JP5762241B2 - 電源装置及びアーク加工用電源装置 - Google Patents
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Description
この発明では、上記請求項に記載の電源装置の構成が用いられて、アーク加工用電源装置が構成される。即ち、アーク加工用電源装置では、低出力時に大きな出力電流が生じ得る装置であるため、特にPSM制御時にインバータ回路内に還流電流が生じる時間が長くなりがちである。そのため、上記請求項に記載の電源装置では、その還流電流を効果的に低減可能なため、このようなアーク加工用電源装置に適用する意義は大きい。
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、アーク加工機は、アーク加工用電源装置11にて生成した出力電力をトーチTHに供給し、トーチTHから加工対象物Mに向けてアークを発生させて、加工対象物Mに対してアーク溶接、アーク切断等のアーク加工を行う装置である。
直流変換回路12は、ダイオードブリッジよりなる整流回路DR1と平滑コンデンサC1とを備え、商用電源から供給される三相の交流入力電力を直流電力に変換する。直流変換回路12は、変換した直流電力を一対の電源線L1,L2を介してインバータ回路13に出力する。
図1〜図3に示すように、制御回路21の偏差算出部22は、その時々の目標値と実値との偏差Xの算出を行っている。
図2(a)は出力大の要求がなされた場合であり、スイッチング素子TR1,TR4のオンパルス幅Wmが期間t2〜t9まで継続するように設定された場合である。スイッチング素子TR5のオンパルス幅Wsは期間t2〜t8まで継続するように設定される。
期間t2:インバータ回路13のスイッチング素子TR1,TR4と補助スイッチング回路14のスイッチング素子TR5とが同時にオンする。スイッチング素子TR1,TR4はゼロ電流でのオン、スイッチング素子TR5はゼロ電流、ゼロ電圧でのオンであり、これらのスイッチングロスは低減されている。スイッチング素子TR1,TR4,TR5のオンに基づいて、直流変換回路12からの直流電力がトランスINTの一次側コイルに供給される。
このようにしてスイッチング素子TR1,TR4の組側が動作する半周期が終了し、次の半周期はスイッチング素子TR2,TR3の組側が動作する。
図2(c)は出力極小の要求がなされた場合であり、PSM制御を行う場合である。基準相のスイッチング素子TR1のオンパルス幅Wmは期間t2〜t4、制御相のスイッチング素子TR4のオンパルス幅Wmは期間t3〜t5に設定され、ともに最小パルス幅Wm0は維持される。つまり、制御相のスイッチング素子TR4のオンパルスが期間t2から期間t3に位相シフトされ、位相差αを生じさせている。スイッチング素子TR5のオンパルス幅Wsは期間t2〜t3まで継続する最小パルス幅Ws0に設定され、最小パルス幅Ws0は維持される。
期間t2:インバータ回路13の基準相のスイッチング素子TR1と補助スイッチング回路14のスイッチング素子TR5とが同時にオンする。このとき、制御相のスイッチング素子TR4はオフしたままであるため、スイッチング素子TR1はゼロ電流でのオン、スイッチング素子TR5はゼロ電流、ゼロ電圧でのオンであり、これらのスイッチングロスは低減されている。スイッチング素子TR1,TR5はオンしたもののスイッチング素子TR4がオフであるため、直流変換回路12からの直流電力のトランスINTへの供給は開始されない。
このようにしてスイッチング素子TR1,TR4の組側が動作する半周期が終了し、次の半周期はスイッチング素子TR2,TR3の組側が動作する。
