JP4459649B2

JP4459649B2 - インバータ制御式のアーク溶接電源

Info

Publication number: JP4459649B2
Application number: JP2004043044A
Authority: JP
Inventors: 常夫品田
Original assignee: 日立ビアエンジニアリング株式会社
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP2005230859A

Description

本発明は、インバータ制御式のアーク溶接電源に関する。

品質に優れる溶接を行うためには、溶接部に供給される出力電圧値と出力電流値の少なくとも一方（以下、「出力電圧値と出力電流値」という。）が予め設定した値になるように制御する必要がある。そこで、インバータ制御式のアーク溶接電源では、出力電圧値と出力電流値の検出手段を設け、溶接部に供給される出力電圧値と出力電流値が予め設定された値に近づくようにインバータをスイッチング制御している。

この場合、出力電圧値と出力電流値を検出する間隔が短ければ短いほど、溶接部に供給される出力電圧値と出力電流値を予め設定した値に近づけることができる。

インバータ制御式のアーク溶接電源の場合、インバータが電流（通常１００アンペア以上である）をスイッチングする際にノイズが発生する。このため、制御回路のインピーダンスが大きい絶縁増幅器やホール素子（検出間隔を数十μｓｅｃとすることができる検出器である。）はノイズの影響を受け、検出値が不確実なものになる。この場合、制御回路にフィルタを設けることによりノイズを除去することはできるが、１回の検出時間が長くなり、時間当たりの検出回数が低下する。

本発明の目的は、ノイズの影響を受けることなく短時間で出力電圧値と出力電流値を測定し、溶接性能を向上させることができるインバータ制御式のアーク溶接電源を提供するにある。

ところで、磁気増幅器は、回路構成部品としてＩＣ等の能動素子を必要としないので制御回路のインピーダンスが小さく、ノイズの影響をほとんど受けない。

しかし、従来の磁気増幅器は応答速度が遅いため、インバータ制御式のアーク溶接電源において出力電圧値と出力電流値を検出するために採用された例はない。

本発明者は、磁気増幅器の応答速度を向上させる手段について検討した結果、従来の磁気増幅器の応答速度が遅いのは、磁気増幅器を駆動する交流電源の周波数が低いこと（商用の５０または６０Ｈｚ）と、鉄心におけるロスが大きいことによるものであることを見出した。

そして、磁気増幅器を駆動する交流電源の周波数を高くし、鉄心材料としてアモルファス鋼等を採用することにより鉄心におけるロスを小さくすると、磁気増幅器の応答速度を大幅に向上できることを確認した。

以上の結果から、本発明は、直流電圧をインバータにより高周波交流電圧に変換し、この高周波交流電圧を変圧器により溶接に適した電圧に降圧して溶接部に出力すると共に溶接部に供給された出力電圧値および／または出力電流値を検出し、前記検出値に基づいて前記インバータを制御するインバータ制御式のアーク溶接電源において、前記インバータがオフし、前記高周波交流電圧が０になっているタイミングで前記出力電圧値および／または出力電流値を検出する検出手段が設けられていることを特徴とする。

ノイズの影響を受けることなく短時間で出力電圧値と出力電流値を測定することができるので、溶接性能を向上させることができる。

図１は本発明に係るインバータ制御式のアーク溶接電源の構成図である。

始めに、主回路部について説明する。

商用電源５１から供給される交流電圧は整流器５２により直流電圧に整流された後、平滑回路５３により平滑される。平滑された直流電圧は、インバータ回路５４により高周波の交流電圧に変換され、トランス５５により溶接に適した電圧に変換される。

トランス５５から出力された交流電圧は整流器５６により再度直流に整流される。そして、出力電流はリアクタ５７により平滑されて外部出力端子５８，５９に供給される。

外部出力端子５８の一方は、溶接ワイヤ６０に、他方は母材６１に接続されている。溶接ワイヤ６０は送給モータ６２により送給される。送給モータ６２は制御回路１により制御される。

