JP2866877B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、３相交流を単相交流に変換する電源装置に
関するもので、特に交流アーク溶接，スポット溶接，シ
ーム溶接等の溶接装置、またはロボット積載用のアーク
溶接やサブマージの電源、または照明器具，振動機，電
動機や電熱器等の電源として高効率が得られる単相交流
の電源装置に関するものである。

〔従来の技術〕

一般にスポット溶接装置の電源、あるいは照明器具，
電動機や電熱器等の電源としては、通常単相交流が使用
される。この単相交流を得るため３相交流を単相交流に
変換する装置としては、スコット配線や３相低周波方
式，インバーター方式等が知られているが、これらの場
合大電流になればなるほど３相不平衡が生じるという問
題があり、また電力効率が悪いという問題があった。

すなわち、上述のスコット配線等は、回路構成が複雑
で電源装置としては装置が大型になり、また３相の中の
１相に２倍の過大電流が流れる等、安定した電流を取り
出し難く、特に電源装置としての信頼性に問題があっ
た。

また、スポット溶接装置の電源として上述の３相低周
波方式が採用されているが、装置が大型かつ高価で故障
が多いという問題があった。

また、アーク溶接装置は一般に大電流を必要とするた
め、磁気漏洩方式及びリアクトル方式の２種類の電源方
式が採用されており、前者はトランスとして磁気漏れ変
圧器を用いたもの、後者はトランスの２次側とアーク電
極によって構成される放電回路に直列に可飽和リアクト
ルを挿入したものである。これらはいずれも急峻に高電
圧に立上り、その後電圧が急激に降下する、アーク溶接
時における垂下特性に合致した出力特性を得るようにし
ているが、これらにおいては変圧部での電磁漏洩やリア
クトルによる損失が大きいと言う問題点があった。

さらに最近インバーター方式が多く採用され、これは
交流を整流した後、周波数を約数百サイクル〜1200サイ
クルに上げてトランスを小型軽量にし、その２次側を直
流とする方式であるが、これも甚だ高価であり効率も悪
くまた故障も多いものであった。そこで小型軽量で効率
のよい電源装置が要求されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

この発明はこのような状況に鑑みてなされたもので、
全く新規な小型，軽量で効率がよく、３相交流を単相交
流に変換する高出力の電源装置を得ることを目的として
いる。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る電源装置は、３相交流電源に接続さ
れ、６相交流を発生し、６相のうちから所望の３つの相
からなる第1,第２の３相交流電力を出力可能な６相/3相
変換回路と、該６相/3相変換回路からの第1,第２の３相
交流出力の供給を、例えば各相の約120゜〜180゜の範囲
のみ行うよう制御する第1,第２の位相制御回路と、一次
側に３相一次コイルを、二次側に単相の二次コイルを巻
回した単相鉄芯を有し、上記３相の一次コイルが上記第
1,第２の位相制御回路を介して上記第1,第２の３相交流
出力に接続され、上記二次コイルを並列あるいは直列に
共通接続した第1,第２の変圧部とを備え、上記二次コイ
ルの共通出力に単相交流を出力するようにしたものであ
る。

またこの発明は、上記電源装置において、上記第２の
位相制御回路には、第１の位相制御回路に供給する３相
出力とは各相が逆相の関係にある３相出力を供給するよ
うにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、上記のような構成としたから、
位相制御回路による点弧制御により各変圧部の第1,第2,
第３の一次コイルには各相の交流正弦波形の約120゜〜
約180゜の範囲においてのみ通電がなされ、これにより
鉄芯には３相交流の３倍周波の鋸歯状波の磁界が発生
し、このため二次コイルには立ち上がりが急峻でその後
電圧レベルが急速に降下する垂下特性を持った３倍周波
の単相交流が誘導される。また各変圧部の二次コイルは
並列あるいは直列に接続されているため、出力電流ある
いは出力電圧が倍増する。これにより高出力かつ小型，
軽量であり、しかも３相不平衡の問題がなく効率のよい
電源装置が得られる。

