JP2016501725A

JP2016501725A - エンジン発電機及びバッテリを有するアーク溶接システム、並びにそのようなアーク溶接システムにおいてバッテリ充電を制御する方法

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Publication number: JP2016501725A
Application number: JP2015541250A
Authority: JP
Inventors: メックラー，アンドリュー，ピー
Original assignee: リンカーングローバル，インコーポレイテッド
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2016-01-21
Also published as: EP2941330A2; US20140131329A1; CN104781030B; WO2014076538A3; CN104781030A; WO2014076538A2; BR112015010738A2; KR20150082631A

Abstract

溶接電源（１０）はスイッチング式電力コンバータ（３２）を有する。溶接電極（２２）は、電力コンバータへ接続されてそれから電気エネルギを受け取り、電気アーク（２０）を生成する。エンジン発電機は、溶接電源へ接続され、アークを生成するための電気エネルギを供給する。エンジン発電機は複数の電機子巻線（２６，２８，３０）及び界磁巻線（３２）を有する。バッテリ（１８）は、溶接電源へ接続され、アークを生成するための更なる電気エネルギを同時に供給し、且つ、エンジン発電機から電源を通じて電気エネルギを受け取ってバッテリ（１８）を充電する。センサ（５４，５８）は、バッテリ電圧及び／又は電流を検知し、それに対応する信号を充電中に出力する。界磁コントローラ（５０）は界磁巻線へ及びセンサへ接続され、センサから信号を受信し、その信号に基づき充電中に界磁巻線を流れる電流フローのレベルを自動調整する。

Description

本発明は、電力を溶接機へ供給するための発電機及びバッテリの両方を備えるハイブリッド電源式アーク溶接機に係る。

ハイブリッド電源式アーク溶接機は、電力を溶接機へ供給するためのバッテリバンクを有することができる。溶接機は、バッテリバンクからのみ、発電機からのみ、又は発電機及びバッテリによって同時に（例えば、ピークシェービングのために）、給電され得る。溶接電力及び制御回路と、エンジン発電機制御回路とを備えることに加えて、ハイブリッド電源式アーク溶接機は、発電機によって供給される電力からバッテリバンクを充電するためのバッテリ充電回路を有する。

充電回路は、溶接機の費用及び複雑さを増大させる。バッテリバンクを充電することに捧げられるハイブリッド式溶接機における回路の量を最小限とすることが望ましい。

本発明は、上記の課題を、請求項１に記載のアーク溶接システム又は請求項１２に記載の方法によって解決する。好適な実施形態は、従属請求項において開示される。請求項１２に記載の方法は、特に、制御するステップが、バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つに基づきバッテリ充電中に界磁巻線を流れる電流フローのレベルを自動調整することを含む場合に好ましい。請求項１３に記載の方法は、特に、界磁コントローラによって周囲温度をモニタするステップを更に有し、界磁コントローラが、前記周囲温度に基づきバッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及びバッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの１つを選択する場合、並びに／又は界磁コントローラによってバッテリ温度をモニタするステップを更に有し、界磁コントローラが、前記バッテリ温度に基づきバッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及びバッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの１つを選択する場合に好ましい。以下の概要は、ここで論じられるシステム及び方法の幾つかの態様の基本的な理解を提供するために、簡単な概要を提示する。この概要は、ここで論じられるシステム及び方法の外延的な概説ではない。そのようなシステム及び方法の適用範囲を線引きすること、又は重要な要素を特定することは、意図されない。その唯一の目的は、後に提示されるより詳細な記載への前置きとして簡単に幾つかの概念を提示することである。

本発明の例となる態様及び実施形態は、以下で手短に述べられる。当然ながら、例となる態様及び／又は実施形態は、別個に、又は互いに組み合わさって、提供されてよい。

本発明の一態様に従って、スイッチング式電力コンバータを有する溶接電源が提供される。溶接電極は、前記スイッチング式電力コンバータへ動作上接続されて、該スイッチング式電力コンバータから電気エネルギを受け取り、アーク溶接システムから電気アークを発出する。エンジン発電機は、前記アークを発出するために前記溶接電源へ電気エネルギを供給するよう該溶接電源へ動作上接続される。前記エンジン発電機は、前記溶接電源へ電気エネルギを供給するための複数の電機子巻線と、界磁巻線とを有する。バッテリは、前記アークを発出するために前記溶接電源へ更なる電気エネルギを同時に供給するよう且つ前記エンジン発電機から前記溶接電源を通じて電気エネルギを受け取って当該バッテリを充電するよう前記溶接電源へ動作上接続される。センサは、バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つを検知し、該バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つに対応する信号をバッテリ充電中に出力するよう構成される。界磁コントローラは、前記エンジン発電機の前記界磁巻線へ及び前記センサへ動作上接続される。前記界磁コントローラは、前記センサから前記信号を受信し、該センサからの信号に基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを自動調整するよう構成される。

