JP2004534659A

JP2004534659A - 力率１アーク溶接機のための発電機

Info

Publication number: JP2004534659A
Application number: JP2003513734A
Authority: JP
Inventors: メラ，フランコ
Original assignee: Selco SRL
Current assignee: Selco SRL
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-11-18
Also published as: EP1406743A1; ITPD20010182A1; CN100381242C; WO2003008141A1; CA2420957A1; EP1406743B1; US20040079739A1; US7141759B2; CN1578711A

Abstract

その二次巻線において溶接用アークに電源を供給し、また一次巻線において、入力平滑化および整流ユニット（１０１）によって電源を供給される電流変圧器（１０４）を含むタイプの、力率１アーク溶接機のための発電機であって、整流器ユニットと電流変圧器との間に、電流変圧器と、電流変圧器の二次巻線に接続される整流器段（１０５）との組み合わせによってＤＣ／ＤＣ変換を実行するハーフブリッジ構造を構成する２つの電子スイッチと、平滑化コイルとを備える電子回路が存在し、その回路は電流変圧器の一次巻線の側に配列される共振用の容量性部品と誘導性部品との組み合わせを有し、その部品は電子スイッチの下流に配列されるコンデンサのバンクを充電し、さらにコンデンサにかかる電圧を一定に保持し、また上記溶接用電流を制御し、かつ上記交流電源から正弦曲線タイプの取り込みを確保するのに適した手段も設けられる。

