JP6069728B2 - 電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は電力供給装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、互いに異なる２つの周波数からなる電力を合成して負荷に供給する電力供給装置、例えば抵抗溶接機等の負荷に電力を供給する電力供給装置に関する。

電力供給装置の一例として、スポット溶接装置は、重ね合わせた鋼板同士を溶接するために用いられている。図１１は、鋼板５０同士のスポット溶接を模式的に示す断面図である。図１１に示すように、鋼板５０同士のスポット溶接は、鋼板５０同士の重ね合わせ部分を一対の電極５２で挟み、この電極５２に矢印方向に所定の力を作用させて鋼板５０同士を加圧する。
次に、加圧状態を保持しながら電極５２へｋＡオーダーの大電流を通電し、鋼板５０同士の圧着部分をジュール発熱にて瞬間溶融し、ナゲット５４と呼ばれる所定径の溶融した塊を形成することにより行われる（例えば、非特許文献１参照）。

特許文献１には、金属材であるワークにスポット溶接用の電源からの電力でナゲットを形成し、さらに高周波電源からの電力でワークの加熱を行う金属材の溶接装置が開示されている。

図１２は、特許文献１に開示された溶接装置６０において、低周波電源６２と、高周波電源６４との２周波数による合成回路を説明する等価回路図である。
図１２に示すように、２周波数による合成回路は、低周波電源６２と、高周波電源６３と、コイル６４と、コンデンサ６５と、低周波電源６２と高周波電源６３とが印加される負荷６６とから構成されている。低周波電源６２の一端は、コイル６４の一端に接続され、コイル６４の他端が負荷６６の一端に接続されている。低周波電源６２の他端は、負荷６６の他端に接続されている。高周波電源６３の一端は、負荷６６の一端に接続されている。高周波電源６３の他端は、コンデンサ６５を介して負荷６６の他端に接続されている。コイル６４は、リアクトルとも呼ばれている。

図１２に示すように、高周波電流は、下記（１）式で表される。

ここで、Ｉ₀は高周波電流、Ｉ₁はＩ₀の内低周波電源６２側に流れる高周波電流、Ｉ₂はＩ₀の内負荷６６に流れる高周波電流である。つまり、高周波電流Ｉ₀は、負荷６６側に流れるＩ₂と低周波電源６２側に流れるＩ₁との和である。Ｉ₁は負荷６６側にとっては無意味な電流であり、低周波電源にとっては有害な電流である。

図１２に示すように、低周波電流は、下記（２）式で表される。

ここで、Ｉ₃は低周波電流、Ｉ₄はＩ₃の内高周波電源６３側に流れる低周波電流、Ｉ₅はＩ₃の内負荷６６に流れる低周波電流である。

低周波電源６２と高周波電源６３とを合成する場合、一般的にはインダクタンス、つまりコイル６４を挿入して、低周波電源６２と高周波電源６３との両電源を合成する。このインダクタンスの目的は高周波電源６３からの高周波電流が低周波電源６２に流れ込まないようにする為である。例えば、低周波電源の周波数がｆ_Lの場合、インダクタンスつまり誘導性リアクタンスＬのインピーダンス（Ｘ_L）は、下記（３）式で表される。

このインピーダンス（Ｘ_L）の低周波電源６２と高周波電源６３との周波数の差がインピーダンスの差となり、このインピーダンスは線形に変化する。

特開２０１０−８２６６５号公報

社団法人溶接学会編、「溶接・接合便覧」、丸善株式会社、平成２年９月３０日、ｐｐ．３９２−３９８

上記の低周波電源６２と高周波電源６３の合成回路においては、コイル６４は低周波電源６２と直接に接続されているので低周波電流であるＩ₃にも影響を及ぼす。つまり、コイル６４を挿入して高周波電流の低周波電源６２への挿入を防ぐには、低周波電源６２からの電流であるＩ₃に影響を及ぼし負荷６６への低周波電流を流れ難くする。これにより、接続されたコイル６４からなるインダクタンスによって低周波電源６２の電圧を大きくして同じ電流を流さなければならない、つまり、低周波電源６２の電源容量を増加させる必要が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、２周波数による合成回路において、高い周波数をもつ高周波電力が低い周波数用の回路に侵入することを防ぐために用いるインダクタンスにより、低周波電源の電源容量が増加することの影響を小さくできるようにした電力供給装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電力供給装置は、低周波電源と、低周波電源に接続される可飽和リアクトルと、高周波電源と、高周波電源に接続されるコンデンサとを備え、可飽和リアクトルの一端は低周波電源の一端に接続され、可飽和リアクトルの他端は負荷の一端に接続され、負荷の他端は、低周波電源の他端に接続され、コンデンサの一端は高周波電源の一端に接続され、コンデンサの他端は負荷の他端に接続され、高周波電源の他端は、負荷の一端に接続され、低周波電源からの出力電力と高周波電源からの出力電力とを負荷に供給することを特徴とする。

