JP5595502B2 - エネルギー変換方法および装置ならびに溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷、特にアークを作用させるためのエネルギー貯蔵部のエネルギーを変換するための方法であって、エネルギーを変換するために、ステップダウン・コンバータの少なくとも１つのスイッチが、制御された方法でオンとオフとが切り替えられ、前記少なくとも１つのスイッチが、入力端にてエネルギー貯蔵部に接続される方法に関する。

本発明は、さらに、アークを作用させるためのエネルギー貯蔵部のエネルギーを変換するための装置であって、制御された方法でオンとオフとが切り替え可能な少なくとも１つのスイッチを持つステップダウン・コンバータを備え、前記少なくとも１つのスイッチは、入力端にてエネルギー貯蔵部に接続されている装置に関する。

最後に、本発明はまた、エネルギー貯蔵部、アークの生成のためのトーチ、および、制御された方法でオンとオフとを切り替えられる少なくとも１つのスイッチを持つステップダウン・コンバータによってアークを作用させるためにエネルギー貯蔵部のエネルギーを変換するための装置を備えた溶接装置に関する。

移動性を高めるために、電子エネルギーを持つ対応する装置のエレクトロニクスまたはパワーエレクトロニクスを供給するための電力供給としてエネルギー貯蔵部を使用し、同装置によって適用を実施できることが概ね理解されている。エネルギー貯蔵部の限られたエネルギーのために、前記エネルギー貯蔵部は定期的に再充電されなければならない。

金属加工のための装置におけるエネルギー貯蔵部の使用、例えば溶接装置における使用は、独国特許出願公開第２６５０５２２Ａ１号および英国特許出願公開第２３１６２４４Ａ号などの文献で知られている。

米国特許出願公開第２００５／０１０９７４８Ａ１号は、溶接エネルギーまたはアークの生成のためのエネルギー貯蔵部を持つ溶接装置を記載している。エネルギー貯蔵部の電圧は、ステップアップ・コンバータまたはブーストコンバータによって中間電圧まで変圧され、順次、下流のステップダウン・コンバータまたは降圧型コンバータによって、アークのために必要な電圧まで降圧される。エネルギー貯蔵部は、充電装置によって再充電可能である。充電装置は、溶接装置に組み込まれるか或いは外部ユニットとしてエネルギー貯蔵部に接続できる、独立のユニットを形成する。これに関連して、アークのためのエネルギーが二段階で生成され、これにより、ステップアップ・コンバータと共にステップダウン・コンバータにおいてもスイッチング損失が生じ、効率が低下してしまうという不利益がある。加えて、ステップダウン・コンバータは、昇圧された中間電圧を所望のアーク電圧の高さに変換しなければならず、これにより、大きな電圧差に起因してスイッチング損失が増大する。

欧州特許出願公開第０９４９７５１Ａ２号は、溶接装置のためのコンバータを記載しており、ステップダウン・コンバータのスイッチのオンとオフとが対応して切り替えられる。バッテリー駆動の溶接装置の使用については開示されていない。

米国特許出願公開第２００７／１８１５４７Ａ１号は、エネルギー貯蔵部の充電のための回路を持つバッテリー駆動の溶接装置を記載する。

本発明の目的は、エネルギー貯蔵部から利用可能な限られたエネルギーを、最小のスイッチング損失にてアークに供給できる、上述した方法および上述した装置を創出することにある。既知の方法または装置の不利益が回避され、または少なくとも低減される。

本発明のさらなる目的は、エネルギー貯蔵部の限られたエネルギーの利用のための最適なエネルギー管理をユーザーに提供する、上述した溶接装置およびこれにより実施可能な方法を創出することにある。

本発明の目的は、上述したエネルギー変換方法であって、アークを作用させるためのステップダウン・コンバータとして同期コンバータが使用され、パワーユニットとして設計された同期コンバータの少なくとも１つのスイッチは、少なくともスイッチがスナブ状態（snubbed state）にてオンとオフを切り替えられるように、スナバ回路に出力端で接続されており、少なくとも１つのスイッチのスイッチオン・プロセスにて、スイッチに直列に配置されたインダクタによって電流の増加が制限され、スイッチオン・プロセスの後、制御ユニットが作動され、出力端にてスイッチに割り当てられた少なくとも１つのキャパシタが、スイッチをスイッチオン状態としながら充電され、少なくとも１つのスイッチのスイッチオフ・プロセスにおいて、および、制御ユニットを作動停止させながら、出力端にてスイッチに印加されている電圧が、キャパシタによってエネルギー貯蔵部の電圧に実質的に保持されるエネルギー変換方法によって達成される。貯蔵コンポーネントを持つスナバ回路の導入に起因して、エネルギー貯蔵部のエネルギーの高効率利用が達成され、貯蔵コンポーネントによって、切り替えの際にエネルギーが暫定的に貯蔵され、続いてアークに供給される。したがって、実質的なエネルギー損失はない。同期コンバータのエネルギー貯蔵部への直接接続によって、損失をさらに低減することができ、これにより非常に高い効率がもたらされる。同期コンバータの少なくとも１つのスイッチにおける最小のスイッチング損失のみが発生することにより、９９％のレンジの効率を得ることができる。低減された損失は、また、非常に低い発熱をもたらすので、非常に小さな換気装置またはファンで十分であり、特に、より小さなパワーの場合、必要な冷却が既に対流によって達成される。したがって、パワーユニットに対して、エネルギー貯蔵部の必要スペースと比べ、非常に小さなスペースのみが必要となり、多くの場合において問題とならない。

