JP7126051B2 - アーク溶接機 - Google Patents

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Description

本発明は、アーク溶接機に関するものである。
従来より、商用電源から商用電力を入力し、電力変換回路で加工用電力に変換して、アーク溶接用の電極と母材とからなる加工負荷に供給することでアーク溶接を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１のアーク溶接機では、アーク電流、出力電流、アーク電圧、出力電力等の波形をフィードバック制御するために、加工負荷に負荷電圧検出回路を接続して負荷電圧の検出を行うようにしている。
特開平７－２８４９２９号公報
ところで、従来のアーク溶接機では、加工用電源装置から加工負荷に至る電力供給経路に不具合が生じて電力ロスが発生しても、その電力ロスを発見するのが困難であった。
具体的に、加工用電源装置の出力端子と加工負荷とを繋ぐケーブルに、ケーブルの劣化やケーブルの継ぎ目の緩みによる発熱などが発生している場合には、その箇所において電力ロスが発生することとなる。しかしながら、この不具合箇所を発見するためには、作業者が直接ケーブルを目視確認する必要があり、発見が困難であった。
また、アーク溶接機の機器内部の電気回路に異常が発生している場合には、その箇所において電力ロスが発生することとなるが、機器内部の不具合を作業者が発見することは困難であった。
本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力供給経路の異常による電力ロスの発見が容易なアーク溶接機を提供することにある。
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るアーク溶接機は、アーク溶接用の電極と母材とを含む加工負荷に負荷電力を供給してアーク溶接を行うアーク溶接機であって、交流電源からの交流電力を入力として、負荷電力に変換する電力変換部と、電力変換部への入力電力を計算する入力電力計算部と、加工負荷に供給された負荷電流を検出する負荷電流検出部と、加工負荷に供給された負荷電圧を検出する負荷電圧検出部と、負荷電流検出部で検出された負荷電流と負荷電圧検出部で検出された負荷電圧とに基づいて加工負荷への負荷電力を計算し、加工負荷への負荷電力及び入力電力計算部で計算された入力電力に基づいて、交流電源から加工負荷に至る電力供給経路の異常を判定する異常判定部とを備える。
本開示のアーク溶接機によれば、加工負荷で消費される電力に対するアーク溶接機の機器全体の消費電力に基づいて、電力供給経路の異常を判定し得る。
図１は、実施形態１に係るアーク溶接機の構成を示す概略図である。 図２は、実施形態２に係るアーク溶接機の構成を示す概略図である。 図３は、実施形態３に係るアーク溶接機の構成を示す概略図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
《実施形態１》
図１は、実施形態１に係るアーク溶接機１０の構成を示す概略図である。
図１に示すように、アーク溶接機１０は、アーク溶接用の電極１１と母材１２とを含む加工負荷１３に負荷電力を供給してアーク溶接を行うものである。アーク溶接機１０の入力端子１６には、交流電源１５が接続されている。アーク溶接機１０は、交流電源１５の交流電力を負荷電力に変換する電力変換部２０を備えている。
電力変換部２０は、交流電源１５の交流電力を直流電力に整流する入力整流部２１と、入力整流部２１の出力電力を所定の周波数の交流電力に変換するスイッチング部２２と、スイッチング部２２の出力電圧を降圧するトランス部２３と、トランス部２３の出力電力を電極１１に供給するための直流の負荷電力に整流する出力整流部２４と、出力整流部２４の出力電力の高調波を抑制する直流リアクタ２５とを備えている。
出力整流部２４の出力側には、母材１２に繋がるケーブル２６が接続されている。母材１２に繋がるケーブル２６には、溶接出力側抵抗部２７が存在する。母材１２に繋がるケーブル２６における溶接出力側抵抗部２７と出力整流部２４との間には、加工負荷１３に供給された負荷電流を検出する負荷電流検出部３１が設けられている。
