JP2015516796A - 電源を制御する方法並びに電源及びそのプロセスコントローラ - Google Patents

Abstract

電源を制御する方法が規定されている。電源は、入力電圧（ＵE）を中間回路電圧（ＵZK、ＵZK1）に変換する第１コンバータ（１）と、中間回路コンデンサ（２）と、中間回路電圧（ＵZK、ＵZK1）を出力電圧（ＵA）に変換する第２コンバータ（３）と、を有する。プロセスは、第２コンバータ（３）の出力において制御される。デジタルプロセスコントローラは、出力におけるイベントに応じて、第１コンバータ（１）の中間回路電圧（ＵZK、ＵZK1）を制御するべく少なくとも１つのパラメータ及び／又はその値を既定する。

Description

本発明は、入力電圧を中間回路電圧に変換する第１コンバータと、中間回路コンデンサと、中間回路電圧を出力電圧に変換する第２コンバータと、を有する電源を制御する方法に関し、これにより、プロセスは、第２コンバータの出力において制御され、且つ、具体的には、出力電圧及び／又は出力電流は、第２コンバータの支援によって制御される。

本発明は、電源用のプロセスコントローラに更に関し、この電源は、入力電圧を中間回路電圧に変換する第１コンバータと、中間回路コンデンサと、中間回路電圧を出力電圧に変換する第２コンバータと、を有する。コントローラは、出力電圧及び／又は出力電流用の入力と、第２コンバータを起動する出力と、制御アルゴリズムを稼働させる手段と、を有し、且つ、出力電圧及び／又は出力電流は、制御変数として提供され、且つ、第２コンバータは、閉ループのアクチュエータとして提供される。

最後に、本発明は、入力電圧を中間回路電圧に変換する第１コンバータと、中間回路コンデンサと、中間回路電圧を出力電圧に変換する第２コンバータと、出力電圧及び／又は出力電流用のその入力が溶接電源の出力に対して接続されると共にその出力が第２コンバータを起動するために第２コンバータに対して接続されている前記タイプのコントローラと、を有する電源に関する。

上記において概説したタイプの電源を制御する方法は、原則的に既知である。これらは、入力交流電圧を中間回路電圧に変換するべく使用されている。或いは、その代わりに、別の選択肢は、入力直流電圧が望ましいレベルを有していない場合に、入力直流電圧を中間回路電圧に変換するというものである。この中間回路電圧は、中間回路コンデンサにより、それなりに一定のレベルにおいて維持されている。この結果、この中間回路電圧は、出力電圧に変換される。出力電圧及び／又は出力電流は、第２コンバータによって制御されている。一例として、例えば、インパルス溶接に必要とされるような一定の電圧を有するパルス成形された出力電流を提供することができる。又、このような方法を使用し、電池を充電することもできる。

別の態様は、一般に、一次電流が相対的に小さくなるように、例えば、ガルバニック絶縁及び電流変換に起因して第２コンバータ内において提供されている変圧器の変換比率を可能な限り高く設定しなければならないという事実である。これは、相対的に高い中間回路電圧と、従って、特に、一次−二次絶縁コンポーネントにおいて、相対的に大きな空気及び電流漏洩経路と、を必要としている。但し、前記変圧器の高変換比率は、しばしば、必須の且つ産業的に入手可能なコンポーネントは、特定のピン間隔を有し、且つ、その１つは、上述の空気及び電流漏洩経路の場合に、小さ過ぎるという事実に起因し、制限されている。但し、この理由から提供される相対的に小さな中間回路電圧は、今度は、高一次電流と、高価なコンポーネントの、具体的には、前記電源の整流器及び整流インバータ内の高価な半導体の、使用と、を必要としている。以上のことからわかるように、これは、満足のゆく事態ではなく、その理由は、これらの外部周辺条件により、電源の容量が不必要に制限されているからである。

従って、本発明の目的は、溶接プロセス又は電池充電プロセスの環境において電源を制御する改善された方法、電源用の改善されたプロセスコントローラ、及び改善された電源を提案するというものである。具体的には、溶接品質又は電池を充電する際に得られる品質が、同一の電力セクションについて改善されることになろう。

この目的は、上記において概説したタイプの方法に基づく本発明によって実現され、これにより、出力におけるイベントに応じて第１コンバータの中間回路電圧を制御するべく、少なくとも１つのパラメータ及び／又はその値がデジタルプロセスコントローラによって予め定義される。

又、この目的は、溶接プロセス又は電池充電プロセスに応じて中間回路電圧に対して影響を及ぼすことを目的として提供される出力を有する上記において概説したタイプのプロセスコントローラによる本発明によって実現される。

最後に、本発明の目的は、上記において概説したタイプの電源によって実現され、この場合に、中間回路電圧に対して影響を及ぼすべく、コントローラの出力は、第１コンバータに、又は第１コンバータに接続された別のコントローラに、接続される。

従って、本発明によって提案されているように、中間回路電圧を溶接プロセス又は電圧充電プロセスに対して適合させる、換言すれば、変化させる、ことが可能であり、即ち、出力において短時間にわたって発生する状態に応答して、中間回路電圧は、常に十分な利用可能な電力が存在すると共に中間回路電圧に対する混乱が防止されるように、適合される。第１コンバータにおけるこの介入の結果として、前記プロセスを大幅に改善することができる。この観点において特に有利であるのは、即ち、２つのコンバータなどの電力セクションが、事実上不変の状態に留まることができるという事実である。これが新しい方法によって有効化されているという事実に起因し、品質の向上が実現される。従って、本発明は、ほとんど技術的な複雑さを伴うことなしに、実装することができる。更には、既存の電力セクションを簡単な方式によって改良することもできる。

