JP2512911B2

JP2512911B2 - ア−ク溶接機

Info

Publication number: JP2512911B2
Application number: JP24476486A
Authority: JP
Inventors: 喜久夫寺山; 慶樹森本; 敏光土井
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1986-10-14
Filing date: 1986-10-14
Publication date: 1996-07-03
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JPS6397365A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明はスイツチングにより出力電力を調整する方式
のアーク溶接機の改良に関するものである。

従来の技術アーク溶接機において、直流電源をスイツチングによ
り制御して溶接に適した電力に調整する方式のものがあ
る。この場合出力電力の調整はスイツチング素子の導通
時間の１周期における比率（以後デユーテイ比という）
を変化させることによつて出力電流や出力電圧の平均値
を変化させるものである。

第６図にこのような方式の従来装置の接続図を示す。
同図は２石式のフオワードコンバータによつて直流電源
の出力を制御して溶接部に供給する方式のものである。
同図において１は直流電源であり、商用交流電源を整流
平滑する公知の直流電源である。2aおよび2bはトランジ
スタなどの自己消弧形のスイツチング素子、3a,3bは整
流素子、４は変圧器、5a,5bは整流素子、６は直流リア
クトル、７はカツプリングコイルであり、８はアーク点
弧用の高周波高電圧を発生する高周波発振器である。ま
た９は電極、10は被溶接物、11は出力平滑用および高周
波電流バイパス用のコンデンサであり、12はコンデンサ
11充電々荷を放電するために抵抗器である。13は出力電
流検出器、14は出力電流設定回路、15は比較器、16は比
較器15の出力信号に応じたデユーテイ比（導通時間/1周
期）の駆動信号をあらかじめ定められた周期Ｔでくりか
えし出力するパルス発生回路である。

同図の装置においてはスイツチング素子2a,2bが導通
すると変圧器４の２次巻線に出力電圧が現われ整流素子
5aおよび直流リアクトリル６を通して電極９と被溶接物
10との間に電力を供給する。スイツチング素子2a,2bが
遮断すると変圧器４の出力電圧は消滅するのが先の導通
中に直流リアクトルに蓄えられていた電磁エネルギーに
よつて整流素子5bを通して電流が流れつづける。一方こ
の間においてスイツチング素子2a,2bの遮断によつて整
流素子3a,3bを通して発生するフライバツク電圧によつ
て変圧器４の鉄心の磁束はリセツトされる。これらの間
において出力電流は出力電流検出器13にて検出されて信
号e_fとなつて比較器15にて出力電流回路14の設定値e_rと
比較されて誤差信号がパルス発生回路16に供給される。
パルス発生回路16はこの入力信号に応じたデユーテイ比
のパルスを発生することになる。

発明が解決しようとする問題点上記は電極９と被溶接物10との間に溶接アークが発生
し、溶接電流が流れているときの状態である、溶接アー
クが発生する以前は変圧器４の出力電圧はすべてコンデ
ンサ11に充電されることになるのでコンデンサの端子電
圧は直流電源１の出力電圧に変圧器４の巻数比を乗じた
電圧まで上昇する。この電圧は、スイツチング回路とし
て第５図のようなフオワードコンバータを用いるときに
はスイツチング素子2a,2bの導通時間率、即ちデユーテ
ィ比を50％以下にしなければならないので、アーク溶接
時に必要な平均出力電圧を得るためには、直流電源１の
出力電圧を必要なアーク電圧の２倍以上もの高い電圧の
ものにすることが必要となる。このためにアークの停止
時、即ち無負荷時には、この高い電圧がコンデンサに充
電されることになり、溶接時の２倍以上の高い電圧が電
極９と被溶接物との間に現われることになる。したがつ
てこのような装置を被覆溶接棒を用いて行う手溶接に用
いるときには電極９に作業者が接触することによつて感
電事故を起す危険性が高いものである。このコンデンサ
に充電された電荷は抵抗器12によつて放電されるからこ
の抵抗値を低いものにすれば、電極９と被溶接物との間
に出現する電圧は無負荷時においても低い値とすること
ができるが、コンデンサ11および抵抗器12は常時接続さ
れているから、抵抗器に常時大きな電流が流れることに
なつて、発熱が大きくかつ電力効率の悪いものとなつて
しまう。

