JP7004258B2

JP7004258B2 - 溶接電源装置

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Publication number: JP7004258B2
Application number: JP2017218904A
Authority: JP
Inventors: 雄一宮島
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2037-11-14
Also published as: JP2019089093A

Description

本発明は、交流アーク溶接のための溶接電源装置に関する。

交流アーク溶接においては、出力極性が切り換わるときにアーク切れが発生しやすい。特に、被加工物側の電位が溶接トーチ側の電位より高い正極性から、被加工物側の電位が溶接トーチ側の電位より低い逆極性に切り換わるときに、よりアーク切れが発生しやすい。アーク切れを抑制するために、正極性から逆極性に切り換わるときに高電圧を印加する溶接電源装置が知られている。当該高電圧は、極性切り換え時の再点弧性を向上させるためのものであり、以下では「再点弧電圧」と記載する。このような溶接電源装置の一例が、特許文献１に開示されている。

図６は、従来の交流溶接用の溶接電源装置の一例を示すブロック図であり、溶接システムの全体構成を示している。図６に示す溶接システムは、溶接トーチＢと、溶接トーチＢに電力を供給する溶接電源装置Ａ１００とを備えている。溶接電源装置Ａ１００は、商用電源Ｄから入力される交流電力を整流平滑回路１で直流電力に変換し、インバータ回路２で高周波電力に変換する。そして、トランス３で変圧して、整流平滑回路５で直流電力に変換し、インバータ回路７で交流電力に変換して出力する。再点弧回路６は、溶接電源装置Ａ１００の出力極性が切り換わるときに、再点弧電圧を印加する。再点弧回路６は、インバータ回路２が出力する高周波電力の一部をトランス３の補助巻線３ｃから供給されて、充電回路６３によって、再点弧コンデンサ６２に充電する。そして、放電回路６４によって、再点弧コンデンサ６２に充電された電力を放電する。制御回路８００は、電流センサ９１が検出した溶接電源装置Ａ１００の出力電流が目標電流になるようにフィードバック制御を行うために、インバータ回路２のスイッチングを制御する。また、制御回路８００は、溶接電源装置Ａ１００の出力極性を切り換えるために、インバータ回路７のスイッチングを制御する。さらに、制御回路８００は、充電回路６３および放電回路６４を制御することで、再点弧電圧の充電および放電のタイミングを制御する。溶接電源装置Ａ１００においては、溶接電源装置Ａ１００の出力極性が切り換わるときに再点弧電圧が印加されるので、アーク切れの発生が抑制される。

図７は、制御回路８００が行う再点弧回路６の制御を説明するためのタイムチャートであり、溶接電源装置Ａ１００の各信号の波形を示している。同図（ａ）は、インバータ回路７の出力極性を切り換えるためのスイッチング駆動信号を示しいる。同図（ｂ）は、電流センサ９１が検出する溶接電源装置Ａ１００の出力電流を示している。電流センサ９１は、電流がインバータ回路７から出力端子ａに向かって流れる場合を正とし、電流が出力端子ａからインバータ回路７に向かって流れる場合を負としている。同図（ｃ）は、放電回路６４を駆動するための放電回路駆動信号を示しており、同図（ｄ）は充電回路６３を駆動するための充電回路駆動信号を示しており、同図（ｅ）は再点弧コンデンサ６２の端子間電圧を示している。

放電回路駆動信号は、時刻ｔ１でスイッチング駆動信号がオンからオフに切り換わったときにオンになり、時刻ｔ４でスイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わるまでオン状態を継続する（同図（ｃ）参照）。この間、再点弧電圧が放電可能になる。時刻ｔ１でスイッチング駆動信号がオンからオフに切り換わったときから出力電流は低下し（同図（ｂ）参照）、時刻ｔ２で出力電流の向きが変わったときに再点弧電流が流れて、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧は急減する（同図（ｅ）参照）。

充電回路駆動信号は、時刻ｔ４でスイッチング駆動信号がオンに切り換わったときにオンになって（同図（ｄ）参照）、再点弧電圧の充電が開始される。これにより、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧は、増加する（同図（ｅ）参照）。そして、充電回路駆動信号は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が時刻ｔ８で目標電圧Ｖ₀になったときにオフになる（同図（ｄ）参照）。これにより、再点弧電圧の充電が終了される。