ある実施形態では、前記界磁コントローラは、前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するようパルス変調信号を前記界磁巻線へ供給する。ある実施形態では、前記センサは、バッテリ電流を検知するよう構成され、前記界磁コントローラは、前記バッテリ電流のフロー方向から、前記バッテリが充電中であると決定するよう構成される。ある実施形態では、前記界磁コントローラは、前記バッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの１つに基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するよう構成され、前記第１の界磁電流レベルは前記第２の界磁電流レベルよりも大きく、且つ、前記第１の充電レートは前記第２の充電レートよりも速い。更なる実施形態では、前記第１の充電レート及び前記第２の充電レートは、ユーザにより選択可能な充電レートである。更なる実施形態では、前記第１の充電レートは、溶接の間の前記バッテリの放電レートを超える。更なる実施形態では、前記第２の充電レートは、溶接の間の前記バッテリの放電レートとおおよそ等しい。更なる実施形態では、前記スイッチング式電力コンバータは、整流器と、スイッチング回路と、前記整流器及び前記スイッチング回路を接続するＤＣバスとを有し、前記バッテリは、前記ＤＣバスへ接続され、前記第１の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルは、前記第２の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による前記電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルよりも大きい。更なる実施形態では、当該アーク溶接システムは、前記界磁コントローラへ動作上接続されて、該界磁コントローラへ温度信号を供給する温度センサを更に有し、前記界磁コントローラは、前記バッテリの前記第１の充電レートに対応する前記第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの前記第２の充電レートに対応する前記第２の界磁電流レベルのうちの１つを、前記温度信号に基づき自動的に選択するよう、且つ、前記第１の界磁電流レベル及び前記第２の界磁電流レベルのうちの前記選択された１つに基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するよう構成される。また更なる実施形態では、前記界磁コントローラは、温度閾値を格納し、前記温度信号を前記温度閾値と比較し、前記温度信号を前記温度閾値と比較した結果に基づき前記第１の界磁電流レベル及び前記第２の界磁電流レベルのうちの前記１つを自動的に選択する。

本発明の他の態様に従って、スイッチング式電力コンバータを有する溶接電源が提供される。溶接電極は、前記スイッチング式電力コンバータへ動作上接続されて、該スイッチング式電力コンバータから電気エネルギを受け取り、アーク溶接システムから電気アークを発出する。エンジン発電機は、前記アークを発出するために前記溶接電源へ電気エネルギを供給するよう該溶接電源へ動作上接続される。前記エンジン発電機は、前記溶接電源へ電気エネルギを供給するための複数の電機子巻線と、界磁巻線とを有する。バッテリは、前記アークを発出するために前記溶接電源へ更なる電気エネルギを同時に供給するよう且つ前記エンジン発電機から前記溶接電源を通じて電気エネルギを受け取って当該バッテリを充電するよう前記溶接電源へ動作上接続される。センサは、バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つを検知し、該バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つに対応する信号をバッテリ充電中に出力するよう構成される。界磁コントローラは、前記エンジン発電機の前記界磁巻線へ及び前記センサへ動作上接続される。前記界磁コントローラは、前記センサから前記信号を受信し、該センサからの信号に基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するよう構成され、前記界磁コントローラは、前記バッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの１つであるように前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するよう構成される。前記第１の界磁電流レベルは、前記第２の界磁電流レベルよりも大きく、且つ、前記第１の充電レートは、前記第２の充電レートよりも速い。

ある実施形態では、前記界磁コントローラは、前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するようパルス変調信号を前記界磁巻線へ供給する。ある実施形態では、前記センサは、バッテリ電流を検知するよう構成され、前記界磁コントローラは、前記バッテリ電流のフロー方向から、前記バッテリが充電中であると決定するよう構成される。ある実施形態では、前記第１の充電レート及び前記第２の充電レートは、ユーザにより選択可能な充電レートである。ある実施形態では、前記第１の充電レートは、溶接の間の前記バッテリの放電レートを超える。ある実施形態では、前記第２の充電レートは、溶接の間の前記バッテリの放電レートとおおよそ等しい。ある実施形態では、前記スイッチング式電力コンバータは、整流器と、スイッチング回路と、前記整流器及び前記スイッチング回路を接続するＤＣバスとを有し、前記バッテリは、前記ＤＣバスへ接続され、前記第１の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルは、前記第２の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による前記電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルよりも大きい。ある実施形態では、当該アーク溶接システムは、前記界磁コントローラへ動作上接続されて、該界磁コントローラへ温度信号を供給する温度センサを更に有し、前記界磁コントローラは、前記バッテリの前記第１の充電レートに対応する前記第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの前記第２の充電レートに対応する前記第２の界磁電流レベルのうちの１つを、前記温度信号に基づき自動的に選択するよう、且つ、前記第１の界磁電流レベル及び前記第２の界磁電流レベルのうちの前記選択された１つに基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するよう構成される。更なる実施形態では、前記界磁コントローラは、温度閾値を格納し、前記温度信号を前記温度閾値と比較し、前記温度信号を前記温度閾値と比較した結果に基づき前記第１の界磁電流レベル及び前記第２の界磁電流レベルのうちの前記１つを自動的に選択する。

本発明の他の態様に従って、ハイブリッド電源式アーク溶接システムにおいてバッテリ充電を制御する方法が提供される。当該方法は、アーク溶接システムを設けるステップを有する。該アーク溶接システムは、スイッチング式電力コンバータを有する溶接電源と、前記スイッチング式電力コンバータへ動作上接続される溶接電極と、前記溶接電源へ動作上接続され、複数の電機子巻線及び界磁巻線とを有するエンジン発電機と、前記溶接電源へ動作上接続されるバッテリと、前記界磁巻線へ動作上接続される界磁コントローラとを有する。当該方法は、溶接動作の間に前記エンジン発電機及び前記バッテリの両方によって前記溶接電源へ電気エネルギを同時に供給するステップを有する。前記バッテリは、前記エンジン発電機によって前記溶接電源を通じて充電される。前記界磁コントローラは、前記充電中の前記バッテリのバッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つをモニタする。当該方法は、前記充電中に前記界磁コントローラによって、前記バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つに基づき前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するステップを有する。