直流リアクタ２５の出力側には、電極１１に繋がるケーブル２６が接続されている。電極１１に繋がるケーブル２６には、溶接出力側抵抗部２７が存在する。
なお、溶接出力側抵抗部２７は、ケーブル２６が有する抵抗成分を模式的に表したものである。
アーク溶接機１０には、加工負荷１３に供給された負荷電圧を検出する負荷電圧検出部３２が設けられている。負荷電圧検出部３２は、電極１１の近傍と、母材１２の近傍とからそれぞれ配索された負荷電圧検出ライン３３に接続されている。
負荷電流検出部３１で検出された負荷電流と、負荷電圧検出部３２で検出された負荷電圧とは、出力制御部３４に入力される。出力制御部３４は、負荷電流及び負荷電圧に基づいて、アーク溶接を適切に行うための負荷電力が得られるように、スイッチング部２２に対して制御信号を出力し、スイッチング部２２の動作をフィードバック制御する。
ところで、従来のアーク溶接機では、交流電源１５から加工負荷１３に至る電力供給経路に不具合（例えば、ケーブル２６の劣化やケーブル２６の継ぎ目の緩みによる発熱などによる抵抗成分の増大）が生じて電力ロスが発生しても、その電力ロスを発見するのが困難であるという問題があった。
そこで、本実施形態では、アーク溶接機１０の機器全体の消費電力と、加工負荷１３で消費される負荷電力とに基づいて、電力供給経路の異常を判定するようにしている。
具体的に、アーク溶接機１０は、入力電力計算部３５と、異常判定部３６とを備えている。入力電力計算部３５は、入力整流部２１の出力電圧と、スイッチング部２２の出力電流とを入力とし、入力された出力電圧と出力電流とを積算することで、電力変換部２０に入力された入力電力を計算する。なお、入力電力計算部３５に対して、入力整流部２１の出力電流と、スイッチング部２２の出力電圧とを入力して、入力電力を計算するようにしてもよい。入力電力計算部３５で計算された入力電力を示す信号は、異常判定部３６に入力される。
異常判定部３６には、負荷電流検出部３１で検出された負荷電流、負荷電圧検出部３２で検出された負荷電圧、及び入力電力計算部３５で計算された入力電力を示す信号が入力される。異常判定部３６では、負荷電流と負荷電圧とを積算することで、加工負荷１３で消費される負荷電力が計算されるとともに、加工負荷１３の消費電力と、アーク溶接機１０の機器全体の消費電力との比率であるアーク電力率が計算される。
そして、異常判定部３６では、このアーク電力率が所定の閾値（標準の溶接条件下におけるこれらの比率）よりも著しく低下した場合に、電力供給経路において異常が発生して電力ロスが多くなったと判定するようにしている。
具体的に、標準の溶接条件下において、アーク溶接機１０の入力電力が１０ｋＷ、負荷電力が５ｋＷ、溶接出力側抵抗部２７の消費電力が２ｋＷの場合、機器内部の消費電力は、１０－５－２＝３ｋＷとなる。このとき、アーク電力率は、（５／１０）×１００＝５０％となる。
ここで、溶接出力側抵抗部２７に不具合が生じ、溶接出力側抵抗部２７の消費電力が６ｋＷになった場合、負荷電力がそのまま変化していないので、入力電力は、５＋６＋３＝１４ｋＷとなる。このとき、アーク電力率は、（５／１４）×１００＝約３６％となる。
そして、異常判定部３６は、アーク電力率が低下した場合に、電力供給経路において異常が生じたものと判定して、異常信号を出力制御部３４に出力する。出力制御部３４では、異常判定部３６からの異常信号に基づいて、電力供給経路において異常が生じたことをモニタに表示したり、出力を停止したりする。
以上のように、本実施形態に係るアーク溶接機１０によれば、異常判定部３６において、アーク電力率の変化を判定することで、電力供給経路における電力ロスを発見することができる。
［効果等］
以上のように、本実施形態に係るアーク溶接機１０は、加工負荷１３で消費される負荷電力を、負荷電流検出部３１で検出された負荷電流と負荷電圧検出部３２で検出された負荷電圧とに基づいて計算する。また、アーク溶接機１０は、アーク溶接機１０の機器全体の消費電力を、入力電力計算部３５で計算する。
そして、加工負荷１３で消費される電力に対するアーク溶接機１０の機器全体の消費電力の比率が、所定の閾値（標準の溶接条件下におけるこれらの比率）よりも著しく低下した場合に、電力供給経路において異常が発生して電力ロスが多くなったと判定するようにしている。