別の態様は、手段内において中間回路電圧を変化させることにより、その最大値を下回る中間回路電圧が結果的に得られるという事実である。但し、空気及び電流漏洩経路は、通常、中間回路電圧の最大値においてではなく、むしろ、その平均電圧において、設計されている。更には、いくつかのコンポーネントは、短時間の電圧スパイク又は過大な電圧に対する抵抗力を有する。この場合には、上述の欠点を伴わない電源を構築することができる。具体的には、例えば、第２コンバータ内において提供される変圧器の変換比率を高く設定することが可能であり、この結果、相対的に小さな一次電流が得られる。従って、電源の相対的に大きな容量の場合に、一方において、相対的に小さなピン間隔又は相対的に小さな電圧抵抗力を有するコンポーネントを、但し、他方においては、相対的に小さな電流搬送容量を有するコンポーネントを、使用することができる。この表面上は矛盾した状況は、手段内における相対的に小さな値の変化する中間回路電圧の結果である。

更には、新しいタイプのコントローラ構造は、第１コンバータの設計の観点においてスケーリングの利点を結果的にもたらす。この短い期間においてのみ、中間回路電圧の短時間の上昇は、高出力電力を許容する出力特性を付与する。実際には、静的な電源動作においては、この範囲の出力特性は、実質的に決して使用されず、或いは、電源は、実際には、この範囲における永久的な動作のために設計されることにならないであろう。

相対的に長い期間のために低減された中間回路電圧は、電源の可能な出力電力を制限する。例えば、１：１０の変圧器における５００Ａの出力電流は、５０Ａの一次電流に対応している。中間回路において７００Ｖｄｃが利用可能である場合には、理論的に、７００Ｖｄｃ×５０＝３５ｋＷを出力において出力することができる。例えば、中間回路電圧が６５０Ｖに低減された場合には、出力可能であるのは、わずかに３２．５ｋＷの電力である。

大部分のコンポーネントは、相対的に大きな電力を短時間にわたって搬送する能力を有する。この場合には、コンバータのインダクタンスを相当に低いレベルにサイズ設定することができる。

従って、本発明は、伝統的に中間回路電圧を可能な限り一定に維持するべきであるにも拘わらず、中間回路電圧を変化させることによって利点が得られるという認識であり、即ち、目的は、中間回路内において直流電圧を得るということにあるものと理解してもよい。この原理を逸脱するにも拘らず、当然のことながら、中間回路内の電圧を少なくとも一時的に一定に維持することができる。

本発明の有利な実施形態及び更なる特徴については、従属請求項及び添付の図面の説明から明らかとなろう。

設定値が、イベントの前の算出された瞬間において予め定義され、且つ、中間回路電圧がその瞬間に至るまで適合されることが有利である。この結果、十分な電力がイベントの開始点において利用可能であると共に中間回路電圧がわずかにしか中断されない又はまったく中断されないことが保証される。

中間回路電圧が第１コンバータの支援によって制御され、且つ、中間回路電圧の設定値が、将来の出力電圧及び／又は将来の出力電流の関数として予め定義されることが有利である。この変形に基づいて、中間回路電圧は、―制御されている際とは異なり―特に良好に、出力電圧及び／又は出力電流の関数として予め定義された設定値に対して維持される。又、プロセスコントローラは、言わば、将来をも「見通し」、且つ、将来の要件のために、中間回路コンデンサ内の電圧を準備する。例えば、インパルス溶接においては、プロセスコントローラは、次のインパルスを印加するべき時点を「認知」しており、且つ、従って、可能な限り理想的なインパルス形状を得るべく、中間回路電圧を上昇させることにより、相応して用心深い方式によって反応することができる。プロセスコントローラは、関連する情報（「プロセスデータベースからの予め選択された制御信号」）を取得するべく、プロセスデータベースにアクセスしてもよい。当然のことながら、中間回路電圧に対して直接的に影響を及ぼすべく、中間回路電圧の迅速な増大をもたらすように、コントローラの操作変数をプロセスに対して直接的に適合させることもできよう。

この関連において、出力電流がインパルス成形されており（特に、直流成分を有する）、且つ、中間回路電圧が、インパルスの前に増大されることが特に有利である。この結果、インパルスが理想的な形状に対して相対的に良好に適合されるように、電流の増大のスロープを相対的に大きなものにすることができる。この関連において、電流インパルスの開始点においてその最大値に到達し、これにより、最大電流増大が得られることをも可能にするようなインパルスの前のタイミング（好ましくは、パルスの前の０ｍｓ〜５ｍｓ）により、中間回路電圧を増大させることが特に有利である。

インパルス成形された出力電流がその上限設定値に到達した際に中間回路電圧が低減されることが特に有利である。この結果、中間回路電圧は、増大がその目的を果たしたら即座に、再度低減される。この結果、中間回路電圧の平均値を鋭く低減することができる。この結果、相対的に低定格のコンポーネントの使用が可能になり、これにより、製造コストが大幅に低減される。

中間回路電圧が、長いインパルスの場合よりも、短いインパルスの場合に、相対的に鋭く増大されることが有利である。この結果、一定の平均値において維持しつつ中間回路電圧を増大させることの効果の最適な活用を実現することができる。例えば、中間回路電圧は、６０％のパルス持続時間比率の場合よりも、３０％のパルス持続時間の場合に、２倍の値だけ増大させることができる。

