本發(fā)明總的來說涉及焊接系統(tǒng)，更具體地，涉及逆變器式焊接系統(tǒng)。

焊接是已在各種工業(yè)和應(yīng)用中變得越來越普遍的工藝。因此，各種焊接應(yīng)用(例如，建筑和造船)可能需要便攜式的并且可容易搬運(yùn)到遠(yuǎn)程的焊接位置的焊接應(yīng)用。因此，在某些情況下，通常需要這些焊接裝置可作為遠(yuǎn)離電網(wǎng)或其它主電源的獨(dú)立單元來操作。因此，已開發(fā)利用替代電源(例如，小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī))的各種焊接系統(tǒng)。然而，某些焊接任務(wù)(例如，野外地或遠(yuǎn)程地被執(zhí)行以快速修復(fù)某個(gè)設(shè)備和/或其它機(jī)械裝置的焊接)例如，可能包含與其它較大焊接任務(wù)相比極小的負(fù)載需求。提供更緊湊且有效的便攜式焊接系統(tǒng)也許是很有用的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包含：發(fā)動(dòng)機(jī)，其被配置成驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生第一電力輸出；以及第一逆變器，其通信地耦接到發(fā)電機(jī)。第一逆變器被配置成將第一電力輸出轉(zhuǎn)換為第二電力輸出。所述系統(tǒng)包含通信地耦接到發(fā)電機(jī)的第二逆變器。第二逆變器被配置成將第一電力輸出轉(zhuǎn)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(shí)施例中，一種焊接電力供應(yīng)單元包含：發(fā)動(dòng)機(jī)，其被配置成驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生第一電力輸出；以及第一逆變器，其通信地耦接到發(fā)電機(jī)。第一逆變器被配置成將第一電力輸出轉(zhuǎn)換為第二電力輸出。焊接電力供應(yīng)單元包含通信地耦接到發(fā)電機(jī)的第二逆變器。第二逆變器被配置成將第一電力輸出轉(zhuǎn)換為焊接電力輸出。焊接電力供應(yīng)單元包含可拆卸地耦接到焊接電力供應(yīng)單元并被配置成接收焊接電力輸出的焊炬。

在第三實(shí)施例中，一種焊接系統(tǒng)包含機(jī)殼。所述機(jī)殼包含：發(fā)動(dòng)機(jī)，其被配置成驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生第一電力輸出；以及多個(gè)逆變器，其通信地耦接到發(fā)電機(jī)。多個(gè)逆變器被配置成將第一電力輸出同時(shí)地轉(zhuǎn)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(dāng)參照附圖閱讀以下具體實(shí)施方式時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，其中在全部附圖中，相同附圖標(biāo)記表示相同部分，其中：

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

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含焊接電路的圖1的逆變器式電力供應(yīng)單元的示意圖；以及

圖3是圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖1的逆變器式電力供應(yīng)單元的電力轉(zhuǎn)換技術(shù)和輸出的一系列曲線圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施例涉及逆變器式發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)。在某些實(shí)施例中，逆變器式發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)可用于允許系統(tǒng)相對(duì)容易地被四處移動(dòng)，或可被設(shè)計(jì)為通常固定的系統(tǒng)。此外，逆變器式發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)成用于室外操作，在此情況下，逆變器式發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)可在機(jī)殼內(nèi)包含發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)單元，該發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)單元為給定的焊接操作提供必要的電力。因此，逆變器式發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)成用于其中一個(gè)或更多個(gè)市電電源可能至少暫時(shí)不能接取的各種應(yīng)用和位置(例如，遠(yuǎn)程的位置、遠(yuǎn)離典型工作區(qū)域或工作站的位置、野外位置等)中。此外，在某些實(shí)施例中，逆變器式發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)可被配置成作為獨(dú)立發(fā)電機(jī)、獨(dú)立焊接機(jī)或同時(shí)作為獨(dú)立發(fā)電機(jī)并作為獨(dú)立焊接機(jī)來操作。以此方式，逆變器式發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)可向操作員提供如下優(yōu)點(diǎn)：具有用于輔助設(shè)備(例如，在露營(yíng)地或其它野外工地的照明)的充足電力以及用于執(zhí)行一個(gè)或更多個(gè)焊接操作(例如，在露營(yíng)地或野外工地)的充足電力。

