JP2004114098A - 溶接電源装置の出力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流ｉを微分して予め定めた増幅率Ｌｒを乗じた電流微分値Ｂｉを予め定めた出力電圧設定値Ｅｒから減算して電圧制御設定値Ｅｃｒを算出し、出力電圧Ｅの検出値Ｅｄが前記電圧制御設定値Ｅｃｒと略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御（電子リアクトル制御）方法において、溶接条件に応じて前記増幅率Ｌｒの設定値が変化すると前記出力電圧Ｅの平均値が変化してアーク長が適正値から外れて溶接品質が悪くなることがある。
【解決手段】本発明は、前記電流微分値Ｂｉを平滑して電流微分平滑値Ｂａを算出し、前記電圧制御設定値Ｅｃｒを前記出力電圧設定値Ｅｒから前記電流微分値Ｂｉを減算した値に前記電流微分平滑値Ｂａを加算した値（Ｅｃｒ＝Ｅｒ−Ｂｉ＋Ｂａ）として算出する溶接電源装置の出力制御方法である。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置の出力制御方法に関し、特に、短絡期間及びアーク期間の出力電流の変化を適正化するためのリアクトルを電子的に形成するいわゆる電子リアクトル制御の改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接においては、アーク負荷の変動に応じて短絡期間及びアーク期間中の出力電流ｉの変化を適正化することが良好な溶接品質を確保するために重要である。上記の短絡アーク溶接には、短絡移行アーク溶接だけでなく、短絡を伴うグロビュール移行溶接、短絡を伴うスプレー移行溶接等も含まれる。短絡アーク溶接には定電圧特性の溶接電源装置を使用するので、その出力電圧をＥ［Ｖ］とする。また、溶接電源装置の内部及び外部を合わせたリアクトルのインダクタンス値をＬ［Ｈ］とし、内部及び外部を合わせた抵抗の値をｒ［Ω］とし、アーク負荷の電圧（以下、溶接電圧という）をｖ［Ｖ］とすると、出力に関して下式が成立する。
Ｅ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔ＋ｒ・ｉ＋ｖ　…（１）式
上式において、抵抗値ｒは通常小さな値であるので省略し、電流変化率（電流微分値）ｄｉ／ｄｔで整理すると下式となる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ）／Ｌ　…（２）式
上式において出力電圧Ｅは予め設定された値であるので、アーク負荷が変動して溶接電圧ｖが変化したときの電流変化率ｄｉ／ｄｔはインダクタンス値Ｌに反比例することになる。したがって、アーク負荷の変動に応じて電流変化率ｄｉ／ｄｔを適正化するためには、インダクタンス値を適正値Ｌｍ［Ｈ］に設定すればよいことになる。
【０００３】
通常、上記の適正インダクタンス値Ｌｍは１００〜５００［μＨ］と大きな値であり、かつリアクトルに通電する出力電流ｉは最大５００［Ａ］と非常に大きな値であるために、リアクトルのサイズが大きくなり重量も重くなる。さらに、上記の適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの材質、直径、シールドガスの種類、平均出力電流値、短絡期間とアーク期間等の種々の溶接条件によって変化する。しかし、鉄鋼芯に導線を巻いて製作されるリアクトルでは、そのインダクタンス値を溶接条件に応じて所望値に自在に変化させることはできない。そこで、以下に説明する従来技術では、このリアクトルと等価な作用を電子的に形成する制御（以下、電子リアクトル制御という）が開示され、広く慣用されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
電子リアクトル制御の原理は以下のとおりである。出力電圧の設定値をＥｒ［Ｖ］とし、適正インダクタンス値をＬｍ［μＨ］とし、出力電流ｉを平滑するための数十μＨの固定インダクタンス値をＬｉ［μＨ］とし、電子リアークトル制御によって形成される電子インダクタンス値をＬｒ［μＨ］とする。したがって、Ｌｍ＝Ｌｉ＋Ｌｒとなる。これらを上記（２）式に代入して整理すると下式となる。
Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔ＝Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ　…（３）式
【０００５】
上式において、出力電圧がＥ＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔになるように制御することによって電子インダクタンス値Ｌｒを形成することができる。すなわち、出力電流ｉを検出して微分し増幅率Ｌｒを乗じた電流微分値Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出する．続いて、予め定めた出力電圧設定値Ｅｒから上記の電流微分値Ｂｉを減算して電圧制御設定値Ｅｃｒ＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出し、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅｃｒと略等しくなるように制御する。ここで、上記の増幅率Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌｉであるので、種々の溶接条件に応じて適正インダクタンス値Ｌｍが決まると、増幅率（電子インダクタンス値）Ｌｒが決まる。したがって、適正インダクタンス値Ｌｍを任意の値に電子リアクトル制御によって設定することができる。
【０００６】