例えば、負荷電流１８０Ａ、負荷電圧２３．６Ｖの条件下でアーク溶接を行うものとした場合、単純に、アーク溶接の平均消費電力は、（１８０×２３．６）／１０００＝４．２ｋＷとなる。
一方、アーク溶接機１０の機器全体の消費電力が、標準の溶接条件下で５．１ｋＷであるとした場合、アーク溶接の平均消費電力と機器全体の消費電力との比率であるアーク電力率は、（４．２／５．１）×１００＝８２％程度となる。
そして、例えば、電力供給経路において、１ｋＷの電力ロスがあったと仮定すると、機器全体の実消費電力は６．１ｋＷになり、アーク電力率は、（４．２／６．１）×１００＝約６８％にまで低下する。このように、本実施形態に係るアーク溶接機１０は、アーク電力率の変化を判定することで、電力供給経路における電力ロスを発見することができる。
なお、アーク電力率は、溶接条件によって異なることから、電力ロスを発見するための閾値は、任意に設定できるようにすればよい。
例えば、溶接条件の１つである出力経路の延長ケーブルの長さを２０ｍとした場合、２Ｖ程度の電圧降下があったと仮定すると、負荷電流が２００Ａの場合には、単純に４００Ｗの電力ロスが発生することになる。
このように、使用者の溶接条件次第では、アーク電力率の初期値が様々な値になるため、アーク電力率は、任意に設定できるようにすればよい。また、固定溶接条件だけを使用する使用者では、機器の電力消費量だけの変化を読み取って、電力消費量が増大した場合に、電力ロスが発生したと判定してもよい。
なお、入力電力計算部は、入力整流部と、スイッチング部の出力電圧を降圧するトランス部とに接続してもよい。また、交流電源から電力変換部に入力される入力電流及び入力電圧を検出する入力検出部を設けておき、入力電力計算部と入力検出部とを接続してもよい。
《実施形態２》
図２は、実施形態２に係るアーク溶接機１０ａの構成を示す概略図である。以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
図２に示すように、アーク溶接機１０ａは、実施形態１の入力電力計算部３５に替えて、入力電力計算部３５ａを備えている。実施形態１の入力電力計算部３５がスイッチング部２２の出力電流を入力としていたのに対し、入力電力計算部３５ａは、トランス部２３の出力電流を入力としている。すなわち、入力電力計算部３５ａは、入力整流部２１の出力電圧と、トランス部２３の出力電流とを入力とし、入力された出力電圧と出力電流とを積算することで、電力変換部２０に入力された入力電力を計算する。なお、入力電力計算部３５ａに対して、入力整流部２１の出力電流と、トランス部２３の出力電圧とを入力して、入力電力を計算するようにしてもよい。入力電力計算部３５ａで計算された入力電力を示す信号は、異常判定部３６に入力される。
異常判定部３６には、負荷電流検出部３１で検出された負荷電流、負荷電圧検出部３２で検出された負荷電圧、及び入力電力計算部３５ａで計算された入力電力を示す信号が入力される。異常判定部３６では、負荷電流と負荷電圧とを積算することで、加工負荷１３で消費される負荷電力が計算され、また、加工負荷１３の消費電力と、アーク溶接機１０ａの機器全体の消費電力との比率であるアーク電力率が計算される。
そして、異常判定部３６では、このアーク電力率が所定の閾値（標準の溶接条件下におけるこれらの比率）よりも著しく低下した場合に、電力供給経路において異常が発生して電力ロスが多くなったと判定するようにしている。
《実施形態３》
図３は、実施形態３に係るアーク溶接機１０ｂの構成を示す概略図である。以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
図３に示すように、アーク溶接機１０ｂは、実施形態１のアーク溶接機１０の構成に加えて入力検出部３８を備えている。また、アーク溶接機１０ｂは、実施形態１のアーク溶接機１０の入力電力計算部３５に替えて、入力電力計算部３５ｂを備えている。
入力検出部３８は、アーク溶接機１０ｂの入力端子１６と入力整流部２１とを繋ぐ入力相（図３に示す例では３相）に接続されている。入力検出部３８は、各相の実効電流と実効電圧とを検出する。
