JP2013215791A - 溶接用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子の過熱保護を行いつつもそのスイッチング動作を極力継続して、電力生成の安定化を図ることができる溶接用電源装置を提供する。
【解決手段】インバータ回路１４の動作停止の判定に用いる第１温度閾値に対し、それよりも低い温度に第２温度閾値を新たに設定し、この第２温度閾値をスイッチング素子１４ａの検出温度が超えると、制御回路２０はインバータ回路１４を通常周波数駆動から低周波数駆動に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング動作にて出力調整を行う半導体スイッチング素子の保護機能を有する溶接用電源装置に関するものである。

アーク溶接機等に用いられる溶接用電源装置は、インバータ回路、トランス及び直流変換回路を備え、インバータ回路にて生成される高周波交流電力をトランスにて所定電圧に変換し、後段の直流変換回路にて負荷に適した直流出力電力に変換する。出力電力の調整は、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御することで行われる。

一方で、スイッチング素子はスイッチング動作に伴って発熱し、過熱状態になると破損に至る虞があるため、素子の過熱保護が行われている。例えば、インバータ回路に複数個のスイッチング素子が用いられる場合、各素子をヒートシンク上に配置して放熱を行うとともに、各素子の中央位置に取り付けた温度センサによる各素子の過熱状態の検出に基づいてスイッチング動作を停止するといったことが一般に行われている。

因みに、アーク溶接機等に用いられる電源装置では、定格以上の出力が要求されることがあり、特に定格以上の出力が継続するような場合では、スイッチング素子の温度上昇度合いが次第に大きくなる。そのため、各スイッチング素子の実温度と温度センサによる検出温度との乖離が大きくなって、温度センサが過熱状態を検出する前に各素子自身が既に十分な過熱となっている事象が生じる。この一つの対策として、例えば特許文献１に開示の技術では、所定値以上の出力電流が所定時間以上継続して生じた場合、インバータ回路を停止させ、スイッチング素子の過熱による破損が未然に防止されている。

特開平４−２２０１７２号公報

しかしながら、アーク溶接機においては、スイッチング素子の過熱検出に伴ってそのスイッチング動作が停止し、インバータ回路による電力生成が停止されると、ワークの溶接途中でアークが停止することとなる。そして、アーク溶接を再開した時にその継ぎ目の見栄えが良好でない場合、手直し作業を行ったり、またワークを廃棄したりすることも場合によっては起こり得る。そのため、スイッチング素子を過熱から保護しつつも、インバータ回路（スイッチング素子）の動作を極力停止しないで、溶接途中でアークが停止しないように電力生成を継続させることが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、スイッチング素子の過熱保護を行いつつもそのスイッチング動作を極力継続して、電力生成の安定化を図ることができる溶接用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、スイッチング素子のスイッチング動作にて直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、該インバータ回路からの交流電力を所定交流電力として二次側から出力するトランスと、該トランスの二次側から出力される交流電力を溶接に適した直流出力電力に変換する直流変換回路とを備えた溶接用電源装置において、前記スイッチング素子の温度検出を行う温度検出手段と、その検出温度と温度閾値との比較により前記スイッチング素子が過熱状態にあるとの判定に基づいて前記インバータ回路の動作を停止する停止制御手段とを備えた溶接用電源装置であって、前記停止制御手段での判定に用いる前記温度閾値を第１温度閾値としたとき、該第１温度閾値より低い温度に設定された第２温度閾値を前記スイッチング素子の検出温度が超えると、前記インバータ回路のスイッチング周波数を通常周波数から低い周波数に切り替え、前記インバータ回路を通常周波数駆動から低周波数駆動に切り替える駆動態様切替手段を備える。

この発明では、インバータ回路の動作停止の判定に用いる第１温度閾値に対し、それよりも低い温度に第２温度閾値が設定される。そして、この第２温度閾値をスイッチング素子の検出温度が超えると、インバータ回路のスイッチング周波数が通常周波数から低い周波数に切り替えられ、インバータ回路が低周波数駆動に切り替えられる。つまり、低周波数駆動によりスイッチング素子でのスイッチング頻度が低減し、素子の温度上昇を抑制することが可能となる。これにより、スイッチング素子の検出温度が第１温度閾値を超えることによるインバータ回路の動作停止を極力回避し、電源装置の電力生成を極力維持できる。また、スイッチング素子の温度上昇度合いが大きく、検出温度が第１温度閾値を超える場合には、速やかにインバータ回路の動作が停止され、スイッチング素子の過熱保護がなされる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶接用電源装置において、電源装置の出力値が所定値より低くなると、前記駆動態様切替手段による前記インバータ回路の低周波数駆動への切り替えを禁止する切替規制手段を備える。

