JP2011029127A

JP2011029127A - コンタクト式電縫管溶接電源装置における負荷開放検出方法

Info

Publication number: JP2011029127A
Application number: JP2009176610A
Authority: JP
Inventors: Toshie Miura; 敏栄三浦
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-02-10

Abstract

【課題】コンタクト式電縫管溶接装置では、負荷が開放状態の場合は制御が不安定となり溶接に不具合が生じるので、それを確実に検出できるようにする。
【解決手段】電力変換器の出力に共振コンデンサと誘導性のコンタクト式電縫管負荷を接続し、電力変換器の電圧に対して電流を常に遅れ位相で運転し、かつ周波数を可変としつつ少なくとも電流を設定値に基づき制御するコンタクト式電縫管溶接電源装置において、図示の検出回路１により電流からその周波数を検出し、周波数が低下したら負荷が開放されたものと判断する。
【選択図】図１

Description

この発明は、コンタクト式電縫管溶接電源装置における負荷開放検出方法に関するものである。

この種の電縫管は、金属板を管状に形成しながら移動させ、その端部を高周波電流で連続して溶接することにより製造され、土木，建築，鉄塔，支柱その他の構造物一般に広く使用されている。
図６に、コンタクト式電縫管溶接装置を示す概要図、図７は図６で用いられる電源装置を示す主回路構成図である。

まず、図６により電縫管溶接装置の概要について説明する。
コンタクト式電縫管溶接装置は、負荷となる帯状の金属をオープンパイプ状に曲げ形成しながら、移動させるライン設備で用いられる。その端部同士の接触部の溶接は、電縫管溶接電源装置６から数１０ｋW〜数１００ｋW ，数１０ｋH〜数１００ｋH の電力を、コンタクト式電縫管負荷（単に負荷ともいう）１３にコンタクトチップ１４を接触させて供給することにより行なわれる。ここに、スクイズロール１５は、溶接部を圧接する役目をしている。

負荷１３は、数ｍｍ／ｍｉｎ〜数１０ｍｍ／ｍｉｎで常に移動しており、コンタクトチップ１４から見て上下左右に負荷１３が変動するため、両者は頻繁に接触，開放を繰り返すことになる。また、コンタクトチップ１４での短絡も頻繁に発生する。
ここで、溶接箇所に投入されるべき電力が、負荷の開放，短絡により投入されずに生じる溶接不具合の修正，除去を行なうために、負荷の開放，短絡を検出し、溶接不具合箇所を特定することが重要となる。特に、負荷開放時は、後述のように電源に悪影響を及ぼすため、電源の運転停止が必要となる。

次に、図７を参照して電源装置につき説明する。
同図において、電力変換器３は最近は主にMOSFET半導体素子を用いて構成され、電圧源として動作する電圧型インバータであることが多く、数１０ｋW〜数１００ｋWで数１０ｋH〜数１００ｋH の電力を供給する。その出力には、誘導性インピーダンス４を介して共振コンデンサ５が接続され、全体として電縫管溶接電源装置６を構成している。

電縫管溶接電源装置６の出力には、誘導性インピーダンス１１と抵抗成分１２からなるコンタクト式電縫管負荷１３が接続されている。一般に、加熱負荷の抵抗は数mΩ〜数１００mΩであるが、大電力を投入するには大電流が必要とされる。このため共振回路が用いられ、ここでは誘導性インピーダンス４，１１とコンデンサ５との並列回路となる。

また、スイッチ７と８は負荷１３の開放を表わし、開放時にはスイッチ７が開くと同時にスイッチ８が閉じ、その後誘導性インピーダンス９と抵抗成分１０が０から徐々に増加し、最終的には誘導性インピーダンス９と抵抗成分１０の合成インピーダンスが無限大となり、完全に開放状態となる。

上記のような場合に流れている電流を遮断すると、外観上は火花等が発生しフラッシュ溶接のような現象が生じる。ここで、負荷開放時の誘導性インピーダンス９や抵抗成分１０が不安定な場合、それを原因として制御が不安定となることから、負荷開放を検出し、電源の運転を停止する必要がある。
このような問題に対処するものとして、例えば特許文献１，２に示すものがある。

特開２００４−１４７４４５号公報特開平０８−１８０９９３号公報

特許文献１には、分散電源を商用系統から開放する場合に、周波数の変動成分を検出することが記載されているが、電縫管溶接電源装置では周波数の変動は生じないため、適用することができない。
また、特許文献２には、インバータの電流と電圧の位相（差）を検出することは記載されているが、電縫管溶接装置において負荷の開放検出を行なうことについては何も記載されていない。
従って、この発明の課題は、電縫管溶接電源装置において負荷開放を確実に検出可能とし、安定な制御ができるようにして装置の保護を図ることにある。

上記のような課題を解決するため、請求項１の発明では、電力変換器の出力に共振コンデンサと誘導性のコンタクト式電縫管負荷を接続し、電力変換器の電圧に対して電流を常に遅れ位相で運転し、かつ周波数を可変としつつ少なくとも電流を設定値に基づき制御するコンタクト式電縫管溶接電源装置において、
前記負荷の開放を、前記周波数の低下から検出することを特徴とする。

また、請求項２の発明では、電力変換器の出力に共振コンデンサと誘導性のコンタクト式電縫管負荷を接続し、電力変換器の電圧に対して電流を常に遅れ位相で運転し、かつ周波数を可変としつつ少なくとも電流を設定値に基づき制御するコンタクト式電縫管溶接電源装置において、
前記負荷の開放を、前記電圧と電流との位相差が小となることから検出することを特徴とする。