Description

【０００１】
［技術分野］
本発明はアーク溶接機のための発電機に関する。
【０００２】
［背景技術］
図１には、従来技術による、電子制御回路および電源回路を備えるアーク溶接機の典型的なブロック図が示される。
【０００３】
このブロック図は、整流器段１と、後続する平滑化コンデンサ２のバンクとを構成し、コンデンサ２は、高周波電子スイッチを備えるインバータブロック３を介して電源変圧器４に電圧を供給する。
【０００４】
変圧器４の二次巻線には、整流器段５が接続され、さらに溶接用アーク７内を循環する電流である出力電流を平滑化するためのコイル６が接続される。
【０００５】
動作中に、この種のブロック図による溶接機は、交流電源から、その波形が図２に示されるような形状を有し、図のように多量の高調波を含む電流を取り込む。
【０００６】
この状況では、力率は低く、アークにおいて高い出力電力を得るために、交流電源から高いＲＭＳ電流値を引き込む必要がある。
【０００７】
取り込まれる電流の高いＲＭＳ率および高い高調波含有量は重大な問題であり、電源線がこの種の負荷に合う太さになっていない場合は特にそうである。
【０００８】
これは特に屋内環境において溶接機を用いるときに生じ、その場合に、それらのシステムは適度の電力消費に合う大きさに作られている。
【０００９】
この場合に、電源線は危険なほど熱くなるため、結果的にアークおよび溶接を実行するための能力に影響があるにしても、溶接機の発電機によって供給される電源を制限する必要がある。
【００１０】
このようにしない場合には、出力の有効電力が同等の抵抗性負荷の電力より低い場合であっても、発電機によって取り込まれるＲＭＳ電流が高いことにより、システムの安全熱動開閉器が作動するようになるであろう。
【００１１】
この電気ブロック図による発電機は、特に電圧が低下する場合に、入力電源電圧の変動の影響を受けやすい。
【００１２】
この場合に、発電機の性能、それゆえ溶接機の性能は著しく劣化する。
【００１３】
これらの問題に鑑みて、付加的な処理段を含む溶接機のための発電機は、電源側において、できる限り正弦曲線の電流を取り込むように開発されてきた。
【００１４】
このように、発電機は抵抗性負荷に等価であり、これにより全ての利用可能な使用中の電力を利用できるようになる。
【００１５】
また付加的な処理段によって、発電機が交流電源電圧の変動に自動的に適応でき、それにより、その動作範囲全体を通して溶接機の性能を確保できるようになる。
【００１６】
付加的な処理段を含む典型的なブロック図が、その不可欠な部品によって図３に示される。
【００１７】
図１のブロック図と比較することにより、この図によれば、整流器ブロック１２と平滑化コンデンサブロック１３との間に処理段１１が追加されていることに気付くことができる。
【００１８】
そのような付加的な処理段１１は、技術的にはブーストタイプＰＦＣとして知られており、図３のように配列されるコイル１４と、電子スイッチ１５と、ダイオード１６とを含む。
【００１９】
スイッチ１５を制御するための適当な装置１７を介して、ブロック１１によって、入力電流を図４に示されるように概ね正弦曲線で取り込めるようになるだけでなく、入力電圧が変動する場合であっても、電圧の値を一定に保持し、平滑化コンデンサブロック１３の端子の値を一定に保持できるようになる。
【００２０】
またこれにより、インバータブロック１８において用いられる電子式電源スイッチの大きさを最適化できるようになる。
【００２１】
別の既知の発電機は、図５、図６および図７に概略的に示される発電機である。
【００２２】
この場合には、ただ１つの入力整流器段２１が存在し、交流電源からの正弦曲線の取り込みと、入力電圧の変動への自動的な適応との両方を確保することができる。
【００２３】
入力段２１は、単相電源の場合に図６に、三相電源の場合に図７にさらに詳細に示される。
【００２４】
これらの回路は、同じ出願人によるＷＯ０１／０３８７４にさらに詳細に示される。
【００２５】
この場合に、発電機は、図５において、入力整流器段２１と、コンデンサを備える平滑化段２２と、電子スイッチを備えるインバータ段２３と、電流変圧器２４と、溶接用アーク２６のための電源段２５とによって示される１組のブロックから構成される。
【００２６】
その発電機の最も重要な部品は、図６および図７に詳細に示される入力整流段２１に配置される。
【００２７】
図６は、単相電源発電機に関連する入力段２１の第１の詳細図を示す。
【００２８】
この回路構成では、１つのコイル２７が存在し、それは交流電源入力２８に直に接続される。
【００２９】
このコイルの後段には２つのダイオード２９および３０が互いに逆相に接続され、各ダイオードはそれぞれ参照番号３１および３２によって示される電子スイッチによって機能する。
【００３０】
出力３３および３４は平滑化コンデンサ２２の処理段に電圧を供給する。
【００３１】
図７に示されるように、三相電源の場合には、参照番号３５、３６および３７によって示される、各相に対して１つずつの３つのコイルが存在し、それらが交流電源３８に直に接続される。
【００３２】
各コイルの後段にはそれぞれダイオード３９、４０および４１が接続され、各ダイオードはそれぞれ参照番号４２、４３および４４によって示される電子スイッチによって機能する。
【００３３】
この構成によって、用いられる電源部品が削減されるので、システムの全体効率が高められるようになる。
【００３４】
図示されるタイプの全ての既知の装置の問題は、２つの処理段、すなわち第１の入力適応段（ＰＦＣ）と、溶接用インバータを設ける第２の変換段とが常に組み合わせて用いられることである。
