JP5039458B2 - 電源装置及びアーク加工用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、商用電源等の入力交流電源を直流電圧に変換しその直流電圧から所定の交流電圧に変換するインバータ回路を有する電源装置、及び、その電源装置を用いたアーク加工用電源装置に関するものである。

アーク加工機等に用いられる電源装置は、例えば特許文献１や特許文献２に示されるように、商用電源（三相交流電源）を整流回路にて整流し平滑コンデンサにて平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、複数のスイッチング素子（第１〜第４のスイッチング素子）のブリッジ回路で構成される交流変換用のインバータ回路とを備えている。インバータ回路は、所定の組み合わせのスイッチング素子同士が同期してオンオフ制御（ＰＷＭ制御）され、直流変換回路からの直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換している。そして、インバータ回路からの所定の高周波交流電圧がアーク溶接やアーク切断等のアーク加工に適した加工用直流電圧に更に変換される。
特開２００５−２３０８５９号公報 特開平１０−１９１６５６号公報

ところで、上記したアーク加工用電源装置においてアーク加工出力を調整するには、インバータ回路の各スイッチング素子に供給する制御パルスのデューティが変更される。即ち、アーク加工出力を中・高出力とするには、制御パルスのオンパルス幅が広く設定されるが、アーク加工出力を低出力とするには、その制御パルスのオンパルス幅が狭く設定される。そのため、低出力設定時の中でもより低出力に設定する場合、制御パルスのオンパルス幅が極めて狭くなってしまい、この場合、何らかの要因で制御パルスが消滅する歯抜けが生じてしまうことがある。すると、出力電流のリップルが大きくなる等、アーク加工出力が不安定になったり、インバータ回路後段のトランスで偏磁が生じたりと、アーク加工機に種々の問題を引き起こしてしまう。

また、入力する商用電源の電圧値は、世界的に２００Ｖ系（２００〜２４０Ｖ）の地域と、高電圧の４００Ｖ系（３８０〜４８０Ｖ）の地域とが存在するため、アーク加工用電源装置には、その２つの電圧値でともに動作可能に構成する要求があった。そのため、このような異なる２つの入力電圧に対応する構成と、上記した低出力設定時において安定した出力が得られる構成とを効率良く備えることが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、異なる２つの入力電圧に対応する構成と、低出力時の出力安定化を図る構成とを効率良く備えてなる電源装置及びアーク加工用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、整流回路及びその出力側の一対の電源線間に直列接続された第１及び第２の平滑コンデンサを有し、入力交流電源を整流・平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、第１〜第４のスイッチング素子を用いたブリッジ回路で構成され、その第１〜第４のスイッチング素子が所定組み毎でオンオフ駆動して前記各電源線を介して供給された前記直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路とを備えた電源装置であって、前記直流変換回路と前記インバータ回路前段の前記各電源線間に接続される補助コンデンサとの間において、前記各電源線上に配置される第５及び第６のスイッチング素子とその後段の前記各電源線及び前記第１，第２の平滑コンデンサ間に配置され両部間を遮断・導通する電路切替手段とを有してなり、第１の電圧値の前記入力交流電源の入力時には前記電路切替手段を遮断状態として前記第１及び第２の平滑コンデンサの両端電圧を前記インバータ回路に供給する一方、第１の電圧値の倍の第２の電圧値の前記入力交流電源の入力時には前記電路切替手段を導通状態とし前記第５及び第６のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動して前記第１又は第２の平滑コンデンサの各端子間電圧を前記電路切替手段を介して交互に前記インバータ回路に供給する補助スイッチング回路と、電源装置の低出力設定時に前記電源線に対して接続する接続切替手段を有し、前記第５及び第６のスイッチング素子のオンオフ動作により前記インバータ回路への直流電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、前記降圧チョッパ回路での前記直流電圧の降圧変化分に応じて前記インバータ回路の第１〜第４のスイッチング素子のオンパルス幅を拡大する制御手段とを備えたことをその要旨とする。