基準周波数発生器１１は１ＭＨｚの基準周波数を発生する。

ＰＷＭ制御装置１２は、基準周波数発生器１１から出力される周波数にタイミングを合わせてインバータ回路５４をスイッチング制御し、２０ｋＨｚ程度の交流を出力する。

そして、溶接時には溶接ワイヤ６０と母材６１との間に形成されるアーク負荷に電力が供給される。

次に検出装置について説明する。

インバータ回路１４は平滑回路５３により平滑された直流電圧を高周波の交流電圧に変換し、２個の出力巻き線を備えるトランス１５の入力側に供給する。トランス１５はインバータ回路１４から入力された交流電圧を降圧する。

トランス１５の出力巻き線（導体）１５ａの一方は、整流回路２０の交流側入力端子の一方に接続され、他方は２個のリング状の鉄心２２に直列に巻き付けられた後、整流回路２０の他方の交流側入力端子に接続されている。

整流回路２０の直流端子の一方は抵抗Ｒｉの一方の端子に接続され、抵抗Ｒｉの他方の端子は整流回路２０の直流端子の他方に接続されている。

ここで、トランス１５、出力巻き線１５ａ、整流回路２０、抵抗Ｒｉおよび鉄心２２は磁気増幅器Ｚ１を構成している。

サンプルホールド回路３０は、スイッチ３２を介して抵抗Ｒｉと並列に接続されている。

トランス１５の出力巻き線（導体）１５ｂの一方は、整流回路２１の交流側入力端子の一方に接続され、他方は２個のリング状の鉄心２３に直列に巻き付けられた後、整流回路２１の他方の交流側入力端子に接続されている。

整流回路２１の直流端子の一方は抵抗Ｒｖの一方の端子に接続され、抵抗Ｒｖの他方の端子は整流回路２１の直流端子の他方に接続されている。

ここで、トランス１５、出力巻き線１５ｂ、整流回路２１、抵抗Ｒｖおよび鉄心２３は磁気増幅器Ｚ２を構成している。

サンプルホールド回路３１は、スイッチ３３を介して抵抗Ｒｖと並列に接続されている。

鉄心２２，２３は強磁性体のアモルファス電磁鋼板を積層して形成されている。そして、鉄心２２の中心部には出力回路の導体６３が貫通して配置され、鉄心２３の中心部には導体６４が巻き回されている。導体６４の一端は抵抗Ｒｃを介して外部出力端子５８に、他端は外部出力端子５９に、それぞれ接続されている。

ドライバ１６は、基準周波数発生器１１から出力される制御信号にタイミングを合わせてインバータ回路１４をスイッチング制御し、５０ｋＨｚ程度の交流を出力する。

また、タイミング回路１７は、ＰＷＭ制御装置１２と基準周波数発生器１１から出力される制御信号にタイミングを合わせてスイッチ３２，３３を開閉する。

次に、溶接電流値と溶接電圧値の検出原理を説明する。なお、この実施形態では、図示を省略する制御電源がオンされると同時にドライバ１６は動作を開始するように構成されている。

始めに、溶接電圧値の測定について説明する。

いま、外部出力端子５８，５９間に溶接電圧が発生していないとする。

インバータ１４が生成する交流入力により、出力巻き線１５ｂに電流Ｉｖが流れ、抵抗Ｒｖの両端には電圧ＲｖＩｖが発生する。この状態で、外部出力端子５８，５９間に溶接電圧が発生すると、抵抗Ｒｃを介して電流Ｉｃが流れる。すると、電流Ｉｃにより形成される磁束の変化分を打ち消すような電流Ｉｖが出力巻き線１５ｂに流れ、抵抗Ｒｖの両端の電圧が変化する。したがって、スイッチ３３を閉じてその時の電圧値をクランプすることにより、現在の溶接電圧値を求めることができる。

次に、電流値の測定について説明する。

いま、溶接電流が流れていないとする。

インバータ１４が生成する交流入力により、出力巻き線１５ａに電流Ｉｉが流れ、抵抗Ｒｉの両端には電圧ＲｉＩｉが発生する。この状態で、導体６３に溶接電流が流れると、溶接電流により形成される磁束の変化分を打ち消すような電流ｉが出力巻き線１５ａに流れ、抵抗Ｒｉの両端の電圧Ｖｉが変化する。したがって、スイッチ３２を閉じてその時の電圧値をクランプすることにより、現在の溶接電流値を求めることができる。

