DE202012012968U1

DE202012012968U1 - Dynamische Leistungsfaktorkorrektur und dynamische Steuerung für einen Umformer in einer Stromversorgung

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Publication number: DE202012012968U1
Application number: DE202012012968.6U
Authority: DE
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2022-11-09
Also published as: US8829869B2; WO2013068817A1; US20130114306A1

Abstract

Stromversorgung, die Folgendes umfasst: einen Eingangsstromkreis, der ein Eingangssignal mit einer variablen Spannung empfängt und einen Fixspannungsgleichstrombus (B1) ausgibt; einen Ausgangsstromkreis, der den Fixspannungsgleichstrombus (B1) empfängt und ein Ausgangssignal an eine Last ausgibt; und einen Regler (109), der den Betrieb von mindestens einem Schalter (205, 207, 213, 215) in dem Eingangsstromkreis steuert, um das Eingangssignal einer Leistungsfaktorkorrektur zu unterziehen, wobei der Regler (109) ein Spannungskompensatormodul (305) umfasst, das eine Leistungsfaktorkorrekturfunktion verwendet, die mindestens einen Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten aufweist, der zum Ausgeben eines Bezugssignals verwendet wird, das für die Leistungsfaktorkorrektur des Eingangssignals verwendet wird; wobei das Spannungskompensatormodul (305) ein Bezugssignal empfängt, das eine Spannung und/oder eine Frequenz des Eingangssignals darstellt, und das Spannungskompensatormodul (305) den mindestens einen Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten auf der Basis des Bezugssignals ändert.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Vorrichtungen, Systeme und Verfahren gemäß der Erfindung betreffen die Leistungsumformung, und betreffen insbesondere die dynamische Leistungsfaktorkorrektur und dynamische Steuerungsumformer in Schaltmodus-Stromversorgungen, und betreffen insbesondere Schweiß- und Schneidstromversorgungen.
AUFNAHME IN DEN VORLIEGENDEN TEXT DURCH BEZUGNAHME
Die vorliegende Anmeldung betrifft Stromversorgungen und ihre Steuerung. Topologien, Struktur, Betrieb und Steuerung solcher Topologien sind dem Fachmann auf dem Gebiet des Schweißens und Schneidens bekannt. Anstatt diese bekannten Aspekte im vorliegenden Text zu wiederholen, werden folgende US-Patentanmeldungen Nr. 11/551,957, eingereicht am 23. Oktober 2006; 11/087,179, eingereicht am 24. März 2005; 10/889,866, eingereicht am 13. Juli 2004; 11/051,196, eingereicht am 7. Februar 2005; 12/477,511, eingereicht am 3. Juni 2009; und 12/477,550, eingereicht am 3. Juni 2009, und ihre vollständigen Offenbarungen in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Im Zuge der Weiterentwicklung der Schweißtechnologie und Schweißanwendungen sind auch die Anforderungen an Schweiß- und Schneidstromversorgungen gestiegen. Diese gestiegenen Anforderungen erfordern Stromversorgungen, die eine höhere Stromdichte und Ausgangsleistung bereitstellen können. Deshalb besteht Bedarf am Bau von Stromversorgungen, die diese Anforderungen erfüllen. Eine solche Lösung ist die Verwendung von Stromversorgungen vom Wechselrichtertyp. Diese Stromversorgungen bieten höhere Flexibilität und Ausgangsleistung. Jedoch sind diese Arten von Stromversorgungen immer noch mit betrieblichen Ineffizienzen behaftet.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Stromversorgung mit einem Eingangsstromkreis, der ein Eingangssignal mit einer variablen Spannung empfängt und einen Fixspannungsgleichstrombus ausgibt, und einem Ausgangsstromkreis, der den Fixspannungsgleichstrombus empfängt und ein Ausgangssignal an eine Last ausgibt. Die Stromversorgung hat außerdem einen Regler, der den Betrieb von mindestens einem Schalter in dem Eingangsstromkreis steuert, um das Eingangssignal einer Leistungsfaktorkorrektur zu unterziehen. Der Regler enthält ein Spannungskompensatormodul, das eine Leistungsfaktorkorrekturfunktion verwendet, die mindestens einen Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten aufweist, der zum Ausgeben eines Bezugssignals verwendet wird, das für die Leistungsfaktorkorrektur des Eingangssignals verwendet wird. Das Spannungskompensatormodul empfängt ein Bezugssignal, das eine Spannung und/oder eine Frequenz des Eingangssignals darstellt, und das Spannungskompensatormodul ändert den Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten auf der Basis des Bezugssignals. Weitere Ausführungsformen und/oder Merkmale der Erfindung werden aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben dargelegten und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden besser verstanden, indem beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung im Detail mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschreiben werden, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 veranschaulicht eine schaubildhafte Darstellung eines Schweißsystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht eine schaubildhafte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer verschachtelten Inversleistungssektion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3A bis 5 veranschaulichen schaubildhafte Darstellungen einer beispielhaften Ausführungsform eines Reglers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 und 7 veranschaulichen schaubildhafte Darstellungen einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden nun im Folgenden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung unterstützen und sind nicht dazu da, den Geltungsbereich der Erfindung in irgend einer Weise einzuschränken. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen stets gleiche Elemente.
Es ist anzumerken, dass sich die folgenden Besprechungen allgemein auf den Kontext des Gebietes der Schweiß- und Schneidstromversorgungen beziehen. Jedoch sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf solche Arten von Stromversorgungen beschränkt und können in vielen verschiedenen Arten von Stromversorgungen implementiert werden, die eine dynamische Last haben und bei denen eine optimierte Leistung und Leistungsfaktorkorrektur wünschenswert sind. Zu Beispielen solcher Stromversorgungen gehören Schaltmodus-Stromversorgungen mit ähnlichen allgemeinen Topologien wie die im vorliegenden Text beschriebene Topologie; und diese werden durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen.
Wenden wir uns nun den Figuren der vorliegenden Anmeldung zu. 1 zeigt ein beispielhaftes Schweißsystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 100 empfängt ein Wechselstromsignal als sein Eingangssignal und ist in 1 so gezeigt, dass es ein 3-phasiges Eingangssignal empfängt. Jedoch sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt und können auch ein einphasiges Wechselstromeingangssignal empfangen. Das empfangene Wechselstromeingangssignal wird durch Schalter 115 und in einen primären Eingangsgleichrichter 101 geleitet. Der primäre Eingangsgleichrichter 101 richtet das Wechselstromsignal gleich, um ein gleichgerichtetes Gleichstromsignal zu erzeugen. Der primäre Eingangsgleichrichter 101 ist von bekannter Konstruktion und Funktion und wird im vorliegenden Text nicht im Detail beschrieben. Der primäre Eingangsgleichrichter 101 kann entweder ein Vollbrücken- oder ein halb-brückenloser Gleichrichter sein. Das Wechselstromsignal kann in Spannung und Frequenz in Abhängigkeit von der Stromquelle und/oder dem Land, in dem das System betrieben wird, variieren. Zum Beispiel kann das Wechselstromeingangssignal aus einem Versorgungsnetz kommen, das im Bereich von 100 bis 660 Volt bei 50 oder 60 Hz liegen kann, oder kann von einem tragbaren Generator kommen, der ebenfalls eine variierende Spannung und Frequenz haben kann. Somit ist das System 100 in der Lage, ungeachtet der Größenordnung, des Phasentyps und der Frequenz der Eingangswechselspannung ordnungsgemäß zu arbeiten und ein Schweiß- oder Schneidsignal auszugeben.