この発明では、直流変換回路とインバータ回路前段の各電源線間に接続される補助コンデンサとの間に備えられる補助スイッチング回路は、各電源線上に配置される第５及び第６のスイッチング素子と、その後段の各電源線及び第１，第２の平滑コンデンサ間に配置され両部間を遮断・導通する電路切替手段とを有してなる。同回路において、第１の電圧値の入力交流電源の入力時には電路切替手段が遮断状態となり第１及び第２の平滑コンデンサの両端電圧をインバータ回路に供給する。一方、第１の電圧値の倍の第２の電圧値の入力交流電源の入力時には電路切替手段が導通状態となり第５及び第６のスイッチング素子が交互にオンオフ駆動して第１又は第２の平滑コンデンサの各端子間電圧を電路切替手段を介して交互にインバータ回路に供給する。つまり、インバータ回路は、入力交流電源が第１及び第２の電圧値のいずれであっても補助スイッチング回路にて同電圧の直流電圧に変換されることで動作可能である。また、電源装置の低出力設定時には、降圧チョッパ回路は、電源線、即ち第５及び第６のスイッチング素子に対して接続する接続切替手段の切り替えにより動作可能となり、第５及び第６のスイッチング素子のオンオフ動作によりインバータ回路への直流電圧を降圧する。制御手段は、降圧チョッパ回路での直流電圧の降圧変化分に応じてインバータ回路の第１〜第４のスイッチング素子のオンパルス幅を拡大する。つまり、降圧チョッパ回路では、異なる２つの入力電圧に応じてオンオフ動作する第５及び第６のスイッチング素子が同回路でも兼用されることから、電源装置を効率良く構成できる。そして、出力電流を確保するために降圧チョッパ回路での降圧変化分、インバータ回路のスイッチング素子のオンパルス幅が拡大されることから、制御パルスが消失する歯抜けが生じ難くなり、この低出力設定時でも出力が安定化する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源装置において、電源装置の中・高出力設定時には、前記降圧チョッパ回路は、前記接続切替手段により前記電源線から切り離されて動作不能に切り替えられるとともに、前記制御手段は、前記第５及び第６のスイッチング素子の所定の素子が前記第１〜第４のスイッチング素子のオフに先立ってオフして第１〜第４のスイッチング素子を略ゼロ電圧でオフするソフトスイッチング制御を実施することをその要旨とする。

この発明では、電源装置の中・高出力設定時には、降圧チョッパ回路は、接続切替手段により電源線、即ち第５及び第６のスイッチング素子から切り離されて動作不能に切り替えられる。制御手段は、その第５及び第６のスイッチング素子の所定の素子がインバータ回路の第１〜第４のスイッチング素子のオフに先立ってオフして第１〜第４のスイッチング素子を略ゼロ電圧でオフするソフトスイッチング制御を実施する。これにより、第５及び第６のスイッチング素子を用いて更に、インバータ回路の各スイッチング素子のスイッチング損失を低減できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電源装置において、前記電路切替手段及び前記接続切替手段の少なくとも一方の切替手段は、その切り替えが前記制御手段により制御可能に構成されるものであることをその要旨とする。

この発明では、電路切替手段及び接続切替手段の少なくとも一方の切替手段が、制御手段によりその切り替えが制御可能に構成される。つまり、切替手段の切り替えが制御手段の制御により自動で行われることで、人による操作を必要としない。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置を用い、加工対象物のアーク加工を行うアーク加工用電圧を生成するように構成されているアーク加工用電源装置である。

この発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置が用いられて構成されるため、上記各請求項の作用効果が得られるアーク加工用電源装置を提供できる。

本発明によれば、異なる２つの入力電圧に対応する構成と、低出力時の出力安定化を図る構成とを効率良く備えてなる電源装置及びアーク加工用電源装置を提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のアーク加工用電源装置１１を備えたアーク加工機１０を示す。アーク加工機１０は、その電源装置１１から出力される加工用直流電圧をトーチＴＨに供給し、そのトーチＴＨから加工対象物Ｍに向けてアークを発生させることで、加工対象物Ｍに対してアーク溶接やアーク切断等のアーク加工を行う装置である。このようなアーク加工機１０に用いるアーク加工用電源装置１１は、入力された商用電源（三相交流電圧）を直流電圧に変換する直流変換回路１２と、その直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換するインバータ回路１３とを備え、そのインバータ回路１３からの高周波交流電圧を加工用直流電圧に更に変換している。

直流変換回路１２は、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６を用いたブリッジ回路で構成され三相の入力交流電源を全波整流する一次側整流回路ＤＲ１と、該整流回路ＤＲ１の出力側の第１及び第２の電源線Ｌ１，Ｌ２間に直列に接続され該整流回路ＤＲ１の出力電圧を平滑化する第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２とを有し、入力交流電源から直流電圧を生成する。この第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２は、それぞれ同容量のものが用いられる。

