JP3161037B2 - アーク溶接用電源装置 - Google Patents

アーク溶接用電源装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、商用交流電源を一旦整
流して直流とし、この直流をスイッチング素子にて断続
して出力電圧を所望値に制御する方式のアーク溶接用電
源装置の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】直流電源をスイッチング素子により断続
して所望の出力電圧を得る方式のアーク溶接用電源装置
は一般に出力設定器の出力と出力電圧検出器の出力とを
比較し、差信号によりスイッチング素子の導通率を制御
する方式のものが用いられている。図1はこのような一
般的な装置の例としてアーク溶接用電源装置の例を示す
接続図である。同図において1は交流電源であり、通常
商用交流が用いられる。2は交流電源1の電力を整流し
平滑して直流を得る整流回路、3はスイッチング素子、
例えばスイッチングトランジスタであり、4は出力平滑
用の直流リアクトル、5はフライホイールダイオードで
あり、直流リアクトル4とフライホイールダイオード5
とによって出力を平滑する。6は溶接電極であり、所定
の速度で送給される溶接電極ワイヤである。7は被溶接
物、8は出力電圧設定器、9は平滑された出力電圧を検
出する出力電圧検出器、10は出力電圧設定器の出力s
1 と出力電圧検出器の出力s2 とを入力とし差信号s1
−s2 に応じた信号s3 を出力する誤差増幅回路、11
はスイッチング素子3の導通時間幅を決定するPWM
(パルス幅制御)回路、12はPWM回路の動作周期を
決定するための一定周波数のノコギリ波を発生する発振
器、13はPWM回路の出力を増幅してスイッチング素
子3の駆動信号とするドライバ回路である。ここで誤差
増幅回路10は抵抗器R1 ないしR4 、コンデンサC1
および演算増幅器OP1 から構成されており、出力電圧
設定器8の出力信号s1 と出力電圧検出器9の出力信号
s2 とを互に逆の極性で加算し差信号s1 −s2 に対応
した信号s3 を得ている。コンデンサC1 と抵抗器R4
は入出力間の位相ずれを補償するための位相補償器であ
る。この位相補償器を設けることによって高周波領域の
ゲインを下げて動作の安定性を高めることができるもの
である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来装置において
は、誤差増幅回路10にコンデンサC1 と抵抗器R4 と
からなる位相補償器を設けることによって安定な動作が
得られる。しかし、コンデンサC1 によって高周波領域
におけるゲインが下るために、急激な変化に対する伝達
遅れが発生し、出力設定信号s1 が急変しても出力信号
s3 の変化に遅れが生じる。この信号伝達速度の遅れは
フィ−ドバック制御系を不安定にするものであり、系全
体を安定にするために応答速度を比較的遅く設定する必
要があった。一方、消耗電極ワイヤを用いるアーク溶接
においては、ワイヤの先端が被溶接物と短絡した瞬間に
出力電流値を急速に減少させることによってスパッタの
発生を低減できることが判っている。しかし、図1の従
来装置において、ワイヤと被溶接物との短絡を検出し
て、これによって出力電圧設定信号s1 を急減しても上
記のように位相補償用コンデンサC1 の存在のために出
力電圧の減少が遅れることになり、結果的にスパッタの
発生を抑制することが困難であった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は上記従来装置の
課題を解決するために、直流電源をスイッチング素子に
よって断続した直後で平滑する前の電圧を検出し、この
検出電圧を積分して、積分値を出力電圧設定器の設定値
と比較するとともに基準周期を定めるパルス発振器の出
力時点から積分値が設定値を越えるまでの間スイッチン
グ素子を導通させ、積分値は次のパルス発振器の出力に
よってリセットするようにして動作安定性を確保するた
めの位相補償を不要とし、応答速度を速めたものであ
る。
【0005】
【実施例】図2は、本発明の実施例を示す接続図であ
る。同図において、1ないし8および13は図1の従来
装置と同機能のものに同符号を付して詳細は省略する。
18は出力電圧検出器であり、本発明においては従来装
置と異なり、スイッチング素子の直後の平滑されていな
い出力電圧をその瞬時値のまま検出する。14はパルス
発振器であり、予め定められた周期で短かい時間幅のパ
ルスs4 を発生する。15は出力電圧検出器18の出力
信号s2 を積分する積分回路であり、抵抗器R5 、演算
増幅器OP2 、コンデンサC2 およびコンデンサC2 を
パルス発振器14の出力パルスs4 のパルス幅継続時間
中短絡するアナログスイッチSW1 から構成されてい
る。16は比較回路であり、出力電圧設定器8の出力信
号s1 と積分回路15の出力s5 とを比較し、s5 ≧s