上記構成において、好ましくは、電力供給装置と負荷との間には電極が備えられ、電極に印加される低周波電源により溶接が実行される。
可飽和リアクトルは、好ましくは、制御巻き線付き可飽和リアクトルである。
電力供給装置は、好ましくは、さらに、別の低周波電源又は高周波電源を備えている。

本発明の電力供給装置によれば、低周波電源と直列に可飽和リアクトルを接続することにより、従来のコイルを用いた低周波電源と高周波電源との合成回路に比較して、低周波電源への電圧の影響を殆どゼロに削減することができる。

本発明の実施形態に係る電力供給装置の構成を示す回路図である。 可飽和リアクトルの構成を示す斜視図である。 図２の可飽和リアクトルの電流値に対するインダクタンス値の変化を示す図である。 本発明による電力供給装置の変形例の構成を示す回路図である。 制御巻き線付き可飽和リアクトルの構成を示す斜視図である。 制御巻き線付き可飽和リアクトルのインピーダンスの制御電流依存性を示す図である。 バイアス電流制御部の動作を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施形態に係る電力供給装置の変形例の構成を模式的に示す図である。 図８に示す溶接装置の電気回路図である。 重ね合わせた２枚の鋼板へ低周波電源と高周波電源から電力を同時に印加したとき鋼板に生じる電流分布を模式的に示す断面図である。 鋼板同士のスポット溶接を模式的に示す断面図である。 特許文献１に開示された溶接装置において、低周波電源と高周波電源との２周波数による合成回路を説明する等価回路図である。

以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る電力供給装置１の構成を示す回路図である。
図１において、電力供給装置１は、低周波電源２と、低周波電源２に直列に接続される可飽和リアクトル３と、高周波電源４と、高周波電源４に接続されるコンデンサ５と、を備えて構成されている。電力供給装置１の出力端子６には、負荷７が接続される。可飽和リアクトル３の一端は低周波電源２の一端に接続され、可飽和リアクトル３の他端は負荷７の一端に接続されている。負荷７の他端は、低周波電源２の他端に接続されている。コンデンサ５の一端は高周波電源４の一端に接続され、コンデンサ５の他端は負荷７の他端に接続されている。高周波電源４の他端は、負荷７の一端に接続されている。負荷７の他端は、接地されていてもよい。
なお、低周波電源２及び高周波電源４の周波数を、それぞれ、第１周波数（ｆ_Ｌと表記する。）、第２周波数（ｆ_Ｈと表記する。）と呼ぶ。第２周波数ｆ_Ｈは第１周波数ｆ_Ｌよりも高い周波数である。

低周波電源２としては、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電源や、所謂インバータからなる発振器等を用いることができる。同様に、高周波電源４としては、インバータからなる発振器を用いることができる。

図２は可飽和リアクトル３の構成を示す斜視図である。図２に示すように、可飽和リアクトル３は、磁芯３ａと巻線３ｂとから構成されている。磁芯３ａは磁性体からなり、鉄芯やフェライトでなるコアが使用される。図２に示すように、可飽和リアクトル３は、例えばフェライトからなる磁芯３ａに所定回数で絶縁被覆した銅線を巻回した巻線３ｂから構成されている。巻線３ｂの巻数によって可飽和リアクトル３のインダクタンス値は変化する。

磁芯３ａとなるフェライトコアとしては、ＴＤＫ社製のＰＥ２２Ｔ等のコア材を用いることができる。このコア材は、内径が５０ｍｍ、外径が８０ｍｍｍで、高さが２０ｍｍｍ程度である。

図３は、図２の可飽和リアクトル３の電流値に対するインダクタンス値の変化を示す図である。図３に示すように、可飽和リアクトル３のインダクタンス値は、低電流領域では大きな値になり、大電流値領域では非常に小さな値になる。つまり、低周波電源２に直列に接続される可飽和リアクトル３に流れる低周波の大電流で、この可飽和リアクトル３が飽和して、インダクタンス値が小さくなるように設計しておけばよい。この場合、低周波電流が流れることによる可飽和リアクトル３の電圧降下はなくなり、つまり非常に小さくなる。

