JP4597500B2 - 交流アーク加工用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は交流アーク加工用電源装置において、２次側のインバータ回路の構成及び制御に関するものである。

従来では、図１５に示すように１次整流回路ＤＲ１は三相交流商用電源ＡＣの出力を整流して直流電圧に変換し、ブリッジ接続された１次インバータ回路は、第５のスイッチング素子ＴＲ５乃至第８のスイッチング素子ＴＲ８によって形成され、相対向する辺を形成する第５のスイッチング素子ＴＲ５及び第８のスイッチング素子ＴＲ８と、第６のスイッチング素子ＴＲ６及び第７のスイッチング素子ＴＲ７とがそれぞれ一対となり、主制御回路ＳＣから出力する第１素子駆動信号Ｓｃ１乃至第４素子駆動信号Ｓｃ４によって、これらの対をなす２個素子が導通と遮断を繰り返して上記直流電圧を高周波交流電圧に変換する。更に、主変圧器ＩＮＴは、１次側の上記高周波交流電圧をアーク加工に適した電圧に変換にする。

２次整流回路ＤＲ２は、主変圧器ＩＮＴの出力を整流して直流電圧に変換し、ブリッジ接続された２次インバータ回路は、第９のスイッチング素子ＴＲ９乃至第１２のスイッチング素子ＴＲ１２によって形成され、相対向する辺を形成する第９のスイッチング素子ＴＲ９及び第１２のスイッチング素子ＴＲ１２と、第１０のスイッチング素子ＴＲ１０及び第１１のスイッチング素子ＴＲ１１とがそれぞれ一対となり、２次インバータ駆動回路ＫＤから出力する２次インバータ用第１素子駆動信号Ｋｄ１乃至２次インバータ用第４素子駆動信号Ｋｄ４によって、これらの対をなす２個素子が導通と遮断を繰り返して上記直流電圧を予め定めた低周波で交流電圧に変換する。

主制御回路ＳＣは、直流モード又は交流モードを設定し、２次インバータ駆動回路ＫＤに入力する。また、極性切換回路ＴＭは、２次インバータ回路の極性切換周波数及び極性比率を予め定めた値に設定して極性切換信号Ｔｍとして出力する。

主制御回路ＳＣが直流モードを設定したときに、２次インバータ駆動回路ＫＤは、第９のスイッチング素子ＴＲ９及び第１２のスイッチング素子ＴＲ１２を常時導通し、第１０のスイッチング素子ＴＲ１０及び第１１のスイッチング素子ＴＲ１１を常時遮断するので、対をなす一方のスイッチング素子のみ負荷が重くなり、大容量のスイッチング素子が必要となる。

特開平４−２７９２７９号公報

従来の交流アーク加工用電源装置において、直流モードのとき２次インバータ回路の相対向する２対のスイッチング素子のうち１対のみを使用するために容量の大きいスイッチング素子を使用しなければならない。また、交流モードのとき２次側インバータ回路の極性切換時に大きなスイッチング損失が発生する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、直流電圧を出力する直流電源回路と、前記直流電源回路の出力を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する主制御信号を出力する主制御回路と、前記高周波交流電圧をアーク加工に適した電圧に変換し前記変換した電圧を２次側に設けた第１端子及び第２端子に出力する主変圧器と、前記主変圧器の第１端子に第１のスイッチング素子のエミッタ側を接続する前記第１のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子のコレクタ側を第１のスイッチング素子のコレクタ側に接続する前記第２のスイッチング素子と、前記主変圧器の第２端子に第３のスイッチング素子のコレクタ側を接続する前記第３のスイッチング素子と、前記第４のスイッチング素子のエミッタ側を第３のスイッチング素子のエミッタ側に接続する前記第４のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子に逆極性に並列接続する第１の逆導通ダイオードと、第２のスイッチング素子に逆極性に並列接続する第２の逆導通ダイオードと、第３のスイッチング素子に逆極性に並列接続する第３の逆導通ダイオードと、第４のスイッチング素子に逆極性に並列接続する第４の逆導通ダイオードと、第２のスイッチング素子のエミッタ側と第４のスイッチング素子のコレクタ側との接続点に接続する被溶接物と、前記主変圧器の２次側の中間端子に接続する電極と、前記電極マイナスのＥＮ極性と前記電極プラスのＥＰ極性とに切換える極性切換信号を出力する極性切換回路と、前記極性切換信号を受けて前記電極をマイナスにするＥＮ極性のとき前記第１のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子を導通させ前記電極をプラスにするＥＰ極性のとき前記第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子を導通させる２次インバータ制御回路とを備え、前記電極がマイナスのＥＮ極性で前記主変圧器の第１端子の出力電圧が正電位のとき電極、第１の逆導通ダイオード、第２のスイッチング素子、被溶接物の経路で電流を通電し前記主変圧器の第２端子の出力電圧が負電位のときに電極、第３のスイッチング素子、第４の逆導通ダイオード、被溶接物の経路で電流を通電し、前記電極がプラスのＥＰ極性で前記主変圧器の第１端子の出力電圧が正電位のときに被溶接物、第４のスイッチング素子、第３の逆導通ダイオード、電極の経路で電流を通電し前記主変圧器の第１端子の出力電圧が負電位のときに被溶接物、第２の逆導通ダイオード、第１のスイッチング素子、電極の経路で電流を通電することを特徴とする交流アーク加工用電源装置である。