したがって、例えば、インバータ５４のスイッチングに合わせてスイッチ３２、３３を閉じて抵抗Ｒｖ、Ｒｉの両端の電圧を調べることにより、溶接電流値と溶接電圧値を知ることができる。

そして、制御装置１は検出された溶接電流値と溶接電圧値に基づいてインバータ５４をＰＷＭ制御する。また、必要に応じて送給モータ６２を制御する。

ところで、インバータ溶接機の場合、定格出力（最大電流）の供給を保証するため、定格電流を流す場合であってもインバータ回路１４がオフになる期間がある。そこで、スイッチ３２、３３を閉じるタイミングを以下のようにしてもよい。

図２は、スイッチ３２、３３を閉じるタイミングを説明する図であり、（ａ）は定格時におけるインバータ１４の出力電圧波形を、（ｂ）はスイッチ３２、３３の動作を示している。

同図（ａ）に示す実線は、定格出力（最大出力）時におけるインバータ回路１４の出力を示すもので、時刻ｔ１からｔ２までは電圧Ｖ０が、時刻ｔ３からｔ４までは電圧−Ｖ０が出力され、時刻ｔ２からｔ３および時刻ｔ４からｔ５までは何も出力されない。

そこで、電圧＋Ｖ０（または−Ｖ０）の出力を停止させる信号が出力されてからΔｔ時間後（例えば１〜２μｓ後）にスイッチ３２、３３を閉じるようにすると、ノイズの影響を受けないので、測定値の検出精度をさらに向上することができる。

この実施形態では、ドライバ１６の基準周波数発生器として、ＰＷＭ制御装置１２の基準周波数発生器１１を用いるので、専用の基準周波数発生器を設ける必要がなく、装置構成が簡単になる。

また、２つの基準周波数発生器を用いる場合に比べて同期を取る必要がないので、制御が容易になる。

なお、例えば時刻ｔ２からｔ３におけるスイッチ３２、３３の開閉は１回に限らず複数回行うようにしても良い。

また、ここでは時刻ｔ２からｔ３および時刻ｔ４からｔ５の両方でスイッチ３２、３３を閉じるようにしたが、溶接トランス５５の偏磁を避けるため、時刻ｔ２からｔ３の間だけ閉じる」ようにしてもよい。

さらに、本発明はＴＩＧ溶接用のインバータ式のアーク溶接電源にも適用することができる。

この実施形態では、ドライバ１６の基準周波数発生器として、ＰＷＭ制御回路１２の基準周波数発生器を用いるので、専用の基準周波数発生器を設ける必要がなく、装置構成が簡単になる。また、２つの基準周波数発生器を用いる場合に比べて同期を取る必要がないので、制御が容易になる。

また、溶接部に供給された出力電圧値および出力電流値を検出する手段として磁気増幅器を用いるので、ノイズの影響をほとんど受けない。

本発明に係るインバータ制御式のアーク溶接電源の構成図である。スイッチ３２、３３を閉じるタイミングを説明する図である。

符号の説明

１５ａ導体
１５ｂ導体
２２鉄心
２３鉄心
５８外部出力端子
５９外部出力端子
６３導体
６４導体

Claims

直流電圧をインバータにより高周波交流電圧に変換し、この高周波交流電圧を変圧器により溶接に適した電圧に降圧して溶接部に出力すると共に溶接部に供給された出力電圧値および／または出力電流値を検出し、前記検出値に基づいて前記インバータを制御するインバータ制御式のアーク溶接電源において、
前記インバータがオフし、前記高周波交流電圧が０になっているタイミングで前記出力電圧値および／または出力電流値を検出する検出手段が設けられていることを特徴とするインバータ制御式のアーク溶接電源。
前記検出手段が前記出力電圧値および／または出力電流値を検出する回数は、前記インバータが出力電圧の方向を切り換える回数以上である、ことを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御式のアーク溶接電源。
前記検出手段が磁気増幅器であり、前記インバータが出力する電圧方向の切り換えに同期した交流電源を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ制御式のアーク溶接電源。