特開２０１７－２４０６１号公報

充電回路駆動信号は、時刻ｔ４でスイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わったときにオンになる。これにより、充電回路６３は、逆極性から正極性に切り換わったときから充電を開始する。したがって、出力電流（図７（ｂ）参照）が負から正に変わるとき（図７における時刻ｔ５）には、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧は、ある程度上昇している。特に、充電回路６３が昇圧チョッパによって充電を行う場合などには、充電の開始当初の充電速度が大きいので、時刻ｔ５で、出力電流が負から正に変わるときには、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧は高くなっている。再点弧コンデンサ６２は、インバータ回路７のスイッチング時に発生するサージ電圧を吸収するスナバ回路として機能するが、端子間電圧が高くなっていると、サージ電圧を吸収しきれない場合がある。この場合、吸収しきれなかったサージ電圧が、インバータ回路７のスイッチング素子に印加される。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、再点弧電圧の充電速度が速い場合でも、再点弧コンデンサがサージ電圧を吸収できなくなることを抑制できる溶接電源装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の側面によって提供される溶接電源装置は、溶接トーチと被加工物との間に交流電圧を印加する溶接電源装置であって、前記被加工物が前記溶接トーチより高電位である正極性と、前記被加工物が前記溶接トーチより低電位である逆極性とを切り換えるインバータ回路と、前記正極性から前記逆極性に切り換わるときに、前記インバータ回路の出力に再点弧電圧を印加する再点弧回路と、前記再点弧回路を制御する制御回路とを備え、前記再点弧回路は、前記再点弧電圧を充電される再点弧コンデンサと、前記再点弧コンデンサに前記再点弧電圧を充電する充電回路と、前記再点弧コンデンサに充電された前記再点弧電圧を放電する放電回路とを備えており、前記制御回路は、前記放電回路に放電させた後、前記逆極性から前記正極性に切り換わって、前記インバータ回路の出力電流の向きが変わってから、前記充電回路に充電を開始させることを特徴とする。この構成によると、制御回路は、逆極性から正極性に切り換わって、インバータ回路の出力電流の向きが変わってから、充電回路に充電を開始させる。したがって、少なくとも、逆極性から正極性に切り換わったときから出力電流の向きが変わるまでの間、再点弧コンデンサは、再点弧電圧を充電されない。これにより、再点弧コンデンサは、再点弧電圧の充電速度が速い場合でも、サージ電圧を吸収するスナバ回路として機能することができる。したがって、再点弧コンデンサがサージ電圧を吸収できなくなることを抑制できる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記制御回路は、前記逆極性から前記正極性に切り換ったときから所定時間経過後に、充電を開始させる。この構成によると、充電回路は、出力電流が負から正に変わってから、充電を開始することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記所定時間は、前記正極性の期間の半分以下の時間である。この構成によると、充電を行う時間を十分長くできる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路の出力電流を、前記インバータ回路から前記被加工物に流れる向きを正として検出する電流センサをさらに備えており、前記制御回路は、前記出力電流が正の所定電流以上になったときに、充電を開始させる。この構成によると、充電回路は、出力電流が負から正に変わってから、充電を開始することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記所定電流は、前記出力電流の最大値の半分以下である。この構成によると、充電を行う時間を長くできる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記充電回路は、昇圧チョッパを備えている。この構成によると、再点弧コンデンサに再点弧電圧を充電するための時間を短縮できる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記溶接トーチは、非消耗電極式であり、前記インバータ回路は、ハーフブリッジ回路を備えている。

本発明によると、制御回路は、逆極性から正極性に切り換わって、インバータ回路の出力電流の向きが変わってから、充電回路に充電を開始させる。したがって、少なくとも、逆極性から正極性に切り換わったときから出力電流の向きが変わるまでの間、再点弧コンデンサは、再点弧電圧を充電されない。これにより、再点弧コンデンサは、再点弧電圧の充電速度が速い場合でも、サージ電圧を吸収するスナバ回路として機能することができる。したがって、再点弧コンデンサがサージ電圧を吸収できなくなることを抑制できる。

第１実施形態に係る溶接電源装置を示すブロック図である。第１実施形態に係る充電回路および放電回路を示す図である。再点弧回路の制御を説明するためのタイムチャートであり、溶接電源装置の各信号の波形を示している。第２実施形態に係る溶接電源装置を示すブロック図である。再点弧回路の制御を説明するためのタイムチャートであり、図４に示す溶接電源装置の各信号の波形を示している。従来の溶接電源装置の一例を示すブロック図である。再点弧回路の制御を説明するためのタイムチャートであり、図６に示す溶接電源装置の各信号の波形を示している。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１～図３は、第１実施形態に係る溶接電源装置を説明するための図である。図１は、溶接電源装置Ａ１を示すブロック図であり、溶接システムの全体構成を示している。図２（ａ）は、溶接電源装置Ａ１の充電回路６３の一例を示す回路図である。図２（ｂ）は、溶接電源装置Ａ１の放電回路６４の一例を示す回路図である。図３は、再点弧回路６の制御を説明するためのタイムチャートであり、溶接電源装置Ａ１の各信号の波形を示している。

図１に示すように、溶接システムは、溶接電源装置Ａ１および溶接トーチＢを備えている。当該溶接システムは、溶接トーチＢが非消耗電極式のトーチである交流ＴＩＧ溶接システムである。溶接電源装置Ａ１は、商用電源Ｄから入力される交流電力を変換して、出力端子ａ，ｂから出力する。一方の出力端子ａは、ケーブルによって被加工物Ｗに接続されている。他方の出力端子ｂは、ケーブルによって溶接トーチＢの電極に接続されている。溶接電源装置Ａ１は、溶接トーチＢの電極の先端と被加工物Ｗとの間にアークを発生させて、電力を供給する。当該アークの熱によって、溶接が行われる。溶接トーチＢ、被加工物Ｗおよび発生したアークを合わせたものが、溶接電源装置Ａ１の負荷なので、これらを合わせたものを示す場合は、「溶接負荷」と記載する。

溶接電源装置Ａ１は、整流平滑回路１、インバータ回路２、トランス３、整流平滑回路５、再点弧回路６、インバータ回路７、制御回路８、電流センサ９１、および電圧センサ９２を備えている。

整流平滑回路１は、商用電源Ｄから入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。整流平滑回路１は、交流電流を整流する整流回路と、平滑する平滑コンデンサとを備えている。なお、整流平滑回路１の構成は限定されない。

