JP2574779Y2

JP2574779Y2 - アーク溶接機

Info

Publication number: JP2574779Y2
Application number: JP1992088644U
Authority: JP
Inventors: 正志堀井; 成美福元
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 1992-11-30
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2007-11-30
Also published as: JPH0641969U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、商用周波の交流電源を
一旦整流して直流とした後にインバータ回路によって商
用周波よりも高い周波数の交流に変換し、変圧器によっ
てアーク溶接に適した電圧に変圧した後に再度整流する
方式のアーク溶接機の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般にアーク溶接機においては、アーク
スタートを円滑に行うためには出力電圧を高くしておく
必要があるが、変圧器にて出力電圧をアーク溶接に適し
た値に変圧する方式のものにおいては、高い出力電圧を
得るようにしておくと、無負荷時の励磁電流が大となっ
て無負荷損が増大し、かつ変圧器の温度上昇も高くな
る。そこで従来は、溶接電流が流れるまでは低い出力電
圧となるように低電圧制御を行い、溶接電流が流れ始め
た後は設定電流に応じた定電流制御を行うものが提案さ
れていた。

【０００３】図１にこの方式の従来装置の例を接続図に
て示す。同図において、１は商用交流電源、２は商用交
流電源１の出力を整流して直流とする第１の整流回路で
あり、内部に平滑回路を含む。３は第１の整流回路２の
出力を２０ＫＨｚ〜６０ＫＨｚ程度の高周波に変換する
インバータ回路、４はインバータ回路５の出力を溶接に
適した電圧に変圧する変圧器、５は変圧器４の出力を再
び直流に変換する第２の整流回路、６は出力平滑用の直
流リアクトル、７は溶接電極であり、例えば溶接トーチ
や被覆アーク溶接棒などである。８は被溶接物、９は出
力電流検出器、１０は出力電流有無判別回路、１１はフ
ィードバック信号切替回路、１２は出力設定信号切替回
路、１３は変圧器４に設けられた補助巻線からなる出力
電圧検出回路、１４はインバータ回路３のスイッチング
素子の導通時間率を入力信号に応じて定めるパルス幅変
調回路（以後ＰＷＭ制御回路という）、１５は無負荷電
圧設定回路、１６は出力電流設定回路、１７はＰＷＭ制
御回路の１４の出力を入力としインバータ回路３のスイ
ッチング素子を導通させる駆動信号を出力するスイッチ
ング素子駆動回路である。

【０００４】同図において、出力電流検出回路９が電流
を検出して出力信号ＩｆがＩｆ＞０となるまでは、出力
電流有無判別回路１０の出力ｓ1 はローレベル（以下Ｌ
という）であり、フィードバック信号切替回路１１は
（ａ）側にあり、出力電圧検出回路１３の出力Ｖｆがフ
ィードバック信号ｓ2 として出力される。またこのと
き、出力設定信号切替回路１２も（ａ）側にあって無負
荷電圧設定回路１５の出力信号Ｅｒが設定信号ｓ3 とし
て出力される。この信号ｓ3 （ｓ3 ＝Ｅｒ）はＰＷＭ制
御回路１４にてフィードバック信号ｓ2 （ｓ2 ＝Ｖｆ）
と比較されて差信号Δｓ＝Ｖｆ−Ｅｒが算出され、この
差信号に応じた時間幅のパルス信号がスイッチング素子
駆動回路１７に出力されてインバータ回路３を構成する
スイッチング素子を導通制御する。この結果、溶接電流
が流れていない間はインバータ回路３はその出力電圧が
無負荷電圧設定回路１５の設定値に対応した値になるよ
うに定電圧制御される。