この現象はフオワードコンバータを用いた第６図のよ
うな装置のみ発生するものではなく、チヨツパ式制御を
行うものやインバータによつて出力をパルス幅制御する
ものにおいても同様に発生するものである。

問題点を解決するための手段本発明は、上記従来装置の問題点を解決するために、
出力電圧設定回路と出力電圧検出器とを追加し、出力電
流および出力電圧のそれぞれの設定値に対する誤差を求
めて、両誤差信号のうち小さい方の誤差信号を選択して
スイツチング素子駆動信号としたものである。また上記
に加えて作業者が電極に接触する機会が少ないTIG溶接
や自動溶接においては無負荷電圧が高い方がアークスタ
ートに有利であるので、このような場合に無負荷電圧が
変更できるように従来通りの電流誤差信号のみに対応し
てスイツチング素子のデユーティ比を定めることができ
るように駆動信号を切替える回路を設けたものである。

作用本発明のアーク溶接機は、無負荷時や出力電流が小さ
いときには出力電流検出器の出旅信号は零または零に近
いので電流誤差信号は大きく、一方出力電圧は高いので
電圧誤差信号は小さくなる。したがつてスイツチング素
子はこの小さい方の誤差信号に応じたデユーテイ比のパ
ルス幅で導通することになるので出力電圧が設定値に制
限されて、略定電圧特性となる。出力電流が増加してく
ると出力電流検出器の出力が出力電流設定回路の設定値
に近づくので電流誤差信号は小さくなつてくる。この電
流誤差信号が電圧誤差信号よりも小さくなるとスチツチ
ング素子の導通時間幅が電流誤差信号によつて定まるデ
ユーテイ比によつて決定されるように切替えられる。こ
の結果一定以上の電流領域においては出力電流が出力電
流設定回路によつて定められた値に制限されて略定電流
特性となる。

実施例第１図に本発明の実施例の接続図を示す。同図におい
て第６図の従来装置と同機能のものには同符号を付して
あるが、変圧器４には１次巻線4aと２次巻線4bに加えて
電圧検出用の補助巻線4cが設けてある。また17は出力電
圧設定回路、18a,18bおよび19は電圧検出器を構成して
おり、18a,18bは整流素子、19は平滑回路であり直流リ
アクトル６、コンデンサ11および抵抗器12からなる主回
路の平滑回路の時定数と略同じ時定数となるように定数
を選定しておく。20は平滑回路19の出力電圧、即ち出力
電圧検出値と出力電圧設定回路17の出力信号とを比較し
差信号を得る比較器、21は比較器20の出力信号に応じた
デユーテイ比のパルス信号を発生するパルス発生回路で
ある。（以後混同を避けるためにパルス発生回路16を第
１のパルス発生回路とよびパルス発生回路21を第２のパ
ルス発生回路とよぶ。）これらの第１および第２のパル
ス発生回路16および21の発生するパルスの立上り部分を
同期させるために発振器22を設け、この発振器22の出力
を各パルス発生回路の同期入力端子ｃに加えて両パルス
発生回路の動作を同期させる。したがつて同図の実施例
においてはスイツチング素子の導通・遮断の周期は発振
器22の発振周期によつて定まることになる。23は切替回
路であり、（イ）パルス発生回路21の出力を次段に伝達
するか、（ロ）常時Ｈレベル信号＋Ｅを次段に伝達する
かのいずれかを選択する。24は第１のパルス発生回路16
の出力と切替回路23の出力とを入力とし両入力信号のう
ち継続時間の短かい方の信号を駆動信号としてスイツチ
ング素子2a,2bに供給する信号選択回路であり、例えば
両入力信号が同時にＨレベル信号である間のみ駆動信号
を出力するAND回路と必要に応じてこのAND回路の出力信
号を増幅回路とによつて構成する。

