JP6211373B2 - 交流溶接用電源装置及び交流溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、溶接用の交流電流を生成する交流溶接用電源装置及び交流溶接機に関する。

交流溶接機は、交流の負荷電流に基づいて溶接を行うもので、入熱の関係でアルミ材料や薄板等の溶接に向くとされている。交流溶接機としては、例えば特許文献１や特許文献２に示されるように、トランスの二次側で生じる交流電流をサイリスタの導通位相制御により制御し、負荷電流の調整が行われている。

特開昭６３−５８７７号公報 特開昭６３−７４２９号公報

ところで、特許文献１，２に示すような交流溶接機では、一般にトランスの一次側に商用交流電源が用いられるため、二次側のサイリスタの制御周期はその商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）となる。そのため、負荷電流の緻密な調整が行えず、溶接品質の更なる向上を目指す上での障害となる。因みに、サイリスタの制御周期が商用周波数であることから、負荷電流の安定化のためにトランスの二次側に用いるリアクトルにも大型なものが必要であった。

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、交流負荷電流を緻密に制御して、溶接品質の更なる向上を図ることができる交流溶接用電源装置及び交流溶接機を提供することにある。

上記課題を解決する交流溶接用電源装置は、直流電力を受けて溶接負荷に適した交流負荷電流を生成する交流変換部と、前記交流変換部を制御して前記交流負荷電流の制御を行う制御回路とを備えた交流溶接用電源装置であって、前記交流変換部は、スイッチング素子及びリアクトルが用いられてプラス側の前記交流負荷電流の生成とその大小調整とが可能に構成された第１チョッパ回路部と、スイッチング素子及びリアクトルが用いられてマイナス側の前記交流負荷電流の生成とその大小調整とが可能に構成された第２チョッパ回路部とを備え、前記制御回路の制御により前記第１及び第２チョッパ回路部を交互に動作させて異なる極性の前記交流負荷電流を生成すると共に前記各スイッチング素子のチョッパ制御にて各極性の負荷電流の大小調整がなされるように構成されており、前記第１及び第２チョッパ回路部は、各リアクトル間を共通鉄心にて磁気的に結合すると共に各リアクトルを含む一方で負荷を含まない還流経路を形成可能な還流部を備え、前記交流負荷電流の極性の切り替え前の所定期間に前記制御回路の制御により前記還流部を機能させ、次の極性の負荷電流の生成に寄与する還流電流を生じさせると共に次の極性の負荷電流の生成に寄与するリアクトルに対して電磁エネルギーが移送されるように構成される。

この構成によれば、溶接用の交流負荷電流を生成する電源装置の交流変換部では、交流負荷電流のプラス側を生成する第１チョッパ回路部とそのマイナス側を生成する第２チョッパ回路部とが備えられ、各チョッパ回路部のスイッチング素子に対するチョッパ制御にて負荷電流の大小調整が行われる。チョッパ制御の制御周波数は一般に商用周波数よりも十分に高い高周波が用いられることから、各極性の負荷電流の調整が各チョッパ回路部毎で緻密に行われ、溶接品質の更なる向上に寄与できる。また、チョッパ制御の制御周波数が高周波であることから、各チョッパ回路部に備えられるリアクトルが小型のもので構成できる。

この構成によれば、第１及び第２チョッパ回路部には、各リアクトルを含む一方で負荷を含まない還流経路を形成可能な還流部が備えられ、交流負荷電流の極性の切り替え前の所定期間にその還流部が機能するように切り替えられる。つまり、還流部が機能するようになると負荷への電流供給が停止するため、負荷電流が急減する。加えて、還流部に生じる還流電流は次の極性の負荷電流の生成に寄与する電流となると共に次の極性の負荷電流の生成に寄与するリアクトルに対して電磁エネルギーが共通鉄心を通じて移送されるため、負荷電流の次の極性への切り替えが円滑で速やかに行われる。このことでも、溶接品質の更なる向上に寄与できる。

また上記課題を解決する交流溶接機は、上記の交流溶接用電源装置を備え、前記交流溶接用電源装置にて生成された交流負荷電流にて溶接を行うように構成される。
この構成によれば、交流負荷電流の調整が緻密に行われる上記の交流溶接用電源装置が備えられることから、溶接品質の高い交流溶接機として提供できる。