1 となったときに短時間幅のパルスs6 を発生する。1
7はフリップフロップ回路であり、パルス発振器14の
出力パルスs4 の立上りでセットされて出力信号s7 が
ハイレベルとなり、比較回路16の出力信号s6 の立上
りでリセットされてロ−レベルとなる。図3は図2の実
施例の各部の信号の変化を時間の経過とともに示した線
図である。図2の実施例の動作を図3の線図とともに説
明する。パルス発振器14の出力s4 によってアナログ
スイッチSW1 が閉じ、このパルス信号s4 の継続時間
中コンデンサC2 が短絡されて積分回路15はリセット
され、出力信号s5 は零となる。また信号s4 の立上り
によってフリップフロップ回路17はセットされ、出力
信号s7 はハイレベルとなり、ドライバ回路13はこの
ハイレベル信号を増幅してスイッチング素子3を導通さ
せる。スイッチング素子3の導通により整流回路2の出
力は直流リアクトル4、電極ワイヤ6、被溶接物7に供
給され、この出力電圧は出力電圧検出回路18によって
検出されてその瞬時値に対応した波形の信号s2 とな
る。この信号s2 はパルス発振器14の出力信号s4 の
継続時間の終了後から積分回路15にて積分される。こ
のときスイッチング素子3の導通による出力電圧は直流
リアクトル4によって平滑されて溶接アークを形成す
る。この状態で積分が進行し、積分回路15の出力信号
s5 が増大し、出力電圧設定器8の出力信号s1 よりも
大となる(s5 ≧s1 )となると比較回路16は一定時
間幅のパルス信号s6 を発生する。このパルス信号s6
の立上りによってフリップフロップ回路17はリセット
されてその出力s7 はローレベルとなる。この結果、ス
イッチング素子3は遮断し、整流回路2の出力は直流リ
アクトル4側に伝達されなくなる。このときリアクトル
4に流れていた電流に応じてリアクトル4に保有されて
いた電磁エネルギーによって電流はワイヤ電極6、被溶
接物、フライホイールダイオード5の経路を通って流れ
つづける。次にパルス発振器14の1周期Tが終了し、
次のパルスs4 が出力されると、これによって積分回路
がリセットされるとともにフリップフロップ回路17が
セットされて出力信号s7がハイレベルに反転し、再び
スイッチング素子3が導通する。上記の動作をくりかえ
すことによって出力電圧の平均値Voは出力電圧設定器
8の設定値に対応した値に保たれることになる。ここ
で、図3の時刻t=t1 またはt=t2 に示すように出
力電圧設定信号s1 が急に変化したときにもフィ−ドバ
ックル−プには何ら遅れ要素はないので応答遅れはなく
かつ、制御系を不安定にする要素もないので制御系全体
の応答速度を十分に速く設定しても安定に動作する。図
4は、本発明の別の実施例を示す接続図であり、同図に
おいては直流電圧をインバータ回路によって交流とし、
変圧器にて所望の電圧に変換した後に整流して直流とす
る方式の例に本発明を適用したときの例を示している。
同図において、スイッチング素子はブリッジ接続された
スイッチング用トランジスタ3aないし3dからなり、
トランジスタ3aと3bとはドライバ回路13aによっ
て、またトランジスタ3cと3dとはドライバ回路13
bによってそれぞれ駆動される。ブリッジ接続されたト
ランジスタ3aないし3dの交流端子には変圧器19の
一次巻線19pが接続される。変圧器19は出力用2次
巻線19s1 と補助巻線19s2 とを有し、各巻線の出
力はそれぞれダイオード21a,21bおよびダイオー
ド181,182によって両波整流されて直流となる。
ここで補助巻線19s2 ,ダイオード181,182は
出力電圧検出回路18を構成している。またフリップフ
ロップ回路17の出力信号s7 は2相分離回路20によ
ってその出力の度毎にドライバ回路13aと13bとに
交互に分配されて、トランジスタ3aと3bを同時に導
通させ、またはトランジスタ3cと3dとを同時に導通
させることを交互にくりかえし、整流回路の2の出力を
変圧器19の一次巻線19pに正・逆両極性に切りかえ
て供給する。2相分離回路20はフリップフロップ回路
201とアンド回路202,203とから構成されて図
示の通り接続されている。同図のその他の構成要素は図
1または図2の装置と同機能のものに同符号を付して詳
細は省略する。同図において、パルス発振器14の出力
信号s4 が出力されるたびにフリップフロップ回路20
1はその出力が反転し、2つの出力端子の出力が相補的
に変化する。このフリップフロップ回路201の両出力
信号s21,s22とフリップフロップ回路17の出力s7
とはそれぞれアンド回路202,203に供給されて、
信号s7 を信号s71,s72として交互に出力される。こ
の出力信号s71,s72によってドライバ回路13a,1
3bが交互に動作し、トランジスタ3a,3bの組合
せ、またはトランジスタ3c,3dの組合せを交互に導
通させる。その他の部分の動作は、図2の実施例と全く
