JP5628569B2 - エンジン駆動溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン駆動溶接機に係り、特に溶接負荷への設定電流に応じて運転条件を制御するエンジン駆動溶接機に関する。

エンジン駆動溶接機は、エンジンにより発電体を駆動することによって発電体で発電し、発電した電力を溶接負荷に供給するものである。
従来、エンジン駆動溶接機では、設定された電流値の溶接電流を供給できるように、エンジン回転数等の運転条件が設定されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のエンジン駆動溶接機は、溶接電流値に対応するエンジン回転数が設定された設定データを有しており、溶接電流値が設定されるとこの設定データからエンジン回転数が取得される。そして、取得したエンジン回転数によりエンジンが作動するように制御される。これにより、特許文献１のエンジン駆動溶接機では、溶接電流値に応じたエンジン回転数でエンジンを作動させることができる。

特開２００９−７２４号公報

ところで、エンジン駆動溶接機では、溶接場所によって溶接ケーブル長が大きく異なるので、長い溶接ケーブルが使用された場合であっても所望の出力が供給できるように出力に余裕を持たせた溶接電源である必要がある。このため、長い溶接ケーブルが使用されることを考慮して、エンジン回転数を高めに設定すると共に、発電体の励磁電流を大きめに設定して溶接電源としての容量を増大させておく必要がある。

また、高地等のように大気条件が平地と比べて良くない場所では、エンジン回転数が低下して出力不足になるおそれがある。このため、このような大気条件で使用されることを考慮して、エンジン回転数を高めに設定しておく必要がある。
さらには、エンジン性能の経年劣化による出力低下を考慮して、出力を高めに設定しておく必要がある。

したがって、特許文献１のエンジン駆動溶接機のように溶接電流値に応じてエンジン回転数が決定されるものにおいては、設置状況や使用環境等によって出力不足にならないように、常に出力に余裕を持たせるように高めのエンジン回転数や励磁電流が設定されていた。このため、従来のエンジン駆動溶接機では、最適な運転条件で作動させることができず、燃料消費が増大してしまうという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、使用状況に応じて最適な運転条件で作動させ、燃料消費効率を良好とすることができるエンジン駆動溶接機を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンにより駆動され発電を行う発電体と、溶接負荷への溶接電流の設定電流値を設定するための電流値設定手段と、設定電流値以上の溶接電流を供給可能なように、エンジン及び発電体を制御する制御部と、発電体からの出力電力を調整して、設定電流値を有する溶接電流を溶接負荷に供給する出力調整器と、を備えたエンジン駆動溶接機において、制御部は、溶接電流の電流値が出力調整器によって設定電流値に維持される範囲内で発電体からの出力電力を低減するように、エンジン及び発電体を制御する出力低減制御を行い、制御部は、発電体の出力電圧値を所定の設定電圧値に設定すると共に、エンジンの回転数を所定の設定回転数に設定し、設定電圧値及び設定回転数を達成するようにエンジン及び前記発電体を制御し、制御部は、出力低減制御において、設定電圧値を小さい値に更新し、制御部は、設定電流値に対して設定可能な発電体の出力電圧値を規定する出力電圧設定データを記憶しており、設定電流値に対して、設定電圧値を、出力電圧設定データに基づいて設定し、出力電圧設定データは、設定電流値に対して設定可能な設定電圧値の範囲が規定されていることを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、例えば短い溶接ケーブルが使用された場合には、制御部が、溶接電流値が出力調整器によって設定電流値に維持できる範囲内で発電体からの出力電力を低減するように、エンジン及び発電体を制御する出力低減制御を行うので、所望の溶接電流値を確保しつつ、発電体の出力電力を低減することで装置全体としての出力を低減させることができる。これにより、本発明のエンジン駆動溶接機では、使用条件に応じて適切に発電体及びエンジンを制御することができ、燃料消費効率を向上させることが可能となる。

また、このように構成された本発明によれば、制御部は、設定電流値を確保できる範囲で、発電体の設定電圧値を小さい値に更新することで、装置全体の出力を低減することができる。
また、このように構成された本発明によれば、制御部は、設定電流値が設定されることにより、出力電圧設定データから、設定可能な出力電圧値を容易に設定することができる。
また、本発明において具体的には、出力電圧設定データは、設定電流値に対して設定可能な設定電圧値の範囲が規定されている。
また、本発明において好ましくは、制御部は、出力低減制御において、設定回転数を小さい値に更新する。
また、本発明において好ましくは、制御部は、設定電流値に対して設定可能なエンジンの回転数を規定する回転数設定データを記憶しており、設定電流値に対して、設定回転数を、回転数設定データに基づいて設定する。
このように構成された本発明によれば、制御部は、設定電流値が設定されることにより、回転数設定データから、設定可能なエンジン回転数を容易に設定することができる。
また、本発明において好ましくは、出力調整器は、サイリスタ又はチョッパを含む回路により構成されている。このように構成された本発明によれば、サイリスタ又はチョッパのデューティファクターを調整することにより、発電体の出力電力から取り出す電力の電力取出割合を調整することができる。
また、本発明において具体的には、制御部は、発電体への励磁電流を調整することにより、出力電圧値を制御する。
また、本発明において具体的には、回転数設定データは、設定電流値に対して設定可能な設定回転数値の範囲が規定されている。

また、上記の目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンにより駆動され発電を行う発電体と、溶接負荷への溶接電流の設定電流値を設定するための電流値設定手段と、設定電流値以上の溶接電流を供給可能なように、エンジン及び発電体を制御する制御部と、発電体からの出力電力を調整して、設定電流値を有する溶接電流を溶接負荷に供給する出力調整器と、を備えたエンジン駆動溶接機において、制御部は、溶接電流の電流値が出力調整器によって設定電流値に維持される範囲内で発電体からの出力電力を低減するように、エンジン及び発電体を制御する出力低減制御を行い、出力調整器は、発電体の出力電力から取り出す電力の電力取出割合を調整して、設定電流値を有する溶接電流を溶接負荷に供給し、制御部は、出力低減制御において、電力取出割合を所定閾値以下に維持し、制御部は、出力低減制御において、発電体からの出力電力を低減していった場合に、電力取出割合が所定値、又は所定値とこれよりも小さい第２所定値との間の範囲内に到達した段階で、発電体からの出力電力の低減を停止する。
このように構成された本発明によれば、出力低減制御において、設定電流値を確保しつつ、出力調整器での電力取出割合を所定閾値以下に維持することにより、エンジン駆動溶接機の運転条件を、所定の出力余裕を確保することができる最適な運転条件に収束させることができる。