Das gleichgerichtete Gleichstromsignal wird in einen verschachtelten Inversschaltkreis 103 geleitet. In einigen beispielhaften Ausführungsformen wird ein Kondensator C1 zwischen dem primären Eingangsgleichrichter 101 und dem verschachtelten Inversschaltkreis 103 positioniert, um das gleichgerichtete Gleichstromsignal zu glätten. Der verschachtelte Inversschaltkreis 103 ist befähigt, die Spannung des gleichgerichteten Gleichstromsignals zu verringern oder zu erhöhen, so wie es benötigt wird, um einen Fixspannungsgleichstrombus B1 an seinem Ausgang aufrecht zu erhalten. Somit ist der verschachtelte Inversschaltkreis ein geregelter Schaltkreis, um eine konstante Bus B1-Spannung bereitzustellen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist der Gleichstrombus B1 ungeachtet der Eingangsspannung des Wechselstromsignals auf eine Spannung von 400 V– fixiert. Jedoch kann, wie weiter unten noch ausführlicher erläutert wird, in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die fixe Spannung des Gleichstrombus B1 in Abhängigkeit von bestimmten betrieblichen Charakteristika und auf der Basis von Parametern des Eingangswechselstromsignals variieren. Somit ist in einigen Ausführungsformen die fixe Spannung des Gleichstrombus B1 gemäß verschiedenen betrieblichen Parametern verschieden, um die Effizienz zu erhöhen. Es versteht sich natürlich, dass die Spannung des Bus B1 während des Betriebes geringfügig variieren kann, auch wenn der Bus B1 ein fixer Gleichstrombus mit einer gewünschten fixen Betriebsgleichspannung ist. Diese unbedeutenden betrieblichen Schwankungen oder Transienten sind bekannt und erwartet, aber stellen immer noch einen fixen Gleichstrombus dar.
Es ist anzumerken, dass Ausführungsformen des Systems 100 der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung verschachtelter Inversschaltkreise (wie als 103 gezeigt) beschränkt sind, sondern dass auch andere Arten von Schaltkreisen, wie zum Beispiel Abwärtsschaltkreise, Aufwärtsschaltkreise oder Inversschaltkreise verwendet werden können. Das heißt, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie im vorliegenden Text beschrieben, können mit vielen verschiedenen Arten von Systemen verwendet werden, die mit einem Umformerschaltkreis arbeiten, der ein gleichgerichtetes Wechselstromsignal zu einer relativ fixen Busspannung umformt, wie zum Beispiel die, die oben genannt wurden. Somit kann das System 100 einen Aufwärtsschaltkreis, einen Abwärtsschaltkreis oder einen Inversschaltkreis verwenden (anstelle des gezeigten verschachtelten Inversschaltkreises), der eine relativ fixe Busspannung erzeugt und dafür verwendet wird, eine Leistungsfaktorkorrektur für das System 100 zu implementieren, ohne vom Geist und Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Des Weiteren können die Beschreibung und Struktur von im vorliegenden Text beschriebenen Ausführungsformen mit solchen Schaltkreisen durch einen Fachmann gemäß den Besprechungen im vorliegenden Text implementiert werden.
In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform kann der Gleichstrombus B1 einen Speicherkondensator C2 haben, der Energie speichern kann, so dass der Stromfluss zu dem Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer 105 ununterbrochen bleibt, wenn die Last oder das Eingangssignal während des Betriebes variiert. Insofern also der Kondensator C2 vorhanden ist, sollte er so bemessen sein, dass die gewünschte Energiespeicherung realisiert werden kann.
In dem System 100 befindet sich hinter dem verschachtelten Inversschaltkreis 103 einen Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer 105, der die Gleichspannung des ersten Gleichstrombus B1 zu einer zweiten Gleichspannung für einen zweiten Gleichstrombus B2 umformt. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer 105 einen Wechselrichter, einen Hochfrequenztransformator und einen Gleichrichter zum Umformen der Spannung des Gleichstrombus B1 zu einer zweiten fixen Busspannung für den zweiten Gleichstrombus B2. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer eine ungeregelte Stufe, dergestalt, dass er lediglich ein konstantes Umwandlungsverhältnis für die Spannung des ersten Gleichstrombus B1 verwendet, um die zweite Bus B2-Spannung zu erhalten. Zum Beispiel kann in einer beispielhaften Ausführungsform der Transformator ein 4-zu-1-Windungsverhältnis haben, was einen 100 V-Gleichstrombus B2 ergeben würde, wenn die erste Bus B1-Spannung 400 V– beträgt. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer 105 eine geregelte Stufe sein. Eine ausführlichere Beschreibung und Besprechung der Konstruktion, des Betriebes und der Funktion dieser Topologie findet sich in den Anmeldungen, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen sind. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann diese Stufe in Abhängigkeit von dem gewünschten Ausgangssignal dieser Stufe auch ein Wechselrichter oder Transformator sein.
Hinter dem zweiten Gleichstrombus B2 befindet sich eine Ausgangsstufe 107, die das Signal von dem zweiten Gleichstrombus B2 aufnimmt und ein gewünschtes Ausgangssignal bereitstellt. Das Ausgangssignal kann jede Form haben, wie zum Beispiel Gleichstrom oder Wechselstrom, und kann nach Bedarf zum Schweißen oder Schneiden verwendet werden. Insofern kann diese Ausgangsstufe ein Ausgangsgleichrichter, eine PWM-Stufe, ein Zerhacker oder dergleichen sein, um das gewünschte Ausgangssignal bereitzustellen. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht durch die Konstruktion der Ausgangsstufe 107 beschränkt. Die Ausgangsstufe 107 kann durch eine beliebige Anzahl bekannter Mittel oder Verfahren gesteuert werden, um das gewünschte Schweiß- oder Schneidsignal bereitzustellen; diese werden im vorliegenden Text nicht im Detail beschrieben. Eine weiterführende Beschreibung und Besprechung der Konstruktion und des Betriebes dieser Stufen findet sich in den Anmeldungen, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen sind.
Das System 100 enthält außerdem einen dynamischen Regler 109, der den Betrieb mindestens des verschachtelten Inversschaltkreises 103 steuert. Eine detailliertere Besprechung des dynamischen Reglers 109 wird unten dargelegt.
Wie in 1 gezeigt, empfängt der dynamische Regler 109 in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein Eingangsspannungssignal von einem sekundären Eingangsgleichrichter 111. Der sekundäre Eingangsgleichrichter 111 empfängt das Wechselstromeingangssignal und richtet es gleich (ähnlich dem Gleichrichter 101) und übermittelt ein Signal V_ref an den dynamischen Regler 109. Der Steuerstromkreis 117 empfängt ein Signal von dem gleichgerichteten Wechselstromsignal, stromabwärts des Gleichrichters 101, und speist Steuerstrom in den dynamischen Regler 109 ein. In einigen Ausführungsformen kann der Steuerstromkreis 117 dafür konfiguriert sein, eine Anzahl verschiedener separater Steuerspannungen bereitzustellen, die benötigt werden, um den Regler 109 und eventuelle weitere Steuerelektronik innerhalb des Systems 100, die einen Anfangsstrom benötigt, einzuschalten. Zum Beispiel kann der Regler 109 mehrere Steuerstrompegel erfordern (zum Beispiel im Bereich zwischen 2 und 15 Volt), um den Betrieb seiner verschiedenen Module zu beginnen, die alle durch den Steuerstromkreis 117 bereitgestellt werden können. In der gezeigten Ausführungsform empfängt der sekundäre Eingangsgleichrichter 111 das Wechselstromeingangssignal stromaufwärts des primären Eingangsgleichrichters 101, so dass das Signal V_ref zu dem Regler 109 nicht durch den Kondensator C1 und/oder den Schaltkreis 103 verzerrt wird. Weil das System 100 befähigt ist, über einen weiten Bereich von Eingangssignalen hinweg zu arbeiten (zum Beispiel 100 bis 660 Volt, ein- und dreiphasig, und 50 bis 60 Hz), sollte der Steuerstromkreis natürlich auch dafür konfiguriert sein, über diese gleichen Eingangsbedingungsbereiche zu arbeiten wie das System 100. Des Weiteren kann der Steuerstromkreis in anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung seinen Steuerstrom von anderen Punkten in dem System 100 ziehen. Zum Beispiel kann der Steuerstrom in einigen beispielhaften Ausführungsformen von dem Wechselstromsignal vor dem primären Eingangsgleichrichter 101, dem ersten Gleichstrombus B1 oder dem zweiten Gleichstrombus B2 kommen, ohne vom Geist oder Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Implementierung solcher Steuerstromkreise ist allgemein bekannt.