本発明の目的は、また、負荷を作用させるためのエネルギー貯蔵部のエネルギーを変換するための上述した方法であって、パワーユニットとして設計されたステップダウン・コンバータが、負荷への供給を提供するため、即ち負荷に供給するため、およびエネルギー貯蔵部を充電するために使用される方法によって達成される。

好ましくは、制御ユニットは、少なくともキャパシタおよびダイオードに出力端にて接続されたスイッチによって形成されており、これによりスイッチがスナブ状態で作動停止される。

スイッチがスイッチオン状態にあり、制御ユニットが作動停止とされながら、好ましくは、スナバ回路の少なくとも１つの貯蔵コンポーネントが、スナブ状態でのスイッチのスイッチオン・プロセスのためのスナバ回路の少なくとも１つのさらなる貯蔵コンポーネントによって完全に充電される。

スイッチオン・プロセスの瞬間およびスイッチオン・プロセスの最中での措置の結果として、非常に小さな電流のみがスイッチを流れ、このため、最小のスイッチング損失のみとなるという利点が得られる。前記スナバ回路または制御ユニットはスイッチオン・プロセスの後にのみ作動されるので、スイッチオン・プロセスにおいて、スイッチは実質的にスナバ回路によって影響を受けない。この間に、貯蔵コンポーネントが制御された方法で充電され、これにより切り替えの最適なスナブ動作（snubbing）が可能となる。さらに、貯蔵コンポーネントの充電の際に、暫定的に貯蔵されたエネルギーが効率的に使用され、それとともに部分的に他の貯蔵コンポーネントが充電される。

同期コンバータのスイッチのスイッチオフ・プロセスにおいて、好ましくは、スナバ回路の貯蔵コンポーネントの少なくとも一部が、スイッチのスイッチオフ・プロセスにて、独立して作動される。

本発明のさらなる特徴によれば、スイッチオフ・プロセスにて、スナバ回路の少なくとも１つの貯蔵コンポーネントが、スイッチのスイッチオン・プロセスのための同期コンバータの出力へ放出される。スイッチオフ・プロセスの瞬間およびスイッチオフ・プロセスの最中において、如何なる時間遅れも無しに実質的に作動されるという対策によって、スイッチング損失を最小のレベルに抑えることができる。また、スイッチにおける電圧降下を非常に低く抑えることが可能であり、これにより、最小のスイッチング損失のみがもたらされる。また、次のスイッチオン・プロセスのためのスイッチオンのスナブ動作が保証されるという利点もある。これとの関連で、さらに、暫定的に貯蔵されたエネルギーが出力でのアークに利用可能となる。

さらに、同期コンバータが、同期コンバータの入力と出力とを交換することによって、ステップアップ・コンバータとしてエネルギー貯蔵部を充電するためにも使用されることにより、さらなる利点が得られる。これによって、エネルギー貯蔵部の充電のために追加のコンポーネントが不要となる。

本発明の目的は、また、エネルギー貯蔵部のエネルギーを変換するための上述の装置であって、ステップダウン・コンバータが同期コンバータによって形成されており、パワーユニットとして設計された同期コンバータの少なくとも１つのスイッチは、少なくとも１つのスイッチのスナブ状態におけるスイッチオンおよびオフのための貯蔵コンポーネントを持つスナバ回路に出力端にて接続され、少なくとも１つのスイッチのスイッチオン・プロセスのスナブ動作を行うために、スイッチと直列に接続されたインダクタが設けられ、および、少なくとも１つのスイッチのスイッチオフ・プロセスのスナブ動作を行うために、少なくとも１つのスイッチに接続されたダイオードおよびコントロールユニットに接続されたキャパシタが設けられている装置によって達成される。そこから得られる利点は、既に上で述べた利点から、および以下の説明から推論できる。

有利には、エネルギー貯蔵部を充電するための手段が設けられ、前記手段は、交換される入力および出力を持つ同期コンバータによって形成され、これにより、エネルギー貯蔵部を充電するためのステップアップ・コンバータとして同期コンバータを使用できる。

エネルギー貯蔵部の充電状態を表示するために、好ましくは、入力および／または出力装置に発光ダイオードを設けることができる。

さらに、充電装置のスイッチオンおよびオフのための設定要素を、好ましくは同じく入力および／または出力装置に設けることができる。

最後に、本発明の目的は、上述した溶接装置であって、エネルギーを変換するための装置が、上述した方法を実施するために設計される溶接装置によっても達成される。

以下、添付の模式図によって本発明を詳細に説明する。

溶接装置を模式的に示した図である。 本発明によるスナブ（snubbed）切り替えプロセスを実施するための模式的なブロック図である。 本発明に従って設計された溶接装置のパワーユニットの回路図である。 溶接装置の入力および／または出力装置を模式的に示した図である。 溶接装置の入力および／または出力装置を模式的に示した図である。

初めに、本実施形態の同一の構成要素には同一の参照番号が付与されていることに言及しておく。

図１には、少なくともエネルギー貯蔵部２、パワーユニット３、制御装置４、ならびに、入力および／または出力装置５を備えた装置１が示されている。装置１は、制御装置４によって制御できるアーク６の形成のために設計されている。このため、装置１は、例えば、溶接装置、切削装置、清掃装置、または半田付け装置として使用できる。そのような装置１の詳細、例えばトーチ７の冷却などについては、従来の技術水準として一般に知られているので、詳細には説明しない。