また、出力低減制御において、発電体からの出力電力を低減していくと、設定電流値を確保するため電力取出割合は増加していく。そして、この電力取出割合が所定値又は所定範囲内に到達した段階で発電体からの出力電力の低減を停止することで、エンジン駆動溶接機の運転条件を、所定の出力余裕を確保することができる最適な運転条件に収束させることができる。

また、本発明において好ましくは、電力取出割合の所定値は、９０％以下に設定されている。このように構成された本発明によれば、少なくとも１０％の出力余裕を確保することで、瞬時の負荷変動に対応することができる。

また、本発明において好ましくは、出力調整器は、サイリスタ又はチョッパを含む回路により構成されている。このように構成された本発明によれば、サイリスタ又はチョッパのデューティファクターを調整することにより、発電体の出力電力から取り出す電力の電力取出割合を調整することができる。

本発明のエンジン駆動溶接機によれば、使用状況に応じて最適な運転条件で作動させ、燃料消費効率を良好にすることができる。

本発明の実施形態によるエンジン駆動溶接機の電気ブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジン駆動溶接機の詳細な電気ブロック図である。 本発明の実施形態による出力電圧設定データ及び回転数設定データを表すグラフである。 本発明の実施形態による溶接電圧と溶接電流の特性曲線、及びエンジン回転数と溶接電流の特性曲線を示している。 本発明の実施形態による出力低減制御の処理フローである。 本発明の実施形態による出力調整器のサイリスタの制御説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態のエンジン駆動溶接機１は、設置状況，使用環境，経年変化（例えば、溶接ケーブルの長さ，使用場所の標高，エンジン及び発電体の経年劣化等）に応じて、エンジン回転数及び発電体への励磁電流を適正な値に制御することにより、良好な燃料消費効率を達成するものである。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態のエンジン駆動溶接機１の基本構成を説明する。図１に示すように本実施形態のエンジン駆動溶接機１は、エンジン１０と、発電体２０と、これらを制御する制御装置３０とを備えている。
エンジン１０は、供給された燃料の燃焼により作動し、出力軸を介して駆動力を発電体２０へ伝達する。
発電体２０は、エンジン１０の出力軸により駆動されるロータと、ステータとを備えており、ステータ内でのロータの回転により発電を行い、発電した電力を制御装置３０を介して溶接負荷２へ供給する。

制御装置３０は、制御部３１と、出力調整器３２と、電流検出器３３と、電流設定器３４と、アクチュエータ３５とを備えている。
制御部３１は、制御基板上に実現されたマイコンで構成されており、所望の出力電力が得られるようにエンジン１０の回転数や発電体２０の励磁電流等の制御を行うように構成されている。このため、制御部３１は、出力電流制御回路３１ａ、励磁電流調整回路３１ｂ、回転数検出回路３１ｃ、回転数指示回路３１ｄ、電流検出回路３１ｅ、電流設定回路３１ｆを備えている。

出力調整器３２は、発電体２０からの三相交流出力を交流直流変換すると共に、発電出力から取出す電力の割合を調整して所望の電流値を有する溶接電流を生成し、この溶接電流を溶接負荷２へ向けて出力する。制御部３１は、溶接出力端子３６ａ（＋端子），３６ｂ（−端子）を有しており、出力調整器３２の出力端子は出力線３７ａ，３７ｂを介して、溶接出力端子３６ａ，３６ｂに接続されている。溶接負荷（被溶接物）２には、これら溶接出力端子３６ａ，３６ｂに接続された溶接ケーブル３を介して溶接電流が供給される。

本実施形態では、出力調整器３２は、各相にスイッチング素子（例えばサイリスタ）及びダイオードが配置され、これらが共通の出力線に接続された一般的な構成の整流回路であり、交流電流の周期毎におけるサイリスタのオン時間の割合（デューティファクター）及びタイミングを調整する位相制御により、出力電流の大きさを調整することができる。
なお、出力調整器３２を整流回路とチョッパ回路により構成してもよい。この場合、チョッパ回路のオンオフタイミング（デューティファクター）を制御するチョッパ制御により、出力電流の大きさを調整することができる。

電流検出器３３は、出力線３７ｂを流れる電流の電流値を検出するための回路であり、検出電流値に対応する検出信号を制御部３１へ出力する。
電流設定器３４は、作業者が所望の溶接電流値を設定及び入力するためのものであり、例えば回動により設定値を調整可能なボリュームスイッチで構成されている。
アクチュエータ３５は、制御部３１からの駆動信号に基づいて、エンジン１０のスロットルの回動を調整するように構成されている。

また、制御部３１を構成する出力電流制御回路３１ａは、電流設定器３４で設定された設定電流値を有する溶接電流が出力調整器３２から出力されるように、出力調整器３２のデューティファクターを制御する。
励磁電流調整回路３１ｂは、所望の出力電圧が得られるように発電体２０へ出力する励磁電流を制御する。
回転数検出回路３１ｃは、発電体２０の発電電圧波形からエンジン１０の回転数を検出する。

回転数指示回路３１ｄは、所望の回転数でエンジン１０が回転するように、アクチュエータ３５に駆動信号を出力する。
電流検出回路３１ｅは、電流検出器３３で検出された検出値から出力線３７ｂを流れる電流の電流値を検出する。
電流設定回路３１ｆは、電流設定器３４で設定された溶接電流値を読み取るものである。

