JP4986018B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は，電源装置における出力極性切替え時の過電流抑制の技術に関する。

正極性のパルス波や方形波電圧を出力するアーク溶接用電源や，方形波の正極性から負極性への切替え通電を繰返し行う電気めっき用電源に対して，出力電流特性はユーザー要求に応えて進歩して来た。

上記の出力電流特性に関する進歩的な要求に対応して来た中で，パルス電流の定電流特性の電源装置を軽量化して提供できるように，従来の商用周波数変圧器から高周波変圧器に置換えるインバータ式の電源装置の製作技術が進んでいる。この技術に関して，特許文献１の（段落０００９）に次の記載がある。「交流電源電圧を直流に変換する整流器と，整流出力を平滑する平滑コンデンサと，平滑出力をスイッチング素子をオンオフすることにより，高周波交流に変換する高周波スイッチング回路と，を備え，高周波交流を交流のまま又は直流に変換してアーク負荷に供給するアーク溶接機用電源装置」

（段落００１０）には，「平滑コンデンサの入力側に接続されるリアクトルには、昇圧用スイッチング素子が接続されるために、この昇圧用スイッチング素子をオンオフ制御することによってコンデンサへの入力電流の大きさを制御することができる。すなわち、昇圧用スイッチング素子をオンするとリアクトルに励磁電流が流れてエネルギが蓄積されるが、該スイッチング素子をオフすると蓄積されたエネルギの放出が行われる。すなわち平滑コンデンサへの充電が行われる。したがって、昇圧用スイッチング素子のオンオフ時間を調整用操作手段によって調整することにより平滑コンデンサの充電時間、すなわち平滑コンデンサの入力電圧の大きさを制御できる」の記載がある。

「特開平５−111244号」公報，「アーク溶接機用電源装置」

図４に示す従来の電源装置では、出力電流を例えば，波高値２００アンペア，幅５ミリ秒の正極性パルス波電流を出力して，逆極性の電流パルスに切替えた時，定格２００アンペアの波高値が，ピーク４００アンペアの電流が出力されて，回路部品類に余分のストレスを与えた。

そのためにスイッチング素子を，電流容量で１ランク上の素子を用いる必要があって価格が高い電源装置となってしまう欠点があったが，この欠点を排除した極性切替えパルス出力の電源装置とすることが課題であった。

本発明の目的は、電流検出方法に関して，従来タイプの多くの補正回路を用いたホール素子等の磁束検出による電流検出器に代わる構成で，安価に製作できるように実現することにより，上記の欠点を解決する電源装置を提供することにある。

請求項１に関しては、入力整流回路、インバータ、高周波トランス、及び＋極出力端と−極出力端を有する出力整流手段からなる電圧供給手段と、前記電圧供給手段の出力が＋極と−極とが切替わって供給される負荷端子と、前記出力整流回路の＋極出力端に接続された第１のリアクトルと、前記第１のリアクトルと前記負荷端子の間に接続された第１のスイッチング素子と、前記出力整流回路の−極出力端に接続された第２のリアクトルと、前記第２のリアクトルと前記負荷端子の間に接続された第２のスイッチング素子と、を有し、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とが正方向に直列接続され、当該第１，第２のスイッチング素子の接続点に前記負荷端子が接続された電源装置において、前記第１のリアクトルと第２のリアクトルとが、同一磁心で形成され、該磁心に対して第１の導体と第２の導体を流れる電流が同一方向になる巻回方向で形成され、前記第１，第２のリアクトルと前記第１，第２のスイッチング素子の間に、前記第１のリアクトルからの出力電流と前記第２のリアクトルへの入力電流が同一方向に閉磁路を貫通する変流器を配置し、前記第１のスイッチング素子が導通状態で前記第２のスイッチング素子が非導通状態のとき、前記電源供給手段からの出力が前記第１のリアクトルから前記変流器を貫通して前記第１のスイッチング素子を介して前記負荷に供給され、前記第１のスイッチング素子が非導通状態で前記第２のスイッチング素子が導通状態のとき、前記電源供給手段からの出力が前記負荷から前記第２のスイッチング素子を介して前記変流器を貫通して前記第２のリアクトルに供給されることを特徴とする電源装置とした。

請求項２に関しては、前記負荷が、電気溶接用トーチ及び母材の間に発生させるアーク負荷であり、前記負荷に接続する極性が正逆切替わるパルス電流負荷であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置とした。

請求項３に関しては、前記負荷が、電気めっき用電解液負荷であり、電気めっき用極板に印加する極性が正逆切替わるパルス電流負荷または直流極性切替え負荷であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置とした。

電流検出方法に関して新規な構成で実現することが出来たのでスイッチング素子を，１ランク容量アップする必要が無くなった，スイッチング素子の製造において省資源に寄与しつつ，電源装置を安価に製作できたので工業的価値が高い。

