JP2021094579A - アーク加工システム - Google Patents

Abstract

【課題】アークの発生に交流電力を用いる場合でも、ケーブルでの電圧降下を抑制できるアーク加工システムを提供する。【解決手段】アーク加工システムＡ１において、直流電力を出力する直流電源装置１と、直流電源装置１から離隔された別の装置であり、直流電力を交流電力に変換する交流変換装置２と、直流電源装置１と交流変換装置２との間に接続される直流用外部ケーブル４１，４２とを備えた。アーク加工システムＡ１は、交流変換装置２が出力する電力で発生させたアークによって加工を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、発生させたアークによって加工を行うアーク加工システムに関する。

例えばアーク溶接の溶接システムで用いられる溶接電源装置は、入力ケーブルでの電圧ドロップにより入力電圧が不安定になることを防ぐために、電源設備の近辺に配置される。このため、溶接箇所が電源設備から離れた位置にある場合、長い出力ケーブルが用いられる。また、溶接電源装置には、交流電力を出力して、アークを発生させるものがある。特許文献１には、商用電源から入力される交流電力を溶接用の交流電力に変換して出力する溶接電源装置が開示されている。

特開２０１９−２５５０３号公報

出力ケーブルの抵抗値は出力ケーブルの長さに比例するので、出力ケーブルが長くなるほど、出力ケーブルの抵抗値は大きくなる。さらに、溶接電源装置が交流電力を出力する場合、出力ケーブルのインピーダンスは、抵抗値とリアクタンスとのベクトル和になる。出力ケーブルのインダクタンスは、出力ケーブルが長くなるほど大きくなり、また、出力ケーブルが複雑に引き回されるほど大きくなる。出力ケーブルのリアクタンスは、インダクタンスに比例する。出力ケーブルが長い場合、リアクタンスは抵抗値に比べて圧倒的に大きくなるので、インピーダンスもこれに応じて大きくなる。したがって、溶接電源装置が交流電力を出力する場合、出力ケーブルのインピーダンスによる電圧降下を考慮する必要がある。よって、従来は、実際の溶接に必要な電力に応じたものより大きな定格出力電力の溶接電源装置を用いていた。このような溶接電源装置は、実際の溶接に必要な電力に応じた定格出力電力の溶接電源装置より、大型であり高価格である。この問題は溶接システムに限られた問題ではなく、発生させたアークによって加工を行うアーク加工システムにおいて問題となる。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、アークの発生に交流電力を用いる場合でも、ケーブルでの電圧降下を抑制できるアーク加工システムを提供することを目的とする。

本発明によって提供されるアーク加工システムは、直流電力を出力する直流電源装置と、前記直流電源装置から離隔された別の装置であり、直流電力を交流電力に変換する交流変換装置と、前記直流電源装置と前記交流変換装置との間に接続される直流用外部ケーブルとを備え、前記交流変換装置が出力する電力で発生させたアークによって加工を行う。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記直流電源装置は、交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路が出力する直流電力を高周波電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路が出力する高周波電力を直流電力に変換する第２の整流回路とを備えている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記交流変換装置は、直流電力を交流電力に変換せずに、そのまま出力可能である。

本発明の好ましい実施の形態においては、直流電力を出力する第２の直流電源装置をさらに備えており、前記直流電源装置と前記第２の直流電源装置とは、出力側で並列接続されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、直流電力を出力する第３の直流電源装置、および、第４の直流電源装置と、前記第３の直流電源装置および前記第４の直流電源装置から離隔された別の装置であり、直流電力を交流電力に変換する第２の交流変換装置と、前記第３の直流電源装置および前記第４の直流電源装置と、前記第２の交流変換装置との間に接続される第２の直流用外部ケーブルとをさらに備えており、前記第３の直流電源装置と前記第４の直流電源装置とは、出力側で並列接続されている。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記交流変換装置が出力する電力で発生させたアークによって溶接を行う。

本発明の好ましい実施の形態においては、サブマージアーク溶接を行う。

本発明によると、直流電源装置と交流変換装置とが互いに離隔された別々の装置であり、直流用外部ケーブルによって接続されている。交流変換装置を加工箇所の近辺に配置することで、交流電流が流れる出力ケーブルを短くして、出力ケーブルでの電圧降下を抑制できる。また、直流電源装置は直流電力を出力するので、直流用外部ケーブルには直流電流が流れる。したがって、直流用外部ケーブルにはリアクタンスによる電圧降下が発生しない。これにより、本発明に係るアーク加工システムは、直流電源部と交流変換部とが一体となった従来の交流用電源装置を用いる場合と比較して、ケーブルでの電圧降下を抑制できる。

第１実施形態に係る溶接システムの全体構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る溶接システムの全体構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る溶接システムの全体構成を示すブロック図である。 第４実施形態に係る溶接システムの全体構成を示すブロック図である。 第５実施形態に係る溶接システムの全体構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、本発明を溶接システムに適用した場合を例として、添付図面を参照して具体的に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る溶接システムの全体構成を示すブロック図である。

溶接システムＡ１は、交流アーク溶接を行う、例えばＴＩＧ溶接システムである。図１に示すように、溶接システムＡ１は、直流電源装置１、交流変換装置２、溶接トーチ３、直流用外部ケーブル４１，４２、出力ケーブル５１，５２、および通信線６を備えている。