図２は、本実施形態のエンジン駆動溶接機１のより具体的な構成図を示している。
本実施形態の発電体２０は、ブラシレス方式の発電体であり、第１ステータ２１と、第２ステータ２２とを有している。第１ステータ２１は、励磁巻線２１ａと、溶接負荷用の溶接巻線２１ｂと、電動工具等の電気負荷用の発電巻線２１ｃを有している。また、第２ステータ２２は界磁巻線２２ａを有しており、界磁巻線２２ａは励磁巻線２１ａからの励磁電流により磁化され、ロータ（図示せず）の界磁を誘発する。

発電体２０の動作を簡単に説明すると、エンジン１０がスタートすると、励磁電流調整回路４１に接続されているセル用バッテリー(図示しない)からの電流が第２ステータ２２の界磁巻線２２ａに流れ（初期励磁）、界磁巻線２２ａが誘起する磁束をロータの励磁巻線（図示せず）が切ることにより発電され、発電された交流電圧を整流した直流電流がロータ内の界磁巻線（図示せず）に供給されることでロータの一部が界磁極になる。そして、界磁されたロータが回転することで、第１ステータ２１の励磁巻線２１ａが更に増磁され、後述する制御部３１の整流回路４２で交流励磁電流が直流に変換され、励磁電流調整回路４１を通じて第２ステータ２２の界磁巻線２２ａを更に励磁する。この繰り返しにより、初期の溶接巻線２１ｂ及び発電巻線２１ｃの電圧が確立される。

制御装置３０は、励磁電流調整回路４１、整流回路４２、回転数検出回路４３、サイリスタ駆動回路４４、発電電圧検出回路４５、電流検出回路４６、アクチュエータドライバ回路４７、ＣＰＵ５０を有している。

電流検出回路４６は、電流検出器３３からの電流検出信号を受け、この電流検出信号をＣＰＵ５０のＡ／Ｄ変換器５４に出力する。
発電電圧検出回路４５は、発電巻線２１ｃで発生された電圧の検出信号を受け、この電圧検出信号をＣＰＵ５０のＡ／Ｄ変換器５４に出力する。本実施形態では、発電巻線２１ｃからの電圧検出信号（発電電圧検出信号）を取得している。そして、ＣＰＵ５０は、励磁と相関関係にある発電電圧検出信号に基づいて、励磁を制御している。なお、励磁を制御するために、励磁電流を直接計測するように構成してもよい。

サイリスタ駆動回路４４は、出力調整器３２のサイリスタのオンオフ動作を制御する。
回転数検出回路４３は、発電巻線２１ｃで発生された電圧の電圧波形に基づいて実測回転数Ｎ_Lを算出する。なお、エンジン１０の出力軸に回転数検出センサを別途設けて、この回転数検出センサからの検出信号に基づいてエンジン１０の回転数を直接検出するように構成してもよい。

整流回路４２は、励磁巻線２１ａからの励磁電流を整流する。
励磁電流調整回路４１は、ＣＰＵ５０からの制御信号に基づいて、整流回路４２からの直流電流を用いて発電体２０の界磁巻線２２ａへ送られる励磁電流の大きさを調整する。
アクチュエータドライバ回路４７は、ＣＰＵ５０からの制御信号に基づいて、エンジン１０の回転数を調整するアクチュエータ３５に駆動信号を出力する。

ＣＰＵ５０は、電流使用率演算回路５１、電流制御演算回路５２、溶接電流演算回路５３、Ａ／Ｄ変換器５４、発電電圧演算回路５５、設定電流演算回路５６、発電電圧制御演算回路５７、回転数制御演算回路５８、パラメータ演算回路５９を有している。

Ａ／Ｄ変換器５４は、電流検出回路４６からのアナログ信号である電流検出信号，発電電圧検出回路４５からのアナログ信号である電圧検出信号，電流設定器３４からのアナログ信号である設定電流値を受け取り、これらをデジタル変換して、それぞれデジタル信号に変換する。

溶接電流演算回路５３は、Ａ／Ｄ変換器５４からデジタル信号である電流検出信号を受け取り、これから実測電流値Ｉ_Lを算出する。
発電電圧演算回路５５は、Ａ／Ｄ変換器５４からデジタル信号である電圧検出信号を受け取り、これから実測電圧値Ｖ_Lを算出する。

設定電流演算回路５６は、Ａ／Ｄ変換器５４からデジタル信号である設定電流値を受け取り、これから設定電流値Ｉｒを算出する。また、設定電流演算回路５６は、メモリに記憶された出力電圧設定データ及び回転数設定データに基づいて、設定電流値Ｉｒ，エンジン出力係数Ｋａ及び負荷係数Ｋ_Lをパラメータとして、設定電圧値Ｖｒ，設定回転数Ｎｒを決定し、これらをそれぞれ発電電圧制御演算回路５７，回転数制御演算回路５８へ出力する。
なお、エンジン出力係数Ｋａと負荷係数Ｋ_Lは、起動時には設定電流演算回路５６が初期値として記憶していたものが用いられ、その後はパラメータ演算回路５９から受け取った更新値が用いられる。

電流制御演算回路５２は、溶接電流演算回路５３から実測電流値Ｉ_Lを受け取り、設定電流演算回路５６から設定電流値Ｉｒを受け取り、これらの差を表す信号（差信号）をパラメータ演算回路５９に出力すると共に、実測電流値Ｉ_Lが設定電流値Ｉｒに等しくなるように、サイリスタ駆動回路４４に位相制御信号（点弧角信号）を出力する。この位相制御信号により、出力調整器３２内のサイリスタの点弧角αが調整されることでデューティファクターが制御され、これにより、実測電流値Ｉ_Lが設定電流値Ｉｒに等しくなるように制御される。また、電流制御演算回路５２は、点弧角αに関する信号をパラメータ演算回路５９へ出力する。