図１は，本発明の一実施例の回路図を示している。２a，２b，２cは商用交流電源電圧を受ける入力端子、４は商用交流電源電圧を整流する入力整流器、６は平滑用コンデンサ、１４ａ，１４ｂは夫々第１リアクトル，第２リアクトルで，エネルギ蓄積用リアクトルである、９はインバータ８を制御する駆動信号回路、１０は高周波変圧器（出力変圧器）、１２ａ（１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）は出力整流器、１２Ｐは＋極出力端，１２Ｎは−極出力端，トーチ２０と母材１８を含むアーク負荷１９に該リアクトルは直列に接続されていて，溶接の場合はアークを安定させる要素になっている。２２は極性切替え手段であり，負荷に＋と−極性を切替える役割をもっている。２３は極性指令制御回路である。第１スイッチング素子２２ａ，と第２スイッチング素子２４ｂは直列に接続点Ｐで接続されていて，ここから第２負荷端子１３が出ている。それら第１，第２スイッチング素子に逆並列接続された２４ａ，２４ｂはサージ電圧防止用ダイオードであり、３０は電流検出器（変流器）である。上記の電源装置の動作を以下説明する。

図２，図３は，本発明による一実施例の回路図の動作説明図を示している。図２では第１スイッチング素子２２ａがオン，第２スイッチング素子２２ｂがオフの場合の負荷に対して流れる電流を矢印線で示して説明する。負荷１９のトーチ２０にマイナスが，母材１８にプラスが印加されパルス波電流が流れている。電流検出手段（変流器）３０には矢印方向に負荷電流が変流器の閉磁路を貫通して流れて，変流器３０の２次コイル（変流器出力）は正方向出力が出てインバータ制御回路９に接続されて電流検出されている。変流器の１次コイルは負荷へ接続された出力配線である。次に第１スイッチング素子２２ａがオンからオフの瞬間には，変流器３０の２次コイルには正方向出力からゼロに変化する。

図３では第２スイッチング素子２２ｂがオン，第１スイッチング素子２２ａがオフの場合の負荷に対して流れる電流を矢印線で示して説明する。負荷１９のトーチ２０にプラスが，母材１８にマイナスが印加されパルス波電流が流れている。電流検出手段３０には矢印方向に負荷電流が変流器３０の閉磁路を貫通して流れて２次コイルに正方向出力が出ている。次に第１スイッチング素子２２ａがオンからオフの瞬間には，電流検出手段３０の２次コイルに正方向出力からゼロに変化する。

受電端子２で商用電圧、例えば交流２００ボルトを受電する。入力整流器４で受電した交流を直流に変換し，インバータ８で例えば１００キロヘルツの高周波電力に変換し，高周波トランス１０で電圧を所定電圧値に変圧して，出力整流回路１２で再び直流化する。出力波形生成機能を兼ねた出力極性切替え手段２２で、出力波形を所望の周波数の方形波交流に変換し出力する。第１，第２スイッチング素子２２ａ，２２ｂが交互にオン，オフを繰返して方形波交流（又はパルス）を出力する。出力極性切替え手段２２は互いに正方向に接続点Ｐで接続された第１，第２スイッチング素子２２ａ，２２ｂと，極性指令制御回路２３とで形成されて，第１の負荷端子１０T（センタータップ）と第２の負荷端子１３（１２Ｐの＋極出力端，１２Ｎの−極出力端から変流器３０を貫通して）との間に極性を高速で切替えて負荷へ繋ぐ役割を持っている。

電圧供給手段１（＋極出力端１２Ｐ，−極出力端１２Ｎを有する電源装置の主回路）の出力配線は変流器３０の閉磁路を貫通して流れて（変流器３０の）２次コイルに正方向出力が出ている。次に第１スイッチング素子２２ａがオンからオフの瞬間に，電流検出手段（変流器）３０の２次コイルには正方向出力からゼロに変化する。第２スイッチング素子２２ｂがオンからオフへの瞬間には，（変流器３０の）２次コイルに正方向出力からゼロに変化する。この実施例では負荷電流の極性逆転する瞬間の電流を変流器閉磁路に貫通させるにあたり，＋出力配線と−出力配線との磁束の方向が（打消し方向とならないで）加算されるような貫通の方向とした。

速い速度で極性が切り替わるパルス電流においては，従来は変流器の閉磁路を貫通して電流を流す負荷への配線は一本だけであったので，定格２００アンペアの波高値の場合，速い極性の逆転に対して，図５に示した従来装置の電流波形図のように１サイクル１０μ秒での、パルス波形では、波高値ioが応答速度が追従できないで跳出し分の電流ipが加算されたので，定格２００の波高値が４００アンペアに達するようになってしまった。従来の電源装置では例えば，波高値２００アンペア，幅５ミリ秒の正極性パルス波電流を出力して，逆極性の電流パルスに切替えた時２００アンペアの波高値が４００アンペアの過渡的電流が出力されて、素子に与えた電流ストレスが大きい。このため定格４００アンペア容量のスイッチング素子が必要であった。２００アンペア定格の電源装置に４００アンペアのスイッチング素子が占めるコストは無視できない。

