JP3946296B2 - アーク加工用電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアーク溶接やアーク切断、プラズマアーク切断等のアーク加工に用いる電源装置の改良に関し、特に電力設備の貧弱な場所においても十分な出力を得ることができるようにした装置を提案したものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にアーク溶接やプラズマアーク切断等に用いるアーク加工用電源装置は、商用交流電源を変圧器にて適宜変圧するとともに目的のアーク加工に適した特性、例えば定電流特性，垂下特性など、になるように半導体素子を用いて出力制御するものが用いられている。また近年では交流電源を一旦整流して直流とし、この直流を半導体スイッチング素子を用いたインバータ回路で数１０kHz の交流に変換した後に高周波変圧器にてアーク加工に適した電圧に変換した後に再度整流して直流として被加工物に供給する方式のものも実用化されている。
【０００３】
しかし、上記のようなアーク加工用電源装置においては、いずれも商用交流電源からの供給電力を加工するものであるので、その電源容量として、数KVA 以上の容量が必要である。このために小規模の建築現場や補修工事等の電源設備が完備されていないところでは、充分に能力が発揮できず、溶接欠陥を生じてしまうことがあった。また電源設備が全くないところではエンジン発電機を利用したエンジンウエルダーを用いることになるが、そのような場所では、当然他の工具等のためにも電力が必要であり、溶接や切断のためだけに大型の発電機を余分に用意することは極めて不経済であった。
【０００４】
一方、これに対処すべく、電灯用の単相１００Ｖ電源から電力を得るアーク溶接機もあるが、これらの電源は１回線が１５Ａまでが許容範囲であり、極めて小容量の加工が行なえるにすぎず、その適用範囲は極く限られたものであった。
【０００５】
そこで、上記のような問題点を解決するものとして、交流電源を整流して直流とし、この直流出力で大容量のコンデンサを充電するとともにこの直流出力と充電されたコンデンサとを並列にして、総合出力を電流制御器を通してアーク溶接負荷に導く、図４の方式のものが提案されている。（特開平６−２３８４４３号）
【０００６】
同図において、１０１は交流電源であり、通常商用交流電源、例えばＡＣ１００Ｖの電灯用電源である。１０２は電源回路であり、例えば交流電源を整流して直流とした後にインバータ回路で高周波交流とし、変圧器にて適宜電圧変換した後に再度整流して直流出力を得るものが利用される。１０３は電源回路１０２の直流出力端子に接続されたコンデンサであり、数１０Ｆないし数１０００Ｆ程度の大容量のコンデンサが用いられる。１０４は出力電流制限素子であり、トランジスタなどの半導体素子によって構成され、出力電流を所定値に制限する。１０５は電極および被溶接物からなる溶接負荷である。
【０００７】
同図の装置においては、交流電源１０１からの電力は電源回路１０２にて整流されて所定の電圧の直流となり、大容量コンデンサ１０３を充電するとともに出力電流制限素子１０４にて電流制限されて溶接負荷１０５に供給される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記図４の方式のものにおいては、交流電源１０１からの供給電力を整流して溶接負荷に供給する直流電力を得る電源回路１０２の出力は同時にコンデンサ１０３を充電しているので、アーク溶接負荷１０５へは電源回路１０２の出力とこれに並列に接続されたコンデンサ１０３とから電力が供給されることになる。また、出力電流はコンデンサ１０３より出力端子側に接続された出力電流制限素子１０４によって制御されている。それ故、コンデンサ１０３はその端子電圧が電源回路１０２の出力電圧よりも高い間のみ放電可能であり、これより低くなると残余の蓄積電荷は放出できず、逆に電源回路から電力の供給をうけることになる。
【０００９】
いま、仮に無負荷時，非溶接時の電源回路１０２の出力電圧と溶接時の出力電圧とが同じであれば、コンデンサ１０３は全くその効果を発揮することはなく、単に電源回路１０３の出力波形の平滑手段のためのコンデンサとしての機能を有するのみである。また、非溶接時に、コンデンサ１０３が溶接時の電源回路よりも高く充電されていたとしても、出力に寄与できるのは、非溶接時の充電電圧と溶接時の電源回路の出力電圧との差の電圧に相当する電圧のみであり、放電が進行して、コンデンサ１０３の端子電圧が溶接時の電源回路１０２の出力電圧よりも低くなると放電は停止し、電力は専ら電源回路１０２からのみ供給されることになる。このために、コンデンサ１０３に充電された電荷はその極く一部分のみが利用されるにすぎず、大容量のコンデンサを設けた効果がほとんど発揮できないものであった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、交流電源からの電力を直流とする第１の整流回路と、前記整流回路の出力を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加工に適した電圧に変換する変圧器と、前記変圧器の出力をアーク加工時に負荷に供給する第２の整流回路と、前記変圧器の出力を整流して非加工時に蓄積する電力蓄積手段と、前記電力蓄積手段の蓄積電力をアーク加工時にアーク加工に適した特性の電力に変換して前記第２の整流回路の出力に重畳して負荷に供給するＤＣ／ＤＣ変換回路とを具備したアーク加工用電源装置を提案したものである。
【００１１】
