JPH0363463B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 産業上の利用分野 この発明は、スイツチングトランジスタを用い
てアルミニウム等に対するアーク溶接を行うアー
ク溶接機用電源装置に関する。

(b) 従来の技術 従来の交流アーク溶接機用電源装置として、商
用電源を一旦高周波に変換したのち、変圧と矩形
波への整形を行うアーク溶接機用電源装置が実用
化されている。

このアーク溶接機用電源装置の回路図を第３図
に示す。このアーク溶接機用電源装置では同図に
示すように、三相交流電源７０を整流回路７１お
よび平滑コンデンサ７２で整流平滑したのちスイ
ツチングトランジスタ７３，７４及び出力制御回
路７５で高周波スイツチングを行つて高周波（通
常２〜20KHz）に変換する。さらに高周波出力を
トランス７６で数十〜百数十Ｖに変圧し、整流器
７７，７８、平滑リアクトル７９、平滑コンデン
サ８０で再び直流に変換している。この後、スイ
ツチングトランジスタ８１，８２，８３，８４及
び低周波制御回路８５によつて反転スイツチング
動作を行い、精度の良い矩形波（通常50〜100Hz）
の溶接電流を得るようにしている。図において、
８６はTIG溶接等を行うときの動作開始時のアー
ク点弧を容易にするための高周波発振器である。
また８９は電流検知器であり、その検出値を出力
制御回路７５にフイードバツクして出力の定電流
制御を行うようにしている。

上記のアーク溶接機用電源装置では、変圧、整
流が高周波で行えるため、変圧器やリアクトルを
高周波用に構成でき、小型化、低価格を実現でき
るとともに、電流検知器８９の検出値に基づく出
力制御回路７５の電流制御が速い応答速度で精度
良く行うことができる。また低周波制御回路８５
によつてスイツチングトランジスタの反転スイツ
チング動作で交流アーク溶接が行え、スイツチン
グトランジスタ８１，８４又は８２，８３のどち
らか一方のオン状態を保持すると直流アーク溶接
が行える。

(c) 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記アーク溶接機用電源装置で
は、起動時にアークスタートが困難な場合があ
る。特に、交流アーク溶接を行う時には、負極性
の電圧を印加するときに母材の熱電子放出を十分
な状態に保つておく必要があるが、母材からの熱
電子放出は溶接電極からの熱電子放出に比べて相
対的に困難である上に、起動時においては溶接電
極と母材間がイオン化されていないためにますま
すアーク状態にするのが困難となる。

このため従来では、起動時において完全なアー
ク状態になるまで高周波発振器を動作させ、しか
も、交流溶接時には正極性から負極性に転極する
ときにもアーク再点弧の失敗の可能性があるた
め、アークがスタートした後も続けて高周波発振
器を動作させていた。

しかし、高周波を発生させることは、高周波ノ
イズを多く発生させることになり、電源側にIC
等を用いた機器があつたり、溶接ロボツト等のマ
イクロコンピユータを使用した機器があればその
機器を誤動作させる恐れがあつた。しかも、上記
の構成ではリアクトルの容量が小さいために、小
電流交流アーク溶接を行おうとするとリアクトル
の蓄積エネルギーが小さすぎて実際上小電流領域
での交流アーク溶接が出来ないという問題があつ
た。

この発明の目的は、上記欠点に鑑み、高周波発
振器の駆動を連続させなくても、簡単な構成によ
つて確実なアークスタートと交流アーク動作時の
アーク持続を実現出来、しかも小電流領域での交
流アーク溶接も安定して行えるアーク溶接機用電
源装置を提供することにある。

(d) 問題点を解決するための手段 この発明のアーク溶接機用電源装置は、交流の
電源を一旦直流にする第１の整流回路と、直流に
された電圧を高周波に変換する高周波変換回路
と、高周波の電圧を変圧する変圧器と、変圧器の
出力を正及び負に整流する整流回路と、正の整流
出力を平滑する平滑リアクトルおよび平滑コンデ
ンサを含む第１の平滑回路と、負の整流出力を平
滑する平滑リアクトルおよび平滑コンデンサを含
む第２の平滑回路と、前記第１および第２の平滑
回路の平滑出力を切り換えて正極性または負極性
で溶接電極および母材に印加する開閉回路とを有
し、 前記第１、第２の平滑回路それぞれの平滑コン
デンサに無負荷時の平滑出力よりも大きな電圧の
直流電源を接続するとともに、起動時に一定時
間、正極性の平滑出力を選択して溶接電極および
母材に対して印加する手段を前記開閉回路に設け
たことを特徴とする。

