JP2929663B2 - アーク加工用電源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、アーク溶接やアーク切断等のアーク加工に
用いる電源の改良に関し、特に短絡時とアーク時（また
は開放時）とで出力電流−電圧特性を切替えるとともに
出力設定値と出力検出値とを遅れ要素を有する誤差増幅
器を用いて比較し、得られた誤差信号によって出力調整
部を駆動する方式の電源の改良に関するものである。

＜従来の技術＞ 第６図に従来の装置の例を示す。同図において１は入
力端子であり、商用の３相交流電源から電力の供給を受
ける。２は整流回路であり、３相交流電源を直流に交換
する。３は整流回路２の出力を平滑する平滑回路、４は
スイッチング素子によってチョッパ回路が構成された出
力調整回路であり、５は出力調整回路４の出力を平滑す
る平滑回路である。６は電極であり、図示を省略した送
給機構によって所定の速度で被加工物７に向って送給さ
れる消耗性電極である。８は出力電流検出器、９は出力
電圧検出器である。また10はアーク状態検出器であり、
同図の場合は出力電圧検出器９の出力Vfを入力とし入力
電圧が設定値より低くなったときに短絡の発生と判断し
て出力信号saがハイレベルからローレベルに反転するも
のを用いる。11は出力電流設定器、12は出力電圧設定
器、13および14は誤差増幅器でありそれぞれ抵抗器r1な
いしr6、コンデンサC1,C2、演算増幅器A1,A2からなり、
コンデンサC1,C2と抵抗器r3,r6および演算増幅器A1,A2
によって遅れ要素を備えている。15はアナログスイッチ
を用いた切替回路であり、誤差増幅器13,14の各出力信
号s1,s2を入力とし、アーク状態検出器10の出力に応じ
て信号s1またはs2を出力信号soとして出力する。16は入
力信号soに応じて出力調整回路４のスイッチング素子駆
動信号を発生する出力調整制御回路であり、出力調整回
路４がトランジスタチョッパ回路であるときには公知の
パルス幅変調回路（PWM回路）が用いられる。

同図の装置において、アーク状態検出器10がアーク発
生または開放を検出して出力信号saがハイレベルにある
間は切替回路15は（２）側となって誤差増幅器14の出力
信号s2を出力信号soとして出力調整制御回路16に伝達
し、出力調整回路４はこれによって定まる値の出力を平
滑部５を経て電極６と被加工物７とに供給される。この
とき、出力電圧と出力電流とはそれぞれの検出器9,8に
て検出されて信号Vf.Ifが誤差増幅器14,13に帰還信号と
して供給されて出力電圧設定器12および出力電流設定器
11の各出力信号Vr,Irと比較される。この場合、切替回
路15は前述のように（２）側にあるので誤差増幅器14の
出力s2が出力調整制御回路16に伝達されて出力電圧を設
定値に保つよう動作して、定電圧特性の出力となる。

一方、アーク状態検出器10が短絡を検出しているとき
は信号saがローレベルとなり、切替回路15は図示の通り
の（１）側となり誤差増幅器13の信号s1が出力を決定す
る信号soとして出力調整制御回路16に供給され、出力電
流設定器11の出力信号Irと出力電流検出器８の出力信号
Ifとの差信号である信号s1＝Ir−Ifによって定まる値に
出力調整回路４が制御される結果、出力電流が設定値に
保たれる定電流特性となる。この結果、短絡が発生する
と定電流特性となって、短絡時に出力電流が設定値に制
限されてスパッタの発生を防止するとともにアーク期間
においては定電圧特性となってアークを安定に維持する
ものである。

＜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、誤差増幅器13,14をコンデ
ンサC1,C2、抵抗器r3,r6および演算増幅器A1,A2によっ
て構成した遅れ要素を設けているので出力検出信号の急
激な変化に対しても安定な出力制御が実現できるもので
ある。

しかし、この遅れ要素のために切替回路の信号切替の
直後において、逆に出力電流や出力電圧が大きくオーバ
ーシュートする現象が発生し、この遅れ要素を設けたた
めに過渡現象が助長される欠点がある。この理由を第７
図の線図とともに説明する。第７図において（ａ）は出
力電圧であり、出力電圧検出器９の出力Vfに相等する。
（ｂ）はアーク状態検出器10の出力saであり、（ｃ）は
誤差増幅器13の出力信号s1、（ｄ）は誤差増幅器14の出
力信号s2、（ｅ）は電極６および被加工物７に供給され
る出力電源の各変化をそれぞれ時間の経過とともに示し
てある。