さらに上記のうちインバータ回路は、入力電力，出力電力，または入力電流のうちのいずれか１つ以上を所定の制限値以下に制限する回路を備えたものとすることによって電力容量に制限のある交流電源でも安全に使用できるようにした装置を提案したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のアーク加工用電源装置の実施の形態を接続図にて示す。同図において、１は交流電源であり、例えば電灯線用ＡＣ１００Ｖ電源から供給される。２は第１の整流回路であり、３は第１の整流回路を数ＫHZないし数１０ＫHZの交流に変換するインバータ回路、４はインバータ回路３の出力をアーク加工に適した電圧に変換する変圧器である。５ａ，５ｂはサイリスタ、６ａ，６ｂはダイオードであり、サイリスタ５ａ，５ｂおよびダイオード６ａ，６ｂは混合ブリッジ式整流回路を構成するように接続されており、変圧器４の出力を両波整流して直流としてアーク加工負荷に供給する第２の整流回路を構成している。７ａ，７ｂはサイリスタであり、ダイオード６ａ，６ｂとともに別の混合ブリッジ式両波整流回路を構成するように接続されており、８は電気２重層コンデンサのような数１０Ｆないし１０００Ｆ程度の巨大容量のコンデンサまたは蓄電池などの電力蓄積器であり、サイリスタ７ａ，７ｂ、ダイオード６ａ，６ｂとともに変圧器４の出力を整流して蓄積する電力蓄積手段を構成している。９は電力蓄積器８に蓄えられた電力をアーク加工に適した電力に変換するＤＣ／ＤＣ変換回路であり、半導体スイッチング素子を用いてチョッパ制御により出力調整するもの、直列トランジスタによりアナログ制御するもの、あるいはインバータ回路により一旦交流に変換した後に変圧器および整流回路を通して所望の特性の直流または脈流出力を得るものなど公知の変換回路が用いられる。１０は出力平滑用直流リアクトル、１１はアーク溶接機、アーク切断機などのアーク加工負荷であり、例えば電極１１ａと被加工物１１ｂとを有する。１２は出力電流設定器、１３は電力蓄積器８への充電電流を設定する充電電流設定器、１４は入力電流制限値設定器、１５は出力電流検出器、１６は充電電流検出器、１７は入力電流検出器である。１８は比較器であり出力電流設定器１２の設定値Ｉroと出力電流検出器１５の検出値Ｉfoとを入力とし、差信号ΔＩo ＝Ｉro−Ｉfoを出力する。１９は充電電流設定器１３の設定値Ｉrcと充電電流検出器１６の検出値Ｉfcとを入力とし差信号ΔＩc ＝Ｉrc−Ｉfcを出力する比較器である。２０は入力電流制限値設定器１４の設定値Ｉimと入力電流検出器１７の検出値Ｉfiとを入力とし差のΔＩi ＝Ｉfi−Ｉimを演算し、ΔＩi ≦０の間は零またはローレベルの信号を出力し、ΔＩi ＞０になるとハイレベル信号を出力する比較器である。２１ａ，２１ｂはダイオード、２２はインバータ回路３に駆動信号を供給するパルス幅制御回路であり、入力信号に対応した導通時間率のパルス信号を出力する。２３はＤＣ／ＤＣ変換回路９のための駆動信号を供給するＤＣ／ＤＣ変換制御回路であり、ＤＣ／ＤＣ変換回路９の構成に応じて入力信号に対応した出力となるように構成する。例えばＤＣ／ＤＣ変換回路９がチョッパ回路やインバータ回路であるときには、入力信号の大きさに対応した導通時間率のパルス信号を出力するパルス幅制御回路を用い、ＤＣ／ＤＣ変換回路９がアナログトランジスタであるときには、入力信号に対応した大きさのトランジスタ駆動信号を出力する増幅器を用いればよい。２４ないし２６はアナログスイッチであり、スイッチング用トランジスタが用いられる。２７，２８はオアゲート、３０ないし３２は極性反転用インバータゲートである。また、３３はアーク加工を開始するための起動指令スイッチであり、アーク加工中は常にハイレベル信号を出力する。３４ないし３７は起動指令スイッチ３３の信号または起動指令スイッチ３３の出力信号をインバータゲート３１にて反転した信号によってサイリスタ５ａ，５ｂまたは７ａ，７ｂを点弧させるための点弧回路であり、ハイレベルの入力信号に応答してサイリスタにゲート駆動信号を供給するようにした公知の駆動回路が用いられる。また３８，３９は増幅器であり、それぞれ比較器１８の出力ΔＩo ＝Ｉro−Ｉfoを増幅して信号ΔＩo1，ΔＩo2を出力する。さらにＳは交流電源を入，切する開閉器である。
【００１３】
図１の装置において、開閉器Ｓが閉じられた後、起動指令スイッチ３３が閉路されるまでは、この起動指令スイッチ３３の出力をインバータゲート３０，３２によって反転した信号によってアナログスイッチ２４，２６が導通しており、比較器１８の出力の大きさにかかわらず信号ΔＩo1，ΔＩo2を接地してパルス幅制御回路２２およびＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３に伝達しない。また、起動指令スイッチ３３からの信号がローレベルであるので、サイリスタ５ａ，５ｂは遮断状態を保ち、またＤＣ／ＤＣ変換回路９も動作を停止しているのでアーク加工負荷１１には電力は供給されない。
【００１４】
一方、起動指令スイッチ３３の出力が直接供給されるアナログスイッチ２５は遮断状態にあり、またインバータゲート３１によって反転されてハイレベルとなった信号が供給される点弧回路３６，３７は起動してサイリスタ７ａ，７ｂを導通させる。この結果、比較器１９の出力ΔＩc ＝Ｉrc−Ｉfcはパルス幅制御回路２２に伝達され、インバータ回路３が起動する。
【００１５】
インバータ回路３の出力は変圧器４にて適宜電圧が変換された後に導通しているサイリスタ７ａ，７ｂとダイオード６ａ，６ｂとからなる混合ブリッジ回路によって両波整流されて電力蓄積器８に蓄えられる。この電力蓄積器８に対する充電電流は充電電流検出器１６にて検出されて信号Ｉfcとなり、比較器１９にて充電電流設定器１３の設定値Ｉrcと比較されて差信号ΔＩc ＝Ｉrc−Ｉfcとなってパルス幅制御回路２２に供給される。
この結果、充電電流は設定値Ｉrcに対応した値に保つように制御される。
【００１６】
