JP6081148B2 - Arc machining power supply - Google Patents
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Description
本発明は、アーク加工用電源装置の出力電力の生成過程において、直流電力から高周波交流電力への電力変換を行うインバータ回路を備えるアーク加工用電源装置に関する。 The present invention, in the process generating the output power of the arc machining power supply apparatus, a luer chromatography click machining power supply apparatus comprising an inverter circuit for performing power conversion from DC power to high frequency AC power.
インバータ回路を備える電源装置として、例えば特許文献１に開示のアーク加工用電源装置が知られている。この電源装置は、入力される商用交流電力を整流回路にて直流電力に変換し、変換した直流電力をインバータ回路のスイッチング動作にて高周波交流電力に変換し、変換した高周波交流電力をトランスを介して二次側に供給し、該二次側においてアーク溶接等のアーク加工に適した直流出力電力に変換する構成となっている。出力電力を調整するには、インバータ回路のスイッチング動作を制御することで行われる。 As a power supply device including an inverter circuit, for example, an arc machining power supply device disclosed in Patent Document 1 is known. This power supply device converts input commercial AC power into DC power using a rectifier circuit, converts the converted DC power into high frequency AC power using a switching operation of an inverter circuit, and converts the converted high frequency AC power via a transformer. Is supplied to the secondary side and converted to DC output power suitable for arc processing such as arc welding on the secondary side. The output power is adjusted by controlling the switching operation of the inverter circuit.
インバータ回路のスイッチング制御の一つに、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）がある。その時々において出力電力を大きくする場合は、インバータ回路のスイッチング素子のオン時間を長くすることが行われ、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が幅広に設定される。これに対して、出力電力を小さくする場合は、インバータ回路のスイッチング素子のオン時間が短くすることが行われ、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が幅狭に設定される。 One of the switching controls of the inverter circuit is pulse width modulation control (PWM control). When the output power is increased from time to time, the ON time of the switching element of the inverter circuit is lengthened, and the ON pulse width of the control pulse signal output to the switching element is set to be wide. On the other hand, when the output power is reduced, the ON time of the switching element of the inverter circuit is shortened, and the ON pulse width of the control pulse signal output to the switching element is set to be narrow.
ところで、高〜中出力要求時では、インバータ回路（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は十分幅広で、スイッチング素子が十分にオン可能である。
しかしながら、低出力とする要求が生じると、ＰＷＭ制御においては制御パルス信号のオンパルス幅が一層幅狭に設定されるため、スイッチング素子が十分にオンできない場合があった。このことは、出力不安定、トランスの偏磁要因等を招くため、低出力要求時のスイッチング素子の安定駆動が望まれていた。
By the way, when a high to medium output request is made, the on-pulse width of the control pulse signal output to the inverter circuit (switching element) is sufficiently wide so that the switching element can be sufficiently turned on.
However, when a request for a low output is generated, in the PWM control, the on-pulse width of the control pulse signal is set to be narrower, and thus the switching element may not be sufficiently turned on. This leads to output instability, transformer biasing factors, and the like, so that it is desired to drive the switching element stably when a low output is required.
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、低出力要求に応えつつも、インバータ回路のスイッチング素子の安定駆動を実現することができるアーク加工用電源装置を提供することにある。 The present invention was made to solve the above problems, even while meeting the low power requirements, for luer chromatography click processing can realize stable driving of the switching elements of the inverter circuit It is to provide a power supply device.
上記課題を解決するアーク加工用電源装置は、電源装置の出力電力の生成過程において、スイッチング素子のオンオフ動作により直流電力から高周波交流電力への電力変換を行うフルブリッジ回路構成のインバータ回路と、前記スイッチング素子に制御パルス信号を出力してそのスイッチング素子のオンオフ動作を制御し、前記出力電力の制御を行う制御回路とを備え、アーク加工用の直流出力電力を生成するように構成された電源装置であって、前記インバータ回路は、第１上アームに第１スイッチング素子が、第１下アームに第３スイッチング素子が、第２上アームに第２スイッチング素子が、第２下アームに第４スイッチング素子がそれぞれ配置されており、前記第１及び第４スイッチング素子が組となり、第２及び第３スイッチング素子が組となって、各組が交互にスイッチング動作することで、直流電力を高周波交流電力に変換し、前記制御回路は、前記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ＰＷＭ制御と、前記制御パルス信号のオンパルス幅をスイッチング素子が十分オン可能な所定幅としその制御パルス信号のオンパルスの密度を調整するＰＤＭ制御とが実施可能に構成され、前記制御回路の制御において、所定出力要求より高出力側では前記ＰＷＭ制御を行わせ、所定出力要求よりも低出力側では前記ＰＤＭ制御に切り替える制御切替部を備え、前記ＰＤＭ制御は、前記ＰＷＭ制御周期の一定周期分をＰＤＭ制御周期とし、そのＰＤＭ制御周期中のいずれかのオンパルスを間引いてオンパルスの密度を調整し、前記オンパルスを間引くにあたっては、前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子に出力する制御パルス信号と、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子に出力する制御パルス信号とを同様に間引くものである。 An arc machining power supply that solves the above problems is a full-bridge circuit configuration inverter circuit that performs power conversion from DC power to high-frequency AC power by an on / off operation of a switching element in the process of generating output power of the power supply apparatus, A control circuit that outputs a control pulse signal to the switching element to control the on / off operation of the switching element and controls the output power, and configured to generate DC output power for arc machining a is, the inverter circuit, the first switching element to the first upper arm, a third scan Lee switching element to the first lower arm, the second switching element to the second upper arm, the first to the second lower arm 4 switching elements are arranged, respectively, and the first and fourth switching elements form a set, and the second and third switching elements PWM control that converts a DC power into a high-frequency AC power by alternately switching each group, and the control circuit adjusts an ON pulse width of a control pulse signal output to the switching element. And a PDM control that adjusts the on-pulse density of the control pulse signal so that the on-pulse width of the control pulse signal is sufficiently large to enable the switching element to be turned on. A control switching unit is provided that performs the PWM control on the higher output side than the request and switches to the PDM control on the lower output side than the predetermined output request. The PDM control includes a constant period of the PWM control period corresponding to the PDM control period. And adjust the density of the on-pulses by thinning out any of the on-pulses in the PDM control cycle. Ku In includes a control pulse signal to be output to the first switching element and the fourth switching element, in which thinning similarly a control pulse signal to be output to the second switching element and the third switching element.