この発明では、電源装置の出力値が所定値より低くなると、インバータ回路の低周波数駆動への切り替えが禁止される。仮に、電源装置の出力値が所定値より低い状況でインバータ回路が低周波数駆動に切り替わると、場合によっては溶接に十分な出力値に満たなくなり、溶接の仕上がりへの影響が出る虞がある。そのため、インバータ回路の低周波数駆動への切り替えを適切に禁止することで、溶接品質が良好に維持可能である。

本発明によれば、スイッチング素子の過熱保護を行いつつもそのスイッチング動作を極力継続して、電力生成の安定化を図ることができる溶接用電源装置を提供することができる。

一実施形態における溶接用電源装置の電気ブロック図である。 電源装置の動作を説明するための説明図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、アーク溶接機に用いられる溶接用電源装置１０において、商用交流電源１１からの交流入力電力が一次側整流回路１２にて直流電力に変換され、平滑コンデンサ１３にて平滑化され、平滑化された直流電力がインバータ回路１４に入力される。インバータ回路１４は、例えばＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１４ａを４個用いたフルブリッジ回路にて構成されている。インバータ回路１４は、スイッチング素子１４ａのスイッチング動作に基づいて所定の高周波交流電力を生成し、トランス１５の一次側コイルに出力する。

トランス１５の二次側コイルからは、所定電圧値に変換された高周波交流電力が出力される。トランス１５の二次側から出力された高周波交流電力は、二次側整流回路１６による整流化、及び平滑リアクトル１７による平滑化を経て、所定の直流出力電力に変換され、出力端子ＯＵＴから出力される。出力端子ＯＵＴには、パワーケーブルを介して溶接トーチが接続され、出力端子ＯＵＴから出力された出力電力に基づいて、トーチの先端からワークに対しアーク溶接のためのアークが生じるようになっている。

また、平滑リアクトル１７と出力端子ＯＵＴとの間には、電源装置１０の出力電流Ｉｏ及び出力電圧Ｖｏをそれぞれ検出する出力検出センサ１８が備えられている。出力検出センサ１８は、検出した出力電流Ｉｏ及び出力電圧Ｖｏを制御回路２０に出力する。制御回路２０は、検出された出力電流Ｉｏ及び出力電圧Ｖｏの入力に基づいて、その時々の指令出力値に対応した出力電力となるように、インバータ回路１４のスイッチング素子１４ａのスイッチング動作を制御する。

インバータ回路１４のスイッチング素子１４ａの近傍には、サーミスタ等の温度検出センサ１９が設置されている。本実施形態では、スイッチング動作に伴って発熱するスイッチング素子１４ａは、放熱性の高い金属性のヒートシンク（図示略）に当接させて固定される一般的な構成と同様な構成を採用している。温度検出センサ１９は、ヒートシンク上に並べられた複数のスイッチング素子１４ａの中央位置に取り付けられている。尚、インバータ回路１４に付随して動作する補助スイッチング素子を用いる場合、該スイッチング素子をも考慮して温度検出センサ１９の配置が決定される。そして、温度検出センサ１９は、スイッチング素子１４ａの温度を間接的に検出し、その検出信号を制御回路２０に出力する。制御回路２０は、入力された温度検出センサ１９からの検出信号に基づいてスイッチング素子１４ａの検出温度を取得し、取得した検出温度にてスイッチング素子１４ａの温度の監視を行う。

この場合、図２に示すように、制御回路２０は、取得したスイッチング素子１４ａの検出温度Ｔｍと比較する第１〜第３温度閾値ｔｈ１〜ｔｈ３をメモリ２０ａに予め保持している。第１温度閾値ｔｈ１は、最も高い温度に設定され、スイッチング素子１４ａの温度（検出温度Ｔｍ）が異常温度か否かを判定するための閾値である。第２温度閾値ｔｈ２は、その第１温度閾値ｔｈ１よりも所定温度だけ低い温度に設定され、スイッチング素子１４ａのスイッチング周波数を通常周波数から低い周波数に切り替えるか否かを判定するための閾値である。第３温度閾値ｔｈ３は、その第２温度閾値ｔｈ２よりも更に所定温度だけ低い温度に設定され、スイッチング素子１４ａのスイッチング周波数を低い周波数から通常周波数に復帰させるか否かを判定するための閾値である。制御回路２０は、これら第１〜第３温度閾値ｔｈ１〜ｔｈ３を用いてスイッチング素子１４ａの温度の監視を行っている。