又、インパルスの前に中間回路電圧が大規模に中断されない又はまったく中断されないように、中間回路電圧の設定値との関係おける、又は直接的に第１コンバータのコントローラの操作変数との関係における、介入をタイミング設定することも有利である。従って、中間回路電圧を、制御パラメータのみを使用することによって可能となるものよりも、格段に更に一定に維持することが可能であり、その理由は、この場合にも、プロセスにおいてイベントの発生の前の段階で応答を得ることができるからである。又、この原理は、同様に、例えば、パルスの終了点の場合にも適用され、これにより、中間回路電圧のオーバーシュートを、パルスの終了点の前において既に、又はちょうどパルスの終了点において、低減又は防止することができる。

又、特に、溶接電源の場合には、スタートアップ動作の検出の際に、出力電流が流れ始める前に、中間回路電圧を十分に長い時間にわたって増大させることも有利である。これは、相対的に多くの出力電力がプロセスの開始点において利用可能であり、且つ、出力電流の上昇が加速されることを意味している。

又、電源が負荷を伴うことなしに稼働している際に中間回路電圧が低減されることも有利である。いくつかの溶接電源又は電池充電装置は、その運用寿命の大きな部分にわたって負荷なしで稼働していることから、この変形は、利点を提供する。この結果、いくつかのコンポーネント（例えば、中間回路コンデンサ）における永久成分負荷が低減され、且つ、その運用寿命が延長される。

又、特に、電池充電装置の場合には、中間回路電圧が、プロセスに応じた可変出力電圧を必要としているプロセスにおいて、出力電圧レベルの関数として増大又は低減されることも有利である。この結果、第２コンバータを最適な動作点において永久的に動作させることが可能であり、例えば、このコンバータ内のスイッチング損失を出力電圧の範囲の全体に跨って可能な限り低減することができる。

第１コンバータが、受動型整流器と、これに接続された電圧調整器と、を有することが好都合である。この結果、中間回路電圧を効率的に設定することができる。更には、受動型整流器と電圧調整器とは、試行及び試験済みの手段を構成し、その結果、事実上、同時に高い信頼性を維持しつつ、技術的複雑さを相対的にほとんど伴うことなしに、本発明を実装することができる。

又、第１コンバータが、制御型整流器を有することも好都合である。これは、中間回路電圧を調節する別の試行及び試験済みの手段である。

又、第２コンバータが、反転整流器と、これに接続された変圧器と、変圧器に接続された整流器と、を有することも好都合である。この結果、中間回路電圧を効率的に望ましい出力電圧に変換することができる。又、反転整流器、変圧器、及び整流器も、試行及び試験済みの手段を構成し、その結果、事実上、同時に高い信頼性を維持しつつ、相対的にほとんど技術的な複雑さを伴うことなしに、本発明を実装することができる。

最後に、電力又は電圧源を溶接電源又は電池充電装置として設計することが有利である。これらの装置は、いずれも、インパルス成形された電流の流れを頻繁に必要としており、この電流の流れは、本発明の支援によって特に効率的に取得することができる。

更に明瞭な理解を提供するべく、添付図面を参照し、以下、本発明について更に詳細に説明することとする。

以下の添付図面は、非常に単純化された概略図である。

それぞれ、出力電流を伴う中間回路電圧及び出力電圧用の２つの別個の制御ループを有する電源の第１の概略的に示された変形である。 それぞれ、出力電流を伴う中間回路電圧及び出力電圧用の１つの共通制御ループを有する電源の第２の概略的に示された変形である。 受動型整流器と、これに接続された電圧調整器と、を有する第１コンバータの一例である。 制御型整流器を有する第１コンバータの別の例である。 反転整流器、変圧器、及び整流器を有する第２コンバータの一例である。 出力電流のいくつかのパルス成形された曲線の電流−時間をプロットした例示用のグラフである。 出力電流、中間回路電圧、及び中間回路電力の時間曲線をプロットした例示用の合成グラフである。 説明対象のコントローラが鋸歯補助電圧の支援によって起動される方式の一例である。 出力における電流インパルスにも拘らず基本的に一定に留まる中間回路電圧のタイミング曲線である。 溶接スタートアップ動作の際の中間回路電圧及び出力電流をプロットした曲線である。 電池充電動作の際の選択された特性をプロットした曲線である。

まず、異なる実施形態において記述されている同一の部分は、同一の参照符号及び同一のコンポーネント名によって表記されており、且つ、本明細書の全体を通じて提供される開示は、同一の参照符号又は同一のコンポーネント名を保持する同一の部分に対して意味の観点において置き換え可能であることを指摘しておきたい。更には、最上部、底部、側部などの説明を目的として選択されている位置は、具体的に説明されている図面に関係するものであり、且つ、別の位置が説明されている際には、新しい位置に対して意味において置き換えることができる。図示及び説明されている異なる実施形態の個々の特徴又は特徴の組合せを、それ自体として、独立した発明による解決策又は本発明によって提案された解決策として解釈してもよい。