【００３５】
さらに、入力適応段（ＰＦＣ）およびインバータ段に対してそれぞれ専用の２つの電子制御回路が存在する。
【００３６】
［発明の開示］
本発明の目的は、用いられる部品の数、それゆえ発電機のコストを削減することである。
【００３７】
それを達成するための本発明の目的は、ＰＦＣ段の機能およびインバータ段の機能の両方を統合し、実行することができるただ１つの処理段を設けることである。
【００３８】
さらに別の目的は、用いられる電源部品の数を削減することである。
【００３９】
さらに別の目的は、用いられる制御部品の数を削減することである。
【００４０】
別の目的は、既知の発電機に対して発電機の効率を改善することである。
【００４１】
別の目的は、同等の特性を有する他の発電機に対して発電機のコストを削減することである。
【００４２】
これらの目的およびこれ以降により明らかになる他の目的は、その二次巻線において溶接用アークを供給し、またその一次巻線において、入力平滑化および整流ユニットによって電源を供給される電流変圧器を含むタイプの力率１のアーク溶接機のための発電機によって達成され、その発電機は、上記整流器と上記電流変圧器との間に、電流変圧器と上記電流変圧器の二次巻線に接続される整流器段との組み合わせによってＤＣ／ＤＣ変換を実行するハーフブリッジ構造を提供する２つの電子スイッチと、平滑化コイルとを備える挿入された電子回路が存在し、上記電子回路は、電流変圧器の一次巻線の側に構成される共振用の容量性部品と誘導性部品との組み合わせを有し、上記部品は電子スイッチの下流に構成されるコンデンサのバンクを充電し、さらにコンデンサにかかる電圧を一定に保持し、また溶接用電流を制御し、交流電源からの正弦曲線タイプの取り込みを確保するのに適した手段も設けられることを特徴とする。
【００４３】
本発明のさらに別の特徴および利点は、添付の図面において限定的ではない例としてのみ示される、好ましいが、排他的ではない実施形態の以下に記載される詳細な説明から、より明らかになるであろう。
【００４４】
［本発明を実施する方法］
図８〜図１１を参照すると、本発明のブロック図が図８に示されており、入力整流器段１０１が交流電源１０２に接続され、単相あるいは三相タイプ（後者は破線によって示される）から構成されることができ、自動ＰＦＣ１０３を備えるＤＣ／ＤＣコンバータ段に電源を供給し、ＤＣ／ＤＣコンバータ段はさらに電源変圧器１０４に電源を供給し、その二次巻線には二次整流器段１０５が存在し、二次整流器段は、出力平滑化コイル１０６を通して、溶接用アーク１０７に電源を供給する。
【００４５】
図８のブロック図が図９にさらに明示される。
【００４６】
明示されるように、交流電源は、単相の場合には端子ＲおよびＳに接続され、三相の場合にはさらに端子Ｔにも接続され、単相の場合には４つのダイオードＤ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｄ_４によって、三相の場合には加えて２つのダイオードＤ_５およびＤ_６によって構成される入力整流器段に電源を供給する。
【００４７】
整流器段は、ダイオードＤ_ＣＬによって、コンデンサのバンクＣ_Ｂに電圧を供給し、コンデンサのバンクＣ_Ｂにはエネルギーが蓄積される。
【００４８】
２つの高速電子スイッチＳ_１およびＳ_２は、電源インバータ回路を完成するために、互いに直列に、かつコンデンサのバンクＣ_Ｂに並列に配列され、それぞれＳ_１に対するＤ_１Ａによって、Ｓ_２に対するＤ_２Ａによって示される、インバータ回路の電流が自由に循環するためのダイオードを有する。
【００４９】
入力整流器段の出力にはコンデンサＣ_Ｒが存在し、コンデンサＣ_Ｒは直列コイルＬ_Ｒとともに、電源変圧器Ｔの一次巻線の第１の端子に接続される。
【００５０】
コイルＬ_ＲおよびコンデンサＣ_Ｒとともに共振回路を形成するコンデンサＣ_Ｔが、電源変圧器Ｔの一次巻線に並列に接続される。
【００５１】
電源変圧器Ｔの二次巻線には二次整流器ユニットＧ_Ｒが存在し、出力平滑化コイルＬ_Ｏを介して溶接用アークＡに電源を供給する。
【００５２】
変圧器Ｔの一次巻線の第２の端子と、直列に接続される電子スイッチＳ_１およびＳ_２の中央との間には、直列共振のためのＤＣ成分を遮断するためのコンデンサＣ_ＤＣが存在する。
【００５３】
電子スイッチＳ_１およびＳ_２はハーフブリッジ構造を構成し、ハーフブリッジ構造は、電源変圧器Ｔ、二次整流器段Ｇ_Ｒおよび平滑化コイルＬ_Ｏを用いて、ＤＣ／ＤＣ変換を実行することに加えて、共振構成要素Ｃ_Ｔ、Ｌ_ＲおよびＣ_Ｒによって実行されるＰＦＣ機能を統合し、ダイオードＤ_ＣＬを通してコンデンサのバンクＣ_Ｂを充電し、さらに入力電圧が変動しても、そのコンデンサにかかる電圧を一定に保持する。
【００５４】
高速スイッチＳ_１およびＳ_２のための制御回路が存在し、それにより溶接用電流が制御できると同時に、交流電源からの正弦曲線タイプの取り込みを確保できるようになる。
【００５５】
図９では、制御回路は制御ブロックによって構成され、コンデンサＣ_Ｔにかかる電圧の値に比例する信号Ｖ_ＣＴと、コンデンサＣ_Ｒにかかる電圧の値に比例する信号Ｖ_ＣＲと、コイルＬ_Ｒ内を循環する電流の値に比例する信号Ｉ_ＬＲと、出力電流のための基準値によって構成される信号Ｉ_ＲＩＦと、電流制御の際の帰還のために用いられる溶接用アークＡ上の電流の値に比例する信号Ｉ_Ｆとを処理する。
【００５６】
これらのデータの処理によって、２つのスイッチＳ_１およびＳ_２を駆動できるようになる。
【００５７】