インバータ回路１３は、電源線Ｌ１，Ｌ２に接続され、４個のＩＧＢＴよりなる第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４を用いたブリッジ回路で構成されている。第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４は、出力制御回路ＳＣのＰＷＭ制御に基づいて（図２及び図３参照）、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４の組みと、第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３の組みとが交互にオンオフ駆動される。これにより、直流変換回路１２からの直流電圧が所定の高周波交流電圧に変換されて、変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給される。

インバータ回路１３及び前記直流変換回路１２の間には、補助スイッチング回路１４及び補助コンデンサＣ３が備えられている。補助スイッチング回路１４は、２個のＩＧＢＴよりなる第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６を有し、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の後段の電源線Ｌ１上に第５のスイッチング素子ＴＲ５が、電源線Ｌ２上に第６のスイッチング素子ＴＲ６がそれぞれ配置されている。第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６の後段の電源線Ｌ１，Ｌ２間には、２個のダイオードＤ５，Ｄ６が直列に接続されている。ダイオードＤ５，Ｄ６は、電源線Ｌ２から電源線Ｌ１に向けて順方向となるように接続されている。このダイオードＤ５，Ｄ６間の接続点Ｎ２と、前記第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１との間には、本実施形態ではリレーよりなる切替スイッチＳ１が接続されている。

切替スイッチＳ１は、出力制御回路ＳＣの制御に基づいてオンオフが切り替えられ、入力交流電源が２００Ｖ系と判定された時にはオフされて両接続点Ｎ１，Ｎ２を遮断し、入力交流電源が４００Ｖ系と判定された時にはオンされて両接続点Ｎ１，Ｎ２を導通する。第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６は、出力制御回路ＳＣの制御に基づいてオンオフ制御され、２００Ｖ系入力時では第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧をインバータ回路１３に供給し、４００Ｖ系入力時ではその両端電圧の半分である各コンデンサＣ１，Ｃ２の端子間電圧を交互にインバータ回路１３に供給する。つまり、この４００Ｖ系入力時では、２００Ｖ系入力時と同等の電圧まで降圧した直流電圧がインバータ回路１３に供給される。また、２００Ｖ系及び４００Ｖ系入力時のそれぞれにおいて、アーク加工出力が中・高出力（本実施形態では７０Ａ〜３５０Ａ）に設定された時には、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６は、インバータ回路１３の第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のスイッチング損失を低減するソフトスイッチング動作も行っている。これに対し、アーク加工出力が低出力（本実施形態では７０Ａ未満）に設定された時には、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６は、後述のチョッパ用コイルＬ及びチョッパ用コンデンサＣ４で構成する降圧チョッパ回路の一部として動作する。

ダイオードＤ５，Ｄ６の後段の電源線Ｌ１上には、切替スイッチＳ２が配置されている。また、直列接続された切替スイッチＳ３及びチョッパ用コイルＬが、前記切替スイッチＳ２と並列に電源線Ｌ１に接続されている。また、切替スイッチＳ２の後段の電源線Ｌ１，Ｌ２間には、直列接続された切替スイッチＳ４及びチョッパ用コイルＬが接続されている。この後段の電源線Ｌ１，Ｌ２間には、補助コンデンサＣ３が接続されている。

切替スイッチＳ２と切替スイッチＳ３，Ｓ４とは、出力制御回路ＳＣの制御に基づいて、オンオフ状態が相補で切り替えられている。詳しくは、上記したアーク加工出力の中・高出力設定時では、切替スイッチＳ２はオン状態、切替スイッチＳ３，Ｓ４はオフ状態に切り替えられ、直流変換回路１２で生じる直流電圧がそのままの電圧でインバータ回路１３に供給される。一方、低出力設定時では、切替スイッチＳ２はオフ状態、切替スイッチＳ３，Ｓ４はオン状態に切り替えられる。つまり、チョッパ用コイルＬ及びコンデンサＣ４が使用されることとなり、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のオンオフ動作で直流変換回路１２からの直流電圧がそのデューティに応じた電圧まで降圧されてインバータ回路１３に供給される。

インバータ回路１３で生成された高周波交流電圧は、変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給され、該変圧器ＩＮＴの二次側には、二次整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬが備えられる。二次整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬは、インバータ回路１３からの高周波交流電圧をアーク加工用直流電圧に変換し、この加工用直流電圧は、直流リアクトルＤＣＬ側の出力線Ｌ３を介してトーチＴＨに出力される。一方、出力線Ｌ４は加工対象物Ｍと接続され、加工用直流電圧の供給に基づきトーチＴＨから加工対象物Ｍに向けてアークが生じるようになっている。