図６は、従来技術の電子リアクトル制御を採用した溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路について説明する。
【０００７】
電源主回路ＰＭＣは、商用電源（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する誤差増幅信号Ａｍｐに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。直流リアクトルＤＣＬは、鉄芯に導線を巻いたものであり、数十μＨ程度の小さな値の固定インダクタンス値Ｌｉ［μＨ］を有する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【０００８】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖを検出して電圧検出信号ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号ｖｄを入力として短絡判別信号Ｓｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、出力電流ｉを検出して電流検出信号ｉｄを出力する。電子リアクトル制御回路ＥＲＣは、上記の電流検出信号ｉｄを微分して増幅率Ｌｒを乗じて電流微分信号Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを出力する。増幅率Ｌｒは、上述したように種々の溶接条件に応じて適正値に予め設定する。通常、溶接状態を安定化するために、上記の短絡判別信号Ｓｄによって上記の増幅率Ｌｒを変化させて、短絡期間中は大きな値にアーク期間中は小さな値に設定することが多い。
【０００９】
出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。減算回路ＳＵＢは、この出力電圧設定信号Ｅｒから上記の電流微分信号Ｂｉを減算して、電圧制御設定信号Ｅｃｒ＝Ｅｒ−Ｂｉを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、出力電圧Ｅを検出して出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の電圧制御設定信号Ｅｃｒとこの出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ａｍｐを出力する。
【００１０】
図７は、上記の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅｃｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１１】
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中はアーク負荷が短絡負荷になるために、出力電流ｉは増加する。これに伴い、同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの増加率に比例した正の値となる。続いて、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は短絡負荷からアーク負荷に変化するために、出力電流ｉは減少する。これに伴い、同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの減少率に比例した負の値となる。そして、同図（Ｃ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅｃｒは出力電圧設定信号Ｅｒから電流微分信号Ｂｉを減算した値となる。この電圧制御設定信号Ｅｃｒと略等しくなるように出力電圧Ｅが制御される。
【００１２】
【特許文献１　】
特開昭５８−８１５６７号公報
【特許文献１　】
特開昭５８−１１２６５９号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の図７において、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中における電流微分信号Ｂｉの積分値の絶対値をＳｓとし、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中の電流微分信号Ｂｉの積分値の絶対値をＳａとする。ここで、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとでは負荷の変動状態が異なりかつ増幅率Ｌｒの設定値も異なるために、短絡期間Ｔｓ中の出力電流ｉの増加率とアーク期間Ｔａ中の現像減少率とは同じ値にはならず、通常はＳｓ＞Ｓａとなる。したがって、同図（Ｃ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅｃｒの平均値は出力電圧設定信号Ｅｒよりも小さくなる。すなわち、溶接条件に応じて短絡期間Ｔｓ中の増幅率Ｌｒとアーク期間Ｔａ中の増幅率Ｌｒとはそれぞれの適正値に設定されるために、上記の積分値Ｓｓと積分値Ｓａとの差は溶接条件によって変化することになる。このために、電圧制御設定信号Ｅｃｒの平均値も変化することになる。
【００１４】
ところで、アーク長を適正値に設定することは良好な溶接品質を確保するために重要である。通常、アーク長は溶接電圧ｖの平均値と略比例するので、出力電圧Ｅの平均値とも略比例する。他方、電圧制御設定信号Ｅｃｒの平均値によって出力電圧Ｅの平均値が決まるので、結果的に電圧制御設定信号Ｅｃｒの平均値によってアーク長が決まることになる。しかし、上述したように、電子リアクトル制御の増幅率Ｌｒによって電圧制御設定信号Ｅｃｒの平均値が変化するために、アーク長が変化することになる。このために、従来技術においては、増幅率Ｌｒを変化させたときには、出力電圧設定信号Ｅｒを再調整して電圧制御設定信号Ｅｃｒの平均値が適正値から外れないようにする必要があった。この再調整は非常に煩雑な作業であり、またこれを怠るとアーク長が適正値から外れて溶接品質が悪くなることになる。