【０００５】次にこの状態で電極７と被溶接物８とを接
触させると、両者間は短絡状態となって短絡電流が流れ
る。この短絡電流によって出力電流検出器９の出力信号
Ｉｆは正（Ｉｆ＞０）となり、出力電流有無判別回路１
０の出力信号ｓ1 はＬからハイレベル（以下Ｈという）
に反転する。このＨ信号によってフィードバック信号切
替回路１１および出力設定信号切替回路１２はともに
（ｂ）側に切替わって出力電流設定回路の出力信号Ｉｒ
と出力電流検出器９の出力信号Ｉｆとが信号ｓ3および
ｓ2 としてＰＷＭ制御回路１４に供給される。ＰＷＭ制
御回路１４においてはこの両入力信号ｓ2 （ｓ2 ＝Ｉ
ｆ）とｓ3 （ｓ3 ＝Ｉｒ）との差信号Δｓ＝Ｉｆ−Ｉｒ
に応じた時間幅のパルス信号が出力されてスイッチング
素子駆動回路１７を経てインバータ回路３のスイッチン
グ素子を導通制御する。この結果、インバータ回路３は
出力電流設定回路１６の設定値に対応した値に出力電流
を保つように定電流制御される。この結果、無負荷時に
は無負荷電圧設定回路１５の出力Ｅｒに応じた低い出力
電圧となって変圧器４の励磁電流を抑制し、溶接電流が
流れている間は設定された電流が得られるように動作す
ることになる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】上記従来装置において
は、無負荷電圧設定回路１５の設定値Ｖｒを低く設定し
ておけば無負荷時の出力電圧を低い値に制限するので変
圧器の無負荷損を低減することができ、温度上昇も低く
抑えることができる。しかし、電圧検出回路１３、無負
荷電圧設定回路１５および設定信号切替回路１２を余分
に設ける必要がある。さらに無負荷時の定電圧制御と溶
接時の定電流制御とを電流検出器９の出力の有無によっ
てのみ行っているのでアーク起動時の無負荷電圧が低い
値に抑制されたままとなって極めてスタートが難しくな
るものであった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本考案においては、イン
バータ回路を構成する半導体スイッチング素子の導通を
制御するＰＷＭ制御回路として出力パルス幅に強制的に
ＯＦＦ期間を設けるデッドタイムコントロール端子を有
するＰＷＭ制御回路を用い、無負荷時にはこのデッドタ
イムコントロール端子に対する信号を大としてＯＦＦ期
間を強制的に広くして電流フィードバック信号と出力電
流設定信号との差信号の大きさにかかわらず出力電圧
（の平均値）を低下させ、かつこのデッドタイムコント
ロール信号の切替えを出力電流検出器の出力によってト
リガーされる時限回路によって出力電流の検出信号によ
って小として最大パルス幅を大きくしかつ出力電流の検
出信号が消滅した後も一定時間小のままとして出力電圧
を高い値に維持するようにして上記従来装置の問題点を
解決したものである。

【０００８】

【実施例】図２に本考案の実施例を示す。同図において
１８は時限回路であり、出力電流有無判別回路１０の出
力ｓ1 が出力電流Ｉｆ＝０からＩｆ＞０となってＨにな
ったときに出力信号ｓ4 がＨとなり、出力電流Ｉｆが消
滅して信号ｓ1 がＨからＬになったときから一定の設定
時間後に出力信号ｓ4 がＨからＬに復帰する瞬時動作限
時復帰の動作を行う回路を用いる。この時限回路として
は、例えば図中に示すように入力信号の立下りでトリガ
ーされて一定時間の間Ｈ信号を出力するモノマルチバイ
ブレータＭＭ１とこのモノマルチバイブレータＭＭ１の
出力と信号ｓ1 とを入力とするオア回路ＯＲ１とによっ
て構成することができる。１９は時限回路１８の出力信
号ｓ4 を入力として入力信号がＨのときに低い電圧を出
力し、入力信号がＬのときに比較的高い電圧を出力する
デッドタイムコントロール信号切替回路であり、例えば
図中に示すように直流電源Ｅｓとこの直流電源Ｅｓの出
力電圧を分圧する抵抗器Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 および抵抗器
Ｒ2 の端子間を時限回路１８の出力信号ｓ4 がＨのとき
に短絡するアナログスイッチＡＮ１とからなり、抵抗器
Ｒ1 とＲ2 との接続点から出力信号ｓ5 を取り出す回路
を用いることができる。２０はＰＷＭ制御回路であり、
出力電流設定回路１６の出力信号Ｉｒと出力電流検出器
９の出力信号Ｉｆとを入力として両信号の差ΔＩ＝Ｉｆ
−Ｉｒに応じたパルス幅のパルス信号を生成するととも
に、デッドタイムコントロール端子ＤＴＣに入力される
信号ｓ5 の大きさに応じて定まるＯＦＦ時間によって定
まる最大パルス幅とのいずれか狭い方のパルスｓ6 をス
イッチング素子駆動回路１７に出力する。このＰＷＭ制
御回路としては、パルス幅制御方式のためのスイッチン
グレギュレータ用制御回路として市販されているＩＣ
（集積回路）が多くある。（例えば、日本電気（株）製
μＰＣ４９４）同図のその他の部分は図１の従来装置と
同機能のものに同符号を付して説明の重複を避ける。