次に、このような電源装置１０の動作（作用）を説明すると、制御回路２０の制御に基づいてインバータ回路１４（スイッチング素子１４ａ）のスイッチング動作が制御され、インバータ回路１４にて生成される高周波交流電力が調整される。これに基づいて、電源装置１０の出力電力が調整され、アーク溶接の際のアークが適切に調整されている。

このような電源装置１０の主たる動作に伴ってスイッチング素子１４ａが発熱することから、制御回路２０は、温度検出センサ１９を通じて素子１４ａの温度の監視を行っている。スイッチング素子１４ａの検出温度Ｔｍが第１温度閾値ｔｈ１以下の正常温度範囲で動作している場合、制御回路２０は、インバータ回路１４に対して通常スイッチング周波数を用いる通常周波数駆動を行わせる。

一方、スイッチング素子１４ａの温度が上昇し、その検出温度Ｔｍが第２温度閾値ｔｈ２を超えると、制御回路２０は、インバータ回路１４のスイッチング動作を、通常周波数駆動から所定周波数だけ低いスイッチング周波数を用いる低周波数駆動に切り替える。低周波数駆動時のスイッチング周波数は、電源装置１０の出力値をある程度確保しつつ、スイッチング素子１４ａのこれ以上の温度上昇を抑制可能な周波数に設定されている。従って、インバータ回路１４が低周波数駆動に切り替わると、スイッチング素子１４ａでのスイッチング頻度が低減し、素子１４ａのそれ以上の温度上昇は抑制されて次第に低下に向かう。つまり、後述のスイッチング素子１４ａの温度（検出温度Ｔｍ）が第１温度閾値ｔｈ１を超えることによるインバータ回路１４の動作停止を極力回避し、電源装置１０の電力生成が極力維持されるようになっている。やがて、インバータ回路１４の低周波数駆動によりスイッチング素子１４ａの検出温度Ｔｍが第３温度閾値ｔｈ３以下まで低下すると、制御回路２０は、インバータ回路１４を再び通常周波数駆動に切り替える。

また、電源装置１０の出力電力が例えば定格値を超えるような高出力状態が続くような場合等、スイッチング素子１４ａの温度上昇度合いが大きいと、検出温度Ｔｍが第２温度閾値ｔｈ２を超えてインバータ回路１４が低周波数駆動に切り替わった後も、依然として素子１４ａの温度が上昇する場合がある。このような場合では、制御回路２０は、検出温度Ｔｍが第１温度閾値ｔｈ１を超えた時点でスイッチング素子１４ａが過熱状態に至ったと判定し、インバータ回路１４の動作を停止（禁止）する。これに伴い、電源装置１０の電力生成は停止するものの、スイッチング素子１４ａの過熱破損が未然に防止される。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）インバータ回路１４の動作停止の判定に用いる第１温度閾値ｔｈ１に対し、それよりも低い温度に第２温度閾値ｔｈ２を新たに設定し、この第２温度閾値ｔｈ２をスイッチング素子１４ａの検出温度Ｔｍが超えると、制御回路２０はインバータ回路１４を通常周波数駆動から低周波数駆動に切り替える。つまり、低周波数駆動によりスイッチング素子１４ａでのスイッチング頻度が低減し、素子１４ａの温度上昇が抑制される。これにより、スイッチング素子１４ａの検出温度Ｔｍが第１温度閾値ｔｈ１を超えることによるインバータ回路１４の動作停止が極力回避され、電源装置１０の電力生成を極力維持でき、電力生成の安定化を図ることができる。また、スイッチング素子１４ａの温度上昇度合いが大きく、検出温度Ｔｍが第１温度閾値ｔｈ１を超える場合には、速やかにインバータ回路１４の動作が停止され、スイッチング素子１４ａの過熱保護が図られる。

（２）スイッチング素子１４ａの検出温度Ｔｍが第２温度閾値ｔｈ２を超えてインバータ回路１４が低周波数駆動に切り替えられた後、該素子１４ａの検出温度Ｔｍが第３温度閾値ｔｈ３以下になると、制御回路２０はインバータ回路１４を再び通常周波数駆動に切り替える。つまり、インバータ回路１４が通常周波数駆動と低周波数駆動との間で好適に自動切り替えが行われる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・図１及び図２にて破線で示すように、表示や警告ランプ、音等にて報知する報知装置２１を備え、インバータ回路１４が低周波数駆動に切り替わった旨を使用者等に報知するようにしてもよい。このようにすれば、使用者にその後の対処（溶接機の継続使用を適切なタイミングで中断する等）を促すことができる。また当然ながら、スイッチング素子１４ａの温度が第２温度閾値ｔｈ２を超えたことの報知にもなる。