アーク６のための電流は、トーチ７の電極ホルダの中に配置されるか或いは電極ホルダによって保持された電極３２と、ワーク８との間に生成される。このために、幾つかのパーツで形成されたワーク８もまた装置１に接続される。これに対応して、エネルギー貯蔵部２によって供給されるパワーユニット３からの電流が付与される。さらに、電流および必要に応じてさらなるパラメータを設定または調整することができ、または、入力および／または出力装置５にて制御されまたは規制される。この目的のため、入力および／または出力装置５は、制御装置４に接続されている。好ましくは、パワーユニット３は、その出力に接続部またはソケットが設けられており、これらを介してトーチ７またはワーク８をパワーユニット３に連結することができる。これに対応して、パワーユニット３は、エネルギー貯蔵部２に貯蔵されたエネルギーを、例えば溶接プロセスを実施できるように変換し、これについては以下の実施形態において説明する。

本発明によれば、アーク６を作用させるためのパワーユニット３としてステップダウン・コンバータを使用することにより、および、ステップダウン・コンバータの、エネルギー貯蔵部２に接続された少なくとも１つのスイッチ９の切り替えプロセスをスナブ状態で実施することにより、エネルギー貯蔵部２から利用可能な限られたエネルギーを、アーク６に対して最小のスイッチング損失で供給することができる。この目的のために、スナブ切り替えプロセスを実施するためのスナバ回路１０がステップダウン・コンバータに組み込まれる。

スナバ回路１０が組み込まれた本発明によるパワーユニット３について、図２および図３に基づいて以下で説明する。ステップダウン・コンバータの基本的なコンポーネントは、スイッチ９および１１、ならびにインダクタ１２である。これとの関連で、同期ステップダウン・コンバータとして使用される同期コンバータに言及する。アーク６のためのエネルギーを効率的に、即ち９９％のレンジの効率で生成できるようにするために、本発明によれば、スイッチオン・プロセス中のスイッチオンのスナブ動作と共に、スイッチオフ・プロセス中のスイッチオフのスナブ動作もまた結果として得られるように、スイッチ９がスナバ回路１０に配線されている。その結果として、極めて僅かのエネルギーが熱に変換され、そのため、パワーユニット３の電子機器のために要求される冷却が最小となる。したがって、パワーユニット３の必要スペースもまた最小化される。

本実施形態において、スナバ回路１０は、キャパシタおよびインダクタのような貯蔵コンポーネントと共にダイオードによって構成されている。一般に、ダイオードは電流の方向を制御し、これにより、エネルギー貯蔵部２のエネルギーを、少なくともスイッチ９の切り替えプロセスの際のスイッチング損失を最小化しながら、溶接プロセス、切削プロセス、または清掃プロセスにおける、アーク６のために必要なエネルギーに変換することができる。

これとの関連で、スイッチオンのスナブ動作が２つの回路に分割されており、第１の回路は、スイッチ９に直列のインダクタ１３によって形成されており、第２の回路は、キャパシタ１４とダイオード１５とにわたって存在している。第２の回路は、制御ユニット１６によってアクティブに制御され、または規制されている。第１の回路は、第２の回路を介して間接的にアクティブに制御され、または規制されており、全体として、アクティブなスイッチオン・スナブ動作が達成される。

その最も簡素な形体において、制御ユニット１６は、入力端にてエネルギー貯蔵部２に接続された、スイッチ９のようなスイッチ１７によって形成されている。この場合、スイッチ１７もまたそれに応じてスナブ動作が行われる。具体的には、スイッチオフのスナブ動作が、キャパシタ１８およびダイオード１９を介して起こり、スイッチオンのスナブ動作が、インダクタ２０およびインダクタ２１を介して起こる。

スイッチ９のためのスイッチオフのスナブ動作は、スイッチ１７と同様に、即ちキャパシタ２２およびダイオード２３を介して達成される。この関連で、ダイオード２３は、スイッチ９がスイッチオン状態にあるときに、スイッチ９を介したキャパシタ２２の制御不能な充電を防止する。

スイッチ１１のためのスナブ動作は必要とされず、これは、同期ステップダウン・コンバータの基本的な機能原理から自動的にもたらされるものであり、従来の技術水準として一般に知られている。

同期コンバータの制御による溶接装置１の制御装置４によりアクティブに制御される切り替えプロセスの際のスイッチオン及びスイッチオフのスナブ動作の機能について、以下の最初の状況から始めて、詳細に説明する。

スイッチ９開放、スイッチ１１閉鎖、キャパシタ１４、１８および２２と共にインダクタ２０、２１、１３放出。

この最初の状況に従って、出力電流Ｉａまたは溶接エネルギーが、スイッチ１１およびインダクタ１２によって形成された電子回路を介して供給され、スイッチ１１での電圧が実質的にゼロである。したがって、インダクタ１２が放出される。次の工程でインダクタ１２が再び充電されるために、スイッチ９がスイッチオンされ、スイッチ１１がスナブ状態でスイッチオフされる。

スイッチ９がスイッチオンされると、本発明によれば、スイッチオン・スナブ動作がアクティブになり、これにより、スイッチオンの瞬間に、スイッチ９の自己容量のみが再装荷または移送されなければならない。これに起因して、僅かに小さな、ほとんど無視できるスイッチオン損失がそこから生じる。これは、スイッチ９に直列に接続されたインダクタ１３によって達成され、前記インダクタ１３は、スイッチオンの瞬間に、インダクタ１３の容量に応じて電流の増大が連続的に生じるように、電流の増大を制限する。このように、出力電流Ｉａのごく一部によってのみ、最小のスイッチング損失が引き起こされる。

