CN102451945A - 焊接用电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焊接用电源装置。在测定模式中，根据将由逆变电路的动作而产生的输出电流(I)设为电流值(Ip1)时的输出电压的电压值，来算出电源装置的输出侧的合计电阻值。检测出将输出电流(I)设定为与直流电抗器的通常特性区域(A1)和过饱和特性区域(A2)对应的2个电流值(Ip1、Ip2)时的各个电感值(La1、Lb1)，通过这2个电感值(La1、Lb1)的直线补充，作为函数L(I)来算出合计电感值。控制装置在焊接动作时，对检测出的输出电压的电压值补正与合计电阻值以及合计电感值相关的电压变化部分，从而算出前端电压。据此，能适当地检测出用于控制中的电极前端电压，能有利于焊接性能的进一步提高。

Description

焊接用电源装置

技术领域

本发明涉及根据电极前端电压的检测来实施反馈控制的焊接用电源装置。

背景技术

在用于电弧焊接机等的焊接用电源装置中，例如有专利文献1所公开的技术。焊接用电源装置用逆变电路将对来自商用电源的交流输入电力进行整流后的直流电力变换为高频交流电力，用整流电路和直流电抗器将由焊接变压器进行过电压调整的高频交流电力变换成适于电弧焊接的直流输出电力。由电源装置所生成的输出电力被提供给通过焊炬而支撑的电极，由此在电极前端和焊接对象之间产生电弧，从而进行焊接对象的焊接。

另外，这样的焊接用电源装置进行输出电流以及输出电压的检测，控制装置将各个时刻检测出的输出电流以及输出电压反馈给逆变电路的PWM控制，实施使各个时刻的输出电力成为适合值的控制，由此可谋求焊接性能的提高。

专利文献1：JP特公平8-103868号公报

但是，为了生成适当的电弧，不仅要将在电源装置内检测出的输出电压反映到逆变电路的控制值中，优选还确实地检测出正在产生该电弧的电极的前端电压，并将检测出的电极前端电压反映到控制值中。

这意味着，实际进行焊接的焊炬(电极)和电源装置之间较多情况下分开，在一般的使用形态中两者间通过电力电缆而连接。因此，电力电缆的线缆长度因每个使用者不同而不同，因此，不仅线缆自身的电阻值不同，由于线缆的铺设状态的差异也会导致电感值不同，例如若将冗余部分卷绕几周来铺设，则和直线地进行铺设的情况、或卷绕数不同的情况相比，会导致电感值不同。因此，为了谋求进一步的焊炬性能的提高，就不能忽视包含电力电缆的电源装置外部到电极之间的电阻以及电感的电压变动部分。

因此，在将电源装置内所检测出的输出电压反映到逆变电路的控制值中的形态中，担心会出现将和真正的电极前端电压偏离的电压值反映到逆变电路的控制值中，这样会妨害产生适当的电弧，并妨害进一步的焊接性能的提高。

另外，本发明的发明者们研究在直流电抗器中使用过饱和特性的直流电抗器。作为具体的特性，在高电流区域，电感值为不影响到用于电流平滑的波形控制的必要最低限度的电感值，且为恒定值；在规定电流值以下的低电流区域，为了防止电弧断开，伴随着电流值的减小，电感值相应变大。在使用这样的直流电抗器的情况下，期望也能进行适当的电极前端电压的检测。

