JP2005185069A - 溶接用などの制御電源装置とその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接などの負荷スタート時のピーク電流値を抑えた制御電源を簡易な構成により低コストで提供する。
【解決手段】出力電流検出値と基準電圧を比較して誤差を零にするように制御する方式で,半導体制御素子を含むインバータ回路で定電流制御する制御電源において,さらにインバータ入力電流を検出する応答の速い第2検出器と第2基準値生成手段を新たに設けて負荷スタート時の短期間だけ,第2基準値側の制御を選択させ,ピーク電流値を抑えた制御の方法とした。
【選択図】 図1。
【解決手段】出力電流検出値と基準電圧を比較して誤差を零にするように制御する方式で,半導体制御素子を含むインバータ回路で定電流制御する制御電源において,さらにインバータ入力電流を検出する応答の速い第2検出器と第2基準値生成手段を新たに設けて負荷スタート時の短期間だけ,第2基準値側の制御を選択させ,ピーク電流値を抑えた制御の方法とした。
【選択図】 図1。
Description
本発明は,光源用,溶接機用などに用いられる制御電源装置とその制御方法に関する。
従来,溶接用や光源用などの電源装置としては,出力を定電力特性や定電流特性に維持する半導体素子による制御電源が用いられている。
溶接出力スタート時の最初の立ち上がり時だけ,被溶接金属の薄板に対して適した小電流の設定値に制御されないで,大きいピーク電流が流れてしまい薄板に穴を生じてしまうことがあった。
溶接出力スタート時の最初の立ち上がり時だけ,被溶接金属の薄板に対して適した小電流の設定値に制御されないで,大きいピーク電流が流れてしまい薄板に穴を生じてしまうことがあった。
ランプ点灯用に点灯出力スタート時に最初の立ち上がり時だけ,ランプに適した小電流や小電力の設定値に制御されないで大きいピーク電流が流れた場合には,ランプの電極消耗を抑えることが出来ないのでランプ寿命を短くしてしまう欠点があった。このような欠点を排除するピーク電流を抑える類似の特性を付与した電源の技術がモーター負荷について述べられた以下のような特許文献1がある。
「特開平7−15966」公報。「発明の名称:電動機駆動装置」類似目的の技術が記述されている。この記述の要旨は,商用交流波形を時分割して1/2サイクル期間中の中程の波高値が大なる期間に電流遮断期間を設定し,その前後の波高値が低い期間に電流導通期間を有する通電波形で負荷に供給しようとするものである。従って,最大の波高値は抑えられているが時間軸に対して断続的に通電されるものである。
同公報(段落0010)に「スイッチング素子の電流ピーク値を制御し,かつ流通期間及び非流通期間を制御するよう構成することもできる」ことが提案されている。動作を説明する波形図が図5に示されている。
同公報(図5)に示された波形ではモーター負荷には適しているが溶接負荷や光源点灯負荷電流としては次の問題点があった。
溶接電流として前記の非流通期間がある波形を出力してもアークが途切れて正常な溶接ビードが得られない欠点があった。放電ランプに印加した場合も点灯が途切れたりチラツキを生じたりして照明の品質が極めて悪い結果をもたらした。
図2は、制御極を具備したパワー用の半導体の制御極へのON−OFF信号(a)に対する1次側の従来のトランス電流(b)の波形であり,出力スタート時の電流ピーク値が最初の立ち上がり時Td1において,電流が増加する傾向となっている。
図2は、制御極を具備したパワー用の半導体の制御極へのON−OFF信号(a)に対する1次側の従来のトランス電流(b)の波形であり,出力スタート時の電流ピーク値が最初の立ち上がり時Td1において,電流が増加する傾向となっている。
負荷スタート電流のピーク電流値が抑えられた出力電流が得られる制御電源装置が簡単な構成で安価に提供出来る事が課題であった。
上記課題を解決するために,異なる2個の基準値信号を生成させ,出力開始直後の所定のタイミングで,これらの信号を切り替えて,短期間以内はピーク抑制信号を,その後の期間は定電流制御の信号を,制御極を具備したパワー用の半導体の制御極に供給することで実現した。