第１の発明によれば、２次側の各スイッチング素子に電流が均一に流れるので、各スイッチング素子の負荷が軽減でき容量の小さいスイッチング素子が使用可能となる。さらに、上記各スイッチング素子に逆極性で並列に接続している保護用の各逆導通ダイオードが整流素子として働くために従来の２次整流ダイオードが不用となる。さらに、第２の発明によれば、ＥＮ／ＥＰ極性又はＥＰ／ＥＮ極性の切換時に各スイッチング素子を零電圧及び零電流で導通及び遮断を行うためにターンオン損失及びターンオフ損失が大幅に減少する。

［実施の形態１］
図１は本発明の交流アーク加工用電源装置の電気接続図である。図１において、１次整流回路ＤＲ１は三相交流商用電源ＡＣの出力を整流して直流電圧に変換し、平滑コンデンサーＣ１は上記１次整流回路ＤＲ１で直流に変換した電圧を平滑する。

図１に示すブリッジ接続された１次インバータ回路は、第５のスイッチング素子ＴＲ５乃至第８のスイッチング素子ＴＲ８によって形成され、相対向する辺を形成する第５のスイッチング素子ＴＲ５及び第８のスイッチング素子ＴＲ８と、第６のスイッチング素子ＴＲ６及び第７のスイッチング素子ＴＲ７とがそれぞれ一対となり、後述する主制御回路ＳＣから出力する第１素子駆動信号Ｓｃ１乃至第４素子駆動信号Ｓｃ４によって、これらの対をなす２個素子が導通と遮断を繰り返して直流電圧を高周波交流電圧に変換する。また、上記１次インバータ回路はフルブリッジ回路を使用しているがハーフブリッジ回路を使用してもよい。

第５の逆通電ダイオードＤ５乃至第８の逆通電ダイオードＤ８は、第５のスイッチング素子ＴＲ５乃至第８のスイッチング素子ＴＲ８にそれぞれ逆極性で並列に接続されている。また、主変圧器ＩＮＴは、１次側の高周波交流電圧をアーク加工に適した電圧に変換し上記変換した電圧を２次側に設けた第１端子及び第２端子に出力する。

図１に示すブリッジ接続された２次インバータ回路は、第１のスイッチング素子ＴＲ１乃至第４のスイッチング素子ＴＲ４によって形成され、相対向する辺を形成する第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第４のスイッチング素子ＴＲ４と、第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３とがそれぞれ一対となり、後述する２次インバータ制御回路ＳＤから出力する第１の２次素子駆動信号Ｓｄ１乃至第４の２次素子駆動信号Ｓｄ４によって、これらの対をなす２個素子が導通と遮断を繰り返して予め定めた低周波の交流電圧を出力する。

また、第１のスイッチング素子ＴＲ１のエミッタ側を主変圧器ＩＮＴの第１端子に接続しコレクタ側を第２のスイッチング素子ＴＲ２のコレクタ側に接続し、第２のスイッチング素子ＴＲ２のコレクタ側を上記主変圧器ＩＮＴの第２端子に接続しエミッタ側を第４のスイッチング素子ＴＲ４のエミッタ側に接続し、第２のスイッチング素子ＴＲ２のエミッタ側と第４のスイッチング素子ＴＲ４のコレクタ側とを接続し、第１の逆導通ダイオードＤ１を上記第１のスイッチング素子ＴＲ１に逆極性に並列に接続し、第２の逆導通ダイオードＤ２を上記第２のスイッチング素子ＴＲ２に逆極性に並列に接続し、第３の逆導通ダイオードＤ３を上記第３のスイッチング素子ＴＲ３に逆極性に並列に接続し、第４の逆導通ダイオードＤ４を上記第４のスイッチング素子ＴＲ４に逆極性に並列に接続して２次インバータ回路を形成している。

出力電流検出回路ＩＤは、出力電流を検出して出力電流検出信号Ｉｄとして出力する。 比較演算回路ＥＲは、出力電流設定回路ＩＲの出力電流設定信号Ｉｒと上記出力電流検出信号Ｉｄとを比較演算して、比較演算信号Ｅｒ＝Ｉｒ−Ｉｄの値を出力する。

主制御回路ＳＣは、比較演算回路ＥＲからの比較演算信号Ｅｒ＝Ｉｒ−Ｉｄの値に応じて、主制御信号である第１素子駆動信号Ｓｃ１及び第４素子駆動信号Ｓｃ４並びに第２素子駆動信号Ｓｃ２及び第３素子駆動信号Ｓｃ３のオン期間を制御する。

直流・交流モード設定回路ＭＣは、直流モード又は交流モードを設定し、直流モードのときは直流・交流モード設定信号ＭｃをＬｏｗレベルにし、交流モードのときは直流・交流モード設定信号ＭｃをＨｉｇｈレベルにして出力する。

極性切換回路ＴＭは、２次インバータ回路の極性切換周波数及び極性比率を予め定めた値に設定して極性切換信号Ｔｍとして出力する。

２次インバータ制御回路ＳＤは、直流・交流モード設定回路ＭＣによって直流モードに設定したとき、第２の２次素子駆動信号Ｓｄ２及び第３の２次素子駆動信号Ｓｄ３を出力して、２次インバータ回路の第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通させ、直流・交流モード設定回路ＭＣによって交流モードに設定に設定したとき、極性切換信号Ｔｍに応じて、第１の２次素子駆動信号Ｓｄ１及び第４の２次素子駆動信号Ｓｄ４並びに第２の２次素子駆動信号Ｓｄ２及び第３の２次素子駆動信号Ｓｄ３を交互に出力する。