Wie in 1 gezeigt, empfängt der dynamische Regler 109 sein Bezugssignal stromaufwärts des primären Gleichrichters 101. Jedoch kann in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sein Bezugssignal auch von anderen Quellen kommen, ohne vom Geist und Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann das Bezugssignal für den Regler 109 auch von dem gleichgerichteten Signal stromabwärts des Gleichrichters 101 kommen. Solche Konfigurationen sind allgemein bekannt und brauchen im vorliegenden Text nicht im Detail besprochen zu werden. Weil das System 100 befähigt ist, über einen weiten Bereich von Eingangsspannungen hinweg zu arbeiten (zum Beispiel 100 bis 660 Volt), entweder mit einem ein- oder dreiphasigen Wechselstromsignal, und über einen Bereich von Wechselstromsignalfrequenzen hinweg (zum Beispiel 50 bis 60 Hz), muss die Steuerstromschaltung natürlich auch in der Lage sein, Steuerstrom an den Regler 109 über die gleichen Bereiche zu senden. Solche Technologie ist allgemein bekannt und braucht im vorliegenden Text nicht im Detail beschrieben zu werden.
Des Weiteren wird in den dynamischen Regler 109 eine Eingangsbezugsspannung V_ref eingespeist, die die Eingangsspannung in den verschachtelten Inversschaltkreis 103 ist. In der gezeigten Ausführungsform wird die Eingangsbezugsspannung V_ref von dem gleichgerichteten Gleichstromsignal von dem sekundären Eingangsgleichrichter 111 genommen. Durch Bereitstellen des Signals von diesem Punkt wird das Signal V_ref nicht durch den verschachtelten Inversschaltkreis 103 beeinflusst oder verändert. Der dynamische Regler 109 empfängt außerdem mindestens ein Stromrückmeldesignal von dem verschachtelten Inversschaltkreis 103. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Stromrückmeldesignal proportional dem Eingangsstrom. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform wird das Stromrückmeldesignal von einem Eingangsstromgenerator 113 in den dynamischen Regler 109 eingespeist. In einer beispielhaften Ausführungsform nimmt der Eingangsstromgenerator 113 ein Signal von einem Strommesswandler oder Stromsensor entgegen und gibt ein synthetisiertes und integriertes Signal aus, das den Eingangsstrom zu dem verschachtelten Inversschaltkreis 103 darstellt. Der Betrieb und die Konstruktion einer beispielhaften Ausführungsform des Eingangsstromgenerators 113 sind in den US-Patentanmeldungen Nr. 12/477,550 und 12/477,511 dargelegt, die beide am 3. Juni 2009 eingereicht wurden und die beide in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Darum werden der detaillierte Betrieb und die genaue Konstruktion des Eingangsstromgenerators im vorliegenden Text nicht im Detail besprochen.
Weil der verschachtelte Inversschaltkreis 103 durch den dynamischen Regler 109 geregelt wird, hat er mindestens zwei Zuleitungen L1 und L2, die an den verschachtelten Inversschaltkreis 103 angeschlossen sind, um den Betrieb der Inversschalter zu steuern, was unten im Detail beschrieben wird.
Der dynamische Regler 109 empfängt ein erstes Gleichstrombus-Bezugsspannungssignal VB1, so dass der dynamische Regler 109 sicherstellen kann, dass der erste Gleichstrombus B1 durch den verschachtelten Inversschaltkreis 103 auf den gewünschten fixen Spannungspegel geregelt wird. Somit wird das erste Gleichstrombus-Bezugsspannungssignal VB1 als Rückmeldung verwendet, um sicherzustellen, dass der erste Gleichstrombus B1 auf dem gewünschten fixen Buspegel gehalten wird.
Des Weiteren empfängt der dynamische Regler 109 in einigen beispielhaften Ausführungsformen ein Ausgangsbezugssignal S_out stromabwärts der Ausgangsstufe 107. Das Ausgangsbezugssignal S_out stellt die Ausgangslast oder den Ausgangsstrom der Schweiß- oder Schneidstromversorgung dar, um eine Rückmeldung bezüglich des Ausgangssignals des Systems 100 an den Regler 109 bereitzustellen.
Der dynamische Regler 109 kann in einer beliebigen Anzahl von Möglichkeiten konstruiert sein und kann in einer Anzahl von Möglichkeiten implementiert werden, ohne vom Geltungsbereich und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der dynamische Regler ein digitaler Regler und kann zum Beispiel ein digitaler Signalregler der Baureihe C2000 von der Firma Texas Instruments sein. Natürlich soll dieses Beispiel keine Einschränkung darstellen, da auch andere Arten von Reglern verwendet werden können, solange sie in der Lage sind, Funktionen auszuführen, die denen ähnlich sind, die im vorliegenden Text besprochen werden.
2 ist ein veranschaulichendes Schaubild eines beispielhaften verschachtelten Inversschaltkreises 103 der vorliegenden Erfindung. Der Schaltkreis 103 hat mindestens zwei verschachtelte Inversmodule 201 und 203. Die Module 201 und 203 sind gleich konstruiert. Jedes der Module 201 und 203 hat mindestens einen Abwärtsschalter 205 bzw. 207, eine Induktionsspule 209 bzw. 211 und einen Aufwärtsschalter 213 bzw. 215. Eine Anzahl von Dioden 217, 219, 221 und 223 werden in der gezeigten beispielhaften Ausführungsform verwendet. Jedes der Module 201 und 203 arbeitet außerdem in der gleichen Weise, um die ankommende gleichgerichtete Spannung entweder zu verstärken oder zu verringern, so wie es durch den dynamischen Regler 109 vorgegeben wird. Jeder der Schalter 205, 207, 213 und 215 ist mit dem dynamischen Regler 109 verbunden, so dass der dynamische Regler 109 ihrem Betrieb in der gewünschten Weise steuern kann. Das Ausgangssignal jedes der Module 201 und 203 wird kombiniert, um den ersten fixen Gleichstrombus B1 bereitzustellen, wie oben besprochen.
Der verschachtelte Inversschaltkreis 103 enthält außerdem mindestens zwei Strommesswandler 225 und 227 für das Modul 201 bzw. 203.
Wenden wir uns nun den 3A bis 5 zu und widmen uns einer detaillierten Besprechung der Konstruktion und des Betriebes des dynamischen Reglers 109. Der dynamische Regler 109 dient dazu, eine Reihe von Aspekten des Betriebes der Stromversorgung 100 dynamisch zu steuern, einschließlich beispielsweise Leistungsfaktorkorrektur, die Spannung des ersten Gleichstrombus B1, und der relative Anteil jedes der Inversmodule 201 und 203 am Ausgangsstrom des verschachtelten Inversschaltkreises 103.
Es ist allgemein bekannt, entweder eine Abwärts- oder Aufwärtsstufe in einer Schweiß- oder Schneidstromversorgung so zu steuern, dass eine Leistungsfaktorkorrektur erreicht wird. Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis der realen Leistung des Systems 100 zur scheinbaren Leistung des Systems 100. Eine Leistungsfaktorkorrektur ist die Verbesserung dieses Verhältnisses dergestalt, dass ebenso viel der scheinbaren Leistung genutzt wird. Eine Leistungsfaktorkorrektur, in erster Linie eine aktive Leistungsfaktorkorrektur, erfolgt unter Verwendung eines Zweischleifensteuerungsregimes, um eine Busspannung (beispielsweise den Gleichstrombus B1) zu regeln und den Eingangsstrom (zum Beispiel in der Abwärts- oder Aufwärtsstufe einer Stromversorgung) sinusförmig zu formen und dabei so wenig wie möglich Phase und Form zu verzerren. Dies verbessert die Effizienz und reduziert die elektrische Belastung des Systems 100. Jedoch ist die Verwendung einer Leistungsfaktorkorrektur bis heute sehr eingeschränkt und hat sogar den Betrieb von Stromversorgungen nicht optimiert. Das liegt daran, dass eine Leistungsfaktorkorrektursteuerung von Stromversorgungen bis heute unter Verwendung einer Steuerungsmethodologie ausgeführt wurde, die eine statische oder konstante Steuerungsfunktion hat. Eine solche Steuerungsfunktion verwendet einen einzelnen Satz von Kompensatoren für alle Eingangsbedingungen. Das heißt, ungeachtet dessen, ob das Eingangssignal ein- oder dreiphasig ist oder nicht, ungeachtet der Last und ungeachtet der verwendeten Eingangsspannung und -frequenz wird ein einziger Satz von Kompensatoren zum Durchführen einer Leistungsfaktorkorrektur verwendet. Das heißt, ungeachtet der verschiedenen Parameter eines bestimmten Arbeitsgangs wird der einzelne Satz von Kompensatoren für die Stromwellenformung verwendet. Dies führt zu einer Stromversorgung mit einer Leistungsfaktorkorrekturfunktion, die für keinen einzigen vorgegebenen Satz von betrieblichen Parametern optimiert ist, sondern vielmehr einen Kompromiss für den Bereich von betrieblichen Parametern darstellt, die eine Stromversorgung antreffen kann. Ein solcher Kompromiss begrenzt die Leistungsverbesserungen, den Leistungsfaktor und den Wirkungsgrad dieser Systeme.