一方、このとき交流電源１からの入力電流は入力電流検出器１７にて検出されてＩfiとなり、比較器２０にて入力電流制限値設定器１４の設定値Ｉimと比較される。比較器２０は差信号ΔＩi ＝Ｉfi−Ｉimを演算し、ΔＩi ≦０の間は零またはローレベルの出力を、またΔＩi ＞０の間はハイレベル信号をオアゲート２７，２８を通してアナログスイッチ２５，２６に供給する。
【００１７】
いま入力電流が小さく、Ｉfi≦Ｉimの間はΔＩi ≦０であるのでアナログスイッチ２５は遮断のままとなり、インバータ回路３は比較器１９の出力信号ΔＩc によって定まる導通時間率で動作し、変圧器４およびサイリスタ７ａ，７ｂ、ダイオード６ａ，６ｂを通して電力蓄積器８が充電される。入力電流が過大となってＩfi＞ＩimとなるとΔＩi ＞０となり、比較器２０はハイレベル信号を出力して、アナログスイッチ２５を導通させる。アナログスイッチ２５の導通により、比較器１９の出力ΔＩc は接地されてパルス幅制御回路２２に供給されなくなり、インバータ回路３は動作を停止する。このインバータ回路３の動作停止により入力電流は急減し、Ｉfi＜Ｉimとなって比較器２０の出力が再びローレベルに戻る。この結果、アナログスイッチ２５は遮断となり、再び比較器１９の出力信号ΔＩc がパルス幅制御回路２２に供給されてインバータ回路３が動作を再開する。入力電流が制限値を越えるような設定の場合には上記をくりかえして、結局入力電流が制限値に略等しくなるように制限される。
【００１８】
電力蓄積器８が充分に充電された後に、アーク加工の開始を指令するための起動指令スイッチ３３を閉路すると、サイリスタ７ａ，７ｂは遮断となり、かわってサイリスタ５ａ，５ｂが導通する。この結果、電力蓄積器８に対する電力の蓄積は中断される。またアナログスイッチ２５は導通し、アナログスイッチ２４，２６は遮断となる。この結果、パルス幅制御回路２２は起動して、比較器１８の出力を増幅器３８にて増幅したΔＩo1に応じた駆動パルスをインバータ回路３に供給してこれを動作させる。また比較器１８の出力は増幅器３９にて増幅されてＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３に供給されてこれを起動し、ＤＣ／ＤＣ変換回路９はこれによって電力蓄積器８に蓄えられた電力をアーク加工に適した電力に変換して直流リアクトル１０を通してアーク加工負荷１１に供給する。
【００１９】
アーク加工負荷１１にはまた、インバータ回路３の出力を変圧器４およびサイリスタ５ａ，５ｂ、ダイオード６ａ，６ｂからなる混合ブリッジ回路によって変換された電力が直流リアクトル１０を通して供給される。
【００２０】
このときのアーク加工負荷１１に対する出力電流は出力電流検出器１５によって検出されてＩfoとなり、比較器１８にて出力電流設定器１２の設定値Ｉroと比較されて差信号ΔＩo ＝Ｉro−Ｉfoが演算される。この差信号ΔＩo は増幅器３８，３９によって増幅されてΔＩo1，ΔＩo2となり、それぞれパルス幅制御回路２２およびＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３に供給されて、出力電流が設定値に対応した値に保たれるように制御される。このときも交流電源１からの入力電流は入力電流検出器１７にて検出されて入力電流制限値設定器１４の設定値Ｉimと比較されており、入力電流Ｉfiが制限値Ｉimを越えたときはハイレベル信号が比較器２０から出力されてアナログスイッチ２６を導通させる。このアナログスイッチ２６の導通によりインバータ回路３は停止し、入力電流が制限値を越えないように制限する。
【００２１】
図１において、増幅器３８，３９の増幅率を異なる値とすることによってアーク加工時の出力の負担割合を交流電源側と電力蓄積手段側とにおいて、異なる割合にすることができる。もちろん、これらの増幅器は必らずしも必要なものではなく、いずれか一方または両方を省略することも可能である。
【００２２】
図２は本発明の別の実施例を示す接続図である。同図においては、図１に示した実施例のＤＣ／ＤＣ変換回路９として、インバータ回路９ａ、変圧器９ｂおよび出力整流回路９ｃによって構成している。また電力蓄積器８の端子電圧を電圧検出器４３にて検出して、この検出値Ｅfcを充電電圧設定器４１の設定値Ｅrcと比較器４２にて比較し、差信号ΔＥc ＝Ｅrc−Ｅfcをパルス幅制御回路２２に対する信号としている。またＤＣ／ＤＣ変換回路９をインバータ回路９ａと変圧器９ｂおよび出力整流回路９ｃとによって構成したためＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３としては増幅器３９の出力信号ΔＩo2を入力とし、入力信号に応じたデューティのパルス信号を出力するようにしたパルス幅制御回路を用いる。
【００２３】
同図の装置の動作は、ＤＣ／ＤＣ変換回路がインバータ方式となったことと、電力蓄積器８が充電電圧設定器４１の設定値Ｅrcに応じた定電圧充電されること以外は図１に示した装置と同様である。
【００２４】
図２の装置においては電力蓄積器８に蓄積された電力はＤＣ／ＤＣ変換回路９の変圧器９ｂによって電圧が変換されるのでアーク加工に適した電圧に対して、電力蓄積器８の充電電圧を任意に選定することができるので、使用する電力蓄積器の定格電圧に制限がなくなる。この結果、電力蓄積器８として比較的定格電圧の低い電気２重層コンデンサのような巨大容量のコンデンサを用いるときに回路設計が容易となる。
【００２５】
図３は、図１の装置を変形して、本発明をプラズマアーク切断装置に適用したときの例を示す接続図である。同図において、アーク加工負荷１１として電極１１ａとこの電極１１ａを内包し先端にガス噴出口を有するノズル電極１１ｃからなるプラズマアーク切断トーチと被加工物１１ｂを示している。また、切断開始時にノズル電極１１ｃと電極１１ａとの間に小電流のパイロットアークを起動するための電流制限用抵抗器４４を設けてプラス出力端子とノズル電極１１ｃとの間に接続してあり、さらに図１に示した装置と異なり、プラス出力を被加工物１１ｂにまたマイナス出力を電極１１ａに接続してある。その他は図１に示した装置と同機能のものに同符号を付してある。