【０００９】図３は図２の装置の動作を説明するために
各部の波形を模式的に示した線図である。同図におい
て、（ａ）は電極７と被溶接物８との接触短絡状況、
（ｂ）は出力電流有無判別回路１０の出力信号ｓ1 、
（ｃ）は時限回路１８の出力信号ｓ4 、（ｄ）はデッド
タイムコントロール信号切替回路１９の出力信号ｓ5 、
（ｅ）はＰＷＭ制御回路２０の出力信号ｓ6 、（ｆ）は
出力電圧ｅa 、（ｇ）は出力電流ｉa 即ち出力電流検出
器９の出力信号Ｉｆの各変化を時間の経過とともに示し
てある。

【００１０】図２の装置の動作を図３の線図とともに説
明する。図３（ａ）に示すようにアーク起動前であって
電極７を被溶接物８に接触させる時刻ｔ1 までは出力電
流は流れないから出力電流有無判別回路１０の出力信号
ｓ1 はＬであり、時限回路１８は動作せずその出力信号
ｓ4 もＬである。それ故、デッドタイムコントロール信
号切替回路１９は大なる信号（高い電圧の信号）ｓ5 を
出力している。一方、出力電流検出回路９の出力信号Ｉ
ｆは零であり、出力電流設定回路１６の設定値Ｉｒに対
しては低すぎる値となっており、差信号（Ｉｆ−Ｉｒ）
が過大となるためにＰＷＭ制御回路２０は最大パルス幅
の出力を発生する条件が整っている。しかし、前述のよ
うにデッドタイムコントロール端子ＤＴＣに入力される
信号ｓ5は高い値であるので結局、ＰＷＭ制御回路２０
はこのデッドタイムコントロール端子に供給される高い
電圧によって定まる休止時間率（ＯＦＦ時間率）の大き
なパルスを出力信号ｓ6 として出力することになり、導
通時間率が低いパルスを発生するようになる。それ故、
このときは狭いＯＮパルス時間の信号ｓ6 によってイン
バータ回路３が駆動されることになり、このために出力
電圧の平均値は低い値となる。

【００１１】次に電極８を被溶接物９に接触させると、
両者の短絡部を通じて短絡電流が流れ、この電流Ｉａが
出力電流検出器９によって検出されてフィードバック信
号Ｉｆ（≠０）となる。この検出信号Ｉｆ＞０によって
出力電流有無判別回路１０の出力信号ｓ1 はＨとなり、
これによって時限回路１８の出力信号ｓ4 もＨとなる。
この結果デッドタイムコントロール信号切替回路１９の
出力信号ｓ5 はアナログスイッチＡＮ１が閉じるために
低い値（小）となり、ＰＷＭ制御回路２０のデッドタイ
ムを必要最小限の値に狭くして、最大パルス幅の制限を
解除して広いＯＮパルス幅の出力を可能とする。一方、
出力電流検出回路９の出力信号ＩｆはＰＷＭ制御回路２
０にて出力電流設定回路１６の設定値Ｉｒと比較され
て、差信号（Ｉｆ−Ｉｒ）に応じた時間幅のパルス列ｓ
6 が生成されてスイッチング素子駆動回路１７を経てイ
ンバータ回路３が駆動され、出力電流が設定値Ｉｒに等
しくなるように定電流制御される。この状態で電極７を
被溶接物８から引きあげると両者の間の接触が解消した
瞬間にアークが発生して溶接が開始される。

