JP7220013B2 - welding power supply - Google Patents
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Description
本発明は、溶接電源装置に関する。 The present invention relates to a welding power supply.
インバータ式溶接電源装置において、変圧器の偏磁によりスイッチング素子に過大電流が流れることによる破損防止に関する発明は既に多くなされている。特許文献1では、スイッチング素子に流れる電流が異常になると一定時間停止し、その後再始動する際、異常を検知した反対の極性から始動する方法が提案されている。また、特許文献2では、変圧器に流れる一次電流と溶接電源の出力電流から変圧器の巻き数比に従って変圧器の励磁電流を算出し、算出した励磁電流が基準値を超えるとその半周期の期間のスイッチング素子の駆動を停止する方法も提案されている。
In an inverter type welding power supply, many inventions have already been made to prevent damage due to excessive current flowing through a switching element due to biased magnetism of a transformer.
インバータ式溶接電源装置において、変圧器の偏磁した状態が継続し、スイッチング素子に過大電流が短時間に繰り返し流れると、スイッチング素子が二次降伏を起こし破損してしまう問題がある。 In an inverter type welding power supply, if the transformer continues to be magnetized and an excessive current repeatedly flows through the switching element in a short period of time, there is a problem that the switching element is damaged due to secondary breakdown.
特許文献1では、変圧器の偏磁による過電流保護が動作し、一時停止したときできるだけ早く再始動するための方法が提案されている。また、特許文献2では、変圧器の偏磁が発生した時は、半周期の期間のスイッチング素子の駆動を停止するのみである。したがって、特許文献1、2では、変圧器の偏磁した状態が継続した場合、短時間にスイッチング素子に繰り返し過電流が流れることは防止できず、スイッチング素子の二次降伏による故障を防止できない。
本発明の目的は、変圧器の偏磁した状態が継続しても、スイッチング素子の二次降伏による故障を防止することである。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to prevent failures due to secondary breakdown of switching elements even if the state of biased magnetization of a transformer continues.
上述した課題を解決するために、請求項1の発明は、
直流電力を高周波電力に変換するインバータ部と、
前記インバータ部によって発生させた前記高周波電力を所定の電圧に変換する変圧器と、
前記変圧器の一次巻線に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器の検出した電流値が基準値を超えた場合は過電流信号を発生する過電流検出器と、
前記変圧器の二次巻線により前記所定の電圧に変換された高周波電力を直流電力に整流する溶接出力部と、
を備えており、
前記インバータ部は、前記過電流検出器が前記過電流信号を発した場合、一時動作を停止した後再始動し、所定時間内に所定回数、前記過電流信号が発生した場合、動作を停止する、
ことを特徴とする溶接電源装置である。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of
an inverter unit that converts DC power into high-frequency power;
a transformer for converting the high-frequency power generated by the inverter unit into a predetermined voltage;
a current detector that detects the current flowing through the primary winding of the transformer;
an overcurrent detector that generates an overcurrent signal when the current value detected by the current detector exceeds a reference value;
a welding output unit that rectifies the high-frequency power converted to the predetermined voltage by the secondary winding of the transformer into DC power;
and
When the overcurrent detector generates the overcurrent signal, the inverter section temporarily stops operation and then restarts, and when the overcurrent signal is generated a predetermined number of times within a predetermined time, the inverter section stops operating. ,
This welding power supply is characterized by:
請求項2の発明は、
前記インバータ部は、一時動作を停止した後再始動する場合、前記インバータ部のスイッチング素子のオン時間を徐々に広げていく、
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接電源装置である。
The invention of
When restarting after temporarily stopping the operation of the inverter unit, the ON time of the switching element of the inverter unit is gradually extended.