この構成によれば、所定出力要求より高出力側では、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ＰＷＭ制御が行われる。これに対し、所定出力要求よりも低出力側では、制御パルス信号のオンパルス幅をスイッチング素子が十分オン可能な所定幅としその制御パルス信号のオンパルスの密度を調整するＰＤＭ制御に切り替えられる。つまり、低出力要求時において、仮にＰＷＭ制御を実施するとスイッチング素子がオンできないオンパルス幅に設定する所を、ＰＤＭ制御に切り替えて実施することで、スイッチング素子のオンパルス幅は十分オン可能な所定幅として確保され、また低出力要求に対しては、オンパルス自体を間引いてオンパルスの密度を調整することで行われる。これにより、低出力要求に応えつつも、インバータ回路のスイッチング素子の安定駆動の実現が可能となる。
また、ＰＤＭ制御において、ＰＷＭ制御周期の一定周期分がＰＤＭ制御周期とされ、そのＰＤＭ制御周期中のいずれかのオンパルスが間引かれてオンパルスの密度の調整が行われる。つまり、このＰＤＭ制御は、ＰＤＭ制御周期がＰＷＭ制御周期の一定周期分で行われるため、制御の簡略化に寄与できる。
According to this configuration, PWM control for adjusting the on-pulse width of the control pulse signal output to the switching element of the inverter circuit is performed on the higher output side than the predetermined output request. On the other hand, on the lower output side than the predetermined output request, the on-pulse width of the control pulse signal is set to a predetermined width at which the switching element can be sufficiently turned on, and the PDM control is switched to adjust the on-pulse density of the control pulse signal. In other words, at the time of low output request, if the PWM pulse control is performed, the on-pulse width where the switching element cannot be turned on is switched to the PDM control so that the on-pulse width of the switching element is set to a predetermined width that can be sufficiently turned on. For low output requirements, the on-pulse itself is thinned out to adjust the on-pulse density. As a result, it is possible to realize stable driving of the switching elements of the inverter circuit while meeting low output requirements.
Further, in the PDM control, a fixed period of the PWM control period is set as the PDM control period, and any of the on-pulses in the PDM control period is thinned out to adjust the on-pulse density. That is, this PDM control can contribute to simplification of control because the PDM control cycle is performed at a constant PWM control cycle.
また、上記アーク加工用電源装置において、前記制御切替部は、前記制御パルス信号のオンパルス幅が最大幅から前記スイッチング素子が十分オン可能な最小幅まで前記ＰＷＭ制御を行わせ、それ以下の低出力要求時には前記制御パルス信号のオンパルス幅を最小幅で固定としつつそのオンパルスの密度を調整する前記ＰＤＭ制御に切り替えるようにするのが好ましい。 Further, in the arc machining power supply apparatus, the control switching unit causes the PWM control to be performed from a maximum width of an on-pulse width of the control pulse signal to a minimum width at which the switching element can be sufficiently turned on. When requested, it is preferable to switch to the PDM control for adjusting the density of the on-pulse while fixing the on-pulse width of the control pulse signal at a minimum width.
この構成によれば、ＰＷＭ制御にて、制御パルス信号のオンパルス幅が最大幅からスイッチング素子が十分オン可能な最小幅まで行われ、それ以下の低出力要求時にはＰＤＭ制御に切り替わり、制御パルス信号のオンパルス幅がその最小幅にて固定されつつ、オンパルスの密度が調整される。つまり、制御パルス信号のオンパルス幅がスイッチング素子のオン可能な最小幅となるまでの広い範囲で制御周期の細かなＰＷＭ制御が実施されるため、出力安定化に寄与できる。また、ＰＷＭ制御とＰＤＭ制御との切り替わり時にオンパルス幅が最小幅にて継承されることで、制御切り替わり時の出力安定化にも寄与できる。 According to this configuration, in the PWM control, the on-pulse width of the control pulse signal is performed from the maximum width to the minimum width at which the switching element can be sufficiently turned on. The on-pulse density is adjusted while the on-pulse width is fixed at the minimum width. That is, since the PWM control with a fine control cycle is performed in a wide range until the on-pulse width of the control pulse signal becomes the minimum width at which the switching element can be turned on, it can contribute to output stabilization. Further, since the on-pulse width is inherited with the minimum width when switching between PWM control and PDM control, it is possible to contribute to stabilization of output when switching control.
また、上記アーク加工用電源装置において、前記ＰＤＭ制御は、前記ＰＤＭ制御周期の後端側からオンパルスを順に間引いてオンパルスの密度を調整するようにするのが好ましい。
この構成によれば、ＰＤＭ制御において、ＰＤＭ制御周期の後端側からオンパルスが順に間引かれてオンパルスの密度が調整される。つまり、ＰＤＭ制御周期の後端側から単純にオンパルスが間引かれるため、このことでも制御の簡略化に寄与できる。
In the arc machining power supply apparatus, it is preferable that the PDM control adjusts the density of on-pulses by thinning out on-pulses sequentially from the rear end side of the PDM control cycle.