第７図において、時刻ｔ＝t1に電極６が被加工物７に
短絡して信号Vfが低下したとすると、アーク状態検出器
10の出力信号saがハイレベルからローレベルに反転し、
切替回路（15）が（１）側に切替わって信号s1が信号so
として出力調整回路16に伝達される。しかるに時刻ｔ＝
t1以前には出力の調整が誤差増幅回路14の出力s2によっ
て定電圧制御が行なわれていたために、出力電流が第７
図（ｅ）に示すように設定値Irより相当低い状態にあ
り、このために誤差増幅回路13のコンデンサC1は過大に
充電されており、その出力s1はほぼ飽和に近い高出力の
状態となっている。このために時刻ｔ＝t1において切替
回路が（２）から（１）に切りかわると異常に大きな信
号s1が出力調整制御回路16に供給されることになり、こ
れによって駆動される出力調整回路４はほぼ最大出力に
相当する大きな出力を発生することになる。このために
出力電流は第７図（ｅ）に示すように大きなオーバーシ
ュートを生じ、この大きな出力電流がフィードバックさ
れて誤差増幅器13の遅れ要素の時定数に従って次第に設
定値Irに応じた値に落ちつくことになる。また短絡状態
からアークに変化したときも同様に誤差増幅器14の出力
s2が第７図のｔ＝t2に示すように大きな出力となってい
るために切替回路15が（２）側に切替えられると大きな
出力電圧となって、これが誤差増幅器14の遅れ要素によ
って定まる時定数に従って次第に設定値Vrに対応した値
に落ちつくことになる。それ故、これらの切替の直後の
過大出力によってスパッタの発生が過大となったり、過
大電圧が供給されるために電極が過剰に燃え上ってアー
ク切れを発生することがあった。

＜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、
遅れ要素を有する誤差増幅器の出力をアーク状態検出器
の検出信号によって切りかえるに際してあらかじめ定め
た値に初期化する初期化回路を設けて、誤差信号が過大
とならないようにして、出力電流，出力電圧のオーバー
シュートを防止したものである。

＜実施例＞ 第１図に本発明の実施例を示す。同図において１ない
し16は第６図の従来装置と同様のものを示し、17および
18はそれぞれ誤差増幅器13および14の出力をあらかじめ
定めた値に設定するための初期化回路であり、それぞれ
出力設定のための直流電源E1,E2およびアナログスイッ
チSW1,SW2から構成されている。このアナログスイッチS
W1はアーク状態検出器10がアーク期間を検出して出力信
号saがハイレベルとなっている間中閉じているスイッチ
であり、アナログスイッチSW2は信号saをNOT回路19にて
反転した信号sbによって駆動されて電極６と被加工物７
とが短絡期間中閉じるスイッチである。

第２図は、第１図の実施例の動作を説明するための線
図であり、（ａ）は出力電圧であり出力電圧検出器９の
出力信号Vfに相当する。（ｂ）はアーク状態検出器10の
出力信号saであり、（ｃ）は誤差増幅器13の出力信号s
1、（ｄ）は誤差増幅器14の出力信号s2、（ｅ）は出力
電流検出器の出力信号Ifをそれぞれ時間の経過とともに
示している。