このため、低周波電源２の電圧は、殆ど負荷７に印加される。これにより、低周波電源２の電圧は、可飽和リアクトル３を使用しないで従来のインダクタンスを用いた場合にインダクタンスで生じた電圧降下はなくなり、低周波電源２の電圧を増大させる必要がなくなる。

コンデンサ５の一端は高周波電源４の他端に接続され、コンデンサ５の他端は負荷７の他端に接続されている。つまり、コンデンサ５の他端は接地されており、所謂グランドに接続されている。コンデンサ５による容量性リアクタンスＸ_Cは、下記（４）式で与えられる。

容量性リアクタンスＸ_Cは低周波数（ｆ_L）では大きな値となる。このため、低周波電源２の高周波電源４への電流漏洩は、低周波数（ｆ_L）におけるコンデンサ５の大きい容量性リアクタンスＸ_Cで阻止される。つまり、コンデンサ５は低周波電流阻止用コンデンサとなる。

高周波電源４から低周波電源２を見た場合のインピーダンスの内、高周波数（ｆ_H）の容量性リアクタンスＸ_C（Ｘ_C＝１／（２πｆ_HＣ）、ここで、ｆ_Hは高周波電源４の周波数である。）は、高周波数では小さな値となる。

一方、高周波数では、可飽和リアクトル３のインダクタンス（Ｌ）による誘導性リアクタンスＸ_Lは下記（５）式で与えられる。

ここで、ｆ_Hは高周波電源４の周波数である。
（５）式で与えられるＸ_Lは、高周波電源４の周波数（ｆ_H）では大きな値となる。このため、高周波電源４の低周波電源２への電流漏洩は、高周波数（ｆ_H）における可飽和リアクトル３の大きい誘導性リアクタンスＸ_Lで阻止される。つまり、可飽和リアクトル３は、高周波電流阻止用インダクタンスとなる。

電力供給装置１において、コンデンサ５は低周波電源２から高周波電源４への電流阻止用コンデンサとして作用し、可飽和リアクトル３は高周波電源４から低周波電源２への電流阻止用インダクタンス、つまりチョークコイルの作用をする。

図１の電力供給装置１では、可飽和リアクトル３を使用しているので、図２に示すように、不飽和部分では線形に変化するが、飽和領域になるとインピーダンスはほぼゼロになる。このため、低周波の大電流にて飽和する可飽和リアクトル３によって低周波電流によるインダクタンスの電圧降下をほぼ無くすことができ、低周波電源２の電源容量の増加を無くすことができる。つまり、電力供給装置１では、従来の低周波電源と高周波電源との合成回路で使用されていた高周波流入用インダクタンス（コイル）を、可飽和リアクトル３に変更することにより、低周波電源からの電流への影響を削減することができる。これにより、可飽和リアクトル３の低周波電源への影響を殆どゼロに削減することができる。

（電力供給装置の変形例）
図４は、電力供給装置２０の変形例の構成を示す回路図であり、図５は、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３の構成を示す斜視図であり、図６は、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３のインピーダンスの制御電流依存性を示す図である。
図４に示す電力供給装置２０が、図１の電力供給装置１と異なるのは、低周波電源２に接続される可飽和リアクトル３を、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３に代えた点と、制御巻き線２３ｃに流すバイアス電流制御部２５を備えている点にある。他の構成は、図１の電力供給装置１と同じであるので説明は省略する。

図５に示すように、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３は、図３に示す可飽和リアクトル３にさらに、直流電流が印加される制御巻き線２３ｃを有している。つまり、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３は、磁芯２３ａと低周波電源２に接続される交流側の巻線２３ｂと、直流電流が印加される制御巻き線２３ｃとから構成されている。

図６に示す制御巻き線付き可飽和リアクトル２３では、制御巻き線２３ｃに直流の制御電流（バイアス電流とも呼ぶ。）を流すと、磁芯２３ａが直流磁場で励磁され、制御電流を増大させるとコアが磁気飽和し易くなるので、低周波電源２が印加される交流側の巻線２３ｂの交流インピーダンスは急速に低下する。バイアス電流の増加と共に磁芯２３ａに印加される直流磁場が増大し、磁芯２３ａが飽和すると、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３の交流インピーダンスは極めて小さくなる。

制御巻き線付き可飽和リアクトル２３に流す制御電流は、バイアス電流制御部２５により制御される。バイアス電流制御部２５では、負荷７に低周波電源２を印加するときだけ、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３の交流インピーダンスが最も小さくなるバイアス電流が流れるように制御すればよい。負荷７に高周波電源４を印加するときは、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３のバイアス電流は、交流インピーダンスが大きくなるようにバイアス電流を小さくすればよい。