【００１５】
そこで、本発明では、電子リアクトルの増幅率Ｌｒが変化しても出力電圧の平均値は変化せず常にアーク長を適正値に維持することができる溶接電源装置の出力制御方法を提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧の検出値が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
前記電流微分値を平滑して電流微分平滑値を算出し、前記電圧制御設定値を前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算した値に前記電流微分平滑値を加算した値として算出することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１に記載する電圧制御設定値を、短絡期間中は出力電圧設定値から電流微分値を減算した値として算出し、アーク期間中は前記出力電圧設定値に電流微分平滑値を加算した値として算出することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１は、従来技術の電子リアクトル制御において、電流微分値Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを平滑して電流微分平滑値Ｂａを算出し、電圧制御設定値Ｅｃｒ＝Ｅｒ−Ｂｉ＋Ｂａを算出して出力電圧を制御する方法である。後述するように、増幅率Ｌｒが変化しても電流微分平滑値Ｂａによって電圧制御設定値Ｅｃｒの平均値は略一定値に保たれることになる。
【００２０】
図１は、実施の形態１に係る溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図６と同一の回路には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図６とは異なる点線で示す回路について説明する。
【００２１】
電流微分平滑回路ＢＡは、電流微分信号Ｂｉを平滑して電流微分平滑信号Ｂａを出力する。第２減算回路ＳＵＢ２は、出力電圧設定信号Ｅｒから電流微分信号Ｂｉを減算して、減算信号Ｓｕｂ＝Ｅｒ−Ｂｉ＝Ｅｒ−（Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔ）を出力する。加算回路ＡＤは、上記の減算信号Ｓｕｂと上記の電流微分平滑信号Ｂａとを加算して、電圧制御設定信号Ｅｃｒ＝Ｓｕｂ＋Ｂａ＝Ｅｒ−（Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔ）＋Ｂａを出力する。
【００２２】
図２は、上記の実施の形態１の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅｃｒの時間変化を示す。同図は上述した図７と対応しており、図７と異なる点のみを説明する。
【００２３】
同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉを平滑して電流微分平滑信号Ｂａが得られる。この平滑の時定数は、電流微分信号Ｂｉが略平滑される数十〜数百ｍｓ程度に設定する。この電流微分平滑信号Ｂａは、積分値Ｓｓと積分値Ｓａとの差と等しくなる。したがって、同図（Ｃ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅｃｒ＝Ｅｒ−Ｂｉ＋Ｂａの平均値は、出力電圧設定信号Ｅｒと略等しくなる。このために、電子リアクトル制御の増幅率Ｌｒを短絡期間とアーク期間とで大きく異なった値に設定した場合又は種々の溶接条件に応じて異なった値に設定した場合でも、常に電圧制御設定信号Ｅｃｒの平均値は出力電圧設定信号Ｅｒの値と略等しくなる。
【００２４】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、上述した実施の形態１において、電流微分値Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを平滑して電流微分平滑値Ｂａを算出し、電圧制御設定値Ｅｃｒを、短絡期間中は出力電圧設定値Ｅｒから電流微分値Ｂｉを減算した値Ｅｃｒ＝Ｅｒ−Ｂｉとして算出し、アーク期間中は出力電圧設定値Ｅｒに電流微分平滑値Ｂａを加算した値Ｅｃｒ＝Ｅｒ＋Ｂａとして算出する方法である。上述したように、一般的に増幅率Ｌｒは短絡期間中は大きな値に設定し、アーク期間中は小さな値に設定することが多い。このような場合には、短絡期間中のみ電流微分値Ｂｉを減算していることと等価になるので、アーク期間中のみ電流微分平滑値Ｂａを加算することで電圧制御設定値Ｅｃｒの平均値を略一定値に保つことができる。
【００２５】
図３は、実施の形態２に係る溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図１と同一の回路には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図１とは異なる点線で示す回路について説明する。
【００２６】
第２加算回路ＡＤ２は、出力電圧設定信号Ｅｒと電流微分平滑信号Ｂａとを加算して加算信号Ａｄ＝Ｅｒ＋Ｂａを出力する。切換回路ＳＷは、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときにはａ側に切り換わり減算信号Ｓｕｂ＝Ｅｒ−Ｂｉを電圧制御設定信号Ｅｃｒとして出力し、Ｌｏｗレベル（アーク期間）のときにはｂ側に切り換わり上記の加算信号Ａｄ＝Ｅｒ＋Ｂａを電圧制御設定信号Ｅｃｒとして出力する。出力電圧Ｅはこの電圧制御設定信号Ｅｃｒと略等しくなるように制御される。