本発明の交流溶接用電源装置及び交流溶接機によれば、交流負荷電流を緻密に制御でき、溶接品質の更なる向上を図ることができる。

（ａ）は、一実施形態における交流溶接用電源装置（交流溶接機）の構成図であり、（ｂ）は、一部構成を変更した変形例の構成図である。 同形態の交流溶接用電源装置の制御態様を説明するための波形図である。

以下、交流溶接用電源装置及び交流溶接機の一実施形態について説明する。
図１（ａ）に示すように、負荷Ｘが溶接負荷である交流溶接機１０には、その時々の負荷Ｘの状況に応じた交流負荷電流の生成を行う交流溶接用の電源装置１１が用いられる。

電源装置１１にはトランスＴが備えられており、トランスＴの一次側コイルＴａには商用交流電源１２が接続され、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの単相交流電力が供給される。トランスＴの二次側には、その一次側交流電力を受けて生じる二次側交流電力を直流電力に一旦変換する直流変換部１３と、変換されたその直流電力を受けて負荷Ｘに適した交流負荷電流を生成する交流変換部１４と備えている。

直流変換部１３は、２個のダイオードＤＲ１，ＤＲ２と平滑コンデンサＣとを備えている。ダイオードＤＲ１，ＤＲ２の各カソードは、トランスＴの二次側コイルＴｂの一端と他端とにそれぞれ接続され、両アノードは共に平滑コンデンサＣのマイナス側端子に接続されている。平滑コンデンサＣのプラス側端子は、二次側コイルＴｂのセンタータップに接続されている。つまり、二次側コイルＴｂにて生じる二次側交流電力は、ダイオードＤＲ１，ＤＲ２にて全波整流され平滑コンデンサＣにて平滑化されて、直流電力に変換される。

交流変換部１４は、第１及び第２チョッパ回路部１４Ａ，１４Ｂを備えている。
第１チョッパ回路部１４Ａは、ＩＧＢＴ等よりなるスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、ダイオードＤＲ３，ＤＲ４、及びリアクトルＬ１を備えている。スイッチング素子ＴＲ１のコレクタは平滑コンデンサＣのプラス側端子に接続され、エミッタはリアクトルＬ１を介して負荷Ｘの第１端子に接続されている。スイッチング素子ＴＲ１にはダイオードＤ１が逆接続されている。スイッチング素子ＴＲ２のコレクタは負荷Ｘの第２端子に接続され、エミッタは順方向のダイオードＤＲ３を介して平滑コンデンサＣのマイナス側端子に接続されている。スイッチング素子ＴＲ２にはダイオードＤ２が逆接続されている。また、スイッチング素子ＴＲ１とリアクトルＬ１との間のノードＮ１と、スイッチング素子ＴＲ２とダイオードＤＲ３との間のノードＮ２とにはダイオードＤＲ４が接続され、カソードがノードＮ１に、アノードがノードＮ２に接続されている。即ち、この第１チョッパ回路部１４Ａは、降圧型チョッパ回路にて構成されている。

第２チョッパ回路部１４Ｂは、ＩＧＢＴ等よりなるスイッチング素子ＴＲ３，ＴＲ４、ダイオードＤ３，Ｄ４、ダイオードＤＲ５，ＤＲ６、及びリアクトルＬ２を備えている。スイッチング素子ＴＲ４のコレクタは平滑コンデンサＣのプラス側端子に接続され、エミッタはリアクトルＬ２を介して負荷Ｘの第２端子に接続されている。スイッチング素子ＴＲ４にはダイオードＤ４が逆接続されている。スイッチング素子ＴＲ３のコレクタは負荷Ｘの第１端子に接続され、エミッタは順方向のダイオードＤＲ５を介して平滑コンデンサＣのマイナス側端子に接続されている。スイッチング素子ＴＲ３にはダイオードＤ３が逆接続されている。また、スイッチング素子ＴＲ４とリアクトルＬ２との間のノードＮ３と、スイッチング素子ＴＲ３とダイオードＤＲ５との間のノードＮ４とにはダイオードＤＲ６が接続され、カソードがノードＮ３に、アノードがノードＮ４に接続されている。即ち、この第２チョッパ回路部１４Ｂは、第１チョッパ回路部１４Ａと同一の降圧型チョッパ回路にて構成されるが、負荷Ｘに対する接続が逆となっている。