考慮到前述內(nèi)容，在圖1中圖示發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)的實(shí)施例，例如，逆變器式發(fā)電機(jī)和焊接系統(tǒng)10。逆變器式焊接系統(tǒng)10可為焊接操作和/或輔助設(shè)備提供電力和控制。逆變器式焊接系統(tǒng)10可包含封裝在箱體或機(jī)殼14中的電力供應(yīng)單元12。如上所述，在某些實(shí)施例中，逆變器式焊接系統(tǒng)10可用于使電力供應(yīng)單元12能夠相對(duì)容易地被四處移動(dòng)，或可被設(shè)計(jì)為通常固定的系統(tǒng)。此外，逆變器式焊接系統(tǒng)10可被設(shè)計(jì)成用于室外操作，在此情況下，逆變器式焊接系統(tǒng)10可在機(jī)殼14內(nèi)包含例如發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)單元、燃料電池和蓄能裝置中的一個(gè)或更多個(gè)為給定的焊接操作或其它應(yīng)用提供必要的電力。在某些實(shí)施例中，逆變器式焊接系統(tǒng)10可被設(shè)計(jì)成用于其中一個(gè)或更多個(gè)市電電源可能至少暫時(shí)不能接取的各種位置(例如，遠(yuǎn)程的位置、遠(yuǎn)離典型的工作區(qū)域或工作站的位置、野外位置等)中。因此，電力供應(yīng)單元12可作為獨(dú)立單元來操作，從而在與附加的電源隔離時(shí)產(chǎn)生焊接操作和/或輔助操作所需的電力。

如圖1進(jìn)一步示出，電力供應(yīng)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(jīng)由刻度盤和開關(guān)18而控制焊接操作的機(jī)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(dāng)操作員經(jīng)由控制面板16來調(diào)整操作參數(shù)時(shí)，可產(chǎn)生信號(hào)并且該信號(hào)被可包含在電力供應(yīng)單元12內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)控制電路接收。電力供應(yīng)單元12控制器可根據(jù)這些輸入來實(shí)施期望的焊接操作。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，控制器可實(shí)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(shí)施例中，電極組件22可從電力供應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)單元12之間產(chǎn)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(chǎn)生電弧來執(zhí)行工件34的焊接。

在某些實(shí)施例中，如圖1進(jìn)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(yīng)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(tǒng)10的一個(gè)或更多個(gè)部件。例如，可拆卸的容器36可以是可連接到電力供應(yīng)單元12的外部部分的袋狀物、包狀物或類似容器。因?yàn)槟孀兤魇胶附酉到y(tǒng)10可用作便攜式(例如，能夠被單個(gè)操作員手提或被單個(gè)操作員四處搬運(yùn))發(fā)電機(jī)和/或焊接發(fā)電機(jī)，所以可拆卸的容器36可被設(shè)置成促進(jìn)逆變器式焊接系統(tǒng)10的便攜性。例如，可拆卸的容器36可由逆變器式焊接系統(tǒng)10的操作員用來包裝或存放電極組件22的一個(gè)或更多個(gè)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(yīng)單元12的示意性實(shí)施例。如圖示，逆變器式電力供應(yīng)單元12可包含全部封裝在單個(gè)機(jī)殼14內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)38、發(fā)電機(jī)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(shí)施例中，逆變器式電力供應(yīng)單元12可用于產(chǎn)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(xì)描述的。這些所命令的電力輸出電平可以是基于電流強(qiáng)度、電壓、焊絲類型、送絲速度、電極直徑等來命令。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)38可用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)40來產(chǎn)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(duì)附加裝置或其它輔助設(shè)備(例如，燈、研磨設(shè)備、切割工具等)供電和/或產(chǎn)生焊接電力輸出54(例如，DC電輸出)。

發(fā)動(dòng)機(jī)38可包含燃料源，用于將動(dòng)力提供給發(fā)電機(jī)40。發(fā)動(dòng)機(jī)38可包含由汽油、柴油、LP燃料、天然氣或其它燃料供能的內(nèi)燃機(jī)，并且可被配置成驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)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(yè)氣體/柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，在前述的額定功率和物理大小下，發(fā)動(dòng)機(jī)38可被稱為小型工業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)。耦接到發(fā)動(dòng)機(jī)38的發(fā)電機(jī)40可將發(fā)動(dòng)機(jī)38的動(dòng)力輸出(例如，機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電力，從而產(chǎn)生交流(AC)電壓輸出。在某些實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)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(dá)約5000W。