ある実施形態では、前記制御するステップは、前記バッテリ電圧及びバッテリ電リュのうちの少なくとも１つに基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを自動調整することを含む。ある実施形態では、当該方法は、前記界磁コントローラによって、前記バッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの１つを、前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルとして選択するステップを更に有し、前記第１の界磁電流レベルは、前記第２の界磁電流レベルよりも大きく、且つ、前記第１の充電レートは、前記第２の充電レートよりも速い。更なる実施形態では、前記第１の充電レートは、前記溶接動作の間の前記バッテリの放電レートを超え、前記第２の充電レートは、前記溶接動作の間の前記バッテリの前記放電レートとおおよそ等しい。更なる実施形態では、前記スイッチング式電力コンバータは、整流器と、スイッチング回路と、前記整流器及び前記スイッチング回路を接続するＤＣバスとを有し、前記バッテリは、前記ＤＣバスへ接続され、前記第１の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルは、前記第２の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による前記電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルよりも大きい。更なる実施形態では、当該方法は、前記界磁コントローラによって周囲温度をモニタするステップを有し、前記界磁コントローラは、前記周囲温度に基づき、前記バッテリの前記第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの前記第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの前記１つを選択する。更なる実施形態では、当該方法は、前記界磁コントローラによってバッテリ温度をモニタするステップを有し、前記界磁コントローラは、前記バッテリ温度に基づき、前記バッテリの前記第１の充電レートに対応する前記第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの前記第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの前記１つを選択する。

例となるハイブリッド電源式アーク溶接システムの概略図である。

例となるハイブリッド電源式アーク溶接システムの配線図である。

例となるハイブリッド電源式アーク溶接システムの回路図である。

例となるハイブリッド電源式アーク溶接システムの部分の概略図である。

例となるバッテリ充電制御方法のフロー図である。

本発明は、電力を溶接機へ供給するための発電機及びバッテリバンクの両方を備えるハイブリッド電源式アーク溶接機に係る。本発明は、これより、図面を参照して記載される。図面において、同じ参照符号は、終始同じ要素を参照するために使用される。当然ながら、様々な図面は、必ずしも、１つの図から他の図へ拡大縮小するように、又は所与の図の中にあるように描かれておらず、特に、構成要素のサイズは、図面の理解を助けるために任意に描かれている。以下の記載では、説明のために、多数の具体的な詳細は、本発明の完全な理解を提供するために示される。なお、本発明は、それらの具体的な詳細によらずに実施されてよいことが明らかである。加えて、発明の他の実施形態が可能であり、発明は、記載されている以外の方法において実施及び実行されることが可能である。発明を記載するのに使用される用語及び表現は、発明の理解を促すために用いられ、制限として解釈されるべきではない。

ここで使用されるように、語“溶接（welding）”は、アーク溶接工程に言及する。例となるアーク溶接工程には、被覆アーク溶接（Shielded Metal Arc Welding：SMAW）（例えば、スティック溶接）、フラックス入りワイヤアーク溶接（Flux Cored Arc Welding：FCAW）、並びに例えばガスメタルアーク溶接（Gas Metal Arc Welding：GMAW）、ティグ溶接（Gas Tungsten Arc Welding：GTAW）、及び他等の他の溶接工程がある。

例となるハイブリッド電源式アーク溶接システム１０は、図１において概略的に示されている。溶接システム１０は、エンジン１４によって駆動されてエンジン発電機を形成する発電機１２を有する。例となるエンジンには、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ＬＰガスエンジン、及び他がある。発電機１２は、溶接電源１６（以降“溶接機”）に給電するための電気エネルギを発生させる。発電機１２は、同期三相交流電源であるように概略的に示されている。しかしながら、発電機は、同期三相交流電源である必要はない。例えば、発電機は、望まれる場合には、単相交流電源又はＤＣ発電機であってよい。

ハイブリッド電源式アーク溶接システム１０は、溶接機に給電するための、溶接機１６へ動作上接続されたバッテリ１８を更に有する。バッテリ１８は、通常は、アーク溶接に適したＤＣ電圧レベル（例えば、８０〜１００ＶＤＣ）を供給するように接続された複数のバッテリを有するバッテリバンクの形をとる。ここで使用される語“バッテリ”は、個別的なバッテリ及びひと揃いのバッテリ（例えば、直列に接続された複数のバッテリ）の両方に言及する。溶接機１６は、溶接動作を行う場合に、エンジン発電機のみによって、バッテリ１８のみによって、又は発電機及びバッテリによって同時に、給電され得る。溶接動作は、溶接電極２２（消耗品又は非消耗品）と被加工品２４との間に延在する電気アーク２０として図１において概略的に示されている。このように、エンジン発電機及びバッテリは、アーク２０を発出するよう必要な電気エネルギを溶接機へ同時に供給することができる。

ハイブリッド電源式アーク溶接システムは、従来の発電機給電式溶接機に対して幾つかの利点を提供することができる。例えば、屋内で溶接する場合に、エンジンを作動させることなしにバッテリ電力のみを用いて溶接することが望ましいことがある。更に、従来の発電機給電型システムと比べて、より小さいエンジンが、同じ最大溶接電流を依然として供給しながら、ハイブリッドシステムにおいてしばしば使用可能である。これは、最大溶接電流が少なくとも部分的にバッテリバンクによって供給されることによる。より小さいエンジンは、より大きいエンジンよりも相当に安価であり得る。例えば、より大きいエンジンは、より小さいエンジンよりも高価な放出電流制御を備えるかもしれない。米国では、２５ＨＰ以上のディーゼルエンジンを用いる溶接機は、環境保護庁の最終４段階（Tier 4 Final：T4F）規制に従う必要がある。Ｔ４Ｆ規制を満足するのに必要とされる放出電流制御に付随する費用を考慮して、エンジンに２５ＨＰを下回らせたままとすることが望ましい場合がある。よって、エンジンのサイズを低減することが有利であり得る。

