壓時，使光發射器件23和24發光。
包括光發射器件21所屬的光耦合器中的光接收器件的驅動電路31與變頻器3的其中之一的半導體開關器件連接。在用圖說明的例子中，驅動電路31連接到IGBT11的柵極。在光發射器件21發光時，使IGBT11變成導通的。同樣，包括光發射器件22所屬的光耦合器中的光接收器件的驅動電路32與變頻器3中的另一半導體開關器件連接。在用圖說明的例子中，驅動電路32連接到IGBT12的柵極。在光發射器件22發光時，使IGBT12變成導通的。IGBT11的集電極-發射極導通路徑和IGBT12的集電極—發射極導通路徑是串聯連接的，而這種串聯聯結是被連接在電容器9兩端之間。
同樣，包括光發射器件23所屬的光耦器中的光接收器的驅動電路33與變頻器4的其中之一的半導體開關器件連接。在用圖說明的例子中，驅動電路33連接到IGBT13的柵極。在光發射器件23發光時，使IGBT13變成導通的。同樣，包括光發射器件24所屬的光耦合器中的光接收器件的驅動電路34與變頻器4中的另一半導體開關器件連接。在用圖說明的例子中，驅動電路34連接到IGBT14的柵極。在光發射器件24發光時，使IGBT14變成導通的。IGBT13的集電極—發射極導通路徑和IGBT14的集電極—發射極導通路徑是串聯連接的，而這種串聯聯結是被連接在電容器10兩端之間。
驅動信號發生器50向驅動電路31、32、33和34提供控制信號，當該控制信號施加于驅動電路31、32、33和34時，使與接收控制信號的驅動電路聯結的IGBT11、12、13或14變成導通的。
如在根據第一實施例的電源裝置中那樣，在第二實施例的電源裝置內，在平流電容器10兩端之間的電壓高于在平流電容器9兩端之間的電壓時，在變頻器3和4互相串聯的情況下，光發射器件23和24發光以使IGB13和IGBT14變成導通的，這就引起在電容器10兩端之間的電壓的降低。當在電容器10兩端之間的電壓低于在電容器9兩端之間的電壓時，光發射器件23和24停止發光，而使光發射器件21和22發光，使IGBT11和12變成導通的。這樣就又使在電容器9兩端之間的電壓降低。以這樣的方式使在電容器9兩端間的電壓和在電容器10兩端間的電壓之間的失衡限制在給定的范圍內。
在根據第二實施例的這種結構的情況中，組成變頻器3和4中的部件的一些IGBT能夠用作使在電容器9兩端之間的電壓和在電容器10兩端之間的電壓大體上平衡的一些IGBT。所以，能夠以較低的成本制造電源裝置。
權利要求
1.一種電源裝置，用于應用電弧的設備，包括輸入整流器，用于使施加于其輸入端的AC電壓整流，上述AC電壓是較高和較低二個AC電壓中的一個AC電壓；連接上述輸入整流器輸出的第一和第二變頻器；與上述第一和第二變頻器中的各個變頻器的輸出連接的一些高頻變壓器；與上述一些高頻變壓器的各個輸出連接的一些輸出整流器；開關電路，操作為當在上述較高AC電壓施加于上述輸入整流器的上述輸入端時使上述第一和第二變頻器在上述輸入整流器的輸出互相串聯連接，并且當在上述較低AC電壓施加于上述輸入整流器的上述輸入端時使上述第一和第二變頻器在上述輸入整流器的輸出互相并聯連接，由此把預定的DC電壓施加到上述第一和第二變頻器的輸入；和電壓平衡控制裝置，用于在上述輸入整流器的輸出內上述第一和第二變頻器互相串聯連接時抑制在施加于上述第一和第二變頻器的輸入電壓之間失衡。
2.根據權利要求1的電源裝置，其中上述電壓平衡控制裝置包括連接在上述第一變頻器的輸入內并且與上述第二變頻器并聯連接的第一電容器；連接在上述第二變頻器的輸入內并且與上述第二變頻器并聯連接的第二電容器；具有與上述第一電容器并聯連接的第一導通路徑的第一半導體開關器件，上述第一半導體開關器件具有用于控制上述第一導通路徑導通的第一控制電極；具有與上述第二電容器并聯連接的第二導通路徑的第二半導體開關器件，上述第二半導體開關器件具有用于控制上述第二導通路徑導通的第二控制電極；與用于改變上述第一導通路徑導通的上述第一控制電極連接的第一驅動電路；與用于改變上述第二導通路徑導通的上述第二控制電極連接的第二驅動電路；和控制電路，連接在引出具有上述輸入整流器輸出電壓二分之一幅度的電壓的節點和當上述開關電路串聯連接上述第一和第二變頻器時上述第一和第二電容器串聯連接的連接點之間，上述控制電路檢測串聯連接的上述第一和第二變頻器的輸入電壓之間的失衡，并且根據所測得的失衡而控制上述第一和第二驅動電路。