Es ist anzumerken, dass jede der 3A bis 5 den gleichen Regler 109 hat, der aber der besseren Erkennbarkeit wegen in separaten Figuren gezeigt ist, um die jeweiligen Module und Verbindungen innerhalb des Reglers 109 zu zeigen.
3A zeigt einen ersten Abschnitt des Reglers 109, der das Gleichstrom-gleichgerichtete Eingangsspannungsbezugssignal V_ref von dem Gleichrichter 111 empfängt. Dieses Bezugssignal V_ref wird auf verschiedene Art genutzt, um eine dynamische Leistungsfaktorkorrektur bereitzustellen. Zuerst wird dieses Bezugssignal V_ref zur Leitung A abgezweigt, um die gewünschte Wellenform für den verschachtelten Inversschaltkreis 103 darzustellen, und wird zu einem Multiplikator M2 gesendet, um zum Erzeugen des Strombezugssignals I_ref verwendet zu werden. Als Zweites wird dieses Eingangsbezugssignal durch ein Tiefpassfilter 301 geleitet, um einen Wert von 1/C² zu haben, wobei C die effektive Spannung des gleichgerichteten Signals stromabwärts des Gleichrichters 111 ist. Das Signal von dem Tiefpassfilter 301 wird an einen weiteren Multiplikator M1 gesendet, um zum Erzeugen des Strombezugssignals I_ref verwendet zu werden. Außerdem wird V_ref an ein dynamisches Spannungskompensatormodul 305 geschickt, dessen Funktionsweise weiter unten besprochen wird. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (wie in 3A gezeigt) wird ein Frequenzberechnungsmodul 303 in Reihe zwischen dem V_ref-Signal und dem dynamischen Spannungskompensatormodul 305 angeordnet. Das Frequenzberechnungsmodul 303 bestimmt die Frequenz des gleichgerichteten Signals, die variieren kann. Wie oben dargelegt, haben die Eingangswechselstromsignale von Versorgungsunternehmen entweder 50 oder 60 Hz, während Eingangswechselstromsignale von Generatoren oder tragbaren Stromversorgungen über einen weiten Bereich variieren können. Nachdem die Frequenz bestimmt wurde, sendet das Frequenzberechnungsmodul 303 diese Informationen an das dynamische Spannungskompensatormodul 305. Die Frequenzinformationen werden verwendet, um die Dynamik des Kompensatormoduls 305 zu verbessern, indem die Koeffizienten justiert werden, die in dem Kompensator für die verschiedenen Eingangsfrequenzen verwendet werden, auf die das System 100 treffen kann. Das heißt, in einigen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, die Koeffizienten des dynamischen Spannungskompensatormoduls 305 zu ändern, um sie auf der Basis der Frequenz des Eingangssignals zu optimieren. Somit können in beispielhaften Ausführungsformen zuvor festgelegte Koeffizienten für Frequenzen ausgewählt werden, die ungefähr 50 Hz betragen, und ein separater Satz von Koeffizienten kann für Frequenzen ausgewählt werden, die ungefähr 60 Hz betragen, um die Leistung des Betriebes des verschachtelten Inversschaltkreises 103 zu optimieren. Natürlich sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht nur auf die Verwendung zweier separater Sätze von Koeffizienten (entweder 50 oder 60 Hz) beschränkt, da in anderen Ausführungsformen ein Algorithmus mit variablen Koeffizienten gespeichert werden kann, dergestalt, dass der Algorithmus die detektierte Frequenz verwendet, um den zweckmäßigen Satz von Koeffizienten für die detektierte Frequenz zu bestimmen und dann das dynamische Spannungskompensatormodul 305 mit diesen Koeffizienten zu konfigurieren. Dann, wie oben beschrieben, ändern sich die Koeffizienten (und somit die Kompensation in dem Modul 305) dynamisch entsprechend den detektierten Änderungen der Eingangsfrequenz. Darum können Frequenztransienten, die in Signalen auftreten können, die von Versorgungsunternehmen und von Generatoren kommen, in einer optimalen Weise bewältigt werden, weil sich die Koeffizienten in dem Modul 305 dynamisch und in Echtzeit mit den detektierten Transienten ändern.
Der Regler 109 empfängt außerdem das erste Gleichstrombus-Bezugssignal VB1, wie gezeigt, das ebenfalls zu dem dynamischen Spannungskompensatormodul 305 gesendet und dort genutzt wird. Das dynamische Spannungskompensatormodul 305 nutzt seine Eingangssignale zum Erzeugen eines Bezugssignals B, das in der dynamischen Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden soll. Das heißt, das dynamische Spannungskompensatormodul 305 nutzt seine Eingangssignale zum dynamischen Bestimmen eines Bezugssignals B anhand seiner Eingangssignale. Das Modul 305 kann entweder einen Algorithmus oder eine Nachschlagetabelle verwenden, um die Eingangssignale zu evaluieren und/oder zu vergleichen und ein optimales Bezugssignal B zu bestimmen, das zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet wird. Es ist allgemein bekannt, dass Kompensatoren, die zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden, Kompensationsfunktionen verwenden, die Eingangsdaten verwenden, um ein Ausgangssignal zur Leistungsfaktorkorrektur bereitzustellen. Solche Kompensationsfunktionen verwenden Koeffizienten oder Konstanten, die, wenn sie in der Kompensationsfunktion verwendet werden, ein gewünschtes Signal bereitstellen. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die dynamische Steuerung implementiert, indem man diese Koeffizienten variabel gestaltet, so dass sie sich dynamisch auf der Basis der Betriebsbedingungen der Stromversorgung ändern. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Leistungsfaktorkorrekturfunktion entweder quadratisch oder biquadratisch sein und kann mehrere Koeffizienten (d. h. Konstanten) verwenden, die sich dynamisch anhand detektierter Betriebbedingungen verändern, wie im vorliegenden Text beschrieben. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Kompensationsgleichung eine Gleichung sein, die mindestens einen sich dynamisch verändernden Koeffizienten nutzt. Jedoch ist es wünschenswerter, Kompensationsgleichungen zu verwenden, die mehrere Koeffizienten nutzen.