【００２６】
図３の装置において、起動指令用の起動指令スイッチ３３を閉路するまでは図１に示した装置と同様にして、インバータ回路３が動作し、サイリスタ７ａ，７ｂが導通して電力蓄積器８を充電する。起動指令スイッチ３３が閉路されるとサイリスタ７ａ，７ｂは遮断となり、サイリスタ５ａ，５ｂが導通する。またＤＣ／ＤＣ変換回路９も変換動作を開始し、電力蓄積器８の蓄積電力をアーク加工に適した直流電力に変換して、アーク加工負荷１１にサイリスタ５ａ，５ｂからの出力とともに供給する。この両出力は被加工物１１ｂ側がプラス、電極１１ａ側がマイナスとなる極性でアーク加工負荷１１に供給されるとともにプラス端子から電流制限用抵抗器４４を通して、電極１１ａを囲むように設けられているノズル電極１１ｃに供給される。
【００２７】
起動指令スイッチ３３を閉路するとこの信号により図示を省略したアーク点弧用高周波高電圧供給回路または直流高電圧供給回路から電極１１ａとノズル電極１１ｃとの間にアーク点弧用高電圧が印加され、これによって電極１１ａとノズル電極１１ｃとの間の絶縁を破壊して抵抗器４４によって制限された小電流のパイロットアークが起動する。一方、起動指令スイッチからの起動信号によりアーク点弧用高電圧の供給と同時に、またはこれに先立って電極１１ａとノズル電極１１ｃとの間にプラズマ生成用のガスが供給され、このガスがノズル電極１１ｃと電極１１ａとの間に発生した小電流のパイロットアークによって電離され、この電離されたガスがノズル電極１１ｃの先端に設けられたガス噴出口から噴出する。この状態で電極１１ａとノズル電極１１ｃとからなる切断トーチを被加工物に近づけると、パイロットアークにより電離されたプラズマ生成ガスが被加工物に触れたところで電極１１ａと被加工物１１ｂとの間にアーク放電が確立する。このアーク放電の電流は抵抗器４４を通らないのでこれによって制限されることはなく、出力電流設定器１２にて設定された値まで急速に増大して、被加工物１１ｂを溶融、切断することができる。
【００２８】
上記の起動指令スイッチ３３が閉路される前後において、入力電流が制限値Ｉimを越えるまではそれぞれ設定値ＩrcまたはＩroによって定まる出力電流となり、Ｉfi＞Ｉimとなったときにはインバータ回路３を停止させるようにして入力電流を制限値以下になるように制限するのは図１に示した装置と同様である。
【００２９】
なお、図１および図３の実施例においては、電力蓄積手段４に対する充電電流を検出し、この充電電流を設定値に保つようにした定電流充電回路の例を示したが、充電電流検出器１６にかえて電力蓄積手段４の端子電圧を検出し、この端子電圧が設定値になるまで充電するようにした定電圧充電回路を用いてもよい。
【００３０】
また、出力電流検出器１５にかえて出力電圧検出器を設け、この検出器の検出値が設定値になるようにパルス幅制御回路２２またはＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３を制御して定電圧出力特性を得るようにしてもよい。
【００３１】
さらに入力電流検出器９にかえて、入力電力検出器を設け、この検出器の検出出力と、入力電力制限値設定器の設定値とを比較し、入力電力が制限値を越えたときは各インバータ回路の出力を停止させるようにしてもよい。
【００３２】
また、入力電流または入力電力と出力電力とが略比例することを利用して、インバータ回路３の出力電力検出器を設け、この検出出力を制限値設定器の設定値と比較して差信号によりこれらの電力変換手段を停止させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の態様を示す接続図。
【図２】本発明の別の実施の態様を示す接続図。
【図３】本発明をプラズマ切断装置に適用したときの例を示す接続図。
【図４】従来の装置の例を示す接続図。
【符号の説明】
１ 交流電源
２ 整流回路
３，９ａ インバータ回路
４，９ｂ 変圧器
５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ サイリスタ
６ａ，６ｂ ダイオード
８ 電力蓄積器
９ ＤＣ／ＤＣ変換回路
９ｃ 出力整流回路
１０ 直流リアクトル
１１ アーク加工負荷
１１ａ 電極
１１ｂ 被加工物
１１ｃ ノズル電極
１２ 出力電流設定器
１３ 充電電流設定器
１４ 入力電流制限値設定器
１５ 出力電流検出器
１６ 充電電流検出器
１７ 入力電流検出器
１８，１９，２０ 比較器
２１ａ，２１ｂ ダイオード
２２ パルス幅制御回路
２３ ＤＣ／ＤＣ変換制御回路
２４，２５，２６ アナログスイッチ
２７，２８ オアゲート
３０，３１，３２ インバータゲート
３３ 起動指令スイッチ
３４，３５，３６，３７ 点弧回路
３８，３９ 増幅器
４１ 充電電圧設定器
４２ 比較器
４３ 充電電圧検出器
４４ 抵抗器
【発明の属する技術分野】
本発明はアーク溶接やアーク切断、プラズマアーク切断等のアーク加工に用いる電源装置の改良に関し、特に電力設備の貧弱な場所においても十分な出力を得ることができるようにした装置を提案したものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にアーク溶接やプラズマアーク切断等に用いるアーク加工用電源装置は、商用交流電源を変圧器にて適宜変圧するとともに目的のアーク加工に適した特性、例えば定電流特性，垂下特性など、になるように半導体素子を用いて出力制御するものが用いられている。また近年では交流電源を一旦整流して直流とし、この直流を半導体スイッチング素子を用いたインバータ回路で数１０kHz の交流に変換した後に高周波変圧器にてアーク加工に適した電圧に変換した後に再度整流して直流として被加工物に供給する方式のものも実用化されている。