インバータ回路２は、例えば、単相フルブリッジ型のＰＷＭ制御インバータであり、４つのスイッチング素子を備えている。インバータ回路２は、制御回路８から入力される出力制御駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、整流平滑回路１から入力される直流電力を高周波電力に変換して出力する。なお、インバータ回路２は直流電力を高周波電力に変換するものであればよく、例えばハーフブリッジ型であってもよいし、その他の構成のインバータ回路であってもよい。

トランス３は、インバータ回路２が出力する高周波電圧を変圧して、整流平滑回路５に出力する。トランス３は、一次側巻線３ａ、二次側巻線３ｂおよび補助巻線３ｃを備えている。一次側巻線３ａの各入力端子は、インバータ回路２の各出力端子にそれぞれ接続されている。二次側巻線３ｂの各出力端子は、整流平滑回路５の各入力端子にそれぞれ接続されている。また、二次側巻線３ｂには、２つの出力端子とは別にセンタタップが設けられている。二次側巻線３ｂのセンタタップは、接続線４によって、出力端子ｂに接続されている。インバータ回路２の出力電圧は、一次側巻線３ａと二次側巻線３ｂの巻き数比に応じて変圧されて、整流平滑回路５に入力される。補助巻線３ｃの各出力端子は、充電回路６３の各入力端子にそれぞれ接続されている。インバータ回路２の出力電圧は、一次側巻線３ａと補助巻線３ｃの巻き数比に応じて変圧されて、充電回路６３に入力される。二次側巻線３ｂおよび補助巻線３ｃは一次側巻線３ａに対して絶縁されているので、商用電源Ｄから入力される電流が二次側の回路および充電回路６３に流れることを防止することができる。

整流平滑回路５は、トランス３から入力される高周波電力を直流電力に変換して出力する。整流平滑回路５は、高周波電流を整流する全波整流回路と、平滑する直流リアクトルとを備えている。なお、整流平滑回路５の構成は限定されない。

インバータ回路７は、例えば、単相ハーフブリッジ型のＰＷＭ制御インバータであり、２つのスイッチング素子を備えている。インバータ回路７の出力端子は、出力端子ａに接続されている。インバータ回路７は、制御回路８から入力されるスイッチング駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、インバータ回路７の出力端子の電位（出力端子ａの電位）を、整流平滑回路５の正極側の出力端子の電位と負極側の出力端子の電位とで交互に切り換える。これにより、インバータ回路７は、出力端子ａ（被加工物Ｗに接続）の電位が出力端子ｂ（溶接トーチＢの電極に接続）の電位より高い状態である正極性と、出力端子ａの電位が出力端子ｂの電位より低い状態である逆極性とを交互に切り換える。つまり、インバータ回路７は、整流平滑回路５から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。なお、インバータ回路７は直流電力を交流電力に変換するものであればよく、その他の構成のインバータ回路であってもよい。インバータ回路７が本発明の「インバータ回路」に相当する。

再点弧回路６は、整流平滑回路５とインバータ回路７との間に配置されており、溶接電源装置Ａ１の出力極性が切り換わるときに、溶接電源装置Ａ１の出力端子ａ，ｂ間に再点弧電圧を印加する。正極性から逆極性に切り換わるときにアーク切れが発生しやすいので、本実施形態では、再点弧回路６は、正極性から逆極性に切り換わるときにのみ再点弧電圧を印加し、逆極性から正極性に切り換わるときには再点弧電圧を印加しない。再点弧回路６は、ダイオード６１、再点弧コンデンサ６２、充電回路６３および放電回路６４を備えている。

ダイオード６１と再点弧コンデンサ６２とは直列接続されて、インバータ回路７の入力側に並列接続されている。ダイオード６１は、アノード端子がインバータ回路７の正極側の入力端子に接続され、カソード端子が再点弧コンデンサ６２の一方の端子に接続されている。再点弧コンデンサ６２は、一方の端子がダイオード６１のカソード端子に接続され、他方の端子がインバータ回路７の負極側の入力端子に接続されている。再点弧コンデンサ６２は、所定の静電容量以上のコンデンサであり、溶接電源装置Ａ１の出力に印加するための再点弧電圧を充電される。再点弧コンデンサ６２は、充電回路６３によって充電され、放電回路６４によって放電される。また、ダイオード６１は、インバータ回路７のスイッチング時のサージ電圧を、再点弧コンデンサ６２に吸収させる。つまり、再点弧コンデンサ６２は、サージ電圧を吸収するためのスナバ回路としても機能する。

充電回路６３は、再点弧コンデンサ６２に再点弧電圧を充電するための回路であり、再点弧コンデンサ６２に並列に接続されている。図２（ａ）は、充電回路６３の一例を示す図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態では、充電回路６３は、整流平滑回路６３ｃ、昇圧チョッパ６３ｄ、スイッチ６３ｅ、および電流センサ６３ｆを備えている。整流平滑回路６３ｃは、交流電圧を全波整流する整流回路と、平滑する平滑コンデンサとを備え、トランス３の補助巻線３ｃから入力される高周波電圧を直流電圧に変換する。なお、整流平滑回路６３ｃの回路構成は限定されない。