また、出力線Ｌ４上には、実出力電流値を検出する出力電流検出回路ＩＤが接続されている。出力電流検出回路ＩＤは、検出した出力電流値を出力電流検出信号Ｉｄとして比較演算回路ＥＲに出力し、該比較演算回路ＥＲでは、その出力電流検出信号Ｉｄと、出力電流設定器ＩＲからの出力電流設定信号Ｉｒとが比較される。因みに、出力電流設定器ＩＲでは、アーク加工を行う加工対象物Ｍに応じた出力電流値となるように人の操作等によりその出力電流値の設定がなされ、その設定に応じた出力電流設定信号Ｉｒが比較演算回路ＥＲに出力される。比較演算回路ＥＲは、出力電流検出信号Ｉｄと出力電流設定信号Ｉｒとを比較した比較演算信号Ｅｒ、即ち出力電流値と設定値との偏差を比較演算信号Ｅｒとして出力制御回路ＳＣに出力し、出力制御回路ＳＣでのフィードバック制御に用いられる。

出力制御回路ＳＣは、例えば直流変換回路１２で生成する直流電圧を電圧検出回路（図示略）にて検出し、この検出に基づいて入力交流電圧が２００Ｖ系か４００Ｖ系かを判定している。出力制御回路ＳＣは、４００Ｖ系入力と判定した場合には切替スイッチＳ１をオンに切り替え、２００Ｖ系入力と判定した場合には切替スイッチＳ１をオフに切り替える。また、出力制御回路ＳＣは、出力電流設定器ＩＲによるアーク加工出力の設定が中・高出力（本実施形態では７０Ａ〜３５０Ａ）か、低出力（７０Ａ未満）かを判定しており、前記入力交流電圧及びアーク加工出力設定値のそれぞれに応じた各切替スイッチＳ１〜Ｓ４の切り替えと、図２及び図３のタイミング波形に従ったインバータ回路１３及び補助スイッチング回路１４の制御を実施する。

［中・高出力設定時］
先ず、４００Ｖ系入力の場合では、出力制御回路ＳＣにより切替スイッチＳ１がオン状態に切り替えられ、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１とダイオードＤ５，Ｄ６間の接続点Ｎ２とが導通状態とされる。また、出力電流設定器ＩＲによる出力電流設定値が中・高出力である例えば７０Ａ〜３５０Ａのいずれかに設定されると、出力制御回路ＳＣはその設定値を認識する。そして、出力制御回路ＳＣにより切替スイッチＳ２がオン状態、切替スイッチＳ３，Ｓ４がオフ状態に切り替えられ（チョッパ用コイルＬ及びコンデンサＣ４を含む降圧チョッパ回路を非動作）、この中・高出力設定の場合では図２のタイミング波形に従った制御が実施される。

出力制御回路ＳＣは、出力電流設定器ＩＲでの入力からの出力電流設定値に基づくデューティで、インバータ回路１３の第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４の組みと第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３の組みとを交互にオンオフ動作させる。因みにこの場合、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４は、第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３がオンに切り替わる少なくとも所定時間ｔ２前にはオフに切り替えられ、第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３は、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４がオンに切り替わる少なくとも所定時間ｔ４前にはオフに切り替えられる。そして、出力制御回路ＳＣは、出力電流設定器ＩＲにおいて出力電流設定値が増加されると、各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅を所定時間ｔ２，ｔ４の確保可能な範囲で長く設定し、出力電流設定値が減少されると、各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅を短く（所定時間ｔ２，ｔ４を長く）設定する。また、出力制御回路ＳＣは、実際の出力電流値（出力電流検出信号Ｉｄ）を用いたフィードバック制御を行っており、実際の出力電流値と出力電流設定値との偏差（比較演算信号Ｅｒ）に基づいて各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のその時々のデューティを調整している。

また、補助スイッチング回路１４において、出力制御回路ＳＣは、前記インバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンオフ動作と対応させて第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６をオンオフ動作させている。この場合、第５のスイッチング素子ＴＲ５は、オン時には第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４と同時にオンされ、オフ時には第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４がオフに切り替わる所定時間ｔ１前にオフされる。また、第６のスイッチング素子ＴＲ６は、オン時には第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３と同時にオンされ、オフ時には第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３がオフに切り替わる所定時間ｔ３前にオフされる。