請求項1に関しては,出力電流を検出した第1の検出値と,第1基準値生成手段によって生成された第1基準値との,誤差電圧を増幅する第1の誤差増幅器の出力と;鋸歯状波生成手段の出力である鋸歯状波とを;比較器のそれぞれの入力側に接続し,該比較器の出力を信号切替え手段の第1入力端に接続し,一方,高周波トランスの一次回路の電流を第2検出器で検出した第2の検出値と,第2基準値生成手段によって生成された第2基準値とを第2比較器で比較してその出力信号を信号切替え手段の第2入力端に接続し,信号切替え手段の出力をゲート駆動信号生成器の入力側に接続し,ゲート駆動信号生成器の出力信号が制御極を具備した半導体制御素子を有するインバータで定電力又は定電流制御される制御電源装置において,出力スタート時の短期間のみ,信号切替え手段の第1入力端に入力される信号から信号切替え手段の第2入力端に入力される信号の差の信号により動作し,その後の期間は信号切替え手段の第1入力端に入力される信号により定電力又は定電流制御される制御電源装置とした。
従来の定電流制御の基準値はここで言う第1基準値であり,第1の検出値の応答時間が,電源装置の用途に合わせて最適値になるように選定され定電流制御をするのが,制御の重要ポイントであった。応答性を遅くすると溶接のアーク性が悪い使い勝手が良くないものとなってしまう。ここで応答性を速くすると電流がオーバーシュートして薄板溶接に適しない特性となっていたのを,第2検出器の速い応答性で波高値を制御して解決した。
請求項2に関しては,出力電流を検出した第1の検出値と,第1基準値生成手段によって生成された第1基準値とで定電力又は定電流出力し,消耗性電極又は非消耗性電極と溶接母材との間に電力を供給する制御電源の制御に於いて,出力スタート時の短期間のみ,信号切替え手段の第2入力端に入力される信号により動作し,その後の期間は信号切替え手段の第1入力端に入力される信号により定電力又は定電流制御される制御方法とした。
請求項3に関しては,出力電流を検出した第1の検出値と,第1基準値生成手段によって生成された第1基準値とで定電力または定電流出力し,電灯の構成要素である一対の電極の間に,該出力を供給する定電力または定電流の制御電源の制御に於いて,出力スタート時の短期間のみ,信号切替え手段の第2入力端に入力される信号により動作し,その後の期間は信号切替え手段の第1入力端に入力される信号により定電力又は定電流制御される制御方法とした。
近年その要求が強くなってきた薄板溶接に,アーク電流スタート時の短時間ピーク電流による穴あきの失敗が生じないから,溶接対象分野の拡大で産業の効率を向上させた。
照明用の光源の電源として制御電源が使われた場合には,瞬時ピーク電流によるランプの電極消耗が抑制されるので,突発的な不点灯トラブルの頻度が少なくなり光源の信頼性が向上した。
本発明による実施の形態を図1の回路図に示して説明する。1,2は入力電源端子であり商用電源がここに接続される。3は直流変換手段であり,例えばブリッジ接続された整流器,半導体制御素子24を含むインバータ4で直流を高周波交流電力に変換すると同時に出力を例えばPWM制御する。5は高周波トランスで負荷10に最適の電圧になるように変圧し出力整流器6で直流に変換し,出力端子8,9から整流された高周波電力を溶接負荷やランプ負荷などに供給される。7はリアクトルであり例えば負荷アークが安定する最適のインダクタンスに選定される。負荷10としては,溶接棒(電極)が一方の出力端子8に,他方の端子9に溶接母材が接続されて,この間にアークを発生させて溶接棒(電極)を溶かして溶接する消耗性電極による溶接法や,溶接棒が溶けないでアーク発生のための電極として作用し,溶接母材を溶かして溶接する非消耗性電極の溶接法がある。リアクトル7のインダクタンスを大きく選定した場合は,スタート電流の立ち上がりが遅くなりアークスタート性が悪くなる欠点がある。半導体制御素子24は,導通電流波形をパルス幅制御(PWM)の他に,波高値(振幅)を制御することができる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)や,パワーMOSFETが有効である。
