JPH0364226B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は電源電圧や温度の変動などの外乱に対
して出力変動がほとんどなく、しかも溶接中の短
絡とアークとの組り返しによる負荷の急激な変動
に対してもすぐれた過渡応答特性を発揮する直流
溶接電源に関するものである。

＜従来の技術＞ 従来の直流溶接電源には、フイードバツクルー
プを構成しないオープンループ方式と、設定電圧
に出力電圧を帰還し差電圧により出力を決定する
フイードバツクループ方式とが知られている。そ
して、前者のオープンループ方式の電源において
は出力が設定値により一義的に決定されるので負
荷の影響を全く受けることはない。したがつてア
ーク溶接におけるように短絡とアークとの繰り返
しによる急激な負荷変動がある場合においても良
好な過渡応答特性が得られる。しかし電源電圧が
変動するとそれに比例して出力が変動してしま
い、また温度変化によつても制御回路の温度ドリ
フトの影響がそのまま出力に現われるので正確な
出力の制御は期待できない。

これに対して後者のフイードバツク方式におい
ては電源電圧や周囲温度の変化に対しては出力を
常に正確に保つことができるが前述のアーク溶接
におけるような急激な負荷の変動に対しては出力
が不安定になる欠点がある。

短絡とアークとが最も頻繁に繰り返されるシヨ
ートアーク溶接について上記欠点を説明する。第
１図はシヨートアーク溶接時の溶接電圧波形を示
す図であつて同図に示されたＡの期間はアークが
発生している期間であり、Ｂは電極が被溶接物に
短絡している期間であつて短絡電流によつて電極
が加熱されるに従い短絡時の電圧はゆつくり上昇
する。このような変化を示す負荷においてフイー
ドバツク方式の制御を行うと、短絡期間Ｂにおい
ては出力電圧が極端に低くほぼ零となるので設定
電圧と出力電圧との差は最大、即ち出力過小の信
号を発することになり最大出力に近い値にまで増
大させるべく動作する。このため出力回路には過
大な短絡電流が流れることになり溶接が非常に不
安定となる。これを防ぐ方法として、出力検出回
路にフイルター回路を接続し第１図に示す溶接電
圧波形を平滑して出力の平均値を得てこれを設定
電圧と比較して行うもの、あるいは設定電圧との
比較は第１図に示すような電圧にて行ない、両電
圧の差電圧をフイルター回路を介して平滑化する
方法が提案されている。しかしこのような方法に
おいては、フイルター回路にコンデンサなどの一
次遅れ要素が含まれるために過渡応答がオープン
ループ方式に比べて悪くなり、出力変動時に回復
が遅れてアークが不安定となる。

本発明者は先に上記の欠点を解消し、オープン
ループ方式の過渡特性の良好さと、フイードバツ
クループ方式の電源電圧または温度の変動などの
外乱に対する安定性との両方の長所を備えた直流
溶接電源を提案した。（特公昭51−33511号、特開
昭51−16256号） 第２図は本発明者が先に提案した直流溶接電源
の例を示す構成図である。同図において１は図示
を省略した交流電流から溶接に適した電圧の出力
の出力を得る変圧器、２は変圧器１の出力を整流
し直流に変換する整流回路、３は整流回路２の出
力をON−OFF制御して出力を調整するトランジ
スタやサイリスタなどのスイツチング素子、４は
スイツチング素子３によりパルス状にチヨツパ制
御された出力を平滑して脈動分を除去して溶接用
出力とするための第１の平滑回路である。第１の
平滑回路４の出力は図示しない制御装置によつて
所定の速度で溶接部に送給される電極５および被
溶接物６に供給されて溶接アークを生ずる。７は
第２の平滑回路であり、第１の平滑回路とは電力
容量が小となるだけで略同じ周波数特性を有する
ものが望ましい。８は第２の平滑回路７に接続さ
れたモデル負荷であり固定の抵抗器を用いる。９
は出力電圧を設定するための基準電圧設定回路で
あり、１０はモデル負荷８の端子電圧を検出する
ための電圧検出回路である。１１は基準電圧設定
回路９の出力と電圧検出回路１０の出力とを比較
し差信号を出力する比較器であり、１２は比較器
１１の出力に対応したパルス幅のパルスを比較的
高い例えば数ｋHzから10kHz程度の一定の周波数
で発振するパルス幅変調器を利用したスイツチン
グ素子３の導通量を制御する駆動回路である。