发明内容

本发明为了解决上述课题而提出，其目的在于提供一种焊接用电源装置，能够精度良好地检测控制中所用的电极前端电压，有利于焊接性能的进一步提升。

为了解决上述课题，方案1所记载的发明的要旨为，具备：逆变电路，其将直流电力变换为高频交流电力；焊接变压器，其进行变换的交流电力的电压调整；和直流变换单元，其包括直流电抗器，该直流电抗器根据该焊接变压器的二次侧交流电力生成适于焊接的直流输出电力，基于所生成的所述输出电力向电极的供给，在与焊接对象之间产生用于焊接的电弧，所述焊接用电源装置还具备：控制单元，其，根据由装置内的检测单元所检测出的输出电流和输出电压来算出所述电极的前端电压，并根据所算出的前端电压来控制所述逆变电路，对于所述直流电抗器，使用了过饱和电抗器，该过饱和电抗器在高电流区域表现电感值成为恒定的通常特性，在低电流区域表现电感值伴随电流值的减小而增大的过饱和特性，所述焊接用电源装置具备：电阻值算出单元，其在使所述电极为短路状态下，根据将由所述逆变电路的动作而产生的所述输出电流作为规定电流值时的所述输出电压的电压值，来算出直到所述电极前端为止的路径上的合计电阻值；和电感值算出单元，其在使所述电极为短路状态下，根据将由所述逆变电路的动作而产生的所述输出电流分别作为与所述直流电抗器的通常特性区域和过饱和特性区域对应的至少两个电流值时所得的电流衰减量，来检测各电感值，将直到所述电极前端为止的路径上的合计电感值作为先前检测出的至少两个电感值的函数来算出，算出所述电极的前端电压的前端电压算出单元，对检测出的所述输出电压的电压值补正与直到所述电极前端为止的路径上的所述合计电阻值以及所述合计电感值相关的电压变化部分，从而算出所述前端电压。

在本发明中，在电阻值算出单元中，在使电极为短路状态下，根据将由逆变电路的动作而产生的输出电流设为规定电流值时的输出电压的电压值，来算出直到电极前端为止的路径上的合计电阻值(装置内部以及外部的电阻值)。在电感值算出单元中，同样在使电极为短路状态下，根据将由逆变电路的动作而产生的输出电流分别作为与直流电抗器的通常特性区域和过饱和特性区域对应的至少两个电流值时所得的电流衰减量，来检测各电感值，将直到电极前端为止的路径上的合计电感值(装置内部以及外部的电感值)作为先前检测出的至少两个电感值的函数来算出。然后，在前端电压算出单元中，对检测出的输出电压的电压值补正与直到电极前端为止的路径上的合计电阻值以及合计电感值相关的电压变化部分，从而算出前端电压。由此，即使使用具有通常特性区域和过饱和特性区域的直流电抗器，也能适当地算出到电极前端为止的路径上的合计电阻值，特别是能适当地算出合计电感值，能适当地算出前端电压。因此，通过与使用过饱和特性的电感器的乘数效应，能遍布整个电流区域生成更适当的电弧焊接用的输出电力，能贡献于焊接性能的进一步提升。

方案2所记载的发明的要旨为在方案1所记载的焊接用电源装置装置中，所述电感值算出单元根据作为分别与所述直流电感器的通常特性区域和过饱和特性区域对应的两个电流值时所检测出的两个电感值，来算出所述合计电感值的函数。

在本发明中，在电感值算出单元中，根据设为与直流电感器的通常特性区域和过饱和特性区域分别对应的2个电流值时所检测出的2个电感值，来算出合计电感值的函数。即，由于能使电感值的检测数量较少，因此，能缩短该检测所花费的时间以及合计电感值的算出所花费的时间，能缩短算出前端电压所花费的时间。另外，能减轻这些的运算负荷。

方案3所记载的发明要旨为在方案1或方案2所记载的焊接用电源装置中，所述电阻值算出单元，在将所述输出电流设定为所述电感值算出单元为了检测出与所述通常特性区域对应的电感值而用的电流值时，根据此时的所述输出电压的电压值来算出所述合计电阻值。

在本发明中，在电阻值算出单元中，在将输出电流设定为电感值算出单元为了检测出与通常特性区域对应的电感值而用的电流值时，根据此时的输出电压的电压值来算出合计电阻值。由此，能够利用为了检测与通常特性区域对应的电感值而设定的输出电流的电流值来检测合计电阻值，因此能使输出电流的电流值的设定数量较少。即，由于每当输出电流的电流值的设定时，都需要使逆变电路动作，因此能降低其动作次数，能在短时间效率良好地进行前端电压的算出。

发明效果

根据本发明，能够提供一种焊接用电源装置，其能够适当地检测用于控制中的电极前端电压，有利于焊接性能的进一步提高。

附图说明

图1是表示实施方式中的焊接用电源装置的构成的构成图。

图2是用于说明过饱和电抗器的单体以及电压变化部分整体的电感值的变化的说明图。

图3是用于说明电阻值以及电感值的算出方法的说明图。

符号说明

11焊接用电源装置

12焊丝电极(电极)