(e) 作用 この発明に係るアーク溶接機用電源装置では、
交流電源が第１の整流回路で一旦直流に整流さ
れ、高周波変換回路で高周波に変換される。さら
に高周波電圧が変圧器で変圧され、第２の整流回
路により正および負の整流電圧が取り出される。
この二つの整流出力は第１の平滑回路および第２
の平滑回路でそれぞれ平滑され、正極性または逆
極性で溶接電極および母材に印加される。このと
き開閉回路で正極性と負極性を交互に切り換える
と交流アーク溶接が行われる。

起動時においては、まず一定時間、正極性の平
滑出力を選択して溶接電極および母材に対して印
加する。印加する電圧は正極性であるために負極
性の電圧を印加するのに比較してアーク状態に移
行しやすくなる。また直流電源の電圧は、それを
接続していないときの無負荷平滑出力よりも大き
いために、さらにアーク状態に移行しやすくな
る。一定時間の間、溶接電極と母材との間を上記
の電圧印加状態にしておくことにより、最初の小
電流の状態からイオン化が促進されていき、つい
にはアークスタートする。

また、交流アーク時には、アーク状態において
正極性から負極性に切り換わるときに、平滑リア
クトルの出力に平滑コンデンサの充電電圧が加え
られた大きさの電圧が負荷に印加されるが、平滑
コンデンサには、直流電極の電力が常時充電され
ているために、正極性から負極性への転極時の印
加電圧が大きくなる。このためアーク再点呼の失
敗がない。さらに、平滑コンデンサには直流電源
から常時充電されているために、平滑リアクトル
の容量が小さくても、平滑回路全体から負荷に供
給されるエネルギーが大きくなる。このため小電
流交流アーク動作も可能になる。

なお、以上のように起動時でスムースなアーク
スタートとなり、且つ動作時においてもアーク保
持が容易となるために、高周波発振器の使用が殆
ど不要となる。

(f) 実施例 第１図はこの発明の実施例である交流アーク溶
接機用電源装置の回路図である。

同図において第１の整流回路２は、全波整流回
路１０で構成されている。全波整流回路１０は、
三相交流電源１に接続されている。また全波整流
回路１０には、平滑コンデンサ１１ａ，１１ｂの
直列回路が並列に接続されている。平滑された直
流電圧は高周波変換回路３に供給される。

高周波変換回路３は、変圧器４に接続された直
列接続のトランジスタ１２，１３と、これらのト
ランジスタ１２，１３を交互にオンオフさせる高
周波変換回路制御部１４とで構成されている。変
圧器４の一次巻線は、トランジスタ１２，１３の
接続点とコンデンサ１１ａ，１１ｂの接続点間に
配置され、トランジスタ１２，１３、平滑コンデ
ンサ１１ａ，１１ｂおよび変圧器４の一次巻線と
でハーフブリツジ回路が構成されている。

変圧器４の二次出力は整流平滑され、後述する
開閉回路７によつて選択的に溶接電極を８と母材
に導かれる。

前記二次巻線の両端子にはダイオード３１，３
２，３３，３４で構成される整流回路５が接続さ
れている。整流回路５では、ダイオード３０，３
１，３２の整流出力が中間タツプに対して正極に
なり、ダイオード３３，３４の整流出力が中間タ
ツプに対して負極になる。この正の整流出力が平
滑リアクトル６ａに導かれ、負の整流出力が平滑
リアクトル６ｂに導かれている。