以下で詳細に記載されるように、エンジン発電機は、溶接機１６内のＤＣバス電圧を介してバッテリ１８を充電するよう構成され、充電は、発電機の励起場を調整することで制御される。バッテリの充電を制御するよう発電機の励起場を調整することによって、追加の専用充電回路の必要性は低減される。発電機の励起場は、バッテリ１８が存在しているかどうかに関わらず、発電機の出力電圧を制御するよう適切な磁界制御回路によって制御される。溶接システム１０は、磁界制御回路を利用し、それを用いてバッテリの充電を更に制御し、それによって追加の充電回路の必要性を最小限とする。

ハイブリッド電源式アーク溶接システム１０のより詳細な配線図が図２において示されている。発電機における３つの電機子巻線２６，２８，３０は、溶接機内のスイッチング式電力コンバータ３２へ電力を供給する。電機子巻線２６，２８，３０は、通常は、回転磁界による励起のために発電機のステータ部分に位置する。界磁巻線５２は、回転励起磁界を生成するためにロータ部分に位置することができる。代替的に、望まれる場合には、電機子巻線がロータ部分に位置してよく、界磁巻線がステータ部分に位置してよい。

溶接機１６（図１）は、スイッチング式電力コンバータ３２を有する。例となるスイッチング式電力コンバータ３２には、ＤＣチョッパ、インバータ、及び他がある。発電機からのＡＣ電力は、電力コンバータ内の整流器３４によって整流される。整流器３４からのＤＣ出力は溶接機のＤＣバス３７に供給する。つまり、ＤＣバス３７は、例えばチョッパ又はインバータ３６等のスイッチング回路へ電気エネルギを供給する。ＤＣバス３７はまた、エンジン発電機からバッテリ１８へ充電電力を供給するとともに、バッテリからＤＣ電力を受け取ってチョッパ／インバータ３６に供給する。

チョッパ／インバータ３６からの導線３８，４０は、アーク溶接電流のための完結回路を提供する。アーク溶接電流は、チョッパ／インバータ３６から電極２２を通って、アーク２０を越えて、そして被加工品２４を通って流れる。溶接電極２２は、導線３８，４０を介してスイッチング式電力コンバータ３２へ動作上接続され、アーク２０を発出するためにスイッチング式電力コンバータから電気エネルギ（エンジン発電機及び／又はバッテリによって供給される。）を受け取る。

溶接システム１０は、溶接波形コントローラ４２を有する。溶接波形コントローラ４２は、スイッチング式電力コンバータ３２へ動作上接続され、波形制御信号４４をスイッチング式電力コンバータ３２へ供給する。溶接波形コントローラ４２は、波形制御信号４４を介してスイッチング式電力コンバータ３２の出力を制御して、所望の溶接波形、溶接電圧、溶接電流、等を達成する。溶接波形コントローラ４２は、フィードバック信号を介して溶接工程の様々な側面をモニタする。例えば、例えば電流変圧器（ＣＴ）４６又はシャント等の電流センサは、溶接電流フィードバック信号を溶接波形コントローラ４２へ供給することができ、電圧センサ４８は、溶接電圧フィードバック信号をコントローラ４２へ供給することができる。

溶接波形コントローラ４２は電子コントローラであることができ、プロセッサを有してよい。溶接波形コントローラ４２は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ディスクリートロジック回路、又は他のうちの１又はそれ以上を有することができる。溶接波形コントローラ４２は、コントローラに、ここでそれに割り当てられた機能を提供させるプログラム命令を記憶するメモリ部分（例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ）を有することができる。

溶接波形コントローラ４２に加えて、溶接システム１０は界磁コントローラ５０を有する。界磁コントローラ５０は、発電機の界磁巻線へ接続され、界磁巻線５２における電流（Ｉ_ｆ）をアクティブ制御し、それによって、結果として生じるＤＣバス３７の電圧を制御する。界磁電流Ｉ_ｆのレベルを調整又はレギュレートすることによって、発電機の電圧出力は制御され、それによって、ＤＣバス３７の電圧を制御することができる。様々な界磁電流Ｉ_ｆでの界磁巻線５２による電機子巻線２６，２８，３０の励起は、ＤＣバス３７での夫々の様々な異なった電圧レベルをもたらす。界磁コントローラ５０は、界磁電流Ｉ_ｆに従ってＤＣバス３７の電圧を制御するその能力を使用して更に、ＤＣバス３７からのバッテリ１８の充電を制御する。すなわち、界磁コントローラ５０は、界磁電流Ｉ_ｆを制御することによってバッテリ充電を制御する。エンジン発電機が作動している最中に、溶接の間又は溶接動作どうしの間のいずれかに、界磁コントローラ５０は、バッテリ１８を充電させるか又は充電されるのを停止させるよう界磁電流Ｉ_ｆのレベルを制御又は調整することができる。あるレベルの界磁電流Ｉ_ｆで、結果として生じるＤＣバス電圧は、バッテリ１８を充電するのに十分に高い。より低いレベルの界磁電流Ｉ_ｆで、結果として生じるＤＣバス電圧は、バッテリ１８を充電するには低すぎる。界磁コントローラ５０は、バッテリ１８が充電されるかどうか及びどれくらいの速さでバッテリが充電されるのかを制御するよう界磁電流Ｉ_ｆのレベルを制御する。