第５のスイッチング素子ＴＲ５がオン、第６のスイッチング素子ＴＲ６がオフすると、インバータ回路１３には、第１の平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が供給される。逆に、第５のスイッチング素子ＴＲ５のオフ、第６のスイッチング素子ＴＲ６のオンになると、インバータ回路１３には、第２の平滑コンデンサＣ２の端子間電圧が供給される。即ち、インバータ回路１３には、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２から交互に２００Ｖ系入力時の直流電圧と同等の入力電圧が供給される。そして、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４と第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３との交互のオンオフ動作により、インバータ回路１３から図２に示す高周波の出力電圧が変圧器ＩＮＴの一次側コイルに印加される。

また、第５のスイッチング素子ＴＲ５は、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４のオフに先立ち所定時間ｔ１前にオフされるソフトスイッチング制御が行われることで、直流変換回路１２からインバータ回路１３側への直流電圧の供給が先に停止され、やがて補助コンデンサＣ３の放電が完了する所定時間ｔ１経過後に第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４がオフされる。また、第６のスイッチング素子ＴＲ６は、第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３のオフに先立ち所定時間ｔ３前にオフされるソフトスイッチング制御が行われることで、直流変換回路１２からインバータ回路１３側への直流電圧の供給が先に停止され、やがて補助コンデンサＣ３の放電が完了する所定時間ｔ３経過後に第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３がオフされる。

これにより、第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４にかかる電圧が略ゼロ電圧で該スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４がそれぞれオフされ、ソフトスイッチング制御の効果であるスイッチング損失の低減がなされる。尚、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のオフ時において、第１又は第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２と補助コンデンサＣ３との端子間電圧が同等となることから、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６の両端子間電圧がそれぞれ略ゼロ電圧となり、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６でのスイッチング損失も低減されている。

次いで、２００Ｖ系入力の場合では、出力制御回路ＳＣにより切替スイッチＳ１がオフ状態に切り替えられ、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１とダイオードＤ５，Ｄ６間の接続点Ｎ２とが遮断状態とされる。この２００Ｖ系入力時でも同様に、出力電流設定器ＩＲでの入力からの出力電流設定値に基づくデューティで、インバータ回路１３の第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４の組みと第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３の組みとが交互にオンオフ動作する。

補助スイッチング回路１４において、出力制御回路ＳＣは、前記インバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンオフ動作と対応させて第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６をオンオフ動作させる。この２００Ｖ系入力時では、第５のスイッチング素子ＴＲ５は、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４がオフに切り替わる所定時間ｔ１前から第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３がオンとなるまでの期間でオフし、それ以外の期間はオンされる。また、第６のスイッチング素子ＴＲ６は、第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３がオフに切り替わる所定時間ｔ３前から第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４がオンとなるまでの期間でオフし、それ以外の期間はオンされる。つまり、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６がともにオンする期間では、インバータ回路１３には、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧、即ち直流変換回路１２からの直流電圧（４００Ｖ系入力時と同等の電圧）が供給されることになる。これにより、この直流電圧が第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４のオン期間と第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３のオン期間とで極性が変化する図２に示す高周波の出力電圧が変圧器ＩＮＴの一次側コイルに印加される。

また、第５のスイッチング素子ＴＲ５は、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４のオフに先立ち所定時間ｔ１前にオフされるソフトスイッチング制御が行われることで、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４は略ゼロ電圧でオフされ、ソフトスイッチング制御の効果であるスイッチング損失の低減がなされる。また、第６のスイッチング素子ＴＲ６についても同様に、第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３のオフに先立ち所定時間ｔ３前にオフされるソフトスイッチング制御が行われることで、第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３は略ゼロ電圧でオフされ、ソフトスイッチング制御の効果であるスイッチング損失の低減がなされる。また、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のオフ時においても同様に、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧と補助コンデンサＣ３との端子間電圧が同等となることから、第５及び第６スイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６の両端子間電圧がそれぞれ略ゼロ電圧となり、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６でのスイッチング損失も低減されている。

［低出力設定時］
先ず、４００Ｖ系入力の場合では、出力制御回路ＳＣにより切替スイッチＳ１がオン状態に切り替えられ、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１とダイオードＤ５，Ｄ６間の接続点Ｎ２とが導通状態とされる。また、出力電流設定器ＩＲによる出力電流設定値が低出力である例えば７０Ａ未満のいずれかに設定されると、出力制御回路ＳＣにより切替スイッチＳ２がオフ状態、切替スイッチＳ３，Ｓ４がオン状態に切り替えられ（チョッパ用コイルＬ及びコンデンサＣ４を含む降圧チョッパ回路を動作）、この低出力設定の場合では図３のタイミング波形に従った制御が実施される。