本実施例では、平滑リアクトル６ａ，６ｂが同
一コアに巻かれており、その巻線方向を平滑リア
クトル６ａ，６ｂにそれぞれに生じる誘起電圧が
負荷を基準に相互に逆方向になるよう設定してい
る。平滑リアクトル６ａの出力端子と中間タツプ
に接続された電流検知器２３のもう一方の端子と
の間には、ダイオード３８と平滑コンデンサ４０
の直列回路が接続され、さらにダイオード３８に
並列に平滑コンデンサ４０の放電用抵抗４２が接
続されている。

前記平滑コンデンサ４０には、並列に小容量の
直流電源５１と限流用抵抗５３との直列回路を接
続している。直流電源５１の電圧は、それを接続
しない場合の無負荷平滑出力（電圧）よりも大き
い。第１の平滑回路は、この平滑コンデンサ４
０、平滑リアクトル６ａ、ダイオード３８で構成
される。ダイオード３８は平滑リアクトル６ａの
出力を平滑コンデンサ４０に導く。

また、上記電流検知器２３の溶接電極側端子と
平滑リアクトル６ｂとの間には、ダイオード３９
と平滑コンデンサ４１の直列回路が接続され、さ
らにダイオード３９に並列に平滑コンデンサ４１
の放電用抵抗４３が接続されている。

さらに前記平滑コンデンサ４１には、並列に小
容量の直流電源５２と限流用抵抗５３の直列回路
が接続されている。直流電源５２の電圧は、それ
を接続しない場合の無負荷平滑出力（電圧）より
も大きい。第２の平滑回路は、この平滑コンデン
サ４１、平滑リアクトル６ｂ、ダイオード３９で
構成されている。

上記平滑リアクトル６ａを含む平滑回路および
平滑リアクトル６ｂを含む平滑回路の正負の平滑
出力は、開閉回路７に導かれる。開閉回路７はト
ランジスタ３６，３７およびこれらのトランジス
タのオンオフ制御を行うスイツチングトランジス
タ制御部２２とで構成される。

開閉回路７では、アーク溶接動作時にスイツチ
ングトランジスタ制御部２２で、トランジスタ３
６，３７を交互にオンさせ、正負の平滑出力を母
材に印加させる。これによつて溶接電極８と母材
９間に低周波の矩形波電流を流し、交流アーク溶
接を行う。

スイツチングトランジスタ制御部２２は、電源
オン時においてトランジスタ３６のオン信号を出
力する。このオン信号は、後述のタイマ６０から
スイツチング開始信号を受けたときに停止し、そ
れ以後スイツチングトランジスタ３６，３７のオ
ン・オフ信号を交互に出力する。この動作を行う
回路構成としては、例えば、交互にオン・オフ信
号を出力する回路要素としてマルチバイブレータ
を用い、タイマ６０の出力が出ていないときトラ
ンジスタ等のスイツチをオンさせて、その出力を
マルチバイブレータの片側のスイツチ素子のゲー
トに導き、マルチバイブレータの状態を所定の状
態に設定して発振動作を行わせない回路構成にす
る。このようにすることで、タイマ６０が出力を
出していないときには、マルチバイブレータのオ
ン・オフ状態が所定の状態になり、発振動作が行
われない。したがつて、マルチバイブレータの出
力をそれぞれスイツチングトランジスタ３６，３
７に導くことで、タイマ６０がスイツチング開始
信号を出力するまでに、スイツチングトランジス
タ３６をオン状態に設定しておき、かつ、タイマ
６０がスイツチング開始信号を出力したときに、
２つのスイツチングトランジスタ３６，３７を交
互にオン・オフ動作させることが出来る。

前記溶接電極８には高周波発振器２４が接続さ
れている。この高周波発振器２４は、電流検知器
２３が出力電流を検知していないときに駆動さ
れ、検知しているときには駆動されない。

また、電流検知器２３の出力はタイマ６０にも
導かれている。このタイマ６０は電流検知器２３
が出力電流を検知したときに起動され、一定時間
を計時したときに低周波制御回路のスイツチング
トランジスタ制御部２２に駆動信号を出力する。