22逆变电路

23焊接变压器

24整流电路(直流变换单元)

25直流电抗器(直流变换单元)

31控制装置(控制单元、前端电压算出单元、电阻值算出单元、电感值算出单元)

33电流传感器(检测单元)

34电压传感器(检测单元)

M焊接对象

I输出电流

Ip1电流值

IP2电流值

V输出电压

Va前端电压

R合计电阻值

L合计电感值

La1电感值

Lb1电感值

L(I)函数

A1通常特性区域

A2过饱和特性区域

具体实施方式

下面，根据附图说明将本发明具体化的一个实施方式。

图1表示消耗电极式的电弧焊接机10。在电弧焊接机10中，在焊接用电源装置11的正侧输出端子连接有由焊炬TH支撑的焊丝电极12，在该电源装置11的负侧输出端子连接有焊接对象M，在该电源装置11所生成的直流输出电力被施加在焊丝电极12，由此进行电弧焊接。此时，由于焊丝电极12在焊接时会消耗，因此焊丝供给装置13按照消耗来进给焊丝。经由连接于电源装置11的输出端子的电力电缆14将输出电力提供给焊丝电极12以及焊接对象M。

焊接用电源装置11将从商用电源供给的三相的交流输入电力变换成适于电弧焊接的直流输出电力。通过由二极管桥以及平滑电容器构成的整流平滑电路21，将交流输入电力变换成直流电力，变换后的直流电力由逆变器电路22变换成高频交流电力。逆变电路22由使用了4个IGBT等开关元件TR的桥式电路构成，由控制装置31实施PWM控制。

由逆变电路22生成的高频交流电力通过焊接变压器23而变换成被调整为规定电压值的二次侧交流电力。通过使用了二极管的整流电路24和直流电抗器25，将焊接变压器23的二次侧交流电力变换为适于电弧焊接的直流输出电力。

对于本实施方式的直流电抗器25，使用具有过饱和特性的过饱和电抗器。如图2所示，直流电抗器25的特性如下：包含电流值Ip1的比规定的电流值Ia大的高电流区域是利用必要最低限度的电感值La成为恒定的通常特性区域A1。另一方面，成为规定电流值Ia以下的低电流区域是伴随着电流值的减少而电感值线性地相应增大的过饱和特性区域A2(电流值Ip2、电感值Lb)。即，通过使用这样的特性的直流电抗器25，遍及整个电流区域生成适合的直流输出电力，使得在高电流区域中，由于电感值较小，因此对用于电流平滑的波形控制带来的影响较小，在低电流区域中，通过电感值增大而防止电弧断开。

如图1所示，控制装置31对逆变电路22的开关元件TR实施PWM控制，进行使直流输出电力在其各个时刻成为适当值的控制。此时，控制装置31进行其各个时刻的输出电流I以及输出电压V的检测，基于检测出的输出电流I以及输出电压V，进行对PWM控制的反馈。

即，在电源装置11内的负侧输出端子的电源线上具备电流传感器33，控制装置31在处理部(CPU)32中通过该电流传感器33检测电源装置11的输出电流I。另外，在紧接整流电路24之后的电源线间具备电压传感器34，控制装置31在处理部32中通过该电压传感器34检测电源装置11的输出电压V。控制装置31根据由处理部32在各个时刻检测出的输出电流I以及输出电压V，进行PWM控制的占空比的算出，生成对逆变电路22输出的PWM控制信号。

在此，优选在PWM控制中使用确实地产生电弧的焊丝电极12的前端电压Va作为在控制中使用的输出电压V，但直接检测出前端电压Va是困难的。因此，控制装置31预先在存储装置(图示略)中保持从电压传感器34到电极12之间的电压变化部分，对在其各个时刻检测出的输出电压V进行该电压变化部分的补正，来获得前端电压Va，使用算出的前端电压Va来实施PWM控制。