如上所述，電力供應(yīng)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(shí)施例中，橋式整流器56可包含用于將經(jīng)由發(fā)電機(jī)40產(chǎn)生的傳入的AC電壓信號(hào)(例如，115V、120V、200V、208V、230V或類似的額定電壓)轉(zhuǎn)換(例如，整流)為經(jīng)濾波的直流(DC)電壓信號(hào)的二極管(例如，D1、D2、D3和D4)的結(jié)構(gòu)(例如，H橋結(jié)構(gòu))。如果低AC電壓由發(fā)電機(jī)40供應(yīng)，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(jīng)整流且濾波的DC電壓信號(hào)可接著被傳輸?shù)捷o助逆變器43的電力開關(guān)60(例如，半導(dǎo)體開關(guān)Q1、Q2、Q3、Q4)或被傳輸?shù)胶附与娏δ孀兤?4的電力開關(guān)62(例如，半導(dǎo)體開關(guān)Q5、Q6、Q7、Q8)以分別產(chǎn)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(guān)60(例如，開關(guān)Q1、Q2、Q3、Q4)可將經(jīng)整流且濾波的DC電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為AC電壓信號(hào)，所述AC電壓信號(hào)可接著經(jīng)由輸出電路47的電感器64和電容器66而濾波以產(chǎn)生恒定的AC輔助電力輸出52。應(yīng)了解，電力開關(guān)60和62可包含例如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)等集成電力電子開關(guān)裝置的任何結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)可被控制(例如，由控制電路50控制)以從“開啟”(例如，啟用)狀態(tài)和“關(guān)斷”(例如，停用)狀態(tài)切換來控制經(jīng)由逆變器43和/或逆變器44進(jìn)行的電力轉(zhuǎn)換，并且由此擴(kuò)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(guān)62(例如，開關(guān)Q5、Q6、Q7、Q8)可將經(jīng)整流且濾波的DC電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為AC電壓信號(hào)，所述AC電壓信號(hào)可接著經(jīng)由降壓和/或隔離變壓器46而被減小(例如，降壓)到適用于產(chǎn)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?qū)⒗缬赡孀兤?4的電力開關(guān)62所產(chǎn)生的AC電壓信號(hào)減小到適用于產(chǎn)生焊接電力輸出以供應(yīng)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(yīng)單元12的特定的焊接電路與電力供應(yīng)單元12的AC輔助電力輸出52電路。輸出電路48可接著經(jīng)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(hào)轉(zhuǎn)換回DC電壓信號(hào)。新的DC電壓信號(hào)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(yīng)了解，AC輔助電力輸出52可用于對(duì)另一外部裝置和/或其它輔助設(shè)備供電。例如，逆變器式電力供應(yīng)單元12可將AC輔助電力輸出52供應(yīng)到外部照明設(shè)備、研磨設(shè)備、切割工具等。同樣，如上所述，逆變器式電力供應(yīng)單元12還可用于產(chǎn)生焊接電力輸出，例如，以執(zhí)行一個(gè)或更多個(gè)焊接操作。此外，通過提供逆變器43和44結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)38和發(fā)電機(jī)40，逆變器式電力供應(yīng)單元12可比其它發(fā)電機(jī)和/或焊接系統(tǒng)更顯著安靜地操作。

在某些實(shí)施例中，如圖2進(jìn)一步圖示，發(fā)動(dòng)機(jī)38、發(fā)電機(jī)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?？刂齐娐?0可包含模擬控制電路，或可包含處理器70和/或其它數(shù)據(jù)處理電路，該處理器70和/或其它數(shù)據(jù)處理電路可通信地耦接到存儲(chǔ)器72以執(zhí)行指令來控制例如發(fā)動(dòng)機(jī)38、發(fā)電機(jī)40和橋式整流器56以及相應(yīng)逆變器43和44的電力開關(guān)60和62的一個(gè)或更多個(gè)參數(shù)。這些指令可按照例如存儲(chǔ)器72和/或其它存儲(chǔ)裝置等有形的非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中所存儲(chǔ)的程序或代碼來編碼。處理器70可以是通用處理器、系統(tǒng)芯片(SoC)裝置、專用集成電路(ASIC)或其它處理器結(jié)構(gòu)。類似地，存儲(chǔ)器72可包含例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、閃存(例如，NAND)等。