図１は、入力電圧Ｕ_Eを中間回路電圧Ｕ_ZKに変換する第１コンバータ１と、中間回路コンデンサ２と、中間回路電圧Ｕ_ZKを出力電圧Ｕ_Aに変換する第２コンバータ３と、を有する電源を示している。又、図１は、出力電圧Ｕ_A及び出力電流Ｉ_A用の２つの入力と、第２コンバータ３を起動する出力と、制御アルゴリズムを稼働させる手段と、を有するコントローラ４をも示しており、この場合に、出力電圧Ｕ_A及び出力電流Ｉ_Aは、制御変数として提供され、且つ、第２コンバータ３は、閉ループのアクチュエータとして提供されている。コントローラ４が、出力電圧Ｕ_A又は出力電流Ｉ_A用の１つの入力のみを有することも考えられ、この場合には、制御アルゴリズムは、出力電圧Ｕ_A又は出力電流Ｉ_Aのコントローラのために相応してセットアップされる。又、コントローラ４は、溶接プロセス又は電池充電プロセスに応じて第１コンバータ１の支援によって中間回路電圧Ｕ_ZKに対して影響を及ぼす手段として提供される出力をも有する。具体的には、コントローラ４は、中間回路電圧Ｕ_ZK用の設定値をコントローラ５に送信し、この結果、コントローラ５は、第１コンバータ１の支援によって中間回路電圧Ｕ_ZKを制御する。

この特定のケースにおいては、電圧計測装置Ｖが、中間回路電圧Ｖ_ZK及び出力電圧Ｕ_Aを計測するべく提供されており、この電圧計測装置Ｖは、任意の設計であってよい。例えば、この目的のために、アナログ−デジタルコンバータを提供してもよく、このアナログ−デジタルコンバータは、計測された電圧値をデジタル方式によってコントローラ４、５に対して送信する。又、コントローラ４、５は、しばしば、マイクロコントローラの形態において提供され、これらのマイクロコントローラは、通常、電圧を計測する入力を標準的に有する。

又、電流計測装置Ａも、出力電流Ｉ_Aを計測する手段として提供されており、この電流計測装置Ａも、同様に、任意の設計であってよい。電流は、例えば、シャント上における電圧計測の支援によって計測されてもよい。従って、電圧も、上述の方式により、計測されてよい。

一般的に、コントローラ４及び５は、デジタルプロセッサであってよい。これらは、ハードウェア又はソフトウェアに基づいてセットアップされてよい。コントローラ４及び／又は５がソフトウェアに基づいてセットアップされている場合には、プログラムステップは、プログラムの稼働時間において制御アルゴリズムを稼働させることになる。又、プログラムを保存するべく、マイクロコントローラは、統合されたメモリを有してよい。当然のことながら、２つのコントローラ４及び５は、１つの且つ同一の回路内において、１つの且つ同一のマイクロコントローラ内において、且つ、１つの且つ同一のプログラム内において、統合されてよい。この場合には、コントローラブロック４及び５の図示の境界線は、物理的でなく機能的なものであると理解されたい。

この特定の例においては、中間回路電圧Ｕ_ZK及び出力電圧Ｕ_A及び／又は出力電流Ｉ_Aは、別個の制御ループにおいて制御されている。コントローラ４は、中間回路電圧Ｕ_ZK用の設定値をコントローラ５に転送するのみである。但し、これは、図２に示されているように、必須のものであるわけではない。

図２は、図１に示されている構成に非常に類似した構成を示している。違いは、デジタルプロセスコントローラが、１つのコントローラ４のみを含んでおり、このコントローラ４が、それぞれ、出力電流Ｉ_Aを伴う中間回路電圧Ｕ_ZK及び出力電圧Ｕ_Aの両方を制御しているという点にある。この目的のために、対応する多次元コントローラが使用されてもよい。

図３は、第１コンバータ１の具体的な実施形態を示しており、この実施形態は、受動型整流器６と、これに接続された電圧調整器７と、を有する。整流器６は、三相コネクタＬ１〜Ｌ３を介して電力供給されており、整流器６は、この電力から直流電圧を生成し、この直流電圧は、電圧調整器７によってハイに設定されている。但し、原則的に、ロウに電圧を設定する電圧調整器７を使用することもできよう。この例におけるコンデンサ３は、破線によって示されており、その理由は、図１及び図２においては、実際に第１コンバータ１に含まれていないからであり、ここに図示されている理由は、電圧調整器７の理解を提供する際に、有利であるからである。

図４は、第１コンバータ１の別の実施形態を示しており、この実施形態は、制御型整流器９を有する。この変形においては、整流器のスイッチ９は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の形態において提供されてもよく、これらのスイッチ９は、一方においては、電圧が整流されるように起動されるが、インダクタンス８及び中間回路コンデンサ３に起因してレベルの観点において調節されることもできる。インダクタンスは、第１コンバータに内蔵されてもよいが、電源が接続される電力ネットワークの一部であってもよい。

図５は、第２コンバータ３の実施形態を示しており、この実施形態は、反転整流器１０と、これに接続された変圧器１１と、変圧器１１に接続された整流器１２と、を有する。従って、中間回路電圧Ｕ_ZKを出力電圧Ｕ_Aに変換することが可能であり、且つ、出力は、中間回路からガルバニック絶縁されている。詳細には図示されていないが、出力におけるインダクタンスは、第２コンバータ３の一部であってもよく、或いは、第２コンバータ３に接続されている供給対象の装置（図示されてはいない）の一部であってもよい。

図６は、電流−時間グラフ、Ｉ対ｔである。電流Ｉ（この例においては、直流成分を有する）のインパルス成形された曲線は、中間回路電圧Ｕ_ZKに対して影響を及ぼす効果を示している。中間回路電圧Ｕ_ZKを増大させることにより、理想的なインパルス成形された電流Ｉ_A2（細線によって示されている）との間における電流曲線Ｉ_A1（太線によって示されている）の相対的に良好な近似が結果的に得られる。従って、この方式により、中間回路電圧Ｕ_ZKを増大させることなしに、電流曲線Ｉ_A3（破線）によるよりも、理想的なインパルス形状Ｉ_A2を相対的に良好に近似することができる。何にも増して、曲線Ｉ_A1における電流インパルスの上限値が、曲線Ｉ_A3におけるよりも、迅速に実現される。