(1)本実施形態の制御回路21は、パルス幅算出部24を備えてPWM制御が実施可能であり、また位相差算出部25を備えてPSM制御が実施可能に構成されている。そして、制御回路21の制御切替部23は、インバータ回路13及び補助スイッチング回路14の各スイッチング素子TR1〜TR5が十分にオン可能な所定狭パルス幅、本実施形態では最小パルス幅Wm0,Ws0より大となるオンパルス幅Wm,Wsに設定されるような出力要求時にはPWM制御を実施する。一方、オンパルス幅Wm,Wsがその最小パルス幅Wm0,Ws0より小となり得る低出力要求時には、制御切替部23は、オンパルス幅Wm,Wsをその最小パルス幅Wm0,Ws0に固定した状態での制御パルス信号の位相調整を行うPSM制御に切り替える。つまり、PWM制御においてオンパルス幅Wm,Wsが最小パルス幅Wm0,Ws0より小となり得るような低出力要求時にそのままPWM制御を実施すると、インバータ回路13のスイッチング素子TR1〜TR4、特に補助スイッチング回路14のスイッチング素子TR5がオンできない事象が生じ得るため、このような低出力要求時には制御パルス信号のオンパルス幅Wm,Wsを最小パルス幅Wm0,Ws0に固定したPSM制御に制御態様が切り替わる。そのため、オンパルス幅Wm,Wsが最小パルス幅Wm0,Ws0に維持されて各スイッチング素子TR1〜TR5が確実にオンできるため、低出力要求時にも安定した出力を得ることができる。また、PSM制御を実施すると、インバータ回路13の同組内の対をなすスイッチング素子TR1,TR4(TR2,TR3)において、一方側のスイッチング素子TR1(TR3)がオフした後に他方側のスイッチング素子TR4(TR2)のみがオンする時間が生じ、インバータ回路13内に還流電流が生じるため、還流電流の導通損が省電力化を図る際の妨げとなるが、本実施形態のPSM制御ではオンパルス幅Wmが最小パルス幅Wm0に設定されることから、還流電流が生じる時間を十分短くできる。そのため、還流電流の導通損を十分に低減でき、省電力化に寄与することができる。
・上記実施形態のPSM制御では、インバータ回路13に出力する基準相(TR1,TR3側)の制御パルス信号に対し、制御相(TR4,TR2側)の制御パルス信号を遅れ側に位相シフトしたが、デッドタイム期間との兼ね合いではあるが、進み側に位相シフトを行うようにしてもよい。
(第2実施形態)
以下、本発明を具体化した第2実施形態を図面に従って説明する。本実施形態では、図1に示す電源装置11において、制御回路21での制御が図4に示すように別態様となっている。
(1)本実施形態のPSM制御は、インバータ回路13の各スイッチング素子TR1〜TR4に出力する制御パルス信号の位相を固定し、補助スイッチング回路14のスイッチング素子TR5に出力する制御パルス信号を進み側にシフトさせて行われている。このようにしても上記第1実施形態と同様に、インバータ回路13及び補助スイッチング回路14の各スイッチング素子TR1〜TR5が確実にオン可能な最小パルス幅Wm0,Ws0に維持されるため、PSM制御を行う低出力要求時にも安定した出力を得ることができる。また、このようなPSM制御を実施した場合でも還流電流が生じるが、この場合もオンパルス幅Wm,Wsが最小パルス幅Wm0,Ws0に設定されることから、還流電流が生じる時間を十分短くでき、その導通損の低減、省電力化に寄与することができる。
以下、本発明を具体化した第3実施形態を図面に従って説明する。本実施形態では、上記第2実施形態の制御が図5に示すように若干異なる態様となっている。
(1)本実施形態についても、低出力要求時の出力安定化と省電力化に寄与することができる。
以下、本発明を具体化した第4実施形態を図面に従って説明する。本実施形態では、上記第2実施形態の制御が図6に示すように若干異なる態様となっている。
(1)本実施形態についても、低出力要求時の出力安定化を図ることができる。尚、本実施形態のPSM制御では、補助スイッチング回路14のスイッチング素子TR5のオン及びオフが、これと対で動作するインバータ回路13の各スイッチング素子TR1〜TR4のオン及びオフよりともに遅くなるため、ソフトスイッチング動作が行われず、スイッチングロスが低減できないとの懸念がある。しかしながら、このPSM制御は、もともと低出力時に行われる制御であるために扱う電力が小さく、ソフトスイッチング動作によるスイッチングロスの低減効果が非常に小さいため、全体的な省電力化には寄与できる。