但是，从电压传感器34到电极12为止之间的电压变化部分中存在电源装置11的内部的电压变化部分(从整流电路24到输出端子为止的电阻值R1和电感值L1引起的电压变化部分)、和外部的电压变化部分(从输出端子经由电力电缆14直到电极12前端为止的电阻值R2和电感值L2引起的电压变化部分)。为了不受到使用状态的影响，电源装置11的内部电压变化部分可以作为补正项预先加入到前端电压Va的计算中，但是外部电压变化部分由于电力电缆14的线缆长度、铺设状态(直线铺设、卷绕铺设、其卷绕数)等条件因每个使用者而相异，因此较大地受到电阻值R2，特别是电感值L2的变化的影响。

因此，使用者将电弧焊接机10设置于现场，包括电力电缆14的铺设在内使之确实成为使用状态，测定将内部的电阻值R1以及电感值L1、和外部的电阻值R2以及电感值L2进行合计后的电阻值R以及电感值L。将测定出的合计电阻值R以及合计电感值L保持于控制装置31内。

另外，在本实施方式的电源装置11中，具备测定所述合计电阻值R以及合计电感值L的测定模式，根据开关等的选择，控制装置31能够转移到测定模式。在测定模式下的测定时，焊丝电极12的前端和焊接对象M成为短路状态。另外，电极12的短路不进行和焊接对象M的直接短路，而是使支撑电极12的焊炬TH的前端部分(除了焊丝以外的供电部分)和焊接对象M进行短路。这种情况下，也可以制作短路用的特殊模具(jig)来应对。另外，也可以使用接触用电极来进行短路，以代替焊丝电极12。

下面，以控制装置31的测定模式为中心来进行说明。

如图3所示，首先使逆变电路22动作，从而将输出电流I增大到电流值Ip1为止。该电流值Ip1在具有过饱和特性的直流电抗器25的单体中，是以电感值La成为恒定的通常特性区域A1的电流值。实际如图2所示，由于电力电缆14的铺设状态等而特性偏移，因此，虽然合计电感值L以偏移后的值La1恒定，但将其设定为还考虑了该偏移部分的通常特性区域A1的电流值。然后，测定在保持这样的电流值Ip1的区间的平均电压值Ve。由此，首先用下面的式(a)来算出合计电阻值R。

R＝Ve/Ip1…(a)

接下来，使逆变电路22的动作停止，从此时的时刻T0起开始计时。同时，对以时刻T0为起点而每时每刻变化的输出电流I进行采样，将到达成为符合时间常数的电流衰减量的电流值ΔIp1(Ip1×36.8％)的时刻设为T1，求取该时刻T1-T0间的时间(时间常数)τ1。由此，用下面的式(b)算出在通常特性区域A1变化的合计电感值La1(在电抗器25的单体下的电感值La)。

La1＝R·τ1(＝Ve·τ1/IP1)…(b)

接下来，再次使逆变电路22动作，将输出电流I调整为过饱和特性区域A2内的规定电流值Ip2。调整后，再次使逆变电路22的动作停止，并从此时的时刻T2起开始计时。同时，对以时刻T2为起点而每时每刻变化的输出电流I进行采样，将到达成为符合时间常数的电流衰减量的电流值ΔIp2(Ip2×36.8％)的时刻设为T3，求取该时刻T3-T2间的时间(时间常数)τ2。由此，用下面的式(c)算出在过饱和特性区域A2变化的合计电感值Lb1(在电抗器25的单体下的电感值Lb)。

Lb1＝R·τ2(＝Ve·τ2/Ip2)…(c)

接下来，如图2所示，所算出的通常特性区域A1的合计电感值La1和过饱和特性区域A2的合计电感值Lb1，通过直线补充，能够作为电流I的函数L(I)来得到合计电感值L。然后，将如此获得的合计电感值L的函数L(I)和先前求得的合计电阻值R保持于控制装置31内。以上，测定模式结束。

然后，控制装置31在焊接动作时，根据每个时刻的输出电流I以及输出电压V，用下面的式(d)算出前端电压Va。

Va＝V-L(I)·dI/dt-RI  …(d)

另外，若用具体的数值来表示，则根据逆变电路22的启动在10[ms]期间输出输出电流I的电流值Ip1＝400[A]，之后，关断逆变电路22。若这期间的平均电压值Ve为4[V]，则根据上述式(a)，算出合计电阻值R为：