これに基づいて構築することにより、プロセスコントローラ４、５は、今や、予定されているイベントの前に相応して反応することが可能であり、その理由は、スタートアップ動作、溶接インパルス開始点、溶接インパルス終了点、短絡イベントなどのようなすぐに予定されているイベントの瞬間が、プロセスコントローラ４、５にとって既知であるからである。この場合には、増大した出力電流Ｉ_Aが、予定されているイベントに必要である場合には、プロセスコントローラ４、５は、イベントが発生した際に、必須の出力電流Ｉ_Aが利用可能となるように、換言すれば、十分な電力が中間回路内において保存されるように、イベントの前に―基本的には、電流曲線Ｉ_A1に従って―相応して良好な時間において、必須のパラメータ又はその値（例えば、中間回路電圧Ｕ_ZK用の設定値）を増大させる。この場合には、これは、迅速な電流の増大によって実現されることになり、この場合に、この迅速な電流増大は、イベントの前のプロセスコントローラ４、５の介入によって保証されている。

原則的に、中間回路電圧Ｕ_ZKの変更又は制御又は監視は、コンバータ５の独立した制御ループにおいて実行される。但し、予定されている変化の場合には、コンバータ５用のパラメータに対する変更は、コンバータ４（プロセスコントローラ）によって予め定義されることになり、その理由は、コントローラ５が、電源の出力におけるイベントについて知識を有していないからであり、これがために、コントローラ４が介入している。例えば、定義されるパラメータは、中間回路電圧Ｕ_ZK又はその設定値、コンバータ５のスイッチング時間、パルス幅、コンバータ５の少なくとも１つのスイッチのピーク電流、及び／又は類似のパラメータであってもよいであろう。この結果、中間回路電圧Ｕ_ZKは、非常に迅速且つ効果的に変更されることになり、その理由は、これらのパラメータが、中間回路電圧Ｕ_ZKに対して直接的な影響を有しているからである。換言すれば、予め定義及び変更されるパラメータを選択することにより、コントローラ用のタイミングが最小値に低減されることになり、その理由は、中間ステップがコントローラにとって不要であるからである。

従って、迅速な電流の増大が、中間回路電圧Ｕ_ZKが基本的に設定済みの閾値未満に降下することなしに、出力側において可能となるように、即ち、高出力電力を供給する際に中間回路電圧Ｕ_ZKを増大させることによって定義済みの閾値未満への降下が防止されるように、イベントの瞬間において、中間回路電圧Ｕ_ＺＫが、正しい時点において、増大又は適合されることになる。イベントに起因し、中間回路には、対応する負荷が印加され、且つ、従って、中間回路電圧Ｕ_ZKは、基本的に再度降下し、且つ、この降下にも拘らず、中間回路電圧Ｕ_ZKが定義済みの閾値未満に降下しないように、増大が常に発生する。又、コンポーネントは、この閾値に耐えるようにサイズ設定されており、且つ、短時間の変化は、基本的に、中間回路電圧Ｕ_ZKの平均値に対して影響を有しておらず、従って、コンポーネントは、過大な負荷下に配置されない。

イベントの前の瞬間及び持続時間を図８、図９、及び図１０において観察することができる。これらは、溶接の際の電流インパルス、オーバーシュート動作、及びスタートアップ動作である。

該設定値は、好ましくは、イベントの発生の前の１０ｍｓに至るまで適合される。この瞬間に至るまでの時間は、相応して、プロセスコントローラ４、５によって算出又は判定される。この時間は、基本的に、コンデンサ２が中間回路を変化させるのに必要な時間によって左右される。これは、例えば、出力電圧Ｕ_A及び出力電流Ｉ_Aに応じてそれぞれのイベントごとに必要とされる時間が保存されているデータベースにアクセスすることにより、或いは、それぞれのイベントの前の直接的な計算により、実現される。

溶接プロセス又は電池充電プロセスにおいては、出力電流Ｉ_Aは、予め設定された特性曲線に従って制御される。このような特性曲線は、プロセスにおいて継続的に監視及び制御されている複数のパラメータに基づいて判定される。これらのパラメータに基づいて、プロセスコントローラ４、５は、予定されているイベントの瞬間を相応して設定する。

図７は、時間ｔに伴う電流Ｉ、時間ｔに伴う電圧Ｕ、及び時間ｔに伴う電力Ｐをプロットした合成グラフである。電流Ｉ_A1（この例においては、直流成分を有していない）のインパルス成形された曲線に基づいて、これは、中間回路電圧Ｕ_ZKが影響を受ける様子を示している。具体的には、中間回路電圧Ｕ_ZK1（破線）は、電流インパルスＩ_A1の前に増大している。この例においては、これは、中間回路電圧Ｕ_ZK1が、インパルスの開始点においてその上限設定値に到達しているように、タイミング設定されている。従って、インパルスと比べた場合に、中間回路電圧Ｕ_ZK1を増大させることなしに、電流の増大を顕著に増大させることができる。この結果、プロセスコントローラは、溶接プロセス又は電池充電プロセスにおいて将来のイベントを考慮することができる。電流インパルスＩ_A1がその上限設定値に到達したら、中間回路電圧Ｕ_ZK1が、そのオリジナルのレベルに低減されて戻る。従って、中間回路電圧Ｕ_ZK1は、ハイレベルにおいて常に維持されているが相対的に低い平均値を有する中間回路電圧Ｕ_ZK2（細い線）と同一の効果を電流増大に対して有する。図７は、中間回路電圧Ｕ_ZK1との関係における電力Ｐ_ZK1をプロットした曲線（一点鎖線）と、中間回路電圧Ｕ_ZK2との関係における電力Ｐ_ZK2をプロットした曲線（細線）と、を更に示している。