電力供給装置２０では、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３を使用しているので、図６に示すように、バイアス電流の制御により、低周波電流によるインダクタンスの電圧降下をより顕著に低減することができる。

図７は、バイアス電流制御部２５の動作を説明するためのタイムチャートである。図７の横軸は時間であり、縦軸はバイアス電流制御部２５から制御巻き線付き可飽和リアクトル２３の制御巻き線２３ｃに印加される電流波形と、負荷７に流れる電流波形である。負荷７には、低周波電源２の印加後に高周波電源４が印加される電流波形を示している。
図７に示すように、制御巻き線２３ｃには、負荷７に流れる低周波電流と同時にバイアス電流が印加される。このバイアス電流を流す時間で制御巻き線付き可飽和リアクトル２３を過飽和にして制御巻き線付き可飽和リアクトル２３のインピーダンスを非常に小さくして、電圧降下を無くすことができる。これにより、図４に示す電力供給装置２０によれば、図１の電力供給装置１よりもさらに効率よく低周波電流による電圧降下を生じさせないで、低周波電源２の電圧を殆ど負荷７に印加し、かつ、高周波電源４からの電流の流入がないようにすることができる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る電力供給装置の変形例を説明する。本変形例では、電力供給装置１の負荷７の例として、スポット溶接機について説明する。
図８は、本発明の実施形態に係る電力供給装置１を用いた溶接装置４０の構成の一例を模式的に示す図であり、図９は、図８に示す溶接装置４０の電気回路図である。
図８に示すように、溶接装置４０は、電力供給装置１にさらに、電極部１０と、低周波電源２及び高周波電源４の各出力制御を行う通電制御部８とを含んで構成されている。電極部１０は、電極アーム１２と、電極アーム１２の上部１２Ａ、下部１２Ｂにそれぞれ一端が接続されている電極支持部１３と、各電極支持部１３の他端にそれぞれ接続される一対の電極１４と、から構成されている。

低周波電源２は、可飽和リアクトル３を介して電極１２に接続されている。高周波電源４は、コンデンサ５を介して電極１２に接続されている。電力供給装置１は、制御巻き線付き可飽和リアクトル２３を用いた電力供給装置２０の構成としてもよい。電力供給装置２０の場合には、可飽和リアクトル３を制御巻き線付き可飽和リアクトル２３とし、バイアス電流制御部２５を追加すればよい。
なお、溶接装置４０は、図示していないが、電極アーム１２を支持する固定ベース、電極アーム１２を駆動する駆動機構、電極支持部１３から一方の電極１４を押し出す押圧機構（図示せず）などをさらに備えている。押圧機構は、後述する被溶接部材となる金属材１９を電極１４，１４で加圧するために使用される。

一対の電極１４，１４は隙間を有して対向しており、その隙間に金属材１９として２枚の鋼板が挿入される。電極１４は例えば銅からなる。電極１４の鋼板１９に接触する面の形状は、円や楕円の形状を有しており、円柱やロッド状の形状を有している。一対の電極１４に挟まれる２枚の鋼板１９が、図１に示す電力供給装置１の負荷７に相当している。

図９に示すように、溶接装置４０の電気回路は、点線で囲んだ電力供給装置１と電極部１０とからなる。低周波電源２は、溶接用電源であり、例えば出力周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである商用電源２２と、商用電源２２の一端に接続される低周波電源制御部２４と、商用電源２２の他端と低周波電源制御部２４の出力端に接続される溶接トランス２６と、から構成されている。溶接トランス２６の２次巻き線２６Ａの両端が、それぞれ、電極アーム１２の上部１２Ａの左側端部及び下部１２Ｂの左側端部に接続されている。低周波電源制御部２４は、サイリスタなどの電力制御用半導体素子及びゲート駆動回路等から構成されており、商用電源２２から電極１４への通電制御などを行う。

溶接トランス２６の二次側巻き線２６Ａに並列にバイパスコンデンサ２７が接続されている。バイパスコンデンサ２７は、高周波電源４の周波数に対して低い容量性インピーダンスを有している。このため、高周波電源４からの高周波電圧が二次側巻き線１６Ａに印加される電圧を最小限にし、溶接トランス２６の一次側への高周波誘起電圧を低くすることができる。