またこの発明においては、上記各変圧部の一次側に、
それぞれ逆相関係にある２つの３相を供給するようにし
たもので、フリッカの問題をなくすことができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図（ａ）はこの発明の一実施例による電源装置を
用いたアーク溶接装置を示す全体構成図、第１図（ｂ）
はその６相/3相変換回路の構成を示す図である。

図において、1,2,3は３相交流電源、50は該３相交流
電源に接続され、６相交流を発生し、そのうちから所望
の３つの相を２組選択して出力可能な６相/3相変換回路
で、３相交流電源を入力とし、該電源の第１相〜第３相
及びこれらと逆相である第１逆相〜第３逆相からなる６
相の交流電力に変換する変換回路51と、該変換回路51の
６相の各出力のうちから所望の３つの出力を選択可能な
第1,第２の相選択回路25a,25bとから構成されており、
ここでは該両相選択回路52a,52bは、上記第１相〜第３
相を選択するよう設定している。

60a,60bはそれぞれ該各相選択回路52a,52bの後段に接
続され、該回路の出力である３相交流電力の供給を各相
の120゜〜180゜の範囲のみ行うよう制御する位相制御回
路である。また70,80はそれぞれ上記位相制御回路60a,6
0bの後段に接続された変圧器であり、一次側に３つの一
次コイルを、二次側に１つの二次コイルを巻回した薄鉄
板の積層体からなる鉄芯を有している。つまり71,72,73
は変圧器70の第１〜第３の３相の一次コイル、74はその
二次コイル、81,82,83は変圧器80の第１〜第３の３相の
一次コイル、84はその二次コイルである。またここで
は、上記両変圧器は、各二次コイル74,84の一端を共通
出力端子Ｃとし、両二次コイルの他端を、該共通出力端
子Ｃに対して同相の単相電圧が発生する出力端子A,Bと
している。また100は上記６相/3相変換回路50、第1,第
２の位相制御回路60a,60b及び第1,第２の変圧器70,80か
らなる電源装置である。

また第１図（ｃ）は上記変圧器の二次側出力を用いて
溶接を行う場合を示しており、300はアーク溶接を行う
溶接部であり、これは上記共通端子Ｃに接続された被溶
接材11と、上記出力端子A,Bに接続された被溶接材10a,1
0bとからなっている。

また第１図（ｄ）は上記位相制御回路60の詳細を示
し、図中20a,20b,20cはサイリスタ、21は３相交流の各
相の正弦波の零クロス点を検出する零クロス点検出器、
22a,22b,22cは該零クロス点検出器21の出力を受け、各
相のサイリスタ20a,20b,20cの点弧角を調整する位相調
整器である。

次に動作について説明する。

３相交流電源1,2,3よりの３相電力（第２図（ａ））
は、６相/3相変換回路50の変換回路51で、該電源の第１
相〜第３相（Ｕ相〜Ｗ相）及びそれらの逆相である第１
逆相〜第３逆相（Ｕ′相〜Ｗ′相）からなる６相の交流
電力（第２図（ｂ））に変換され、第1,第２の相選択回
路52a,52bに出力される。該両相選択回路では、該変換
回路51の６相の各出力〜のうちからＵ相,V相，
及びＷ相が選択される。

そして該各相選択回路52a,52bから各変圧部70,80の３
相コイル71〜73,81〜83への通電は、各位相制御回路60
a,60bによって制御され、第２図（ｃ）に示すように第
1,第2,第３の３相コイル71〜73,81〜83には、各相の交
流正弦波形U,V,Wの位相角120度〜180度の範囲（Ｕにつ
いてはｃとf,Vについてはｂとe,Wについてはａとｄ）内
においてのみ通電が行われ、それ以外の時間は各コイル
は開放状態である。