スイッチ６３ｅは、整流平滑回路６３ｃと昇圧チョッパ６３ｄとの接続を開閉するスイッチであり、本実施形態では、整流平滑回路６３ｃの正極側の出力端子と、昇圧チョッパ６３ｄの正極側の入力端子とを接続する接続線に配置されている。なお、スイッチ６３ｅの配置位置は限定されない。スイッチ６３ｅは、本実施形態では、半導体のスイッチング素子である。なお、機械式のスイッチであってもよい。スイッチ６３ｅは、後述する充電制御部８６から充電回路駆動信号を入力される。スイッチ６３ｅは、入力される充電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間は閉路して、整流平滑回路６３ｃと昇圧チョッパ６３ｄとが接続された状態にする。これにより、整流平滑回路６３ｃが出力する直流電圧が、昇圧チョッパ６３ｄに入力される。一方、充電回路駆動信号がオフ（例えばローレベル信号）の間は開路して、整流平滑回路６３ｃと昇圧チョッパ６３ｄとが接続されない状態にする。したがって、整流平滑回路６３ｃが出力する直流電圧は、昇圧チョッパ６３ｄに入力されない。

電流センサ６３ｆは、充電回路６３の充電電流を検出するものであり、本実施形態では、スイッチ６３ｅが配置される接続線に配置されている。なお、電流センサ６３ｆの配置位置は限定されない。電流センサ６３ｆは、充電電流の瞬時値を検出して駆動回路６３ａに入力する。

昇圧チョッパ６３ｄは、整流平滑回路６３ｃから入力される直流電圧を昇圧して、再点弧コンデンサ６２に出力する。昇圧チョッパ６３ｄは、入力端子と出力端子との間にコイルとダイオードとを直列に接続（コイルの一方の端子とダイオードのアノード端子とを接続し、入力端子側にコイル、出力端子側にダイオードを配置）し、その接続点にスイッチング素子６３ｂを並列に接続し、ダイオードのカソード端子にコンデンサを並列に接続した構成となっている。なお、昇圧チョッパ６３ｄの回路構成は限定されない。本実施形態では、スイッチング素子６３ｂは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。なお、スイッチング素子６３ｂは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタなどであってもよい。

昇圧チョッパ６３ｄは、スイッチング素子６３ｂを駆動するための駆動回路６３ａを備えている。駆動回路６３ａは、充電制御部８６から入力される充電回路駆動信号と、電流センサ６３ｆから入力される充電電流の瞬時値とに基づいて、スイッチング素子６３ｂを駆動させるためのパルス信号を出力する。駆動回路６３ａは、充電回路駆動信号がオフ（例えばローレベル信号）の間、パルス信号の出力を行わない。この間、スイッチング素子６３ｂはオフ状態が継続する。このとき、スイッチ６３ｅが開路しているので、整流平滑回路６３ｃが出力する直流電圧は、昇圧チョッパ６３ｄに入力されない。つまり、充電回路６３は、充電回路駆動信号がオフ（例えばローレベル信号）の間、再点弧コンデンサ６２の充電を停止する。

また、駆動回路６３ａは、充電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間でも、電流センサ６３ｆから入力される充電電流の瞬時値が閾値電流より大きい間は、パルス信号の出力を行わない。この間、スイッチング素子６３ｂはオフ状態が継続する。このとき、スイッチ６３ｅが閉路しているので、昇圧チョッパ６３ｄは、整流平滑回路６３ｃから入力される直流電圧をそのまま、再点弧コンデンサ６２に印加する。これにより、再点弧コンデンサ６２は、急速に充電される。閾値電流は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が整流平滑回路６３ｃの出力電圧に近くなって、充電電流が小さくなったことを判定するための閾値である。つまり、駆動回路６３ａは、充電電流の瞬時値を閾値電流と比較することで、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が整流平滑回路６３ｃの出力電圧に近づいたか否かを判断する。そして、駆動回路６３ａは、充電電流の瞬時値が閾値電流以下になると、スイッチング素子６３ｂにパルス信号を出力する。昇圧チョッパ６３ｄは、パルス信号によって駆動し、整流平滑回路６３ｃから入力される直流電圧を昇圧して、再点弧コンデンサ６２に印加する。これにより、再点弧コンデンサ６２は、さらに充電される。つまり、充電回路６３は、充電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間、再点弧コンデンサ６２の充電を行う。

すなわち、充電回路６３は、充電回路駆動信号に基づいて、再点弧コンデンサ６２を充電する状態と充電しない状態とで切り換える。また、充電回路６３は、再点弧コンデンサ６２を充電する状態において、充電電流の瞬時値に基づいて、整流平滑回路６３ｃから入力される直流電圧をそのまま再点弧コンデンサ６２に印加して急速充電する状態と、昇圧して印加することでさらに充電する状態とで切り換える。なお、充電回路６３に供給される電力は、トランス３の補助巻線３ｃからのものに限定されない。トランス３に補助巻線３ｃを設けず、二次側巻線３ｂから電力を供給するようにしてもよいし、他の電源から供給するようにしてもよい。