インパルス成形された電流曲線は、具体的には、インパルス溶接又は電池の充電において必要とされ、この理由から、電源が溶接電源又は電池充電装置であることが特に有利である。手段内における相対的に低い中間回路電圧Ｕ_ZK1に起因し、中間回路電圧Ｕ_ZK2が常にハイであるケースよりも、電流漏洩経路を短くすることができる。この結果、相対的に小さなピン間隔と、一般に相対的に容易に利用可能であると共に相対的に安価である相対的に小さな電圧抵抗力と、を有するコンポーネントの使用が可能となる。

更には、多くのコンポーネントは、短時間であれば、永久的な動作の際よりも大きな電力損失に耐える能力を有する。図７からわかるように、中間回路電圧Ｕ_ZK2により、電力Ｐ_ZK2を電源から引き出すことが永久に可能である。中間回路電圧Ｕ_ZK1は、Ｕ_ZK2を有する電源のものと同一の電源動作を得ることを動的に可能にするが、有利には、コンポーネントを静的な動作のためにサイズ設定することができる。例えば、コンバータ１のインダクタンスを巻線の断面の等価物に低減することができる。

図６及び図７に示されている曲線との関連において、長いインパルスを有する場合よりも、短いインパルスの場合に、中間回路電圧Ｕ_ZK1が相対的に鋭く増大されることが有利である。この結果、その平均値を一定に維持しつつ中間回路電圧Ｕ_ZK1を増大させる効果の最適な活用が実現される。例えば、３０％のパルス持続時間比率の場合には、中間回路電圧を６０％のパルス持続時間比率の２倍だけ大きく増大させることができる。この方式は、電流インパルスＩ_A1が、その上限設定値に到達した後に、電流インパルスＩ_A1の終了点まで低減されない際に、中間回路電圧Ｕ_ZK1が、図７に示されているように、即座に低減されない場合に、特に好都合である。

更には、中間回路電圧Ｕ_ZK1を、変化する出力電流Ｉ_A、Ｉ_A1と、同時に変化する出力電圧Ｕ_Aと、に対して適合させることもできる。具体的には、出力電流Ｉ_A、Ｉ_A1及び出力電圧Ｕ_Aをインパルス成形してもよい。図８〜図１１は、このケースの例示を目的としたその他の例を示している。

図８は、提案のコントローラ４、５を具体的に起動しうる方式の一例を示している。これらの図は、鋸歯補助電圧Ｕ_H、出力電流Ｉ_A、中間回路電圧Ｕ_ZK、並びに、プロセスコントローラ４、５の操作変数ＳＧを示している。補助電圧Ｕ_H及び様々な電圧閾値Ｕ_TH1〜Ｕ_TH3により、出力電流Ｉ_A、中間回路電圧Ｕ_ZK、及びプロセスコントローラ４、５用の操作変数ＳＧについて、時間シーケンスを単純な方式によって設定することができる。例えば、これは、その第１入力に対して関連する閾値Ｕ_TH1〜Ｕ_TH3が印加されると共にその第２入力に対して補助電圧Ｕ_Hが印加される比較器の支援により、実行してもよい。又、当然のことながら、例えば、デジタルタイマの支援によるなどのように、その他の手段により、関連する瞬間を生成してもよい。

出力電流Ｉ_Aのインパルスは、図示の例においては、その長さｔ_Pulsを第３閾値Ｕ_TH3の支援によって設定することができる補助電圧Ｕ_Hの立下りエッジの後に、始まっている。第１閾値Ｕ_TH1の支援により、中間回路電圧Ｕ_ZKが電流インパルスの開始の前に増大する時間ｔ_preを設定することができる。時間ｔ_preは、有利には、０ｍｓ〜５ｍｓの範囲である。第２閾値Ｕ_TH2の支援により、プロセスコントローラ４、５がその後に「中間回路電圧の増大」状態から通常の動作に切り替わって戻る時間ｔ_postを設定することができる。又、図８は、インパルスのオーバーシュートが存在しないように、操作変数ＳＧをもパルスの開始点においてわずかに戻す方式を示している。

図９は、出力電流Ｉ_A、中間回路電圧Ｕ_ZK、及び操作変数ＳＧの時間曲線を示している。この例においては、中間回路電圧Ｕ_ZKの設定値に対して、或いは、直接的に第１コンバータ１のコントローラ４、５の操作変数ＳＧに対して、インパルスの前に作用が及ぶタイミングは、中間回路電圧Ｕ_ZKが鋭くない方式によって低減されるか、又はまったく低減されないようなものになっている。従って、適切な時間ｔ_preを提供することにより、「先取的」な方式を伴うことなしに可能であるものよりも格段に一定に中間回路電圧Ｕ_ZKを維持することができる。又、図９から明瞭にわかるように、中間回路電圧Ｕ_ZKのオーバーシュートは、わずかである。

又、当然のことながら、類似の考慮事項は、パルスの終了点の場合にも適用される。早期に操作変数ＳＧを適切に戻すことにより、（実質的に）一定に留まるように、中間回路電圧Ｕ_ZKのオーバーシュートを低減することが可能であり、或いは、場合によっては、防止することができる。図９に示されている例においては、操作変数ＳＧは、パルスの終了点において戻されているが、パルスの終了点のわずかに前において戻すことも可能であろう。