Wenn zum Beispiel die erste Gleichstrombusspannung abfällt (vielleicht wegen einer Lasterhöhung im System 100, wenn das Schweißen beginnt), so kann das Modul 305 seine Koeffizienten für das Bezugssignal B anhand dieses Abfalls modifizieren und dabei auch gleichzeitig die Eingangsspannung und/oder die Eingangsspannungsfrequenz berücksichtigen. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren gibt das Modul 305 ein gewünschtes Bezugssignals B aus, das sich dynamisch ändert, wenn sich die erste Gleichstrombusspannung ändert, die Eingangsfrequenz ändert und/oder die Eingangsspannung ändert. Dies erlaubt es, das Bezugssignal B (das zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet wird) für alle Betriebsbedingungen zu optimieren. Somit sind im Gegensatz zu bekannten Systemen die Koeffizienten, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, nicht konstant, sondern verändern sich vielmehr mit den detektierten Betriebs- und Schweißbedingungen, um die Systemleistung über einen weiten Bereich von Bedingungen hinweg zu optimieren. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden biquadratische Gleichungen, die mehrere Koeffizienten verwenden, in den im vorliegenden Text beschriebenen Kompensatormodulen genutzt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass ein verbessertes Ansprechverhalten auf Transienten erreicht werden kann. Wie zuvor beschrieben, verwenden bekannte Systeme einen einzelnen Satz von Koeffizienten in der Kompensationsgleichung für alle Betriebsbedingungen, auf die eine solche Stromversorgung treffen kann. Diese ausgewählten Koeffizienten bilden einen Kompromiss für die vielen möglichen Bedingungen, denen das System begegnen kann, anstatt einer Optimierung. Wie im vorliegenden Text erläutert, verwenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sich dynamisch verändernde Koeffizienten, die für verschiedene Betriebsbedingungen optimiert sind. Das heißt, Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können besser auf Transienten reagieren, die in dem Gleichstrombus B1 auftreten können, weil eine optimierte Auswahl von Koeffizienten für die angetroffenen Transientenereignisse bestimmt wird. Wenn zum Beispiel der Gleichstrombus B1 auf eine Transiente trifft, die die Busspannung VB1 drastisch verringert oder erhöht, so können Koeffizienten in dem Modul 305 zum Einsatz kommen, die einer erneuten Stabilisierung der Busspannung den Vorrang gegenüber einer Leistungsfaktorkorrektur einräumen, um den Bus B1 mit einer schnelleren Rate zurück zum gewünschten Spannungspegel zu führen, weil auf der Basis der Betriebsbedingungen festgestellt wird, dass dies die wichtigere Operation ist. Wenn umgekehrt die Transiente von minimaler Größenordnung ist, so können Koeffizienten ausgewählt werden, die einer Leistungsfaktorkorrektur den Vorrang gegenüber einer Wiederherstellung der Busspannung VB1 einräumen, so dass eine Wiederherstellung der Busspannung VB1 mit einer langsameren Rate stattfindet, als wenn die Transiente groß wäre. Somit können variable Koeffizienten dafür verwendet werden, die Systemleistung über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu optimieren, anstatt einen einzelnen Satz von Koeffizienten zu verwenden, der einen einfachen Kompromiss darstellt.
Wie in 3A gezeigt, wird in beispielhaften Ausführungsformen das erste Gleichstrombus-Bezugssignal VB1 zu einem Transientendetektions- und Justiermodul 307 (vor dem Kompensatormodul 305) geleitet, das betriebliche Transienten in der ersten Gleichstrombusspannung detektiert und ein Signal an das Kompensatormodul 305 sendet, um vorübergehende Transienten in dem ersten Gleichstrombus B1 zu berücksichtigen. Zum Beispiel kann eine Transiente aufgrund signifikanter Ereignisse oder Anomalien während eines Schweißvorgangs auftreten. Des Weiteren kann es in einigen beispielhaften Ausführungsformen wünschenswert sein, das Signal zu dem Kompensatormodul 305 zu ändern, um eine unerwartete Transiente in dem ersten Gleichstrombus B1 besser handhaben zu können.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird das erste Gleichstrombus-Bezugssignal VB1 auch an einen Komparator 309 gesendet, der das erste Gleichstrombus-Bezugssignal VB1 mit einem Busspannungs-Sollpunkt 310 vergleicht, der den gewünschten Bus B1-Spannungspegel setzt. In einigen Ausführungsformen kann der Sollpunkt 310 ein fixer Sollpunkt sein, der durch den Hersteller des Systems 100 dergestalt gesetzt wurde, dass ungeachtet der Betriebsbedingungen die Busspannung VB1 auf dem gesetzten Pegel zu halten ist. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Sollpunkt variabel sein und anhand von Informationen bestimmt werden, die in das System 100 vor seiner Inbetriebnahme eingegeben werden. Zum Beispiel kann das System 100 verschiedene Eingangsinformationen verwenden, zum Beispiel in Bezug auf erwartete Lastpegel usw., und eine gewünschte Busspannung VB1 für den Betrieb bestimmen und den Sollpunkt 310 auf diesen bestimmten Pegel setzen.
Des Weiteren wird, wie gezeigt, in einigen Ausführungsformen ein Ausgangsbezugssignal S_out (bei dem es sich um Ausgangsleistung, Strom oder Spannung handeln kann) an einen lastabhängigen variablen Kompensator 311 gesendet. Der Kompensator 311 empfängt das Ausgangsbezugssignal S_out, das dem Ausgangssignal des Systems 100 (siehe beispielsweise 1) entnommen wurde. Vom Kompensator 311 wird ein Signal zu dem dynamischen Spannungskompensatormodul 305 gesendet, das auch dafür verwendet wird, die Koeffizienten in dem Modul zu ändern, um ein gewünschtes Bezugssignal B bereitzustellen. Das heißt, die Koeffizienten, die durch das Kompensatormodul 305 verwendet werden, können auch durch dynamische Änderungen der Ausgangslast beeinflusst werden, einschließlich beispielsweise Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten. Wenn zum Beispiel die Anforderungen des Systems 100 gering sind (das heißt, wenn die Ausgangsleistung gering ist), so werden die ausgewählten Koeffizienten in dem Modul 305 so ausgewählt, dass die Leistung auf der Basis der reduzierten Last optimiert wird.
3B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ist derjenigen in 3A ähnlich. Jedoch wird in dieser beispielhaften Ausführungsform V_ref auch direkt an das dynamische Spannungskompensatormodul 305 gesendet und wird durch das Modul 305 zum Modifizieren der Koeffizienten auf der Basis der detektierten Spannung V_ref verwendet. In beispielhaften Ausführungsformen ist das Signal V_ref die effektive Spannung des Eingangssignals. Auch hier werden, wie oben dargelegt, die Koeffizienten des Moduls 305 auf der Basis der Spannung so modifiziert, dass ein optimiertes Signal B für die detektierte Spannung V_ref ausgegeben wird.
Somit verwendet das dynamische Spannungskompensatormodul 305 in beispielhaften Ausführungsformen dynamisch sich verändernde Kompensationskoeffizienten und gibt ein Bezugssignal B aus, das die Leistungsfaktorkorrektur und den ersten Gleichstrombusspannungspegel auf der Basis der sich verändernden Koeffizienten optimiert. Die Kompensationskoeffizienten in dem Modul können dynamisch anhand mindestens der Eingangssignalspannung V_ref, der Eingangssignalfrequenz, der ersten Gleichstrombusspannung, der ersten Gleichstrombusspannungstransienten und/oder der Ausgangslast des Systems 100 geändert werden. Natürlich brauchen nicht alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dynamisch sich verändernde Koeffizienten auf der Basis aller dieser Faktoren zu enthalten, da verschiedene Kombinationen von Informationen verwendet werden können, um die dynamisch sich verändernden Koeffizienten zu bestimmen.
Obgleich in den 3A/3B nicht gezeigt, kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen ein Signalfilter dafür verwendet werden, das erste Gleichstrombus-Bezugssignal VB1 zu filtern. Zum Beispiel kann ein rekursives Filter mit einer Abtastrate von 25 kHz und einer Grenzfrequenz von 1,25 kHz verwendet werden.
Wie in den 3A/3B gezeigt, werden die Signale A, B und vom Tiefpassfilter 301 (1/C²) multipliziert, um das Strombezugssignal I_ref zu erzeugen, das für eine dynamische Leistungsfaktorkorrektur verwendet wird, wie unten erläutert wird. Das Signal I_ref, welches das Strombezugssignal ist, das für die Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden soll, ist gleich (A × B)/C². Außerdem wird in einigen Ausführungsformen ein zweites Signal SX von dem Bezugssignal B abgezweigt, und seine Verwendung wird weiter unten besprochen.
