Fuente de alimentación para un proceso de corte o soldadura por arco eléctrico,

comprendiendo dicha fuente de alimentación: un convertidor (30) de conmutación de múltiples fases intercalado que comprende una pluralidad de circuitos (30a-30d) de alimentación de convertidor para convertir una señal de salida de CC en una señal regulada adecuada para soldadura, teniendo cada uno de dichos circuitos de alimentación un dispositivo de conmutación con una entrada de control; y un controlador (130) para crear una señal de entrada de control a un ángulo de fase diferente para cada uno de dichos circuitos de alimentación de convertidor paralelos, caracterizándose dicha fuente de alimentación porque es una fuente alimentación de tres etapas que comprende una primera etapa (I) que recibe una señal de entrada de CA y que proporciona una primera señal de salida de CC; una segunda etapa (II) acoplada con dicha primera etapa para recibir dicha primera señal de salida de CC, siendo dicha segunda etapa una etapa no regulada y convertir dicha primera señal de salida de CC en una segunda señal de salida de CC; y una tercera etapa (III) que comprende dicho convertidor de conmutación de múltiples fases intercalado, estando acoplada la tercera etapa con dicha segunda etapa para recibir dicha segunda señal de salida de CC y para convertir dicha segunda señal de salida de CC en dicha señal regulada adecuada para soldadura

Etapa de salida de interruptor periódico para fuente de alimentación de equipo de soldadura por arco.

La presente invención se refiere, en general, a fuentes de alimentación para equipos de soldadura y corte por plasma, y más particularmente a una etapa de salida de interruptor periódico de múltiples fases intercalado en una fuente de alimentación de tres etapas para sistemas de soldadura o corte.

Las siguientes patentes y solicitudes de patente y otros documentos se citan en el presente documento como información de referencia: US 3.737.755 (Calkin); US 3.984.799 (Fletcher); US 4.433.370 (Karadsheh); US 4.748.397 (Ogawa); US 5.008.795 (Parsley); US 5.019.952 (Smolenski); US 5.278.390 (Blankenship); US 5.601.741 (Thommes); US 5.864.116 (Baker); US 5.926.381 (Moriguchi); US 5.991.169 (Kooken); US 5.991.180 (Vogel); US 6.051.804 (Reynolds); US 6.069.811 (Moriguchi); US 6.177.645 (Church); US 6.278.080 (Moriguchi); US 6.300.589 (Reynolds); US 6.504.132 (Church); US 6.618.274 (Boylan); US 6.723.957 (Hoverson); solicitud de patente estadounidense n.º de serie 10/889.866 (Daniel), titulada POWER SOURCE FOR ELECTRIC ARC WELDING, presentada el 13 de julio de 2004; Cho "Novel Zero-Voltage-Transition PWM Multiphase Converters", IEEE transactions on power electronics, Vol. 13, n.º 1, enero de 1998; Schuellein "Multiphase Converter Bucks Power", EE Times, 11 de septiembre de 2000; Huang, "A Scalable Multiphase Buck Converter with Average Current Share Bus", publicación de International Rectifier tal como se presentó en APEC 03; Czogalla "Automotive Application of Multi-Phase Coupled-Inductor DC-DC Converter", IAS 2003; Wong "Performance Improvements of Interleaving VRMs with Coupling Inductors", IEEE transactions on power electronics, Vol. 16, n.º 4, julio de 2001; Zumel "Magnetic Integration for Interleaved Converters", IEEE 2003; Dixon "Coupled Filter Inductors in Multi-Output Buck Regulators", Unitrode, Texas Instruments, 2003; Shortt "A 600 Watt Four Stage Phase-Shifted-Parallel DC-TO-DC Converter", Naval Research Laboratory Space Systems Tecnology Division, 1985; y Ridley, "The incredible Shrinking (Unregulated) Power Supply".