The welding power source device according to
本発明によれば、変圧器の偏磁した状態が継続しても、スイッチング素子の二次降伏による故障を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent failure due to secondary breakdown of the switching element even if the transformer remains in a state of magnetism bias.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
〔実施の形態〕
図1は、本発明の実施の形態に係る溶接電源装置の接続図および各機能のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。直流電源1は、直流電圧および直流電流をインバータ部2に出力するものであり、例えば、商用周波数の交流電源を整流する整流回路と、平滑する平滑コンデンサを備えている。
[Embodiment]
FIG. 1 is a connection diagram and a block diagram of each function of a welding power supply according to an embodiment of the present invention. Each block will be described below with reference to FIG. The
インバータ部2は、直流電源1から入力される直流電圧および直流電流を高周波の直流電圧および直流電流に変換し、変圧器3に出力する。インバータ部2は、フルブリッジ式のインバータであり、4個のスイッチング素子21から24を備えている。本実施の形態では、スイッチング素子21から24としてIGBT(絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ)を使用している。なお、スイッチング素子21から24はIGBTに限定されず、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などであってもよい。
変圧器3は、インバータ部2から入力される高周波電圧を一次巻線に印加し、一次巻線と二次巻線の巻き数比に応じた電圧に変圧して、溶接出力部4に出力する。
The
溶接出力部4は、ダイオード51、52および直流リアクトル6を備え、変圧器3の二次巻線から入力される高周波電圧を直流に変換するとともに、電流を平滑化して、溶接電流Iwとしてアーク負荷7に出力する。
The welding output unit 4 includes diodes 51 and 52 and a DC reactor 6, converts the high-frequency voltage input from the secondary winding of the
電流検出器CTは、変圧器3の一次巻線電流Ipを検出し、一次電流値Idとして過電流検出部8に出力する。
The current detector CT detects the primary winding current Ip of the
過電流検出部8は、一次電流値Idの絶対値が過電流検出基準値Vsを超えた時、LowからHighに切り替わる過電流信号OCPを発生し、インバータ部2の制御部25に出力する。なお、一次電流値Idの波形は、図2に示すとおり、正負両極性であるため、一次電流Idが下限値-Vsを超えて下がった時および上限値Vsを超えて上がった時に、過電流検出部8は過電流信号OCPをLowからHighに切り替え、一次電流Idが下限値-Vsから上限値Vsの範囲内に戻った時に、過電流検出部8は過電流信号OCPをHighからLowに切り替える。
The
インバータ部2は、スイッチング素子21から24、制御部25および駆動部26のブロックで構成されている。
The
インバータ部2の制御部25は、スイッチング素子21から24を駆動する信号PWMを駆動部26に出力するとともに、過電流検出部8の過電流信号OCPをもとに次の処理を行い、停止信号Stを駆動部26に出力する。
1)過電流検出部8の過電流信号OCPがLowからHighに切り替わった瞬間、制御部25は駆動部26に停止信号St(High)を出力し、停止信号Stにより駆動部26はインバータ部2のスイッチング素子21から24の駆動を一時停止し、インバータ部2を一時停止させる。
2)インバータ部2が一時動作を停止してから所定の時間が経過後、制御部25は駆動部26に出力していた停止信号StをHighからLowに切り替える。停止信号StがLowになると、駆動部26は、インバータ部2のスイッチング素子21から24の駆動を再始動するが、再始動時はスイッチング素子21から24のオンできる時間幅(最大Duty比)を交流変換周波数(インバータ周波数)の半周期ごとに徐々に広げる制御を制御部25は行い、いわゆるソフトスタートによる再始動を行う。
3)所定時間内に所定回数以上、過電流検出部8の出力である過電流信号OCPがLowからHighに切り替わった場合、制御部25は停止信号StをLowからHighに切り替え、駆動部26はインバータ部2のスイッチング素子21から24の駆動を停止し、インバータ部2は動作を停止する。この場合の停止信号StがHighの状態は、作業者が溶接電源装置の電源スイッチ(図示しない)をオフするまでの間保持されるので、インバータ部2は動作を停止した状態を保つ。
The
1) At the moment when the overcurrent signal OCP of the
2) After a predetermined period of time has passed since the
3) When the overcurrent signal OCP, which is the output of the
インバータ部2の駆動部26は、制御部25の駆動信号PWMをもとにスイッチング素子21から24の駆動を行う。ただし、制御部25からの停止信号StがLowの時のみインバータ部2のスイッチング素子21から24の駆動を行い、停止信号StがHighの時は、スイッチング素子21から24の駆動を停止する。
The
前述のとおり、インバータ部2は、直流電源1から入力される直流電圧および直流電流をスイッチング素子21から24をオン/オフし、高周波の直流電圧および直流電流に変換し、変圧器3に出力する。また、過電流検出部8の過電流信号OCPにより、スイッチング素子に流れる電流が基準値以上になると、スイッチング素子21から24の駆動を一時停止する過電流保護動作を行うが、所定時間内に所定回数以上、この過電流保護動作が行われた場合は、インバータ部2は動作を停止する。