・上記実施形態において特に言及しなかったが、図２にて示した第２温度閾値ｔｈ２と第３温度閾値ｔｈ３とをある程度間隔を有して設定すれば、インバータ回路１４が通常周波数駆動と低周波数駆動との間で頻繁に切り替わることを防止できる。逆に、第２温度閾値ｔｈ２と第３温度閾値ｔｈ３との間隔を小さくして、スイッチング素子１４ａの温度を略一定に制御することもできる。

・インバータ回路１４のスイッチング周波数を通常周波数とそれよりも低い周波数との２つの周波数間で切り替えるようにしたが、スイッチング周波数を３以上の多段階で変更するようにしてもよい。

・インバータ回路１４が通常周波数駆動と低周波数駆動との間で自動で切り替わるようにしたが、例えば低周波数駆動に一旦切り替わると、使用者の所定操作を経て、通常周波数駆動に切り替える態様としてもよい。

・電源装置１０の出力値、具体的には出力電流や出力電力等、使用者が設定する指令出力値、又は検出した実出力値が所定値より低くなると、制御回路２０にてインバータ回路１４の低周波数駆動への切り替えを禁止（規制）する制御を行ってもよい。具体的数値としては、例えば定格出力電流に対して５０％（定格３００Ａであれば、１５０Ａ）以下になると、インバータ回路１４の低周波数駆動への切り替えを禁止する。仮に、電源装置１０の出力値が所定値より低い状況でインバータ回路１４が低周波数駆動に切り替わると、場合によってはアーク溶接に十分な出力値に満たなくなり、溶接の仕上がりへの影響が出る虞がある。そのため、インバータ回路１４の低周波数駆動への切り替えを適切に禁止することで、溶接品質を良好に維持することができる。

・図１に示す電源装置１０の構成は一例であるため、構成はこれに限定されず、適宜変更してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。

（イ） 請求項１又は２に記載の溶接用電源装置において、
前記駆動態様切替手段は、前記インバータ回路を低周波数駆動に切り替えた後に前記スイッチング素子の検出温度が前記第２温度閾値より低い温度に設定された第３温度閾値以下になると、前記インバータ回路を再び通常周波数駆動に切り替えることを特徴とする溶接用電源装置。

この構成では、スイッチング素子の検出温度が第２温度閾値を超えてインバータ回路が低周波数駆動に切り替えられた後、該素子の検出温度が第２温度閾値より低い第３温度閾値以下になると、インバータ回路が再び通常周波数駆動に切り替えられる。つまり、インバータ回路が通常周波数駆動と低周波数駆動との間で好適に自動切り替えが行われるようになる。

（ロ） 請求項１，２及び上記（イ）のいずれか１項に記載の溶接用電源装置において、
前記駆動周波数切替手段にて前記インバータ回路が低周波数駆動に切り替えられた旨の報知を行う報知装置を備えたことを特徴とする溶接用電源装置。

この構成では、インバータ回路が低周波数駆動に切り替えられた旨の報知が行われることから、使用者にその後の対処（溶接機の継続使用を適切なタイミングで中断する等）を促すことができる。

１０ 溶接用電源装置
１４ インバータ回路
１４ａ スイッチング素子
１５ トランス
１９ 温度検出センサ（温度検出手段）
２０ 制御回路（温度検出手段、停止制御手段、駆動態様切替手段、切替規制手段）
２１ 報知装置
Ｔｍ 検出温度
ｔｈ１ 第１温度閾値
ｔｈ２ 第２温度閾値
ｔｈ３ 第３温度閾値

Claims (2)

1. スイッチング素子のスイッチング動作にて直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、該インバータ回路からの交流電力を所定交流電力として二次側から出力するトランスと、該トランスの二次側から出力される交流電力を溶接に適した直流出力電力に変換する直流変換回路とを備えた溶接用電源装置において、前記スイッチング素子の温度検出を行う温度検出手段と、その検出温度と温度閾値との比較により前記スイッチング素子が過熱状態にあるとの判定に基づいて前記インバータ回路の動作を停止する停止制御手段とを備えた溶接用電源装置であって、
   前記停止制御手段での判定に用いる前記温度閾値を第１温度閾値としたとき、該第１温度閾値より低い温度に設定された第２温度閾値を前記スイッチング素子の検出温度が超えると、前記インバータ回路のスイッチング周波数を通常周波数から低い周波数に切り替え、前記インバータ回路を通常周波数駆動から低周波数駆動に切り替える駆動態様切替手段を備えたことを特徴とする溶接用電源装置。
2. 請求項１に記載の溶接用電源装置において、
   電源装置の出力値が所定値より低くなると、前記駆動態様切替手段による前記インバータ回路の低周波数駆動への切り替えを禁止する切替規制手段を備えたことを特徴とする溶接用電源装置。