JP2005185069A - 溶接用などの制御電源装置とその制御方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

本発明による一実施形態の回路図 従来の制御による１次側トランス電流の波形図 本発明の制御による１次側トランス電流の波形図 本発明の装置の出力波形図 従来の装置の波形図

符号の説明

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
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。

Images