電流使用率演算回路５１は、電流制御演算回路５２から点弧角αに関する信号を受け取り、電流使用率を算出する。この電流使用率は、溶接巻線２１ｂから出力調整器３２へ入力した電力（電流）に対する、出力調整器３２から溶接負荷２へ出力される電力（電流）の割合である。例えば、点弧角αがゼロ度（α＝０°）の場合に電流使用率は１００％となり、点弧角αが１８０度（α＝１８０°）の場合に電流使用率は０％となる。

発電電圧制御演算回路５７は、発電電圧演算回路５５から実測電圧値Ｖ_Lを受け取り、設定電流演算回路５６から設定電圧値Ｖｒを受け取り、これらの差を表す信号（差信号）をパラメータ演算回路５９に出力すると共に、実測電圧値Ｖ_Lが設定電圧値Ｖｒに等しくなるように、励磁電流調整回路４１に励磁電流制御信号を出力する。この励磁電流制御信号により、界磁巻線２２ａへの励磁電流が調整され、実測電圧値Ｖ_Lが設定電圧値Ｖｒに等しくなるように制御される。
なお、発電電圧制御演算回路５７は、さらに電流使用率演算回路５１から電流使用率を受け取っており、電流使用率に応じて、励磁電流制御信号を生成する。

回転数制御演算回路５８は、回転数検出回路４３から実測回転数Ｎ_Lを受け取り、設定電流演算回路５６から設定回転数Ｎｒを受け取り、これらの差を表す信号（差信号）をパラメータ演算回路５９に出力すると共に、実測回転数Ｎ_Lが設定回転数Ｎｒに等しくなるように、アクチュエータドライバ回路４７に回転制御信号を出力する。この回転制御信号により、アクチュエータドライバ回路４７がアクチュエータ３５を駆動することにより、エンジン１０の回転数が調整され、実測回転数Ｎ_Lが設定回転数Ｎｒに等しくなるように制御される。

パラメータ演算回路５９は、電流制御演算回路５２から実測電流値Ｉ_Lと設定電流値Ｉｒの差信号と点弧角αを表す信号を受け取り、発電電圧制御演算回路５７から実測電圧値Ｖ_Lと設定電圧値Ｖｒの差信号を受け取り、回転数制御演算回路５８から実測回転数Ｎ_Lと設定回転数Ｎｒの差信号を受け取り、これらの差信号等に基づいて、エンジン１０の回転数及び発電体２０の出力電圧を調整するために、後述する出力低減制御においてエンジン出力係数Ｋａと負荷係数Ｋ_Lを更新し、これら係数を設定電流演算回路５６へ出力する。なお、本実施形態では、係数Ｋａ，Ｋ_Lは、それぞれレベル１からレベル５までの５つの段階のみを表すものである。

なお、図１の出力電流制御回路３１ａは、図２では電流制御演算回路５２及びサイリスタ駆動回路４４に相当し、励磁電流調整回路３１ｂは発電電圧制御演算回路５７及び励磁電流調整回路４１に相当し、回転数検出回路３１ｃは回転数検出回路４３に相当し、回転数指示回路３１ｄは回転数制御演算回路５８及びアクチュエータドライバ回路４７に相当し、電流検出回路３１ｅは電流検出回路４６，Ａ／Ｄ変換器５４及び溶接電流演算回路５３に相当し、電流設定回路３１ｆはＡ／Ｄ変換器５４及び設定電流演算回路５６に相当する。

図３を参照して、出力電圧設定データ（図３（Ａ））及び回転数設定データ（図３（Ｂ））を説明する。
図３（Ａ）に示されているように、出力電圧設定データは、所定の溶接電流範囲内の設定電流値Ｉｒに対する発電体２０の出力電圧値（すなわち、設定電圧値Ｖｒ）の関係を規定する負荷係数曲線である。
この負荷係数曲線は、溶接負荷係数Ｋ_Lに応じて、設定電流値Ｉｒに対して設定可能な設定電圧値Ｖｒの範囲を規定している。負荷係数Ｋ_Lは、最大値Ｋ_L(Ｍａｘ)から最小値Ｋ_L(Ｍｉｎ)の範囲で設定可能である。したがって、設定電流値Ｉｒ及び設定された負荷係数Ｋ_Lに応じて、出力電圧設定データにより設定電圧値Ｖｒが決定される。

また、図３（Ｂ）に示されているように、回転数設定データは、所定の使用可能な回転数範囲内において、設定電流値Ｉｒに対して設定可能なエンジン１０の回転数（すなわち、設定回転数Ｎｒ）の関係を規定する係数曲線である。
この係数曲線は、エンジン出力係数Ｋａと溶接負荷係数Ｋ_Lの和（Ｋａ＋ＫＬ）に応じて、設定電流値Ｉｒに対して設定可能な設定回転数Ｎｒの範囲を規定している。エンジン出力係数Ｋａと溶接負荷係数Ｋ_Lの和は、最大値Ｋａ＋Ｋ_L(Ｍａｘ)から最小値Ｋａ＋Ｋ_L(Ｍｉｎ)の範囲で設定可能である。したがって、設定電流値Ｉｒ及び設定された係数の和Ｋａ＋Ｋ_Lに応じて、回転数設定データにより設定回転数Ｎｒが決定される。

なお、本実施形態では負荷係数Ｋ_L及びエンジン出力係数Ｋａはそれぞれ５段階で設定されているが（すなわち、例えば図３（Ａ）では、Ｋ_L(Ｍａｘ)とＫ_L(Ｍｉｎ)に対応する曲線の間に規定されている３本の曲線の図示が省略されている）、これに限らず、段階数を増やすことにより、実質的に無段階で設定できるように構成してもよい。

次に、図４を参照して、本実施形態のエンジン駆動溶接機１の出力低減制御について説明する。
図４（Ａ）は溶接電圧と溶接電流の特性曲線を示しており、図４（Ｂ）は回転数と溶接電流の特性曲線を示している。
図４（Ａ）に示されているように、本実施形態では、電圧電流特性曲線（例えばＰ₀，Ｐ₁，Ｐ₂）が、設定電流値Ｉｒで定電流となる定電流特性を有するように出力調整器３２が電流出力を調整するように構成されている。すなわち、本実施形態では、制御部３１は、少なくとも設定電流値以上の溶接電流を供給可能なように、エンジン１０及び発電体２０を制御しており、出力調整器３２が点弧角αの大きさを調整して出力を絞ることで、実測電流値Ｉ_Lが設定電流値Ｉｒに一致するように制御される。