R＝Ve/Ip1＝4/400＝0.01[Ω]。

接下来，电流值Ip1成为相当于时间常数τ1的电流衰减量的电流值ΔIp1为

ΔIp1＝400×0.368＝147[A]

若关断逆变电路22后输出电流I从400[A]达到147[A]的该时间常数τ1为3[ms]，则根据上述式(b)，在通常特性区域A1中，算出包括直流电抗器25的单体的电感值La的合计电感值La1如下：

La1＝R·τ1＝0.01×3＝0.03[mH]。

另外，上述的电流值Ip1需要预先根据所使用的直流电抗器25的规格来估计，需要将其设定为不到达过饱和特性区域A2的值。

接下来，再次启动逆变电路22，在10[ms]的期间作为成为过饱和特性区域A2内的例如相当于电弧焊接机10的最小电流的电流值Ip2＝20[A]，输出输出电流I之后，关断逆变电路22。电流值Ip2成为相当于时间常数τ2的电流衰减量的电流值ΔIp2为

ΔIp2＝20×0.368＝7[A]，

若关断逆变电路22后输出电流I从20[A]达到该7[A]的该时间常数τ2为10[ms]，则根据上述式(c)，在过饱和特性区域A2中，算出包括直流电抗器25的单体的电感值Lb的合计电感值Lb1如下：

Lb1＝R·τ2＝0.01×10＝0.1[mH]。

然后，通过进行该La1＝0.03[mH]、Lb1＝0.1[mH]的直线补充，获得合计电感值L的函数L(I)，使用先前获得的合计电阻值R，能根据上述式(d)算出各个时刻的前端电压Va。另外，上面所举出的具体数值是一例，并不限定于此。

如此，即使是在使用了具有过饱和特性的直流电抗器25的本实施方式的焊接用电源装置11中，也能适当地算出前端电压Va，从而根据适当算出的前端电压Va来进一步适当地进行逆变电路22的每个时刻的控制。因此，通过和使用过饱和特性的电抗器25的乘数效应，能遍布整个电流区域生成更适当的电弧焊接用的直流输出电力。

下面，记载本实施方式的特征性的作用效果。

(1)在控制装置31的测定模式中，在测定合计电阻值R(内部电阻值R1+外部电阻值R2)以及合计电感值L(内部电感值L1+外部电感值L2)时，用上述的方法使焊丝电极12(包括代用的电极)以短路的状态来进行。根据将逆变电路22的动作所产生的输出电流I设为规定电流值Ip1时的输出电压V的电压值(平均电压值Ve)来算出合计电阻值R。检测出将逆变电路22的动作所产生的输出电流I设为分别与直流电抗器25的通常特性区域A1和过饱和特性区域A2对应的2个电流值Ip1、Ip2时的各电感值La1、Lb1，通过这两个电感值La1、Lb1的直线补充，从而以函数L(I)来算出合计电感值L。将如此获得的合计电阻值R和合计电感值L的函数L(I)保持在控制装置31内。然后，控制装置31在焊接动作时，对检测出的输出电压V的电压值进行涉及合计电阻值R以及合计电感值L的电压变化部分的补正，算出前端电压Va。由此，即使使用了具有通常特性区域A1和过饱和特性区域A2的直流电抗器25，也能适当算出直到电极12前端为止的路径上的合计电阻值R、特别是能适当算出合计电感值L，从而能适当地算出前端电压Va。因此，通过与使用过饱和特性的电感器25的乘数效应，能遍布整个电流区域生成更适当的电弧焊接用的输出电力，能有利于焊接性能的进一步提升。

(2)在合计电感值L的算出中，根据在分别与直流电抗器25的通常特性区域A1和过饱和特性区域A1对应的2个电流值Ip1、Ip2时所检测出的2个电感值La1、Lb1，来算出该合计电感值L的函数L(I)。即，由于电感值La1、Lb1的检测数量较少，因此，能缩短该检测所花费的时间和合计电感值L的算出所花费的时间，能缩短算出前端电压Va所花费的时间。另外，能减轻这些的运算负荷。