在一個(gè)實(shí)施例中，控制電路50可用于控制相應(yīng)逆變器43和44的電力開關(guān)60和62或逆變器式電力供應(yīng)單元12的其它部件，以產(chǎn)生對(duì)輔助設(shè)備供電的穩(wěn)定的AC電力輸出(例如，AC輔助電力輸出52)和/或產(chǎn)生支持一個(gè)或更多個(gè)焊接操作和/或焊接過程的穩(wěn)定的DC焊接電力輸出。例如，逆變器式電力供應(yīng)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(shí)施例中，控制電路50可通過調(diào)整逆變器44的輸出級(jí)處所檢測(cè)的電壓和/或電流強(qiáng)度反饋信號(hào)將所輸出的電流強(qiáng)度(例如，經(jīng)由焊炬26產(chǎn)生的電弧的電流強(qiáng)度)控制為預(yù)定的CC值。在其它實(shí)施例中，逆變器式電力供應(yīng)單元12可用于執(zhí)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(shí)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(fā)地(例如，同時(shí)地)產(chǎn)生焊接電力輸出54。也就是說，電力供應(yīng)單元12可實(shí)質(zhì)上同時(shí)地(例如，實(shí)質(zhì)上同時(shí)地發(fā)生)和/或并發(fā)地(例如，并行地或?qū)嵸|(zhì)上同時(shí)地發(fā)生)產(chǎn)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(yīng)單元12以例如約3000W的額定輸出功率操作，那么電力供應(yīng)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?qū)嵸|(zhì)上同時(shí)地并發(fā)地為AC輔助電力輸出52和DC焊接電力輸出54的每個(gè)提供1500W的電力。

然而，應(yīng)了解，作為相應(yīng)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(shè)備和/或經(jīng)由電力輸出54而執(zhí)行的具體焊接操作或任務(wù)。因此，當(dāng)電力供應(yīng)單元12并發(fā)地供應(yīng)電力輸出52和54時(shí)，總電力輸出(例如，1000W、2000W、3000W、3500W等)可以在或可以不在相應(yīng)電力輸出52和54之間均勻地劃分。此外，因?yàn)槟孀兤魇诫娏?yīng)單元12的本發(fā)明的實(shí)施例可被設(shè)計(jì)成用于各種位置(例如，遠(yuǎn)程的位置、遠(yuǎn)離典型的工作區(qū)域或工作站的位置、野外位置等)中，具有作為獨(dú)立發(fā)電機(jī)、獨(dú)立焊接機(jī)或同時(shí)作為獨(dú)立發(fā)電機(jī)和獨(dú)立焊接機(jī)來操作的能力，因此可向操作員提供如下優(yōu)點(diǎn)：具有用于輔助設(shè)備(例如，在露營(yíng)地或其它野外工地的照明)的充足電力以及用于執(zhí)行一個(gè)或更多個(gè)焊接操作(例如，在露營(yíng)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(shí)施的逆變器式電力供應(yīng)單元12的先前論述的電力轉(zhuǎn)換和控制技術(shù)的實(shí)例。如圖3的曲線圖76所示，控制電路50可產(chǎn)生與所產(chǎn)生的三角波AC電壓信號(hào)84(例如，鋸齒載波信號(hào))待比較的基準(zhǔn)正弦波AC電壓信號(hào)86(例如，調(diào)制信號(hào))。類似地，控制電路50還可將正弦波AC電壓信號(hào)86的反相信號(hào)與三角波AC電壓信號(hào)84進(jìn)行比較。AC電壓信號(hào)86還可全部在控制電路50的存儲(chǔ)器72中所存儲(chǔ)的軟件內(nèi)合成。信號(hào)84和86可接著用于驅(qū)動(dòng)和/或控制逆變器43的電力開關(guān)60和/或逆變器44的電力開關(guān)62。逆變器43和/或逆變器44的所得輸出電壓信號(hào)可以是經(jīng)脈寬調(diào)制(PWM)的逆變信號(hào)90，如曲線圖78所示。為了產(chǎn)生輔助電力輸出52，可接著對(duì)信號(hào)90進(jìn)行濾波(例如，經(jīng)由AC輸出電路47來濾波)以產(chǎn)生經(jīng)濾波(例如，“整潔的”且穩(wěn)定的)的AC電壓信號(hào)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(yīng)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(shè)備(例如，照明設(shè)備、研磨設(shè)備、切割工具等)可耦接到電力插座20。

以類似方式，為了產(chǎn)生焊接電力輸出54，可經(jīng)由變壓器46來減小(例如，降壓)曲線圖82的電壓電流信號(hào)91，并且經(jīng)由DC輸出電路48轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生DC焊接電壓信號(hào)(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(yīng)單元12的焊炬26，焊炬26可接著用于產(chǎn)生電弧來執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)焊接操作和/或焊接過程。應(yīng)再一次了解，逆變器式電力供應(yīng)單元12可分別地或?qū)嵸|(zhì)上同時(shí)地(例如，并行地)產(chǎn)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(fā)明的某些特征，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可進(jìn)行許多修改和改變。因此，應(yīng)理解，所附權(quán)利要求書意圖涵蓋落入本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi)的所有這些修改和改變。