図２は、図１に示す交流アーク加工用電源装置の電極マイナスのＥＮ時の動作を説明する構成図であり、図３は、図１に示す交流アーク加工用電源装置の電極プラスのＥＰ動作を説明する構成図である。図４及び図５は、ＥＮ動作及びＥＰ動作動作を説明する波形図である。

（電極マイナス ＥＮ時）
図４に示す第１導通期間Ｔ１（時刻ｔ１〜ｔ２）において、図２（Ａ）に示す第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図２（Ａ）に示す２次電流Ｖｉが、トーチ１（電極）、２次巻線、第３のスイッチング素子ＴＲ７、第４の逆通電ダイオードＤ５、被溶接物２の順に流れる。

第１の切換期間Ｔ２（時刻ｔ２〜ｔ３）において、図２（Ｂ）に示す第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第１端子及び第２端子の２次電圧Ｖｔは零電位となり、これにより図２（Ｂ）に示す２次電流Ｖｉは、トーチ１（電極）、２次巻線、第３のスイッチング素子ＴＲ３、第４の逆通電ダイオードＤ４、被溶接物２の経路とトーチ１（電極）、２次巻線、第１の逆通電ダイオードＤ１、第２のスイッチング素子ＴＲ２の経路とに流れる。

第２導通期間Ｔ３（時刻ｔ３〜ｔ４）において、図２（Ｃ）に示す第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図２（Ｃ）に示す２次電流Ｖｉが、トーチ１（電極）、２次巻線、第１の逆通電ダイオードＤ１、第２のスイッチング素子ＴＲ２、被加工物２の順に流れる。上述より２次電圧Ｖｔが負電位のとき、第３のスイッチング素子ＴＲ３と第４の逆通電ダイオードＤ４に２次電流Ｖｉが流れ、２次電圧Ｖｔが正電位のとき、第１の逆通電ダイオードＤ１と第２のスイッチング素子ＴＲ２に２次電流Ｖｉが流れ、上記各素子に２次電流Ｖｉが均一に流れる。

（電極プラス ＥＰ時）
図５に示す第１導通期間Ｔ１（時刻ｔ１〜ｔ２）において、図３（Ａ）に示す第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第１端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図３（Ａ）に示す２次電流Ｖｉが、被溶接物２、第２の逆通電ダイオードＤ２、第１のスイッチング素子ＴＲ１、２次巻線、トーチ１（電極）の順に流れる。

第１の切換期間Ｔ２（時刻ｔ２〜ｔ３）において、図３（Ｂ）に示す第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの主変圧器ＩＮＴの第１端子及び第２端子の２次電圧Ｖｔは零電位となり、これにより図３（Ｂ）に示す２次電流Ｖｉは、被溶接物２、第２の逆通電ダイオードＤ２、１５のスイッチング素子ＴＲ１、２次巻線、トーチ１（電極）の経路と被溶接物２、第４のスイッチング素子ＴＲ４、第３の逆通電ダイオードＤ３、２次巻線、トーチ１（電極）の経路とに流れる。

第２導通期間Ｔ３（時刻ｔ３〜ｔ４）において、図３（Ｃ）に示す第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの２第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図３（Ｃ）に示す２次電流Ｖｉが、被溶接物２、第４のスイッチング素子ＴＲ４、第３の逆通電ダイオードＤ３、２次巻線、トーチ１（電極）の順に流れる。よって、２次電圧Ｖｔが負電位のとき、第２の逆通電ダイオードＤ２、第１のスイッチング素子ＴＲ１に２次電流Ｖｉが流れ、２次電圧Ｖｔが正電位のとき、第４のスイッチング素子ＴＲ４、第３の逆通電ダイオードＤ３に２次電流Ｖｉが流れて上記各素子に２次電流Ｖｉが均一に流れる。上述より主変圧器ＩＮＴの出力を上記各逆通電ダイオードで整流するとともに上記各素子の使用率を均一にできる。

［実施の形態２］
図１４は、第２の発明の交流アーク加工用電源装置の電気接続図である。同図において、図１に示す本発明の交流アーク加工用電源装置の電気接続図と同一符号は、同一動作を行うので相違する点について説明する。

図１４において、極性切換同期回路ＳＴは極性切換信号Ｔｍ、第１素子駆動信号Ｓｃ１及び第２素子駆動信号Ｓｃ２を入力し、上記極性切換信号Ｔｍを第１素子駆動信号Ｓｃ１及び第２素子駆動信号Ｓｃ２同期させて、極性切換同期信号Ｓｔを出力する。

図６及び図７は、図１に示す、交流アーク加工用電源装置のＥＮ／ＥＰ切換時の動作を説明する構成図であり、図１０及び図１１は、ＥＮ／ＥＰ切換時の動作を説明する波形図である。