同図の実施例において切替回路23が図の（イ）側、即
ち第２のパルス発生回路21の出力が信号選択回路24に伝
達されるときの動作について説明する。切替回路23が
（イ）側にあるときには発振器22によつて立上り時期が
同期した第１および第２のパルス発生回路16および21の
両出力信号が共に信号選択回路24に供給される。信号選
択回路24においては入力信号の立上り時からいずれかの
入力信号に立下り時に至るまでを導通期間として選択
し、スイツチング素子2a,2bに駆動信号として供給す
る。スイツチング素子2a,2bがこの駆動信号によつて導
通すると直流電源１から電流が流れて変圧器４の２次巻
線4bに出力電圧が誘起され整流器5a,5b、直流リアクト
リ６およびコンデンサ11からなる整流・平滑回路にて平
滑されて電極と被溶接物との間に直流電圧が印加され
る。ここで高周波発振器８が停止しカツプリングコイル
７に高電圧が発生していないときには電極９と被溶接物
10との間は絶縁状態が保たれている。したがつて溶接ア
ークは発生せず出力電流検出器13の出力な零である。こ
のために出力電流設定回路14との差を演算する比較器15
の出力Δｉは大きく、この電流誤差信号Δｉに対応した
デユーテイ比のパルスを発生する第１のパルス発生回路
16は大なるデユーテイ比（導通期間を最大とする値で第
１図のようにフオワードコンバータを使用するときは50
％）のパルス信号を発生する。一方このときの出力電圧
は変圧器４の補助巻線4cによつて検出されて整流素子18
a,18bおよび平滑回路19によつて整流平滑されて出力電
圧に相似の直流電圧となり比較器20に供給される。比較
器20においては出力電圧設定器17の出力信号と比較し差
信号Δｅ（電圧誤差信号）を第２のパルス発生回路21に
出力する、電圧誤差信号Δｅは第２のパルス発生回路21
において電圧誤差信号Δｅに対応したデユーテイ比の駆
動信号に変換される。このとき出力電圧のピーク値は直
流電源１の出力電圧の２倍程度の高い電圧であるので電
圧誤差信号Δｅは小さく、したがつて第２のパルス発生
回路21の出力は小なるデユーテイ比（この場合には導通
期間が最小となる値）のパルス信号を発生することにな
る。信号選択回路24はこれらの両信号を入力とし両信号
のうち小さい時間幅の方の駆動信号をスイツチング素子
2a,2bに伝達しこれを導通させる。この結果スイツチン
グ素子は１周期のうち極く短時間のみ導通することにな
り、この変圧器４の出力電圧を整流平滑した出力電圧は
平均値であるから電極９と被溶接物10との間に現われる
電圧は出力電圧設定回路17によつて設定された電圧に保
たれることになる。第２図はこのときの各部の波形を時
間の経過とともに示したもので、同図（ａ）は発振器22
の出力信号、（ｂ）は第１のパルス発生回路16の出力信
号、（ｃ）は第２のパルス発生回路21の出力信号、
（ｄ）は信号選択回路24の出力信号、（ｅ）は出力電圧
の各変化の様子を示す。

次に電極９を被溶接物に近づけた状態で高周波発振器
８を起動するとこれによつてカツプリングコイルに誘起
された高電圧によつて電極９と被溶接物10との間に高周
波火花放電が発生し、これによつて溶接アークが誘発さ
れる。溶接アークの発生によつて流れる電流は電流検出
器13によつて検出されて比較器15へ入力される。比較器
15においては電流検出器13の出力信号が零から増加する
ことによつて電流誤差信号Δｉが減少する。この電流誤
差信号Δｉの減少に応じて第１のパルス発生回路16の出
力信号もデユーテイ比が減少してゆく。一方出力電圧は
出力電流の増加にしたがつて直流電源１、変圧器４、ス
イツチング素子2a,2b、整流素子3a,3bなどの内部抵抗に
よつて発生する電圧降下分が増加するために低下してゆ
き、このために比較器20の電圧誤差信号が増大し、第２
のパルス発生回路21の出力信号のデユーテイ比は増加し
てゆく。出力電流が一定以上に増加すると第１のパルス
発生回路16の出力パルス幅が第２のパルス発生回路のそ
れより小さくなる。この時点で選択回路24は第２のパル
ス発生回路21の出力信号に代えて第１のパルス発生回路
16の出力信号をスイツチング素子2a,2bに伝達するよう
になり、その結果出力電流は出力電流設定回路14にて設
定された値を保つように制御されることになる。第３図
は信号選択回路24が第１のパルス発生回路16の出力を選
択しているときの各部の波形の変化を第２図と同様に時
間の経過とともに示した線図である。