直流電源装置１は、電源設備Ｐから入力される交流電力を直流電力に変換して、交流変換装置２に出力する。交流変換装置２は、直流電源装置１から入力される直流電力を交流電力に変換し、溶接トーチ３および被加工物Ｗに供給して、溶接トーチ３の電極の先端と被加工物Ｗとの間にアークを発生させる。当該アークの熱によって、溶接が行われる。直流電源装置１と交流変換装置２とは、それぞれが図示しない筐体を有し、互いに離隔された別々の装置である。直流電源装置１と交流変換装置２とは、直流用外部ケーブル４１，４２によって接続されている。

直流電源装置１は、電源設備Ｐの近辺に配置され、電源設備Ｐから入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。直流電源装置１は、整流平滑回路１１、インバータ回路１２、トランス１３、整流平滑回路１４、および制御回路１５を備えている。また、直流電源装置１は、出力端子１ａ，１ｂを備えている。直流電源装置１は、直流電力を出力端子１ａ，１ｂから出力する。本実施形態では、出力端子１ａが正極側の出力端子であり、出力端子１ｂが負極側の出力端子である。

整流平滑回路１１は、電源設備Ｐから入力される商用周波数の交流電力を直流電力に変換して出力する。整流平滑回路１１は、交流電流を整流する整流回路と、平滑する平滑コンデンサとを備えている。なお、整流平滑回路１１の構成は限定されない。整流平滑回路１１が、本発明の「整流回路」に相当する。

インバータ回路１２は、例えば、単相フルブリッジ型のＰＷＭ制御インバータであり、４個のスイッチング素子を備えている。インバータ回路１２は、制御回路１５から入力される出力制御駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、整流平滑回路１１から入力される直流電力を高周波電力に変換して出力する。なお、インバータ回路１２は直流電力を高周波電力に変換するものであればよく、例えばハーフブリッジ型であってもよいし、その他の構成のインバータ回路であってもよい。

トランス１３は、インバータ回路１２が出力する高周波電圧を変圧して、整流平滑回路１４に出力する。トランス１３は、一次側巻線１３ａおよび二次側巻線１３ｂを備えている。一次側巻線１３ａの各入力端子は、インバータ回路１２の各出力端子にそれぞれ接続されている。二次側巻線１３ｂの各出力端子は、整流平滑回路１４の各入力端子にそれぞれ接続されている。インバータ回路１２の出力電圧は、一次側巻線１３ａと二次側巻線１３ｂの巻き数比に応じて変圧されて、整流平滑回路１４に入力される。二次側巻線１３ｂは一次側巻線１３ａに対して絶縁されているので、電源設備Ｐから入力される電流が二次側の回路に流れることを防止できる。また、トランス１３は、インバータ回路１２が出力する高周波電圧を変圧するので、電源設備Ｐの交流電圧を変圧するトランスと比較して、小型軽量化されている。

整流平滑回路１４は、トランス１３から入力される高周波電力を直流電力に変換して出力する。整流平滑回路１４は、高周波電流を整流する整流回路と、平滑する直流リアクトルとを備えている。なお、整流平滑回路１４の構成は限定されない。整流平滑回路１４から出力された直流電力は、出力端子１ａ，１ｂから出力される。整流平滑回路１４が、本発明の「第２の整流回路」に相当する。

制御回路１５は、直流電源装置１を制御するための回路であり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御回路１５は、通信線６を介して、交流変換装置２の後述する制御回路２３から、各種指令を入力される。制御回路１５は、制御回路２３から電力出力の開始を指示する開始指令を入力されたときに、インバータ回路１２に、出力制御駆動信号の出力を開始することで、直流電力の出力を開始させる。また、制御回路１５は、制御回路２３から電力出力の停止を指示する停止指令を入力されたときに、出力制御駆動信号の出力を停止することで、電力の出力を停止させる。

制御回路１５は、通信線６を介して、制御回路２３から、電流指令値を入力される。また、制御回路１５は、通信線６を介して、制御回路２３から、交流変換装置２の出力電流の実効値を入力される。そして、制御回路１５は、出力電流の実効値と電流指令値とに基づいて、インバータ回路１２のスイッチング素子を制御するための出力制御駆動信号を生成して、インバータ回路１２に出力する。つまり、制御回路１５は、交流変換装置２の出力電流の実効値が電流指令値に一致するように、フィードバック制御を行う。

交流変換装置２は、溶接箇所の近辺に配置され、直流電源装置１から入力される直流電力を所望の周波数の交流電力に変換して出力する。交流変換装置２は、インバータ回路２１、電流センサ２２、および制御回路２３を備えている。また、交流変換装置２は、入力端子２ａ，２ｂおよび出力端子２ｃ，２ｄを備えている。交流変換装置２は、入力端子２ａ，２ｂから入力される直流電力を交流電力に変換して、出力端子２ｃ，２ｄから出力する。本実施形態では、入力端子２ａが正極側の入力端子であり、入力端子２ｂが負極側の入力端子である。