高周波電源４は、発振器２８と発振器２８の出力端に接続される整合トランス３０とから構成されている。整合トランス３０の一端は、電極アーム１２の上部１２Ａに接続されている。整合トランス３０の他端は、コンデンサ５を介して電極アーム１２の下部１２Ｂに接続されている。このコンデンサ５は、後述する直列共振回路の整合用コンデンサを兼ねることができる。コンデンサ５の容量値は、発振器２８の発振周波数と電極アーム１２の浮遊インダクタンス３２に依存する。発振器２８は、各種のトランジスタを用いたインバータなどから構成されており、電極１４への高周波電源４の通電電力等を制御する。

上記の直列共振回路は、整合用コンデンサ５と電極アーム１２で生じる浮遊インダクタンス３２とにより構成してもよい。

溶接装置４０において、コンデンサ５は、低周波電源２から高周波電源４への電流阻止用コンデンサとして作用する。可飽和リアクトル３は、高周波電源４から低周波電源２への電流阻止用インダクタンス、つまりチョークコイルの作用をする。さらに、可飽和リアクトル３は、低周波の大電流において飽和するのでそのインダクタンスは非常に小さくなることから、低周波電流によるインダクタンスの電圧降下をほぼ無くすことができ、低周波電源２の電源容量の増加を無くすことができる。

（鋼板に生じる電流分布）
図１０は、重ね合わせた２枚の鋼板１９へ低周波電源２と高周波電源４とから電力を同時に印加したとき鋼板１９に生じる電流分布を模式的に示す断面図である。
図１０において、実線は高周波電源４による高周波電流３６を示し、点線は低周波電源２による低周波電流３８を示している。電極４は銅からなり、直径は６ｍｍで、低周波電源２の周波数は５０Ｈｚである。１枚の鋼板１９の厚さは２ｍｍであり、高周波電源４の周波数は２５ｋＨｚである。低周波電流３８は電極１４，１４の内部全体を流れ、鋼板１９は、おおよそナゲット径の断面積幅で通電される。
ここで、ナゲット全体は、電極１４の軸断面を鋼板１９に投影した円形内部１９Ａに対応している。

上記の高周波電源４による鋼板１９の加熱時間は通電制御部８で制御することができるので、スポット溶接する鋼板１９等のスポット溶接箇所だけの部分昇温ができ、加熱に要する電力消費を低減することができる。

上記の電力供給装置１、２０や溶接装置４０においては、さらに、別の低周波電源や高周波電源を備えて構成されていてもよい。低周波電源を追加する場合には、この追加する低周波電源に直列に可飽和リアクトル３を接続すればよい。また、高周波電源を追加する場合には、この追加する高周波電源に直列にコンデンサ５を接続すればよい。

本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態における可飽和リアクトル３のインダクタンスの値は、低周波電源２の周波数や出力電力に応じて適宜に設計することが可能である。

１、２０：電力供給装置
２：低周波電源
３：可飽和リアクトル
３ａ、２３ａ：磁芯
３ｂ、２３ｂ：巻線
４：高周波電源
５：コンデンサ
６：出力端子
７：負荷
８：通電制御部
１０：電極部
１２：電極アーム
１２Ａ：上部
１２Ｂ：下部
１３：電極支持部
１４：電極
１９：金属材
２２：商用電源
２３：制御巻き線付き可飽和リアクトル
２３ｃ：制御巻き線
２４：低周波電源制御部
２５：バイアス電流制御部
２６：溶接トランス
２６Ａ:２次巻き線
２７：バイパスコンデンサ
２８：発振器
３０：整合トランス
３２：浮遊インダクタンス
３６：高周波電流
３８：低周波電流
４０：溶接装置

Claims (4)

1. 低周波電源と、
   前記低周波電源に接続される可飽和リアクトルと、
   高周波電源と、
   前記高周波電源に接続されるコンデンサと、を備え、
   前記可飽和リアクトルの一端は前記低周波電源の一端に接続され、該可飽和リアクトルの他端は負荷の一端に接続され、該負荷の他端は、前記低周波電源の他端に接続され、
   前記コンデンサの一端は前記高周波電源の一端に接続され、該コンデンサの他端は前記負荷の他端に接続され、前記高周波電源の他端は、前記負荷の一端に接続され、
   前記低周波電源からの出力電力と前記高周波電源からの出力電力とを前記負荷に供給することを特徴とする、電力供給装置。
2. 前記電力供給装置と前記負荷との間には、電極を備えており、該電極に印加される低周波電源により溶接が行われることを特徴とする、請求項１に記載の電力供給装置。
3. 前記可飽和リアクトルは、制御巻き線付き可飽和リアクトルであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力供給装置。
4. 前記電力供給装置は、さらに、別の低周波電源又は高周波電源を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力供給装置。

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