図１０（Ａ）の波形は、極性切換信号Ｔｍの波形を示し、ＨｉｇｈレベルのときＥＰ極性を示し、ＬｏｗレベルのときＥＮ極性を示す。図１０（Ｂ）の波形は、主変圧器ＩＮＴの第１端子及び第２端子の２次電圧Ｖｔを示し、図１０（Ｃ）の波形は、出力電流Ｉｏを示し、図１０（Ｄ）の波形は、第１の２次素子駆動信号Ｓｄ１を示し、図１０（Ｅ）の波形は、第２の２次素子駆動信号Ｓｄ２を示し、図１０（Ｆ）の波形は、第３の２次素子駆動信号Ｓｄ３を示し、図１０（Ｇ）の波形は、第４の２次素子駆動信号Ｓｄ４を示す。

（交流モード ＥＮ／ＥＰ切換時）
図６及び図１０は、極性切換信号Ｔｍが図１０（Ｂ）に示す第１導通期間Ｔ１（負電位期間）にＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルになると、極性切換同期回路ＳＴは、上記極性切換信号Ｔｍを図示省略の第１素子駆動信号Ｓｃ１及び第２素子駆動信号Ｓｃ２に同期させて極性切換同期信号Ｓｔとして出力し、上記極性切換同期信号ＳｔをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルにして出力する。２次インバータ制御回路ＳＤは、上記極性切換同期信号ＳｔがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルになるとＥＮ極性からＥＰ極性に切換わったと判別し、上記極性切換同期信号Ｓｔに応じて、図１０（Ｂ）に示す２次電圧Ｖｔの立ち上がり時刻ｔ＝ｔ３から予め定めた時間経過後の時刻ｔ＝ｔ９において、第１の２次素子駆動信号Ｓｄ１をオンすると共に第３の２次素子駆動信号Ｓｄ３をオフする。このとき、図１０に示すＡ期間は、図６（Ａ）に示す第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図６（Ａ）に示す２次電流Ｖｉが、トーチ１（電極）、２次巻線、第１の逆通電ダイオードＤ１、第２のスイッチング素子ＴＲ２、被溶接物２の順に流れる。

第２導通期間Ｔ３のＢ期間（時刻ｔ＝ｔ９〜ｔ４）において、図６（Ｂ）に示す第１のスイッチング素子ＴＲ１は導通状態になり、第２のスイッチング素子ＴＲ２は遮断状態になる。また、主変圧器ＩＮＴの第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力されているので、図６（Ｂ）に示す２次電流Ｖｉは、トーチ１（電極）、２次巻線、第１の逆通電ダイオードＤ１、第２のスイッチング素子ＴＲ２、被溶接物２の順に流れる。このとき、上記時刻ｔ＝ｔ９において、上記第１のスイッチング素子ＴＲ１はオンになり、２次電流Ｖｉは逆極性に並列に接続した第１の逆導通ダイオードＤ１に流れているので零電圧スイッチングが行われターンオン時のスイッチング損失が減少する。更に、上記第３のスイッチング素子ＴＲ３はオフになり、２次電流Ｖｉが流れていない状態でオフを行うためにターンオフ時のスイッチング損失も減少する。

図１０（Ｂ）に示す第２の切換期間Ｔ４において、図６（Ｃ）に示す第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第２のスイッチング素子ＴＲ２は導通状態にあり、第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は遮断状態にある。また、主変圧器ＩＮＴの第１端子及び第２端子の２次電圧Ｖｔは零電位となり、これにより図６（Ｃ）に示す２次電流Ｖｉは、トーチ１（電極）、２次巻線、第１の逆通電ダイオードＤ１、第２のスイッチング素子ＴＲ２、被溶接物２の順に減少しながら流れる。

図１０（Ｂ）に示す第３導通期間Ｔ５において、図示省略の上記極性切換同期信号Ｓｔに応じて、図１０（Ｂ）に示す２次電圧Ｖｔの立ち下がり時時刻ｔ＝ｔ５から予め定めた時間経過後の時刻ｔ＝ｔ１０において、第２の２次素子駆動信号Ｓｄ２をオフすると共に第４の２次素子駆動信号Ｓｄ４をオンする。このとき、図１０に示すＤ期間は、図６（Ｄ）に示す第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第２のスイッチング素子ＴＲ２は導通状態にあり、第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は遮断状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図６（Ｄ）に示す２次電流Ｖｉが、被溶接物２、第２の逆通電ダイオードＤ２、第１のスイッチング素子ＴＲ１、２次巻線、トーチ１（電極）の順に増加しながら流れる。

第３導通期間Ｔ５のＥ期間（時刻ｔ＝ｔ１０〜ｔ６）において、図６（Ｅ）に示す第２のスイッチング素子ＴＲ２は遮断状態になり、第４のスイッチング素子ＴＲ４が導通状態になりＥＮ／ＥＰ極性の切換が完了する。また、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図６（Ｅ）に示す２次電流Ｖｉが、被溶接物２、第２の逆通電ダイオードＤ２、第１のスイッチング素子ＴＲ１、２次巻線、トーチ１（電極）の順に流れる。このとき、上記時刻ｔ＝ｔ１０において、上記第２のスイッチング素子ＴＲ２はオフになり、２次電流Ｖｉは逆極性に並列に接続した第２の逆導通ダイオードＤ２に流れているので零電圧スイッチングが行われターンオフ時のスイッチング損失が減少する。更に、上記第４のスイッチング素子ＴＲ４はオンになり、２次電流Ｖｉが流れていない状態でオンを行うためにターンオン時のスイッチング損失も減少する。