According to this configuration, in the PDM control, the on-pulse density is adjusted by thinning out the on-pulse in order from the rear end side of the PDM control cycle. That is, since the on-pulse is simply thinned out from the rear end side of the PDM control cycle, this can also contribute to simplification of the control.
本発明のアーク加工用電源装置によれば、低出力要求に応えつつも、インバータ回路のスイッチング素子の安定駆動を実現することができる。 According to arc machining power supply apparatus of the present invention can also while meeting the low power requirements, to achieve stable driving of the switching elements of the inverter circuit.
以下、電源装置としてのアーク溶接用電源装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、アーク溶接機１０は、これに用いるアーク溶接用電源装置１１のプラス側の出力端子ｏ１に溶接トーチＴＨの電極ＷＥを接続し、マイナス側の出力端子ｏ２に溶接対象（母材）Ｍを接続して、電源装置１１にて生成した直流出力電力に基づいて電極ＷＥの先端にてアークを生じさせ、溶接対象Ｍのアーク溶接を行うものである。アーク溶接機１０は、例えば消耗電極式のアーク溶接機であり、電極ＷＥとして用いるワイヤ電極がアークにより消耗するため、該電極ＷＥをその消耗に応じて送給する送給装置（図示略）を用いる。
Hereinafter, an embodiment of a power supply apparatus for arc welding as a power supply apparatus will be described.
As shown in FIG. 1, the arc welding machine 10 connects the electrode WE of the welding torch TH to the positive output terminal o1 of the arc welding power supply device 11 used for this, and the welding target ( The base material M is connected, an arc is generated at the tip of the electrode WE based on the DC output power generated by the power supply device 11, and arc welding of the welding object M is performed. The arc welder 10 is, for example, a consumable electrode type arc welder, and since a wire electrode used as the electrode WE is consumed by an arc, a feeding device (not shown) that feeds the electrode WE according to the wear is provided. Use.
アーク溶接用電源装置１１は、入力変換回路１２、インバータ回路１３、トランスＩＮＴ、及び出力変換回路１４を備え、入力される商用交流電力からアーク溶接に適した直流出力電力を生成する。 The power supply apparatus 11 for arc welding includes an input conversion circuit 12, an inverter circuit 13, a transformer INT, and an output conversion circuit 14, and generates DC output power suitable for arc welding from input commercial AC power.
入力変換回路１２は、ダイオードブリッジ回路よりなる一次側整流回路ＤＲ１と、該整流回路ＤＲ１の出力端子間に接続される平滑コンデンサＣ１とを備え、三相の商用交流電力を直流電力に変換する。直流入力電力は、後段のインバータ回路１３に供給される。 The input conversion circuit 12 includes a primary side rectifier circuit DR1 formed of a diode bridge circuit and a smoothing capacitor C1 connected between output terminals of the rectifier circuit DR1, and converts three-phase commercial AC power into DC power. The DC input power is supplied to the subsequent inverter circuit 13.
インバータ回路１３は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子よりなる第１〜第４スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のフルブリッジ回路にて構成されている。因みに、第１上アームに第１スイッチング素子ＴＲ１が、第１下アームに第３スイッチング素子ＴＲ３が、第２上アームに第２スイッチング素子ＴＲ２が、第２下アームに第４スイッチング素子ＴＲ４がそれぞれ配置されてなる。各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４には、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４が逆接続されている。第２及び第４スイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ４間のインバータ回路１３の出力端子ａと、第１及び第３スイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ３間の出力端子ｂは、トランスＩＮＴの一次側コイルＬ１と接続される。 The inverter circuit 13 is configured by a full bridge circuit of first to fourth switching elements TR1 to TR4 made of a semiconductor switching element such as an IGBT. Incidentally, the first switching element TR1 in the first upper arm, the third switching element TR3 in the first lower arm, the second switching element TR2 in the second upper arm, and the fourth switching element TR4 in the second lower arm, respectively. It is arranged. Diodes D1 to D4 are reversely connected to the switching elements TR1 to TR4, respectively. The output terminal a of the inverter circuit 13 between the second and fourth switching elements TR2 and TR4 and the output terminal b between the first and third switching elements TR1 and TR3 are connected to the primary coil L1 of the transformer INT.
そして、インバータ回路１３は、第１及び第４スイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４が組となり、第２及び第３スイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３が組となって、各組が交互にスイッチング動作することで、入力変換回路１２から入力される直流電力を高周波交流電力に変換し、トランスＩＮＴの一次側コイルＬ１に供給する。これらスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のスイッチング動作は、制御回路２０から入力される制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４に基づいて行われる。 In the inverter circuit 13, the first and fourth switching elements TR1 and TR4 form a pair, and the second and third switching elements TR2 and TR3 form a pair. The DC power input from the circuit 12 is converted into high-frequency AC power and supplied to the primary coil L1 of the transformer INT. Switching operations of these switching elements TR1 to TR4 are performed based on control pulse signals S1 to S4 input from the control circuit 20.
トランスＩＮＴの二次側では、インバータ回路１３にて生成された高周波交流電力が所定電圧に変換され、二次側コイルＬ２から出力される。二次側コイルＬ２には、出力変換回路１４が接続される。 On the secondary side of the transformer INT, the high-frequency AC power generated by the inverter circuit 13 is converted into a predetermined voltage and output from the secondary coil L2. The output conversion circuit 14 is connected to the secondary coil L2.