インバータ回路２１は、本実施形態では、単相フルブリッジ型のＰＷＭ制御インバータである。インバータ回路２１は、制御回路２３から入力されるスイッチング駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、直流電源装置１から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。

インバータ回路２１は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４および４個のダイオードを備えている。本実施形態では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４としてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を使用している。なお、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４はＭＯＳＦＥＴに限定されず、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）などであってもよい。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とは、直列接続され、入力端子２ａと入力端子２ｂとの間に接続されて、ブリッジ構造を形成する。当該ブリッジ部分を第１アームとする。同様に、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４とは、直列接続され、入力端子２ａと入力端子２ｂとの間に接続されて、ブリッジ構造を形成する。当該ブリッジ部分を第２アームとする。つまり、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、第１アームと第２アームとが並列接続されたフルブリッジ回路を形成する。

スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続点は、出力端子２ｃに接続されている。また、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との接続点は、出力端子２ｄに接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート端子には、制御回路２３から入力されるスイッチング駆動信号がそれぞれ入力される。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、それぞれ、ダイオードが逆並列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれ、入力されるスイッチング駆動信号に基づいて、スイッチングを行う。

インバータ回路２１は、出力端子２ｄ（被加工物Ｗに接続）の電位が出力端子２ｃ（溶接トーチ３に接続）の電位より高い状態である正極性と、出力端子２ｄの電位が出力端子２ｃの電位より低い状態である逆極性とを交互に切り換えることで、交流電力を出力する。なお、インバータ回路２１は直流電力を交流電力に変換するものであればよく、例えばハーフブリッジ型であってもよいし、その他の構成のインバータ回路であってもよい。

電流センサ２２は、交流変換装置２の出力電流を検出するものであり、本実施形態では、インバータ回路２１の一方の出力端子と出力端子２ｄとを接続する接続線に配置されている。電流センサ２２は、検出した電流に応じた電流検出信号を制御回路２３に入力する。なお、電流センサ２２の構成は限定されず、出力電流を検出するものであればよい。なお、電流センサ２２の配置場所は限定されない。例えば、電流センサ２２は、インバータ回路２１の他方の出力端子と出力端子２ｃとを接続する接続線に配置されてもよい。

制御回路２３は、交流変換装置２を制御するための回路であり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御回路２３は、通信線６を介して、直流電源装置１の制御回路１５に各種指令を送信することで、間接的に直流電源装置１も制御している。制御回路２３は、操作者によって図示しない操作部を操作され、電力出力の開始を指示された場合、通信線６を介して、直流電源装置１に電力出力の開始を指示する開始指令を送信する。また、このとき、制御回路２３は、インバータ回路２１に、スイッチング駆動信号の出力を開始することで、電力の変換を開始させる。また、制御回路２３は、電力出力の停止を指示された場合、通信線６を介して、直流電源装置１に電力出力の停止を指示する停止指令を送信する。また、このとき、制御回路２３は、スイッチング駆動信号の出力を停止することで、電力の変換を停止させる。また、制御回路２３は、通信線６を介して、溶接条件に応じた電流指令値を直流電源装置１に送信する。

制御回路２３は、電流センサ２２から電流検出信号を入力される。制御回路２３は、当該電流検出信号と、内部で生成した波形指令信号とに基づいて、インバータ回路２１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御するためのスイッチング駆動信号を生成して、インバータ回路２１に出力する。つまり、制御回路２３は、出力電流の波形が波形指令信号で指令する波形に一致するように、フィードバック制御を行う。本実施形態では、波形指令信号は、正弦波信号である。これにより、インバータ回路２１は、波形指令信号に応じた正弦波状の交流電流を出力する。なお、制御回路２３は、電流検出信号を用いずに、波形指令信号のみに基づいて、スイッチング駆動信号を生成してもよい。また、制御回路２３は、電流検出信号に基づいて、交流変換装置２の出力電流の実効値を算出し、通信線６を介して、当該実効値を直流電源装置１に送信する。

本実施形態では、溶接システムＡ１は、交流電力だけでなく直流電力も出力することができる交直両用の溶接システムである。制御回路２３は、操作者によって操作部を操作され、直流電力の出力を指示された場合、インバータ回路２１に出力するスイッチング駆動信号を、所定のスイッチング素子をオン状態に固定して、その他のスイッチング素子をオフ状態に固定する信号とする。例えば、制御回路２３は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をオン状態とし、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４をオフ状態とすることで、入力端子２ａと出力端子２ｄとが接続され、入力端子２ｂと出力端子２ｃとが接続されたままの状態とする。これにより、溶接システムＡ１は、出力端子２ｄを正極とし、出力端子２ｃを負極として、直流電力を出力する。

直流用外部ケーブル４１，４２は、直流電源装置１と交流変換装置２とを接続しているケーブルである。直流用外部ケーブル４１は、直流電源装置１の出力端子１ａと交流変換装置２の入力端子２ａとを接続している。直流用外部ケーブル４２は、直流電源装置１の出力端子１ｂと交流変換装置２の入力端子２ｂとを接続している。直流用外部ケーブル４１，４２は、例えば、銅またはアルミニウムなどの導体線を絶縁体で被覆した被覆ケーブルであり、直流電源装置１が出力する最大電流を許容できるものである。直流用外部ケーブル４１，４２の長さは、電源設備Ｐの近辺に配置された直流電源装置１と、溶接箇所の近辺に配置された交流変換装置２とを接続できる長さであり、例えば３０メートル程度である。なお、直流用外部ケーブル４１，４２の種類、直径、および長さは限定されない。直流用外部ケーブル４１，４２には、直流電源装置１が出力する直流電流が流れる。