第１図および第２図においては、時刻ｔ＝t1より前の
アーク発生期間においてはアーク状態検出器10の出力信
号saはハイレベルであり、切替回路15は（２）側となっ
ており信号s2が出力調整制御回路16に対する信号soとし
て供給されて、電極６と被加工物７とには定電圧特性の
出力が供給される。またこのとき初期化回路17のアナロ
グスイッチSW1は閉じており、このために誤差増幅器13
の出力は直流電源E1の出力電圧e1に規制されている。時
刻ｔ＝t1において電極６が被加工物７と短絡するとアー
ク状態検出信号saがローレベルとなり、これによって切
替回路15が（２）から（１）に切替えられると同時に初
期化回路17のアナログスイッチSW1が開き、初期化回路1
8のアナログスイッチSW2が閉じる。これによって誤差増
幅器13の出力は先の初期化回路17の直流電源E1の出力電
圧e1から出力電流設定器11の出力信号Irと出力電流検出
器８の出力信号Ifとの差信号によって定まる値に向って
誤差増幅器13の遅れ要素によって定まる時定数に従って
変化する。一方、誤差増幅器14は初期化回路18のアナロ
グスイッチSW2が閉じるのでその出力は直流電源E2の出
力電圧e2に規制されることになる。次に時刻ｔ＝t2にお
いて電極６と被加工物７との短絡が解消すると出力電圧
Voが上昇するのでアーク状態検出器10の出力saはハイレ
ベルとなり、切替回路15は（１）から（２）に戻る。こ
れと同時に初期化回路17のアナログスイッチSW1は開
き、初期化回路18のアナログスイッチSW2は閉じる．こ
れによって誤差増幅器14の出力は初期化回路18によって
定まる出力e2から出力電圧設定器12の出力Vrと出力電圧
検出器９の出力Vfとの差によって定まる値に向って誤差
増幅器14の遅れ要素によって定まる時定数に従ってゆる
やかに変化してゆくことになる。

したがって各初期化回路の直流電源E1,E2の出力電圧
をそれぞれ設定電流，設定電圧が安定して得られるとき
の各誤差信号に略等しい値に決定しておけば、アーク発
生から短絡または短絡からアーク発生の各切替時に誤差
信号が異常に高い値となることはなく、出力電圧，電流
に大きなオーバーシュートが発生することがなくなる。
また、短絡発生時に出力電流を比較的低い値から上昇す
るようにしてスパッタの発生をさらに少なくするために
は直流電源E1の出力電圧e1を第２図の（ｃ）に示すよう
に安定した定電流制御が行なわれているときの誤差増幅
器13の出力s10よりも低目に設定しておけばよい。また
アーク発生時に出力電圧の上昇速度を若干速くしてアー
クの確立までの時間を短絡するためには直流電源E2の出
力電圧e2を安定な定電圧制御が行なわれているときの誤
差増幅器14の出力s20よりもアーク切れが発生しない程
度の高目に設定しておけばよい。

第１図の実施例においては、誤差増幅回路をアーク発
生時と短絡時との２系統設けてこの出力をアーク状態検
出器の出力によって切替えるようにしたが、本発明は上
記に限らず、単一の誤差増幅器の入力信号をアーク発生
時と短絡時とによって切りかえて定電流特性および定電
圧特性に切りかえるようにしてもよい。この場合は誤差
増幅器の初期化回路としては、アーク状態検出器の出力
信号が反転するたびに短時間遅れ要素を構成するコンデ
ンサを充電または放電する直流電源を切りかえるように
すればよい。

第３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20は誤差増幅器22の入力信号
をアーク状態検出器の出力によって切替える切替回路で
あり、21a,21b誤差増幅器22の遅れ要素をアーク期間お
よび短絡期間の各初期において初期化するための初期化
回路であり、直流電源E1,E2およびアナログスイッチSW
1,SW2によって構成されている。23,24は初期化回路21a2
1bのアナログスイッチSW1,SW2を各期間の初期において
短時間閉路させるための駆動回路であり、23はアーク状
態検出器10の出力の立下りによってトリガーされて短時
間アナログスイッチSW1を閉じるための信号を出力する
モノマルチバイブレータが用いられ、24としてはアーク
状態検出器10の出力の立上りによってトリガーされて短
時間アナログスイッチSW2を閉じるための信号を出力す
るモノマルチバイブレータが用いられる。またr7ないし
r11は抵抗器、C3はコンデンサであり、それぞれ遅れ要
素を有する誤差増幅器22の構成部品である。同図におい
て１ないし16は第１図と同機能のものに同符号を付して
ある。

第４図は、第３図の実施例の動作を説明するための線
図であり、（ａ）は出力電圧検出器９の出力Vf、（ｂ）
はアーク状態検出器10の出力sa、（ｃ）は誤差増幅器22
の出力so、（ｄ）は出力電流Ioの変化をそれぞれ時間の
経過とともに示している。