界磁コントローラ５０は、充電中のバッテリ電圧及び／又はバッテリ電流に基づきバッテリ充電中の界磁電流のレベルを自動調整又は制御することができる。界磁コントローラ５０は、電圧センサ５４を介してバッテリ電圧を、そして電流センサ（ＣＴ５６）を介してバッテリ電流Ｉ_ｂをモニタする。電圧センサ５４及び電流センサは、夫々、バッテリ電圧及びバッテリ電流に対応する信号を界磁コントローラ５０へ出力する。界磁コントローラ５０は、溶接機の通常の動作の間及びバッテリ１８がエンジン発電機によって充電されている場合に信号をモニタすることができる。界磁コントローラ５０は、バッテリ１８が放電している（例えば、溶接動作の間に電力を供給している）場合及びバッテリが充電している場合を、バッテリ電流フローの方向によって決定することができる。界磁コントローラ５０はまた、電圧センサ５８を介してＤＣバス３７の電圧をモニタすることができる。界磁コントローラ５０は、ＤＣバス３７の電圧及び／又はバッテリ充電電流Ｉ_ｂをレギュレートするよう界磁電流Ｉ_ｆを調整することができる。

界磁コントローラ５０は、界磁電流Ｉ_ｆを所与の界磁電流範囲内で調整することができる。界磁電流範囲の下限で、結果として生じるＤＣバス３７の電圧はバッテリ電圧よりも低く、バッテリ１８は充電されない。界磁電流範囲の上限で、結果として生じるＤＣバス３７の電圧は、バッテリ１８の高速充電を提供することができる。界磁電流範囲の中間で、結果として生じるＤＣバス３７の電圧は、溶接の間のバッテリの放電レートとおおよそ（approximately）等しいか（例えば、バッテリの放電レートの２０％内）、又は溶接の間のバッテリの放電レートと実質的に（substantially）等しい（例えば、バッテリの放電レートの１０％内）バッテリ充電レートを提供することができる。例となる実施形態では、界磁コントローラ５０は、界磁電流が約４Ａから約６．２５Ａの範囲にあるように界磁電流Ｉ_ｆを調整する。このとき、おおよそ５Ａの界磁電流は、おおよそ８５Ａの充電電流Ｉ_ｂでバッテリ１８のおおよそ５０％デューティサイクルを提供する。

界磁コントローラ５０は、所望のバッテリ充電電流Ｉ_ｂを達成するために界磁電流Ｉ_ｆを調整することによってどれくらい速くバッテリ１８が充電されるのかを制御することができる。どれくらい速くバッテリ１８が充電されるのかは、バッテリのデューティサイクルを決定する。バッテリ１８を高速充電することは、バッテリのより高いディーティーサイクルをもたらし、一方、バッテリ１８をゆっくりと充電することは、より低いデューティサイクルをもたらす。デューティサイクルを下げることでバッテリ寿命を延ばすことができる。ある実施形態では、界磁コントローラ５０は、バッテリの所望のデューティサイクル及び／又は所望のバッテリ寿命に基づき界磁電流Ｉ_ｆ及びバッテリ充電を制御することができる。

界磁コントローラ５０は、バッテリ１８の異なる充電レート（例えば、高速、中速、低速、等）に基づきバッテリ充電中に界磁電流Ｉ_ｆのレベルを制御することができる。例えば、界磁コントローラ５０は、第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベルで又は第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルで界磁電流Ｉ_ｆを選択的に制御することができる。第１の界磁電流レベルが第２の界磁電流レベルよりも大きい場合に、第１の充電レートは第２の充電レートよりも速い。例えば、第１の界磁電流レベルは、溶接の間のバッテリの放電レートを超えるバッテリの高速充電を提供し、それによって、５０％よりも大きいバッテリデューティサイクルを提供することができる。第２の界磁電流レベルは、溶接の間のバッテリの放電レートとおおよそ等しい（すなわち、おおよそ５０％のデューティサイクルを提供する）か、又は溶接の間のバッテリの放電レートよりも遅い（すなわち、５０％に満たないデューティサイクルを提供する）バッテリのより遅い充電を提供することができる。界磁コントローラ５０は、バッテリの夫々の異なった充電レート又はデューティサイクルに対応する幾つかの異なった界磁電流レベル（例えば、３又はそれ以上の異なった界磁電流レベル）の中から選択するよう構成され得る。選択は、界磁コントローラ５０によって自動的に、又は溶接機１６での入力を通じたユーザ選択に従って（図１）、行われ得る。例えば、ユーザは、溶接機での入力を通じて、夫々の異なった界磁電流Ｉ_ｆのレベルに対応する幾つかの異なった充電レートの中から選択することができる。界磁コントローラ５０による界磁電流Ｉ_ｆのレベルの自動選択は、後述されるように、例えばバッテリ温度又は周囲温度等の被モニタ条件に基づくことができる。