出力ケーブル５１は、交流変換装置２と溶接トーチ３とを接続しているケーブルであり、図示しないトーチケーブルに挿通されている。出力ケーブル５１は、交流変換装置２の出力端子２ｃと溶接トーチ３の図示しない給電チップとを接続している。出力ケーブル５２は、交流変換装置２と被加工物Ｗとを接続しているケーブルである。出力ケーブル５２は、交流変換装置２の出力端子２ｄと被加工物Ｗとを接続している。出力ケーブル５１，５２は、例えば、銅またはアルミニウムなどの導体線を絶縁体で被覆した被覆ケーブルであり、交流変換装置２が出力する最大電流を許容できるものである。出力ケーブル５１，５２の長さは、交流変換装置２と溶接箇所との距離に応じて適宜決定される。交流変換装置２が溶接箇所の近辺に配置されているので、出力ケーブル５１，５２の長さは、電源設備Ｐの近辺に配置される従来の溶接電源装置を利用する場合と比較して、短くできる。なお、出力ケーブル５１，５２の種類、直径、および長さは限定されない。出力ケーブル５１，５２には、交流変換装置２が出力する交流電流が流れる。

通信線６は、直流電源装置１の制御回路１５と交流変換装置２の制御回路２３とを接続する通信線である。制御回路１５と制御回路２３とは、通信線６を介して、例えばフィールドバス通信により通信を行っている。制御回路２３は、通信線６を介して、制御回路１５に、電力出力の開始指令および停止指令、電流指令値、交流変換装置２の出力電流の実効値などを送信する。また、制御回路１５は、直流電源装置１に異常が発生した場合に、通信線６を介して、制御回路２３に、異常を知らせる情報を送信する。なお、制御回路１５と制御回路２３との間の通信内容は限定されない。また、制御回路１５と制御回路２３とが通信線６を介して行う通信規格は、フィールドバス通信に限定されない。

次に、本実施形態に係る溶接システムＡ１の作用および効果について説明する。

本実施形態によると、直流電力を出力する直流電源装置１と、直流電力を交流電力に変換する交流変換装置２とは、互いに離隔された別々の装置であり、直流用外部ケーブル４１，４２によって接続されている。直流電源装置１は電源設備Ｐの近辺に配置され、交流変換装置２は溶接箇所の近辺に配置される。交流変換装置２が溶接箇所の近くに配置されることで、交流電流が流れる出力ケーブル５１，５２を短くできる。これにより、出力ケーブル５１，５２での電圧降下は、抑制される。また、直流電源装置１は直流電力を出力するので、直流用外部ケーブル４１，４２には直流電流が流れる。したがって、直流用外部ケーブル４１，４２にはリアクタンスによる電圧降下が発生しない。これにより、溶接システムＡ１は、直流電源部と交流変換部とが一体となった従来の交流用溶接電源装置を用いる場合と比較して、ケーブルでの電圧降下を抑制できる。電圧降下を見越して定格出力電力を必要以上に大きくする必要がないので、直流電源装置１および交流変換装置２を構成する各部品を、小型軽量で低価格のものにできる。これにより、直流電源装置１および交流変換装置２を、小型軽量化でき、価格を抑制できる。

また、本実施形態によると、直流電源装置１は、インバータ回路１２を備えている。したがって、溶接システムＡ１は、交流変換装置２の出力電流をフィードバック制御できる。また、インバータ回路１２が高周波電圧を出力するので、トランス１３は、電源設備Ｐの交流電圧を変圧するトランスと比較して、小型軽量化されている。

また、本実施形態によると、制御回路２３は、インバータ回路２１に出力するスイッチング駆動信号を調整することで、交流変換装置２から直流電力を出力させることができる。これにより、溶接システムＡ１は、交流電力だけでなく直流電力も出力できる。

なお、本実施形態においては、直流電源装置１が、インバータ回路１２を備えて、電源設備Ｐから入力される交流電力を直流電力に変換して出力する場合について説明したが、これに限られない。例えば、直流電源装置１は、整流平滑回路１１が変換した直流電力をそのまま出力してもよい。また、直流電源装置１は、太陽電池および燃料電池などの直流電力を生成して出力するものでもよいし、蓄電池およびコンデンサなどの直流電力を蓄積して出力できるものでもよい。

また、本実施形態においては、出力電流の波形が正弦波である場合について説明したが、これに限られない。出力電流の波形は、例えば矩形波であってもよい。また、本実施形態においては、溶接システムＡ１が定電流制御を行う場合について説明したが、これに限られない。溶接システムＡ１は、定電圧制御を行ってもよい。