第３図および第４図において、時刻ｔ＝t1の直前にお
いては出力電圧検出器９の出力Vfが大であり、アーク状
態検出器10の出力はハイレベルになっている。このため
切替回路20は（２）側にあり出力電圧設定器12の出力Vr
と出力電圧検出器９の出力Vfとが誤差増幅器22に入力さ
れて差信号Vr−Vfが出力信号soとなり、出力調整制御回
路16はこの信号によって出力調整回路４を駆動し、定電
圧特性の出力が得られる。時刻ｔ＝t1において電極６と
被加工物７とが短絡すると出力電圧検出器９の出力電圧
Vfが低下し、これによってアーク状態検出器10の出力信
号saがローレベルとなる。これによって切替回路20が
（１）側に切りかわると同時に信号saの立下りによって
モノマルチバイブレータ23が設定されたΔｔの短時間ハ
イレベル信号を出力し、これによってアナログスイッチ
SW1が短時間閉じる。この結果、誤差増幅器22の出力so
は時刻ｔ＝t1の直前の値から直流電源E1の出力電圧e1に
変化し、出力調整部４はこの信号so＝e1によって駆動さ
れる。モノマルチバイブレータ23の時限終了によりアナ
ログスイッチSW1が開くと誤差増幅器22はこの時点から
出力電流設定器11の出力Irと出力電流検出器の出力Ifと
の差（Ir−If）よって定まる出力に向って遅れ要素によ
って定まる時定数に従って変化してゆくことになる。次
に時刻ｔ＝t2において短絡が解消し電極６と被加工物７
との間にアークが発生すると電圧Voが上昇するのでアー
ク状態検出器10の出力信号saがハイレベルに反転する。
これによって切替回路20が反転して（２）側になると同
時にモノマルチバイブレータ24が信号saの立上りよって
トリガーされてアナログスイッチSW2をΔｔの時間だけ
閉じる。これによって誤差増幅器22の出力は入力信号に
かかわらず直流電源E2の出力電圧e2にこのΔｔの時間だ
け保たれることになる。Δｔの時間経過後、アナログス
イッチSW2が開くと誤差増幅器22は出力電圧設定器12の
出力信号Vrと出力電圧検出器の出力信号Vfとの差（Vr−
Vf）が信号soとして出力されて出力調整回路駆動用の信
号となる。

同図において、直流電源E1の出力電圧e1を、安定した
定電流制御が行われているときの誤差増幅器の出力より
も低目に設定しておけば、短絡発生時に出力電流が比較
的低い値から上昇しスパッタの発生をさらに少なくでき
る。また、直流電源E2の出力電圧e2を安定な定電圧制御
が行われているときの誤差増幅器の出力よりも高目に設
定しておけば、アーク発生時に出力電圧の上昇速度を若
干速くできアーク確立が確実となり、アークの安定性を
増すことができる。

また第３図の実施例においては、切替の際にモノマル
チバイブレータ23または24によって定まる時間Δｔの間
だけ信号soがe1またはe2に保たれることになるが、この
時間Δｔは第４図においては誇張して示したが、実際に
は数マイクロ秒程度で十分であり、アーク加工において
はほとんど問題にはならない。

また、第３図の実施例において誤差増幅器22の遅れ要
素を構成するコンデンサをアーク発生時と短絡時とに別
々に設けるときは、このコンデンサに各々初期化回路を
並列に接続することによって第１図と同様の機能を有す
る装置が得られる。

第５図はこのようにしたときの本発明の別の実施例を
示すものであり、誤差増幅器22の遅れ要素を構成するコ
ンデンサをC4とC5と２個用意し、アーク状態検出器10の
出力信号saで切替わる切替スイッチSW4とSW5とによって
それぞれ不用時に各コンデンサを直流電源E1,E2で充電
して端子電圧を規制するようにしたものである。同図の
その他の部分は第３図の実施例と同機能のものに同符号
を付してある。