次に,負荷10が一対の電極を有する放電ランプなどの光源であり,出力端子8,9にランプの各電極がそれぞれ接続される場合の光源用の制御電源装置として,放電の安定化の為やランプ寿命を長くさせるために,定電力や定電流の制御電源を使用する。第1の検出値として第1検出器11が制御電源の出力電流を検出し,第1基準値生成手段13が生成した基準値である第1基準値に合致する方向に負荷に供給する出力が制御される定電力や定電流制御の電源装置が従来から用いられていた。出力整流器6で直流に変換しないで高周波電力をランプの電極間に接続する光源用制御電源装置もあり,この場合は,第1検出器は交流電流を検出するから検出した後に整流してから第1基準値との誤差信号を得るようにする。
次に複合制御手段21に関して述べる。2つの入力端にそれぞれ第1誤差増幅器15に第1検出器11の検出した第1の検出値と,第1基準値生成手段13の出力信号である第1基準値を供給し,それらの誤差を増幅して第1比較器16の入力端に供給して鋸歯状波生成器17の出力信号と比較しタイミングを得ることで,出力が一定の電流になる様に制御信号を生成して,今,仮に信号切替え手段19を介しないで直接,第1比較器16の出力信号がゲート駆動信号生成手段20に接続されたとすると,ゲート駆動信号生成手段20の出力信号がインバータ4の半導体制御素子24を制御し一定電流の出力を得た。出力が一定電流に制御されるのは負荷スタート時から一定の時間経過以降であって,負荷スタート時には出力電流がオーバーシュートしてから一定値に制御が安定する制御方法が一般的な方法であり通常は負荷に対して不具合は無かった。ところが被溶接物として最近要望が出てきた薄板金属の場合,薄板に適した小電流の第1基準値に制御されるまでの負荷スタート後の一定時間だけ,オーバーシュートの大きいピーク電流が流れてしまい該薄板に穴を生じてしまうトラブルがあった。
本発明の目的は負荷スタート時のオーバーシュートが溶接や光源に不適である場合に対応して,一定時間だけ,ピーク電流を抑えるように安価な方法で制御させることである。この為に新たに,高周波トランス5の一次側電流の瞬時値を検出する第2検出器12と第2基準値生成手段14および第2比較器18を設けて,信号切替え手段19の第1入力端に入力される信号から信号切替え手段19の第2入力端に入力される信号の差の信号により制御することが出来た。この差の信号により,負荷スタート後の一定時間,オーバーシュートを抑えることができた。前記信号切替え手段19は第1,第2の入力端を有し,第1入力端には第1比較器の出力が接続され,第2入力端には第2比較器の出力が接続されている。新たに設けた信号切替え手段19は,第2比較器18の出力信号と第1比較器16の出力信号とを所定の時点で切り替えて,ゲート駆動信号生成手段20に与えることによって負荷スタート時の瞬間は,第2比較器18の出力信号をゲート駆動信号生成手段20に与え,その直後に切り替えて第1比較器16の出力信号をゲート駆動信号生成手段20に与えることもできる。
第2基準値と第1基準値は制御電源装置の出力電流として,第1基準値を修正設定した時に自動的に第2基準値も所定の値を加算し修正設定される。第1基準値の設定用ツマミは制御電源装置の筐体の外面に,外から操作できるように設けられる。
図3は、本発明による実施例の出力電流の波形であり、制御極を具備したパワー用の半導体の制御極へのON−OFF信号(a)に対する1次側のトランス電流(b)の波形であり,横軸は時間,縦軸は出力電流値Idで,最初の立ち上がり時の期間Td1とそれ以降も、電流が一定値Icに制御されている。信号切替え手段19の第1入力端に入力される信号から信号切替え手段19の第2入力端に入力される信号の差の信号により動作し制御されている。信号切替え手段19によって,Td1の期間を経過した時点で,第2基準値から切り替えられて第1基準値で制御された安定時の定電流Icが出力されている。出力スタート時の短期間のみ,信号切替え手段19の第2入力端に入力される信号により動作し,その後の期間は信号切替え手段19の第1入力端に入力される信号により定電力又は定電流制御することも可能である。
図4は本発明の装置の出力波形図である。前記の立ち上がり時間Td1に対応するTc時間では、出力電流は斜線部が切り取られた波形となる。Tc以降は、安定時の定電流Ieが出力されている。