（交流モード 第２のＥＮ／ＥＰ切換時）
図７及び図１１は、極性切換信号Ｔｍが図１１（Ｂ）に示す第２導通期間Ｔ２（正電位期間）にＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルになると、極性切換同期回路ＳＴは、上記極性切換信号Ｔｍを図示省略の第１素子駆動信号Ｓｃ１及び第２素子駆動信号Ｓｃ２に同期させて極性切換同期信号Ｓｔとして出力し、上記極性切換同期信号ＳｔがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルにして出力する。２次インバータ制御回路ＳＤは、上記極性切換同期信号ＳｔをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルになるとＥＮ極性からＥＰ極性に切換わったと判別し、上記極性切換同期信号Ｓｔに応じて、図１１（Ｂ）に示す２次電圧Ｖｔの立ち下がり時刻ｔ＝ｔ５から予め定めた時間経過後の時刻ｔ＝ｔ１０において、第４の２次素子駆動信号Ｓｄ４をオンすると共に第２の２次素子駆動信号Ｓｄ２をオフする。このとき、図１１に示すＤ期間は、図７（Ａ）に示す第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図７（Ａ）に示す２次電流Ｖｉが、トーチ１（電極）、２次巻線、第３のスイッチング素子ＴＲ３、第４の逆通電ダイオードＤ４、被溶接物２の順に流れる。

第３導通期間Ｔ５のＥ期間（時刻ｔ＝ｔ１０〜ｔ６）において、図７（Ｂ）に示す第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は導通状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力されているので、図７（Ｂ）に示す２次電流Ｖｉは、トーチ１（電極）、２次巻線、第３のスイッチング素子ＴＲ３、第４の逆通電ダイオードＤ４、被溶接物２の順に流れる。このとき、上記時刻ｔ＝ｔ１０において、上記第２のスイッチング素子ＴＲ２はオフになり、２次電流Ｖｉが流れていない状態でオフを行うためにターンオフ時のスイッチング損失が減少する。更に、第４のスイッチング素子ＴＲ４はオンになり、２次電流Ｖｉは逆極性に並列に接続した第４の逆導通ダイオードＤ４に流れているので零電圧でスイッチングが行われターンオン時のスイッチング損失も減少する。

図１１（Ｂ）に示す第２の切換期間Ｔ６において、図７（Ｃ）に示す第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は導通状態にあり、第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第２のスイッチング素子ＴＲ２は遮断状態にある。また、主変圧器ＩＮＴの第１端子及び第２端子の２次電圧Ｖｔは零電位となり、これにより図７（Ｃ）に示す２次電流Ｖｉは、トーチ１（電極）、２次巻線、第３のスイッチング素子ＴＲ３、第４の逆通電ダイオードＤ４の順に減少しながら流れる。

図１１（Ｂ）に示す第４導通期間Ｔ７において、図示省略の上記極性切換同期信号Ｓｔに応じて、図１１（Ｂ）に示す２次電圧Ｖｔの立ち上がり時時刻ｔ＝ｔ７から予め定めた時間経過後の時刻ｔ＝ｔ１１において、第１の２次素子駆動信号Ｓｄ１をオンすると共に第３の２次素子駆動信号Ｓｄ３をオフする。このとき、図１１に示すＧ期間は、図７（Ｄ）に示す第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は導通状態にあり、第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第２のスイッチング素子ＴＲ２は遮断状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図７（Ｄ）に示す２次電流Ｖｉが、被溶接物２、第４のスイッチング素子ＴＲ４、第３の逆通電ダイオードＤ３、２次巻線、トーチ１（電極）の順に増加しながら流れる。

第４導通期間Ｔ７のＨ期間（時刻ｔ＝ｔ１１〜１２）において、図７（Ｅ）に示す第３のスイッチング素子ＴＲ３は遮断状態になり、第１のスイッチング素子ＴＲ１が導通状態になりＥＮ／ＥＰ極性の切換が完了する。また、主変圧器ＩＮＴの第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図７（Ｅ）に示す２次電流Ｖｉが、被溶接物２、第４のスイッチング素子ＴＲ４、第３の逆通電ダイオードＤ３、２次巻線、トーチ１（電極）の順に流れる。このとき、上記時刻ｔ＝ｔ１１において、上記第１のスイッチング素子ＴＲ１はオンになり、２次電流Ｖｉが流れていない状態でオンを行うためにターンオン時のスイッチング損失が減少する。更に、第３のスイッチング素子ＴＲ３はオフになり、２次電流Ｖｉは逆極性に並列に接続した第３の逆導通ダイオードＤ３に流れているので零電圧でスイッチングが行われターンオフ時のスイッチング損失も減少する。

図８及び図９は、図１に示す、交流アーク加工用電源装置のＥＰ／ＥＮ切換時の動作を説明する構成図であり、図１２及び図１３は、ＥＰ／ＥＮ切換時の動作を説明する波形図である。

図１２（Ａ）の波形は、極性切換信号Ｔｍの波形を示し、ＨｉｇｈレベルのときＥＰ極性を示し、ＬｏｗレベルのときＥＮ極性を示す。図１２（Ｂ）の波形は、主変圧器ＩＮＴの第１端子及び第２端子の２次電圧Ｖｔを示し、図１２（Ｃ）の波形は、出力電流Ｉｏを示し、図１２（Ｄ）の波形は、第１の２次素子駆動信号Ｓｄ１を示し、図１２（Ｅ）の波形は、第２の２次素子駆動信号Ｓｄ２を示し、図１２（Ｆ）の波形は、第３の２次素子駆動信号Ｓｄ３を示し、図１２（Ｇ）の波形は、第４の２次素子駆動信号Ｓｄ４を示す。