放電回路６４は、再点弧コンデンサ６２に充電された再点弧電圧を放電するものであり、ダイオード６１と再点弧コンデンサ６２との接続点と、二次側巻線３ｂのセンタタップと出力端子ｂとを接続する接続線４との間に接続されている。図２（ｂ）は、放電回路６４の一例を示す図である。図２（ｂ）に示すように、放電回路６４は、スイッチング素子６４ａおよび限流抵抗６４ｂを備えている。本実施形態では、スイッチング素子６４ａは、ＩＧＢＴである。なお、スイッチング素子６４ａは、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴなどであってもよい。スイッチング素子６４ａと限流抵抗６４ｂとは直列接続されて、再点弧コンデンサ６２に直列接続されている。スイッチング素子６４ａのコレクタ端子は限流抵抗６４ｂの一方の端子に接続されており、スイッチング素子６４ａのエミッタ端子は、接続線６４ｃによって、接続線４に接続されている。なお、限流抵抗６４ｂをスイッチング素子６４ａのエミッタ端子側に接続するようにしてもよい。また、スイッチング素子６４ａのゲート端子には、後述する放電制御部８５から、放電回路駆動信号が入力される。スイッチング素子６４ａは、放電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間オン状態になる。これにより、再点弧コンデンサ６２に充電された再点弧電圧は、限流抵抗６４ｂを介して、放電される。一方、スイッチング素子６４ａは、放電回路駆動信号がオフ（例えばローレベル信号）の間オフ状態になる。これにより、再点弧電圧の放電は停止される。すなわち、放電回路６４は、放電回路駆動信号に基づいて、再点弧コンデンサ６２を放電する状態と放電しない状態とで切り換える。なお、放電回路６４の構成は限定されない。

電流センサ９１は、溶接電源装置Ａ１の出力電流を検出するものであり、本実施形態では、インバータ回路７の出力端子と出力端子ａとを接続する接続線７１に配置されている。本実施形態では、電流がインバータ回路７から出力端子ａに向かって流れる場合を正としており、電流が出力端子ａからインバータ回路７に向かって流れる場合を負としている。電流センサ９１は、出力電流の瞬時値を検出して制御回路８に入力する。なお、電流センサ９１の構成は限定されず、接続線７１から出力電流を検出するものであればよい。なお、電流センサ９１の配置場所は限定されない。例えば、電流センサ９１は、接続線４に配置されてもよい。電流センサ９１が本発明に係る「電流センサ」に相当する。

電圧センサ９２は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧を検出するものである。電圧センサ９２は、端子間電圧の瞬時値を検出して制御回路８に入力する。

制御回路８は、溶接電源装置Ａ１を制御するための回路であり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御回路８は、電流センサ９１から出力電流の瞬時値を入力され、電圧センサ９２から再点弧コンデンサ６２の端子間電圧の瞬時値を入力される。そして、制御回路８は、インバータ回路２、インバータ回路７、充電回路６３および放電回路６４に、それぞれ駆動信号を出力する。制御回路８は、電流制御部８１、目標電流設定部８２、極性切換制御部８３、放電制御部８５、および充電制御部８６を備えている。

電流制御部８１は、溶接電源装置Ａ１の出力電流をフィードバック制御するために、インバータ回路２を制御する。電流制御部８１は、電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値信号を絶対値回路によって絶対値信号に変換し、当該絶対値信号と目標電流設定部８２から入力される目標電流との偏差に基づいて、ＰＷＭ制御により、インバータ回路２のスイッチング素子を制御するための出力制御駆動信号を生成して、インバータ回路２に出力する。

極性切換制御部８３は、溶接電源装置Ａ１の出力極性を切り換えるために、インバータ回路７を制御する。極性切換制御部８３は、インバータ回路７の出力極性を切り換えるようにスイッチング素子を制御するためのパルス信号であるスイッチング駆動信号を生成して、インバータ回路７に出力する。スイッチング駆動信号は、放電制御部８５および充電制御部８６にも出力される。

放電制御部８５は、放電回路６４を制御する。放電制御部８５は、極性切換制御部８３から入力されるスイッチング駆動信号に基づいて、放電回路６４を制御するための放電回路駆動信号を生成して、放電回路６４に出力する。

図３に示すように、溶接電源装置Ａ１の出力電流（図３（ｂ）参照）は、スイッチング駆動信号（図３（ａ）参照）に応じて変化する。図３（ａ）に示すスイッチング駆動信号は、オンのときに出力端子ａ（被加工物Ｗ）を出力端子ｂ（溶接トーチＢ）より高電位（正極性）とし、オフのときに出力端子ａ（被加工物Ｗ）を出力端子ｂ（溶接トーチＢ）より低電位（逆極性）とする。溶接電源装置Ａ１の出力電流は、スイッチング駆動信号がオンからオフに切り換わった時（図３における時刻ｔ１）から減少し、ゼロを過ぎて（図３における時刻ｔ２）極性が変わった後に最小電流値になる。また、溶接電源装置Ａ１の出力電流は、スイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わった時（図３における時刻ｔ４）から増加し、ゼロを過ぎて（図３における時刻ｔ５）極性が変わった後に最大電流値になる。放電制御部８５は、溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるときにオンになっているように、放電回路駆動信号を生成する。具体的には、放電制御部８５は、スイッチング駆動信号がオンからオフに切り換わったとき（図３における時刻ｔ１）にオンに切り換わり、オンに切り換わった後、所定時間Ｔ₁が経過したとき（図３における時刻ｔ３）にオフに切り換わるパルス信号を生成し、放電回路駆動信号として出力する（図３（ｃ）参照）。

所定時間Ｔ₁は、放電状態を継続する時間であり、アークの再点弧によって溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるタイミング（図３における時刻ｔ２）を完全に超えるまで継続するように設定されている。所定時間Ｔ₁が短すぎると出力電流がゼロになったときに再点弧電圧を放電できず、再点弧できない場合がある。また、所定時間Ｔ₁は、充電が開始される前に放電を終了させるように、設定されている。本実施形態では、インバータ回路７の出力周波数が５００Ｈｚで、正極性と逆極性の比率が７：３の場合に、所定時間Ｔ₁が逆極性の期間の半分になるように、所定時間Ｔ₁を３００μ秒程度としている。なお、所定時間Ｔ₁は限定されず、実験やシミュレーションに基づいて設定すればよい。