また、本実施形態においては、制御回路１５と制御回路２３とが通信線６を用いて通信を行う場合について説明したが、これに限られない。制御回路１５と制御回路２３とは、通信線６を用いず、無線通信によって通信を行ってもよい。また、制御回路１５と制御回路２３とは、直流用外部ケーブル４１，４２を利用して、電力線搬送通信（ＰＬＣ：Power Line Communication）を行ってもよい。これらの場合、通信線６が必要ないので、離れて配置された直流電源装置１と交流変換装置２との間の接続が簡略化される。

〔第２実施形態〕
図２は、第２実施形態に係る溶接システムＡ２を説明するための図であり、溶接システムＡ２の全体構成を示すブロック図である。同図において、第１実施形態に係る溶接システムＡ１（図１参照）と同一または類似の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。なお、図２においては、インバータ回路２１を簡略化して記載している。

溶接システムＡ２は、制御装置７をさらに備えている点で、第１実施形態に係る溶接システムＡ１（図１参照）と異なる。

制御装置７は、溶接システムＡ２の全体を制御する装置である。制御装置７は、汎用的なコンピュータに溶接システムＡ２の各種制御を行うプログラムをインストールしたものであってもよいし、溶接システムＡ２の制御のための専用装置であってもよい。制御装置７は、通信線６を介して、直流電源装置１の制御回路１５および交流変換装置２の制御回路２３に各種指令を送信する。通信線６は、制御装置７、制御回路１５および制御回路２３を互いに接続する通信線であり、バス型の配線形態で配線されている。

制御装置７は、操作者によって図示しない操作部を操作され、電力出力の開始を指示された場合、通信線６を介して、直流電源装置１および交流変換装置２に電力出力の開始を指示する開始指令を送信する。また、制御装置７は、電力出力の停止を指示された場合、通信線６を介して、直流電源装置１および交流変換装置２に電力出力の停止を指示する停止指令を送信する。また、制御装置７は、通信線６を介して、溶接条件に応じた電流指令値を直流電源装置１に送信する。また、制御装置７は、直流電力の出力を指示された場合、直流出力を指示する指令を、制御回路２３に送信する。また、制御回路１５は、直流電源装置１に異常が発生した場合に、通信線６を介して、制御装置７に、異常を知らせる情報を送信する。また、制御回路２３は、交流変換装置２に異常が発生した場合に、通信線６を介して、制御装置７に、異常を知らせる情報を送信する。なお、制御回路２３が、電流検出信号に基づいて算出した実効値を制御装置７に送信し、制御装置７が、当該実効値を直流電源装置１に送信してもよい。なお、制御装置７、制御回路１５および制御回路２３の間の通信内容は限定されない。

本実施形態においても、直流電源装置１と交流変換装置２とは互いに離隔された別々の装置であり、直流用外部ケーブル４１，４２によって接続されている。したがって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、第１および第２実施形態においては、溶接システムＡ１，Ａ２がＴＩＧ溶接システムである場合について説明したが、これに限られない。本発明は、その他の半自動溶接システムにおいても適用できるし、ロボットによる全自動溶接システム、および、被覆アーク溶接システムなどにも適用できる。また、本発明は、サブマージアーク溶接システム、および、スタッド溶接システムなどにも適用できる。

〔第３実施形態〕
図３は、第３実施形態に係る溶接システムＡ３を説明するための図であり、溶接システムＡ３の全体構成を示すブロック図である。同図において、第１実施形態に係る溶接システムＡ１（図１参照）と同一または類似の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。なお、図３においては、直流電源装置１およびインバータ回路２１を簡略化して記載している。

溶接システムＡ３は、サブマージアーク溶接システムである点と、４台の直流電源装置１が並列接続されている点で、第１実施形態に係る溶接システムＡ１（図１参照）と異なる。サブマージアーク溶接は、被加工物Ｗの上に粒上のフラックスを散布し、フラックスの中に溶接ワイヤを送給して、溶接ワイヤの先端（以下では、「電極」と記載する場合がある）と被加工物Ｗとの間にアークを発生させて溶接を行うものである。サブマージアーク溶接では、太径の溶接ワイヤに大電流を流すことで、厚板を高能率で溶接することができる。サブマージアーク溶接には、大電流（例えば２０００Ａ）が必要であり、１台の直流電源装置１で出力することが困難なので、溶接システムＡ３では、４台の直流電源装置１が並列接続されている。

溶接システムＡ３は、４台の直流電源装置１、交流変換装置２、直流用外部ケーブル４１，４２、出力ケーブル５１，５２、通信線６、台車８１、ワイヤ送給装置８２、ワイヤリール８３、ホッパ８４、電極８５、および制御装置８６を備えている。溶接システムＡ３は、被加工物Ｗの溶接線に沿って台車８１を移動させながら、ホッパ８４から粒上のフラックスを散布させ、ワイヤ送給装置８２に溶接ワイヤをフラックスの中に送給させる。溶接ワイヤはワイヤリール８３から供給される。溶接システムＡ３は、溶接ワイヤの先端（電極８５）と被加工物Ｗとの間にアークを発生させて溶接を行う。