（交流モード ＥＰ／ＥＮ切換時）
図８及び図１２は、極性切換信号Ｔｍが図１２（Ｂ）に示す第１導通期間Ｔ１（負電位期間）にＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになると、極性切換同期回路ＳＴは、上記極性切換信号Ｔｍを図示省略の第１素子駆動信号Ｓｃ１及び第２素子駆動信号Ｓｃ２に同期させて極性切換同期信号Ｓｔとして出力し、上記極性切換同期信号ＳｔをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルにして出力する。２次インバータ制御回路ＳＤは、上記極性切換同期信号ＳｔがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになるとＥＰ極性からＥＮ極性に切換わったと判別し、図１２（Ｂ）に示す２次電圧Ｖｔの立ち上がり時刻ｔ＝ｔ３から予め定めた時間経過後の時刻ｔ＝ｔ９において、第１の２次素子駆動信号Ｓｄ１をオフすると共に第３の２次素子駆動信号Ｓｄ３をオンする。このとき、図１２に示すＡ期間は、図８（Ａ）に第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３は遮断状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図８（Ａ）に示す２次電流Ｖｉが、被溶接物２、第４のスイッチング素子ＴＲ４、第３の逆通電ダイオードＤ３、２次巻線、トーチ１の順に流れる。

第２導通期間Ｔ３のＢ期間（時刻ｔ＝ｔ９〜ｔ４）において、図８（Ｂ）に第３のスイッチング素子ＴＲ３は導通状態になり、第１のスイッチング素子ＴＲ１は遮断状態になる。また、主変圧器ＩＮＴの第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力されているので、図８（Ｂ）に示す２次電流Ｖｉは、被溶接物２、第８４スイッチング素子ＴＲ４、第３の逆通電ダイオードＤ３、２次巻線、トーチ１の順に流れる。このとき、上記時刻ｔ＝ｔ９において、上記第３のスイッチング素子ＴＲ３はオンになり、２次電流Ｖｉは逆極性に並列に接続した第３の逆導通ダイオードＤ３に流れているので零電圧スイッチングが行われターンオン時のスイッチング損失が減少する。更に、上記第２のスイッチング素子ＴＲ３はオフになり、２次電流Ｖｉが流れていない状態でオフを行うためにターンオフ時のスイッチング損失が減少する。

図１２（Ｂ）に示す第２の切換期間Ｔ４において、図８（Ｃ）に第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は導通状態にあり、第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第２のスイッチング素子ＴＲ２は遮断状態にある。また、主変圧器ＩＮＴの第１端子及び第２端子の２次電圧Ｖｔは零電位となり、これにより図８（Ｃ）に示す２次電流Ｖｉは、被溶接物２、第４のスイッチング素子ＴＲ４、第３の逆通電ダイオードＤ３、２次巻線、トーチ１の順に減少しながら流れる。

図１２（Ｂ）に示す第３導通期間Ｔ５において、図示省略の上記極性切換同期信号に応じて、図１２（Ｂ）に示す２次電圧Ｖｔの立ち下がり時時刻ｔ＝ｔ５から予め定めた時間経過後の時刻ｔ＝ｔ１０において、第２の２次素子駆動信号Ｓｄ２をオンすると共に第４の２次素子駆動信号Ｓｄ４をオフする。このとき、図１２に示すＤ期間は、図８（Ｄ）に第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は導通状態にあり、第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第２のスイッチング素子ＴＲ２は遮断状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図８（Ｄ）に示す２次電流Ｖｉが、トーチ１、２次巻線、第３のスイッチング素子ＴＲ３、第４の逆通電ダイオードＤ４、被溶接物２の順に増加しながら流れる。

第３導通期間Ｔ５のＥ期間（時刻ｔ＝ｔ１０〜ｔ６）において、図８（Ｅ）に第４のスイッチング素子ＴＲ４は遮断状態になり、第３のスイッチング素子ＴＲ３が導通状態になりＥＰ／ＥＮ極性の切換が完了する。また、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図８（Ｅ）に示す２次電流Ｖｉが、トーチ１、２次巻線、第３のスイッチング素子ＴＲ３、第４の逆通電ダイオードＤ４、被溶接物２の順に流れる。このとき、上記時刻ｔ＝ｔ１０において、上記第２のスイッチング素子ＴＲ２はオンになり、２次電流Ｖｉが流れていない状態でオンを行うためにターンオン時のスイッチング損失が減少する。更に、上記第４のスイッチング素子ＴＲ４は、２次電流Ｖｉは逆極性に並列に接続した第４の逆導通ダイオードＤ４に流れているので零電圧スイッチングが行われターンオフ時のスイッチング損失が減少する。