これらの制御回路のうちの２種類が図１０および図１１に示される。
【００５８】
図１０はいわゆる周波数制御モードの制御回路を示す。
【００５９】
これらの回路は、ユーザによって設定される出力電流のための基準値Ｉ_ＲＩＦと、電流制御の帰還のために用いられる、負荷内を流れる出力電流の値に比例する信号Ｉ_Ｆとを比較し、Ｉ_ＲＩＦからＩ_Ｆを減算して誤差信号Ｅを得る。
【００６０】
誤差信号Ｅはレギュレータ増幅器ＡＲによって処理され、信号Ｉ^＊が生成される。
【００６１】
信号Ｉ^＊は電圧制御発振器ブロックＶＣＯに入力され、ＶＣＯはＩ^＊の値が変動するのに応じて、その発振周波数を変更し、それに応じてスイッチＳ_１およびＳ_２に関する切替え周波数を変更する。
【００６２】
ブロックＶＣＯの出力は信号Ｆであり、パルス幅変調器ブロックＰＷＭを駆動する切替え周波数である。
【００６３】
変調器ＰＷＭは、誤差信号を０に戻すか、出力電流を設定された値Ｉ_ＲＩＦに導くために、信号ＦおよびＶ_ＣＲに基づいて制御パルスの持続時間を変更する。
【００６４】
同じくブロックＰＷＭによって処理される信号Ｉ_ＬＲを用いて、コンバータの効率を高めるために、ソフトスイッチングモードで、すなわち損失を生じることなく、切り替えることができるようにする。
【００６５】
ブロックＰＷＭからの出力信号は、スイッチＳ_１およびＳ_２を駆動する２つの回路ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２を制御する。
【００６６】
図１１は経路制御モードを用いる制御回路を示す。
【００６７】
この回路では、出力電流のための基準値Ｉ_ＲＩＦと、電流制御の帰還のために用いられる負荷内を流れる出力電流の値に比例する値Ｉ_Ｆとが比較される。
【００６８】
この処理は、電流制御のための誤差信号であり、基準値と帰還値との間の差である信号Ｅを生成する。
【００６９】
この信号は増幅器レギュレータＡＲによって処理され、ＡＲは誤差信号Ｅに起因する信号Ｉ^＊を生成する。
【００７０】
これらの信号は、制御ロジックブロックによって示され、スイッチの切替えを管理する制御ロジックに入力される。
【００７１】
制御ロジックは、信号Ｉ^＊および−Ｉ^＊と、Ｌ_Ｒ内を流れる電流の値に比例する信号Ｉ_ＬＲおよびＣ_Ｔにかかる電圧の値に比例する信号Ｖ_ＣＴの処理から導出される経路信号である信号ＳＴとを処理する。これらの信号は、ＡＦＩ_ＬＦによって示される、電流Ｉ_ＬＲのためのフィルタ増幅器と、ＡＦＶ_ＣＴによって示される、電圧Ｖ_ＣＴのためのフィルタ増幅器とによって処理されており、これらのブロックの出力において信号が加算され、ＳＴの値が求められる。
【００７２】
制御ロジックは、これらの信号Ｉ^＊および−Ｉ^＊とＳＴとを基にして、誤差信号を０に戻すか、あるいは出力電流をＩ_ＲＩＦによって設定される値に導くために、電子スイッチの切替え周波数と、加えられるパルスの持続時間とを決定する。
【００７３】
コンバータの効率を高めるために、信号Ｉ_ＬＲを用いて、ソフトスイッチングモード、すなわち損失を生じることなく切替えを行えるようにする。
【００７４】
制御ロジックブロックは、それぞれＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２によって示される２つの回路を駆動し、それらの回路がさらにスイッチＳ_１およびＳ_２を制御する。
【００７５】
上記の説明および図示から、本発明による回路が、スイッチの機能を統合することにより、以前に知られていた解決手段に対して、用いられる電源部品の数を削減し、それにより処理段がただ１つであることに起因して、発電機の効率を著しく高めることができるようになり、それゆれ、多数のカスケード接続される処理段から得られるよりも効率を高められることが明らかである。
【００７６】
さらに、制御がただ１つであり、それゆえ、ＰＦＣ段の制御に関連する回路が削減されている。
【００７７】
部品Ｃ_Ｔ、Ｌ_ＲおよびＣ_Ｒの直列共振を用いることにより、ソフトスイッチングタイプの切替えが得られ、それにより発電機の効率がさらに高められるようになる。
【００７８】
上記の全ての説明から、意図された目的が果たされており、具体的には、ＡＣ電源から実際に正弦曲線の電流を取り込むことができ、性能を劣化させることなく、入力電圧変動に自動的に適応することができる、アーク溶接のための発電機が提供されており、それにより２つの機能が１つの処理段に統合されるとの結論が導かれる。
【００７９】
その回路の部品は、本発明の範囲を制限することなく選択することができることが明らかである。
【００８０】
本特許出願が優先権を主張するイタリア国特許出願ＰＤ２００１Ａ０００１８２の開示は、参照して本明細書に援用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
先に説明された従来の発電機のブロック図である。
【図２】
先に説明された従来の発電機のグラフである。
【図３】
先に説明された従来の発電機のブロック図である。
【図４】
先に説明された従来の発電機のグラフである。
【図５】
先に説明された従来の発電機のブロック図である。
【図６】
先に説明された従来の発電機のブロック図である。
【図７】
先に説明された従来の発電機のブロック図である。
【図８】
単相電源発電機のための本発明による回路の典型的な図である。
【図９】
図８の回路の詳細図である。
【図１０】
電子スイッチ制御ブロックの一例を示す図である。
【図１１】
図１０の電子スイッチ制御ブロックの異なる実施形態の図である。