4 zeigt einen weiteren Abschnitt des Reglers 109. Wie gezeigt, wird das Strombezugssignal I_ref zu dem Komparator 405 geleitet, der das Bezugssignal I_ref mit der Summe der Ströme von jedem der jeweiligen Strommesswandler 225 und 227 vergleicht. Auf der Basis dieses Vergleichs wird ein Fehlersignal zu einem Strom Eingangsformungsmodul 401 geleitet. Das Modul 401 verwendet dieses Fehlersignal zum Bestimmen und Bereitstellen eines Leistungsfaktorkorrektursignals, das an die Schalter 205, 207, 213 und 215 in dem verschachtelten Inversschaltkreis 103 zu senden ist, um eine optimale Leistungsfaktorkorrektur für jedes der Module 201 bzw. 203 zu ermöglichen. In einigen beispielhaften Ausführungsformen können die Kompensationskoeffizienten in dem Modul 401 statisch oder fix sein.
Jedoch ist in anderen beispielhaften Ausführungsformen das Modul 401 ein dynamisches Modul, wo die Kompensationskoeffizienten des Moduls 401 dynamisch geändert und optimiert werden können, ähnlich dem, was oben bezüglich des Moduls 305 beschrieben wurde. Das heißt, das Modul 401 kann entweder Algorithmen, Zustandtabellen oder Nachschlagetabellen verwenden, die die Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten auf der Basis der verschiedenen Rückmeldungsinformationen, die an den Regler 109 übermittelt werden, dynamisch steuern. Das heißt, im Gegensatz zu anderen Systemen ändern sich die Koeffizienten, die durch die Module 305 und 401 verwendet werden, um eine Leistungsfaktorkorrektur durchzuführen, dynamisch auf der Basis der im vorliegenden Text besprochenen Rückmeldungsinformationen. Anstatt also mit Festzustandskoeffizienten oder einer Kompensationsfunktion zu arbeiten, ändern sich die Koeffizienten in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf der Basis des Betriebszustands des Systems 100 und der ausgeführten Operation. Dies erlaubt es dem Regler 109 und dem System 100, unter vielen verschiedenen Bedingungen optimal zu arbeiten, anstatt unter gar keiner.
Wie in 4 gezeigt, werden in Ausführungsformen mit der Konfiguration eines verschachtelten Schaltkreises 103 die Strombezugssignale von jedem der Strommesswandler 225 und 227 an den Regler 109 gesendet. Wie oben dargelegt, werden diese Signale bei 407 summiert, um mit I_ref für das Modul 401 verglichen zu werden. Jedoch werden in weiteren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diese Strombezugssignale auch bei 409 miteinander verglichen, um sicherzustellen, dass jedes der Module 201 und 203 des verschachtelten Inversschaltkreises 103 die Stromlast während des Betriebes gleichmäßig verteilt. Das heißt, während des Betriebes ist es möglich, dass Betriebs- und/oder Schaltkreisesanomalien bewirken können, dass die Module 201 und 203 variierende Mengen des Gesamtstroms zu dem ersten Gleichstrombus B1 transportieren. Zum Beispiel kann das Modul 201 52% transportieren, während das andere Modul 48% transportiert. Ein solcher Betrieb kann unerwünscht sein, und diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung identifiziert eine Differenz der Stromlast zwischen den Modulen 201/203, und wenn eine Differenz existiert, so sendet das Modul 403 ein Stromteilungssignal an einen Kombinierer 411, der dieses Stromteilungssignal mit dem Stromformungssignal aus dem Modul 401 kombiniert. Das resultierende kombinierte Signal wird dann in zwei Steuersignale S201 und S203 für jedes der jeweiligen Modulen geteilt, was mit Bezug auf 5 näher besprochen wird.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglicherweise unerwünscht, dass beide Inversmodule 201 und 203 arbeiten. Wenn zum Beispiel die Ausgangslast im System 100 im Vergleich zum maximalen Ausgangpegel des Systems klein ist, so ist es möglicherweise nicht effizient, die reduzierte Ausgangslast zwischen den Modulen 201 und 203 zu teilen, weshalb nur eines der Module 201 oder 203 arbeiten muss, um die Last bereitzustellen. Dies kann auftreten, wenn das System 100 entweder im Schlummermodus oder im Leerlaufmodus ist. Des Weiteren kann es effizienter sein, nur eines der Module 201 oder 203 für den Lastbedarf zu betreiben. In einer solchen Ausführungsform empfängt das dynamische Stromteilungsmodul 403 außerdem das Ausgangsbezugssignal S_out. Es ist anzumerken, dass dieses von dem in 3 gezeigten Ausgangsbezugssignal S_out abgezweigt werden kann. Das dynamische Stromteilungsmodul 403 empfängt dieses Ausgangsbezugssignal und bestimmt, dass es wünschenswert ist, dass der Ausgangsstrom des Schaltkreises 103 nur durch ein Inversmodul 201 oder 203 bereitgestellt wird. Diese Bestimmung wird dann in dem Signal an den Kombinierer 411 widergespiegelt. Dann arbeitet nur eines der Inversmodule, um den Stromlastbedarf bereitzustellen. Wenn dann die Last über eine zuvor festgelegte Schwelle hinaus ansteigt, so veranlasst das dynamische Stromteilungsmodul 403, dass das andere der Inversmodule 201 oder 203 arbeitet, so dass der Ausgangsstrom nun gleichmäßig geteilt wird.
Wenden wir uns nun 5 zu, so ein anderer Abschnitt des Reglers 109 gezeigt ist. Wie gezeigt, wird jedes der Signale S201 und S203 an jeweilige Invers-PWM-Teiler 501 und 503 gesendet, um Signale zu PWMs zu senden, um die Schalter in dem verschachtelten Inversschaltkreis 103 zu steuern. Wie gezeigt, ist der PWM-Teiler 501 für das Modul 201 und sendet ein Signal zu dem Abwärts-PWM 505 (der mit dem Abwärtsschalter 205 verbunden ist) und zu dem Aufwärts-PWM 513 (der mit dem Aufwärtsschalter 213 verbunden ist). Gleichermaßen ist der PWM-Teiler 503 für das Modul 203 und sendet ein Signal an den Abwärts-PWM 507 (der mit dem Abwärtsschalter 507 verbunden ist) und an den Aufwärts-PWM 515 (der mit dem Schalter 215 verbunden ist). Somit werden die Schalter 205, 207, 213 und 215 nach Bedarf gesteuert, um die dynamisch gesteuerte Leistungsfaktorkorrektur, Stromteilung und Gleichstrombus B1-Spannung nach Bedarf herbeizuführen, so wie es für den Betrieb des Systems 100 benötigt wird.
6 ähnelt 5, aber zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der verschachtelte Inversschaltkreis 103 ein weiches Schaltsteuerungsverfahren für die Abwärts- und Aufwärtsschalter verwenden. Eine Verfahrensweise zum Implementieren eines weichen Schaltens ist das Integrieren von Hilfs-Aufwärts- und Abwärtsschaltern in den Modulen 201 und 203, die zu den Haupt-Abwärts- und Aufwärtsschaltern parallel geschaltet werden. Ein simplistisches Beispiel dessen ist in 7 gezeigt, wo die Hilfsschalter 705, 713, 707 und 715 parallel zu den Hauptschaltern 205, 213, 207 bzw. 215 angeordnet sind. Jedoch erfolgt eine detailliertere Besprechung und Darstellung der Technologie des weichen Schaltens mindestens in der US-Patentanmeldung Nr. 11/551,957, eingereicht am 23. Oktober 2006, die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird, so dass diese Besprechung im vorliegenden Text nicht wiederholt wird. Genauer gesagt, zeigt 22 der Anmeldung 11/551,957 ein weiches Schalten in einem Aufwärtsumformer. Eine Ausführungsform eines verschachtelten Inversumformers, der mit weichem Schalten arbeitet, würde vier solcher Schaltkreise haben.