また、第１及び第２チョッパ回路部１４Ａ，１４Ｂの各リアクトルＬ１，Ｌ２には共通鉄心Ｌａが用いられ、リアクトルＬ１，Ｌ２間の磁気的な結合が図られている。そして、このような第１及び第２チョッパ回路部１４Ａ，１４Ｂの各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４は、制御回路１５によるＰＷＭ制御にてそのオンオフ動作が制御される。因みに、このＰＷＭ制御のスイッチング周波数は、例えば２０ｋＨｚ程度に設定されている。制御回路１５は、電流検出器１６により検出した負荷電流（出力電流）と、設定器１７による設定電流（目標電流）との偏差等に基づいて、その時々で適切な電流生成がなされるように制御している。

図２において本実施形態の制御態様の一例を示すように、第１チョッパ回路部１４Ａのスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ２が対で動作され、第２チョッパ回路部１４Ｂのスイッチング素子ＴＲ３，ＴＲ４が対で動作され、スイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ２の組とスイッチング素子ＴＲ３，ＴＲ４との組とが交互に動作されている。つまり、交流負荷電流（交流出力電流）の生成において、第１チョッパ回路部１４Ａのスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ２が負荷電流のプラス側を生成し、第２チョッパ回路部１４Ｂのスイッチング素子ＴＲ３，ＴＲ４が負荷電流のマイナス側を生成している。

時刻ｔ１−ｔ３間は、第１チョッパ回路部１４Ａのスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ２が対で動作され、負荷電流のプラス側が生成される期間である。同期間では、スイッチング素子ＴＲ２はオン状態に維持され、スイッチング素子ＴＲ１はＰＷＭ制御のデューティに基づいてスイッチング（チョッパ動作）される。スイッチング素子ＴＲ１がオンの時には、直流変換部１３（平滑コンデンサＣ）からスイッチング素子ＴＲ１→リアクトルＬ１→負荷Ｘ→スイッチング素子ＴＲ２→ダイオードＤＲ３→直流変換部１３の経路で電流が流れる。スイッチング素子ＴＲ１がオフの時には、オンの時にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギーに基づいて、リアクトルＬ１→負荷Ｘ→スイッチング素子ＴＲ２→ダイオードＤＲ４→リアクトルＬ１の経路で電流が流れる。つまり、スイッチング素子ＴＲ１のオン期間が長くなるほど負荷電流はプラス側に大きくなり、スイッチング素子ＴＲ１のオン期間（デューティ）の長短により、プラス側の負荷電流の大小調整がなされる。

また、時刻ｔ３以降は負荷電流のマイナス側の生成が行われるが、負荷電流の極性が反転するその時刻ｔ３の手前の時刻ｔ２において、第２チョッパ回路部１４Ｂのスイッチング素子ＴＲ３が先にオン状態に切り替わる。つまり、スイッチング素子ＴＲ１がオフ、スイッチング素子ＴＲ２がオンしている状態で、スイッチング素子ＴＲ３がオンとなる。すると、リアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギーに基づいて、リアクトルＬ１→スイッチング素子ＴＲ３→ダイオードＤＲ６→リアクトルＬ２→スイッチング素子ＴＲ２→ダイオードＤＲ４→リアクトルＬ１の経路で電流が還流する。結果、負荷Ｘへの電流供給が停止するため、プラス側の負荷電流は急減する。また、共通鉄心Ｌａを通じてリアクトルＬ１からリアクトルＬ２に電磁エネルギーの移送が行われてリアクトルＬ２に電流が生じるため、このリアクトルＬ２に蓄積される電磁エネルギーにて生じる電流（還流電流）は、次のマイナス側の負荷電流の生成に利用される。結果、次のマイナス側の負荷電流の立ち上がりが急峻となるため、負荷電流のマイナス側への極性の切り替わりが円滑で速やかに行われるようになる。