【０００３】
しかし、上記のようなアーク加工用電源装置においては、いずれも商用交流電源からの供給電力を加工するものであるので、その電源容量として、数KVA 以上の容量が必要である。このために小規模の建築現場や補修工事等の電源設備が完備されていないところでは、充分に能力が発揮できず、溶接欠陥を生じてしまうことがあった。また電源設備が全くないところではエンジン発電機を利用したエンジンウエルダーを用いることになるが、そのような場所では、当然他の工具等のためにも電力が必要であり、溶接や切断のためだけに大型の発電機を余分に用意することは極めて不経済であった。
【０００４】
一方、これに対処すべく、電灯用の単相１００Ｖ電源から電力を得るアーク溶接機もあるが、これらの電源は１回線が１５Ａまでが許容範囲であり、極めて小容量の加工が行なえるにすぎず、その適用範囲は極く限られたものであった。
【０００５】
そこで、上記のような問題点を解決するものとして、交流電源を整流して直流とし、この直流出力で大容量のコンデンサを充電するとともにこの直流出力と充電されたコンデンサとを並列にして、総合出力を電流制御器を通してアーク溶接負荷に導く、図４の方式のものが提案されている。（特開平６−２３８４４３号）
【０００６】
同図において、１０１は交流電源であり、通常商用交流電源、例えばＡＣ１００Ｖの電灯用電源である。１０２は電源回路であり、例えば交流電源を整流して直流とした後にインバータ回路で高周波交流とし、変圧器にて適宜電圧変換した後に再度整流して直流出力を得るものが利用される。１０３は電源回路１０２の直流出力端子に接続されたコンデンサであり、数１０Ｆないし数１０００Ｆ程度の大容量のコンデンサが用いられる。１０４は出力電流制限素子であり、トランジスタなどの半導体素子によって構成され、出力電流を所定値に制限する。１０５は電極および被溶接物からなる溶接負荷である。
【０００７】
同図の装置においては、交流電源１０１からの電力は電源回路１０２にて整流されて所定の電圧の直流となり、大容量コンデンサ１０３を充電するとともに出力電流制限素子１０４にて電流制限されて溶接負荷１０５に供給される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上記図４の方式のものにおいては、交流電源１０１からの供給電力を整流して溶接負荷に供給する直流電力を得る電源回路１０２の出力は同時にコンデンサ１０３を充電しているので、アーク溶接負荷１０５へは電源回路１０２の出力とこれに並列に接続されたコンデンサ１０３とから電力が供給されることになる。また、出力電流はコンデンサ１０３より出力端子側に接続された出力電流制限素子１０４によって制御されている。それ故、コンデンサ１０３はその端子電圧が電源回路１０２の出力電圧よりも高い間のみ放電可能であり、これより低くなると残余の蓄積電荷は放出できず、逆に電源回路から電力の供給をうけることになる。
【０００９】
いま、仮に無負荷時，非溶接時の電源回路１０２の出力電圧と溶接時の出力電圧とが同じであれば、コンデンサ１０３は全くその効果を発揮することはなく、単に電源回路１０３の出力波形の平滑手段のためのコンデンサとしての機能を有するのみである。また、非溶接時に、コンデンサ１０３が溶接時の電源回路よりも高く充電されていたとしても、出力に寄与できるのは、非溶接時の充電電圧と溶接時の電源回路の出力電圧との差の電圧に相当する電圧のみであり、放電が進行して、コンデンサ１０３の端子電圧が溶接時の電源回路１０２の出力電圧よりも低くなると放電は停止し、電力は専ら電源回路１０２からのみ供給されることになる。このために、コンデンサ１０３に充電された電荷はその極く一部分のみが利用されるにすぎず、大容量のコンデンサを設けた効果がほとんど発揮できないものであった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、交流電源からの電力を直流とする第１の整流回路と、前記整流回路の出力を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加工に適した電圧に変換する変圧器と、前記変圧器の出力をアーク加工時に負荷に供給する第２の整流回路と、前記変圧器の出力を整流して非加工時に蓄積する電力蓄積手段と、前記電力蓄積手段の蓄積電力をアーク加工時にアーク加工に適した特性の電力に変換して前記第２の整流回路の出力に重畳して負荷に供給するＤＣ／ＤＣ変換回路とを具備したアーク加工用電源装置を提案したものである。
【００１１】
さらに上記のうちインバータ回路は、入力電力，出力電力，または入力電流のうちのいずれか１つ以上を所定の制限値以下に制限する回路を備えたものとすることによって電力容量に制限のある交流電源でも安全に使用できるようにした装置を提案したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のアーク加工用電源装置の実施の形態を接続図にて示す。同図において、１は交流電源であり、例えば電灯線用ＡＣ１００Ｖ電源から供給される。２は第１の整流回路であり、３は第１の整流回路を数ＫHZないし数１０ＫHZの交流に変換するインバータ回路、４はインバータ回路３の出力をアーク加工に適した電圧に変換する変圧器である。５ａ，５ｂはサイリスタ、６ａ，６ｂはダイオードであり、サイリスタ５ａ，５ｂおよびダイオード６ａ，６ｂは混合ブリッジ式整流回路を構成するように接続されており、変圧器４の出力を両波整流して直流としてアーク加工負荷に供給する第２の整流回路を構成している。７ａ，７ｂはサイリスタであり、ダイオード６ａ，６ｂとともに別の混合ブリッジ式両波整流回路を構成するように接続されており、８は電気２重層コンデンサのような数１０Ｆないし１０００Ｆ程度の巨大容量のコンデンサまたは蓄電池などの電力蓄積器であり、サイリスタ７ａ，７ｂ、ダイオード６ａ，６ｂとともに変圧器４の出力を整流して蓄積する電力蓄積手段を構成している。