バッテリ電圧、バッテリ電流及びＤＣバス３７の電圧をモニタすることに加えて、界磁コントローラ５０は、温度センサ５９を介して周囲及び／又はバッテリの温度をモニタすることができる。温度センサ５９は、界磁コントローラ５０へ動作上接続され、温度信号を界磁コントローラへ供給する。ある実施形態では、界磁コントローラ５０は、周囲及び／又はバッテリの温度に基づき界磁電流Ｉ_ｆを選択又は調整し、それによって、周囲及び／又はバッテリの温度に基づきバッテリ１８の充電レートを制御する。より低い周囲／バッテリ温度で、バッテリ１８は、バッテリの寿命を短縮することなしに、より高い温度でよりも速く充電され得る。より高い周囲／バッテリ温度では、バッテリの寿命を保つようバッテリ１８をより遅く充電することが望まれ得る。界磁コントローラ５０は、所望のバッテリ充電レート及び関連する界磁電流レベルを決定するよう、観測された温度を１又はそれ以上の所定の温度閾値と比較することができる。界磁コントローラ５０は、界磁コントローラのメモリ部分において温度閾値を格納し、温度信号を温度閾値と比較し、そして、温度信号を温度閾値と比較した結果に基づき自動的に界磁電流レベルを選択することができる。

ある実施形態では、界磁コントローラ５０は、バッテリの所望のデューティサイクル、所望のバッテリ寿命、及び／又は周囲／バッテリ温度に基づき界磁電流Ｉ_ｆ及びバッテリ充電を制御することができる。

例えば接触器６０等のスイッチは、選択的にバッテリをＤＣバスから切り離すよう、バッテリ１８とＤＣバス３７との間の導体に沿って位置する。界磁コントローラ５０は、接触器６０の作動を制御する。界磁コントローラ５０は、異常な状況に基づき、バッテリ８をＤＣバス３７から切り離すことができる。例えば、バッテリ電圧が低く下がりすぎる場合に、界磁コントローラ５０は、接触器６０を作動させてバッテリ１８をＤＣバス３７から切り離すことができる。バッテリ１８はまた、例えば溶接回路における短絡等の溶接回路における異常又は不具合に基づき、ＤＣバス３７から切り離され得る。

界磁コントローラ５０は電子コントローラであることができ、プロセッサを有してよい。界磁コントローラ５０は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ディスクリートロジック回路、又は他のうちの１又はそれ以上を有することができる。界磁コントローラ５０は、コントローラに、ここでそれに割り当てられた機能を提供させるプログラム命令を記憶するメモリ部分（例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ）を有することができる。

溶接波形コントローラ４２及び界磁コントローラ５０は、別個のコントローラであることができる。例えば、溶接波形コントローラ４２は、電力コンバータ３２が溶接動作を制御するための専用の制御システムの部分であることができ、一方、界磁コントローラ５０は、発電機及び／又はエンジンのための専用の制御システムの部分であることができる。溶接波形コントローラ４２及び界磁コントローラ５０はまた、電力コンバータ３２並びに発電機及び／又はエンジンの両方の動作を制御するための共通コントローラ６２の部分であることができる。ある実施形態では、溶接波形コントローラ４２及び界磁コントローラ５０は、通信バス６４を介して通信する。例えば、溶接波形コントローラ４２は、例えば溶接動作が起こっているかどうか、溶接電流レベル、溶接不良、等のステータス情報を界磁コントローラ５０へ送ることができる。

図３を参照すると、図３は、例となる整流器３４及びＤＣチョッパ回路３６ａの詳細を含むハイブリッド電源式アーク溶接システム１０の回路図を示す。整流器３４は、複数のダイオード６６，６８，７０，７２，７４，７６によって形成される三相全波整流器であることができる。当然ながら、整流器３４は、例えば溶接波形コントローラ４２によって制御されるサイリスタ等の、ダイオード以外の他の半導体デバイスによって形成され得る。

図３において、溶接波形を生成するスイッチング回路は、ＤＣチョッパ回路３６ａ（以降“チョッパ”）である。チョッパは、キャパシタ７８、ダイオード８０、及び被制御スイッチ８２（例えば、トランジスタ）を有する。チョッパ３６ａは、溶接波形を平滑化するためのチョーク８６を更に有することができる。被制御スイッチ８２は、溶接波形コントローラ４２へ動作上接続される、例えばゲート等の制御入力部８４を備える。被制御スイッチ８２の作動は、溶接波形コントローラ４２からの波形制御信号４４を介して制御され、それによって、溶接動作の間に所望の溶接波形を生成する。

電力コンバータがチョッパ３６ａよりむしろインバータを有する実施形態では、波形制御信号４４は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号を電力コンバータへ供給することができる。

ＤＣバス３７へ接続されるバッテリバンクは、複数のバッテリ１８ａ，１８ｂを有する。２つのバッテリ１８ａ，１８ｂが図３には示されているが、バッテリバンクは、通常は、例えば、必要なＤＣ溶接電圧を供給するために、例えば８つのバッテリといった、２よりも多いバッテリを備える。バッテリは、例えば１時間といった、所望の時間期間に十分な量の溶接電流を供給することができる大きさとされ、例えば、それにより、溶接は、エンジンの稼働の有無にかかわらず行われ得る。界磁コントローラ５０は、複数の電圧センサ５４ａ，５４ｂを通じて夫々の個々のバッテリにかかる電圧をモニタすることができる。溶接システム１０は、バッテリ１８ａ，１８ｂのうちの１又はそれ以上の電圧レベルに基づき、バッテリ１８ａ，１８ｂを充電するために自動的にエンジンを始動させるよう構成され得る。溶接システム１０は、例えば溶接システムが屋内に置かれている場合等に、エンジンが稼働しないようにするロックアウトスイッチを更に有することができる。バッテリが低く下がりすぎる場合、又は溶接回路における不具合が溶接波形コントローラ４２によって検出される場合、界磁コントローラ５０は、接触器６０を作動させてバッテリ１８をＤＣバス３７から切り離すことができる。