制御装置８６は、溶接システムＡ３の全体を制御する装置であり、サブマージアーク溶接システム特有の制御を行う。具体的には、制御装置８６は、台車８１を所定の移動速度で移動させる。移動速度は、被加工物Ｗの材質および厚さなどに応じて設定される。また、制御装置８６は、ホッパ８４にフラックスの散布の開始および停止を指示する。制御装置８６は、ワイヤ送給装置８２に、溶接ワイヤの送給の開始および停止を指示する。また、溶接ワイヤの送給速度も指示する。送給速度は、設定される溶接電流などに応じて設定される。制御装置８６は、交流変換装置２に、電力出力の開始および停止を指示する。

４台の直流電源装置１は、電源設備Ｐの近辺に配置され、それぞれ、電源設備Ｐから入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。各直流電源装置１は、出力側で互いに並列接続されている。具体的には、各直流電源装置１の出力端子１ａが互いに接続されて、直流用外部ケーブル４１によって、交流変換装置２の入力端子２ａに接続されている。また、各直流電源装置１の出力端子１ｂが互いに接続されて、直流用外部ケーブル４２によって、交流変換装置２の入力端子２ｂに接続されている。交流変換装置２は、各直流電源装置１がそれぞれ出力する直流電力が合成されて入力される。交流変換装置２は、入力端子２ａ，２ｂから入力される直流電力を交流電力に変換して、出力端子２ｃ，２ｄから出力する。出力端子２ｃは、出力ケーブル５１によって電極８５に接続されている。出力端子２ｄは、出力ケーブル５２によって被加工物Ｗに接続されている。

４台の直流電源装置１の各制御回路１５（図３においては図示しない）と、交流変換装置２の制御回路２３とは、バス型の配線形態で配線された通信線６を介して、例えばフィールドバス通信により通信を行っている。なお、制御装置８６も通信線６に接続されて、交流変換装置２と通信を行ってもよい。

４台の直流電源装置１の各制御回路１５は、通信線６を介して、制御回路２３から、溶接条件に応じた電流指令値を入力される。また、各制御回路１５は、通信線６を介して、制御回路２３から、交流変換装置２の出力電流の実効値を入力される。そして、各制御回路１５は、それぞれ、出力電流の実効値と電流指令値とに基づいて、インバータ回路１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御するための出力制御駆動信号を生成して、インバータ回路１２に出力する。つまり、各制御回路１５は、それぞれが、交流変換装置２の出力電流の実効値が電流指令値に一致するように、フィードバック制御を行う。

交流変換装置２は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力し、フラックスの内部で、溶接ワイヤの先端部分である電極８５と被加工物Ｗとの間にアークを発生させる。当該アークの熱によって、溶接が行われる。これにより、被加工物Ｗの溶接線に沿って溶接が行われる。なお、台車８１を用いる代わりに、被加工物Ｗを移動させたり、回転させたりしてもよい。

本実施形態においても、各直流電源装置１と交流変換装置２とは互いに離隔された別々の装置であり、直流用外部ケーブル４１，４２によって接続されている。したがって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、各直流電源装置１がそれぞれ出力する直流電力が合成されて交流変換装置２に入力される。したがって、溶接システムＡ３は、大電流を出力できる。

交流出力の溶接電源装置を複数並列接続した場合、出力電流の正負が切り替るタイミングが一致しないと、循環電流が発生して、電力の損失が発生する。一方、溶接システムＡ３の場合、複数の直流電源装置１が出力する直流電力を合成するので、循環電流の発生による電力の損失が発生しない。

なお、本実施形態においては、溶接システムＡ３が、直流電源装置１を４台備えている場合について説明したが、これに限られない。並列接続される直流電源装置１の数は限定されず、２台であってもよいし、３台であってもよいし、５台以上であってもよい。

また、本実施形態においては、４台の直流電源装置１の各制御回路１５がそれぞれ、交流変換装置２の出力電流の実効値が電流指令値に一致するように、フィードバック制御を行う場合について説明したがこれに限られない。各制御回路１５は、それぞれ、自身が配置されている直流電源装置１の出力電流が、溶接条件に応じた電流指令値に一致するように、フィードバック制御を行ってもよい。この場合、４台の直流電源装置１の定格出力電力が同じであれば、電流指令値は、交流変換装置２の出力電流の実効値を制御する場合の４分の１になる。

〔第４実施形態〕
図４は、第４実施形態に係る溶接システムＡ４を説明するための図であり、溶接システムＡ４の全体構成を示すブロック図である。同図において、第３実施形態に係る溶接システムＡ３（図３参照）と同一または類似の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

溶接システムＡ４は、各直流電源装置１と交流変換装置２との接続方法が、第３実施形態に係る溶接システムＡ３（図３参照）と異なる。

本実施形態に係る交流変換装置２は４組（またはそれ以上）の入力端子２ａ，２ｂを備えている。各直流電源装置１の出力端子１ａは、それぞれ、直流用外部ケーブル４１によって、交流変換装置２の入力端子２ａに接続されている。また、各直流電源装置１の出力端子１ｂは、それぞれ、直流用外部ケーブル４２によって、交流変換装置２の入力端子２ｂに接続されている。各入力端子２ａは、交流変換装置２の内部で、互いに接続されて、インバータ回路２１の正極側の入力端子に接続されている。また、各入力端子２ｂは、交流変換装置２の内部で、互いに接続されて、インバータ回路２１の負極側の入力端子に接続されている。