出力変換回路１４は、二次側整流回路ＤＲ２と、直流リアクトルＤＣＬとを備えている。二次側整流回路ＤＲ２は、一対のダイオードを用いた全波整流回路よりなり、各ダイオードのアノードが二次側コイルＬ２の両側端子にそれぞれ接続され、各ダイオードのカソードは共に直流リアクトルＤＣＬの一端に接続されている。直流リアクトルＤＣＬの他端は、電源装置１１のプラス側の出力端子ｏ１に接続されている。電源装置１１のマイナス側の出力端子ｏ２は、二次側コイルＬ２の中間端子と接続されている。このような出力変換回路１４は、トランスＩＮＴの二次側コイルＬ２からの高周波交流電力をアーク溶接用の直流出力電力に変換し、出力端子ｏ１，ｏ２から出力する。 The output conversion circuit 14 includes a secondary side rectifier circuit DR2 and a DC reactor DCL. The secondary side rectifier circuit DR2 is composed of a full-wave rectifier circuit using a pair of diodes, the anodes of the respective diodes are respectively connected to both side terminals of the secondary side coil L2, and the cathodes of the respective diodes are both ends of the DC reactor DCL. It is connected to the. The other end of the DC reactor DCL is connected to the positive output terminal o1 of the power supply device 11. The negative output terminal o2 of the power supply device 11 is connected to the intermediate terminal of the secondary coil L2. Such an output conversion circuit 14 converts high-frequency AC power from the secondary coil L2 of the transformer INT into DC output power for arc welding, and outputs it from the output terminals o1 and o2.
電源装置１１には、ＣＰＵ等を含む制御回路２０が備えられている。制御回路２０には、電源装置１１の出力側電源線上に設置した電流検出器２１から出力電流Ｉｏに対応する検出信号Ｉｄと、使用者等により操作可能な出力電流設定器２２から出力電流目標値に対応する設定信号Ｉｒとがそれぞれ入力されている。制御回路２０は、入力された検出信号Ｉｄ及び設定信号Ｉｒから得られる出力電流Ｉｏの実値及びその目標値等を含む各種パラメータに基づき、その時々で適切な出力を行うための内部演算を行っている。そして、制御回路２０は、その内部演算に基づいてインバータ回路１３のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に対してスイッチング制御を実施する。 The power supply device 11 is provided with a control circuit 20 including a CPU and the like. The control circuit 20 includes a detection signal Id corresponding to the output current Io from the current detector 21 installed on the output-side power line of the power supply device 11, and an output current target value from the output current setting device 22 that can be operated by a user or the like. And a setting signal Ir corresponding to. Based on various parameters including the actual value of the output current Io obtained from the input detection signal Id and the setting signal Ir and its target value, the control circuit 20 performs an internal calculation for performing an appropriate output from time to time. ing. Then, the control circuit 20 performs switching control on the switching elements TR1 to TR4 of the inverter circuit 13 based on the internal calculation.
本実施形態のスイッチング制御としては、高〜中出力要求時においてはパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御が用いられ、低出力要求時においてはパルス密度変調（Pulse Density Modulation：ＰＤＭ）制御が用いられ、ＰＷＭ制御とＰＤＭ制御とが適宜切り替えられる。制御の切り替えについて本実施形態では、先ず制御回路２０のパルス幅設定部２０ａにて、出力電流Ｉｏの実値及び目標値等に基づきその時々で適切な制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍ（図２等参照）が算出され、次いでその算出されたオンパルス幅Ｗｍに基づいて制御切替部２０ｂにてＰＷＭ制御かＰＤＭ制御かの切り替えが行われる。 As the switching control of this embodiment, pulse width modulation (Pulse Width Modulation: PWM) control is used when high to medium output is required, and pulse density modulation (PDM) control is used when low output is required. The PWM control and the PDM control are appropriately switched. In this embodiment, first, in the pulse width setting unit 20a of the control circuit 20, based on the actual value and the target value of the output current Io, the on-pulse width Wm of the appropriate control pulse signals S1 to S4 (from time to time) Next, based on the calculated on-pulse width Wm, the control switching unit 20b switches between PWM control and PDM control.
次に、図２〜図４を用いて本実施形態の動作（作用）を説明する。
［高〜中出力要求時：ＰＷＭ制御］
インバータ回路１３（スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４）に出力する制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍの算出がなされ、その算出されたオンパルス幅Ｗｍが図２に示す最大幅Ｗｍｘから図３に示す最小幅Ｗｍ０の間にある場合、算出値がそのままオンパルス幅Ｗｍとして設定される。つまり、この高〜中出力要求時においては、オンパルス幅Ｗｍ（ＰＷＭデューティサイクル）が最大幅Ｗｍｘから最小幅Ｗｍ０の間で調整されるＰＷＭ制御により電源装置１１の出力が調整される。
Next, the operation (action) of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[When high to medium output is requested: PWM control]
The on-pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 output to the inverter circuit 13 (switching elements TR1 to TR4) is calculated, and the calculated on-pulse width Wm is changed from the maximum width Wmx shown in FIG. 2 to the minimum width shown in FIG. When it is between Wm0, the calculated value is set as the on-pulse width Wm as it is. In other words, when the high to medium output is requested, the output of the power supply device 11 is adjusted by PWM control in which the on-pulse width Wm (PWM duty cycle) is adjusted between the maximum width Wmx and the minimum width Wm0.
図２及び図３（後述する図４も同様）において、インバータ回路１３の出力端子ａ，ｂ間電圧をＶａｂ、スイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４を流れる電流をＩTR1,4 、スイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３を流れる電流をＩTR2,3 、スイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４に印加される電圧をＶTR1,4 、スイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３に印加される電圧をＶTR2,3 とする。制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍの長短に応じてインバータ回路１３の出力電圧Ｖａｂが変化することで、トランスＩＮＴの二次側で生成される電源装置１１の出力電力の調整がなされる。 2 and 3 (the same applies to FIG. 4 described later), the voltage between the output terminals a and b of the inverter circuit 13 is Vab, the current flowing through the switching elements TR1 and TR4 is ITR1,4 , and the current flows through the switching elements TR2 and TR3. It is assumed that the current is I TR2,3 , the voltage applied to the switching elements TR1, TR4 is V TR1,4 , and the voltage applied to the switching elements TR2, TR3 is V TR2,3 . The output voltage Vab of the inverter circuit 13 changes according to the length of the ON pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4, thereby adjusting the output power of the power supply device 11 generated on the secondary side of the transformer INT.