（交流モード 第２のＥＰ／ＥＮ切換時）
図９及び図１３は、極性切換信号Ｔｍが図１３（Ｂ）に示す第２導通期間Ｔ３（正電位期間）にＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになると、極性切換同期回路ＳＴは、上記極性切換信号Ｔｍを図示省略の第１素子駆動信号Ｓｃ１及び第２素子駆動信号Ｓｃ２に同期させて極性切換同期信号Ｓｔとして出力し、上記極性切換同期信号ＳｔをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルにして出力する。２次インバータ制御回路ＳＤは、極性切換同期信号ＳｔがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになるとＥＰ極性からＥＮ極性に切換わったと判別し、上記極性切換同期信号Ｓｔに応じて、図１３（Ｂ）に示す２次電圧Ｖｔの立ち下がり時刻ｔ＝ｔ５から予め定めた時間経過後の時刻ｔ＝ｔ１０において、第２の２次素子駆動信号Ｓｄ２がオンと共に第４の２次素子駆動信号Ｓｄ４をオフする。このとき、図１３に示すＤ期間は、図９（Ａ）に第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３は遮断状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図９（Ａ）に示す２次電流Ｖｉが、被溶接物２、第２の逆通電ダイオードＤ２、第４のスイッチング素子ＴＲ４、２次巻線、トーチ１の順に流れる。

第２導通期間Ｔ３のＥ期間（時刻ｔ＝ｔ１０〜ｔ６）において、図９（Ｂ）に示す第２のスイッチング素子ＴＲ２は導通状態になり、第４のスイッチング素子ＴＲ４は遮断状態になる。また、主変圧器ＩＮＴの第２端子に負正電位の２次電圧Ｖｔが出力されているので、図９（Ｂ）に示す２次電流Ｖｉは、被溶接物２、第２の逆通電ダイオードＤ２、第１のスイッチング素子ＴＲ１、２次巻線、トーチ１の順に流れる。このとき、上記時刻ｔ＝ｔ１０において、上記第２のスイッチング素子ＴＲ２はオンになり、２次電流Ｖｉは逆極性に並列に接続した第２の逆導通ダイオードＤ２に流れているので零電圧スイッチングが行われターンオン時のスイッチング損失が減少する。更に、上記第４のスイッチング素子ＴＲ４はオフになり、２次電流Ｖｉが流れていない状態でオフを行うためにターンオフ時のスイッチング損失が減少する。

図１３（Ｂ）に示す第３の切換期間Ｔ６において、図９（Ｃ）に第１スイッチング素子ＴＲ１及び第２のスイッチング素子ＴＲ２は導通状態にあり、第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は遮断状態にある。また、主変圧器ＩＮＴの第１端子及び第２端子の２次電圧Ｖｔは零電位となり、これにより図８（Ｃ）に示す２次電流Ｖｉは被溶接物２、第４の逆通電ダイオードＤ４、第１のスイッチング素子ＴＲ１、２次巻線、トーチ１の順に減少しながら流れる。

図１３（Ｂ）に示す第４導通期間Ｔ７において、図示省略の極性切換同期信号Ｓｔに応じて、図１３（Ｂ）に示す２次電圧Ｖｔの立ち上がり時時刻ｔ＝ｔ７から予め定めた時間経過後の時刻ｔ＝ｔ１１において、第１の２次素子駆動信号Ｓｄ１をオフすると共に第３の２次素子駆動信号Ｓｄ３をオンする。このとき、図１３に示すＧ期間は、図９（Ｄ）に第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第２のスイッチング素子ＴＲ２は導通状態にあり、第３のスイッチング素子ＴＲ３及び第４のスイッチング素子ＴＲ４は遮断状態にあり、主変圧器ＩＮＴの第１端子に正電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図９（Ｄ）に示す２次電流Ｖｉが、トーチ１、２次巻線、第１の逆通電ダイオードＤ１、第２のスイッチング素子ＴＲ２、被溶接物２の順に増加しながら流れる。

第３導通期間Ｔ５のＨ期間（時刻ｔ＝ｔ１１〜ｔ１２）において、図９（Ｅ）に第４のスイッチング素子ＴＲ４は遮断状態になり、第３のスイッチング素子ＴＲ３が導通状態になりＥＰ／ＥＮ極性の切換が完了する。また、主変圧器ＩＮＴの第１端子にに正電位の２次電圧Ｖｔが出力され、これにより図９（Ｅ）に示す２次電流Ｖｉが、トーチ１、２次巻線、第１の逆通電ダイオードＤ１、第２のスイッチング素子ＴＲ２、被溶接物２の順に流れる。このとき、上記時刻ｔ＝ｔ１１において、上記第１のスイッチング素子ＴＲ１はオフになり、２次電流Ｖｉは逆極性に並列に接続した第１の逆導通ダイオードＤ１に流れているので零電圧スイッチングが行われターンオフ時のスイッチング損失が減少する。更に、上記第３のスイッチング素子ＴＲ３はオンになり、２次電流Ｖｉが流れていない状態でオンを行うためにターンオン時のスイッチング損失が減少する。

本発明の交流アーク加工用電源装置の電気接続図である。 図１に示す、交流アーク加工用電源装置のＥＮ時の動作を説明する構成図 である。 図１に示す、交流アーク加工用電源装置のＥＰ時の動作を説明する構成図 である。 図２に示す、ＥＮ時の動作を説明する波形図である。 図３に示す、ＥＰ時の動作を説明する波形図である。 図１に示す、交流アーク加工用電源装置のＥＮ／ＥＰ切換時の動作を説明す る構成図である。 図１に示す、交流アーク加工用電源装置のＥＮ／ＥＰ切換時の動作を説明す る第２の構成図である。 図１に示す、交流アーク加工用電源装置のＥＰ／ＥＮ切換時の動作を説明す る構成図である。 図１に示す、交流アーク加工用電源装置のＥＰ／ＥＮ切換時の動作を説明す る第２の構成図である。 図６に示す、ＥＮ／ＥＰ切換時の動作を説明する波形図である。 図７に示す、ＥＮ／ＥＰ切換時の動作を説明する波形図である。 図８に示す、ＥＰ／ＥＮ切換時の動作を説明する波形図である。 図９に示す、ＥＰ／ＥＮ切換時の動作を説明する波形図である。 第２の本発明の交流アーク加工用電源装置の電気接続図である。 従来技術の交流アーク加工用電源装置の電気接続図である。