時刻ｔ３−ｔ５間は、時刻ｔ１−ｔ３間と基本的には同様に動作する。時刻ｔ３−ｔ５間は、第２チョッパ回路部１４Ｂのスイッチング素子ＴＲ３，ＴＲ４が対で動作され、負荷電流のマイナス側が生成される期間である。同期間では、スイッチング素子ＴＲ３はオン状態に維持され、スイッチング素子ＴＲ４はＰＷＭ制御のデューティに基づいてスイッチング（チョッパ動作）される。スイッチング素子ＴＲ４がオンの時には、直流変換部１３（平滑コンデンサＣ）からスイッチング素子ＴＲ４→リアクトルＬ２→負荷Ｘ→スイッチング素子ＴＲ３→ダイオードＤＲ５→直流変換部１３の経路で電流が流れる。スイッチング素子ＴＲ４がオフの時には、オンの時にリアクトルＬ２に蓄積された電磁エネルギーに基づいて、リアクトルＬ２→負荷Ｘ→スイッチング素子ＴＲ３→ダイオードＤＲ６→リアクトルＬ２の経路で電流が流れる。つまり、スイッチング素子ＴＲ４のオン期間が長くなるほど負荷電流はマイナス側に大きくなり、スイッチング素子ＴＲ４のオン期間（デューティ）の長短により、マイナス側の負荷電流の大小調整がなされる。

また、時刻ｔ５以降は負荷電流のプラス側の生成に再び切り替わるが、負荷電流の極性が反転するその時刻ｔ５の手前の時刻ｔ４において、第１チョッパ回路部１４Ａのスイッチング素子ＴＲ２が先にオン状態に切り替わる。つまり、スイッチング素子ＴＲ４がオフ、スイッチング素子ＴＲ３がオンしている状態で、スイッチング素子ＴＲ２がオンとなる。すると、リアクトルＬ２に蓄積された電磁エネルギーに基づいて、リアクトルＬ２→スイッチング素子ＴＲ２→ダイオードＤＲ４→リアクトルＬ１→スイッチング素子ＴＲ３→ダイオードＤＲ６→リアクトルＬ２の経路で電流が還流する。結果、負荷Ｘへの電流供給が停止するため、マイナス側の負荷電流は急減する。また、共通鉄心Ｌａを通じてリアクトルＬ２からリアクトルＬ１に電磁エネルギーの移送が行われてリアクトルＬ１に電流が生じるため、このリアクトルＬ１に蓄積される電磁エネルギーにて生じる電流（還流電流）は、次のプラス側の負荷電流の生成に利用される。結果、次のプラス側の負荷電流の立ち上がりが急峻となるため、負荷電流のプラス側への極性の切り替わりが円滑で速やかに行われるようになる。

このように本実施形態では、第１チョッパ回路部１４Ａにて負荷電流のプラス側を、第２チョッパ回路部１４Ｂにて負荷電流のマイナス側を生成し、各チョッパ回路部１４Ａ，１４Ｂではそれぞれ制御周波数の高いＰＷＭ制御（チョッパ制御）が行われるため、交流負荷電流の緻密な制御が可能であり、溶接品質の向上が可能である。また、リアクトルＬ１，Ｌ２、スイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３、ダイオードＤＲ４，ＤＲ６にて構成される還流部１４Ｃの動作にて負荷電流の極性切り替えが円滑かつ速やかに行われることからも、溶接品質の向上が可能となっている。

尚、上記構成では、交流電源１２、トランスＴ及び直流変換部１３にて直流電力を得ているが、図１（ｂ）に示すように、バッテリＢＴから直流電力を得る構成としても同様である。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）溶接用の交流負荷電流を生成する電源装置１１の交流変換部１４では、交流負荷電流のプラス側を生成する第１チョッパ回路部１４Ａとそのマイナス側を生成する第２チョッパ回路部１４Ｂとが備えられ、各チョッパ回路部１４Ａ，１４Ｂのスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４に対するチョッパ制御にて負荷電流の大小調整が行われる。チョッパ制御の制御周波数は一般に商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）よりも十分に高い高周波（例えば２０ｋＨｚ）が用いられることから、各極性の負荷電流の調整が各チョッパ回路部１４Ａ，１４Ｂ毎で緻密に行われ、溶接品質の更なる向上に寄与することができる。また、チョッパ制御の制御周波数が高周波であることから、各チョッパ回路部１４Ａ，１４Ｂに備えられるリアクトルＬ１，Ｌ２が小型のもので構成することができる。