Antecedentes de la invención

Las fuentes de alimentación de soldadura incluyen a menudo una primera etapa que convierte una señal de entrada de CA en una señal de CC, y una etapa de salida regulada final que convierte la señal de CC en una señal para soldar. El término "soldadura" incluye "corte por plasma", en el que es deseable aislar el proceso de soldadura o corte de la alimentación de entrada. El documento US 5.991.180 (Vogel) trata de un interruptor periódico que tiene un transformador de aislamiento de salida situado tras la regulación de soldadura y que acciona directamente la operación de soldadura, en el que la red de interruptor periódico crea una corriente de soldadura de salida regulada deseada y se proporciona aislamiento en la etapa de salida. El documento US 5.601.741 (Thommes) da a conocer un convertidor elevador que acciona un inversor modulado por ancho de impulso (PWM) que crea una señal de salida de soldadura regulada, en el que las segundas etapas tanto de Vogel como de Thommes se regulan para suministrar la corriente controlada por factor de potencia a partir de un prerregulador directamente a una operación de soldadura. Se muestran fuentes de alimentación de soldadura en los documentos US 5.926.381 (Moriguchi), US 6.278.080 (Moriguchi), y US 6.069.811 (Moriguchi) en las que un inversor de salida regulada se acciona mediante un convertidor elevador de entrada o una salida de CC de un rectificador para producir una corriente adecuada para soldadura para un transformador de salida usado para aislamiento, en el que la salida del transformador secundario se usa para la operación de soldadura. La solicitud de patente estadounidense n.º de serie 10/889.866 (Daniel) fue transferida al cesionario de la presente invención y describe una arquitectura de fuente de alimentación de tres etapas para soldadura, en la que una primera etapa convierte la alimentación de CA en una primera señal de salida de CC, una segunda etapa convierte la primera señal de salida de CC en una segunda señal de salida de CC, y una tercera etapa convierte la alimentación de CA en una primera señal de salida de CC, una segunda etapa convierte la primera señal de salida de CC en una segunda señal de salida de CC, y una tercera etapa convierte la segunda señal de salida de CC en una salida de proceso para soldadura, en la que la segunda etapa no está regulada. La solicitud de patente de Daniel se menciona en el presente documento como información de referencia y no constituye técnica anterior. El equipo de soldadura de tres etapas de Daniel tiene una primera etapa regulada, como es habitual, y una etapa de salida regulada de soldadura en la que se determina una señal de soldadura mediante realimentación a partir del proceso de soldadura real. Esto también es habitual, pero una característica novedosa de Daniel es una etapa intermedia no regulada de aislamiento entre la primera etapa regulada y la etapa de salida, en la que la etapa de salida se regula mediante realimentación para crear una señal adecuada para soldadura.

Con respecto a la tecnología anterior, el documento US 6.618.274 (Boylan) ilustra un rectificador síncrono, y el documento US 3.737.755 (Calkin) da a conocer un convertidor CC/CC para uso a baja potencia en el que una corriente regulada fija se dirige a un inversor no regulado para proporcionar una señal de salida de CC no variable. La tecnología anterior general en los documentos US 6.618.274 (Boylan) y US 3.737.755 (Calkin) se cita en el presente documento para mostrar un rectificador síncrono en el que cualquier regulación de salida se realiza antes del inversor controlando el nivel de la señal de CC de entrada, sin que ninguna de estas patentes se refiera a una fuente de alimentación para soldadura y sólo se mencionan como conceptos técnicos generales, tales como dispositivos de rectificador síncrono e inversores no regulados. El documento US 5.019.952 (Smolenski) muestra un convertidor de CA a CC de dos etapas no de soldadura para conferir distorsión armónica mínima a la corriente que fluye hacia el convertidor. A diferencia de las situaciones de soldadura, la carga en el documento US 5.019.952 (Smolenski) no es variable y no requiere regulación, incorporándose esta patente como referencia para mostrar tecnología general como información de referencia con respecto a la presente invención.