９は電力蓄積器８に蓄えられた電力をアーク加工に適した電力に変換するＤＣ／ＤＣ変換回路であり、半導体スイッチング素子を用いてチョッパ制御により出力調整するもの、直列トランジスタによりアナログ制御するもの、あるいはインバータ回路により一旦交流に変換した後に変圧器および整流回路を通して所望の特性の直流または脈流出力を得るものなど公知の変換回路が用いられる。１０は出力平滑用直流リアクトル、１１はアーク溶接機、アーク切断機などのアーク加工負荷であり、例えば電極１１ａと被加工物１１ｂとを有する。１２は出力電流設定器、１３は電力蓄積器８への充電電流を設定する充電電流設定器、１４は入力電流制限値設定器、１５は出力電流検出器、１６は充電電流検出器、１７は入力電流検出器である。１８は比較器であり出力電流設定器１２の設定値Ｉroと出力電流検出器１５の検出値Ｉfoとを入力とし、差信号ΔＩo ＝Ｉro−Ｉfoを出力する。１９は充電電流設定器１３の設定値Ｉrcと充電電流検出器１６の検出値Ｉfcとを入力とし差信号ΔＩc ＝Ｉrc−Ｉfcを出力する比較器である。２０は入力電流制限値設定器１４の設定値Ｉimと入力電流検出器１７の検出値Ｉfiとを入力とし差のΔＩi ＝Ｉfi−Ｉimを演算し、ΔＩi ≦０の間は零またはローレベルの信号を出力し、ΔＩi ＞０になるとハイレベル信号を出力する比較器である。２１ａ，２１ｂはダイオード、２２はインバータ回路３に駆動信号を供給するパルス幅制御回路であり、入力信号に対応した導通時間率のパルス信号を出力する。２３はＤＣ／ＤＣ変換回路９のための駆動信号を供給するＤＣ／ＤＣ変換制御回路であり、ＤＣ／ＤＣ変換回路９の構成に応じて入力信号に対応した出力となるように構成する。例えばＤＣ／ＤＣ変換回路９がチョッパ回路やインバータ回路であるときには、入力信号の大きさに対応した導通時間率のパルス信号を出力するパルス幅制御回路を用い、ＤＣ／ＤＣ変換回路９がアナログトランジスタであるときには、入力信号に対応した大きさのトランジスタ駆動信号を出力する増幅器を用いればよい。２４ないし２６はアナログスイッチであり、スイッチング用トランジスタが用いられる。２７，２８はオアゲート、３０ないし３２は極性反転用インバータゲートである。また、３３はアーク加工を開始するための起動指令スイッチであり、アーク加工中は常にハイレベル信号を出力する。３４ないし３７は起動指令スイッチ３３の信号または起動指令スイッチ３３の出力信号をインバータゲート３１にて反転した信号によってサイリスタ５ａ，５ｂまたは７ａ，７ｂを点弧させるための点弧回路であり、ハイレベルの入力信号に応答してサイリスタにゲート駆動信号を供給するようにした公知の駆動回路が用いられる。また３８，３９は増幅器であり、それぞれ比較器１８の出力ΔＩo ＝Ｉro−Ｉfoを増幅して信号ΔＩo1，ΔＩo2を出力する。さらにＳは交流電源を入，切する開閉器である。
【００１３】
図１の装置において、開閉器Ｓが閉じられた後、起動指令スイッチ３３が閉路されるまでは、この起動指令スイッチ３３の出力をインバータゲート３０，３２によって反転した信号によってアナログスイッチ２４，２６が導通しており、比較器１８の出力の大きさにかかわらず信号ΔＩo1，ΔＩo2を接地してパルス幅制御回路２２およびＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３に伝達しない。また、起動指令スイッチ３３からの信号がローレベルであるので、サイリスタ５ａ，５ｂは遮断状態を保ち、またＤＣ／ＤＣ変換回路９も動作を停止しているのでアーク加工負荷１１には電力は供給されない。
【００１４】
一方、起動指令スイッチ３３の出力が直接供給されるアナログスイッチ２５は遮断状態にあり、またインバータゲート３１によって反転されてハイレベルとなった信号が供給される点弧回路３６，３７は起動してサイリスタ７ａ，７ｂを導通させる。この結果、比較器１９の出力ΔＩc ＝Ｉrc−Ｉfcはパルス幅制御回路２２に伝達され、インバータ回路３が起動する。
【００１５】
インバータ回路３の出力は変圧器４にて適宜電圧が変換された後に導通しているサイリスタ７ａ，７ｂとダイオード６ａ，６ｂとからなる混合ブリッジ回路によって両波整流されて電力蓄積器８に蓄えられる。この電力蓄積器８に対する充電電流は充電電流検出器１６にて検出されて信号Ｉfcとなり、比較器１９にて充電電流設定器１３の設定値Ｉrcと比較されて差信号ΔＩc ＝Ｉrc−Ｉfcとなってパルス幅制御回路２２に供給される。
この結果、充電電流は設定値Ｉrcに対応した値に保つように制御される。
【００１６】
一方、このとき交流電源１からの入力電流は入力電流検出器１７にて検出されてＩfiとなり、比較器２０にて入力電流制限値設定器１４の設定値Ｉimと比較される。比較器２０は差信号ΔＩi ＝Ｉfi−Ｉimを演算し、ΔＩi ≦０の間は零またはローレベルの出力を、またΔＩi ＞０の間はハイレベル信号をオアゲート２７，２８を通してアナログスイッチ２５，２６に供給する。
【００１７】
いま入力電流が小さく、Ｉfi≦Ｉimの間はΔＩi ≦０であるのでアナログスイッチ２５は遮断のままとなり、インバータ回路３は比較器１９の出力信号ΔＩc によって定まる導通時間率で動作し、変圧器４およびサイリスタ７ａ，７ｂ、ダイオード６ａ，６ｂを通して電力蓄積器８が充電される。入力電流が過大となってＩfi＞ＩimとなるとΔＩi ＞０となり、比較器２０はハイレベル信号を出力して、アナログスイッチ２５を導通させる。アナログスイッチ２５の導通により、比較器１９の出力ΔＩc は接地されてパルス幅制御回路２２に供給されなくなり、インバータ回路３は動作を停止する。このインバータ回路３の動作停止により入力電流は急減し、Ｉfi＜Ｉimとなって比較器２０の出力が再びローレベルに戻る。この結果、アナログスイッチ２５は遮断となり、再び比較器１９の出力信号ΔＩc がパルス幅制御回路２２に供給されてインバータ回路３が動作を再開する。入力電流が制限値を越えるような設定の場合には上記をくりかえして、結局入力電流が制限値に略等しくなるように制限される。
