JP2522242B2 - 交直両用ア−ク溶接電源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はアーク溶接用電源に関し、特に出力電流とし
て高周波から直流に至るまでの任意の周波数が得られ、
さらに直流出力時においてはその極性を自由に電子的に
変更できる万能形の電源を提案したものである。

［従来の技術］ アーク溶接用電源としては高周波から直流まで任意に
得られるものとして従来は直流電源をインバータにて交
流とした後に周波数逓降回路によって任意の周波数の交
流を発生させるものがある。（特開昭52-84142号公報） 第５図はこの種従来装置の例を示す接続図である。同
図において１は交流電源であり通常三相商用電源が用い
られる。２は交流電源１を清流して直流電力を得る整流
回路、３は整流回路２の出力を高周波交流に変換するイ
ンバータ回路であり、インバータ制御回路４からの駆動
信号により一定の周波数の高周波交流を出力する。５は
変圧器であり、２次巻線にはセンタータップを設けてあ
る。6aないし6dは周波数逓降回路を構成するための単方
向スイッチング素子、例えばサイリスタであり、７はリ
アクトル、８は電極、９は被溶接物である。10は出力電
流検出器、11は出力電流設定信号源、12は極性切換信号
源、13は比較器、14は単方向スイッチング素子6aないし
6dを開閉制御するための駆動回路である。同図の装置に
おいて単方向スイッチング素子6bと6cとを同時に導通さ
せると電極８を正とする極性の電流が流れ、単方向スイ
ッチング素子6aと6dとを導通させている期間は被溶接物
９が正となる極性の電流が流れることになる。したがっ
て極性切換信号源12の出力epに応じて導通させる単方向
スイッチング素子の組合せを決定すればよい。例えばep
が負の期間は単方向スイッチング素子6aと6dとを導通さ
せ、epが正の期間は単方向スイッチング素子6bと6cとを
導通させればよい。さらに同図の例においては出力電流
を所定値に保つために出力電流検出器10によって出力電
流の絶対値efを検出し出力電流設定信号源11の出力信号
erと比較器13にて比較し差信号を駆動回路14に供給して
いる。駆動回路14においては、インバータ制御回路４か
らの同期信号と比較器13からの入力信号に応じて位相で
単方向スイッチング素子6aないし6dを導通させる。この
結果出力電流は極性切換信号源12によって定められた極
性でかつ出力電流設定信号源11にて定められた値の電流
に制御されることになり、インバータ回路３の出力周波
数に相当する高周波から正または負極性の直流電流まで
任意に得られることになる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来装置においては、出力回路にリアクトル７を
有するために出力電流の極性を正から負またはその逆に
極性を変えるときには単方向スイッチング素子に対する
導通指令信号を遮断しても電流は急には零にならず回路
の力率に見合った時間だけ遅れて零になる。このために
出力電流を正から負またはその逆に切り換えるときには
この遅れ時間に相当する休止時間を設けることが必要と
なる。またこの休止時間の後に逆方向の極性とすべく単
方向スイッチング素子を導通させてもリアクトル７のた
めに出力電流の立上りも遅れることになり、結局極性の
切り換えの前後において低電力の期間が必然的に発生す
ることになり、溶接アークの中断を招くことになる。こ
のためにアーク切れとなって円滑な溶接が行えなくなる
ものである。このような現象を防止するためには、リア
クトル７のインダクタンスを小さくすることが必要にな
るが、このリアクトル７は直流出力時におけるアーク溶
接の安定性から必要なインダクタンスが定まるものであ
るので無制限に小さくしたり省略したりすることはでき
ない。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、リアクトルを２個に分割し、各リアクトル
は共通の鉄心に巻かれた巻線を有し、かつ各巻線はそれ
ぞれ正および負の極性の電流を出力する単方向スイッチ
ング素子に直列となるように上記従来装置の単方向スイ
ッチング素子の出力端子側を分割して接続するととも
に、各直列に接続される単方向スイッチング素子の導通
によって鉄心に同じ方向の磁束が発生する極性に巻方向
が定められた構造とすることによって上記従来装置の問
題点を解決したものである。

［実施例］ 第１図は本発明の実施例を示す接続図であり、第５図
の従来装置とはリアクトルが15a,15bの２個となってお
り、かつ単方向スイッチング素子とリアクトルとの接続
が図示の如くそれぞれ出力電流の極性毎に分割されてい
る点が異なり、他は同機能を有するものに同符号を付し
てある。このリアクトル15aおよび15bは共通の鉄心に巻
かれたコイルから構成されており、かつそれぞれの巻線
は図に・印で示すように各直列単方向スイッチング素子
6aないし6dの導通時に鉄心に同方向の磁束が発生する極
性にその巻方向が定められている。