ところで、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍの最小幅Ｗｍ０は、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４が十分にオン可能な幅に設定されている。つまり、オンパルス幅Ｗｍが最小幅Ｗｍ０に設定されても、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオン動作が確実に行われるようになっている。 By the way, the minimum width Wm0 of the on-pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 is set to a width that allows the switching elements TR1 to TR4 to be sufficiently turned on. That is, even if the on-pulse width Wm is set to the minimum width Wm0, the switching elements TR1 to TR4 are reliably turned on.
これに対し、オンパルス幅Ｗｍが仮に最小幅Ｗｍ０より小さくなると、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオン動作が補償できなくなる。そのため、出力要求に応じたオンパルス幅Ｗｍの算出が最小幅Ｗｍ０より小さくなった場合、オンパルス幅Ｗｍを最小幅Ｗｍ０に固定し、そのオンパルスの密度を調整するＰＤＭ制御に移行する。換言すると、上記のＰＷＭ制御では毎周期でオン機会が与えられ、オンパルスの密度（ＰＤＭデューティサイクル）としては１００％、最大である。 On the other hand, if the on-pulse width Wm is smaller than the minimum width Wm0, the on-operation of the switching elements TR1 to TR4 cannot be compensated. For this reason, when the calculation of the on-pulse width Wm according to the output request becomes smaller than the minimum width Wm0, the on-pulse width Wm is fixed to the minimum width Wm0, and the process shifts to PDM control for adjusting the density of the on-pulse. In other words, in the above-described PWM control, an on opportunity is given every cycle, and the on-pulse density (PDM duty cycle) is 100%, which is the maximum.
［低出力要求時：ＰＤＭ制御］
算出されたオンパルス幅Ｗｍが最小幅Ｗｍ０より小さい算出値となった場合には、オンパルス幅Ｗｍは最小幅Ｗｍ０で固定し、そのオンパルスの密度が小さく設定される。つまり、この低出力要求時においては、最小幅Ｗｍ０のオンパルス数が調整されるＰＤＭ制御により電源装置１１の出力が調整される。
[When requesting low output: PDM control]
When the calculated on-pulse width Wm becomes a calculated value smaller than the minimum width Wm0, the on-pulse width Wm is fixed at the minimum width Wm0, and the density of the on-pulse is set small. That is, at the time of this low output request, the output of the power supply device 11 is adjusted by PDM control in which the number of on pulses of the minimum width Wm0 is adjusted.
具体的には、本実施形態では図４に示すように、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルスが１０個、即ちＰＷＭ制御周期ＴＷの１０周期分がＰＤＭ制御周期ＴＤの１周期とされ、各制御周期ＴＤ毎に先のオンパルス幅Ｗｍの算出値に応じて間引く数が決定される。算出されたオンパルス幅Ｗｍが最小幅Ｗｍ０より小さい内で、より小さくなるほど間引く数が多くなる。また不要となったオンパルスは、ＰＤＭ制御周期ＴＤの後端から順に間引かれて、オンパルスの密度が小さくされる。更に制御パルス信号Ｓ１，Ｓ４と制御パルス信号Ｓ２，Ｓ３とは、同様に間引かれる。因みに、同図４は、ＰＤＭデューティサイクルが５０％、ＰＤＭ制御の１周期の内で前半５個のオンパルス（最小幅Ｗｍ０で固定）はそのまま設定され、後半５個のオンパルスは間引かれて消失する。 Specifically, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, 10 control pulse signals S1 to S4 have 10 on-pulses, that is, 10 PWM control cycles TW are one cycle of the PDM control cycle TD. The number to be thinned out is determined according to the calculated value of the previous on-pulse width Wm for each period TD. Within the calculated on-pulse width Wm, which is smaller than the minimum width Wm0, the number to be thinned out increases as it becomes smaller. Further, the unnecessary on-pulses are thinned out in order from the rear end of the PDM control cycle TD, and the on-pulse density is reduced. Further, the control pulse signals S1, S4 and the control pulse signals S2, S3 are thinned out in the same manner. Incidentally, in FIG. 4, the PDM duty cycle is 50%, and the first five on-pulses (fixed at the minimum width Wm0) are set as they are within one period of PDM control, and the latter five on-pulses are thinned out and disappeared. To do.
ここで、本実施形態と背景技術との比較において、背景技術では、電源装置が最低出力となるまで制御パルス信号のオンパルス幅を幅狭に設定するため、オンパルス幅が極めて狭くなった場合にインバータ回路のスイッチング素子がオンできず、またインバータ回路（ブリッジ回路）の上下アームのスイッチング素子のいずれがオンできないかが不明である。つまり、スイッチング素子が不意にオンできない（制御不能）ため、スイッチング素子を介したトランスへの電力伝達の極性のバランスが崩れ、トランスにて偏磁が発生する。 Here, in the comparison between the present embodiment and the background art, in the background art, the on-pulse width of the control pulse signal is set to be narrow until the power supply device reaches the minimum output. It is unclear which switching element of the circuit cannot be turned on and which of the switching elements of the upper and lower arms of the inverter circuit (bridge circuit) cannot be turned on. That is, since the switching element cannot be turned on unexpectedly (uncontrollable), the balance of the polarity of power transmission to the transformer via the switching element is lost, and the magnetism is generated in the transformer.