符号の説明

１ トーチ
２ 被溶接物
ＡＣ 商用交流電源
Ｃ１ 平滑コンデンサー
Ｄ１ 第１の逆導通ダイオード
Ｄ２ 第２の逆導通ダイオード
Ｄ３ 第３の逆導通ダイオード
Ｄ４ 第４の逆導通ダイオード
Ｄ５ 第５の逆導通ダイオード
Ｄ６ 第６の逆導通ダイオード
Ｄ７ 第７の逆導通ダイオード
Ｄ８ 第８の逆導通ダイオード
ＤＲ１ １次整流回路
ＤＲ２ ２次整流回路
ＥＲ 比較演算回路
ＩＤ 出力電流検出回路
ＩＲ 出力電流設定回路
ＩＮＴ 主変圧器
ＫＤ ２次インバータ駆動回路
ＭＣ 直流・交流モード設定回路
ＳＣ 主制御回路
ＳＤ ２次インバータ制御回路
ＴＳ 起動スイッチ
ＴＭ 極性切換回路
ＴＲ１ 第１のスイッチング素子（第１素子）
ＴＲ２ 第２のスイッチング素子（第２素子）
ＴＲ３ 第３のスイッチング素子（第３素子）
ＴＲ４ 第４のスイッチング素子（第４素子）
ＴＲ５ 第５のスイッチング素子（第５素子）
ＴＲ６ 第６のスイッチング素子（第６素子）
ＴＲ７ 第７のスイッチング素子（第７素子）
ＴＲ８ 第８のスイッチング素子（第８素子）
Ｅｒ 比較演算信号
Ｉｄ 出力電流検出信号
Ｉｒ 出力電流設定信号
Ｍｃ 直流・交流モード設定信号
Ｓｃ１ 第１素子駆動信号
Ｓｃ２ 第２素子駆動信号
Ｓｃ３ 第３素子駆動信号
Ｓｃ４ 第４素子駆動信号
Ｓｄ１ 第１の２次素子駆動信号
Ｓｄ２ 第２の２次素子駆動信号
Ｓｄ３ 第３の２次素子駆動信号
Ｓｄ４ 第４の２次素子駆動信号
Ｔｍ 極性切換信号
Ｔｓ 起動スイッチ
Ｖｔ 主変圧器の2次巻き線の２次電圧

Claims (1)

1. 直流電圧を出力する直流電源回路と、前記直流電源回路の出力を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路を制御する主制御信号を出力する主制御回路と、前記高周波交流電圧をアーク加工に適した電圧に変換し前記変換した電圧を２次側に設けた第１端子及び第２端子に出力する主変圧器と、前記主変圧器の第１端子に第１のスイッチング素子のエミッタ側を接続する前記第１のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子のコレクタ側を第１のスイッチング素子のコレクタ側に接続する前記第２のスイッチング素子と、前記主変圧器の第２端子に第３のスイッチング素子のコレクタ側を接続する前記第３のスイッチング素子と、前記第４のスイッチング素子のエミッタ側を第３のスイッチング素子のエミッタ側に接続する前記第４のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子に逆極性に並列接続する第１の逆導通ダイオードと、第２のスイッチング素子に逆極性に並列接続する第２の逆導通ダイオードと、第３のスイッチング素子に逆極性に並列接続する第３の逆導通ダイオードと、第４のスイッチング素子に逆極性に並列接続する第４の逆導通ダイオードと、第２のスイッチング素子のエミッタ側と第４のスイッチング素子のコレクタ側との接続点に接続する被溶接物と、前記主変圧器の２次側の中間端子に接続する電極と、前記電極マイナスのＥＮ極性と前記電極プラスのＥＰ極性とに切換える極性切換信号を出力する極性切換回路と、前記極性切換信号を受けて前記電極をマイナスにするＥＮ極性のとき前記第１のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子を導通させ前記電極をプラスにするＥＰ極性のとき前記第２のスイッチング素子及び第３のスイッチング素子を導通させる２次インバータ制御回路とを備え、前記電極がマイナスのＥＮ極性で前記主変圧器の第１端子の出力電圧が正電位のとき電極、第１の逆導通ダイオード、第２のスイッチング素子、被溶接物の経路で電流を通電し前記主変圧器の第２端子の出力電圧が負電位のときに電極、第３のスイッチング素子、第４の逆導通ダイオード、被溶接物の経路で電流を通電し、前記電極がプラスのＥＰ極性で前記主変圧器の第１端子の出力電圧が正電位のときに被溶接物、第４のスイッチング素子、第３の逆導通ダイオード、電極の経路で電流を通電し前記主変圧器の第１端子の出力電圧が負電位のときに被溶接物、第２の逆導通ダイオード、第１のスイッチング素子、電極の経路で電流を通電することを特徴とする交流アーク加工用電源装置。

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