つぎに第１図に示した実施例において切替回路23を図
の（ロ）側に切替えたときは信号選択回路には第２のパ
ルス発生回路21の出力信号に代えて一定の電圧＋Ｅが供
給されることになるから信号選択回路24は常に第１のパ
ルス発生回路16の出力信号を選択することになるので第
６図に示した従来装置と全く同様の動作を行うことにな
る。なお第１図においては切替回路23を第２のパルス発
生回路21と信号選択回路との間に設けたが比較器と第２
のパルス発生回路との間に設けてもよい。また信号選択
回路は第１および第２のパルス発生回路16,21の各出力
を入力としていずれか小なるデユーテイ比のものを選択
して出力するものとし、切替回路はこの信号選択回路の
出力かまたは第１のパルス発生回路の出力かを切替える
ようにしたものでもよい。第４図はこのようにしたとき
の実施例を示す接続図であり、各部の機能および動作は
第１図に示した実施例と同様であるので説明は省略す
る。また第１図および第４図に示した実施例において
は、出力電圧検出器としては変圧器４に補助巻線4cを設
けてこれから信号を得たが、補助巻線のかわりに２次巻
線4bの両端または中間タツプから電圧信号を得るように
してもよい。さらにこの２次巻線4bの整流出力、即ちコ
ンデンサ11の端子電圧を直接または適当に分圧して比較
器20の入力電圧としてもよい。

第１図および第４図においては電圧誤差信号および電
流誤差信号をあらかじめこれらに対応するデユーテイ比
のパルス信号に変換した後に両パルス信号の長さを比較
して短かい方を選択したが、本発明は両誤差信号の小さ
い方でスイツチング素子の導通時間幅を定めるものであ
ればよい。したがつて第１図または第４図において第１
および第２のパルス発生回路を除き、比較器15および20
の各出力の大小を比較し、小さい方を選択する信号選択
回路を設け、この信号選択回路の出力信号に応じたデユ
ーテイ比のパルスを発生する１個のパルス発生回路を設
けて、このパルス発生回路の出力をスイツチング素子の
駆動信号として用いてもよい。

第５図はこのようにした本発明の別の実施例を示す接
続図である。同図において１ないし20は第１図，第４図
と同様の機能のものを示す。25は比較器20の出力とこの
比較器20の出力の最大値よりも大きな一定電圧Ｅの信号
とを入力としいずれかを出力する切替回路であり第１図
または第４図の実施例において示した切替回路23に相当
する。26は切替回路25の出力と比較器15の出力とを入力
としいずれか小さい方の信号を出力する信号選択回路で
ある。27は信号選択回路26の出力信号の大きさに応じた
デユーテイ比のパルスを発生するパルス発生回路であ
る。

同図の実施例において、切替回路25が図示のように
（イ）側であるときには、比較器20の出力、即ち電圧誤
差信号Δｅと比較器15の出力、即ち電流誤差信号Δｉと
が信号選択回路26に供給される。したがつて出力電流が
零かまたは小さい間は第１図にて説明したようにΔｉ＞
Δｅであるから、パルス発生回路27には電圧誤差信号Δ
ｅが供給されて電圧フイードバツク回路が形成されて略
定電圧特性となる。また出力電流が増加して設定値との
差が少なくなつてΔｉ＜Δｅとなると電流誤差信号Δｉ
がパルス発生回路27に供給されて電流フイードバツク制
御となり、略定電流制御が行なわれるようになる。また
切替回路25が図の（ロ）側にあるきは常にΔｉ＜Ｅであ
るので、信号選択回路26は信号Δｉを選択してパルス発
生回路27に供給するので常に略定電流制御となる。