これに対し、本実施形態のＰＤＭ制御では、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルスの間引きは制御回路２０で行うため、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４がオンしないのは制御によるもので不意ではない。因みに本実施形態では、制御パルス信号Ｓ１，Ｓ４と制御パルス信号Ｓ２，Ｓ３とが同様に間引かれている。そのため、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４をオンさせない期間が生じても、トランスＩＮＴでの偏磁の発生は極力抑えられる。 On the other hand, in the PDM control of this embodiment, since the control circuit 20 thins out the ON pulses of the control pulse signals S1 to S4, it is not unexpected that the switching elements TR1 to TR4 are not turned on. Incidentally, in this embodiment, the control pulse signals S1 and S4 and the control pulse signals S2 and S3 are thinned out in the same manner. For this reason, even when there is a period during which the switching elements TR1 to TR4 are not turned on, the occurrence of magnetic bias in the transformer INT is suppressed as much as possible.
このようにして、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍの算出値として最小幅Ｗｍ０より小さい値となる低出力要求がなされた場合であっても、オンパルス幅Ｗｍをその最小幅Ｗｍ０で固定としてスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４の安定駆動を実現しつつ、またオンパルス幅Ｗｍを出力要求に応じた算出値よりも最小幅Ｗｍ０として幅広とした分、オンパルス自体を適宜間引いてオンパルスの密度を小さくすることで、電源装置１１としては最低出力まで出力要求に応じた安定した低出力が可能である。 In this way, even when a low output request is made that is smaller than the minimum width Wm0 as the calculated value of the on-pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4, the on-pulse width Wm is fixed at the minimum width Wm0. By realizing the stable driving of the switching elements TR1 to TR4 and reducing the on-pulse density by thinning the on-pulse itself as appropriate, the on-pulse width Wm is made wider as the minimum width Wm0 than the calculated value according to the output request. The power supply device 11 is capable of stable low output according to the output request up to the minimum output.
因みに図４に示すように、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４の個々のオンパルスに対するインバータ回路１３の出力電圧Ｖａｂは、ＰＷＭ−ＰＤＭ制御臨界時の図３と同様であるが、そこからオンパルスを間引いた分、出力電圧Ｖａｂの平均電圧は低下する。そのため、トランスＩＮＴの二次側で生成される電源装置１１の出力電力も低出力となる。 Incidentally, as shown in FIG. 4, the output voltage Vab of the inverter circuit 13 with respect to the individual on pulses of the control pulse signals S1 to S4 is the same as that in FIG. 3 at the time of the PWM-PDM control critical, but the amount obtained by thinning the on pulse from there. The average voltage of the output voltage Vab decreases. Therefore, the output power of the power supply device 11 generated on the secondary side of the transformer INT is also low output.
次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）所定出力要求より高出力側では、インバータ回路１３のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に出力する制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍを調整するＰＷＭ制御が行われる。これに対し、所定出力要求よりも低出力側では、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍをスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４が十分オン可能な所定幅（最小幅Ｗｍ０）としその制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルスの密度を調整するＰＤＭ制御に切り替えられる。つまり、低出力要求時において、仮にＰＷＭ制御を実施するとスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４がオンできないオンパルス幅Ｗｍに設定する所を、ＰＤＭ制御に切り替えて実施することで、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅Ｗｍは十分オン可能な所定幅（最小幅Ｗｍ０）として確保され、また低出力要求に対しては、オンパルス自体を間引いてオンパルスの密度を調整することで行われる。これにより、低出力要求に応えつつも、インバータ回路１３のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４の安定駆動を実現することができる。
Next, characteristic effects of the present embodiment will be described.
(1) On the higher output side than the predetermined output request, PWM control for adjusting the on-pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 output to the switching elements TR1 to TR4 of the inverter circuit 13 is performed. On the other hand, on the lower output side than the predetermined output request, the on pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 is set to a predetermined width (minimum width Wm0) in which the switching elements TR1 to TR4 can be sufficiently turned on. Can be switched to PDM control for adjusting the density of on-pulses. That is, at the time of a low output request, the on-pulse width Wm of the switching elements TR1 to TR4 is set by switching to the PDM control where the on-pulse width Wm is set so that the switching elements TR1 to TR4 cannot be turned on if PWM control is performed. Is secured as a predetermined width (minimum width Wm0) that can be sufficiently turned on, and for low output requirements, the on-pulse density is adjusted by thinning out the on-pulse itself. Thereby, the stable drive of switching element TR1-TR4 of the inverter circuit 13 is realizable, responding to a low output request | requirement.
特に本実施形態のようなアーク溶接用電源装置１１の場合、インバータ回路１３のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４の安定駆動は溶接性能を大きく左右し、またトランスＩＮＴを用いる場合では偏磁要因となることから、本実施形態のようなアーク溶接用電源装置１１への適用の意義は大きい。 In particular, in the case of the arc welding power supply device 11 as in the present embodiment, the stable driving of the switching elements TR1 to TR4 of the inverter circuit 13 greatly affects the welding performance, and becomes a factor of demagnetization when the transformer INT is used. The significance of application to the power supply apparatus 11 for arc welding as in this embodiment is significant.
（２）ＰＷＭ制御にて、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍが最大幅Ｗｍｘからスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４が十分オン可能な最小幅Ｗｍ０まで行われ、それ以下の低出力要求時にはＰＤＭ制御に切り替わり、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍがその最小幅Ｗｍ０にて固定されつつ、オンパルスの密度が調整される。つまり、制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍがスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオン可能な最小幅Ｗｍ０となるまでの広い範囲で制御周期（ＴＷ）の細かなＰＷＭ制御が実施されるため、出力安定化に寄与する。また、ＰＷＭ制御とＰＤＭ制御との切り替わり時にオンパルス幅Ｗｍが最小幅Ｗｍ０にて継承されることで、制御切り替わり時の出力安定化にも寄与する。 (2) In the PWM control, the ON pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 is performed from the maximum width Wmx to the minimum width Wm0 where the switching elements TR1 to TR4 can be sufficiently turned on. The on-pulse density is adjusted while the on-pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 is fixed at the minimum width Wm0. That is, since the PWM control with a fine control cycle (TW) is performed in a wide range until the ON pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 becomes the minimum width Wm0 that can be turned ON of the switching elements TR1 to TR4, the output stability is improved. Contributes to Further, when the PWM control and the PDM control are switched, the on-pulse width Wm is inherited with the minimum width Wm0, which contributes to the stabilization of the output when the control is switched.