この低出力設定時において、出力制御回路ＳＣは、補助スイッチング回路１４の制御を上記したソフトスイッチング制御から降圧チョッパ制御に切り替えて実施する。詳しくは、この低出力設定時では、切替スイッチＳ２がオフ状態、切替スイッチＳ３，Ｓ４がオン状態に切り替えられることから、オンオフ制御される第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６とチョッパ用コイルＬ及びコンデンサＣ４とで降圧チョッパ回路が構成される。４００Ｖ系入力時には、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６は、インバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に対応して交互にオンされ、該スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のデューティと相関させて設定されるデューティにて制御される。そして、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６の交互のオンオフ動作により、オン状態の切替スイッチＳ１を介して第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の各端子間電圧が交互にチョッパ用コイルＬ及びコンデンサＣ４に印加される。このとき、印加された直流電圧がこのスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のオンオフ動作（デューティ）に応じて降圧され、その降圧された直流電圧がインバータ回路１３の入力電圧とされる。

インバータ回路１３において、出力制御回路ＳＣは、出力電流設定器ＩＲでの入力からの出力電流設定値に基づくデューティで、インバータ回路１３の第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４の組みと第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３の組みとを交互にオンオフ動作させる。ここで、この低出力設定時では、インバータ回路１３の前段の降圧チョッパ回路が動作することでインバータ回路１３への入力電圧が降圧されて供給されることから、その降圧変化分、即ち降圧チョッパ回路として動作する第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のデューティに相関させてインバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅を拡大（Ｗ１→Ｗ２）したデューティにてオンオフ制御し、インバータ回路１３から図３に示す高周波の出力電圧が変圧器ＩＮＴの一次側コイルに印加される。

つまり、この低出力設定時においては、インバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅が狭くなりがちなため、インバータ回路１３への入力電圧を降圧チョッパ回路にて降圧するとともにその降圧分だけオンパルス幅を拡大し、設定値に応じた出力電流を確保するようになっている。因みに、本実施形態では、チョッパ動作時の第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のデューティは、出力電流設定値の減少に伴い直線的に減少させて下限値で一定となるように設定され、第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４は、これに相関したデューティに設定されている。

次いで、２００Ｖ系入力の場合では、出力制御回路ＳＣにより切替スイッチＳ１がオフ状態に切り替えられ、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２間の接続点Ｎ１とダイオードＤ５，Ｄ６間の接続点Ｎ２とが遮断状態とされる。また、低出力設定時のため、同様に切替スイッチＳ２がオフ状態、切替スイッチＳ３，Ｓ４がオン状態に切り替えられている。

補助スイッチング回路１４では、同様に切替スイッチＳ２がオフ状態、切替スイッチＳ３，Ｓ４がオン状態に切り替えられることから、オンオフ制御される第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６とチョッパ用コイルＬ及びコンデンサＣ４とで降圧チョッパ回路が構成される。２００Ｖ系入力時には、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６は、インバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に対応して交互にオフされ、該スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のデューティと相関させて設定されるデューティにて制御される。そして、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６の交互のオンオフ動作により、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧がそのオンオフ動作（デューティ）に応じて降圧され、その降圧された直流電圧がインバータ回路１３の入力電圧とされる。

インバータ回路１３において、出力制御回路ＳＣは、同様に第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４と第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３を、その前段のチョッパ回路での降圧変化分、オンパルス幅を拡大（Ｗ１→Ｗ２）したデューティにてオンオフ制御し、インバータ回路１３から図３に示す高周波の出力電圧が変圧器ＩＮＴの一次側コイルに印加される。つまり、２００Ｖ系入力の低出力設定時においても同様に、インバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅が狭くなりがちなため、インバータ回路１３への入力電圧を降圧チョッパ回路にて降圧するとともにその降圧分だけオンパルス幅を拡大し、設定値に応じた出力電流を確保するようになっている。因みに、この２００Ｖ系入力でも４００Ｖ系入力時と同様に、第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のデューティと第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のデューティとを相関させて設定されている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、補助スイッチング回路１４において、第１の電圧値である２００Ｖ系入力時には切替スイッチＳ１が遮断状態となり第１及び第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧をインバータ回路１３に供給する。一方、第２の電圧値である４００Ｖ系入力時には切替スイッチＳ１が導通状態となり第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６が交互にオンオフ駆動して第１又は第２の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の各端子間電圧を切替スイッチＳ１を介して交互にインバータ回路１３に供給する。つまり、インバータ回路１３は、入力交流電源が２００Ｖ系４００Ｖ系のいずれであっても補助スイッチング回路１４にて同電圧の直流電圧に変換されることで動作可能である。