Wie in 6 gezeigt, ist ein lastabhängiges Phasen- und Arbeitszyklusjustiermodul 601 integriert, welches das Signal SX von dem dynamischen Spannungskompensatormodul 305 empfängt. Das Signal SX stellt mindestens eine Last in dem verschachtelten Inversschaltkreis 103 dar. Auf der Basis dieses Signals SX justiert das Justiermodul 601 dynamisch die Phasenverschiebung und den Arbeitszyklus der Haupt- und/oder Hilfsschalter in den Inversmodulen 201 und 203, um die Leistung und das weiche Umschalten zu optimieren. Weitgehend wie die Hauptschalter, ist jeder der Hilfsschalter 705, 713, 707 und 715 mit PWMs 605, 613, 607 bzw. 615 verbunden und wird gleichermaßen gesteuert wie die Hauptschalter. Jedoch kann es gemäß den Charakteristika der Last in dem Schaltkreis 103 notwendig sein, die Phasenverschiebung und den Arbeitszyklus der Hilfsschalter relativ zu den Hauptschaltern dynamisch zu justieren, um die Funktion des weichen Schaltens und den Systembetrieb zu optimieren. In anderen beispielhaften Ausführungsformen kann das Justiermodul 601 die Phasenverschiebung zwischen den Inversmodulen 201 und 203 justieren. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden die Module 201 und 203 so betrieben, dass sie um 90 Grad zueinander phasenverschoben sind. Jedoch kann es in anderen beispielhaften Ausführungsformen von Vorteil sein (entsprechend der Last oder den Betriebsbedingungen), die Phasenverschiebung zwischen den Modulen 201 und 203 zu ändern. Das Modul 601 kann dafür verwendet werden, diese Phasenverschiebung zu implementieren.
Wie oben dargelegt, kann in einigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Gleichstrom-Gleichstrom-Umformerstufe 105 ungeregelt sein. In solchen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, den Strom zu überwachen, der in die Stufe 105 eintritt, um sicherzustellen, dass der Strom keine betriebliche Schwelle übersteigt. Zum Beispiel kann, wie in 1 gezeigt, der Regler 109 den Gleichstrom-Gleichstrom-Umformerstrom 12 überwachen, und wenn dieser Strom eine Schwelle übersteigt, so kann der Regler 109 den Betrieb des Systems 100 abschalten. Dies hilft bei der Erhöhung der Sicherheit des Systems 100, da die Stufe 105 eine Isolierstufe des Systems 100 kann sein.
Aufgrund der Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein verbesserter Betrieb des Systems 100 realisiert werden. Wie zuvor erläutert, bilden Systeme des Standes der Technik ohne dynamische Steuerung, wie im vorliegenden Text beschrieben, einen Kompromiss, weil die Kompensation in der Steuerung des Systems statisch ist. Weil Systeme des Standes der Technik über ihre gesamte Betriebsenveloppe hinweg betrieben wurden, fielen ihre Leistung und ihre Leistungsfaktorkorrektur darum in erheblichem Maße ab. Mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist dies nicht der Fall. Genauer gesagt, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die einphasigen Eingangsstrom verwenden, einen Leistungsfaktor von mindestens 95% in einem Bereich von 10 bis 100% der Bemessungslast des Systems erreichen, ungeachtet dessen, ob das Eingangssignal ein- oder dreiphasig ist oder nicht, und ungeachtet der Frequenz des Eingangssignals, der Spannung des Eingangssignals oder der Lasten, die während des Schweißens oder Schneidens anliegen. Wenn zum Beispiel ein System 100 der vorliegenden Erfindung eine maximale Lastbemessung von 500 A hat, so erreicht das System einen Leistungsfaktor von mindestens 95%, wenn das System 100 einen Ausgang irgendwo zwischen 50 und 500 A hat. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das System 100 einen Leistungsfaktor von mindestens 98% in einem Bereich von 10 bis 100% der Bemessungslast des Systems erreichen. Somit stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein hochstabiles System 100 über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen bereit. In anderen einphasigen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Leistungsfaktor von mindestens 99% in einem Bereich von 50 bis 100% der Bemessungslast des Systems erreicht werden. Für beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die dreiphasigen Eingangsstrom verwenden, können ähnliche Nutzeffekte erreicht werden. Genauer gesagt, kann in solchen dreiphasigen Ausführungsformen die Stromversorgung einen Leistungsfaktor von mindestens 93% in einem Bereich von 10 bis 100% der Bemessungslast des Systems erreichen, und andere beispielhafte Ausführungsformen können einen Leistungsfaktor von mindestens 95% in einem Bereich von 50 bis 100% der Bemessungslast des Systems erreichen. Somit können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen ausgezeichneten Leistungsfaktor über breite Betriebsbereiche bereitstellen. Natürlich ist die maximale Bemessungslast eines Systems 100 eine Funktion seines Designs und der erwarteten Verwendung, aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können dafür verwendet werden, Systeme zu bauen, die in der Lage sind, eine maximale Bemessungsausgangslast im Bereich von 5 bis 10.000 A zu bewältigen. Es versteht sich, dass auch Systeme hergestellt werden können, deren Ausgangsleistung außerhalb dieses Bereichs liegt.
Ein weiterer Nutzeffekt der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, die Größe und Kapazität von Speicherkondensatoren (zum Beispiel C2) aufgrund des verbesserten Transientenansprechverhaltens von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu reduzieren.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die oben beschriebenen Leistungsattribute über einen breiten Bereich von Eingangsspannungen erreichen. Zum Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Leistungsattribute erreichen, wenn das Eingangssignal im Bereich von 208 bis 660 Volt Wechselstrom liegt und das Signal entweder einphasig oder dreiphasig ist. Das heißt, die oben beschriebenen Leistungsfaktoroptimierungsvorteile können erreicht werden, wenn das Eingangswechselstromsignalspannung irgendwo im Bereich von 208 bis 660 V– liegt.
Wie oben dargelegt, bezog sich der Großteil der Besprechung in der vorliegenden Anmeldung zwar auf den Kontext von Schweiß- oder Schneidstromversorgungen, doch waren diese Besprechungen nur beispielhaft. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf solche Arten von Stromversorgungen beschränkt und können in vielen verschiedenen Arten von Stromversorgungen implementiert werden, die eine dynamische Last haben und bei denen eine optimierte Leistung und Leistungsfaktorkorrektur wünschenswert sind. Zu Beispielen solcher Stromversorgungen gehören Schaltmodus-Stromversorgungen mit ähnlichen allgemeinen Topologien wie die Topologie, die im vorliegenden Text beschrieben wurde, und die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Obgleich die Erfindung speziell mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Geltungsbereich der Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert werden, abzuweichen.
Bezugszeichenliste

100: Schweißsystem
101: primärer Eingangsgleichrichter
103: Inversschaltkreis
105: Gleichstrom-Gleichstrom-Umformer
107: Ausgangsstufe
109: Regler
111: sekundärer Eingangsgleichrichter
113: Eingangsstromgenerator
115: Schalter
117: Steuerstromkreis
201: Inversmodul
203: Inversmodul
205: Abwärtsschalter
207: Abwärtsschalter
209: Induktionsspule
211: Induktionsspule
213: Aufwärtsschalter
215: Aufwärtsschalter
217: Diode
219: Diode
221: Diode
223: Diode
225: Strommesswandler
227: Strommesswandler
301: Tiefpassfilter
303: Frequenzberechnungsmodul
A: Signal
B: Bezugssignal
B1: erster Gleichstrombus
B2: zweiter Gleichstrombus
C1: Kondensator
C2: Speicherkondensator
I_ref: Strombezugssignal
L1: Zuleitung
L2: Zuleitung
M1: Multiplikator
M2: Multiplikator
305: Spannungskompensatormodul
307: Justiermodul
309: Komparator
310: Busspannungs-Sollpunkt
311: variabler Kompensator
401: Eingangsformungsmodul
403: Stromteilungsmodul
405: Komparator
407: Punkt
409: Punkt
411: Kombinierer
501: Invers-PWM-Teiler
503: Invers-PWM-Teiler
505: Abwärts-PWM
507: Abwärts-PWM
513: Aufwärts-PWM
515: Aufwärts-PWM
601: Justiermodul
605: PWM
607: PWM
613: PWM
615: PWM
705: Schalter
707: Schalter
713: Schalter
715: Schalter
S201: Steuersignal
S203: Steuersignal
S_out: Ausgangsbezugssignal
SX: zweites Signal
VB1: Bus-Bezugsspannungssignal
V_ref: Signal

Claims

Stromversorgung, die Folgendes umfasst: einen Eingangsstromkreis, der ein Eingangssignal mit einer variablen Spannung empfängt und einen Fixspannungsgleichstrombus (B1) ausgibt; einen Ausgangsstromkreis, der den Fixspannungsgleichstrombus (B1) empfängt und ein Ausgangssignal an eine Last ausgibt; und einen Regler (109), der den Betrieb von mindestens einem Schalter (205, 207, 213, 215) in dem Eingangsstromkreis steuert, um das Eingangssignal einer Leistungsfaktorkorrektur zu unterziehen, wobei der Regler (109) ein Spannungskompensatormodul (305) umfasst, das eine Leistungsfaktorkorrekturfunktion verwendet, die mindestens einen Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten aufweist, der zum Ausgeben eines Bezugssignals verwendet wird, das für die Leistungsfaktorkorrektur des Eingangssignals verwendet wird; wobei das Spannungskompensatormodul (305) ein Bezugssignal empfängt, das eine Spannung und/oder eine Frequenz des Eingangssignals darstellt, und das Spannungskompensatormodul (305) den mindestens einen Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten auf der Basis des Bezugssignals ändert.