第２図の装置において、第２の平滑回路７、モ
デル負荷８、基準電圧設定回路９、電圧検出器１
０、比較器１１、駆動回路１２およびスイツチン
グ素子３の回路はクローズドループ方式のフイー
ドバツクループ制御系を構成している。電圧検出
回路１０の出力電圧e_fがフイードバツクされて基
準電圧設定回路９の設定電圧e_rと比較器１１で比
較され、差電圧（e_r−e_f）を得る。駆動回路１２
はこの差電圧によつて定まる幅のパルスを発生し
スイツチング素子３をON−OFF制御する。この
結果、第２の平滑回路７を経てモデル負荷８に供
給される出力は基準電圧設定回路９の設定値に正
しく比例する値に保持される。一方、溶接部への
出力回路には何らフイードバツク系を有せず、駆
動回路１２の出力パルスによつて導通するスイツ
チング素子３の出力がそのまま第１の平滑回路４
を経て電極５および被溶接物６に供給される。い
ま駆動回路１２の出力パルスによつてスイツチン
グ素子３のON時間がt1、OFF時間がt2であると
きスイツチング素子３の出力電圧の平均値Esは、
整流回路２の出力電圧をE₀とすると、 Es＝t1／t1＋t2・E₀ となる。ここで第２の平滑回路７によつて定まる
定数をK2としたときモデル負荷８への出力電圧
e_fは、 e_f＝K2・Es ＝K2・t1／t1＋t2・E₀ ……(1) となる。一方、第１の平滑回路４によつて定まる
定数をK1とすば、第１の平滑回路４の出力電圧
E_Wは、 E_W＝K1・ES＝K1・t1／t1＋t2・E₀ ……(2) となる。(1)および(2)式より E_W＝K1／K2・e_f ……(3) となる。

(3)式においてK1／K2の値は平滑回路４および
７の構造により一定である。またe_fはフイードバ
ツクループ制御により正しくe_rに比例しているか
ら溶接電圧E_Wも正しく基準電圧設定回路９の設
定値e_rに比例することになる。しかもこの出力電
圧は電源電圧や温度が変動しても駆動回路１２が
フイードバツク制御により制御されているから、
その特質上、これらの影響は十分に補正され、か
つ溶接用の出力自体はオープンループ方式の制御
系であるため、負荷の急激な変動に対してもすぐ
れた応答性が得られる。この結果、総合的に応答
性がよく、しかも外乱に対しても安定した出力特
性を有する電源が実現できる。

ここでスイツチング素子を用いる理由について
説明する。従来の直流溶接電源においてはその出
力の制御はサイリスタを用いて商用交流電源を位
相制御により調整することが行なわれている。こ
のような位相制御による場合は出力にリツプル分
が非常に多く含まれており、これを溶接に支障の
ない程度に減少させるためにはサイリスタの出力
側に近い遮断周波数のローパスフイルタを設ける
必要がある。そしてこのフイルタ回路を簡略にす
るために三相全波整流、六相半波整流などの多相
整流回路が用いられている。しかし多相整流回路
を用いても商用交流を位相制御する限りはリツプ
ルの存在は皆無にはできず、また制御可能な最少
単位が商用交流波形の半波あるいは多相整流とし
たときはこの数分の１の期間であるので、微細な
出力の調整が困難であつた。また出力電圧をフイ
ードバツクする際にもこのリツプル分が誤差とし
て含まれるので、これを除去するためにフイルタ
ーを用いると、先にシヨートアーク溶接において
クローズドループ制御を行う場合の欠点として述
べたと同様にフイルターに含まれる遅れ要素のた
めに応答性の悪い制御系となつてしまう。