(3)在合计电阻值R的算出中，在为了检测与通常特性区域A1对应的电感值La1而将输出电流I设定为电流值Ip1时，根据此时的输出电压V的电压值(平均电压值Ve)来算出该合计电阻值R。由此，由于也能够利用为了检测与通常特性区域A1对应的电感值La1而设定的输出电流I的电流值Ip1来检测合计电阻值R，因此，能使输出电流I的电流值的设定数较少。即，由于每当设定输出电流I的电流值时都需要使逆变电路22动作，因此能降低其动作次数，能在短时间内效率良好地算出前端电压Va。

另外，本发明的实施方式还能进行如下的变更。

·在上述实施方式中，在合计电感值L的算出中，根据针对与直流电抗器25的通常特性区域A1和过饱和特性区域A2对应的2个电流值Ip1、Ip2的2个电感值La1、Lb1来进行该算出，但也可以进行3个以上的电感值的检测。另外，也可以在各区域A1、A2中分别进行2个以上的电感值的检测。另外，也可以在伴随着电流值变化而电感值变化的过饱和特性区域A2侧使电感值的检测数量较多。

·在上述实施方式中，在合计电阻值R的算出中，在为了检测与通常特性区域A1对应的电感值La1而将输出电流I设定为电流值Ip1时，根据此时的输出电压V的电压值(平均电压值Ve)来进行该算出，但也可以为了算出合计电阻值R而另外设定输出电流I的电流值。另外，也可以在电感值La1的检测前进行合计电阻值R的检测，也可以在电感值La1、Lb1的检测期间或电感值Lb的检测之后来进行合计电阻值R的检测。

·在上述实施方式中，如图1所示，通过逆变电路22、焊接变压器23、直流变换单元(整流电路24、直流电感器25)等来构成电源装置11，但也可以对这些各电路构成进行适当变更。

Claims (3)

1.一种焊接用电源装置，其特征在于，具备：

逆变电路，其将直流电力变换为高频交流电力；

焊接变压器，其进行变换的交流电力的电压调整；和

直流变换单元，其包括直流电抗器，该直流电抗器根据该焊接变压器的二次侧交流电力生成适于焊接的直流输出电力，

基于所生成的所述输出电力向电极的供给，在与焊接对象之间产生用于焊接的电弧，

所述焊接用电源装置还具备：

控制单元，其根据由装置内的检测单元所检测出的输出电流和输出电压来算出所述电极的前端电压，并根据所算出的前端电压来控制所述逆变电路，

对于所述直流电抗器，使用了过饱和电抗器，该过饱和电抗器在高电流区域表现电感值成为恒定的通常特性，在低电流区域表现电感值伴随电流值的减小而增大的过饱和特性，

所述焊接用电源装置具备：

电阻值算出单元，其在使所述电极为短路状态下，根据将由所述逆变电路的动作而产生的所述输出电流作为规定电流值时的所述输出电压的电压值，来算出直到所述电极前端为止的路径上的合计电阻值；和

电感值算出单元，其在使所述电极为短路状态下，根据将由所述逆变电路的动作而产生的所述输出电流分别作为与所述直流电抗器的通常特性区域和过饱和特性区域对应的至少两个电流值时所得的电流衰减量，来检测各电感值，将直到所述电极前端为止的路径上的合计电感值作为先前检测出的至少两个电感值的函数来算出，

算出所述电极的前端电压的前端电压算出单元，对检测出的所述输出电压的电压值补正与直到所述电极前端为止的路径上的所述合计电阻值以及所述合计电感值相关的电压变化部分，从而算出所述前端电压。

2.根据权利要求1所述的焊接用电源装置，其特征在于，

所述电感值算出单元根据作为分别与所述直流电感器的通常特性区域和过饱和特性区域对应的两个电流值时所检测出的两个电感值，来算出所述合计电感值的函数。

3.根据权利要求1或2所述的焊接用电源装置，其特征在于，

所述电阻值算出单元，在将所述输出电流设定为所述电感值算出单元为了检测出与所述通常特性区域对应的电感值而用的电流值时，根据此时的所述输出电压的电压值来算出所述合计电阻值。

Images