このようにして各変圧器70,80の３相の各コイル71〜7
3,81〜83に順次通電が繰り返されると、各変圧器の鉄芯
内には第２図（ｄ）に示すような鋸歯状波の３倍周波の
垂下特性を持った磁束が誘導され、これにより各変圧器
の二次コイル74,84には同じく第２図（ｄ）に示すよう
な鋸歯状の３倍周波の電流Ｉが上記出力端子A,C間及び
出力端子B,C間に誘導されることとなる。

そして、この鋸歯状の３倍周波の電流が溶接部300の
被溶接材11と被溶接材10a及び10bとの間に印加され、こ
れらの間でアーク13を発生し、アーク溶接が行われる。
この際、以下に述べる効果が得られる。

本実施例では、３相を単相に変換しているので、３
相不平衡の問題は生じない。また各変圧器70,80の二次
側の単相出力としては、３相交流の３倍の周波数、すな
わち60サイクルに対し180サイクルが得られるので溶接
速度が従来の３相／単相変換装置を用いた場合に比べて
３倍になる。同じ速度のときは溶接のビートが、第３図
（ａ）に示す従来のものに比し第３図（ｂ）のように３
倍細やかになる。このように溶接の品質を向上できる。

従来の３相／単相変換電源装置では、得られる単相
出力は正弦波であるが、本発明により電源出力値には急
峻に高電圧に立上り、これから垂下状に零となる鋸歯状
波が得られるため、アーク溶接時にアークが出やすくか
つ安定したアークが得られる。

すなわち、本電源装置は本質的に垂下特性を持った電
源となっており、溶接には極めて好都合である。

本発明の電源は上述のように垂下特性を備えたもの
であるので、この垂下特性を得るために従来一般に使用
されている漏洩磁束型の装置または、第４図に示すよう
な可飽和リアクトルＬ等を用いる必要がなく、これに伴
う損失や力率の低下を生ずることがない。

また、得られる周波数が３倍となるので、変圧器が
小型となり、重量が従来の1/3で済み、大変小型軽量と
なる。また構造が簡単で小型軽量となるので、製造コス
トも大幅に低減できる。

また、従来の装置では無負荷電圧が60V〜100V必要
であったが、本発明では無負荷電圧がかなり小さくて済
み、安全であるとともに取扱いも簡単で技術の熟練を必
要とせず、かつ自動化も容易である。

１相の交流正弦波形の点弧角を120度を中心に前後
に適当に調整することにより、アークの強さを大きく調
整することができる。

つまり、調整範囲を従来に比べて広くすることがで
き、コンピュータによる自動制御を行うことによって従
来不可能であった領域の溶接を可能にし、かつ溶接安定
性を得ることができる。

また、小型軽量でかつアークが安定しているので、
これをロボットに搭載することにより大型厚板のアーク
溶接を行うことができる。すなわち、同じ重量で従来の
３倍の溶接能力を発揮できる。

さらに本実施例では、２つの変圧器70,80を用い、
それぞれ二次コイル一端を共通接続した共通出力端子Ｃ
と各二次コイル他端側の出力端子A,Bとの間に出力を得
るようにしているため、１つの被溶接材11に対して、２
つの被溶接材10a,10bを同時に溶接することが可能とな
り、作業性を向上することができる。

また上記実施例では、共通出力端子Ｃを基準として
出力端子A,Bには同相の電圧が発生するようにしている
ため、上記両出力端子A,Bを共通接続して２つの変圧器7
0,80の二次コイルを並列接続とすることにより、第５図
（ａ），（ｂ）から分かるように二次側の出力電流が１
つの変圧器の出力電流Ｉの２倍になり、電力ＰはＰ＝2I
・Ｖと変圧器１つの場合（Ｐ＝Ｉ・Ｖ）の二倍になる。