３本の特性曲線Ｐ₀，Ｐ₁，Ｐ₂は、それぞれエンジン１０を始動した直後の特性曲線、短いケーブル長の溶接ケーブルに最適化させた特性曲線（出力余裕１０％）、短いケーブル長の溶接ケーブルに適合させた特性曲線（出力余裕０％）である。
また、２本の負荷線Ｌ₀，Ｌ₁は、それぞれ長いケーブル長の溶接ケーブルが用いられた場合の負荷線、短いケーブル長のケーブルが用いられた場合の負荷線である。

また、図４（Ｂ）の２本の回転数電流特性曲線Ｑ₀，Ｑ₁は、それぞれエンジン１０を始動した直後の特性曲線、短いケーブル長の溶接ケーブルに最適化させた特性曲線（出力余裕１０％）であり、それぞれ図４（Ａ）の特性曲線Ｐ₀，Ｐ₁に対応している。

本実施形態では、エンジン１０が始動された際には、従来と同様に、例えば長いケーブル長の溶接ケーブルが接続された場合でも出力不足とならないように、出力に余裕を持たせた状態で運転される。図４（Ａ）の例では、長い溶接ケーブルが使用された場合であっても、その負荷線Ｌ₀が特性曲線Ｐ₀の定電流特性部分（設定電流値Ｉｒ）と交差することから、出力にある程度余裕があることが分かる。このときサイリスタの点弧角αは所定値（正の値）になっている。

しかしながら、短いケーブル長の溶接ケーブルが使用された場合には、負荷線Ｌ₁が特性曲線Ｐ₀の定電流部分の中央付近で交差することから、出力に余裕があり過ぎることが分かる。このときサイリスタの点弧角αはかなり大きな値となるから、発電体２０によって発電された電力が使用される割合は低く、燃料消費効率が良好でない状態となる。

本実施形態のエンジン駆動溶接機１では、このような燃料消費効率の悪い運転状態を改善すべく、エンジン１０に対するスロットルの回動角度を緩めて回転数を低減すると共に、発電体２０に対する励磁電流を低減する出力低減制御が行われる。これにより、溶接電圧（出力電圧）が低下して特性曲線がＰ₀からＰ₁に向けて徐々に変更されると共に、エンジン回転数も特性曲線がＱ₀からＱ₁に向けて徐々に変更される。

この出力低減制御では、エンジン１０の始動直後には特性曲線Ｐ₀に設定されているため、サイリスタの点弧角αが大きな値になっているので、負荷係数Ｋ_Lを更新することにより、エンジン回転数及び励磁電流を徐々に小さくする。すなわち、設定回転数及び設定電圧値が徐々に小さな値に更新される。

これにより、出力が徐々に低減されるので、出力調整器３２で出力電流を低減する割合が小さくてよくなり、これにより点弧角αが小さくなっていく。さらに出力を低減していくと、点弧角αが出力余裕１０％に相当する角度まで小さくなるので、この時点で設定回転数及び設定電圧値の更新（すなわち、負荷係数Ｋ_Lの更新）が終了される。これにより、図４（Ａ）の特性曲線はＰ₀からＰ₁に徐々に変更され、図４（Ｂ）の特性曲線はＱ₀からＱ₁に徐々に変更される。なお、１０％の出力余裕分は、瞬時変動に対応するためのものであり、このような変動時には点弧角αをゼロ度までの間で調整することができる。

本実施形態のエンジン駆動溶接機１では、以上のようにして出力を低減することにより、設置状況や使用環境に応じて、エンジン回転数及び発電体への励磁電流を適正な値に制御することができ、これより、良好な燃料消費効率を達成することが可能となる。
なお、特性曲線Ｐ₁の状態から更に設定回転数及び設定電圧値を徐々に小さな値に更新して出力を低減すると、終には点弧角αはゼロになる。このとき特性曲線はＰ₂となる。そして、さらに出力が低減されると、もはや点弧角αの調整によっては設定電流値Ｉｒを保持できなくなり、出力電流値が設定電流値Ｉｒを下回ることになる。

次に、図５を参照して、本実施形態の出力低減制御の制御処理フローについて説明する。この処理フローは、エンジン駆動溶接機１の運転中に制御部３１によって所定時間毎に繰り返し行われる。
まず、出力低減制御では、ＣＰＵ５０（設定電流演算回路５６）は、作業者が電流設定器３４に設定した設定電流値Ｉｒを読み込む（ステップＳ１）。

次いで、ＣＰＵ５０（設定電流演算回路５６）は、設定されているエンジン出力係数Ｋａ及び負荷係数Ｋ_Lと、読み込んだ設定電流値Ｉｒを用いて、出力電圧設定データ（図３（Ａ））及び回転数設定データ（図３（Ｂ））から、設定電圧値Ｖｒ及び設定回転数Ｎｒを決定する（ステップＳ２）。このとき、設定電流演算回路５６は、設定電圧値Ｖｒ，設定回転数Ｎｒ，設定電流値Ｉｒを、それぞれ発電電圧制御演算回路５７，回転数制御演算回路５８，電流制御演算回路５２へ出力する。
なお、エンジン１０の運転開始時には、負荷係数Ｋ_Lは最大値Ｋ_L(Ｍａｘ)に設定され、これにより運転開始当初の出力に余裕を持たせている。また、エンジン出力係数Ｋａも運転開始時にはエンジン回転数に余裕があるように設定されている。