この電流の増加は、インダクタ１３を通る電流が出力電流Ｉａと同じ大きさになるまで継続する。これは、電流制限のために、出力電流Ｉａが時間遅れでスイッチ９を介して出力に完全に流れるからである。したがって、スイッチ１１に並列に接続されたダイオード１５を介して出力に電流が流れることはもはやなく、これにより、キャパシタ１４はスイッチ１１と並行して再充電される。最も簡素なケースにおいて、前記ダイオード１５及び前記キャパシタ１４が、スイッチ１１を形成するパワートランジスタの一部である。これとの関連で、前記キャパシタ１４に直列に接続されたインダクタ１３を介して再充電が実行される。これにより、ノードＫ１での電圧が、時間遅れで、連続的にまたはゆっくりと、供給電圧、即ちエネルギー貯蔵部２の電圧まで上昇する。

さらに、上述した電圧のゆっくりとした上昇によって、スイッチ９における電圧ピークを回避できると共にスイッチ１１でも回避でき、これにより、スイッチ９または１１の意図しない短期切り替えが防止される。特にこれは、スイッチ９がスイッチオン状態のときに、またスイッチ１１がスイッチオンされるときに防止される。これとの関連で、溶接エネルギーがエネルギー貯蔵部２から直接供給される、いわゆる「導電フェーズ（conductive phase）」について言及する。これは、供給電圧がノードＫ１にわたっているときのケースである。

「導電フェーズ」中、それに続くスイッチオフ・スナブ動作のために、および、次のスイッチオン・スナブ動作のためにも、対応する準備がなされていなければならない。「導電フェーズ」中に生じる「充電フェーズ」において、制御ユニット１６が作動され、即ちスイッチ１７がスイッチオンされるので、キャパシタ１４、１８および２２が充電される。制御ユニット１６の作動のための最初の可能な時点は、供給電圧がノードＫ１に印加されるときである。スイッチ１７は、供給電圧の半分がキャパシタ１４に印加されるまでスイッチオン状態を維持する。さらに、この時間中に、キャパシタ１４よりも容量が小さいキャパシタ２２および１８が、インダクタ２１およびダイオード２４を介して十分に充電される。前記インダクタ２１およびダイオード２４は、キャパシタ１８とキャパシタ２２との間に配置されており、これにより、両キャパシタ１８、２２が、同じ充電電流ＩＬ２で充電される。これとの関連で、インダクタ２１が、同じ容量のキャパシタ１８および２２の充電時間を制御し、これらのキャパシタが供給電圧まで同時に等しく充電される。これとの関連で、キャパシタ１８および２２は、せいぜい、キャパシタ１４での供給電圧の半分に達するために必要な時間にわたって充電される。それに応じて、インダクタ２１の容量決めが実行される。さらに、チョーク２１およびダイオード２４が、キャパシタ１８および２２の充電中に、前記キャパシタが直列に接続されるように作用する。しかしながら、スイッチオフ・スナブ動作を実現するために、キャパシタ１８およびダイオード１９またはキャパシタ２２およびダイオード２３は、互いに独立に動作する。

前記時間中、キャパシタ１４の充電電流ＩＬ１に応じて、スイッチ１７に直列に接続されたインダクタ２０に貯蔵されたエネルギーもある。

スイッチ１７は、キャパシタ１８および２２が完全に充電されたとき、および、供給電圧の半分がキャパシタ１４に印加されたときに、スイッチオフされる。ここで、充電されたキャパシタ１８およびダイオード１９は、スイッチングの瞬間に、供給電圧がまた、キャパシタ１８によりスイッチ１７の出力端に現れるので、スイッチ１７のためのスイッチオフ・スナブ動作として機能し、この故に、スイッチ１７は、実質的に電圧無しに、または、如何なる電位差も無しに、スイッチオフされ、または、開放され得る。続いて、キャパシタ１８の完全な放出が、インダクタ２０を介して、キャパシタ１４または出力に対して行われる。このように、インダクタ２１、ダイオード１９、およびダイオード２５のおかげで、上述の暫定的に貯蔵されたエネルギーが失われることがない。キャパシタ２２が継続的に供給電圧に維持されながら、キャパシタ１８が放出される。

スイッチ１７のスイッチオフにより、キャパシタ１４は、インダクタ２０に貯蔵されたエネルギーによって供給電圧まで充電される。これは、インダクタ２０、キャパシタ１４およびダイオード２５によって形成された電子回路を介して生じる。インダクタ２０は、スイッチ１７がスイッチオフ状態にあるときに、キャパシタ１４を供給電圧まで充電できるようにすべく、スイッチ１７のスイッチオン時間中に十分なエネルギーが貯蔵されるように容量が決められる。

最後に、供給電圧がキャパシタ１４に到達したとき、「導電フェーズ」中の「充電フェーズ」もまた終了する。このように、スイッチ９のためのスイッチオフ・スナブ動作が保証されるので、「導電フェーズ」もまた終了する。加えて、インダクタ１３からのエネルギーの除去もまた保証され、これにより、スイッチ９のスイッチオフと同時に、スイッチ９の次のスイッチオン・プロセスのためのスイッチオン・スナブ動作もまた実質的に利用できる。