同図の実施例の動作を第２図の波形図によって説明す
る。全体的な動作は第５図の装置と略同じであるので極
性切り換え時の動作について説明する。第２図において
（ａ）は変圧器５の出力電圧波形を示し（ｂ）は出力電
流波形を示している。第１図において単方向スイッチン
グ素子6bと6cとが交互に遅れ角αで導通しているとき
は、変圧器５の出力電圧は両波整流されて電極８が正と
なる極性の電流が流れている。このとき単方向スイッチ
ング素子6bと単方向スイッチング素子6cとはそのアノー
ドが共通接続されてリアクトル15bに接続されているの
で出力電流はリアクトル15bによって平滑されて略平坦
な直流＋Ioとなる。次に時刻T1において単方向スイッチ
ング素子6b,6cのかわりに単方向スイッチング素子6a,6d
を導通させると、それまで単方向スイッチング素子6b,6
cの導通によって蓄積されていたリアクトル15bの残存電
磁エネルギーは鉄心を共有するリアクトル15aにすべて
磁気結合によって移行する。このとき、リアクトル15a
とリアクトル15bとの巻数を同じ巻数にしておけばリア
クトル15aにはその直前にリアクトル15bに流れていた電
流と等しい値の電流が直ちに流れ始めることになり、出
力電流はその絶対値が等しくかつ極性が逆の電流−Ioと
なる。したがって極性の切り換え時に逆方向の単方向ス
イッチング素子の導通を遅らせて休止期間を設ける必要
は全くなく、しかも極性が急峻に変化する理想的な出力
電流波形が得られる。上記と逆に単方向スイッチング素
子6aと6dとを交互に導通している状態から単方向スイッ
チング素子6bと6cとが導通する状態に切り換えるときも
切り換えの直前に流れていた電流によって蓄積されてい
た電磁エネルギーがリアクトル15aからリアクトル15bに
磁気結合によってすべて移行されて上記と同様に急峻な
出力電流の切り換えが行なわれることになる。

なお、リアクトル15aと15bとはその巻数を異なる値に
したときは、極性の切り換え時に等アンペアターンの法
則（Na・Ia＝Nb・Ib）が成り立つから、各リアクトルの
コイルの巻数に逆比例した絶対値の電流がそれぞれの極
性で流れることになるが、このときも切り換え時に電流
の極性が急峻に変化することは同じである。

なお第２図においては理解を容易にするためにインバ
ータ回路３の出力を受ける変圧器５の出力電圧波形が正
弦波状のものである場合について説明したが、この出力
電圧波形が矩形波状のものである場合でも同様の動作を
する。

第１図の実施例は、上記のように動作するので極性の
切り換えに際して全く休止時間を設ける必要がない。そ
こで極性切換信号源12の出力を任意に設定することによ
りインバータ回路３の出力周波数に相当する高周波から
直流まで種々の周波数の出力電流を得ることができる。
さらに出力電流設定信号源11の出力を時間的に変化させ
ることによって任意の波形の出力を得ることができる。
第３図は本発明の電源によって得られる出力波形の例を
示した線図であり、同図において（ａ）はインバータ回
路３の出力波形、（ｂ）は極性切り換え信号源12の出力
信号、（ｃ）は出力電流設定信号源11の出力信号、
（ｄ）は出力電流をそれぞれ時間の経過とともに示して
ある。