【００１２】次に時刻ｔ＝ｔ２（またはｔ５）において
電極７を被溶接物８から大きく引離してアークを遮断す
ると、出力電流Ｉａは零となり出力電流検出信号Ｉｆも
零（Ｉｆ＝０）になるが、この信号Ｉｆの立下り、即ち
出力電流有無判別回路の出力信号ｓ１の立下りから一定
時間ｔｄの間は時限回路１８の出力信号ｓ４はＨの状態
に保たれるから、デッドタイムコントロール信号切替回
路１９の出力信号ｓ５は引続いて低い値に保たれる。一
方、アークの遮断により出力電流検出信号Ｉｆは零にな
るからＰＷＭ制御回路２０は入力信号の差（Ｉｆ−Ｉ
ｒ）が大となるために最大パルス幅の出力パルス列ｓ６
を発生することになり、これによって駆動されるインバ
ータ回路３の出力電圧は最大出力となる（時刻ｔ＝ｔ２
ないしｔ４の間、またはｔ５ないしｔ６の間）。

【００１３】この状態が続いている間（時刻ｔｄの間、
例えば図３の時刻ｔ＝ｔ３）に電極７と被溶接物８との
接触が発生すると、高い出力電圧によって容易にアーク
が発生することになる。またこのｔｄの時間中に時刻ｔ
＝ｔ５とｔ６との間のように電極７と被溶接物８との接
触が発生しないと、時限回路１８の時限終了により時刻
ｔ＝ｔ６に示すように出力信号ｓ４がＬとなり、デッド
タイムコントロール信号切替回路１９の出力電圧が再び
高い値となってＰＷＭ制御回路２０の出力パルスｓ６の
ＯＦＦ期間を強制的に長くし、インバータ回路３の平均
出力電圧は低い値に戻ることになる。それ故、この時限
回路１８の設定時限を作業態様に応じて適値に選定すれ
ばよい。例えば定まった作業を行う自動溶接に用いる場
合には数分間程度の比較的長い時間に設定し、作業者が
トーチを操作する半自動溶接や被覆アーク溶接棒を用い
る手溶接に用いる場合には溶接と休止、再スタートとが
ランダムにくりかえされるので数１０秒ないし１分程度
の比較的短かい時間に設定するなどである。

【００１４】次にデッドタイムコントロール機能につい
て説明する。デッドタイムコントロールは一般的なイン
バータ制御用ＰＷＭ制御回路を構成した集積回路に設け
られている機能であるが、その回路構成を概念的に示す
と図４のようになる。図４においてＤｅｆ１は誤差増幅
器、Ｃｏｍｐ１，Ｃｏｍｐ２は比較器、ＯＳＣは鋸歯状
波発振器、ＡＮＤ１はアンド回路である。またａ1 ，ａ
2 は入力端子、ＤＴＣはデッドタイムコントロール信号
入力端子、ｏは出力端子である。図５は図４のＰＷＭ制
御回路の動作を説明するための各部の波形を示す線図で
あり、（ａ）は発振器ＯＳＣの出力信号ｓ7 、出力電流
設定信号Ｉｒと出力電流検出信号Ｉｆとの差信号（誤差
増幅器Ｄｅｆ１の出力信号ΔＩ）、およびデッドタイム
コントロール信号切替回路１９の出力信号ｓ5 との関係
を示し、（ｂ）は誤差信号ΔＩと発振器ＯＳＣの出力信
号ｓ7 とを比較し、ｓ7 ＞ΔＩのときＨ信号を出力する
比較器Ｃｏｍｐ１の出力ｓ8 、（ｃ）はＤＴＣ端子入力
信号ｓ5 と発振器ＯＳＣの出力信号ｓ7 とを比較し、ｓ
7 ＞ｓ5 のときにＨ信号を出力する比較器Ｃｏｍｐ２の
出力信号ｓ9 、（ｄ）は信号ｓ8 とｓ9 とがともにＨと
なったときにＨ信号を出力するアンド回路ＡＮＤ１の出
力、即ちＰＷＭ制御回路２０の出力ｓ6 をそれぞれ時間
の経過とともに示してある。