さらに、請求項３の発明では、電力変換器の出力に共振コンデンサと誘導性のコンタクト式電縫管負荷を接続し、電力変換器の電圧に対して電流を常に遅れ位相で運転し、かつ周波数を可変としつつ少なくとも電流を設定値に基づき制御するコンタクト式電縫管溶接電源装置において、
前記負荷の開放を、前記周波数が低下しかつ電圧と電流との位相差が小となることから検出することを特徴とする。

この発明によれば、簡単な構成で負荷開放検出が可能となるため、これに基づき電源の運転停止が可能となり、その結果、誘導性インピーダンスや抵抗成分の不安定などが原因の制御不安定が解消される。また、負荷開放した箇所の特定（負荷の移動速度と負荷開放の運転開始からの経過時間とから特定）が可能となり、溶接不具合箇所の修正，除去が可能となる利点がもたらされる。

この発明の実施の形態を示す概要図である。図１の場合の共振動作説明図である。この発明の別の実施の形態を示す概要図である。図３の場合の共振動作説明図である。図３における電流，位相および周波数の関係説明図である。コンタクト式電縫管溶接装置を示す概要図である。図６で用いられる電源装置の主回路構成図である。

図１はこの発明の実施形態を示す概要図である。
図６や図７に示すコンタクト式電縫管溶接電源装置（単に電源ともいう）６の電力変換器３では、（出力）電圧に対して（出力）電流が常に遅れ位相となるよう、かつ周波数を可変にしつつ、電流をその設定値に一致させる制御を行なう。

そして、運転時に負荷が開放状態になったときは電流が低下するので、これが設定（前回）値と同じになるように制御すると、結果的に周波数は小さくなる。そこで、図示のような周波数低下検出回路１を設けて電流からその周波数を検出し、周波数低下を検出したら負荷開放と判断する。ここで、負荷開放を検出したら、電源６の運転を停止するものとする。

このことを説明するのが図２で、その右側に通常の負荷状態に対する共振曲線を、また負荷開放時のそれを左側に示す。つまり、図２の矢印で示すように同じ電流となるよう制御することにより、周波数は低い方へと移行することになるので、このことから負荷開放を検出しようとするものである。

図３はこの発明の別の実施形態を説明する説明図である。
これは、図１の周波数低下検出回路１の代わりに、電流と電圧の位相（差）を検出する位相差小検出回路２を設けたものである。すなわち、電流と電圧の位相（差）を検出し、これが小さいとき負荷開放と判断する。また、負荷開放を検出したら、電源の運転を停止するようにする。

図４に、図３の場合の共振曲線図を示す。
負荷開放時に、特に抵抗成分１０が増加すると、共振曲線が通常負荷の場合と比較してそのピークが低下する。その結果、電力変換器３の無効成分が減少し、力率が高くなり電流と電圧の位相（差）が小さくなる。これらの関係を示すのが図５で、横軸に周波数、縦軸に電流，位相角（位相差）を示す。なお、点線は通常状態、実線は負荷開放時を示している。

図５のように、通常状態で電流Io2Aの場合の位相角はγ2Aであるのに対し、負荷開放時に、同じ電流値Io2Aとなる電流値Io1Aでは位相角はγ1Aで、上記γ2Aよりも小さくなっていることが分かる。また、通常状態の周波数f2のままで負荷状態になったときの位相角はγ1A’であり、上記γ2Aよりも小さくなっている。このことは、電流を元の状態に戻す制御をすることなく、負荷開放を検出できることを示している。
そこで、図３の位相差小検出回路２により電流と電圧の位相角（位相差）を検出し、これが小さいときは負荷開放と判断するものである。なお、負荷開放を検出したら、電源の運転を停止する。

１…周波数低下検出回路、２…位相差小検出回路、３…電力変換器、４，９，11…誘導性インピーダンス、５…共振コンデンサ、６…電縫管溶接電源装置、７，８…スイッチ、10，12…抵抗成分、13…コンタクト式電縫管負荷、14…コンタクトチップ、15…スクイズロール。

Claims

電力変換器の出力に共振コンデンサと誘導性のコンタクト式電縫管負荷を接続し、電力変換器の電圧に対して電流を常に遅れ位相で運転し、かつ周波数を可変としつつ少なくとも電流を設定値に基づき制御するコンタクト式電縫管溶接電源装置において、
前記負荷の開放を、前記周波数の低下から検出することを特徴とするコンタクト式電縫管溶接電源装置における負荷の開放検出方法。
電力変換器の出力に共振コンデンサと誘導性のコンタクト式電縫管負荷を接続し、電力変換器の電圧に対して電流を常に遅れ位相で運転し、かつ周波数を可変としつつ少なくとも電流を設定値に基づき制御するコンタクト式電縫管溶接電源装置において、
前記負荷の開放を、前記電圧と電流との位相差が小となることから検出することを特徴とするコンタクト式電縫管溶接電源装置における負荷の開放検出方法。
電力変換器の出力に共振コンデンサと誘導性のコンタクト式電縫管負荷を接続し、電力変換器の電圧に対して電流を常に遅れ位相で運転し、かつ周波数を可変としつつ少なくとも電流を設定値に基づき制御するコンタクト式電縫管溶接電源装置において、
前記負荷の開放を、前記周波数が低下しかつ電圧と電流との位相差が小となることから検出することを特徴とするコンタクト式電縫管溶接電源装置における負荷の開放検出方法。