スイッチ９がスイッチオフされるとき、スイッチ１７のときと同じ方法でスイッチオフ・スナブ動作が実行され、充電されたキャパシタ２２を通して、およびダイオード２３を介して、供給電圧がまたスイッチ９またはノードＫ２の出力端にて利用可能となされ、これにより、スイッチ９でのそこからの電圧降下または電位差が実質的に生じることがなく、したがって、前記スイッチ９をほとんど損失無しにスイッチオフすることができる。

したがって、また、エネルギー貯蔵部２からスイッチ９を介してインダクタ１３へとさらなる電流が流れることがなく、これにより、また、そこに貯蔵されているエネルギーを実質的に完全に放出することができる。これは、キャパシタ２２の完全な放出によって、ノードＫ２での電圧がダイオード２３を介して出力へと連続的に減少するように実施される。スイッチ９のスイッチオフにより、ノードＫ１での電圧に影響するキャパシタ１４もまた放出される。これとの関連で、キャパシタ２２よりも大きなキャパシタ１４を通して、ノードＫ１での電圧が、ノードＫ２での速度よりも遅い速度で減少する。

これにより、インダクタ１３での電圧の極性が、より早い時点で放出されるキャパシタ２２に起因して反転されるので、いわゆる負電圧時間領域がインダクタ１３に付与されて、インダクタ１３を通る電流が減少する。このように、ノードＫ２またはスイッチ９の出力端での電位が、キャパシタ２２の放出の後に実質的にゼロとなり、ノードＫ２での前記電位がダイオード２６によって保持される。これとの関係で、インダクタ１３での負電圧時間領域は、インダクタ１３の放出から生じる電流が出力に供給されるということをもたらす。したがって、インダクタ１３およびキャパシタ１４のエネルギーは、実質的に損失無しに、出力電流Ｉａに供給される。このように、スイッチオンのスナブ動作が、スイッチ９の次のスイッチオン・プロセスのために再び利用可能である。同様に、スイッチ９がスイッチオフされるとスイッチ１１が再びスイッチオンされ、その結果、出力電流Ｉａが遮断されることがない。具体的には、これは、ノードＫ１で電圧が実質的にゼロまで減少したときに生じる。このように、スイッチオン・スナブ動作が与えられる。これにより、最初の状況がもう一度確立される。したがって、溶接エネルギーが要求される限りこれが繰り返される。

本発明によるパワーユニット３は、エネルギー貯蔵部２からの溶接エネルギーの提供のために特に使用されるので、エネルギー貯蔵部２の容量に応じた限られたエネルギーがユーザーに利用可能である。利用可能なエネルギーまたはそこから派生するパラメータは、図４及び図５による入力および／または出力装置５にて表示部２７に表示され得る。この目的のために、好ましくは、アーク６の生成のため、どのくらいの長さの時間のエネルギーがセット電流のために十分であるか、エネルギー貯蔵部２の容量および設定要素２８によって設定された電流から計算される。パラメータの計算、特に利用可能な時間、即ち残っている時間または残された時間の計算は、例えば以下に説明するような方法で実施される。

従来技術によるエネルギー貯蔵部２においては、非常にしばしば、いわゆる「充電状態」（ＳＯＣ）コントローラおよび／または「正常状態（state of Health）」（ＳＯＨ）コントローラが組み込まれている。装置１の制御装置４に従って、前記コントローラは、特に、エネルギー貯蔵部２の容量に実質的に対応する現在の充電状態を提供する。さらに、アーク６のための設定電流はまた、制御装置４に知らされている。エネルギー貯蔵部２の効果的に使用可能な容量が負荷に大きく依存しているので、前記設定電流が必要とされる。この関係で、負荷は設定電流に対応する。例えば、大きな溶接電流にて溶接が実施されるとき、エネルギー貯蔵部２の容量は、中位の、または小さな溶接電流で溶接が行われるときよりも、より急速に消費される。したがって、エネルギー貯蔵部２の容量と共に、アーク６を作用させるための電流が、計算の基礎として供される。

装置１が始動されるとき、例えば、設定電流にてどのくらいの作動時間が可能であるかが、電流および容量から計算され、表示部２７に表示される。この関係で、残存する時間または残された時間について言及し、または、溶接装置の場合、残存する溶接時間について言及する。アーク６を作用させるための電流、特に溶接電流が変更されると、残存する溶接時間もまたそれに応じて修正される。溶接装置を始動する際、溶接プロセスはまだ実施されておらず、表示された残存溶接時間は、おおよその値として役立つのみである。ここで、実際のエネルギー消費はまだ考慮に入れられていない。実際のエネルギー消費は、特に、アーク６の長さ、使用される溶接電極３２、対応する溶接アプリケーションなどに依存する。

ここで、溶接プロセスが実施されると、制御装置４が、溶接電流および溶接電圧またはエネルギー貯蔵部２の電流および電圧の実際の値に基づいて、ある期間にわたって実際のエネルギー消費を計算する。この時点までのエネルギー消費に基づいて、将来のエネルギー消費への外挿を実施することができ、このため、残存溶接時間、即ち溶接をあとどの位の時間継続できるかを、これに応じて補正することができ、新しい値を表示部２７上に表示することができる。これは、アーク６の作用中に、規則的な時間間隔、例えば、５秒、３０秒または６０秒ごとに実施することができる。表示部２７上に、最後に計算された残存溶接時間が、好ましくは、新しい溶接プロセスが開始され、溶接電流が変更され、または装置１がスイッチオフされるまで表示される。