入力電力計算部３５ｂは、実施形態１の入力電力計算部３５が入力整流部２１の出力電圧と、スイッチング部２２の出力電流とを入力としていたのに対し、入力検出部３８で検出された各相の実効電流と実効電圧とを入力としている。すなわち、入力電力計算部３５ｂは、入力検出部３８で検出された各相の実効電流と実効電圧とを入力とし、入力された各相の実効電流及び実効電圧の平均値を積算することで、電力変換部２０に入力された入力電力を計算する。入力電力計算部３５ｂで計算された入力電力を示す信号は、異常判定部３６に入力される。
異常判定部３６には、負荷電流検出部３１で検出された負荷電流、負荷電圧検出部３２で検出された負荷電圧、及び入力電力計算部３５ｂで計算された入力電力を示す信号が入力される。異常判定部３６では、負荷電流と負荷電圧とを積算することで、加工負荷１３で消費される負荷電力が計算され、また、加工負荷１３の消費電力と、アーク溶接機１０ｂの機器全体の消費電力との比率であるアーク電力率が計算される。
そして、異常判定部３６では、このアーク電力率が所定の閾値（標準の溶接条件下におけるこれらの比率）よりも著しく低下した場合に、電力供給経路において異常が発生して電力ロスが多くなったと判定するようにしている。
以上説明したように、本開示のアーク溶接機は、電力供給経路の異常による電力ロスを発見することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
１０，１０ａ，１０ｂ アーク溶接機
１１ 電極
１２ 母材
１３ 加工負荷
１５ 交流電源
２０ 電力変換部
２１ 入力整流部
２２ スイッチング部
２３ トランス部
３１ 負荷電流検出部
３２ 負荷電圧検出部
３４ 出力制御部
３５，３５ａ，３５ｂ 入力電力計算部
３６ 異常判定部
３８ 入力検出部

Claims (5)

  1. アーク溶接用の電極と母材とを含む加工負荷に負荷電力を供給してアーク溶接を行うアーク溶接機であって、
    交流電源からの交流電力を入力として、前記負荷電力に変換する電力変換部と、
    前記電力変換部への入力電力を計算する入力電力計算部と、
    前記加工負荷に供給された負荷電流を検出する負荷電流検出部と、
    前記加工負荷に供給された負荷電圧を検出する負荷電圧検出部と、
    前記負荷電流検出部で検出された負荷電流と前記負荷電圧検出部で検出された負荷電圧とに基づいて前記加工負荷への負荷電力を計算し、前記加工負荷への負荷電力及び前記入力電力計算部で計算された入力電力に基づいて、前記交流電源から前記加工負荷に至る電力供給経路の異常を判定する異常判定部とを備えることを特徴とするアーク溶接機。
  2. 前記電力変換部は、前記交流電源の交流電力を直流電力に整流する入力整流部と、前記入力整流部の出力電力を所定の周波数の交流電力に変換するスイッチング部とを有し、
    前記入力電力計算部は、前記入力整流部の出力電圧又は出力電流の一方と、前記スイッチング部の出力電圧又は出力電流の他方とに基づいて、前記電力変換部に入力された入力電力を計算することを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機。
  3. 前記電力変換部は、前記交流電源の交流電力を直流電力に整流する入力整流部と、前記入力整流部の出力電力を所定の周波数の交流電力に変換するスイッチング部と、前記スイッチング部の出力電圧を降圧するトランス部とを有し、
    前記入力電力計算部は、前記入力整流部の出力電圧又は出力電流の一方と、前記トランス部の出力電圧又は出力電流の他方とに基づいて、前記電力変換部に入力された入力電力を計算することを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機。
  4. 前記交流電源から前記電力変換部に入力される入力電流及び入力電圧を検出する入力検出部を備え、
    前記入力電力計算部は、前記入力検出部で検出された入力電流及び入力電圧に基づいて前記電力変換部に入力された入力電力を計算することを特徴とする請求項１記載のアーク溶接機。
  5. 前記負荷電流検出部で検出された負荷電流及び前記負荷電圧検出部で検出された負荷電圧に基づいて前記スイッチング部の動作を制御する出力制御部を備え、
    前記出力制御部は、前記異常判定部の判定結果に基づいてその動作が制御されることを特徴とする請求項２乃至３のうち何れか１つに記載のアーク溶接機。
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