次にこの発明の他の実施例について説明する。

第６図は本発明の第２の実施例による電源装置の全体
構成を示し、この実施例では、上記両変圧器70,80の二
次側出力を直列接続としており、この点のみ上記第１の
実施例と異なる。

この実施例では、第６図（ｂ），（ｃ）から分かるよ
うに、両変圧器の二次コイルの他端側出力端子A,B間に
は、変圧器１つの場合の出力電圧Ｖの二倍の電圧が発生
し、この場合の電力ＰはＰ＝2V・Ｉと変圧器１つの場合
（Ｐ＝Ｖ・Ｉ）の二倍になる。

なお、上記各実施例では、第1,第２の相選択回路52a,
52bでは、第７図（ｂ）に示すように変換回路51の６相
〜のうちからＵ相,V相,W相を選択するように
していたが、各相選択回路での選択する相はこれに限る
ものではない。

第７図は本発明の第３の実施例による電源装置を説明
するための図であり、ここでは、第１の相選択回路52a
で変換回路51の６相の出力〜から、Ｕ相,V相,W
相を選択し、第２の相選択回路52では、上記とは逆相
のＵ′相,V′相,W′相を選択するようにしてい
る。その他の点は上記第１あるいは第２の実施例と同一
である。

この実施例では、各変圧器の一次側に、互いに逆相の
関係にある２つの３相を供給するようにしているため、
上述した実施例の効果に加えて、フリッカの問題を解決
することができる。特に大型２電極方式のシーム溶接装
置に卓効がある。

また第８図は本発明の第４の実施例による電源装置の
変圧部を示し、この実施例は、上記第１又は第２の実施
例において各相選択回路52a,52bを、Ｗ相に代えてそ
の逆相であるＷ′相を選択するよう設定したものであ
る。この実施例においては上記の実施例と同じく各相を
約120゜〜180゜間で点弧すると、各変圧器の二次側出力
に得られる波形は第８図（ｂ）のような波形となり、一
周期において＋側に３個の鋸歯状波が、−側に３個の鋸
歯状波が得られることとなる。つまり３相60サイクルの
電源入力に対し、単相60サイクルでありながら１秒間に
360個の鋸歯状波が得られることとなる。

このように１相のみを逆相として各相を約120゜〜約1
80゜で位相制御すれば、各変圧器の２次側に上記のよう
な60サイクルの鋸歯状波の波形が得られるので、これを
スポット溶接または鍛造成形用加熱電源等に使用すれ
ば、180サイクルの鋸歯状波よりもリアクタンス損失が
少なく、それだけ加熱エネルギーが増大することとなっ
て、２つの変圧器の直列あるいは並列出力が有利なもの
となる。具体的には、懐の深い溶接，つまり変圧部から
離れた位置での溶接が可能となる。

第９図（ａ）はこの発明の第５の実施例による電源装
置の変圧部を示し、これは第１又は第２の実施例におい
て第４の実施例のように各相選択回路52a,52bを、Ｗ相
に代えてその逆相であるＷ′相を選択するよう設定
するとともに、Ｕ相を約120゜〜約180゜、Ｖ相を約０゜
〜約180゜、Ｗ′相を約60゜〜約180゜で点弧するように
したものであり、この場合は各変圧器の二次側出力に
は、第９図（ｂ）のように、大きな波高の60サイクルの
鋸歯状波が得られ、該両変圧器の直列あるいは並列出力
はスポット溶接にはさらに有利なものとなる。

この実施例では、Ｕ相の点弧開始時期が約120゜で、
溶接電流波形の鋸歯状波が第９図（ｂ）のような形状で
ある場合を示したが、点弧開始時期を100゜程度にすれ
ば、各変圧器の出力には、立ち上がり位置がより前方と
なり、かつ立上り波形の上端頭部が丸みを帯びた鋸歯状
波が得られ（第９図（ｃ）参照）、溶接の用途によって
はこのような波形の溶接電流が有効である。