さらに、少なくとも最後に計算した値を記録することができ、これにより、次の開始の際に前記値が表示部２７上に表示される。

残存溶接時間の計算をさらにより正確に実行できるようにするために、例えば、規則的な時間間隔で収集した実際の値が溶接プロセス中に記録される。したがって、溶接プロセスの後、溶接プロセス中に消費されたエネルギーをこれに基づいて計算することができ、エネルギー消費の前記値が、溶接プロセス中の設定溶接電流に割り当てられる。そして、同じ設定溶接電流にて溶接プロセスが数回実施されると、エネルギー消費の平均を求めることができる。同様に、実施される各溶接プロセスにおいて必要な溶接時間もまた記録され、前記溶接時間の平均をとることもできる。このようにして、いわゆるライブラリを形成することができ、そこに、例えば、溶接電流の複数の可能な設定に加えて、規定された時間にわたるエネルギー消費の平均値を記録することもできる。この関係で、そのようなライブラリを、実施される各溶接プロセスによって随時更新することができる。このようにして、溶接装置１が始動されるとき、または、溶接電流が変更されるときに、設定溶接電流によって生じるエネルギー消費は、ライブラリからの経験的に確立された数字によって実質的に分かっている。このため、エネルギー貯蔵部２の容量から、および、ライブラリに記録された溶接プロセスごとのエネルギー消費から、設定溶接電流およびエネルギー貯蔵部２の利用可能な容量によって溶接プロセスを何回行うことができるかを計算可能である。ライブラリには、エネルギー消費に属する溶接時間もまた同様に記録されているので、残存溶接時間を計算して表示部２７上に表示することができる。

このように、まだ利用可能なエネルギーおよび現在のエネルギー消費が規則的な時間間隔で考慮されるので、残存溶接時間は、反復して計算され、または求められる。したがって、表示部２７上に表示される残存溶接時間は定期的に調整され、これにより、エネルギー貯蔵部２についての比較的正確な情報が利用可能である。

残存溶接時間の記述された表示は、もちろん、同様の機能のために使用することもできる。これは特に、エネルギー貯蔵部２が溶接のためのモジュールに結合されておらず、例えば、インバータモジュールまたはツールモジュールに結合されている場合である。

エネルギー貯蔵部２の充電の可能性が存在する場合にはさらに有利である。パワーユニット３として同期ステップダウン・コンバータが使用されるとき、同期ステップダウン・コンバータをステップアップ・コンバータとして動作させることによって、エネルギー貯蔵部２を充電するために前記同期ステップダウン・コンバータを使用することもできる。この関係で、同期ステップダウン・コンバータは、入力と出力とを交換することによって逆方向に操作される。したがって、図２によるステップアップ・コンバータの操作のために、スイッチ１１、インダクタ１２およびダイオード２８が重要である。ダイオード２８の機能がスイッチによって置き換えられる場合、同期ステップアップ・コンバータについて言及される。したがって、スイッチ１１が同期コンバータの両方の運転モードにおいて使用され、各運転モードについて、異なる制御が要求される。例えば、ステップアップ・コンバータとしての運転に関し、入力および／または出力装置５にて、図４および図５による設定要素３０によって充電モード（充電）を作動させることによって、スイッチ１１の制御が作動される。作動された充電モードは、例えば、発光ダイオード３１によって表示される。

したがって、充電モードが作動されると、基礎的な前提条件が与えられ、エネルギー貯蔵部２を充電することができる。したがって、対応する電源を連結する必要がある。これは、このケースでは同期ステップアップ・コンバータの入力として使用される同期ステップダウン・コンバータの出力にて実施される。具体的には、パワーユニット３が溶接装置において使用される場合、溶接ソケットによって出力が形成される。例えば、乗り物のバッテリーを電源として使用することができる。溶接ソケットの領域に、逆バッテリー保護を設けることができ、これにより、パワーユニット３に電源を接続したときにパワーユニット３を防護することができる。

ステップアップ・コンバータの一般的に知られた機能によれば、電源の電圧は、エネルギー貯蔵部２の電圧よりも低くしなければならない。

充電モードを作動させ、電源を接続した後、エネルギー貯蔵部２が充電される。そのために、電源の電圧をエネルギー貯蔵部２の電圧まで上昇させるように、スイッチ１１が制御される。同様に、エネルギー貯蔵部２のための充電電流がダイオード２８を介してエネルギー貯蔵部２に流れ、上述した可能なＳＯＣおよび／またはＳＯＨコントローラが、エネルギー貯蔵部２の個々のセルの均一な充電を確保する。充電状態が、ＳＯＣおよび／またはＳＯＨコントローラによって監視され、制御装置４に伝達される。このようにして、充電状態は、例えば、表示部２７上にパーセントで表示できる。したがって、充電プロセスは、エネルギー貯蔵部２の充電が完了したら直ちに制御装置４によって自動的に終了される。これに応じて、表示部２７の入力および／または出力装置５に表示され、または発光ダイオード３１（エネルギー）の１つによって表示される。例えば、発光ダイオード３１（エネルギー）は、エネルギー貯蔵部に充電が必要なときに赤く点灯し、エネルギー貯蔵部２が十分に充電されているときには緑に点灯する。このように、設定要素３０によって、例えば、充電モードから溶接モード（ＷＩＧまたはＥＬＥ）へ再び戻る変更を実施することができる。

溶接装置は、もちろん、充電装置によってエネルギー貯蔵部２がそれを介して充電され得る、対応する接続を持つこともできる。このケースにおいては、ステップアップ・コンバータとしての同期コンバータの運転モードは必要とされない。