図４を参照すると、図４は、例となる界磁コントローラ５０の概略図を提供する。界磁コントローラ５０は、発電機の電機子巻線から電力を受け取る。電機子巻線は、電力をＤＣバスへ供給する巻線のうちの１つであることができ、あるいは、電機子巻線は、発電機の補助巻線であることができる。整流器８８は、電機子巻線からのＡＣ電圧を整流する。整流された電圧は、例えばＰＷＭ又はパルス周波数変調（ＰＦＭ）スイッチングデバイス等のパルス変調スイッチングデバイス９０へ供給される。パルス変調スイッチングデバイス９０の出力は、界磁巻線５２において界磁電流Ｉ_ｆを発生させるパルス変調信号（ＰＷＭ又はＰＦＭ）である。界磁コントローラ５０は、制御信号９４をパルス変調スイッチングデバイス９０へ供給し、それによって、界磁電流Ｉ_ｆの大きさを制御するＰＷＭ又はＯＦＭコントローラ９２を有する。上述されたように、界磁コントローラ５０は、例えばバッテリ電圧、バッテリ電流、ＤＣバス電圧、周囲／バッテリ温度、等の様々な入力信号を受信する。界磁コントローラ５０はまた、界磁電流Ｉ_ｆを電流センサ９６を介してモニタし且つ界磁巻線にかかる電圧を電圧センサ９８を介してモニタすることができる。界磁コントローラ５０は、バッテリ電圧、バッテリ電流Ｉ_ｂ、ＤＣバス電圧、周囲／バッテリ温度、モニタされた界磁電流レベル、及び界磁巻線にかかる電圧のうちの一部又は全てに基づき、界磁電流Ｉ_ｆを制御することができる。界磁コントローラ５０は、例えばバッテリバンクをＤＣバスから切り離すための接触器等の様々なデバイスへ出力信号を供給することができる。界磁コントローラ５０は、プログラム命令、動作パラメータ、及び他を記憶するメモリ部分９９を更に有する。

図５は、ハイブリッド電源式アーク溶接システムにおいてバッテリ充電を制御する方法の例のフロー図である。ハイブリッド電源式アーク溶接システムの構成要素は上述されたとおりである。ステップＳ１０で、電気エネルギは、溶接動作の間に、エンジン発電機及びバッテリの両方によって同時に溶接電源へ供給される。ステップＳ１２で、界磁コントローラは、周囲温度及び／又はバッテリ温度をモニタする。ステップＳ１４で、界磁コントローラは、バッテリ充電レートに対応する界磁電流レベルを選択する。例えば、界磁コントローラは、バッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベルと、バッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルとの間で選択することができる。選択は、モニタされた周囲温度及び／又はバッテリ温度に基づくことができる。第１の界磁電流レベルは第２の界磁電流レベルよりも大きくてよく、第１の充電レートは第２の充電レートよりも速くてよい。例えば、第１の充電レートは、溶接動作の間のバッテリの放電レートを超えてよく、第２の充電レートは、溶接動作の間のバッテリの放電レートとおおよそ等しくてよい。ステップＳ１６で、バッテリは、溶接電源を通じてエンジン発電機によって充電され、ステップＳ１８で、界磁コントローラは、充電中のバッテリ電圧及び／又はバッテリ電流をモニタする。ステップＳ２０で、界磁コントローラは、バッテリ電圧及び／又はバッテリ電流に基づき充電中の界磁電流のレベルを制御する。界磁電流のレベルを制御することは、バッテリ電圧及び／又はバッテリ電流に基づき充電中に界磁巻線を流れる電流フローのレベルを自動調整することを含むことができる。

当然ながら、本開示は例示のためであり、様々な変更は、本開示に含まれる教示の正当な適用範囲から逸脱することなしに、付加、修正又は削除によって行われ得る。発明は、従って、特許請求の範囲が必然的にそのように制限される範囲を除いて、本開示の特定の詳細に制限されない。

［関連出願の相互参照］
２０１２年１１月１３日付けで出願された米国特許仮出願第６１／７２５６６７号に基づき優先権が本願により請求されるとともに、その開示が参照により本願に援用される。

１０溶接システム
１２発電機
１４エンジン
１６溶接電源
１８，１８ａ，１８ｂバッテリ
２０電気アーク
２２溶接電極
２４被加工品
２６，２８，３０電機子巻線
３２スイッチング式電力コンバータ
３４，８８整流器
３６チョッパ／インバータ
３６ａチョッパ回路
３７ＤＣバス
３８，４０導線
４２波形コントローラ
４４制御信号
５０界磁コントローラ
５２界磁巻線
５４，５４ａ，５４ｂ，５８，９８電圧センサ
５６ＣＴ
６０接触器
６２共通コントローラ
６４通信バス
６６〜７６，８０ダイオード
７８キャパシタ
８２スイッチ
８４制御入力部
９０デバイス
Ｉ_ｂ充電電流
Ｉ_ｆ界磁電流
Ｓ１０〜Ｓ２０ステップ