図６に示した本発明による実施形態での電流波形図のように応答が速くなって追従できたので，波高値４００アンペアになってしまうようなことが無く，波高値２００アンペア，幅５ミリ秒の正極性パルス電流を出力しているとき，逆極性の電流パルスに切替えた瞬間，定格２００アンペア（波高値）に設計された電源装置の場合で，電流過渡特性で約１０％だけ跳出すが直ぐに略２００アンペアに落ちる状態であった。

出力極性が，方向逆転に切替えられても，変流器の閉磁路を貫通して磁束を生成している電流方向が引き続き同じ方向であるから，ピーク２００アンペアのままで，２次コイルに誘起された結果が，異常な電流跳出し波形とならない事が認められ、電流検出手段が特に高価な補正回路なども不要であり，一般に用いられる汎用品の変流器が使えるから、電源装置製作コストが特に高くなる様なことはない。

従来の電源装置では、出力電流を例えば，波高値２００アンペア，幅５ミリ秒の正極性パルス波電流を出力して，逆極性の電流パルスに切替えた瞬時２００アンペアの波高値が４００アンペアの過渡的電流が出力されて、素子に与えた電流ストレスが大きい。スイッチング素子をランクアップする必要があって安価に製作することに対し，阻害要因が内在していた。本発明のように，過渡的ピーク電流波高値を抑えたのでスイッチング素子をランクアップする必要が無くなって，安価に電源装置を提供できた。

本発明は、特許文献１で開示された従来の異常な電流を抑えることに成功したので、電源装置製作コストが削減できた。スイッチン素子を製造する際の省資源にも寄与し，産業上の貢献度が高い。

本発明による一実施形態の回路図を示す。 本発明による一実施形態の動作説明の回路図を示す。 本発明による一実施形態の動作説明の回路図を示す。 従来の電源装置の回路図。 従来例の電源装置の波形図。 本発明による一実施形態の波形図。

符号の説明

１ 電圧供給手段
２ 受電端子
４ 入力整流器
６ 平滑用コンデンサ、
８ インバータ
９ インバータ制御回路
１０ 高周波トランス
１０P １次コイル
１０S ２次コイル
１０T センタータップ（第１の負荷端子）
１２ 出力整流回路
１２Ｐ ＋極出力端
１２Ｎ −極出力端
１３ 第２の負荷端子
１４ａ 第１リアクトル（エネルギ蓄積用）
１４ｂ 第２リアクトル（エネルギ蓄積用）
１８ 母材（被溶接物）
１９ 負荷
２０ トーチ
２２ 出力極性切替え手段（出力波形生成用）
２２ａ 第１スイッチング素子
２２ｂ 第２スイッチング素子
２３ 極性指令制御回路
３０ 変流器（電流検出手段）

Claims (3)

1. 入力整流回路、インバータ、高周波トランス、及び＋極出力端と−極出力端を有する出力整流手段からなる電圧供給手段と、前記電圧供給手段の出力が＋極と−極とが切替わって供給される負荷端子と、前記出力整流回路の＋極出力端に接続された第１のリアクトルと、前記第１のリアクトルと前記負荷端子の間に接続された第１のスイッチング素子と、前記出力整流回路の−極出力端に接続された第２のリアクトルと、前記第２のリアクトルと前記負荷端子の間に接続された第２のスイッチング素子と、を有し、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とが正方向に直列接続され、当該第１，第２のスイッチング素子の接続点に前記負荷端子が接続された電源装置において、前記第１のリアクトルと第２のリアクトルとが、同一磁心で形成され、該磁心に対して第１の導体と第２の導体を流れる電流が同一方向になる巻回方向で形成され、前記第１，第２のリアクトルと前記第１，第２のスイッチング素子の間に、前記第１のリアクトルからの出力電流と前記第２のリアクトルへの入力電流が同一方向に閉磁路を貫通する変流器を配置し、前記第１のスイッチング素子が導通状態で前記第２のスイッチング素子が非導通状態のとき、前記電源供給手段からの出力が前記第１のリアクトルから前記変流器を貫通して前記第１のスイッチング素子を介して前記負荷に供給され、前記第１のスイッチング素子が非導通状態で前記第２のスイッチング素子が導通状態のとき、前記電源供給手段からの出力が前記負荷から前記第２のスイッチング素子を介して前記変流器を貫通して前記第２のリアクトルに供給されることを特徴とする電源装置。
2. 前記負荷が、電気溶接用トーチ及び母材の間に発生させるアーク負荷であり、前記負荷に接続する極性が正逆切替わるパルス電流負荷であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記負荷が、電気めっき用電解液負荷であり、電気めっき用極板に印加する極性が正逆切替わるパルス電流負荷または直流極性切替え負荷であることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。

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