第10図（ａ）はこの発明の第４の実施例による電源装
置の変圧部を示し、この実施例は第１又は第２の実施例
において、各位相制御回路60a,60bを、Ｗ相を常に開放
とし、Ｕ相及びＶ相を約120゜〜約180゜間で点弧するよ
う構成したものである。この場合第10図（ｂ）のよう
に、各変圧器の出力には、一周期において＋側及び−側
にそれぞれ、所定間隔を置いて２個の鋸歯状波が得ら
れ、つまり＋側及び−側に中休み期間を持つ波形が得ら
れ、両変圧器の二次側直列あるいは並列出力は、鋳物
等、急激に温度上昇を行ってはならないものの溶接に便
利なものとなる。

またここで、第10図（ｃ）に示すようにＵ相を120゜
〜180゜、Ｖ相を０゜〜180゜で点弧するようにすると、
各変圧器の出力には、両相のエネルギーが合成されて波
形の立ち上がり初期が強く漸次弱くなる擬似鋸歯状波
（第10図（ｄ）参照）が得られる。

また、第11図は本発明の第７の実施例による電源装置
の変圧部を示し、ここでは、第１あるいは第２の実施例
において各相選択回路52a,52bを、Ｕ相,V相,W′相を選
択するように設定し、各位相制御回路60a,60bを、Ｕ相
を60゜〜180゜で点弧し、Ｗ′相を０゜〜180゜で点弧
し、Ｖ相を常に開放とするよう構成しており、この場
合、各変圧器の出力には、第10図（ｄ）に波形に比べさ
らにエネルギーの大きい第11図（ｃ）のような波形が得
られる。

この場合波形の立ち上がり初期のエネルギーが大き
く、また急峻に立ち上がるので、上記両変圧器の二次側
の直列あるいは並列出力は、スポット溶接やアーク溶接
等に有利なものとなる。またこの場合溶接の強さが増大
するので、溶接速度の増大や厚い被溶接材への溶接が可
能となる。さらに各相の点弧の範囲を変えることにより
出力エネルギーを任意の値に調整できる。

なお、上記第４〜第７の実施例では、各変圧器の一次
側に同相の３相を供給する場合を示したが、これは第３
の実施例で説明したように、各変圧器の一次側に逆相の
関係にある２つの３相を供給するようにしてもよく、こ
の場合フリッカの問題を解消することができる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、３相交流電源に接続
され、６相交流を発生し、６相のうちから所望の３つの
相からなる第1,第２の３相交流出力を出力可能な６相/3
相変換回路と、該６相/3相変換回路からの第1,第２の３
相交流出力の供給を、例えば各相の約120゜〜180゜の範
囲のみ行うよう制御する第1,第２の位相制御回路と、一
次側に３相一次コイルを、二次側に単相の二次コイルを
巻回した単相鉄芯を有し、上記３相の一次コイルが上記
第1,第２の位相制御回路を介して上記第1,第２の３相交
流出力に接続され、上記二次コイルを並列あるいは直列
接続した第1,第２の変圧部とを備え、上記二次コイルの
共通出力に単相交流を出力するようにしたので、出力と
して３倍周波の鋸歯状波が得られ、３相不平衡の問題が
なく効率のよい電源装置が得られる。