次に上記実施例において平滑リアクトル６ａ，
６ｂの作用を説明する。

最初に交流アークが保持されているときの動作
について説明する。

第１図に示す開閉回路のトランジスタ３６，３
７のオン状態を交互に切り換えると、溶接電極８
と母材９間に正極性、逆極性でアーク電圧が印加
される。すなわち、トランジスタ３６のオン時に
は、ダイオード３１，３２の整流出力を平滑リア
クトル６ａおよび平滑コンデンサ４０で平滑し溶
接電極８と母材９に導く。またトランジスタ３７
のオン時には、ダイオード３３，３４により整流
された整流出力を平滑リアクトル６ｂ及び平滑コ
ンデンサ４１で平滑し、溶接電極８と母材９に導
く。上記アーク印加時に溶接電極８と母材９間に
交流の溶接負荷電流が流れる。

いま、トランジスタ３６がオンからオフにな
り、溶接極性が正極性から逆極性になる転極時に
ついての動作を考える。この時には、負荷、すな
わち溶接電極８と母材９間に印加される電圧は平
滑リアクトルの出力に平滑コンデンサの充電電圧
が加えられた電圧となる。ここで、平滑コンデン
サに充電されている電圧は、前回の転極後から平
滑リアクトル６ｂの出力を充電した電圧と、常に
充電している直流電源５２の電圧との和である。
このうち、直流電源５２による電圧分は相対的に
かなり大きい。このため、平滑コンデンサに蓄え
られているエネルギーが非常に大きく、正極性か
ら逆極性に転極するときにも、負荷に対して大き
な電圧（エネルギー）が印加され、確実にアーク
状態が保持される。

さらに本実施例では、上述のように平滑リアク
トル６ａ，６ｂを同一コアに巻回してそれぞれの
誘起電圧が逆方向になるようにしているため、上
記の動作がより確実となる。いま、正極性から負
極性への転極時を考えると、平滑リアクトル６ａ
には第１図に示す矢印Ｌ方向の誘起電圧V₁が発
生する。このとき、この誘起電圧V₁によつて磁
束がコアに発生し、リアクトル６ｂに第１図に示
す矢印Ｍ方向（誘起電圧V₁と負荷を基準にして
逆方向）の誘起電圧V₂が発生する。また電圧V₁
は平滑コンデンサ４０に充電される。誘起電圧
V₁，V₂は相互に逆方向である。すなわち、誘起
電圧V₁は正極性の溶接電流と同方向になり誘起
電圧V₂は逆極性の溶接電流と同方向になる。そ
のため、転極時に第１図に示すダイオード３３，
３４により整流した負の整流出力電圧（逆極性の
溶接電圧）は誘起電圧V₂だけ高くなり、その分
平滑リアクトルの出力電圧を上げる。これにより
先の説明の直流電源の作用と相まつて逆極性にお
ける母材９の熱電子放出を容易にし正極性から逆
極性への移行時のアークを持続させる。

また、トランジスタ３７をオンからオフさせ、
トランジスタ３６をオフからオンさせると、母材
９から溶接電極８に溶接電流が流れる。この転極
時には、通常のアーク電圧で溶接電極の熱電子放
出が行えるためアークが持続するが、本実施例で
はこの転極時にも、出力電圧が増大された平滑リ
アクトル出力に、直流電源５１の電圧が充電され
ている平滑コンデンサ４０の充電電圧を加算して
いるためさらにアーク持続性が高まる。

このようにこの実施例では、変圧器の出力を正
負に整流する整流回路５の出力をそれぞれ平滑す
る第１および第２の平滑リアクトル６ａ，６ｂを
設け、さらにその平滑出力を開閉回路７で溶接電
極８および母材９に切り換えて印加することによ
り、交流アーク溶接を行うことが出来るとととも
に、溶接極性の正極性から逆極性への移行時に、
平滑リアクトル６ａに発生する誘起電圧によつて
平滑リアクトル６ｂに誘起する電圧と、直流電源
によつて常に充電されている平滑コンデンサの充
電電圧とを整流出力に重畳して、容接電極８と母
材９間に印加したため、母材９の熱電子放出が容
易になり、アークの失弧を防止することができ
る。