【００１８】
電力蓄積器８が充分に充電された後に、アーク加工の開始を指令するための起動指令スイッチ３３を閉路すると、サイリスタ７ａ，７ｂは遮断となり、かわってサイリスタ５ａ，５ｂが導通する。この結果、電力蓄積器８に対する電力の蓄積は中断される。またアナログスイッチ２５は導通し、アナログスイッチ２４，２６は遮断となる。この結果、パルス幅制御回路２２は起動して、比較器１８の出力を増幅器３８にて増幅したΔＩo1に応じた駆動パルスをインバータ回路３に供給してこれを動作させる。また比較器１８の出力は増幅器３９にて増幅されてＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３に供給されてこれを起動し、ＤＣ／ＤＣ変換回路９はこれによって電力蓄積器８に蓄えられた電力をアーク加工に適した電力に変換して直流リアクトル１０を通してアーク加工負荷１１に供給する。
【００１９】
アーク加工負荷１１にはまた、インバータ回路３の出力を変圧器４およびサイリスタ５ａ，５ｂ、ダイオード６ａ，６ｂからなる混合ブリッジ回路によって変換された電力が直流リアクトル１０を通して供給される。
【００２０】
このときのアーク加工負荷１１に対する出力電流は出力電流検出器１５によって検出されてＩfoとなり、比較器１８にて出力電流設定器１２の設定値Ｉroと比較されて差信号ΔＩo ＝Ｉro−Ｉfoが演算される。この差信号ΔＩo は増幅器３８，３９によって増幅されてΔＩo1，ΔＩo2となり、それぞれパルス幅制御回路２２およびＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３に供給されて、出力電流が設定値に対応した値に保たれるように制御される。このときも交流電源１からの入力電流は入力電流検出器１７にて検出されて入力電流制限値設定器１４の設定値Ｉimと比較されており、入力電流Ｉfiが制限値Ｉimを越えたときはハイレベル信号が比較器２０から出力されてアナログスイッチ２６を導通させる。このアナログスイッチ２６の導通によりインバータ回路３は停止し、入力電流が制限値を越えないように制限する。
【００２１】
図１において、増幅器３８，３９の増幅率を異なる値とすることによってアーク加工時の出力の負担割合を交流電源側と電力蓄積手段側とにおいて、異なる割合にすることができる。もちろん、これらの増幅器は必らずしも必要なものではなく、いずれか一方または両方を省略することも可能である。
【００２２】
図２は本発明の別の実施例を示す接続図である。同図においては、図１に示した実施例のＤＣ／ＤＣ変換回路９として、インバータ回路９ａ、変圧器９ｂおよび出力整流回路９ｃによって構成している。また電力蓄積器８の端子電圧を電圧検出器４３にて検出して、この検出値Ｅfcを充電電圧設定器４１の設定値Ｅrcと比較器４２にて比較し、差信号ΔＥc ＝Ｅrc−Ｅfcをパルス幅制御回路２２に対する信号としている。またＤＣ／ＤＣ変換回路９をインバータ回路９ａと変圧器９ｂおよび出力整流回路９ｃとによって構成したためＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３としては増幅器３９の出力信号ΔＩo2を入力とし、入力信号に応じたデューティのパルス信号を出力するようにしたパルス幅制御回路を用いる。
【００２３】
同図の装置の動作は、ＤＣ／ＤＣ変換回路がインバータ方式となったことと、電力蓄積器８が充電電圧設定器４１の設定値Ｅrcに応じた定電圧充電されること以外は図１に示した装置と同様である。
【００２４】
図２の装置においては電力蓄積器８に蓄積された電力はＤＣ／ＤＣ変換回路９の変圧器９ｂによって電圧が変換されるのでアーク加工に適した電圧に対して、電力蓄積器８の充電電圧を任意に選定することができるので、使用する電力蓄積器の定格電圧に制限がなくなる。この結果、電力蓄積器８として比較的定格電圧の低い電気２重層コンデンサのような巨大容量のコンデンサを用いるときに回路設計が容易となる。
【００２５】
図３は、図１の装置を変形して、本発明をプラズマアーク切断装置に適用したときの例を示す接続図である。同図において、アーク加工負荷１１として電極１１ａとこの電極１１ａを内包し先端にガス噴出口を有するノズル電極１１ｃからなるプラズマアーク切断トーチと被加工物１１ｂを示している。また、切断開始時にノズル電極１１ｃと電極１１ａとの間に小電流のパイロットアークを起動するための電流制限用抵抗器４４を設けてプラス出力端子とノズル電極１１ｃとの間に接続してあり、さらに図１に示した装置と異なり、プラス出力を被加工物１１ｂにまたマイナス出力を電極１１ａに接続してある。その他は図１に示した装置と同機能のものに同符号を付してある。
【００２６】
図３の装置において、起動指令用の起動指令スイッチ３３を閉路するまでは図１に示した装置と同様にして、インバータ回路３が動作し、サイリスタ７ａ，７ｂが導通して電力蓄積器８を充電する。起動指令スイッチ３３が閉路されるとサイリスタ７ａ，７ｂは遮断となり、サイリスタ５ａ，５ｂが導通する。またＤＣ／ＤＣ変換回路９も変換動作を開始し、電力蓄積器８の蓄積電力をアーク加工に適した直流電力に変換して、アーク加工負荷１１にサイリスタ５ａ，５ｂからの出力とともに供給する。この両出力は被加工物１１ｂ側がプラス、電極１１ａ側がマイナスとなる極性でアーク加工負荷１１に供給されるとともにプラス端子から電流制限用抵抗器４４を通して、電極１１ａを囲むように設けられているノズル電極１１ｃに供給される。
【００２７】