また、アーク加工出力の低出力設定時には、降圧チョッパ回路を構成するチョッパ用コイルＬ及びコンデンサＣ４が電源線Ｌ１，Ｌ２、即ち第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６に対して接続する切替スイッチＳ２〜Ｓ４の切り替えにより動作可能となり、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のオンオフ動作によりインバータ回路１３への直流電圧を降圧する。出力制御回路ＳＣは、降圧チョッパ回路での直流電圧の降圧変化分に応じてインバータ回路１３の第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅を拡大する。

つまり、降圧チョッパ回路では、異なる２つの入力電圧に応じてオンオフ動作する第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６が同回路でも兼用されることから、電源装置１１を効率良く構成することができる。そして、出力電流を確保するために降圧チョッパ回路での降圧変化分、インバータ回路１３のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅が拡大されることから、制御パルスが消失する歯抜けが生じ難くなり、この低出力設定時でも出力を安定化することができる。このように本実施形態のアーク加工用電源装置１１では、異なる２つの入力電圧に対応する構成と、低出力時の出力安定化を図る構成とが効率良く備えられている。

（２）本実施形態では、アーク加工出力の中・高出力設定時には、降圧チョッパ回路を構成するチョッパ用コイルＬ及びコンデンサＣ４が切替スイッチＳ２〜Ｓ４により電源線Ｌ１，Ｌ２、即ち第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６から切り離されて動作不能に切り替えられる。出力制御回路ＳＣは、その第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６の所定の素子がインバータ回路１３の第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオフに先立ってオフして第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４を略ゼロ電圧でオフするソフトスイッチング制御を実施している。これにより、第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６を用いて更に、インバータ回路１３の各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のスイッチング損失を低減することができる。

（３）本実施形態では、切替スイッチＳ１〜Ｓ４が、出力制御回路ＳＣによりその切り替えが制御可能なリレーにて構成されている。つまり、切替スイッチＳ１〜Ｓ４の切り替えが出力制御回路ＳＣの制御により自動で行われることで、人による操作を必要としない。また、切替スイッチＳ１〜Ｓ４はそれぞれ１個のリレー（スイッチ）で構成されることから、電源装置１１の回路構成を複雑としない。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、アーク加工出力の設定が７０Ａ〜３５０Ａを中・高出力、７０Ａ未満を低出力としたが、数値はこれに限らず、中・高出力及び低出力の範囲を適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、低出力設定時において第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６のデューティを出力電流設定値の減少に伴い直線的に減少させて下限値で一定となるように設定し、第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４をこれに相関したデューティに設定した。これを、出力電流設定値の変化に伴ってデューティを段階的に変化させる態様としてもよい。

・上記実施形態では、中・高出力設定時において第５及び第６のスイッチング素子ＴＲ５，ＴＲ６を異なる２つの入力電圧に対応する切替動作に加え、ソフトスイッチング制御に基づく動作を行うように制御されたが、ソフトスイッチング制御に基づく動作を行わない態様としてもよい。

・上記実施形態では、切替スイッチＳ１〜Ｓ４をリレーで構成したが、リレー以外の例えば半導体スイッチ等の出力制御回路ＳＣによる制御が可能なスイッチや、手動切替によるスイッチ等で構成してもよい。