これに対して商用交流を一旦直流に交換した後
にスイツチング素子３によりチヨツパ制御すると
出力の応答性はスイツチング素子以降の応答性に
のみ関係し、これより前、即ち商用交流から直流
を得る間の応答速度とは無関係となる。したがつ
て整流回路２には十分低い遮断周波数のローパス
フイルタ設けることが可能となり、かつまた整流
回路自体も単なるダイオードによる全位相にわた
る整流を行うためリツプル分をほとんど含まない
直流出力が容易に得られる。もちろんこの整流回
路を三相あるいは六相などの多相整流回路にすれ
ばさらに完全な直流が得られる。しかもこのよう
にして得られた直流電圧はスイツチング素子によ
り商用交流の周波数よりも十分に高い周波数のパ
ルスでチヨツパ制御されるので、その出力電圧に
はこの高い周波数のリツプル分しか含まれない。
したがつて平滑回路４および７は極く簡単なフイ
ルタで十分にリツプルの除去が可能である。さら
にこのような簡単なフイルタ回路は遅れ要素が極
めて小であるので、フイードバツク制御系を構成
するモデル負荷８の制御系においても何ら影響を
与えないから、負荷が固定のモデル負であること
とともにフイードバツクループ方式の制御にもか
かわらず極めて優れた応答性を有するようにな
る。

＜発明が解決しようとする問題点＞ ところでスイツチング素子にトランジスタを用
いた場合には過電流に弱く、一度でも最大定格を
越えると永久破壊されることはよく知られてい
る。しかも本発明が対象とするアーク溶接におい
ては、出力端子が実質上短絡される機会が極めて
多く、特にシヨートアーク溶接法においてこの短
絡とアークとが常態的にくりかえされる。またこ
のシヨートアーク溶接法においては短絡発生時の
出力電流の立上り速度および最大電流の値には使
用する電極ワイヤによりそれぞれ適値があり、こ
れがあまり急速であつたり過大な電流となつたり
するとスパツターの発生が増加して溶接が不安定
となるばかりでなくブローホールの発生など溶接
結果に悪影響を及ぼすことが知られている。従来
これらの決定のためには出力回路に直列にリアク
トルを接続し、このリアクトルのインピーダンス
を適当に選定することによつて行なわれていたが
その選定は段階的でありかつその変更も簡単には
行えなかつた。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明においては、これを容易にかつ連続的に
行い得るようにしたもので、上限電流設定回路と
出力電流検出回路とを設けて出力電流が設定値よ
り大となつたときにはこれを検出して電流が過大
となるのを抑制せんとするものである。

＜実施例＞ 第３図は本発明の実施例を示す構成図である。
同図において、１〜１０は第２図に示した従来装
置と同様の機能を有するものを示す。１１′は第
２図の比較器１１と同様に基準電圧設定回路９の
出力E_rから電圧検出器１０の出力E_fを差引き（E_r
−E_f）を得る電圧比較器である。１３は溶接電圧
を検出する電流検出器、３２な出力電流の上限値
を設定する上限電流設定回路である。１５は電流
検出器３１の出力Ifと上限電流設定回路３２の出
力Irとを比較しIr＜Ifとなつたときに差出力Ir−If
＝ｉを発生する電流比較器である。１６は電圧比
較器１１′の出力ｅと電流比較器１５の出力ｉと
を受けて両入力信号の合成信号に対応した信号に
よりスイツチング素子３の導通量を決定するパル
スを発生する駆動回路である。

ここで、出力電流Ifが上限電流設定値Irを越え
ない間は、電流比較器１５からは何も出力されな
いから第２図に示した従来装置と同様に基準電圧
設定器９の出力信号E_rに対応した導通量となるよ
うにスイツチング素子３が制御されて出力電圧を
一定値に保つ。