Stromversorgung nach Anspruch 1, wobei das Eingangssignal ein Wechselstromsignal ist und das Bezugssignal V_ref von einem Gleichrichterschaltkreis (111) empfangen wird, der das Wechselstromeingangssignal gleichrichtet.
Stromversorgung nach Anspruch 2, wo der Eingangsstromkreis einen primären Eingangsgleichrichterschaltkreis (101) und einen Busspannungsschaltkreis umfasst, der den Fixspannungsgleichstrombus (B1) ausgibt, wobei der primäre Eingangsgleichrichterschaltkreis (101) das Wechselstromeingangssignal gleichrichtet und das gleichgerichtete Wechselstromeingangssignal in den Busspannungsschaltkreis einspeist, und wobei der Gleichrichtungsschaltkreis (111) das Wechselstromeingangssignal stromaufwärts des primären Eingangsgleichrichters (101) empfängt.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Spannungskompensationsmodul (305) sowohl die Spannung als auch die Frequenz von dem Bezugssignal nutzt, um den mindestens einen Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten zu ändern.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Bezugssignal durch einen Frequenzberechner (303) geschickt wird, der sich stromaufwärts des Spannungskompensationsmoduls (305) befindet, um ein Eingangsfrequenzbezugssignal in das Spannungskompensationsmodul (305) einzuspeisen.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Spannungskompensationsmodul (305) ein Gleichstrombus-Bezugssignal empfängt, das für eine Spannung des Fixspannungsgleichstrombusses steht, und das Gleichstrombus-Bezugssignal dafür nutzt, den mindestens einen Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten auf der Basis des Gleichstrombus-Bezugssignals zu ändern, wobei das Gleichstrombus-Bezugssignal bevorzugt ein Ergebnis eines Vergleichs einer detektierten Spannung des Fixspannungsgleichstrombusses und eines Gleichstrombusspannungs-Sollpunktes ist, wobei bevorzugt das Spannungskompensatormodul ein Gleichstrombus-Transientenbezugssignal von einem Transientendetektionsmodul empfängt, das eine Transiente in dem Fixspannungsgleichstrombus detektiert, und wobei das Spannungskompensatormodul (305) den mindestens einen Koeffizienten auf der Basis des Gleichstrombus-Transientenbezugssignals ändert.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Spannungskompensatormodul (305) ein Ausgangslastbezugssignal S_out von dem Ausgangssignal empfängt, und wobei das Spannungskompensatormodul den mindestens einen Koeffizienten auf der Basis des Ausgangslastbezugssignals S_out ändert.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ausgangsstromkreis einen Umformerschaltkreis umfasst, der den Fixspannungsgleichstrombus zu einem zweiten Gleichstromsignal umformt, und wobei das Gleichstromsignal zu einer Ausgangsstufe geleitet wird, die das Ausgangssignal ausgibt.
Stromversorgung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die Folgendes umfasst: einen ersten Eingangsgleichrichterschaltkreis (101), der ein Wechselstromeingangssignal empfängt und ein erstes gleichgerichtetes Signal ausgibt; einen Busspannungsschaltkreis, der das erste gleichgerichtete Signal empfängt und einen Fixspannungsgleichstrombus (B1) ausgibt, wobei der Busspannungsschaltkreis mindestens einen Schalter umfasst, der zur Leistungsfaktorkorrektur des ersten gleichgerichteten Signals verwendet wird; einen Ausgangsstromkreis, der den Fixspannungsgleichstrombus empfängt und ein Ausgangssignal an eine Last ausgibt; einen Regler (109), der den Betrieb des Schalters (205, 207, 213, 215) in dem Busspannungsschaltkreis steuert, um die Leistungsfaktorkorrektur bereitzustellen, wobei der Regler (109) ein Fixspannungsgleichstrombus-Bezugssignal empfängt; und einen zweiten Eingangsgleichrichter (111), der das Wechselstromeingangssignal empfängt und ein Bezugssignal V_ref ausgibt, wobei das Bezugssignal V_ref in den Regler (109) eingespeist wird; wobei der Regler (109) ein Spannungskompensatormodul (305) umfasst, das eine Leistungsfaktorkorrekturfunktion verwendet, die mehrere Leistungsfaktorkorrekturkoeffizienten aufweist, um ein Leistungsfaktorkorrekturbezugssignal auszugeben, das für die Leistungsfaktorkorrektur des ersten gleichgerichteten Signals durch den Busspannungsschaltkreis verwendet wird; wobei das Spannungskompensatormodul (305) sowohl das Bezugssignal V_ref von dem zweiten Eingangsgleichrichter als auch das Fixspannungsgleichstrombus-Bezugssignal (VB1) nutzt, um die mehreren Koeffizienten zu ändern.
Schweiß- oder Schneidstromversorgung nach Anspruch 9, wobei: der verschachtelte Inversschaltkreis (103) einen ersten Inversschaltkreis und einen zweiten Inversschaltkreis hat, wobei der verschachtelte Inversschaltkreis das erste gleichgerichtete Signal empfängt und den Fixspannungsgleichstrombus ausgibt, wobei der verschachtelte Inversschaltkreis mindestens vier Schalter (205, 207, 213, 215) umfasst, die zur Leistungsfaktorkorrektur des ersten gleichgerichteten Signals verwendet werden; wobei der Regler den Betrieb der mindestens vier Schalter in dem Busspannungsschaltkreis steuert, um die Leistungsfaktorkorrektur bereitzustellen, und einen Eingangsstromgeneratorschaltkreis (113) umfasst, der ein Eingangsstrombezugssignal in den Regler (109) einspeist, das für einen Eingangsstrom in den verschachtelten Inversschaltkreis (103) steht.
Stromversorgung nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Regler (109) des Weiteren ein Stromteilungsmodul (403) umfasst, das ein Stromteilungsbezugssignal empfängt, das aus einem Vergleich zwischen einem ersten Strombezugssignal aus dem ersten Inversschaltkreis (103) und einem zweiten Strombezugssignal aus dem zweiten Inversschaltkreis resultiert, und wobei das Stromteilungsbezugssignal die mindestens vier Schalter dergestalt steuert, dass sowohl der erste als auch der zweite Inversschaltkreis (103) einen gleichen Strompegel für den Fixspannungsgleichstrombus ausgibt.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Stromversorgung eine Schweiß- oder Schneidstromversorgung ist.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Spannungskompensatormodul (305) sowohl eine Spannungsbezugskomponente des Bezugssignals als auch eine Frequenzbezugskomponente des Bezugssignals empfängt und jede der Spannungs- und Frequenzbezugskomponenten nutzt, um die mehreren Koeffizienten zu ändern.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Fixspannungsgleichstrombusbezugssignal aus einem Vergleich zwischen einem detektierten Fixspannungsgleichstrombusspannungspegel und einem Fixspannungsgleichstrombus-Sollpunkt resultiert.
Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Busspannungsschaltkreis ein verschachtelter Inversschaltkreis (103) ist.