さらに、装置１、特に溶接装置において、低電圧ソケットの形態の追加の出力を配置することも可能であり、好ましくは、パワーユニット３にて溶接出力または溶接ソケットに並行に接続され、即ち、溶接装置１において、追加の負荷に供給するための出力が配置される。したがって、ランプ、ネオン管、研削グラインダ、特にアングルグラインダモジュール、グルーガン、ドリルマシンまたはドリルモジュール、コンパスまたは糸鋸またはコンパスまたは糸鋸モジュールなどのさらなる負荷を連結することができる。

装置１または溶接装置において、もちろん、ステップアップ・コンバータおよびＤＣ／ＡＣモジュールを配置することも可能であり、したがって、追加の出力をＡＣ電圧出力として、特に２４０Ｖ〜ソケットとして形成することができる。この関連で、１つまたは幾つかの低電圧出力および１つのＡＣ電圧出力を、装置１、特に溶接装置に配置することができ、したがって、対応する電圧によって駆動されるさらなる装置を装置１に直接接続することができる。そのような追加の装置が装置１に接続され、使用されるとき、それらのエネルギー消費もまた、上述の方法で求めることができ、表すことができる。このため、まだ利用可能なエネルギーのための一般的な表示および／または１つまたは幾つかの溶接プロセスの持続時間のための表示を提供することも可能であり、これにより、ユーザーは、利用可能なエネルギーを最適な方法で使用することができる。

装置１または溶接装置のそのような設計の利点は、材料を接合するための利用可能な溶接装置をユーザーが手に入れたことであり、例えば材料の分離などのさらなる作業のためのさらなる追加の装置に接続することができ、共通の電流供給が提供される。

Claims (9)