次に出力電流Ifが上限電流設定値Irより大とな
つたときを考える。このとき電流比較器１５は両
者の差信号Ir−If＝ｉを出力する。この出力信号
ｉは電圧比較器１１′の出力ｅと駆動回路１６に
おいて合成される。この合成に際してｉの比率を
ｅに対して十分大としておくか、または電圧比較
器１１′の出力ｅによりスイツチング素子３を導
通させるパルスの平均流通時間を調整し、かつ電
流比較器１５の出力ｉによりパルスの振幅を調整
するようにしておけば、第１の駆動回路１６はそ
の内部において略ｉに対応したパルスを発生する
のでスイツチング素子３の出力は常に上限設定器
１４の設定値Irに比例した値を超えることはな
く、設定電流付近では略定電流特性となる。この
ときの外部特性を出力電流に横軸に、出力電圧を
縦軸にして第４図のイに示す。

ところで先に説明したような短絡とアークとを
繰り返す行うシヨートアーク溶接法においては必
らずしもこの外部特性が設定値において完全な定
電流特性に近い方がよいとは限らない。即ち短絡
の前後において電圧・電流特性に若干の傾斜を設
けた方が溶接の安定性に有利な場合がある。この
ような場合には、駆動回路１６に電圧比較器１
１′の出力ｅおよび電流比較器１１の出力ｉにそ
れぞれ零以外の係数ａおよびｂを乗じて合成信号
（ae＋bi）なる信号を得る演算回路を設けて、こ
の演算結果をパルス幅変調器に入力してスイツチ
ング素子３を駆動するパルスを得るようにすれば
よい。この場合、係数ａおよびｂの選定により第
４図のロおよびハに示すように出力電流が上限設
定値を超えるまでは完全な定電圧特性を示すが、
出力電流が上限設定値を越えた後は傾きが（−
ｂ／ａ）を有してスロープ状に変化する外部出力
特性となる。このとき出力電流の最大値、即ち特
性曲線の電流軸との交点Imaxは、つぎのように
して求めることができる。

制御系のゲインガ十分大であれば、 ae＋bi ＝ａ(Er-Ef)＋ｂ(Ir-If) ≒０ ……(4) となるから、上記(4)式においてEf＝０としてお
けば、 Imax＝１／ｂ・(aEr+bIr) ……(5) となる。

したがつて係数ａ、ｂを適宜に定めることによ
り任意の傾きの外部特性曲線が得られ、そのとき
の短絡電流の値は上記(5)式によつて求められる。
この場合、短絡電流Imaxの値をスイツチング素
子３の安全定格電流以内に定めることはもちろん
である。

上記第３図の実施例においては、スイツチング
素子の駆動回路１６は入力信号に対応した幅のパ
ルスを一定周波数で発生するパルス幅変調器を利
用するものとして説明したがこれら駆動回路は上
記に限られるものではなく、パルス幅は一定で入
力信号に対応した周波数のパルスを発生する電圧
制御発振器を利用しても同様の目的は達成でき
る。

さらに溶接条件は使用する溶接電極に対応して
一義的に定まることが多いので出力電流の上限値
を制限する機能をも兼ね備えた本発明において
は、上限電流値を他の溶接条件、例えば出力電圧
の設定値に連動させたり、または電極の送給速度
によつて溶接電流が定まることから溶接電極の送
給速度設定値に連動させることによつて出力設定
動作の一元化が可能となる。この場合、上限電流
設定器は基準電圧設定器や溶接電極の送給速度設
定器の出力を受けてこれに対応した出力を得る係
数器を上限電流設定回路として用いればよい。