図１０は、溶接プロセスのスタートアップ動作の際の中間回路電圧Ｕ_ZK及び出力電流Ｉ_Aをプロットしたグラフである。このような状況においては、有利には、この例においては、瞬間ｔ_Startにおいて流れ始める出力電流Ｉ_Aの前に、中間回路電圧Ｕ_ZKを増大させることもできる。図１０からわかるように、出力電流Ｉ_Aは、瞬間ｔ_{Iout_1}において非常に迅速に上昇している。瞬間ｔ_{Iout_2}において、中間回路電圧Ｕ_ZKは、再び戻っており、且つ、瞬間ｔ_{Iout_3}からの効果により、出力電流Ｉ_Aは、（準）静止値に降下している。説明した方式に起因し、相対的に大きな出力電力が、プロセスの開始点において利用可能であり、且つ、出力電流Ｉ_Aの上昇の鋭さが大幅に増大している。

最後に、図１１は、電池の充電動作の際の出力電流Ｉ_A、出力電圧Ｕ_A、及び中間回路電圧Ｕ_ZKの時間曲線の一例を示している。この例においては、―図１１からわかるように―中間回路電圧Ｕ_ZKは、有利には、出力電圧ＵＡの関数として変化している。この結果、電池充電動作とプロセスに応じて可変出力電圧を必要としている任意のその他のプロセスとにおいて、第２コンバータ３を最適動作点において動作させることができる。例えば、第２コンバータ３内におけるスイッチング損失が、出力電圧の範囲の全体にわたって低く維持される。

例として示されている実施形態は、コントローラ４、５（プロセスコントローラ）及び本発明によって提案されている電源の可能な変形を表しており、且つ、この段階において、本発明は、具体的に示されている変形に特に限定されるものではなく、且つ、その代わりに、個々の変形が、互いに異なる組合せにおいて使用されてもよく、且つ、これらの可能な変形は、開示されている技術的な教示内容が付与された際に、当業者が想起しうるものであることを指摘しておきたい。従って、説明及び図示されている変形の個々の詳細を組み合わせることによって取得可能なすべての想起しうる変形が、可能であり、且つ、本発明の範囲に含まれる。

最後に、念のために付言すれば、コントローラ４、５及び電源の構造の相対的に明瞭な理解を提供するべく、これら及びその構成部品は、図面には、概略的に示されており、従って、実際には、図示のものよりも多くの数のコンポーネントが、又は図示のものよりも少ない数のコンポーネントが、又は異なるコンポーネントが、存在してもよいことを指摘しておきたい。

独立的な発明による解決策の基礎をなす目的については、説明から明らかとなろう。

１ 第１コンバータ
２ 中間回路コンデンサ
３ 第２コンバータ
４ コントローラ
５ コントローラ
６ 受動型整流器
７ 電圧調整器
８ インダクタンス
９ 能動型整流器
１０ 反転整流器
１１ 変圧器
１２ 整流器
Ｉ 電流
Ｉ_A 出力電流
Ｐ 電力
Ｐ_ZK 中間回路電力
ＳＧ 操作変数
ｔ 時間
ｔ_Puls パルス持続時間
Ｔ_Puls パルス周期持続時間
ｔ_pre アドバンス時間
ｔ_post フォローアップ時間
ｔ_Start パルス開始時間
ｔ_{Iout_1} 瞬間的な増大の終了点
ｔ_{Iout_2} 瞬間的なＵ_ZKの降下
ｔ_{Iout_3} 瞬間的なＩ_Aの降下
Ｕ 電圧
Ｕ_A 出力電圧
Ｕ_E 入力電圧
Ｕ_H 補助電圧
Ｕ_TH1 第１電圧閾値
Ｕ_TH2 第２電圧閾値
Ｕ_TH3 第３電圧閾値
Ｕ_ZK 中間回路電圧

上記において概説したタイプの電源を制御する方法は、原則的に既知である。これらは、入力交流電圧を中間回路電圧に変換するべく使用されている。或いは、この代わりに、別の選択肢は、入力直流電圧が望ましいレベルを有していない場合に、入力直流電圧を中間回路電圧に変換するというものである。この中間回路電圧は、中間回路コンデンサにより、それなりに一定のレベルにおいて維持されている。この結果、この中間回路電圧は、出力電圧に変換される。出力電圧及び／又は出力電流は、第２コンバータによって制御されている。一例として、例えば、インパルス溶接に必要とされるような一定の電圧を有するパルス成形された出力電流を提供することができる。又、このような方法を使用し、電池を充電することもできる。
この文脈において、米国特許出願公開第２０１０／２２５２８９Ａ１号明細書は、その出力における計測回路及び計測回路に接続されたコントローラを有する２段電圧源を開示しており、コントローラは、電圧源の２つのスイッチング段を起動する。
欧州特許出願公開第０８６６２８４Ａ２号明細書は、この場合にもコンプレッサ用の２段電圧源を有する空調システムを開示している。米国特許出願公開第２０１０／２２５２８９Ａ１号明細書のものと類似した構成において、前記電圧源は、その出力における計測回路及び計測回路に接続されたコントローラを有し、コントローラは、電圧源の２つのスイッチング段を起動する。
又、米国特許出願公開第２０１１／３０９０５４Ａ１号明細書は、出力における計測回路及び計測回路に接続されたプロセスコントローラを有する２段溶接電源を開示しており、コントローラは、２つのスイッチング段のうちの第１のものを起動する。
米国特許出願公開第２００８／２８４３８８Ａ１号明細書及び特開平１０−３４１５７２号公報は、その他の２段電圧源を開示している。これらは、それぞれ、出力及び中間回路に計測回路を有し、これらの計測回路はコントローラに接続され、コントローラは電圧源の２つのスイッチング段を起動する。