【００１５】図４および図５において誤差信号ΔＩ＝Ｉ
ｆ−Ｉｒは発振器ＯＳＣの出力信号ｓ7 と比較されてｓ
7 ＞ΔＩの期間Ｈとなる信号ｓ8 となる。またＤＴＣ端
子に供給されるデッドタイムコントロール信号切替回路
１９の出力信号ｓ5 は発振器ＯＳＣの出力信号ｓ7 と比
較されてｓ7 ＞ｓ5 の期間Ｈとなる信号ｓ9 となる。信
号ｓ8 とｓ9 とはアンド回路ＡＮＤ１に供給されて、両
信号がともにＨの期間Ｈとなる信号がＰＷＭ制御信号ｓ
6 として出力される。ここで図５のようにＤＴＣ端子に
供給される信号ｓ5 が低い値であるときには、信号ｓ9
がＨとなる期間は広く、このために信号ｓ6 はほとんど
ＤＴＣ端子への入力信号に影響を受けず誤差信号ΔＩに
よって定まることになる。（通常溶接時および時限回路
１８の設定時限ｔd の間）

【００１６】次に図６は図４の回路においてＤＴＣ端子
への入力信号ｓ5 が高い値であるときの様子を図５と同
様に示した線図であり、同図の場合は信号ｓ5 が高い値
であるために信号ｓ9 のＨとなる期間が狭く、このため
に信号ｓ8 とｓ9 とがともにＨとなる期間に相当する信
号ｓ6 は誤差信号ΔＩの大きさにかかわらず信号ｓ9に
よって制限された狭いパルス幅の信号となる。それ故図
６の場合は、図２の装置において溶接開始前およびアー
ク遮断後時限回路１８の設定時限経過後に相当し、図３
の時刻ｔ＝ｔ1 以前およびｔ＝ｔ6 以後に相当する。な
お図４は、デッドタイムコントロール機能付ＰＷＭ制御
回路をその機能を説明するために概念的に示した接続図
であり実際の集積回路の中味を正確に示したものではな
い。

【００１７】本考案は図２の実施例にのみ適用できるも
のではなく、第２の整流回路の次にブリッジ接続された
スイッチング素子を接続してこのスイッチング素子を適
宜ＯＮ−ＯＦＦすることによって正、逆、または交流の
出力を得るようにした極性切替回路を設けて交直両用と
してもよく、また第２の整流回路５の出力として正、
零、負の３出力を得るものとし、各正、負出力端子に直
列にスイッチング素子をそれぞれ接続した極性切替回路
を設けて同様に交直両用としたものでもよい。

【００１８】図７は、交直両用としたときの実施例を示
す接続図であり、第２の整流回路以降のみを示してい
る。同図において２１は極性切替回路であり、ブリッジ
接続されたスイッチング素子Ｑ1 ないしＱ4 およびこれ
らのスイッチング素子のうちＱ1 とＱ4 およびＱ2 とＱ
3 とをそれぞれ１組として同時にかつ各組を適宜の順序
でＯＮ−ＯＦＦ制御する極性切替制御回路２１ａから構
成されている。同図において、スイッチング素子Ｑ1 と
Ｑ4 とを導通させると電極７がプラスとなる極性の直流
出力が得られ、スイッチング素子Ｑ2 とＱ3 とを導通さ
せると電極７がマイナスとなる極性の直流出力が得られ
る。またスイッチング素子Ｑ1 とＱ4 およびスイッチン
グ素子Ｑ2 とＱ3 との各組を交互に切替えることにより
交流出力が得られる。