Claims

スイッチング式電力コンバータを有する溶接電源と、
前記スイッチング式電力コンバータへ動作上接続されて、該スイッチング式電力コンバータから電気エネルギを受け取り、アーク溶接システムから電気アークを発出する溶接電極と、
前記アークを発出するために前記溶接電源へ電気エネルギを供給するよう該溶接電源へ動作上接続され、前記溶接電源へ電気エネルギを供給するための複数の電機子巻線と、界磁巻線とを有するエンジン発電機と、
前記アークを発出するために前記溶接電源へ更なる電気エネルギを同時に供給するよう且つ前記エンジン発電機から前記溶接電源を通じて電気エネルギを受け取ってバッテリを充電するよう前記溶接電源へ動作上接続される前記バッテリと、
バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つを検知し、該バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つに対応する信号をバッテリ充電中に出力するよう構成されるセンサと、
前記エンジン発電機の前記界磁巻線へ及び前記センサへ動作上接続され、前記センサから前記信号を受信し、該センサからの信号に基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを自動調整又は制御するよう構成される界磁コントローラと
を有するアーク溶接システム。
前記界磁コントローラは、前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するようパルス変調信号を前記界磁巻線へ供給する、
請求項１に記載のアーク溶接システム。
前記センサは、バッテリ電流を検知するよう構成され、
前記界磁コントローラは、前記バッテリ電流のフロー方向から、前記バッテリが充電中であると決定するよう構成される、
請求項１又は２に記載のアーク溶接システム。
前記センサからの前記信号に基づく前記バッテリ充電中の前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルは自動調整され、
前記界磁コントローラは、前記バッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの１つに基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するよう構成され、
前記第１の界磁電流レベルは前記第２の界磁電流レベルよりも大きく、且つ、前記第１の充電レートは前記第２の充電レートよりも速い、
請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
前記センサからの前記信号に基づく前記バッテリ充電中の前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルは制御され、
前記界磁コントローラは、前記バッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの１つであるように前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するよう構成され、
前記第１の界磁電流レベルは前記第２の界磁電流レベルよりも大きく、且つ、前記第１の充電レートは前記第２の充電レートよりも速い、
請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
前記第１の充電レート及び前記第２の充電レートは、ユーザにより選択可能な充電レートである、
請求項４又は５に記載のアーク溶接システム。
前記第１の充電レートは、溶接の間の前記バッテリの放電レートを超える、
請求項４乃至６のうちいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
前記第２の充電レートは、溶接の間の前記バッテリの放電レートとおおよそ等しい、
請求項４乃至７のうちいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
前記スイッチング式電力コンバータは、整流器と、スイッチング回路と、前記整流器及び前記スイッチング回路を接続するＤＣバスとを有し、
前記バッテリは、前記ＤＣバスへ接続され、
前記第１の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルは、前記第２の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による前記電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルよりも大きい、
請求項４乃至８のうちいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
前記界磁コントローラへ動作上接続されて、該界磁コントローラへ温度信号を供給する温度センサを更に有し、
前記界磁コントローラは、前記バッテリの前記第１の充電レートに対応する前記第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの前記第２の充電レートに対応する前記第２の界磁電流レベルのうちの１つを、前記温度信号に基づき自動的に選択するよう、且つ、前記第１の界磁電流レベル及び前記第２の界磁電流レベルのうちの前記選択された１つに基づき前記バッテリ充電中に前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するよう構成される、
請求項４乃至９のうちいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
前記界磁コントローラは、温度閾値を格納し、前記温度信号を前記温度閾値と比較し、前記温度信号を前記温度閾値と比較した結果に基づき前記第１の界磁電流レベル及び前記第２の界磁電流レベルのうちの前記１つを自動的に選択する、
請求項１０に記載のアーク溶接システム。
ハイブリッド電源式アーク溶接システムにおいてバッテリ充電を制御する方法であって、
スイッチング式電力コンバータを有する溶接電源と、前記スイッチング式電力コンバータへ動作上接続される溶接電極と、前記溶接電源へ動作上接続され、複数の電機子巻線及び界磁巻線とを有するエンジン発電機と、前記溶接電源へ動作上接続されるバッテリと、前記界磁巻線へ動作上接続される界磁コントローラとを有する前記アーク溶接システムを設けるステップと、
溶接動作の間に前記エンジン発電機及び前記バッテリの両方によって前記溶接電源へ電気エネルギを同時に供給するステップと、
前記エンジン発電機によって前記溶接電源を通じて前記バッテリを充電するステップと、
前記界磁コントローラによって、前記充電中の前記バッテリのバッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つをモニタするステップと、
前記充電中に前記界磁コントローラによって、前記バッテリ電圧及びバッテリ電流のうちの少なくとも１つに基づき前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルを制御するステップと
を有する方法。
前記界磁コントローラによって、前記バッテリの第１の充電レートに対応する第１の界磁電流レベル及び前記バッテリの第２の充電レートに対応する第２の界磁電流レベルのうちの１つを、前記界磁巻線を流れる電流フローのレベルとして選択するステップを更に有し、
前記第１の界磁電流レベルは、前記第２の界磁電流レベルよりも大きく、且つ、前記第１の充電レートは、前記第２の充電レートよりも速い、
請求項１２に記載の方法。
前記第１の充電レートは、前記溶接動作の間の前記バッテリの放電レートを超え、前記第２の充電レートは、前記溶接動作の間の前記バッテリの前記放電レートとおおよそ等しい、
請求項１３に記載の方法。
前記スイッチング式電力コンバータは、整流器と、スイッチング回路と、前記整流器及び前記スイッチング回路を接続するＤＣバスとを有し、
前記バッテリは、前記ＤＣバスへ接続され、
前記第１の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルは、前記第２の界磁電流レベルでの前記界磁巻線による前記電機子巻線の励磁に起因する前記ＤＣバスの電圧レベルよりも大きい、
請求項１３又は１４に記載の方法。