原則的に、中間回路電圧Ｕ_ZKの変更又は制御又は監視は、コンバータ１の独立した制御ループにおいて実行される。但し、予定されている変化の場合には、コンバータ１用のパラメータに対する変更は、コントローラ４（プロセスコントローラ）によって予め定義されることになり、その理由は、コントローラ５が、電源の出力におけるイベントについて知識を有していないからであり、これがために、コントローラ４が介入している。例えば、定義されるパラメータは、中間回路電圧Ｕ_ZK又はその設定値、コンバータ１のスイッチング時間、パルス幅、コンバータ１の少なくとも１つのスイッチのピーク電流、及び／又は類似のパラメータであってもよいであろう。この結果、中間回路電圧Ｕ_ZKは、非常に迅速且つ効果的に変更されることになり、その理由は、これらのパラメータが、中間回路電圧Ｕ_ZKに対して直接的な影響を有しているからである。換言すれば、予め定義及び変更されるパラメータを選択することにより、コントローラ用のタイミングが最小値に削減されることになり、その理由は、中間ステップがコントローラにとって不要であるからである。

Claims (14)

1. 入力電圧（Ｕ_E）を中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）に変換する第１コンバータ（１）と、中間回路コンデンサ（２）と、該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）を出力電圧（Ｕ_A）に変換する第２コンバータ（３）と、を有する電源を制御する方法であって、これにより、プロセスは、該第２コンバータ（３）の出力において制御される、方法であって、
   該第１コンバータ（１）用の該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）を制御するための少なくとも１つのパラメータ及び／又はその値は、該出力におけるイベントに応じて、デジタルプロセスコントローラによって予め定義される、方法。
2. 該設定値は、該イベントの前の算出された瞬間において予め定義され、且つ、該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）は、該瞬間に至るまで適合される、請求項１に記載の方法。
3. 該予め定義されたパラメータは、中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）又はその設定値、該コンバータ（５）のスイッチング時間、パルス幅、該コンバータ（５）の少なくとも１つのスイッチのピーク電流などである、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）は、該第１コンバータ（１）の支援によって制御され、且つ、該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）の設定値は、将来の出力電圧（Ｕ_A）及び／又は将来の出力電流（Ｉ_A、Ｉ_A1）の関数として予め定義される、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の方法。
5. 出力電流（Ｉ_A、Ｉ_A1）は、インパルス成形されており、且つ、該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）は、インパルスの前に増大される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の方法。
6. 該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）は、該インパルス成形された出力電流（Ｉ_A、Ｉ_A1）が上限設定値に到達した際に低減される、請求項５に記載の方法。
7. 該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）は、長いインパルスの際よりも、短いインパルスの際に、相対的に鋭く増大される、請求項５又は請求項６に記載の方法。
8. 該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）は、該電源が負荷なしで稼働している際に低減される、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 入力電圧（Ｕ_E）を中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）に変換する第１コンバータ（１）と、中間回路コンデンサ（２）と、該中間回路電圧を出力電圧（Ｕ_A）に変換する第２コンバータ（３）と、を有する電源用のデジタルプロセスコントローラ（４、５）であって、
   −該出力電圧（Ｕ_A）及び／又は出力電流（Ｉ_A、Ｉ_A1）用の入力と、
   −該第２コンバータ（３）を起動する出力と、
   −制御アルゴリズムを稼働させる手段であって、該出力電圧（Ｕ_A）及び／又は出力電流（Ｉ_A、Ｉ_A1）は、制御変数として提供され、且つ、第２コンバータ（３）は、閉ループのアクチュエータとして提供される、手段と、
   を有し、
   出力が、溶接プロセス又は電池充電プロセスに応じて該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）に対して影響を及ぼすべく提供される、
   デジタルプロセスコントローラ。
10. 電源であって、
    入力電圧（Ｕ_E）を中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）に変換する第１コンバータ（１）と、中間回路コンデンサ（２）と、該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）を出力電圧（Ｕ_A）に変換する第２コンバータ（３）と、該出力電圧（Ｕ_A）及び／又は出力電流（Ｉ_A、Ｉ_A1）用のその入力が該電源の出力に対して接続されると共に該第２コンバータ（３）を起動するためのその出力が該第２コンバータ（３）に対して接続された、請求項７に記載のコントローラ（４）と、
    を有し、
    該中間回路電圧（Ｕ_ZK、Ｕ_ZK1）に対して影響を及ぼすための該コントローラ（４）の出力が、該第１コンバータ（１）に、又は該第１コンバータ（１）に接続された別のコントローラ（５）に、接続される、
    電源。
11. 該第１コンバータ（１）は、受動型整流器（６）と、それに接続された電圧調整器（７）と、を有する、請求項１０に記載の電源。
12. 該第１コンバータ（１）は、制御型整流器（９）を有する、請求項１０又は請求項１１に記載の電源。
13. 該第２コンバータ（３）は、反転整流器（１０）と、これに接続された変圧器（１１）と、該変圧器（１１）に接続された整流器（１２）と、を有する、請求項１０から請求項１２までのいずれか一項に記載の電源。
14. 溶接電源又は電池充電装置として構成された、請求項１０から請求項１３までのいずれか一項に記載の電源。

Images