As described above, the
図2は、本発明の実施の形態における変圧器3が偏磁を起こし、過電流検出部8が過電流信号OCPを発生するときの動作を説明するタイミングチャートである。以下、同図を参照して過電流信号OCPによりインバータ部2が動作を一時停止した後、再始動するときの動作を説明する。
FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation when the
同図(a)は、インバータ部2から変圧器3に流れる一次巻線電流Ipである。本発明の実施の形態におけるインバータ部2の交流変換周波数(インバータ周波数)は50kHzであり、変圧器3の一次巻線には同図(a)に示すように、50kHzの高周波の交流電流が流れる。同図(b)は、電流検出器CTの出力である一次電流値Idであり、変圧器3の一次巻線電流Ipに応じた波形となる。時刻t0以前は、変圧器3は偏磁することなく同図(a)に示すように、変圧器3の一次巻線電流Ipは正負ともにバランスのとれた波形となっている。
4A shows the primary winding current Ip flowing from the
時刻t0:時刻t0において、スイッチング素子21から24のスイッチングスピードのバラツキなどの要因により、変圧器3が徐々に偏磁され始める。すると、変圧器3の励磁インダクタンスが小さくなり、同図(a)に示すように、変流器3の一次巻線電流Ipは正負でバランスを崩し、正負どちらかの電流が大きくなる。なお、同図(a)では、正側の電流が大きくなった場合を示しているが、負側の電流が大きくなることもある。
Time t0: At time t0, due to factors such as variations in the switching speeds of the switching elements 21 to 24, the
時刻t1:時刻t1において、変圧器3の偏磁が大きくなり、同図(b)に示すように、一次電流値Idが過電流検出部8の過電流検出基準値Vsを超えた時点で、同図(c)に示すように、過電流検出部8は過電流信号OCPをLowからHighに切り替える。すると、同図(d)に示すように、インバータ部2の制御部25は、ただちに停止信号StをLowからHighに切り替える。停止信号StがHighに切り替わったため、駆動部26はインバータ部2のスイッチング素子21から24の駆動をt2の時点まで一時停止する。インバータ部2は一時停止したため、同図(a)、(b)に示すように、変圧器3の一次巻線電流Ipおよび一次電流値Idは零となり、同図(c)に示すように、過電流信号OCPはHighからLowに切り替わる。
Time t1: At time t1, the magnetic bias of the
時刻t1からt2:過電流信号OCPによりインバータ部2が一時停止した時点t1から再始動する時点t2まで期間、制御部25は、同図(d)に示すように、停止信号StをHighに保ち、駆動部26はインバータ部2のスイッチング素子21から24の駆動を停止するため、インバータ部2は一時停止している。時刻t1からt2までの一時停止期間は、本発明の実施の形態においては、100μSの短い期間に設定され、電流検出器CTに使用している変流器の消磁を行うことを目的としている。なお、電流検出器CTに電流シャントなどの偏磁しないものを使用する場合は、100μSよりも短い期間に設定することもできる。
Time t1 to t2: During the period from time t1 when the
時刻t2:時刻t2において、同図(d)に示すように、停止信号TsはHighからLowに切り替わる。駆動部26は、停止信号StがLowに切り替わったため、インバータ部2のスイッチング素子21から24の駆動を再開し、インバータ部2は再始動を行う。ただし、インバータ部2の制御部25は、スイッチング素子21から24がオンできる時間幅を最大Dutyで再始動するのではなく、次に述べるとおり最大Dutyの10%から100%まで10%刻みで、交流変換周波数(インバータ周波数)の半周期ごとに徐々に大きくしていく。
Time t2: At time t2, the stop signal Ts switches from High to Low as shown in FIG. Since the stop signal St has switched to Low, the
時刻t2からt3:インバータ部2が再始動を開始した時刻2でのスイッチング素子21から24がオンできる時間幅は、最大Dutyの10%であり、交流変換周波数(インバータ周波数)の半周期ごと10%ずつ増やしていく。本発明の実施の形態においては、最大Dutyは8μSに設定されており、時刻t2においては10%の0.8μSから0.8μS刻みで10μSごとに大きくなり、100μS経過した時刻t3において、100%の8μSとなる。したがって、同図(a)に示すとおり、変圧器3の一次巻線電流Ipは、時刻t2からt3にかけて、幅と振幅が徐々に大きくなっていく電流波形となる。
Time t2 to t3: The time width in which the switching elements 21 to 24 can be turned on at
上述したとおり、過電流検出部8が過電流信号OCPを発生させた場合(LowからHighに切り替わった場合)、インバータ部2の制御部25は、停止信号StをLowからHighに切り替え、100μS間一時停止した後、停止信号StをHighからLowに切り替え、100μSの期間でソフトスタートによる再始動を行い、過電流保護動作を行う。しかし、100μS程度の短い期間では、変圧器3の消磁は行われず、変圧器3の偏磁した状態は継続したままである。そのため、あまり頻繁にこの過電流が流れる状態を繰り返すと、スイッチング素子21から24の半導体チップに過電流が繰り返し流れることよるヒートスポットと呼ばれる温度の高い部分が発生し、二次降伏(Secondary Breakdown)を起こしてしまい、スイッチング素子21から24を破損してしまう。
As described above, when the