同図の装置において、アーク状態検出器10の出力saが
ハイレベル（アーク期間中）であるときは、切替回路20
は（２）側であり、また初期化回路のスイッチSW4,SW5
も（２）側であるので出力電圧設定器12の出力Vrと出力
電圧検出器の出力Vfとが誤差増幅器22に供給されるとと
もに遅れ要素はコンデンサC5によって構成されることに
なる。またこの間はスイッチSW4によってコンデンサC4
は直流電源E1に接続されることになり、その電圧は直流
電源E1の出力電圧e1に規制される。次に電極６が被加工
物７に短絡するとアーク状態検出器10の出力saはローレ
ベル反転し、これによって切替回路20が（１）側に切り
かわるとともにスイッチSW4,SW5も（１）側に切りかえ
られる。この結果、誤差増幅器22の出力は先に充電され
ていたコンデンサC4の電圧e1になり、その後に出力電流
設定器11の出力Irと出力電流検出器８の出力Ifとの差
（Ir−If）に向って遅れ要素の時定数に従って変化し、
設定電流が流れる値にまで達して安定する。この間スイ
ッチSW4は（１）側にあるためにコンデンサC5は直流電
源E2に接続されてその電圧はe2に規制される。次に電極
６と被加工物７との短絡が解消しアークが発生するとア
ーク状態検出器10の出力saは再びハイレベルとなり、切
替回路20は（２）側にかわり、スイッチSW4,SW5も
（２）側に戻る。これによってコンデンサC5が誤差増幅
器22に接続されて、その出力はコンデンサC5の端子電圧
e2からスタートして出力電圧設定器12の出力Vrと出力電
圧検出器の出力Vfとの差電圧（Vr−Vf）に向って変化し
てゆくことになる。この間の様子は第２図にて説明した
第１図の実施例の動作と同様である。

なお、上記の各実施例においては出力電流設定器11ま
たは出力電圧設定器12としては一定の出力信号を出力す
るものの如く説明したが、これらは切替の後にスロープ
状または段階状に変化するものを用いてもよく、この場
合にはそれぞれの設定器に対してアーク状態検出器の出
力信号saを導いて出力信号を変化させるためのトリガー
信号とすればよい。

また、アーク状態検出器の出力側に時限回路を設け
て、実際のアーク状態の変化時点から所定時間遅れて切
替回路を動作させるようにしてもよい。

さらに主電源の出力調整部としては、インバータ方
式，チョッパ方式あるいはサイリスタによる位相制御方
式などいずれの方式のものに対しても本発明は適用で
き、その出力形式も直流出力のものに限らず、交流出力
のものにも適用できるのはもちろんである。

＜発明の効果＞ 本発明は、アーク状態の変化に応じて定電圧特性と定
電流特性とを切りかえるようにした装置において、切替
の各初期に誤差増幅器の遅れ要素を予め定めた値、例え
ば通常設定出力に平衡したときの誤差増幅器の出力に近
い値に初期化する構造としたので、遅れ要素を誤差増幅
器に設けてフィードバック制御系を安定化したときの欠
点であった特性切替時の過大なオーバーシュートの発生
が完全に防止でき、スパッタの発生を減少させることが
でき、またアークを安定にすることができるものであ
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の
実施例の動作を説明するための線図、第３図は、本発明
の別の実施例を示す接続図、第４図は第３図の実施例の
動作を説明するための線図、第５図は本発明のさらに別
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、第７図は第６図の従来の装置の動作を説明する
ための線図である。 １……入力端子、２……整流回路、3,5……平滑回路、
４……出力調整回路、６……電極、７……被加工物、８
……出力電流検出器、９……出力電圧検出器、10……ア
ーク状態検出器、11……出力電流設定器、12……出力電
圧設定器、13,14,22……誤差増幅器、15,20……切替回
路、16……出力調整制御回路、17,18,21a,21b……初期
化回路、19……NOT回路、23,24……モノマルチバイブレ
ータ、SW1〜SW5……アナログスイッチ、C1〜C5……コン
デンサ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アーク負荷の状態に応じて定電圧特性と定
   電流特性とを切りかえるアーク加工用電源において、出
   力電流設定信号と出力電流検出信号とを遅れ要素を含む
   誤差増幅器によって比較増幅する第１の手段と、出力電
   圧設定信号と出力電圧検出信号とを遅れ要素を含む誤差
   増幅器によって比較増幅する第２の手段と、アーク負荷
   の短絡と開放またはアーク発生とを判別するアーク状態
   検出器と、前記アーク状態検出器の出力に応じて短絡時
   は前記第１の手段を選択し開放時またはアーク発生時は
   前記第２の手段を選択する選択切替手段と、前記選択切
   替手段によって選択された前記第１または第２の手段の
   出力に応じて出力を調整する出力調整手段と、前記第１
   または第２の手段を構成する遅れ要素を含む誤差増幅器
   の出力を前記選択切替手段の切替の各初期において予め
   定めた値にリセットする初期化手段とを具備したアーク
   加工用電源。