ステップＳ３では、ＣＰＵ５０（電流制御演算回路５２）は、電流検出器３３の検出信号に基づいて実測電流値Ｉ_Lを算出し、この実測電流値Ｉ_Lに基づいて溶接負荷２があるか否かを判定する（ステップＳ３）。この処理では、実測電流値Ｉ_Lが所定の値を超えていれば溶接負荷２に溶接電流が供給されているので、溶接負荷２があると判定される。
溶接負荷２がない場合（ステップＳ３；Ｎｏ）はステップＳ１に戻るが、溶接負荷２がある場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）はステップＳ４へ進む。

ステップＳ４では、ＣＰＵ５０（電流制御演算回路５２，発電電圧制御演算回路５７，回転数制御演算回路５８）は、実測電流値Ｉ_L，実測電圧値Ｖ_L，実測回転数Ｎ_Lを読み込み、ステップＳ５へ進む。
ステップＳ５では、ＣＰＵ５０（電流制御演算回路５２）は、実測電流値Ｉ_Lと設定電流値Ｉｒを比較して、実測電流値Ｉ_Lが設定電流値Ｉｒ以上であるか否かを判定し（ステップＳ５）、実測電流値Ｉ_Lが設定電流値Ｉｒ以上である場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）はステップＳ６へ進み、一方、実測電流値Ｉ_Lが設定電流値Ｉｒ以上でない場合（ステップＳ５；Ｎｏ）はステップＳ１０へ進む。また、電流制御演算回路５２は、実測電流値Ｉ_Lと設定電流値Ｉｒの差信号をパラメータ演算回路５９へ出力する。

ステップＳ１０が実行されるのは、実測電流値Ｉ_Lが設定電流値Ｉｒよりも小さく、溶接電流が設定値に達していない場合であり、これは溶接開始時で負荷が安定しない過渡期である。
ステップＳ１０では、ＣＰＵ５０（発電電圧制御演算回路５７）は、実測電圧値Ｖ_Lと設定電圧値Ｖｒを比較して、実測電圧値Ｖ_Lが設定電圧値Ｖｒ以上であるか否かを判定し（ステップＳ１０）、実測電圧値Ｖ_Lが設定電圧値Ｖｒ以上である場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）はステップＳ１１へ進み、一方、実測電圧値Ｖ_Lが設定電圧値Ｖｒ以上でない場合は（ステップＳ１０；Ｎｏ）は溶接開始時で負荷が安定しない過渡期であるのでステップＳ１へ戻る。また、発電電圧制御演算回路５７は、実測電圧値Ｖ_Lと設定電圧値Ｖｒの差信号をパラメータ演算回路５９へ出力する。

ステップＳ１１では、ＣＰＵ５０（回転数制御演算回路５８）は、実測回転数Ｎ_Lと設定回転数Ｎｒを比較して、実測回転数Ｎ_Lが設定回転数Ｎｒ以上であるか否かを判定し（ステップＳ１１）、実測回転数Ｎ_Lが設定回転数Ｎｒ以上である場合（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）はステップＳ１２へ進み、一方、実測回転数Ｎ_Lが設定回転数Ｎｒ以上でない場合は（ステップＳ１１；Ｎｏ）は溶接開始時で負荷が安定しない過渡期であるのでステップＳ１へ戻る。また、回転数制御演算回路５８は、実測回転数Ｎ_Lと設定回転数Ｎｒの差信号をパラメータ演算回路５９へ出力する。

ステップＳ１２が実行されるのは、実測電流値Ｉ_Lは設定電流値Ｉｒよりも小さいが、実測電圧値Ｖ_Lは設定電圧値Ｖｒ以上であり、且つ、実測回転数Ｎ_Lは設定回転数Ｎｒ以上であり、溶接電流値のみ設定値に達していないが、出力電圧値及びエンジン回転数は設定値を達成している状態である。
この場合、電流制御演算回路５２は、既に、出力低減制御とは別に、実測電流値Ｉ_Lを設定電流値Ｉｒに一致させるべく、出力調整器３２のサイリスタの点弧角調整を最大限に実行して最大の出力電流が得られるように、点弧角αをゼロに設定している。

したがって、ステップＳ１２が実行されるのは、溶接負荷に対して、設定電圧及び設定回転数が一時的に低めに設定された状態となった出力不足状態であり、ＣＰＵ５０（パラメータ演算回路５９）は負荷係数Ｋ_Lを複数段階大きくして（ステップＳ１２）、ステップＳ１へ戻る。ステップＳ１２で負荷係数Ｋ_Lが複数段階大きく設定更新されることにより、設定電圧値Ｖｒ及び設定回転数Ｎｒが更新前と比べて大きな値に設定される。これにより、励磁電流値が大きくなると共に、エンジン回転数が増大するので、出力が直ちに上昇する。

なお、ステップＳ１２が実行されるのは、溶接作業中に溶接棒の手振れや、溶接棒の変更時に、溶接電流が設定値よりも不足した場合である。したがって、この場合は、瞬時に負荷係数Ｋ_Lを大きくすることで、励磁電流を大きくして溶接電源容量を増大させることで溶接電流を保持すると共に、励磁電流の増大によりエンジン回転数が低下するおそれがあるので、エンジン回転数を増加させている。

一方、ステップＳ６が実行されるのは、実測電流値Ｉ_Lが設定電流値Ｉｒ以上であり、溶接電流が設定値に達している場合であり、これは溶接作業を実行できる程度以上にエンジン駆動溶接機１から出力が得られている状態である。
ステップＳ６では、ＣＰＵ５０（発電電圧制御演算回路５７）は、実測電圧値Ｖ_Lと設定電圧値Ｖｒを比較して、実測電圧値Ｖ_Lが設定電圧値Ｖｒ以上であるか否かを判定し（ステップＳ６）、実測電圧値Ｖ_Lが設定電圧値Ｖｒ以上である場合（ステップＳ６；Ｙｅｓ）はステップＳ７へ進み、一方、実測電圧値Ｖ_Lが設定電圧値Ｖｒ以上でない場合は（ステップＳ６；Ｎｏ）は溶接開始から安定期に移行するまでの過渡期であるのでステップＳ１へ戻る。また、発電電圧制御演算回路５７は、実測電圧値Ｖ_Lと設定電圧値Ｖｒの差信号をパラメータ演算回路５９へ出力する。