この対策として、本発明の実施の形態においては、インバータ部2の制御部25は、3mS間に8回、この過電流保護動作が繰り返されると、停止信号StをHighに切り替え、Highの状態を保持する。そのため、駆動部26は、停止信号StがHighの状態を保っているため、インバータ部2のスイッチング素子21から24の動作を停止する。3mS間に8回に設定したのは、スイッチング素子21から24に使用しているIGBTの連続繰り返し最大コレクタ電流を流せる期間は、数mSに限られている。そのため、スイッチング素子21から24の最大オン時間Ton=8μS、過電流保護時の一時停止時間T=100μS、過電流保護動作の繰り返し検出時間Ts=3mS、過電流保護動作の繰り返し検出回数Ns=8回とすると、この間に最大コレクタ電流に近い電流がスイッチング素子21から24に流れている時間は、下式で求められる。
(Ton/T)×Ts×Ns=(8/100)×3mS×8=1.92mS
この、最大コレクタ電流に近い電流が流れている時間を数mS以内に抑えることで、IGBTの二次降伏を防止している。なお、インバータ部2の制御部25が停止信号StをHighに保持するのは、作業者が溶接電源装置の電源スイッチを切るまで保持されるので、溶接電源装置の電源スイッチを切るまでの間インバータ部2は停止した状態を保つ。この対策により、スイッチング素子21から24の二次降伏にいたるまでに、インバータ部2は動作を停止することができ、スイッチング素子21から24の二次降伏による破損を防止できる。
As a countermeasure, in the embodiment of the present invention, the
(Ton/T)×Ts×Ns=(8/100)×3mS×8=1.92mS
The secondary breakdown of the IGBT is prevented by suppressing the time during which the current close to the maximum collector current is flowing within several milliseconds. The
前述してとおり、過電流保護の一時停止後の変圧器3は、まだ充分な消磁が行われておらず、偏磁した状態であるので、スイッチング素子21から24がオンできる時間幅を最大Dutyで再始動すると、ただちに、同図(c)の時刻t1の過電流信号OCPがLowからHighに切り替わる時点に戻ってしまう。そのため、時刻t2からt3までの期間で徐々に最大Dutyまで広げることにより、再び変圧器3の偏磁による過電流での一時停止が頻発しないようにするためであり、このソフトスタートによる再始動により、過電流保護による一時停止の発生頻度を減らせことはでき、3mS間に8回以上、過電流検出部8が過電流信号OCPを発生させることを防止でき、スイッチング素子21から24の二次降伏を防止するためにインバータ部2が停止状態に陥る頻度を低減できる効果がある。
As described above, the
1 直流電源
2 インバータ部
3 変圧器
4 溶接出力部
6 直流リアクトル
7 アーク負荷
8 過電流検出部
21から24 スイッチング素子
25 制御部
26 駆動部
51、52 ダイオード
CT 電流検出器
Ip 一次巻線電流
Id 一次電流値
Iw 溶接電流
St 停止信号
Vs 過電流検出基準値
PWM スイッチング素子の駆動信号
1
Claims (2)
前記インバータ部によって発生させた前記高周波電力を所定の電圧に変換する変圧器と、
前記変圧器の一次巻線に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器の検出した電流値が基準値を超えた場合は過電流信号を発生する過電流検出器と、
前記変圧器の二次巻線により前記所定の電圧に変換された高周波電力を直流電力に整流する溶接出力部と、
を備えており、
前記インバータ部は、前記過電流検出器が前記過電流信号を発した場合、一時動作を停止した後再始動し、所定時間内に所定回数、前記過電流信号が発生した場合、動作を停止する、
ことを特徴とする溶接電源装置。 an inverter unit that converts DC power into high-frequency power;
a transformer for converting the high-frequency power generated by the inverter unit into a predetermined voltage;
a current detector that detects the current flowing through the primary winding of the transformer;
an overcurrent detector that generates an overcurrent signal when the current value detected by the current detector exceeds a reference value;
a welding output unit that rectifies the high-frequency power converted to the predetermined voltage by the secondary winding of the transformer into DC power;
and
When the overcurrent detector generates the overcurrent signal, the inverter section temporarily stops operation and then restarts, and when the overcurrent signal is generated a predetermined number of times within a predetermined time, the inverter section stops operating. ,
A welding power supply device characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の溶接電源装置。 When restarting after temporarily stopping the operation of the inverter unit, the ON time of the switching element of the inverter unit is gradually extended.
The welding power source device according to claim 1, characterized in that:
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