前記のように制御電源装置の第1基準値の設定用ツマミは,制御電源装置の筐体に外側から操作できるように設けられていて,極めて小電流が最適溶接電流の溶接条件であるような溶接母材に対して,アークスタート時の電流ピーク値の,煩わしい第2基準値設定作業が不要となって,溶接スタート時に瞬時ピーク電流による母材穴あきトラブルの失敗が生じない。照明用の光源の電源として制御電源が使われた場合には,瞬時ピーク電流によるランプの電極消耗が抑制されるのでランプの交換頻度が少なくなり経済性が向上する。溶接不良発生が減り省資源に寄与し,光源用として用いる場合にはランプ寿命が向上し,産業上の貢献度が高い。
1 入力電源端子
2 入力電源端子
3 直流変換手段
4 インバータ
5 高周波トランス
6 出力整流器
7 リアクトル
8 出力端子
9 出力端子
10 負荷
11 第1検出器
12 第2検出器
13 第1基準値生成手段
14 第2基準値生成手段
15 第1誤差増幅器
16 第1比較器
17 鋸歯状波生成器
18 第2比較器
19 信号切替え手段
20 ゲート駆動信号生成手段
21 複合制御手段
24 半導体制御素子
2 入力電源端子
3 直流変換手段
4 インバータ
5 高周波トランス
6 出力整流器
7 リアクトル
8 出力端子
9 出力端子
10 負荷
11 第1検出器
12 第2検出器
13 第1基準値生成手段
14 第2基準値生成手段
15 第1誤差増幅器
16 第1比較器
17 鋸歯状波生成器
18 第2比較器
19 信号切替え手段
20 ゲート駆動信号生成手段
21 複合制御手段
24 半導体制御素子
Claims (3)
- 出力電流を検出した第1の検出値と,第1基準値生成手段によって生成された第1基準値との,誤差電圧を増幅する第1の誤差増幅器の出力と;鋸歯状波生成手段の出力である鋸歯状波とを;複数の入力端をもつ第1比較器の各入力端に接続し,該比較器の出力を信号切替え手段の第1入力端に接続し,一方,高周波トランスの一次回路の電流を第2検出器で検出した第2の検出値と,第2基準値生成手段によって生成された第2基準値とを第2比較器で比較してその出力信号を信号切替え手段の第2入力端に接続し,信号切替え手段の出力をゲート駆動信号生成器の入力端に接続し,ゲート駆動信号生成器の出力信号が,制御極を具備した半導体制御素子を有するインバータの制御極に供給され,定電力又は定電流制御される制御電源装置において,出力スタート時の短期間のみ,信号切替え手段の第1入力端に入力される信号から信号切替え手段の第2入力端に入力される信号の差の信号により動作し,その後の期間は信号切替え手段の第1入力端に入力される信号により定電力又は定電流制御される制御電源装置。
- 出力電流を検出した第1の検出値と,第1基準値生成手段によって生成される第1基準値とで定電力又は定電流出力し,消耗性電極又は非消耗性電極と溶接母材との間に該出力を供給する制御電源の制御に於いて,出力スタート時の短期間のみ,信号切替え手段の第2入力端に入力される信号により動作し,その後の期間は信号切替え手段の第1入力端に入力される信号により定電力又は定電流制御される制御方法。
- 出力電流を検出した第1の検出値と,第1基準値生成手段によって生成される第1基準値とで定電力または定電流出力し,電灯の一対の電極間に該出力を供給する定電力制御または定電流制御の制御電源の制御に於いて,出力スタート時の短期間のみ,信号切替え手段の第2入力端に入力される信号により動作し,その後の期間は信号切替え手段の第1入力端に入力される信号により定電力又は定電流制御される制御方法。
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WO2022064733A1 (ja) * | 2020-09-28 | 2022-03-31 | オムロン株式会社 | 過電流保護回路 |
-
2003
- 2003-12-22 JP JP2003425954A patent/JP2005185069A/ja active Pending
Cited By (3)
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WO2022064733A1 (ja) * | 2020-09-28 | 2022-03-31 | オムロン株式会社 | 過電流保護回路 |
JP2022055051A (ja) * | 2020-09-28 | 2022-04-07 | オムロン株式会社 | 過電流保護回路 |
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