なお、放電制御部８５が放電回路駆動信号を生成する方法は、これに限定されない。溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるときに再点弧電圧を印加できればよいので、放電回路駆動信号は、出力電流が正から負に変わる前にオンになり、出力電流が正から負に変わった後にオフになればよい。

充電制御部８６は、充電回路６３を制御する。充電制御部８６は、極性切換制御部８３から入力されるスイッチング駆動信号と、電圧センサ９２から入力される再点弧コンデンサ６２の端子間電圧の瞬時値とに基づいて、充電回路６３を制御するための充電回路駆動信号を生成して、充電回路６３に出力する。

図３に示すように、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧（図３（ｅ）参照）は、放電回路駆動信号（図３（ｃ）参照）がオンになって（図３における時刻ｔ１）、時刻ｔ２で出力電流の向きが変わったとき（図３における時刻ｔ２）に再点弧電流が流れることで急減する（同図（ｅ）参照）。次の放電のタイミングまでに、再点弧コンデンサ６２に再点弧電圧を充電する必要がある。また、再点弧コンデンサ６２が目標電圧Ｖ₀まで充電された場合は、それ以上の充電を行う必要がない。充電制御部８６は、溶接電源装置Ａ１の出力電流が負から正に変わるときはオフになっており、出力電流の向きが変わってからオンになって、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が目標電圧Ｖ₀になるまでオンとなるように、充電回路駆動信号を生成する。具体的には、充電制御部８６は、スイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わった後（図３における時刻ｔ４）、所定時間Ｔ₂が経過したとき（図３における時刻ｔ６）にオンに切り換わり、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が目標電圧Ｖ₀になったとき（図３における時刻ｔ８）にオフに切り換わるパルス信号を生成し、充電回路駆動信号として出力する（図３（ｄ）参照）。

所定時間Ｔ₂は、充電開始を待機する時間であり、アークの再点弧によって溶接電源装置Ａ１の出力電流が負から正に変わるタイミング（図３における時刻ｔ５）を完全に超えるまで継続するように設定されている。所定時間Ｔ₂が短すぎるとアークの再点弧の前に充電が開始されて再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が上昇してしまい、サージ電圧を吸収しきれない場合がある。一方、所定時間Ｔ₂が長すぎると充電のための時間が短くなり、放電に間に合わない場合がある。所定時間Ｔ₂は、正極性の期間の半分以下の時間にするのが望ましい。本実施形態では、インバータ回路７の出力周波数が５００Ｈｚで、正極性と逆極性の比率が３：７の場合に、所定時間Ｔ₂が正極性の期間の半分になるように、所定時間Ｔ₂を３００μ秒程度としている。なお、所定時間Ｔ₂は限定されず、実験やシミュレーションに基づいて設定すればよい。所定時間Ｔ₂は、所定時間Ｔ₁と同じであってもよいし、異なっていてもよい。所定時間Ｔ₂が本発明の「所定時間」に相当する。充電回路駆動信号は、正極性の期間に充電が完了してオフになってから逆極性の期間はオフを継続し、逆極性から正極性に切り換わって、出力電流の向きが変わってから、オンに切り換わる。

図３に示すように、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧（図３（ｅ）参照）は、充電回路駆動信号（図３（ｄ）参照）がオンになったとき（図３における時刻ｔ６）から増加し、充電回路駆動信号がオフになった後（図３における時刻ｔ８）は、次の放電まで一定になる。本実施形態では、充電回路６３が昇圧チョッパによって充電を行うので、充電の開始当初の期間（図３における時刻ｔ６～ｔ７）は、充電速度が大きい。したがって、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧は、当該期間に急上昇する。そして、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が整流平滑回路６３ｃの出力電圧に近づいた後の期間（図３における時刻ｔ７～ｔ８）は、充電速度が小さい。したがって、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧は、当該期間にゆっくり上昇する。

なお、充電制御部８６が充電回路駆動信号を生成する方法は、これに限定されない。充電回路駆動信号は、溶接電源装置Ａ１の出力電流が負から正に変わるときはオフになっており、出力電流の向きが変わってからオンになればよい。

次に、本実施形態に係る溶接電源装置Ａ１の作用および効果について説明する。

本実施形態によると、充電制御部８６は、逆極性から正極性に切り換わった後、インバータ回路の出力電流の向きが変わってからオンに切り換わる充電回路駆動信号を生成して、充電回路６３に出力する。これにより、充電回路６３は、逆極性から正極性に切り換わった後、インバータ回路の出力電流の向きが変わってから充電を開始する。したがって、少なくとも、逆極性から正極性に切り換わったときから出力電流の向きが変わるまでの間、再点弧コンデンサ６２は、再点弧電圧を充電されない。これにより、再点弧コンデンサ６２は、再点弧電圧の充電速度が速い場合でも、サージ電圧を吸収するスナバ回路として機能することができる。したがって、再点弧コンデンサ６２がサージ電圧を吸収できなくなることを抑制できる。これにより、吸収しきれなかったサージ電圧がインバータ回路７のスイッチング素子に印加されることを抑制できる。