Los convertidores de conmutación se emplean a menudo como la etapa de salida final para crear la corriente de soldadura de salida según una forma de onda de soldadura deseada, en los que el proceso de soldadura puede requerir formas de onda de corriente de CC o CA para crear un arco de soldadura entre un electrodo de avance y la pieza de trabajo que está soldándose. Tales convertidores normalmente son diseños PWM, en los que se hacen funcionar conmutadores a alta frecuencia para crear la forma de onda o nivel de corriente deseados para el proceso de soldadura, por ejemplo, como se comenta en el documento US 5.278.390 (Blankenship). En los equipos de soldadura por arco modernos, la etapa de convertidor final emplea a menudo "tecnología de control de forma de onda" innovación de The Lincoln Electric Company, de Cleveland, Ohio, en la que la salida del equipo de soldadura se genera usando una serie de impulsos cortos a una frecuencia generalmente por encima de los niveles audibles y el grupo de impulsos cortos tiene una forma de onda o perfil controlado por un generador de forma de onda. Tal como se muestra en el documento US 5.991.169 (Kooken) y US 6.504.132 (Church), la corriente de salida de soldadura puede regularse mediante un interruptor periódico de salida o convertidor reductor, consiguiéndose el aislamiento usando un transformador o bien en la salida de una etapa de inversor o bien en la salida de un convertidor elevador de entrada.

Los convertidores de conmutación, tales como los convertidores reductores, elevadores, u otro tipo de convertidores de CC a CC, se han desarrollado en contextos no de soldadura, que incluyen dos o más fases de convertidor o celdas para introducir alimentación de CC y proporcionar una salida de CC. Tales convertidores se denominan a veces convertidores de múltiples fases, por ejemplo, tal como se muestra en los documentos US 3.984.799 (Fletcher) y US 4.748.397 (Ogawa). Huang, "A Scalable Multiphase Buck Converter with Average Current Share Bus" y Schuellein, "Multiphase Converter Bucks Power" describen convertidores de múltiples fases ajustables a escala dirigidos a aplicaciones de microprocesador avanzadas....

1. Fuente de alimentación para un proceso de corte o soldadura por arco eléctrico, comprendiendo dicha fuente de alimentación: un convertidor (30) de conmutación de múltiples fases intercalado que comprende una pluralidad de circuitos (30a-30d) de alimentación de convertidor para convertir una señal de salida de CC en una señal regulada adecuada para soldadura, teniendo cada uno de dichos circuitos de alimentación un dispositivo de conmutación con una entrada de control; y un controlador (130) para crear una señal de entrada de control a un ángulo de fase diferente para cada uno de dichos circuitos de alimentación de convertidor paralelos, caracterizándose dicha fuente de alimentación porque es una fuente alimentación de tres etapas que comprende una primera etapa (I) que recibe una señal de entrada de CA y que proporciona una primera señal de salida de CC; una segunda etapa (II) acoplada con dicha primera etapa para recibir dicha primera señal de salida de CC, siendo dicha segunda etapa una etapa no regulada y convertir dicha primera señal de salida de CC en una segunda señal de salida de CC; y una tercera etapa (III) que comprende dicho convertidor de conmutación de múltiples fases intercalado, estando acoplada la tercera etapa con dicha segunda etapa para recibir dicha segunda señal de salida de CC y para convertir dicha segunda señal de salida de CC en dicha señal regulada adecuada para soldadura.

2. Fuente de alimentación según la reivindicación 1, en la que dichos circuitos de alimentación de convertidor se disponen paralelos entre sí.

3. Fuente de alimentación según la reivindicación 1 ó 2, en la que dicho convertidor de conmutación de múltiples fases intercalado es un convertidor reductor de múltiples fases y en la que dichos circuitos de alimentación de convertidor son circuitos de alimentación de convertidor reductor.

4. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que dicho dispositivo (Q1-Q4) de conmutación de cada circuito de alimentación está acoplado entre dicha segunda señal de salida de CC y un nodo interno de circuito de alimentación de convertidor correspondiente, y en la que dichos circuitos de alimentación de convertidor comprenden individualmente un rectificador (D1-D4) acoplado entre dicha segunda señal de salida de CC y dicho nodo interno de circuito de alimentación de convertidor, y un inductor (L1-L4) acoplado entre dicho nodo interno de circuito de alimentación de convertidor y dicha señal regulada.

5. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en la que dicho convertidor de conmutación de múltiples fases comprende N circuitos de alimentación de convertidor, siendo N un número entero mayor que 1.

6. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que dicho ángulo de fase es de 360º/N.

7. Fuente de alimentación según la reivindicación 5 ó 6, en la que dicha señal regulada tiene una tensión independiente del número de circuitos de alimentación de convertidor N.

8. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que dichos circuitos de alimentación de convertidor tienen individualmente un valor eficaz de corriente de ondulación de circuito de alimentación de convertidor Ipr, y en la que dicho convertidor de conmutación de múltiples fases intercalado tiene un valor eficaz de corriente de ondulación de convertidor Icr que es menor que Ipr.

9. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que dicha segunda etapa que comprende un convertidor de CC a CC no regulado que tiene una entrada acoplada con dicha primera etapa para recibir dicha primera señal de salida de CC, una red de conmutadores (SW1-SW4) para convertir dicha primera señal de salida de CC en una primera señal de CA interna, un transformador (250) de aislamiento con un devanado (252) primario accionado por dicha primera señal de CA interna y un devanado (354) secundario para crear una segunda señal de CA interna, y un rectificador (322, 324) acoplado con dicho devanado secundario para convertir dicha segunda señal de CA interna en una segunda señal de salida de CC.

10. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que dichos circuitos de alimentación de convertidor individuales comprenden además un inductor, y en la que dichos inductores de al menos dos de dichos circuitos de alimentación de convertidor están devanados de manera integrada en un núcleo común.

11. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en la que dicho convertidor de conmutación de múltiples fases intercalado comprende N circuitos de alimentación de convertidor acoplados en paralelo para recibir dicha segunda señal de salida de CC, siendo N un número entero mayor que 1, en la que dichos circuitos de alimentación de convertidor tienen individualmente un valor eficaz de corriente máxima de circuito de alimentación de convertidor Ip, y en la que dicho convertidor de conmutación de múltiples fases intercalado tiene un valor eficaz de corriente máxima de convertidor de aproximadamente N x Ip.

12. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en la que dicho convertidor de conmutación de múltiples fases intercalado proporciona dicha señal regulada que tiene una tensión independiente del número de circuitos de alimentación de convertidor.

13. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en la que dicho convertidor de conmutación de múltiples fases comprende N circuitos de alimentación de convertidor, siendo N un número entero mayor que 1, en la que dicho ángulo de fase es de 360º/N, en la que dicho controlador proporciona dichas señales de entrada de control para hacer funcionar dicho convertidor de conmutación de múltiples fases intercalado a una frecuencia de conmutación con un periodo de conmutación de convertidor T correspondiente, en la que dichos circuitos de alimentación de convertidor se modulan individualmente por ancho de impulso para proporcionar selectivamente alimentación a partir de dicha señal de CC a dicha señal regulada durante una parte de tiempo de longitud T de circuito de alimentación correspondiente, en la que dichas partes de circuito de alimentación están desplazadas en fase en dicho ángulo de fase con solapamiento temporal de al menos dos de dichas partes de circuito de alimentación.

14. Fuente de alimentación según una de las reivindicaciones 1 a 13, en la que dichos circuitos de alimentación se hacen funcionar con solapamiento temporal de al menos dos de dichos circuitos de alimentación.

15. Fuente de alimentación según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en la que dichos circuitos de alimentación se hacen funcionar en un modo con desplazamiento de fase entre sí con solapamiento operativo temporal de al menos dos de dichos circuitos de alimentación.