（２）第１及び第２チョッパ回路部１４Ａ，１４Ｂには、各リアクトルＬ１，Ｌ２を含む一方で負荷Ｘを含まない還流経路を形成可能な還流部１４Ｃが備えられ、交流負荷電流の極性の切り替え前の所定期間（時刻ｔ２−ｔ３と時刻ｔ４−ｔ５の各期間）にその還流部１４Ｃが機能するように切り替えられる。つまり、還流部１４Ｃが機能するようになると負荷Ｘへの電流供給が停止するため、負荷電流が急減する。加えて、還流部１４Ｃに生じる還流電流は次の極性の負荷電流の生成に寄与する電流となると共に次の極性の負荷電流の生成に寄与するリアクトルＬ１，Ｌ２に対して電磁エネルギーが共通鉄心Ｌａを通じて移送されるため、負荷電流の次の極性への切り替えが円滑で速やかに行うことができる。このことでも、溶接品質の更なる向上に寄与することができる。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・還流部１４ＣをリアクトルＬ１，Ｌ２、スイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３、ダイオードＤＲ４，ＤＲ６にて構成する上記実施形態では、チョッパ動作で必要な素子を極力利用して合理的な構成となっているが、これ以外の回路構成を採用してもよい。

・スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４はＩＧＢＴ以外の半導体スイッチング素子を用いてもよい。
・スイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３をスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４に同期してオンオフさせてもよい。この場合、交流負荷電流の極性の切り替え前の時刻ｔ２−ｔ３と時刻ｔ４−ｔ５の各期間においては、スイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３を同時にオンさせて還流部１４Ｃを機能させるようにする。また、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に対してＰＷＭ制御以外のチョッパ制御（スイッチング制御）を用いてもよい。

１０ 交流溶接機
１１ 電源装置（交流溶接用電源装置）
１４ 交流変換部
１４Ａ 第１チョッパ回路部
１４Ｂ 第２チョッパ回路部
１４Ｃ 還流部
１５ 制御回路
Ｔ トランス
Ｘ 負荷
Ｌ１ リアクトル
Ｌ２ リアクトル
Ｌａ 共通鉄心
ＴＲ１ スイッチング素子
ＴＲ２ スイッチング素子
ＴＲ３ スイッチング素子
ＴＲ４ スイッチング素子

Claims (2)

1. 直流電力を受けて溶接負荷に適した交流負荷電流を生成する交流変換部と、前記交流変換部を制御して前記交流負荷電流の制御を行う制御回路とを備えた交流溶接用電源装置であって、
   前記交流変換部は、スイッチング素子及びリアクトルが用いられてプラス側の前記交流負荷電流の生成とその大小調整とが可能に構成された第１チョッパ回路部と、スイッチング素子及びリアクトルが用いられてマイナス側の前記交流負荷電流の生成とその大小調整とが可能に構成された第２チョッパ回路部とを備え、前記制御回路の制御により前記第１及び第２チョッパ回路部を交互に動作させて異なる極性の前記交流負荷電流を生成すると共に前記各スイッチング素子のチョッパ制御にて各極性の負荷電流の大小調整がなされるように構成されており、
   前記第１及び第２チョッパ回路部は、各リアクトル間を共通鉄心にて磁気的に結合すると共に各リアクトルを含む一方で負荷を含まない還流経路を形成可能な還流部を備え、前記交流負荷電流の極性の切り替え前の所定期間に前記制御回路の制御により前記還流部を機能させ、次の極性の負荷電流の生成に寄与する還流電流を生じさせると共に次の極性の負荷電流の生成に寄与するリアクトルに対して電磁エネルギーが移送されるように構成されたことを特徴とする交流溶接用電源装置。
2. 請求項１に記載の交流溶接用電源装置を備え、前記交流溶接用電源装置にて生成された交流負荷電流にて溶接を行うように構成されたことを特徴とする交流溶接機。