（３）ＰＤＭ制御において、ＰＷＭ制御周期ＴＷの一定周期分がＰＤＭ制御周期ＴＤとされ、そのＰＤＭ制御周期ＴＤ中のいずれかのオンパルスが間引かれてオンパルスの密度の調整が行われる。つまり、このＰＤＭ制御は、ＰＤＭ制御周期ＴＤがＰＷＭ制御周期ＴＷの一定周期分で行われるため、制御の簡略化に寄与する。 (3) In the PDM control, a fixed period of the PWM control period TW is set as the PDM control period TD, and any on-pulses in the PDM control period TD are thinned out to adjust the density of the on-pulses. That is, this PDM control contributes to simplification of control because the PDM control cycle TD is performed at a constant cycle of the PWM control cycle TW.
（４）ＰＤＭ制御において、ＰＤＭ制御周期ＴＤの後端側からオンパルスが順に間引かれてオンパルスの密度が調整される。つまり、ＰＤＭ制御周期ＴＤの後端側から単純にオンパルスが間引かれるため、このことでも制御の簡略化に寄与できる。 (4) In the PDM control, the on-pulse density is adjusted by thinning out the on-pulse in order from the rear end side of the PDM control cycle TD. That is, since the on-pulse is simply thinned out from the rear end side of the PDM control cycle TD, this can also contribute to the simplification of the control.
尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・ＰＤＭ制御周期ＴＤをＰＷＭ制御周期ＴＷの１０周期で一定に設定したが、ＰＷＭ制御周期ＴＷの周期数はこれに限らず、他の周期数に設定してもよい。また、ＰＷＭ制御周期ＴＷの所定周期一定とせず、その時々でＰＷＭ制御周期ＴＷの周期数を変更してもよい。
In addition, you may change the said embodiment as follows.
Although the PDM control cycle TD is set to be constant at 10 cycles of the PWM control cycle TW, the number of cycles of the PWM control cycle TW is not limited to this, and may be set to other cycle numbers. Further, the predetermined number of PWM control cycles TW may not be constant, and the number of cycles of the PWM control cycle TW may be changed from time to time.
・ＰＤＭ制御周期ＴＤの後端から順にオンパルスを間引いたが、前端から順に間引いてもよく、適当な箇所から間引くようにしてもよい。この場合、オンパルス間の間隔が同様となるように（オンパルス間の間隔の差が小さくなるように）間引いてもよい。 The on-pulse is thinned out sequentially from the rear end of the PDM control cycle TD, but it may be thinned out sequentially from the front end or may be thinned out from an appropriate place. In this case, thinning may be performed so that the interval between on-pulses is the same (so that the difference in the interval between on-pulses is small).
・制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍの算出が最小幅Ｗｍ０となるのを境にしてＰＷＭ制御とＰＤＭ制御との切り替えを行い、ＰＤＭ制御ではその最小幅Ｗｍ０を用いたが、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンが可能であれば、最小幅Ｗｍ０以外の所定幅を用いてもよい。また、ＰＷＭ制御とＰＤＭ制御とでオンパルス幅Ｗｍを継承させなくてもよく、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンが可能であればＰＤＭ制御において独自にオンパルス幅Ｗｍを設定してもよい。 Switching between PWM control and PDM control is performed on the boundary that the calculation of the on-pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 reaches the minimum width Wm0. In the PDM control, the minimum width Wm0 is used, but the switching element TR1 As long as .about.TR4 can be turned on, a predetermined width other than the minimum width Wm0 may be used. Further, the on-pulse width Wm may not be inherited by the PWM control and the PDM control, and the on-pulse width Wm may be set uniquely in the PDM control if the switching elements TR1 to TR4 can be turned on.
・出力要求としての制御パルス信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅Ｗｍの算出値の大小に基づいて制御を切り替えるのではなく、電流検出器２１にて検出される出力電流Ｉｏ等の実出力値の大小や、出力電流設定器２２による出力電流目標値等の出力目標値の大小に基づいて制御を切り替えるようにしてもよい。 The control is not switched based on the magnitude of the calculated value of the on-pulse width Wm of the control pulse signals S1 to S4 as the output request, but the magnitude of the actual output value such as the output current Io detected by the current detector 21 The control may be switched based on the output target value such as the output current target value by the output current setting unit 22.
・電源装置１１はアーク溶接用電源装置であったが、アーク溶接以外のアーク加工用電源装置や、これ以外の他の電源装置であってもよい。
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。
The power supply device 11 is a power supply device for arc welding, but may be a power supply device for arc processing other than arc welding or other power supply devices.
Next, a technical idea that can be grasped from the above embodiment and another example will be added below.
（イ）電源装置の出力電力の生成過程において、スイッチング素子のオンオフ動作により直流電力から高周波交流電力への電力変換を行うフルブリッジ回路構成のインバータ回路に対し、前記スイッチング素子に制御パルス信号を出力してそのスイッチング素子のオンオフ動作を制御し、前記出力電力の制御を行う電源装置の制御方法であって、
前記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ＰＷＭ制御と、前記制御パルス信号のオンパルス幅をスイッチング素子が十分オン可能な所定幅としその制御パルス信号のオンパルスの密度を調整するＰＤＭ制御との制御が実施可能であり、所定出力要求より高出力側ではＰＷＭ制御を実施し、所定出力要求よりも低出力側ではＰＤＭ制御に切り替わって実施するようにしたことを特徴とする電源装置の制御方法。
(A) In the process of generating output power of the power supply device, a control pulse signal is output to the switching element for an inverter circuit having a full bridge circuit configuration that performs power conversion from DC power to high-frequency AC power by ON / OFF operation of the switching element. And controlling the on / off operation of the switching element to control the output power.