3.根據權利要求2的電源裝置，其中當上述第一變頻器的輸入電壓高于對上述第二變頻器的輸入電壓時上述控制電路控制上述第一驅動電路使上述第一半導體開關器件變成導通，當上述第二變頻器的輸入電壓高于對上述第一變頻器的輸入電壓時上述控制電路控制上述第二驅動電路使上述第二半導體器件變成導通。
4.根據權利要求3的電源裝置，其中上述第一和第二驅動電路分別包括第一和第二光耦合器的一些光接收器件；并且上述控制電路包括上述第一和第二光耦合器的一些光發射器件。
5.根據權利要求4的電源裝置，其中上述第一光耦合器的光接收器件根據由上述第一光耦合器的光發射器件發射的光量改變其電阻，由此改變上述第一半導體開關器件的導通狀態，當上述第一變頻器的輸入電壓高于對上述第二變頻器的輸入電壓時上述第一光耦合器中的光發射器件發光；和上述第二光耦合器的光接收器件根據由上述第二光耦合器中的光發射器件發射的光量改變其電阻，由此改變上述第二半導體開關器件的導通狀態，當上述第二變頻器的輸入電壓高于對上述第一變頻器的輸入電壓時上述第二光耦合器中的光發射器件發光。
6.根據權利要求2的電源裝置，其中上述第一和第二半導體開關器件分別形成上述第一和第二變頻器中的部分。
7.一種電源裝置，用于應用電弧的設備，包括用于使施加于其輸入端的AC電壓整流的輸入整流器；在上述輸入整流器的輸出端之間串聯連接的第一和第二變頻器；與上述第一和第二變頻器中的各個變頻器的輸出連接的一些高頻變壓器；與上述一些高頻變壓器中的各個高頻變壓器的一些輸出連接的一些輸出整流器；用于抑制在施加于上述第一和第二變頻器的輸入電壓之間失衡的電壓平衡控制裝置；其中上述電壓平衡控制裝置包括串聯連接在上述輸入整流器中的上述輸出端之間、具有同樣電阻的二個電阻器；連接在上述第一變頻器中的輸入端之間的第一電容器；連接在上述第二變頻器中的輸入端之間的第二電容器；與上述第一電容器并聯連接的第一半導體開關器件；與上述第二電容器并聯連接的第二半導體開關器件；包括光發射器件和光接收器件的第一光耦合器，上述第一光耦合器中的上述光發射器件是連接在串聯連接的上述二個電阻器間的節點與上述第一和第二電容器間的節點之間，并且在上述第一電容器兩端間的電壓高于上述第二電容器兩端間的電壓時發光；包括光發射器件和光接收器件的第二光耦合器，上述第二光耦合器中的上述光發射器件是連接在串聯連接的上述二個電阻器間的節點與上述第一和第二電容器間的節點之間，并且在上述第二電容器兩端間的電壓高于上述第一電容器兩端間的電壓時發光；上述第一光耦合器中的光接收器件以在上述第一光耦合器中的光發射器件發光時使上述第一半導體開關器件變成導通的方式與上述第一半導體開關器件連接，上述第二光耦合器中的光接收器件以在上述第二光耦合器中的光發射器件發光時使上述第二半導體開關器件變成導通的方式與上述第二半導體開關器件連接。
8.根據權利要求7的電源裝置，其中上述第一和第二半導體開關器件分別組成上述第一和第二變頻器的部件。
全文摘要
電源裝置中的輸入整流器使對其施加的較高和較低的二個AC電壓中選出的一個AC電壓整流。第一和第二變頻器連接在輸入整流器的輸出內。高頻變壓器與第一和第二變頻器中的各個變換器的輸出連接。輸出整流器與每個高頻變壓器的輸出連接。當二個AC輸入電壓中的較高AC輸入電壓施加于輸入整流器時，開關電路使第一和第二變頻器在輸入整流器的輸出端之間串聯連接。當較低的AC電壓施加于輸入整流器時，開關電路使第一和第二變頻器在輸入整流器的輸出端之間并聯連接。當在輸入整流器的輸出端之間串聯連接第一和第二變頻器時，電壓平衡控制單元為了抑制在對第一和第二變頻器的輸入電壓之間失衡而運作。
文檔編號H02M1/10GK1574585SQ200410048028
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月4日 優先權日2003年6月6日
發明者石井秀雄, 池田哲朗, 檀上謙三, 池尻裕司 申請人:株式會社三社電機制作所