ステップＳ７では、ＣＰＵ５０（回転数制御演算回路５８）は、実測回転数Ｎ_Lと設定回転数Ｎｒを比較して、実測回転数Ｎ_Lが設定回転数Ｎｒ以上であるか否かを判定し（ステップＳ７）、実測回転数Ｎ_Lが設定回転数Ｎｒ以上である場合（ステップＳ７；Ｙｅｓ）はステップＳ８へ進み、一方、実測回転数Ｎ_Lが設定回転数Ｎｒ以上でない場合は（ステップＳ７；Ｎｏ）はステップＳ９へ進む。また、回転数制御演算回路５８は、実測回転数Ｎ_Lと設定回転数Ｎｒの差信号をパラメータ演算回路５９へ出力する。

ステップＳ８が実行されるのは、実測電流値Ｉ_L，実測電圧値Ｖ_L，実測回転数Ｎ_Lがすべて設定値に達している状態である。したがって、このときの運転状態では出力がほぼ適正若しくは過大になっている。よって、ＣＰＵ５０（パラメータ演算回路５９）は、サイリスタの点弧角αに応じて、負荷係数Ｋ_Lを新しい値に更新し又は更新せず（ステップＳ８）、ステップＳ１へ戻る。

ステップＳ８では、点弧角αが後述する所定角度範囲（下限値α_L〜上限値α_H）よりも大きい場合には、出力余裕が過大である状態であるので（本例では、例えば出力余裕が３０％超）、負荷係数Ｋ_Lを１段階小さく更新する。これにより、設定電圧値Ｖｒ及び設定回転数Ｎｒが小さい値に再設定されるので、励磁電流値が小さくなり、エンジン回転数が低下する。
また、ステップＳ８では、点弧角αが所定角度範囲内である場合には、出力余裕が適正な状態であるので（本例では、例えば出力余裕が１０％〜３０％）、負荷係数Ｋ_Lを同じ値に更新する。これにより、出力が適正な状態が維持される。
一方、ステップＳ８では、点弧角αが所定角度範囲よりも小さい場合には、出力余裕が小さい状態であるので（本例では、例えば出力余裕が１０％未満）、負荷係数Ｋ_Lを１段階大きく更新する。これにより、設定電圧値Ｖｒ及び設定回転数Ｎｒが大きい値に再設定されるので、出力が増大する。
なお、溶接を休止した場合には、休止前に使用されていた負荷係数Ｋ_L及びエンジン出力係数Ｋａはメモリに保持されるが、エンジンが停止された場合には、これら係数は初期値にリセットされる。

ここで図６を参照して、点弧角αについて説明する。図６は、出力調整器３２内のある１相に流れる交流電流の半周期分の時間変化を、サイリスタの点弧角αと共に示している。この場合、電気角で点弧角α以降のタイミングの交流電力部分が溶接負荷２へ供給されるので、発電体２０による交流出力電力から取出される電力割合若しくは電流割合が調整される。本実施形態では、点弧角αが所定の下限値α_L（所定閾値）と上限値α_H（第２所定閾値）の間の範囲に保持されるように、パラメータ演算回路５９により負荷係数Ｋ_L及びエンジン出力係数Ｋａが設定される（ステップＳ８）。

再び、図５の処理フローに戻ると、出力に余裕がある場合（負荷係数Ｋ_Lが最適値よりも大きい場合）は、点弧角αが上限値α_Hよりも大きい状態となる。このときステップＳ８で負荷係数Ｋ_Lを小さな値に更新しつつステップＳ１〜Ｓ８の処理を繰り返していくと、設定電圧値Ｖｒ及び設定回転数Ｎｒが小さな値に更新されていくので、出力が徐々に小さくなる。一方、電流制御演算回路５２は、実測電流値Ｉ_Lを設定電流値Ｉｒに一致させるようにサイリスタの点弧角αを自動的に調整するので、出力が徐々に小さくなるのに伴って、点弧角αが上限値α_Hに近づいていく。

さらに、負荷係数Ｋ_Lが小さな値に更新されると、点弧角αが上限値α_Hと下限値α_Lの間まで移動する。これにより、点弧角αを更にゼロ度まで調整する余裕を残した状態で、負荷係数Ｋ_Lの更新が停止されるか、又は、負荷係数Ｋ_Lが同じ値に更新される。このとき、図４の特性曲線は初期のＰ₀及びＱ₀から最適化後のＰ₁及びＱ₁に達している。そして、このときの点弧角αが出力余裕に相当し、本実施形態では、下限値α_L，上限値α_Hが、それぞれ出力余裕１０％，３０％（電力取出割合で９０％，７０％）に相当する角度に設定されている。したがって、負荷係数Ｋ_Lが最適値に設定されたときには、発電体２による発電電力のうち溶接負荷２へ供給される取出電力の割合は９０％以下となり、少なくとも１０％の出力余裕が確保される。なお、少なくとも１０％の出力余裕が確保するために、下限値α_Lを少なくとも出力余裕１０％に相当する値よりも大きな値に設定してもよい。

なお、最適値である負荷係数Ｋ_Lを更に１段階小さく更新した場合には、点弧角αが下限値α_Lを超えて下限値α_Lよりもゼロ度側に位置することになるおそれがあるので、本実施形態では、点弧角αが上限値α_Hを超えて上限値α_Hと下限値α_Lの間に入った時点で、負荷係数Ｋ_Lの更新を停止している。

しかしながら、負荷係数Ｋ_Lが小さく更新されたことにより、点弧角αが下限値α_Lよりも小さくなった場合は、ステップＳ８が更に実行されることにより、負荷係数Ｋ_Lが大きな値に更新される。このようにして、点弧角αが上限値α_Hと下限値α_Lの間に位置するように、負荷係数Ｋ_Lの更新が繰り返される。