本実施形態においても、各直流電源装置１と交流変換装置２とは互いに離隔された別々の装置であり、それぞれ直流用外部ケーブル４１，４２によって接続されている。また、各直流電源装置１がそれぞれ出力する直流電力が合成されて交流変換装置２に入力される。したがって、本実施形態においても、第３実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、第３および第４実施形態においては、溶接システムＡ３，Ａ４がサブマージアーク溶接システムである場合について説明したが、これに限られない。本発明は、ＴＩＧ溶接システムなどの半自動溶接システムにおいても適用できるし、ロボットによる全自動溶接システム、および、被覆アーク溶接システムなどにも適用できる。また、本発明は、スタッド溶接システムなどにも適用できる。

〔第５実施形態〕
図５は、第５実施形態に係る溶接システムＡ５を説明するための図であり、溶接システムＡ５の全体構成を示すブロック図である。同図において、第３実施形態に係る溶接システムＡ３（図３参照）と同一または類似の要素には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。なお、図５においては、直流電源装置１および交流変換装置２を簡略化して記載している。

溶接システムＡ５は、多電極式のサブマージアーク溶接システムである点で、第３実施形態に係る溶接システムＡ３（図３参照）と異なる。

溶接システムＡ５は、４台の直流電源装置１（１０１，１０２，１０３，１０４）、２台の交流変換装置２（２０１，２０２）、２本ずつの直流用外部ケーブル４１（４１１，４１２），４２（４２１，４２２）、２本ずつの出力ケーブル５１（５１１，５１２），５２（５２１，５２２）、２本の通信線６（６０１，６０２）、台車８１、２個の電極８５（８５１，８５２）、制御装置８６、および通信線９を備えている。図５においては記載を省略しているが、溶接システムＡ５は、２台のワイヤ送給装置８２、２個のワイヤリール８３、およびホッパ８４も備えている。

２個の電極８５のうち、進行方向の前方（図５において右側）に位置する電極８５を電極８５１とし、後方（図５５において左側）に位置する電極８５を電極８５２とする。電極８５１，８５２は、それぞれ異なるワイヤリール８３（図示なし）から、それぞれ異なるワイヤ送給装置８２（図示なし）によって送給された溶接ワイヤの先端部である。電極８５１，８５２は、台車８１に配置されたホッパ８４（図示なし）から散布されたフラックスの中に配置されている。

溶接システムＡ５は、被加工物Ｗの溶接線に沿って台車８１を移動させながら、電極８５１，８５２と被加工物Ｗとの間にそれぞれアークを発生させて溶接を行う。電極８５１，８５２の先端位置は、進行方向に平行に一直線に並んでいる。各電極８５１，８５２は、それぞれ溶接線に沿って溶接を行う。なお、各電極８５１，８５２の配置位置、間隔、ならびに、傾く方向および角度などは限定されない。また、各電極８５１，８５２の先端位置は、一直線に並ばなくてもよい。

４台の直流電源装置１（１０１，１０２，１０３，１０４）は、電源設備Ｐの近辺に配置され、それぞれ、電源設備Ｐから入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。直流電源装置１０１と直流電源装置１０２とは、出力側で互いに並列接続されている。具体的には、直流電源装置１０１，１０２の各出力端子１ａが互いに接続されて、直流用外部ケーブル４１１によって、交流変換装置２０１の入力端子２ａに接続されている。また、直流電源装置１０１，１０２の各出力端子１ｂが互いに接続されて、直流用外部ケーブル４２１によって、交流変換装置２０１の入力端子２ｂに接続されている。同様に、直流電源装置１０３と直流電源装置１０４とは、出力側で互いに並列接続されている。具体的には、直流電源装置１０３，１０４の各出力端子１ａが互いに接続されて、直流用外部ケーブル４１２によって、交流変換装置２０２の入力端子２ａに接続されている。また、直流電源装置１０３，１０４の各出力端子１ｂが互いに接続されて、直流用外部ケーブル４２２によって、交流変換装置２０２の入力端子２ｂに接続されている。

２台の交流変換装置２（２０１，２０２）は、溶接箇所の近辺に配置され、入力される直流電力を所望の周波数の交流電力に変換して出力する。交流変換装置２０１は、直流電源装置１０１と直流電源装置１０２とがそれぞれ出力する直流電力が合成されて入力される。交流変換装置２０１は、入力端子２ａ，２ｂから入力される直流電力を交流電力に変換して、出力端子２ｃ，２ｄから出力する。出力端子２ｃは、出力ケーブル５１１によって電極８５１に接続されている。出力端子２ｄは、出力ケーブル５２１によって被加工物Ｗに接続されている。交流変換装置２０２は、直流電源装置１０３と直流電源装置１０４とがそれぞれ出力する直流電力が合成されて入力される。交流変換装置２０２は、入力端子２ａ，２ｂから入力される直流電力を交流電力に変換して、出力端子２ｃ，２ｄから出力する。出力端子２ｃは、出力ケーブル５１２によって電極８５２に接続されている。出力端子２ｄは、出力ケーブル５２２によって被加工物Ｗに接続されている。