PWM control for adjusting the on-pulse width of the control pulse signal output to the switching element, and PDM control for adjusting the on-pulse density of the control pulse signal by setting the on-pulse width of the control pulse signal to a predetermined width that allows the switching element to be sufficiently turned on. The power supply apparatus is characterized in that PWM control is performed on the higher output side than the predetermined output request and is switched to PDM control on the lower output side than the predetermined output request. Control method.
１１ アーク溶接用電源装置（電源装置、アーク加工用電源装置）
１３ インバータ回路
２０ 制御回路
２０ｂ 制御切替部
Ｓ１〜Ｓ４ 制御パルス信号
ＴＤ ＰＤＭ制御周期
ＴＷ ＰＷＭ制御周期
ＴＲ１〜ＴＲ４ 第１〜第４スイッチング素子
Ｗｍ オンパルス幅
Ｗｍ０ 最小幅（所定幅）
Ｗｍｘ 最大幅
11 Power supply device for arc welding (power supply device, power supply device for arc machining)
13 Inverter circuit 20 Control circuit 20b Control switching unit S1-S4 Control pulse signal TD PDM control cycle TW PWM control cycle TR1-TR4 First to fourth switching elements Wm On-pulse width Wm0 Minimum width (predetermined width)
Wmx maximum width
Claims (3)
前記スイッチング素子に制御パルス信号を出力してそのスイッチング素子のオンオフ動作を制御し、前記出力電力の制御を行う制御回路と
を備え、アーク加工用の直流出力電力を生成するように構成された電源装置であって、
前記インバータ回路は、第１上アームに第１スイッチング素子が、第１下アームに第３スイッチング素子が、第２上アームに第２スイッチング素子が、第２下アームに第４スイッチング素子がそれぞれ配置されており、前記第１及び第４スイッチング素子が組となり、第２及び第３スイッチング素子が組となって、各組が交互にスイッチング動作することで、直流電力を高周波交流電力に変換し、
前記制御回路は、前記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ＰＷＭ制御と、前記制御パルス信号のオンパルス幅をスイッチング素子が十分オン可能な所定幅としその制御パルス信号のオンパルスの密度を調整するＰＤＭ制御とが実施可能に構成され、
前記制御回路の制御において、所定出力要求より高出力側では前記ＰＷＭ制御を行わせ、所定出力要求よりも低出力側では前記ＰＤＭ制御に切り替える制御切替部を備え、
前記ＰＤＭ制御は、前記ＰＷＭ制御周期の一定周期分をＰＤＭ制御周期とし、そのＰＤＭ制御周期中のいずれかのオンパルスを間引いてオンパルスの密度を調整し、前記オンパルスを間引くにあたっては、前記第１スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子に出力する制御パルス信号と、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子に出力する制御パルス信号とを同様に間引く
ことを特徴とするアーク加工用電源装置。 In the process of generating output power of the power supply device, an inverter circuit having a full bridge circuit configuration that performs power conversion from direct current power to high frequency alternating current power by an on / off operation of the switching element;
A control circuit that outputs a control pulse signal to the switching element to control the on / off operation of the switching element and controls the output power, and is configured to generate DC output power for arc machining A device,
The inverter circuit includes a first switching element to the first upper arm, a third scan Lee switching element to the first lower arm, the second switching element to the second upper arm, the fourth switching element is in the second lower arm The first and fourth switching elements are arranged as a set, the second and third switching elements are set as a set, and each set alternately performs a switching operation to convert DC power into high-frequency AC power. And
The control circuit includes a PWM control for adjusting an on-pulse width of a control pulse signal output to the switching element, and an on-pulse density of the control pulse signal by setting the on-pulse width of the control pulse signal to a predetermined width that allows the switching element to be sufficiently turned on. PDM control to adjust the
In the control of the control circuit, a control switching unit that performs the PWM control on a higher output side than a predetermined output request and switches to the PDM control on a lower output side than the predetermined output request,
In the PDM control, a constant period of the PWM control period is set as a PDM control period, and any on-pulses in the PDM control period are thinned out to adjust the density of the on-pulses. A power supply apparatus for arc machining, wherein the control pulse signal output to the element and the fourth switching element and the control pulse signal output to the second switching element and the third switching element are similarly thinned out.
前記制御切替部は、前記制御パルス信号のオンパルス幅が最大幅から前記スイッチング素子が十分オン可能な最小幅まで前記ＰＷＭ制御を行わせ、それ以下の低出力要求時には前記制御パルス信号のオンパルス幅を最小幅で固定としつつそのオンパルスの密度を調整する前記ＰＤＭ制御に切り替えることを特徴とするアーク加工用電源装置。 In the arc machining power supply device according to claim 1,
The control switching unit causes the PWM control to be performed from a maximum width of the on-pulse width of the control pulse signal to a minimum width at which the switching element can be sufficiently turned on. Switching to the PDM control that adjusts the density of the on-pulse while fixing at a minimum width, an arc machining power supply device,
前記ＰＤＭ制御は、前記ＰＤＭ制御周期の後端側からオンパルスを順に間引いてオンパルスの密度を調整することを特徴とするアーク加工用電源装置。 In the power supply device for arc machining according to claim 1 or 2 ,
The PDM control, arc machining power supply apparatus characterized by adjusting the density of the on-pulse thinning out on pulse from the rear end side of the PDM control cycle in order.
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