起動指令スイッチ３３を閉路するとこの信号により図示を省略したアーク点弧用高周波高電圧供給回路または直流高電圧供給回路から電極１１ａとノズル電極１１ｃとの間にアーク点弧用高電圧が印加され、これによって電極１１ａとノズル電極１１ｃとの間の絶縁を破壊して抵抗器４４によって制限された小電流のパイロットアークが起動する。一方、起動指令スイッチからの起動信号によりアーク点弧用高電圧の供給と同時に、またはこれに先立って電極１１ａとノズル電極１１ｃとの間にプラズマ生成用のガスが供給され、このガスがノズル電極１１ｃと電極１１ａとの間に発生した小電流のパイロットアークによって電離され、この電離されたガスがノズル電極１１ｃの先端に設けられたガス噴出口から噴出する。この状態で電極１１ａとノズル電極１１ｃとからなる切断トーチを被加工物に近づけると、パイロットアークにより電離されたプラズマ生成ガスが被加工物に触れたところで電極１１ａと被加工物１１ｂとの間にアーク放電が確立する。このアーク放電の電流は抵抗器４４を通らないのでこれによって制限されることはなく、出力電流設定器１２にて設定された値まで急速に増大して、被加工物１１ｂを溶融、切断することができる。
【００２８】
上記の起動指令スイッチ３３が閉路される前後において、入力電流が制限値Ｉimを越えるまではそれぞれ設定値ＩrcまたはＩroによって定まる出力電流となり、Ｉfi＞Ｉimとなったときにはインバータ回路３を停止させるようにして入力電流を制限値以下になるように制限するのは図１に示した装置と同様である。
【００２９】
なお、図１および図３の実施例においては、電力蓄積手段４に対する充電電流を検出し、この充電電流を設定値に保つようにした定電流充電回路の例を示したが、充電電流検出器１６にかえて電力蓄積手段４の端子電圧を検出し、この端子電圧が設定値になるまで充電するようにした定電圧充電回路を用いてもよい。
【００３０】
また、出力電流検出器１５にかえて出力電圧検出器を設け、この検出器の検出値が設定値になるようにパルス幅制御回路２２またはＤＣ／ＤＣ変換制御回路２３を制御して定電圧出力特性を得るようにしてもよい。
【００３１】
さらに入力電流検出器９にかえて、入力電力検出器を設け、この検出器の検出出力と、入力電力制限値設定器の設定値とを比較し、入力電力が制限値を越えたときは各インバータ回路の出力を停止させるようにしてもよい。
【００３２】
また、入力電流または入力電力と出力電力とが略比例することを利用して、インバータ回路３の出力電力検出器を設け、この検出出力を制限値設定器の設定値と比較して差信号によりこれらの電力変換手段を停止させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の態様を示す接続図。
【図２】本発明の別の実施の態様を示す接続図。
【図３】本発明をプラズマ切断装置に適用したときの例を示す接続図。
【図４】従来の装置の例を示す接続図。
【符号の説明】
１ 交流電源
２ 整流回路
３，９ａ インバータ回路
４，９ｂ 変圧器
５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ サイリスタ
６ａ，６ｂ ダイオード
８ 電力蓄積器
９ ＤＣ／ＤＣ変換回路
９ｃ 出力整流回路
１０ 直流リアクトル
１１ アーク加工負荷
１１ａ 電極
１１ｂ 被加工物
１１ｃ ノズル電極
１２ 出力電流設定器
１３ 充電電流設定器
１４ 入力電流制限値設定器
１５ 出力電流検出器
１６ 充電電流検出器
１７ 入力電流検出器
１８，１９，２０ 比較器
２１ａ，２１ｂ ダイオード
２２ パルス幅制御回路
２３ ＤＣ／ＤＣ変換制御回路
２４，２５，２６ アナログスイッチ
２７，２８ オアゲート
３０，３１，３２ インバータゲート
３３ 起動指令スイッチ
３４，３５，３６，３７ 点弧回路
３８，３９ 増幅器
４１ 充電電圧設定器
４２ 比較器
４３ 充電電圧検出器
４４ 抵抗器
Claims (2)
- 交流電源から供給される電力を整流して直流とする第１の整流回路と、前記整流回路の出力を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加工に適した電圧に変換する変圧器と、前記変圧器の出力をアーク加工時に負荷に供給する第２の整流回路と、サイリスタとダイオードとによって構成された混合ブリッジ式制御整流回路と大容量コンデンサとからなり、非加工時に予め定めた時間前記インバータ回路を動作し前記変圧器の出力を前記混合ブリッジ式制御整流回路のサイリスタを非加工時に導通し整流するとともに前記整流した出力を非加工時に前記大容量コンデンサに蓄積する電力蓄積手段と、前記電力蓄積手段の蓄積電力をアーク加工時にアーク加工に適した特性の電力に変換して前記第２の整流回路の出力に重畳して負荷に供給するＤＣ／ＤＣ変換回路とを具備したアーク加工用電源装置。
- 交流電源から供給される電力を整流して直流とする第１の整流回路と、前記整流回路の出力を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加工に適した電圧に変換する変圧器と、サイリスタとダイオードとによって混合ブリッジを構成しアーク加工時に前記サイリスタを導通し前記変圧器の出力を整流してアーク加工時に負荷に供給する第２の整流回路と、サイリスタとダイオードとによって構成された混合ブリッジ式制御整流回路と大容量コンデンサとからなり、非加工時に予め定めた時間前記インバータ回路を動作し前記変圧器の出力を前記混合ブリッジ式制御整流回路のサイリスタを非加工時に導通し整流するとともに前記整流した出力を非加工時に前記大容量コンデンサに蓄積する電力蓄積手段と、前記電力蓄積手段の蓄積電力をアーク加工時にアーク加工に適した特性の電力に変換して前記第２の整流回路の出力に重畳して負荷に供給するＤＣ／ＤＣ変換回路とを具備したアーク加工用電源装置。
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