1. エネルギー貯蔵部（２）によるアーク（６）の生成のために溶接装置（１）を操作するための方法であって、前記エネルギー貯蔵部（２）のエネルギーの変換のために、ステップダウン・コンバータの少なくとも１つの第１スイッチ（９）が、制御された方法で制御装置（４）によってオンとオフとを切り替えられ、前記第１スイッチ（９）は、前記エネルギー貯蔵部（２）に入力端で接続されている方法において、
   同期コンバータが、出力電流（Ｉａ）により前記アーク（６）を作用させるための前記ステップダウン・コンバータとして使用され、前記出力電流（Ｉａ）は前記ステップダウン・コンバータの一部である第１インダクタ（１２）を介して案内され、
   パワーユニット（３）として設計された前記第１スイッチ（９）は、少なくとも前記第１スイッチ（９）がスナブ状態にてオンとオフとが切り替えられるように、スナバ回路（１０）に出力端で接続されており、
   前記第１インダクタ（１２）は、前記スナバ回路（１０）に入力端で接続され、
   前記第１スイッチ（９）のスイッチオン・プロセスにて、前記第１インダクタ（１２）を再び充電するために、前記第１スイッチ（９）と前記第１インダクタ（１２）の間に直列に配置された、前記第１インダクタ（１２）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第２インダクタ（１３）によって電流の増加が制限され、前記第２インダクタ（１３）が充電され、前記第２インダクタ（１３）の出力端における電圧が前記エネルギー貯蔵部（２）の電圧まで増大し、
   前記スイッチオン・プロセスの後、前記第１スイッチ（９）とは異なる、前記エネルギー貯蔵部（２）に入力端で接続されると共に前記スナバ回路（１０）に出力端で接続された第２スイッチ（１７）によって形成された制御ユニット（１６）が作動され、前記スナバ回路（１０）の一部である第１ダイオード（２３）を介して出力端にて前記第１スイッチ（９）に割り当てられた前記スナバ回路（１０）の一部である第１キャパシタ（２２）が、前記第２スイッチ（１７）の出力端に接続され、前記第１スイッチ（９）をスイッチオン状態としながら、エネルギー貯蔵部（２）の電圧まで充電され、前記制御ユニット（１６）の前記第２スイッチ（１７）の出力端に前記第１インダクタ（１２）及び第２インダクタ（１３）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第３インダクタ（２０）を介して配置されると共に、前記第２インダクタ（１３）の出力端に前記第１ダイオード（２３）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第２ダイオード（１５）を介して接続された前記第１キャパシタ（２２）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第２キャパシタ（１４）が、前記第３インダクタ（２０）を介して充電され、
   出力端にて前記第１スイッチ（９）に割り当てられた前記第１キャパシタ（２２）の充電完了後に前記第２スイッチ（１７）が開放されて、前記第２キャパシタ（１４）が、前記第３インダクタ（２０）に貯蔵されたエネルギーによって、前記エネルギー貯蔵部（２）の電圧まで充電され、
   前記第１スイッチ（９）のスイッチオフ・プロセスにおいて、前記第２スイッチ（１７）を作動停止させながら、出力端にて前記第１スイッチ（９）に印加されている電圧が、前記第１キャパシタ（２２）によって前記エネルギー貯蔵部（２）の電圧に実質的に保持されており、これにより、前記第１スイッチ（９）が実質的に電圧無しにスイッチオフされ、前記第２インダクタ（１３）および前記第２キャパシタ（１４）のエネルギーが前記出力電流（Ｉａ）に供給されることを特徴とする方法。
2. 前記第２スイッチ（１７）がスナブ状態にて作動停止され、前記第２スイッチ（１７）が出力端にて少なくとも前記第１キャパシタ（２２）及び前記第２キャパシタ（１４）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第３キャパシタ（１８）および前記第１ダイオード（２３）及び第２ダイオード（１５）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第３ダイオード（１９）に接続されており、前記第２スイッチ（１７）は、出力端にて前記第２スイッチ（１７）に接続された前記第３キャパシタ（１８）の充電の後にのみ作動停止されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記同期コンバータは、ステップアップ・コンバータとして前記エネルギー貯蔵部（２）を充電するためにも使用され、前記同期コンバータの入力と出力とが交換されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. エネルギー貯蔵部（２）と、アーク（６）の生成のためのトーチ（７）と、制御装置（４）に接続された、溶接電流を設定するための入力および／または出力装置（５）と、アーク（６）を作用させるために前記エネルギー貯蔵部（２）のエネルギーを変換させるためのパワーユニット（３）とを備え、制御された方法でオンとオフとを切り替えられる少なくとも１つの第１スイッチ（９）を持つステップダウン・コンバータにより、前記第１スイッチ（９）が、前記エネルギー貯蔵部（２）に入力端で接続されている、溶接装置（１）において、
   前記ステップダウン・コンバータは、前記アーク（６）を作用させるために、前記ステップダウン・コンバータの一部である第１インダクタ（１２）を介して案内された、出力電流（Ｉａ）の形成のための同期コンバータによって形成されており、
   パワーユニット（３）として設計された前記第１スイッチ（９）は、スナブ状態にて前記第１スイッチ（９）のオンとオフとを切り替えるための貯蔵コンポーネントを持つスナバ回路（１０）に出力端にて接続され、
   前記第１インダクタ（１２）は、前記スナバ回路（１０）に入力端で接続され、
   前記第１スイッチ（９）のスイッチオン・プロセスの負荷解除のために、前記第１インダクタ（１２）を再び充電するため、前記第１スイッチ（９）と前記第１インダクタ（１２）の間に直列に接続された、前記第１インダクタ（１２）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第２インダクタ（１３）が設けられ、前記第１スイッチ（９）のスイッチオフ・プロセスのスナブ動作のために、前記スナバ回路（１０）の一部である第１ダイオード（２３）を介して前記第１スイッチ（９）の出力端に接続されると共に、前記エネルギー貯蔵部（２）に入力端で接続されると共に前記スナバ回路（１０）に出力端で接続された前記第１スイッチ（９）とは異なる第２スイッチ（１７）によって形成された制御ユニット（１６）に接続された前記スナバ回路（１０）の一部である第１キャパシタ（２２）が設けられ、
   前記制御ユニット（１６）の前記第２スイッチ（１７）の出力端に前記第１インダクタ（１２）及び第２インダクタ（１３）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第３インダクタ（２０）を介して前記第１キャパシタ（２２）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第２キャパシタ（１４）が配置され、前記第２キャパシタ（１４）は、前記第１ダイオード（２３）とは異なる前記スナバ回路（１０）の一部である第２ダイオード（１５）を介して前記第２インダクタ（１３）の出力端に接続され、前記第２スイッチ（１７）は、前記制御装置（４）に接続されると共に、前記第１スイッチ（９）がスナブ状態にてオンとオフとを切り替えられるように制御可能であり、
   前記スイッチオン・プロセスの後、前記第２スイッチ（１７）が作動され、前記第１スイッチ（９）に出力端にて割り当てられた前記第１キャパシタ（２２）が、前記第１スイッチ（９）を前記スイッチオン状態としながら、前記エネルギー貯蔵部（２）の電圧まで充電され、前記第２インダクタ（１３）の出力端に配置された前記第２キャパシタ（１４）が前記第３インダクタ（２０）を介して充電され、出力端にて前記第１スイッチ（９）に割り当てられた前記第１キャパシタ（２２）の充電完了後に前記第２スイッチ（１７）が開放されて、前記第２キャパシタ（１４）が、前記第３インダクタ（２０）に貯蔵されたエネルギーによって、前記エネルギー貯蔵部（２）の電圧まで充電され、
   前記第１スイッチ（９）の前記スイッチオフ・プロセスにて、前記第２スイッチ（１７）を作動停止させながら、出力端にて前記第１スイッチ（９）に印加されている電圧が、前記第１キャパシタ（２２）によって前記エネルギー貯蔵部（２）の電圧に実質的に保持されており、これにより、前記第１スイッチ（９）が実質的に電圧無しにスイッチオフされ、前記第２インダクタ（１３）および前記第２キャパシタ（１４）のエネルギーが前記出力電流（Ｉａ）に供給されることを特徴とする溶接装置。
5. 前記スナバ回路（１０）は前記同期コンバータに組み込まれていることを特徴とする請求項４記載の溶接装置（１）。
6. 前記エネルギー貯蔵部（２）を充電するための手段が設けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の溶接装置（１）。
7. 前記充電手段は、前記同期コンバータによって形成され、入力と出力とが交換され、これにより、前記同期コンバータを前記エネルギー貯蔵部（２）に充電するためのステップアップ・コンバータとして使用することができることを特徴とする請求項６記載の溶接装置（１）。
8. 好ましくは、前記入力および／または出力装置（５）に、前記エネルギー貯蔵部（２）の充電状態を表示するために発光ダイオード（３１）が設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の溶接装置（１）。
9. 好ましくは、前記入力および／または出力装置（５）に、前記充電手段のスイッチオンおよびオフのための設定要素（３０）が設けられていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の溶接装置（１）。

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