また、本実施形態によると、充電制御部８６が生成する充電回路駆動信号は、スイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わったときから所定時間Ｔ₂が経過したときにオンに切り換わる。これにより、充電回路６３は、逆極性から正極性に切り換わったときから所定時間Ｔ₂が経過したときに、再点弧コンデンサ６２への充電を開始する。したがって、充電回路６３は、アークの再点弧によって出力電流が負から正に変わってから、再点弧コンデンサ６２への充電を開始することができる。

また、本実施形態によると、充電回路６３は、充電開始時には、整流平滑回路６３ｃが出力する直流電圧をそのまま再点弧コンデンサ６２に印加して、再点弧コンデンサ６２を急速に充電する。そして、充電回路６３は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が整流平滑回路６３ｃの出力電圧に近づいたときからは、スイッチング素子６３ｂのスイッチングを行って、昇圧チョッパ６３ｄを駆動させる。これにより、整流平滑回路６３ｃが出力する直流電圧を昇圧して再点弧コンデンサ６２に印加し、再点弧コンデンサ６２を目標電圧Ｖ₀まで充電する。したがって、再点弧コンデンサ６２を充電する時間を短縮できる。これにより、放電までに充電が間に合わなくなることを抑制できる。

なお、本実施形態においては、充電回路６３において、駆動回路６３ａが、電流センサ６３ｆが検出した充電電流に基づいてパルス信号を出力する場合について説明したが、これに限られない。例えば、駆動回路６３ａは、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧に基づいてパルス信号を出力してもよいし、時間の経過に基づいてパルス信号を出力してもよい。また、駆動回路６３ａは、充電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間ずっと、パルス信号を出力してもよい。また、充電回路６３の構成は限定されない。充電回路６３は、昇圧チョッパ６３ｄに代えて、降圧チョッパや絶縁型フォワードコンバータなどを備えるようにしてもよい。ただし、充電回路６３は充電速度が速いものが望ましい。

図４および図５は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図４および図５は、本発明の第２実施形態に係る溶接電源装置Ａ２を説明するための図である。図４は、溶接電源装置Ａ２を示すブロック図であり、溶接システムの全体構成を示している。図５は、再点弧回路６の制御を説明するためのタイムチャートであり、溶接電源装置Ａ２の各信号の波形を示している。溶接電源装置Ａ２は、放電制御部８５が溶接電源装置Ａ２の出力電流に基づいて放電回路駆動信号を生成し、充電制御部８６が溶接電源装置Ａ２の出力電流に基づいて充電回路駆動信号を生成する点で、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１（図１および図２参照）と異なっている。

図４に示すように、第２実施形態に係る放電制御部８５は、電流センサ９１が検出した出力電流の瞬時値を入力される。そして、極性切換制御部８３から入力されるスイッチング駆動信号と、電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値とに基づいて、放電回路駆動信号を生成する。第２実施形態に係る放電制御部８５は、第１実施形態のように所定時間Ｔ₁に基づいて放電回路駆動信号をオフに切り換えるのではなく、アークの再点弧が完了したことを出力電流の瞬時値により判断して、放電回路駆動信号をオフに切り換える。また、図４に示すように、第２実施形態に係る充電制御部８６も、電流センサ９１が検出した出力電流の瞬時値を入力される。そして、極性切換制御部８３から入力されるスイッチング駆動信号と、電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値とに基づいて、充電回路駆動信号を生成する。第２実施形態に係る充電制御部８６は、第１実施形態のように所定時間Ｔ₂に基づいて充電回路駆動信号をオンに切り換えるのではなく、アークの再点弧が完了したことを出力電流の瞬時値により判断して、充電回路駆動信号をオンに切り換える。

図５に示すように、放電制御部８５は、スイッチング駆動信号がオンからオフに切り換わったとき（図５における時刻ｔ１）にオンに切り換わり、オンに切り換わった後、出力電流の瞬時値が所定電流Ｉ₁以下になったとき（図５における時刻ｔ３）にオフに切り換わるパルス信号を生成し、放電回路駆動信号として出力する（図３（ｃ）参照）。

所定電流Ｉ₁は、最小電流値とゼロとの間の電流値であって、アークの再点弧が完了したことを判断するための電流値である。所定電流Ｉ₁は、検出された出力電流の瞬時値に検出誤差が含まれていたとしても、出力電流の向きが変わったと確実に判断できる電流値が設定される。所定電流Ｉ₁が大きすぎると（ゼロに近すぎると）再点弧が完了する前に放電を停止してしまい、再点弧できない場合がある。本実施形態では、インバータ回路７の目標電流が５Ａ（最小電流値が－５Ａ）の場合でも、所定電流Ｉ₁が最小電流値の半分以上になるように、所定電流Ｉ₁を－２Ａ程度としている。なお、所定電流Ｉ₁は限定されず、実験やシミュレーションに基づいて設定すればよい。

また、図５に示すように、充電制御部８６は、スイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わった後（図５における時刻ｔ４）、出力電流の瞬時値が所定電流Ｉ₂以上になったとき（図５における時刻ｔ６）にオンに切り換わり、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が目標電圧Ｖ₀になったとき（図５における時刻ｔ８）にオフに切り換わるパルス信号を生成し、充電回路駆動信号として出力する（図５（ｄ）参照）。