また各変圧部の二次コイルは並列あるいは直列に接続
されているため、出力電流あるいは出力電圧を倍増する
ことができ、これにより電源の高出力化を図ることがで
きる。

さらに上記各変圧部の一次側に、それぞれ逆相関係に
ある２つの３相を供給することにより、フリッカの問題
をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるアーク溶接機に用い
た電源装置を説明するための図、第２図は該電源装置の
動作を説明するための波形図、第３図は該アーク溶接機
の動作を説明する図、第４図は従来の可飽和リアクトル
を用いたアーク溶接機を示す図、第５図は上記電源装置
の出力電圧，出力電流を示す波形図、第６図は本発明の
第２の実施例による電源装置を説明するための図、第７
図はこの発明の第３の実施例による電源装置を示す図、
第８図はこの発明の第４の実施例による電源装置を示す
図、第９図はこの発明の第５の実施例による電源装置を
示す図、第10図は本発明の第６の実施例による電源装置
を示す図、第11図は本発明の第７の実施例による電源装
置を示す図である。 図において、1,2,3は３相交流電源端子、10は溶接電
極、11は被溶接材、12はアース、13はアーク、50は６相
/3相変換回路、51は変換回路、52a,52bは第1,第２の相
選択回路、60a,60bは第1,第２の位相制御回路、70,80は
第1,第２の変圧機、71〜73,81〜83は３相の一次コイ
ル、74,84は二次コイル、100は電源装置、300は溶接
部、A,B,Cは出力端子である。 なお図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３相交流電源に接続され、３相交流電力を
   ６相交流電力に変換し、６相のうちの所望の３つの相か
   らなる第1,第２の３相交流出力を出力可能な６相/3相変
   換回路と、 上記第1,第２の３相交流出力をそれぞれの各相毎に点弧
   制御する第1,第２の位相制御回路と、 一次側に３相の一次コイルを、二次側に単相の二次コイ
   ルを巻回した単相鉄芯を有し、上記３相の一次コイルが
   上記第1,第２の位相制御回路を介して上記第1,第２の３
   相交流出力に接続され、上記二次コイルの一端を共通接
   続した第1,第２の変圧部とを備え、 単相交流を出力することを特徴とする電源装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の電源装置において、 上記６相/3相変換回路は、 ３相交流電源に接続され、３相交流電力を、その第１相
   〜第３相及びこれらと逆相である第１逆相〜第３逆相か
   らなる６相の交流電力に変換する変換回路と、 該変換回路の６相の出力のうちから所望の３つの出力を
   選択し、上記第1,第２の位相制御回路に供給する第1,第
   ２の相選択回路とからなるものであることを特徴とする
   電源装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の電源装置において、 上記第1,第２の変圧部の二次コイルを並列に接続したこ
   とを特徴とする電源装置。
4. 【請求項４】請求項２記載の電源装置において、 上記第1,第２の変圧部の二次コイルを直列に接続したこ
   とを特徴とする電源装置。
5. 【請求項５】請求項３または４記載の電源装置におい
   て、 上記両相選択回路は、変換回路の６相出力のうちから、
   上記第１相〜第３相を、または第１相，第２相，及び第
   ３逆相を選択するものであり、 上記両位相制御回路は、各相を約120゜〜約180゜で点弧
   するものであることを特徴とする電源装置。
6. 【請求項６】請求項５記載の電源装置において、 上記両位相制御回路を、第１相を約120゜〜約180゜で点
   弧し、第２相を約120゜〜約180゜あるいは約０゜〜約18
   0゜で点弧し、第３相を点弧しないものとしたことを特
   徴とする電源装置。
7. 【請求項７】請求項５記載の電源装置において、 上記両位相制御回路を、第１相を約120゜〜約180゜で点
   弧し、第２相を約０゜〜約180゜で点弧し、第３逆相を
   約60゜〜約180゜で点弧するものとしたことを特徴とす
   る電源装置。
8. 【請求項８】請求項５記載の電源装置において、 上記両位相制御回路を、第１相を約60゜〜約180゜で点
   弧し、第３逆相を約０゜〜約180゜で点弧し、第２相を
   点弧しないものとしたことを特徴とする電源装置。
9. 【請求項９】請求項５または８のいずれかに記載の電源
   装置において、 上記第２の相選択回路を、第１の相選択回路で選択した
   ３つの各相とは逆相の関係にある３つの相を選択するも
   のとし、 上記第２の位相制御回路を、第１の位相制御回路での各
   相の点弧角と同一の角度で、各相の逆相に対応する相を
   点弧制御するよう構成したことを特徴とする電源装置。