Claims

その二次巻線において溶接用アークを供給し、また一次巻線において、入力平滑化および整流ユニットによって電源を供給される電流変圧器を含むタイプの、力率１アーク溶接機のための発電機であって、前記整流器と前記電流変圧器との間に、前記電流変圧器と、前記電流変圧器の二次巻線に接続される整流器段との組み合わせによってＤＣ／ＤＣ変換を実行するハーフブリッジ構造を構成する２つの電子スイッチと、平滑化コイルとを備える挿入された電子回路が存在し、前記回路は前記電流変圧器の一次巻線の側に配列される共振用の容量性部品と誘導性部品との組み合わせを有し、前記部品は前記電子スイッチの下流に配列されるコンデンサのバンクを充電し、さらにコンデンサにかかる電圧を一定に保持し、また前記溶接用電流を制御し、かつ前記交流電源から正弦曲線タイプの取り込みを確保するのに適した手段が設けられることを特徴とする発電機。
前記発電機は、前記入力整流器ユニットによって電圧を供給されるコンデンサＣ_Ｒと、前記コンデンサＣ_Ｒと前記電源変圧器Ｔの一次巻線の第１の端子との間に直列に接続されるコイルＬ_Ｒと、前記変圧器Ｔの一次巻線に並列に接続されるコンデンサＣ_Ｔとから構成される共振回路を有することを特徴とする請求項１に記載の溶接機のための発電機。
前記電源変圧器Ｔの二次巻線には二次整流器ユニットＧ_Ｒが存在し、出力平滑化コイルＬ_Ｏを介して前記溶接用アークを供給することを特徴とする請求項１に記載の溶接機のための発電機。
前記一次整流器ユニットは、ダイオードＤ_ＣＬを介して、コンデンサのバンクＣ_Ｂに電圧を供給し、前記コンデンサのバンクＣ_Ｂの端子間には、ＤＣ／ＤＣ変換のためのハーフブリッジ構造を構成し、直列に接続される２つの電子スイッチＳ_１およびＳ_２が存在することを特徴とする請求項１に記載の発電機。
前記制御手段は、前記コンデンサＣ_Ｒにかかる電圧と、前記コンデンサＣ_Ｔにかかる電圧と、前記コイルＬ_Ｒ内の電流と、設定される基準電流Ｉ_ＲＩＦと、溶接電流Ｉ_Ｆとを利用し、処理して、２つの前記電子スイッチＳ_１およびＳ_２を駆動する切替え周波数を生成することを特徴とする請求項１に記載の発電機。
周波数制御として知られる第１の制御手段は、前記設定された電流基準信号Ｉ_ＲＩＦと前記アーク上の前記電流Ｉ_Ｆに比例する信号との間の差を判定するブロックから構成され、結果として生成される信号は誤差信号Ｅであり、それが増幅器レギュレータＡＲと電圧制御発振器ブロックとによって処理されることにより可変周波数信号が生成され、それがパルス幅変調器によって処理されることにより、前記スイッチＳ_１およびＳ_２に関する制御パルスの周波数および持続時間が決定されることを特徴とする請求項１および５に記載の発電機。
経路制御として知られる第２の別の制御手段は、前記設定された電流基準信号Ｉ_ＲＩＦと前記アーク電流Ｉ_Ｆとの間の差を有する誤差信号を生成するブロックから構成され、前記信号は、前記コイルＬ_Ｒ内を流れる電流に比例する信号と、前記コンデンサＣ_Ｒにかかる電圧の値に比例する信号とを処理することにより決定される信号とともに「経路」信号を生成し、前記信号は制御ロジックによって処理され、該制御ロジックは前記電子スイッチＳ_１およびＳ_２の切替えの周波数および持続時間を決定することを特徴とする請求項１および５に記載の発電機。