次に起動時の動作を説明する。

第２図は起動時の信号波形図を示している。

時間t1で電源がオンすると、電流検知器２３が
まだ出力電流を検知していないため高周波発振器
２４が動作を開始する。また、交流電源は高周波
変換されて変圧され、整流、平滑されてスイツチ
ングトランジスタ３６，３７にそれぞれ印加され
ている。この状態ではタイマ６０が起動していな
いために、スイツチング開始信号がスイツチング
トランジスタ制御部２２に供給されていない。こ
のため、スイツチングトランジスタ制御部２２は
トランジスタ３６に対してオン信号を供給し続け
ている。すなわち、平滑された出力はスイツチン
グトランジスタ３６を介して、正極性出力として
負荷に供給される。

このようにして正極性出力が供給されていると
きの電圧は、平滑回路の出力となるが、平滑コン
デンサ４０には、直流電源５１の電圧が充電され
ており、しかも、その電圧は直流電源５１が接続
されていないときの無負荷平滑出力よりも大きい
ために、この段階で負荷に供給される電圧はかな
り大きい。

一方、上記のように高周波発振器２４も駆動さ
れているために、短時間の間に出力電流が流れ始
める。しかしこの電流は、まだ完全にアーク状態
になつていないため小電流の範囲にある。時間t2
は出力電流が流れ始めた時点を示す。出力電流が
流れ始めると電流検知器２３がその状態を検知
し、タイマ６０および高周波発振器２４に出力す
る。タイマ６０はこの時点で起動され、且つ高周
波発振器２４はこの時点で動作を停止する。高周
波発振器２４が動作を停止しても、起動が正極性
で行われ、且つ印加電圧が上記のように高いため
にイオン化が促進されアーク放電に至る状態が保
持される。タイマ６０は溶接電極８と母材９が上
記の小電流状態によつて十分暖められるまでの時
間Ｔを計時したとき、スイツチング開始信号を出
力する。この信号が出力されると（t3）、スイツ
チングトランジスタ制御部２２が動作を開始し、
スイツチングトランジスタ３６，３７に対して交
互にオン・オフ信号を出力する。

以上の動作により、起動時においてスムースに
且つ確実にアーク状態に移行させることが出来
る。なお、本実施例では交流アーク溶接機用電源
装置を示したが、t3以後スイツチングさせなけれ
ば直流アーク溶接機用電源装置となる。

(g) 発明の効果 以上のようにこの発明に係るアーク溶接機用電
源装置では、平滑コンデンサに直流電源を接続
し、且つ起動時に一定時間、正極性の出力を印加
するだけの簡単な構成でスムースで確実なアーク
スタートを実現出来る。また、交流アーク動作中
の正極性から負極性への転極時においてもアーク
再点呼が確実なものとなり、安定した溶接を行う
ことが出来る。さらに、高周波発振器を常時動作
しておかなくてもアークスタート、スタート後の
動作を安定なものに出来る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例である交流アーク溶
接機用電源装置の回路図である。第２図は同電源
装置の起動時の信号波形図、第３図は従来のアー
ク溶接機用電源装置の回路図である。 １……交流電源、２……第１の整流回路、３…
…高周波変換回路、４……変圧器、５……整流回
路、７……開閉回路、８……溶接電極、９……母
材、５１，５２……直流電源、６０……タイマ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 交流の電源を一旦直流にする第１の整流回路
   と、直流にされた電圧を高周波に変換する高周波
   変換回路と、高周波の電圧を変圧する変圧器と、
   変圧器の出力を正及び負に整流する第２の整流回
   路と、正の整流出力を平滑する平滑リアクトルお
   よび平滑コンデンサを含む第１の平滑回路と、負
   の整流出力を平滑する平滑リアクトルおよび平滑
   コンデンサを含む第２の平滑回路と、前記第１お
   よび第２の平滑回路の平滑出力を切り換えて正極
   性または負極性で溶接電極および母材に印加する
   開閉回路とを有し、 前記第１、第２の平滑回路それぞれの平滑コン
   デンサに無負荷時の平滑出力よりも大きな電圧の
   直流電源を接続するとともに、起動時に一定時
   間、正極性の平滑出力を選択して溶接電極および
   母材に対して印加する手段を前記開閉回路を設け
   たことを特徴とする交流アーク溶接機用電源装
   置。