・上記第2実施形態では、補助スイッチング回路14に出力する制御パルス信号の位相をシフトしてPSM制御を実施したが、上記第1実施形態のように、インバータ回路13の制御相(スイッチング素子TR4,TR2)の制御パルス信号の位相をシフトさせてもよい。
・上記第2〜第4実施形態において、PWM制御とPSM制御の切り替えを制御パルス信号のオンパルス幅Wm,Ws(最小パルス幅Wm0,Ws0)に基づいて行ったが、制御の切替態様は、これに限定されるものではない。例えば、アーク加工機の使用者が出力を設定するその出力設定値(目標値)に基づいて制御を切り替えるようにしてもよい。具体的に、出力大〜出力小に設定された時には制御をPWM制御とし、出力極小に設定された時には制御をPSM制御に切り替える。尚、このような制御の切替態様は、上記第1実施形態に適用してもよい。
13 インバータ回路
14 補助スイッチング回路
15 出力変換回路
21 制御回路(パルス幅変調制御手段、位相シフト制御手段、制御切替手段)
23 制御切替部(制御切替手段)
24 パルス幅算出部(パルス幅変調制御手段)
25 位相差算出部(位相シフト制御手段)
L1,L2 電源線
C2 補助コンデンサ
INT トランス
TR1〜TR4 スイッチング素子(インバータ回路)
TR5 スイッチング素子(補助スイッチング回路)
Wm,Ws オンパルス幅
Wm0,Ws0 最小パルス幅(所定狭パルス幅)
Wmx 最大幅
α 位相差
Claims (10)
- 一対二組のスイッチング素子が組毎に交互にオンオフするスイッチング動作を行い、入力される直流電力を高周波交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路前段の電源線上に設けられ、前記インバータ回路のスイッチング動作と連動動作するスイッチング素子と該素子後段の電源線間に接続される補助コンデンサとを有する補助スイッチング回路とを備え、
前記インバータ回路のスイッチング動作を制御して負荷への出力電力の調整を行う出力制御を行うとともに、前記補助スイッチング回路のスイッチング素子を先にオフさせて後にオフする前記インバータ回路のスイッチング素子のスイッチングロスを低減する動作を含むソフトスイッチング制御を行うように構成される電源装置であって、
前記インバータ回路のスイッチング素子に出力する制御パルス信号のオンパルス幅を調整するとともに、これに応じて前記補助スイッチング回路のスイッチング素子に出力する制御パルス信号のオンパルス幅を調整するパルス幅変調制御手段と、
前記インバータ回路の同組内のスイッチング素子に出力する対をなす制御パルス信号の相互の位相差を調整、若しくは前記インバータ回路のスイッチング素子と前記補助スイッチング回路のスイッチング素子とで対をなす制御パルス信号の相互の位相差を調整する位相シフト制御手段と、
出力要求が大の時には前記パルス幅変調制御手段とし、出力要求が小の時には前記位相シフト制御手段に切り替える制御切替手段と
を備えたことを特徴とする電源装置。 - 一対二組のスイッチング素子が組毎に交互にオンオフするスイッチング動作を行い、入力される直流電力を高周波交流電力に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路前段の電源線上に設けられ、前記インバータ回路のスイッチング動作と連動動作するスイッチング素子と該素子後段の電源線間に接続される補助コンデンサとを有する補助スイッチング回路とを備え、
前記インバータ回路のスイッチング動作を制御して負荷への出力電力の調整を行う出力制御を行うとともに、前記補助スイッチング回路のスイッチング素子を先にオフさせて後にオフする前記インバータ回路のスイッチング素子のスイッチングロスを低減する動作を含むソフトスイッチング制御を行うように構成される電源装置であって、
前記インバータ回路のスイッチング素子に出力する制御パルス信号のオンパルス幅を調整するとともに、これに応じて前記補助スイッチング回路のスイッチング素子に出力する制御パルス信号のオンパルス幅を調整するパルス幅変調制御手段と、