＜発明の効果＞ 以上のように本発明の直流溶接電源において
は、負荷の急変に対する過渡特性はオープンルー
プ方式の特長である優れた応答性を有し、電源電
圧、温度その他の外乱に対してはフイードバツク
ループ方式の特長である優れた精度を有し、しか
も出力の調整を商用交流を整流回路により直流に
変換した後、スイツチング素子によりON−OFF
制御するチヨツパ制御により行うので、このチヨ
ツパ周波数の商用交流の周波数にくらべて十分高
い値に設定することにより出力の平滑が極めて容
易に行えるので出力中のリツプルの除去は容易に
行える。しかもこの平滑のための回路の時定数は
極く短いもので十分であるのでフイードバツクム
ープの応答性も通常の商用周波を位相制御する従
来例に比べて極めて良好となる。さらに設定され
た上限値以上に出力電流が増加したときは、上限
値に制限されるかまたは一定のスロープで出力電
圧電流特性が垂下するので、出力短絡が頻繁に発
生するアーク溶接においてもスイツチング素子が
過電流で破壊されることがなく、またアーク溶接
に適した短絡時の電流変化特性を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はシヨートアーク溶接時の溶接電圧の変
化の様子を示す図、第２図は従来の装置の例を示
す構成図、第３図は本発明の実施例を示す構成
図、第４図は第３図の実施例によつて実現される
本発明の溶接電源の外部出力特性図である。 １……変圧器、２……整流回路、３……スイツ
チング素子、４……第１の平滑回路、７……第２
の平滑回路、８……モデル負荷、９……基準電圧
設定回路、１０……電圧検出器、１１……比較
器、１１′……電圧比較器、１２，１６……駆動
回路、１３……電流検出器、１４……上限電流設
定回路、１５……電流比較器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 交流電源から溶接に適した電圧の出力を得る
   変圧器と、前記変圧器の出力を整流して直流出力
   を得る整流回路と、前記整流回路の出力を所要の
   値に調整するためのスイツチング回路と前記スイ
   ツチング回路の出力を平滑して溶接負荷に電力を
   供給する第１の平滑回路と、前記スイツチング回
   路の出力を平滑して略固定のモデル負荷に出力を
   供給する第２の平滑回路と、前記第２の平滑回路
   の出力電圧を設定するための基準電圧設定回路
   と、前記モデル負荷の端子電圧を検出する電圧検
   出回路と、前記基準電圧設定回路の出力電圧と前
   記電圧検出回路の出力電圧とを比較し差電圧を得
   る電圧比較器と、出力電流の最大値を設定する上
   限電流設定回路と、出力電流検出器と、前記出力
   電流検出器の出力信号が前記上限電流設定回路の
   出力信号を超えて大となつたときに両信号の差に
   応じた信号を出力する電流比較器と、前記電圧比
   較器の出力と電流比較器の出力との合成信号に応
   じてスイツチング回路の導通量を制御するスイツ
   チング回路駆動回路とを具備した直流溶接電源。 ２ 前記駆動回路は、入力信号に対応した幅のパ
   ルスを一定周期で発生するパルス幅変調器である
   特許請求の範囲第１項に記載の直流溶接電源。 ３ 前記駆動回路は、入力信号に対応した周波数
   のパルスを一定のパルス幅で発生する電圧制御発
   振器である特許請求の範囲第１項に記載の直流溶
   接電源。 ４ 前記駆動回路には、前記電圧比較器の出力ｅ
   に係数ａ（ただしａは零以外の任意の数）を乗じ、
   前記電流比較器の出力ｉに係数ｂ（ただしｂは零
   以外の任意の数）を乗じ、合成出力（ae＋bi）を
   得る演算回路を含む特許請求の範囲第１項ないし
   第３項のいずれか一つに記載の直流溶接電源。 ５ 前記上限電流設定回路は、前記基準電圧設定
   器の出力信号を受けて設定信号に対応した信号を
   出力する回路である特許請求の範囲第１項に記載
   の直流溶接電源。 ６ 前記上限電流設定回路は、別途用意される溶
   接電極送給速度制御装置から送給速度設定信号を
   受けて設定信号に対応した信号を出力する回路で
   ある特許請求の範囲第１項に記載の直流溶接電
   源。