本発明は、上記の各実施例に示したようなフオワード
コンバータを用いた装置においてのみ適用できるもので
はなく、直流電源の出力をスイツチング素子を用いて調
整して溶接電極と被溶接物とに供給するものであればよ
く、チヨツパ式、インバータ式などの各制御方式のもの
に適用できる。

発明の効果本発明は、上記の通りであるのつぎのような優れた効
果を有する。

（１）無負荷電圧を設定値に抑制できるので、作業者
が電極部分に接触しやすい被覆アーク溶接に使用しても
感電の危険性がない。

（２）無負荷電圧の抑制のために低い抵抗値の大容量
の抵抗器を出力端子に並列に接続する必要がなくなるの
で、発熱が少なくまた効率の向上が計れる。

（３）高い無負荷電圧が必要な時には切替によつて無
負荷電圧抑制機能を無効にすることができるので種々の
アーク溶接に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す接続図、第２図および第
３図の各（ａ）ないし（ｅ）は第１図の実施例の動作を
説明するために示した各部の波形を示す線図、第４図お
よび第５図は本発明の別の実施例を示す接続図、第６図
は従来の装置の例を示す接続図である。１……直流電源、2a,2b……スイツチング素子、４……
変圧器、６……直流リアクトル、11……コンデンサ、12
……抵抗器、13……出力電流検出器、14……出力電流設
定回路、15,20……比較器、16……第１のパルス発生回
路、17……出力電圧設定回路、21……第２のパルス発生
回路、22……発振器、23……切替回路、24……信号選択
回路

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源と、前記直流電源の出力をスイッ
チングによりアーク溶接に適した電力に調整するスイッ
チング式電力調整回路と、出力電流設定回路と、最大出
力電圧設定回路と、出力電流検出器と、出力電圧検出器
と、前記出力電流設定回路の出力信号と前記出力電流検
出器の出力信号とを比較し差信号に応じたデューティ比
のパルス信号を発生する第１のパルス発生回路と、前記
最大電圧設定回路の出力信号と前記出力電圧検出器の出
力信号とを比較し差信号に応じたデューティ比のパルス
信号を発生する第２のパルス発生回路と、前記第１のパ
ルス発生回路の出力と第２のパルス発生回路の出力とを
同期させるための手段と、前記第１のパルス発生回路の
出力と前記第２のパルス発生回路の出力とを比較し両出
力のうちデューティ比の小なる方の出力を選択する信号
選択回路と、前記第１のパルス発生回路の出力信号と前
記信号選択回路の出力信号とのいずれかを前記スイッチ
ング式電力調整回路の駆動信号として供給する切替回路
とを具備したアーク溶接機。
【請求項２】前記スイッチング式電力調整回路はフォワ
ードコンバータによって構成した特許請求の範囲第１項
に記載のアーク溶接機。
【請求項３】直流電源と、前記直流電源の出力をスイッ
チングによりアーク溶接に適した電力に調整するスイッ
チング式電力調整回路と、出力電流設定回路と、最大出
力電圧設定回路と、出力電流検出器と、出力電圧検出器
と、前記出力電流設定回路の出力信号と前記出力電流検
出器の出力信号とを比較し差信号を得る第１の比較器
と、前記最大出力電圧設定回路の出力信号と前記出力電
圧検出器の出力信号とを比較し差信号を得る第２の比較
器と、前記第２の比較器の出力信号と前記第２の比較器
の最大出力信号よりも大きな一定電圧とのいずれかを切
替えて次段に伝達する切替回路と、前記第１の比較器の
出力と前記切替回路の出力とを入力としていずれか小さ
い方の信号を選択する信号選択回路と、前記信号選択回
路の出力信号に応じたデューティ比のパルス信号を前記
スイッチング式電力調整回路に駆動信号として供給する
パルス発生回路とを具備したアーク溶接機。