前記インバータ回路の同組内のスイッチング素子に出力する対をなす制御パルス信号の相互の位相差を調整、若しくは前記インバータ回路のスイッチング素子と前記補助スイッチング回路のスイッチング素子とで対をなす制御パルス信号の相互の位相差を調整する位相シフト制御手段と、
前記インバータ回路及び前記補助スイッチング回路の各スイッチング素子が十分にオン可能な所定狭パルス幅より大となる前記オンパルス幅に設定されるような出力要求時には前記パルス幅変調制御手段とし、前記オンパルス幅がその所定狭パルス幅より小となり得る出力要求時には前記オンパルス幅をその所定狭パルス幅に固定した状態での前記制御パルス信号の位相調整を行う前記位相シフト制御手段に切り替える制御切替手段と
を備えたことを特徴とする電源装置。 - 請求項2に記載の電源装置において、
前記位相シフト制御手段は、前記インバータ回路の同組内のスイッチング素子に出力する対をなす制御パルス信号の相互の位相差を調整するものであり、
前記位相シフト制御手段は、前記インバータ回路に出力する対をなす制御パルス信号の一方を基準相、他方を制御相とし、その基準相の制御パルス信号の位相を前記補助スイッチング回路に出力する制御パルス信号と同様に固定とし、前記制御相の制御パルス信号の位相調整のみを行うようにしたことを特徴とする電源装置。 - 請求項3に記載の電源装置において、
前記インバータ回路に出力する基準相の制御パルス信号は、デッドタイム期間直後に立ち上がるオンパルスが生じ、制御相の制御パルス信号は、先の基準相に対して遅れ側に位相シフトされるものであり、
前記補助スイッチング回路に出力する制御パルス信号は、前記基準相の制御パルス信号の立ち上がりと同時に立ち上がるオンパルスが生じるように設定されたことを特徴とする電源装置。 - 請求項2〜4のいずれか1項に記載の電源装置において、
前記所定狭パルス幅は、前記インバータ回路及び前記補助スイッチング回路の各スイッチング素子が十分にオン可能な最小パルス幅に設定されたことを特徴とする電源装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電源装置において、
前記パルス幅変調制御手段は、前記インバータ回路の同組内のスイッチング素子に出力する対をなす制御パルス信号のオンパルス幅を同様に変更することを特徴とする電源装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電源装置において、
前記パルス幅変調制御手段は、前記インバータ回路の同組内のスイッチング素子に出力する対をなす制御パルス信号の一方を基準相、他方を制御相とし、その基準相の制御パルス信号のオンパルス幅を最大幅で固定し、制御相の制御パルス信号のオンパルス幅を変更することを特徴とする電源装置。 - 請求項1又は2、若しくは請求項1又は2に従属の請求項5〜7のいずれか1項に記載の電源装置において、
前記位相シフト制御手段は、前記インバータ回路のスイッチング素子と前記補助スイッチング回路のスイッチング素子とで対をなす制御パルス信号の相互の位相差を調整するものであり、
前記位相シフト制御手段は、前記インバータ回路のスイッチング素子に出力する制御パルス信号の位相を固定し、前記補助スイッチング回路のスイッチング素子に出力する制御パルス信号の位相調整のみを行うようにしたことを特徴とする電源装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載の電源装置において、
前記インバータ回路にて生成された高周波交流電力を電圧調整して二次側に出力するトランスと、前記トランスを介して電圧調整された高周波交流電力から負荷に応じた出力電力に変換する出力変換回路とを備えるものであることを特徴とする電源装置。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の電源装置を用いてアーク加工用出力電力を生成するように構成されたことを特徴とするアーク加工用電源装置。
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