[发明专利]用于加热工件的具有高度稳定输出的高频电源系统

说明书

高频电源系统为工件负载提供高度稳定的功率和频率，其中高度稳定的功率和频率可通过逆变器开关控制和逆变器输出阻抗调节和频率控制网络独立于工件负载特性，该网络可包括具有几何成形的可移动插入芯部分和固定分离总线部分的精度可变的电抗器，其中插入芯部分可相对于固定分离总线部分移动，以改变可变电抗器的电感。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月22日提交的美国临时申请No.62/270,880的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

发明领域

本发明一般涉及具有高度稳定的逆变器输出的高频电源系统，其向工件负载电路(诸如，工作感应线圈或电阻触点)供电，形成电源负载的一部分，其中工件在工业工艺(诸如，焊接或退火)中被加热，特别涉及这样的高频电源，其中通过提供逆变器输出阻抗调节和频率控制网络，逆变器的输出的功率大小和频率被稳定地调节并且独立于电源负载的阻抗。

背景技术

感应焊接是一种使用电磁感应加热单个工件或多个工件的两个或更多个表面的焊接形式，其中至少一个工件至少部分导电。通过将在环境大气中的感应加热表面或受控环境(诸如，惰性气体或真空)之间施加力，将受热表面焊接在一起。

工业感应焊接工艺的一个示例是利用如图1中图解绘示的至少部分导电的处理材料(诸如，片材104(工件))锻造管状制品。在该工艺中，片材104 的边缘104a和104b由流过感应线圈106的高频交变电流建立的磁场感应加热，该感应线圈106由图中未示出的高频电源系统提供。感应加热的相对边缘与工具辊108a和108b一起被轧制(锻造)以形成管状制品110和焊接热影响区(HAZ)113，如图中箭头所示，片材104从图中的右向左移动。感应线圈和磁性耦合的工件焊接区域连同阻抗调节装置(诸如，插入卷绕焊接区域内的阻抗器112)形成焊接电负载(工件)电路，其在焊接工艺期间具有动态变化的负载特性。

电阻焊接(ERW)是使用电阻加热来加热单个工件或多个工件的两个或更多个表面的焊接形式，其中至少一个工件至少部分导电。通过在环境大气中或受控环境中(诸如，惰性气体或真空)在电阻加热表面之间施加力，将受热表面焊接在一起。

工业电阻焊接工艺的一个示例是利用如图2中图解示出的至少部分导电的处理材料(诸如，片材204(工件))锻造焊接管状制品。在该工艺中，通过从图中未示出的直流或交流电源系统提供的交流电或直流电流到电触点206a和 206b，电阻片的相对边缘204a和204b被电阻加热。当片材204如图中箭头所示从右向左移动时，电阻加热的相对边缘204a和204b与工具辊208a和208b 一起卷绕以形成管状物品210和焊接HAZ 213。电接点和工件焊接区在焊接工艺中形成具有动态变化负载特性的焊接电负载(工件)电路。

用于感应焊接工艺中的高频固态电源还可以用于感应加热应用中，诸如，退火(热处理)工艺，其中金属工件或工件区域(诸如，先前形成的焊缝 (HAZ))需要热处理。感应线圈和磁耦合工件热处理区域在退火工艺中形成具有动态变化的负载特性的焊接电负载(工件)电路。

如图3所示，工业退火工艺的一个示例是金属管状物品302在先前焊接成型的管状物品的焊缝304处的退火。焊缝(HAZ 306)的加热可以例如通过向线性感应线圈308(图中示意性地示出)供应高频电流来实现，其中管状物品沿着图3中的箭头的方向前进。

对于上述感应焊接工艺、电阻焊接工艺或感应退火工艺，电力负载在焊接或加热工艺期间具有动态变化的负载阻抗，其由影响负载电路Q(质量)因子、电感、焊接区或加热区的电阻率和渗透率的工艺变量导致。工艺变量很多，并且可以包括，例如，工件的化学性质、工件的尺寸(诸如，管状物品的周长或厚度)、工件温度、加工辊的尺寸和化学性质、焊接或加热电源的输出频率、焊接或加热的制品、辅助机械装置、感应线圈或电接触尺寸的工艺线速度或生产速率、物理构造和组成以及铁氧体元素(例如，阻抗)。