・上記実施形態では、各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ６にＩＧＢＴを用いたが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を用いて構成してもよい。
・上記実施形態では、アーク加工用電源装置１１に実施したが、アーク加工用以外の目的で用いられる電源装置、例えば直流変換回路１２、インバータ回路１３及び補助スイッチング回路１４を有する交流−交流変換電源装置に実施してもよい。また、インバータ回路１３及び補助スイッチング回路１４を有する直流−交流変換電源装置に実施してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ） 第１〜第４のスイッチング素子を用いたブリッジ回路で構成され、その第１〜第４のスイッチング素子が所定組み毎でオンオフ駆動して一対の電源線を介して供給された直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路を備えた電源装置であって、
前記各電源線間に直列接続された第１及び第２の平滑コンデンサと前記インバータ回路前段の前記各電源線間に接続される補助コンデンサとの間において、前記各電源線上に配置される第５及び第６のスイッチング素子とその後段の前記各電源線及び前記第１，第２の平滑コンデンサ間に配置され両部間を遮断・導通する電路切替手段とを有してなり、第１の電圧値の前記入力交流電源の入力時には前記電路切替手段を遮断状態として前記第１及び第２の平滑コンデンサの両端電圧を前記インバータ回路に供給する一方、第１の電圧値の倍の第２の電圧値の前記入力交流電源の入力時には前記電路切替手段を導通状態とし前記第５及び第６のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動して前記第１又は第２の平滑コンデンサの各端子間電圧を前記電路切替手段を介して交互に前記インバータ回路に供給する補助スイッチング回路と、
電源装置の低出力設定時に前記電源線に対して接続する接続切替手段を有し、前記第５及び第６のスイッチング素子のオンオフ動作により前記インバータ回路への直流電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、
前記降圧チョッパ回路での前記直流電圧の降圧変化分に応じて前記インバータ回路の第１〜第４のスイッチング素子のオンパルス幅を拡大する制御手段と
を備えたことを特徴とする電源装置。

このように構成すれば、上記請求項１と同様の作用効果を有する。

本実施形態におけるアーク加工用電源装置を示す回路図である。 電源装置の中・高出力設定時の波形図である。 電源装置の低出力設定時の波形図である。

符号の説明

１１…電源装置、１２…直流変換回路、１３…インバータ回路、１４…補助スイッチング回路、Ｃ１，Ｃ２…第１，第２の平滑コンデンサ、Ｃ３…補助コンデンサ、ＤＲ１…整流回路としての一次側整流回路、Ｌ１，Ｌ２…電源線、Ｍ…加工対象物、Ｓ１…電路切替手段としての切替スイッチ、Ｓ２〜Ｓ４…接続切替手段を構成する切替スイッチ、ＳＣ…制御手段としての出力制御回路、ＴＲ１〜ＴＲ６…第１〜第６のスイッチング素子。

Claims (4)

1. 整流回路及びその出力側の一対の電源線間に直列接続された第１及び第２の平滑コンデンサを有し、入力交流電源を整流・平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、
   第１〜第４のスイッチング素子を用いたブリッジ回路で構成され、その第１〜第４のスイッチング素子が所定組み毎でオンオフ駆動して前記各電源線を介して供給された前記直流電圧を所定の交流電圧に変換するインバータ回路と
   を備えた電源装置であって、
   前記直流変換回路と前記インバータ回路前段の前記各電源線間に接続される補助コンデンサとの間において、前記各電源線上に配置される第５及び第６のスイッチング素子とその後段の前記各電源線及び前記第１，第２の平滑コンデンサ間に配置され両部間を遮断・導通する電路切替手段とを有してなり、第１の電圧値の前記入力交流電源の入力時には前記電路切替手段を遮断状態として前記第１及び第２の平滑コンデンサの両端電圧を前記インバータ回路に供給する一方、第１の電圧値の倍の第２の電圧値の前記入力交流電源の入力時には前記電路切替手段を導通状態とし前記第５及び第６のスイッチング素子を交互にオンオフ駆動して前記第１又は第２の平滑コンデンサの各端子間電圧を前記電路切替手段を介して交互に前記インバータ回路に供給する補助スイッチング回路と、
   電源装置の低出力設定時に前記電源線に対して接続する接続切替手段を有し、前記第５及び第６のスイッチング素子のオンオフ動作により前記インバータ回路への直流電圧を降圧する降圧チョッパ回路と、
   前記降圧チョッパ回路での前記直流電圧の降圧変化分に応じて前記インバータ回路の第１〜第４のスイッチング素子のオンパルス幅を拡大する制御手段と
   を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   電源装置の中・高出力設定時には、
   前記降圧チョッパ回路は、前記接続切替手段により前記電源線から切り離されて動作不能に切り替えられるとともに、
   前記制御手段は、前記第５及び第６のスイッチング素子の所定の素子が前記第１〜第４のスイッチング素子のオフに先立ってオフして第１〜第４のスイッチング素子を略ゼロ電圧でオフするソフトスイッチング制御を実施することを特徴とする電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の電源装置において、
   前記電路切替手段及び前記接続切替手段の少なくとも一方の切替手段は、その切り替えが前記制御手段により制御可能に構成されるものであることを特徴とする電源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置を用い、加工対象物のアーク加工を行うアーク加工用電圧を生成するように構成されていることを特徴とするアーク加工用電源装置。

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