【００２７】
図４は、上記の実施の形態２の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅｃｒの時間変化を示す。同図は上述した図２と対応しており、図２と異なる点のみを説明する。
【００２８】
同図（Ｂ）に示すように、電子リアクトル制御の増幅率Ｌｒが短絡期間中は大きな値に設定され、アーク期間中は非常に小さな値に設定されている場合であるので、電流微分信号Ｂｉは時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は大きな値となり、他方時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は略零となる。また、電流微分信号Ｂｉを平滑して電流微分平滑信号Ｂａが得られる。そして、同図（Ｃ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中の電圧制御設定信号はＥｃｒ＝Ｅｒ−Ｂｉの式で算出され、アーク期間Ｔａ中の電圧制御設定信号はＥｃｒ＝Ｅｒ＋Ｂａの式で算出される。この結果、電子リアクトル制御の増幅率Ｌｒを、短絡期間とアーク期間とで大きく異なった値に設定した場合又は種々の溶接条件に応じて異なった値に設定した場合でも、電圧制御設定信号Ｅｃｒの平均値は出力電圧設定信号Ｅｒの値と略等しくなる。
【００２９】
［効果］
図５は、本発明の効果の一例を示す増幅率Ｌｒと出力電圧Ｅの平均値との関係図である。同図は、鉄鋼のマグ溶接において出力電流の平均値が１５０Ａのときの増幅率Ｌｒの変化に対する出力電圧平均値の変化を測定したものである。同図から明らかなように、従来技術では増幅率の増大に伴って出力電圧平均値が減少するために、アーク長が短くなり溶接品質が悪くなる。これに対して、本発明では出力電圧平均値は略一定値となるので、アーク長は変化せず溶接品質も良好なままである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の溶接電源装置の出力制御方法によれば、電子リアクトル制御の増幅率を種々の溶接条件に応じて変化させても出力電圧平均値は略一定値のままであるので、適正アーク長に対応する出力電圧平均値に調整する作業が容易であり、さらに常に適正アーク長を維持することができるので良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図４】図３の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図５】本発明の効果を示す増幅率と出力電圧平均値との関係図である。
【図６】従来技術における溶接電源装置のブロック図である。
【図７】図６の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【符号の説明】
１　　　　　　溶接ワイヤ
２　　　　　　母材
３　　　　　　アーク
４　　　　　　溶接トーチ
５　　　　　　送給ロール
ＡＤ　　　　　　加算回路
Ａｄ　　　　　　加算信号
ＡＤ２　　　　　　第２加算回路
ＡＭＰ　　　　　　誤差増幅回路
Ａｍｐ　　　　　　誤差増幅信号
ＢＡ　　　　　　電流微分平滑回路
Ｂａ　　　　　　電流微分平滑（値／信号）
Ｂｉ　　　　　　電流微分信（値／信号）
ＤＣＬ　　　　　　直流リアクトル
ｄｉ／ｄｔ　　　　電流変化率
Ｅ　　　　　　出力電圧
Ｅｃｒ　　　　　　電圧制御設定（値／信号）
ＥＤ　　　　　　出力電圧検出回路
Ｅｄ　　　　　　出力電圧検出信号
ＥＲ　　　　　　出力電圧設定回路
Ｅｒ　　　　　　出力電圧設定（値／信号）
ＥＲＣ　　　　　　電子リアクトル制御回路
ｉ　　　　　　出力電流
ＩＤ　　　　　　電流検出回路
ｉｄ　　　　　　電流検出信号
Ｌ　　　　　　インダクタンス値
Ｌｉ　　　　　　固定インダクタンス値
Ｌｍ　　　　　　適正インダクタンス値
Ｌｒ　　　　　　増幅率／電子インダクタンス値
ＰＭＣ　　　　　　電源主回路
ｒ　　　　　　抵抗値
Ｓａ　　　　　　積分値
ＳＤ　　　　　　短絡判別回路
Ｓｄ　　　　　　短絡判別信号
Ｓｓ　　　　　　積分値
ＳＵＢ　　　　　　減算回路
Ｓｕｂ　　　　　　減算信号
ＳＵＢ２　　　　　第２減算回路
ＳＷ　　　　　　切換回路
Ｔａ　　　　　　アーク期間
Ｔｓ　　　　　　短絡期間
ｖ　　　　　　溶接電圧
ＶＤ　　　　　　電圧検出回路
ｖｄ　　　　　　電圧検出信号

Claims (2)

1. 溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧の検出値が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
   前記電流微分値を平滑して電流微分平滑値を算出し、前記電圧制御設定値を前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算した値に前記電流微分平滑値を加算した値として算出することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。
2. 請求項１に記載する電圧制御設定値を、短絡期間中は出力電圧設定値から電流微分値を減算した値として算出し、アーク期間中は前記出力電圧設定値に電流微分平滑値を加算した値として算出することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。

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