同様であるので詳細は省略する。本発明は、図2および
図4の実施例に限るものではなく、直流電源の出力をス
イッチング素子により調整して所望の出力を得る方式の
アーク溶接電源であればよく、スイッチング素子を組合
せてハ−フブリッジ式インバータを構成するもの、フォ
ワ−ドコンバ−タを構成するもの、あるいはこれらのイ
ンバータの出力を整流した後に再びスイッチングによっ
て極性を切りかえて低周波の交流とするものなどにも適
用できる。また、これらのいずれの場合にも、出力電圧
の検出は平滑する以前のものであればよく、例えば図4
において補助巻線を設けるかわりにダイオ−ド21a,
21bの共通接続点と2次巻線19s1 のセンタータッ
プとの間から電圧を抽出してもよい。
【0006】
【発明の効果】本発明は上記のように、フィ−ドバック
制御系において、従来は不可欠であった誤差増幅器の位
相補償回路が不要となるので信号伝達系に遅れ要素が含
まれず、出力設定信号の変化に対して高速応答が可能と
なり、かつ安定な動作が得られる。この結果、消耗電極
ワイヤを使用するアーク溶接において、ワイヤと被溶接
物とが短絡したときにこれを検出して出力電圧を低下さ
せるように出力設定信号を低い値に切りかえるよう制御
するものに本発明を適用することによってスパッタの発
生が著しく低減できる。
【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】本発明の実施例を示す接続図
【図3】図2の実施例の動作を説明するための線図
【図4】本発明の他の実施例を示す接続図
【符号の説明】 1 交流電源 2 整流回路 3,3a,3b,3c,3d スイッチング素子 4 直流リアクトル 5 フライホイ−ルダイオ−ド 6 電極 7 被溶接物 8 出力電圧設定器 9,18 出力電圧検出器 13,13a,13b ドライバ回路 14 パルス発振器 15 積分回路 16 比較回路 17 フリップフロップ回路 19 変圧器 19s2 補助巻線 181,182,21a,21b ダイオード 20 2相分離回路 R1 ,R2 ,R3 ,R4 ,R5 抵抗器 C1 ,C2 コンデンサ OP1 ,OP2 演算増幅器 SW1 アナログスイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−115974(JP,A) 特開 平3−60864(JP,A) 特開 昭60−213356(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 9/073

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源の出力をスイッチング素子によ
    って断続した後に平滑して出力し、前記断続によって
    力を調整する方式のアーク溶接用電源装置において、出
    力電圧設定器と、前記スイッチング素子によって断続さ
    れた直後で平滑前の出力電圧の瞬時値を検出する出力電
    圧検出器と、一定の周期でパルスを発生する発振器と、
    前記出力電圧検出器の出力を積分し前記発振器の出力パ
    ルスによってリセットされる積分回路と、前記出力電圧
    設定器の出力s1 と前記積分回路の出力s5 とを入力と
    してs1 ≦s5 となったときに一定時間幅のパルス信号
    を出力する比較回路と、前記発振器の出力パルスによっ
    てセットされ前記比較回路の出力パルスによってリセッ
    トされるフリップフロップ回路と、前記フリップフロッ
    プ回路の出力を入力として前記スイッチング素子をON
    −OFFするスイッチング素子駆動回路とを具備したア
    ーク溶接用電源装置。
  2. 【請求項2】 前記スイッチング素子は前記直流電源を
    ON−OFFするチョッパ回路を構成するスイッチング
    トランジスタであり、前記スイッチング素子駆動回路は
    前記フリップフロップ回路の出力を増幅して前記スイッ
    チングトランジスタのベース電流を供給する回路である
    請求項1に記載のアーク溶接用電源装置。
  3. 【請求項3】 前記スイッチング素子は前記直流電源の
    出力を交流に変換するインバータ回路を構成しており、
    前記スイッチング素子制御回路は前記フリップフロップ
    回路の出力を2相分離して前記インバータ回路の正・負
    各半波を負担するスイッチング素子を交互に導通させる
    2相信号を出力する回路である請求項1に記載のアーク
    溶接用電源装置。
  4. 【請求項4】 前記インバータ回路は出力を変圧器を介
    して取り出す方式の回路であり、前記出力電圧検出回路
    は前記変圧器に設けた補助巻線から電圧信号を得る回路
    である請求項3に記載のアーク溶接用電源装置。
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