なお、本実施形態では、負荷係数Ｋ_Lが数段階（５段階）で調整可能であるので、上限値α_H及び下限値α_Lによる角度範囲を設ける必要があるが、これに限らず、負荷係数Ｋ_Lを無段階で調整可能とすれば、点弧角αを所望の角度に一致させるように制御することが可能であるので、最適化して収束させる点弧角度（出力余裕１０％に相当）のみを設定すればよい。

一方、ステップＳ９が実行されるのは、実測電流値Ｉ_L及び実測電圧値Ｖ_Lは設定値に達しているが、実測回転数Ｎ_Lが設定値に達していない状態である。これは、例えば、作業場所が気圧の低い高地である場合やエンジンの老朽化によりエンジン出力が不足気味である場合である。したがって、この場合は、ＣＰＵ５０（パラメータ演算回路５９）は、エンジン出力係数Ｋａを１段階大きく更新し（ステップＳ９）、ステップＳ１へ戻る。エンジン出力係数Ｋａが大きな値に更新されることにより、エンジン１０のスロットルの回動角度が大きくなるので、回転数が上昇し、実測回転数Ｎ_Lが設定値に達するように大きくなる。

以上のように、本実施形態のエンジン駆動溶接機１では、作業者が電流設定器３４で所望の溶接電流値（設定電流値Ｉｒ）をセットするだけで、溶接負荷時の使用条件が自動的にセッティングされると共に、エンジン回転数も最適な低い回転数に調整されるため、不要な燃料消費を抑制することができる。より詳しくは、本実施形態では、溶接電源容量が最適条件（本例では、必要とする溶接電流の少なくとも１０％を更に出力できる状態）になるように、励磁電流及びエンジン回転数が自動セッティングされる。したがって、本実施形態のエンジン駆動溶接機１では、不要な燃料消費を抑制できることに加えて、騒音の抑制することができると共に、エンジン１０や発電体２０の耐久性を向上させることができる。

１ エンジン駆動溶接機
２ 溶接負荷
３ 溶接ケーブル
１０ エンジン
２０ 発電体
３０ 制御装置
３１ 制御部
３２ 出力調整器
３３ 電流検出器
３４ 電流設定器（電流値設定手段）
３５ アクチュエータ
３６ａ，３６ｂ 溶接出力端子
３７ａ，３７ｂ 出力線

Claims (9)

1. エンジンと、
   このエンジンにより駆動され発電を行う発電体と、
   溶接負荷への溶接電流の設定電流値を設定するための電流値設定手段と、
   前記設定電流値以上の溶接電流を供給可能なように、前記エンジン及び前記発電体を制御する制御部と、
   前記発電体からの出力電力を調整して、前記設定電流値を有する溶接電流を溶接負荷に供給する出力調整器と、を備えたエンジン駆動溶接機において、
   前記制御部は、前記溶接電流の電流値が前記出力調整器によって前記設定電流値に維持される範囲内で前記発電体からの出力電力を低減するように、前記エンジン及び前記発電体を制御する出力低減制御を行い、
   前記制御部は、前記発電体の出力電圧値を所定の設定電圧値に設定すると共に、前記エンジンの回転数を所定の設定回転数に設定し、前記設定電圧値及び前記設定回転数を達成するように前記エンジン及び前記発電体を制御し、
   前記制御部は、前記出力低減制御において、前記設定電圧値を小さい値に更新し、
   前記制御部は、前記設定電流値に対して設定可能な前記発電体の出力電圧値を規定する出力電圧設定データを記憶しており、前記設定電流値に対して、前記設定電圧値を、前記出力電圧設定データに基づいて設定し、
   前記出力電圧設定データは、設定電流値に対して設定可能な設定電圧値の範囲が規定されていることを特徴とするエンジン駆動溶接機。
2. 前記制御部は、前記出力低減制御において、前記設定回転数を小さい値に更新することを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動溶接機。
3. 前記制御部は、前記設定電流値に対して設定可能な前記エンジンの回転数を規定する回転数設定データを記憶しており、前記設定電流値に対して、前記設定回転数を、前記回転数設定データに基づいて設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン駆動溶接機。
4. 前記出力調整器は、サイリスタ又はチョッパを含む回路により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動溶接機。
5. 前記制御部は、前記発電体への励磁電流を調整することにより、前記出力電圧値を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動溶接機。
6. 前記回転数設定データは、設定電流値に対して設定可能な設定回転数値の範囲が規定されていることを特徴とする請求項３に記載のエンジン駆動溶接機。
7. エンジンと、
   このエンジンにより駆動され発電を行う発電体と、
   溶接負荷への溶接電流の設定電流値を設定するための電流値設定手段と、
   前記設定電流値以上の溶接電流を供給可能なように、前記エンジン及び前記発電体を制御する制御部と、
   前記発電体からの出力電力を調整して、前記設定電流値を有する溶接電流を溶接負荷に供給する出力調整器と、を備えたエンジン駆動溶接機において、
   前記制御部は、前記溶接電流の電流値が前記出力調整器によって前記設定電流値に維持される範囲内で前記発電体からの出力電力を低減するように、前記エンジン及び前記発電体を制御する出力低減制御を行い、
   前記出力調整器は、前記発電体の出力電力から取り出す電力の電力取出割合を調整して、前記設定電流値を有する溶接電流を溶接負荷に供給し、
   前記制御部は、前記出力低減制御において、前記電力取出割合を所定閾値以下に維持し、
   前記制御部は、前記出力低減制御において、前記発電体からの出力電力を低減していった場合に、前記電力取出割合が前記所定閾値、又は前記所定閾値とこれよりも小さい第２所定閾値との間の範囲内に到達した段階で、前記発電体からの出力電力の低減を停止することを特徴とするエンジン駆動溶接機。
8. 前記電力取出割合の所定閾値は、９０％以下に設定されていることを特徴とする請求項７に記載のエンジン駆動溶接機。
9. 前記出力調整器は、サイリスタ又はチョッパを含む回路により構成されていることを特徴とする請求項７に記載のエンジン駆動溶接機。

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