第１図に示した実施例においては、出力回路のインダ
クタンスによって電流の位相が電圧の位相よりも遅れる
が、変圧器５の出力電圧が低下して溶接電圧よりも低く
なった時点から逆方向の単方向スイッチング素子が導通
するまでの期間はリアクトル15aまたは15bに蓄えられて
いた電磁エネルギーによって出力電流が持続されること
になる。しかし、この期間は電磁エネルギーが電極８、
被溶接物９、変圧器５、単方向スイッチング素子6aない
し6d、リアクトル15aまたは15bの回路を通して放出され
るので、エネルギーの一部は電源側に回生されることに
なる。このためにインバータ回路３の出力の利用効率が
あまりよくない。そこでリアクトルに蓄積されたエネル
ギーを溶接部にすべて供給するために各リアクトルと単
方向スイッチング素子との接続点と変圧器５のセンター
タップとの間にフライホイール回路を設けてリアクトル
から電源側への電力の回生をなくした実施例の接続図を
第４図に示す。第４図において第１図の実施例と同機能
を有するものには同符号を付してある。また10a,10bは
正負それぞれの極性の電流を別個に検出するための出力
電流検出器であり、11a,11bはそれぞれの極性の出力電
流を設定するための出力電流設定信号源、13a,13bは各
出力電流検出器10a,10bからの出力と出力電流設定信号
源11a,11bの各出力とをそれぞれ比較し差信号を得る比
較器である。また14a,14bは比較器13a,13b、極性切換信
号源12およびインバータ制御回路４からの各出力信号を
入力として単方向スイッチング素子6a,6dまたは6c,6bを
それぞれ導通させるための駆動回路であり、いずれも第
１図の実施例によって示したものを正・負各極性毎に１
組づつ設けたものである。さらに16a,16bはリアクトル1
5a,15bと単方向スイッチング素子6aないし6dとの各接続
点と変圧器５のセンタータップとの間に接続されたフラ
イホイール回路であり、同図の場合は図示の極性に接続
されたダイオードを示してある。第４図の実施例におい
ては、リアクトル15a,15bに蓄積された電磁エネルギー
は変圧器５の出力電圧が低下して次に逆の方向の単方向
スイッチング素子が導通するまでの間にフライホイール
回路16aまたは16bのダイオードを通して電極８と被溶接
物９とからなる負荷に放出されるので極めて効率がよく
なる。さらに同図の実施例においては正方向電流と逆方
向電流とはそれぞれ別々に検出し設定値と比較されるの
で、正負の両極性における電流値を個々に設定すること
が可能となり、よりきめ細かな制御が可能となる。な
お、フライホイール回路16a,16bは図示のようにダイオ
ードを用いる他にトランジスタやサイリスタのように整
流作用を有するスイッチング素子でもよく、この場合に
はフライホイール回路を必要時にのみ有効とするように
制御できるのでさらに繊細な制御が可能となる。さらに
第１図に示した実施例において出力電流検出器10、出力
電流設定信号源11、比較器13、駆動回路14をそれぞれ
正，負２系統設けて第４図の実施例からフライホイール
回路16a,16bを除いた回路としてもよく、また各実施例
において単方向スイッチング素子6aないし6dを図示のよ
うな単方向サイリスタにかえて他の整流機能を有するス
イッチング素子、たとえばトランジスタとしても駆動回
路をトランジスタに適したものに手直しするだけで容易
に実施できる。

［発明の効果］ 本発明は上記のように動作するので、出力周波数をイ
ンバータ回路の動作周波数である高周波から極性変化が
数秒に１回程度の極く低周波、さらには正または負の直
流出力まで任意に設定することが可能であり、しかもこ
れらを溶接中においても自由に変化させることができる
から、高度の溶接品質が要求される高級部品や難溶接材
料の溶接に適用できる溶接電源が得られるものである。

【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図は第１図
の実施例の動作を説明するための線図、第３図（ａ）な
いし（ｄ）は第１図の実施例における各部の出力波形の
例を示す接続図、第４図は別の実施例を示す接続図、第
５図は従来の装置の例を示す接続図である。 ２……整流回路、３……インバータ回路、４……インバ
ータ制御回路、５……変圧器、6aないし6d……単方向ス
イッチング素子、８……電極、９……被溶接物、10,10
a,10b……出力電流検出器、11,11a,11b……出力電流設
定信号源、12……極性切換信号源、13,13a,13b……比較
器、14,14a,14b……駆動回路、15a,15b……リアクトル

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源と、前記直流電源の出力を一定の
   周波数の高周波交流に変換するインバータ回路と、前記
   インバータ回路の出力を溶接に適した電圧に変換する２
   次巻線にセンタータップを有する変圧器と、前記変圧器
   の２次端子の一方に互いに一端が逆極性に共通接続され
   た第１および第２の単方向スイッチング素子と前記変圧
   器の他方の２次端子に互いに一端が逆極性に共通接続さ
   れた第３および第４の単方向スイッチング素子であって
   他端を前記第１および第２のスイッチング素子のうちそ
   れぞれ同極性のものと共通接続した第３および第４の単
   方向スイッチング素子と、前記第１ないし第４の単方向
   スイッチング素子の共通接続点に一方の端子が直列接続
   され他端が共通接続された２つのリアクトルであって共
   通の鉄心を有しかつそれぞれ直列に接続された単方向ス
   イッチング素子の導通によって前記共有する鉄心に同一
   方向の磁束を発生する極性の巻線を有する２つのリアク
   トルと前記第１ないし第４の単方向スイッチング素子を
   所定の順序と位相で開閉制御する制御回路とからなる周
   波数逓降回路とを具備し前記変圧器のセンタータップと
   前記２つのリアクトルの共通接続点とから溶接用出力を
   得る交直両用アーク溶接電源。
2. 【請求項２】前記周波数逓降回路は、前記各単方向スイ
   ッチング素子の非導通時に各リアクトルに蓄積されたエ
   ネルギーを溶接用出力として放出するフライホイール回
   路を有する回路である特許請求の範囲第１項に記載の交
   直両用アーク溶接電源。