【００１９】図８は極性切替回路を設けた別の例を示す
接続図であり、変圧器４以降を示している。同図におい
て、変圧器４は２次巻線にセンタータップを有しており
第２の整流回路５は変圧器４のセンタータップを有する
２次巻線の各出力を両波整流するダイオードＤ1 ないし
Ｄ4 から構成されており、正、零および負の各出力を得
ている。極性切替回路２１は第２の整流回路５の正、負
出力端子にそれぞれ直列接続され、他端が共通接続され
たスイッチング素子Ｑ5 およびＱ6 とこれらのスイッチ
ング素子Ｑ5 ，Ｑ6 を適宜ＯＮ−ＯＦＦ制御する極性切
替制御回路２１ｂから構成されている。同図においてス
イッチング素子Ｑ5 またはＱ6 をＯＮ−ＯＦＦすること
により正、逆および交流の各極性の出力が得られるのは
図７の装置と同様である。

【００２０】なお上記各実施例において、インバータ回
路および極性切替回路を構成するスイッチング素子とし
ては、スイッチングトランジスタやＧＴＯのような自己
消弧形のスイッチング素子やサイリスタのような自己消
弧性のないスイッチング素子を適当な消弧回路とともに
用いるものが使用できる。

【００２１】

【考案の効果】本考案は、上記の通りであるので、溶接
休止時間が長い間は出力電圧が低くなり無負荷損を低減
でき温度上昇を低く抑えることができる。また、一旦溶
接アークを発生させると、短時間の溶接休止では出力電
圧は高い値に保たれるのでアークの再起動が容易とな
り、作業性が著しく改善されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の装置の例を示す接続図。

【図２】本考案の実施例を示す接続図。

【図３】図２の装置の動作を説明するための線図。

【図４】本考案に用いるデッドタイムコントロール機能
を有するＰＷＭ制御回路の概念を示す接続図。

【図５】図４のＰＷＭ制御回路の溶接中の動作を説明す
るための線図。

【図６】図４のＰＷＭ制御回路の溶接休止中の動作を説
明するための線図。

【図７】本考案の別の実施例の第２の整流回路以降を示
す接続図。

【図８】本考案のさらに別の実施例の変圧器以降を示す
接続図。

【符号の説明】

２第１の整流回路３インバータ回路４変圧器５第２の整流回路６リアクトル７電極８被溶接物９出力電流検出器１０出力電流有無判別回路１６出力電流設定回路１７インバータ駆動回路１８時限回路１９デッドタイムコントロール信号切替回路２０ＰＷＭ制御回路２１極性切替回路２１ａ，２１ｂ極性切替制御回路

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】交流電流を整流して直流とする第１の整
流回路と前記第１の整流回路の出力を高周波交流に変換
するインバータ回路と前記インバータ回路の出力をアー
ク溶接に適した電圧に変換する変圧器と前記変圧器の出
力を整流して直流とする第２の整流回路とを有するアー
ク溶接機において、出力電流設定器と、出力電流検出器
と、前記出力電流設定器の設定値Ｉｒと前記出力電流検
出器の出力Ｉｆとを入力とし差信号ΔＩ＝Ｉｆ−Ｉｒを
得る誤差増幅器と、前記出力電流検出器の出力信号Ｉｆ
を入力としＩｆ＞０の期間およびＩｆ＞０からＩｆ＝０
になる立下り時から一定時間の間出力信号を発する時限
回路と、前記誤差増幅器の出力を入力として前記インバ
ータ回路のスイッチングパルス幅を制御するデッドタイ
ムコントロール端子付ＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ制
御回路の出力パルス幅の最大値を制限するための高低２
種類のデッドタイムコントロール信号発生回路と、前記
時限回路の出力信号に応じて出力電流通電中および出力
電流通電終了から一定時間の間は前記ＰＷＭ制御回路の
デッドタイムを最小幅とし前記時限回路の時限終了後は
前記デッドタイムを大きくして前記インバータ回路の出
力電圧を低下させるデッドタイムコントロール信号切替
回路とを備えたアーク溶接機。
【請求項２】請求項１に記載のアーク溶接機におい
て、前記第２の整流回路の出力を正極性出力、逆極性出
力および正逆両極性を交互に切替えて交流出力とする極
性切替回路を備えて交直両用としたアーク溶接機。