通信線６０１は、直流電源装置１０１，１０２の各制御回路１５（図５において図示なし）および交流変換装置２０１の制御回路２３（図５において図示なし）に接続されている。通信線６０２は、直流電源装置１０３，１０４の各制御回路１５（図５において図示なし）および交流変換装置２０２の制御回路２３（図５において図示なし）に接続されている。通信線９は、交流変換装置２０１，２０２の各制御回路２３および制御装置８６に接続されている。制御装置８６は、通信線９を介して、各種指令を交流変換装置２０１，２０２の各制御回路２３に送信する。例えば、制御装置８６は、電極８５１で発生するアークと、電極８５２で発生するアークとが引き合わないようにするために、交流変換装置２０１の出力電流と交流変換装置２０２の出力電流とで位相をずらすように、交流変換装置２０１，２０２の各制御回路２３に指令を送信する。また、制御装置８６は、交流変換装置２０１の制御回路２３に、直流電流の出力を指示する指令を出力することで、電極８５２には交流電力を供給し、電極８５１には直流電力を供給することもできる。なお、直流電源装置１０１，１０２，１０３，１０４の各制御回路１５、交流変換装置２０１，２０２の各制御回路２３、および制御装置８６がすべて、バス型の配線形態で配線された通信線６で接続され、例えばフィールドバス通信により互いに通信を行ってもよい。

本実施形態においても、各直流電源装置１と各交流変換装置２とは互いに離隔された別々の装置であり、直流用外部ケーブル４１，４２によって接続されている。したがって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態によると、直流電源装置１０１と直流電源装置１０２とがそれぞれ出力する直流電力が合成されて交流変換装置２０１に入力される。交流変換装置２０１が出力する交流電力は電極８５１に供給される。また、直流電源装置１０３と直流電源装置１０４とがそれぞれ出力する直流電力が合成されて交流変換装置２０２に入力される。交流変換装置２０２が出力する交流電力は電極８５２に供給される。したがって、溶接システムＡ５は、大電流を出力する２電極式の溶接を行うことができる。

なお、本実施形態においては、交流変換装置２０１，２０２に接続される直流電源装置１がそれぞれ２台である場合について説明したが、これに限られない。交流変換装置２０１，２０２に接続される直流電源装置１は、１台であってもよいし、３台以上であってもよい。また、交流変換装置２０１と交流変換装置２０２とで、接続される直流電源装置１の数が異なってもよい。

第３，４実施形態と第５実施形態とに示すように、４台の直流電源装置１と２台の交流変換装置２とがあれば、その組み合わせ方によって、溶接システムＡ３〜Ａ５を構成することができる。つまり、各直流電源装置１と各交流変換装置２とが互いに離隔された別々の装置であり、直流用外部ケーブル４１，４２によって接続可能なユニット型なので、出力形態に合わせて、構成を多様化することができる。

なお、第１〜第５実施形態においては、本発明を溶接システムに適用した場合について説明したが、これに限られない。例えば、先端に発生させたアークによって被加工物Ｗを切断するアーク切断システムや、被加工物Ｗに溝彫りを行うアークガウジングシステムなどにおいても、本発明は適用可能である。

本発明に係る溶接システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る溶接システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１〜Ａ５：溶接システム、１：直流電源装置、１１，１４：整流平滑回路、１２：インバータ回路、２：交流変換装置、４１，４２：直流用外部ケーブル

Claims (7)

1. 直流電力を出力する直流電源装置と、
   前記直流電源装置から離隔された別の装置であり、直流電力を交流電力に変換する交流変換装置と、
   前記直流電源装置と前記交流変換装置との間に接続される直流用外部ケーブルと、
   を備え、
   前記交流変換装置が出力する電力で発生させたアークによって加工を行う、
   アーク加工システム。
2. 前記直流電源装置は、
   交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
   前記整流回路が出力する直流電力を高周波電力に変換するインバータ回路と、
   前記インバータ回路が出力する高周波電力を直流電力に変換する第２の整流回路と、
   を備えている、
   請求項１に記載のアーク加工システム。
3. 前記交流変換装置は、直流電力を交流電力に変換せずに、そのまま出力可能である、
   請求項１または２に記載のアーク加工システム。
4. 直流電力を出力する第２の直流電源装置をさらに備えており、
   前記直流電源装置と前記第２の直流電源装置とは、出力側で並列接続されている、
   請求項１ないし３のいずれかに記載のアーク加工システム。
5. 直流電力を出力する第３の直流電源装置、および、第４の直流電源装置と、
   前記第３の直流電源装置および前記第４の直流電源装置から離隔された別の装置であり、直流電力を交流電力に変換する第２の交流変換装置と、
   前記第３の直流電源装置および前記第４の直流電源装置と、前記第２の交流変換装置との間に接続される第２の直流用外部ケーブルと、
   をさらに備えており、
   前記第３の直流電源装置と前記第４の直流電源装置とは、出力側で並列接続されている、
   請求項４に記載のアーク加工システム。
6. 前記交流変換装置が出力する電力で発生させたアークによって溶接を行う、
   請求項１ないし５のいずれかに記載のアーク加工システム。
7. サブマージアーク溶接を行う、
   請求項６に記載のアーク加工システム。

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