所定電流Ｉ₂は、最大電流値とゼロとの間の電流値であって、アークの再点弧が完了したことを判断するための電流値である。所定電流Ｉ₂は、検出された出力電流の瞬時値に検出誤差が含まれていたとしても、出力電流の向きが変わったと確実に判断できる電流値が設定される。所定電流Ｉ₂が小さすぎると（ゼロに近すぎると）アークの再点弧の前に充電が開始されて再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が上昇してしまい、サージ電圧を吸収しきれない場合がある。一方、所定電流Ｉ₂が大きくなるほど（ゼロから離れるほど）、充電のための時間が短くなるので、できるだけ小さい方がいい。所定電流Ｉ₂は、最大電流値の半分以下とするのが望ましい。本実施形態では、インバータ回路７の目標電流が５Ａ（最大電流値が５Ａ）の場合でも、所定電流Ｉ₂が最大電流値の半分以下になるように、所定電流Ｉ₂を２Ａ程度としている。なお、所定電流Ｉ₂は限定されず、実験やシミュレーションに基づいて設定すればよい。所定電流Ｉ₂は、所定電流Ｉ₁と絶対値が同じであってもよいし、異なっていてもよい。所定電流Ｉ₂が本発明の「所定電流」に相当する。

また、本実施形態によると、充電制御部８６が生成する充電回路駆動信号は、スイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わった後、出力電流の瞬時値が所定電流Ｉ₂以上になったときにオンに切り換わる。これにより、充電回路６３は、逆極性から正極性に切り換わった後、出力電流の瞬時値が所定電流Ｉ₂以上になったときに、再点弧コンデンサ６２への充電を開始する。したがって、充電回路６３は、アークの再点弧によって出力電流が負から正に変わってから、再点弧コンデンサ６２への充電を開始することができる。また、本実施形態によると、アークの再点弧を出力電流の瞬時値により判断して、充電回路駆動信号をオンに切り換えるので、第１実施形態のように所定時間Ｔ₂に基づいて充電回路駆動信号をオンに切り換える場合と比較して、充電回路駆動信号をオンに切り換えるタイミングを早くできる場合が多い。したがって、充電を行う時間をより長くできる。

本実施形態においては、放電制御部８５が、アークの再点弧が完了したことを出力電流の瞬時値により判断して、放電回路駆動信号をオフに切り換える場合について説明したが、これに限られない。第１実施形態のように、放電制御部８５は、所定時間Ｔ₁に基づいて放電回路駆動信号をオフに切り換えてもよい。また、本実施形態においては、充電制御部８６が、アークの再点弧が完了したことを出力電流の瞬時値により判断して、充電回路駆動信号をオンに切り換える場合について説明したが、これに限られない。第１実施形態のように、充電制御部８６は、所定時間Ｔ₂に基づいて充電回路駆動信号をオンに切り換えてもよい。

なお、上記第１および第２実施形態では、溶接電源装置Ａ１，Ａ２をＴＩＧ溶接システムに用いた場合について説明したが、これに限られない。本発明に係る溶接電源装置は、その他の半自動溶接システムにも用いることができる。また、本発明に係る溶接電源装置は、ロボットによる全自動溶接システムにも用いることができるし、被覆アーク溶接システムにも用いることができる。また、本発明は、交流出力専用の溶接電源装置だけでなく、交直両用の溶接電源装置にも適用することができる。

本発明に係る溶接電源装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る溶接電源装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２：溶接電源装置
１：整流平滑回路
２：インバータ回路
３：トランス
３ａ：一次側巻線
３ｂ：二次側巻線
３ｃ：補助巻線
４：接続線
５：整流平滑回路
６：再点弧回路
６１：ダイオード
６２：再点弧コンデンサ
６３：充電回路
６３ａ：駆動回路
６３ｂ：スイッチング素子
６３ｃ：整流平滑回路
６３ｄ：昇圧チョッパ
６３ｅ：スイッチ
６３ｆ：電流センサ
６４：放電回路
６４ａ：スイッチング素子
６４ｂ：限流抵抗
６４ｃ：接続線
７：インバータ回路
７１：接続線
８：制御回路
８１：電流制御部
８２：目標電流設定部
８３：極性切換制御部
８５：放電制御部
８６：充電制御部
９１：電流センサ
９２：電圧センサ
ａ，ｂ：出力端子
Ｂ：溶接トーチ
Ｄ：商用電源
Ｗ：被加工物

Claims

溶接トーチと被加工物との間に交流電圧を印加する溶接電源装置であって、
前記被加工物が前記溶接トーチより高電位である正極性と、前記被加工物が前記溶接トーチより低電位である逆極性とを切り換えるインバータ回路と、
前記正極性から前記逆極性に切り換わるときに、前記インバータ回路の出力に再点弧電圧を印加する再点弧回路と、
前記再点弧回路を制御する制御回路と、
前記インバータ回路の出力電流を、前記インバータ回路から前記被加工物に流れる向きを正として検出する電流センサと、
を備え、
前記再点弧回路は、
前記再点弧電圧を充電される再点弧コンデンサと、
前記再点弧コンデンサに前記再点弧電圧を充電する充電回路と、
前記再点弧コンデンサに充電された前記再点弧電圧を放電する放電回路と、
を備えており、
前記制御回路は、前記放電回路に放電させた後、前記逆極性から前記正極性に切り換わって、前記出力電流が正の所定電流以上になったときに、前記充電回路に充電を開始させる、
ことを特徴とする溶接電源装置。
前記所定電流は、前記出力電流の最大値の半分以下である、
請求項１に記載の溶接電源装置。
前記充電回路は、昇圧チョッパを備えている、
請求項１または２に記載の溶接電源装置。
前記溶接トーチは、非消耗電極式であり、
前記インバータ回路は、ハーフブリッジ回路を備えている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の溶接電源装置。