JPH0639270U - アーク加工用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】商用交流電源を入力とし、整流して直流に変換
した後にインバータ回路によって高周波交流に変換し、
さらにアーク加工に適した特性の出力に変換する方式の
アーク加工用電源装置において、平滑回路のコンデンサ
容量を低減した安価な装置を提案する 【構成】平滑回路を比較的大容量の電解コンデンサと低
抵抗値の抵抗器とからなる直列回路とこの直列回路に並
列に接続された比較的小容量のフイルムコンデンサとか
ら構成したアーク加工用電源装置。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、商用交流電源を入力とし、整流して直流に変換し、得られた直流出 力を平滑回路によって平滑した後にインバータ回路によって高周波交流に変換し た後にさらにアーク加工に適した特性の出力に変換する方式のアーク加工用電源 装置において、平滑回路のコンデンサ容量を低減した安価な装置に関するもので ある。

【０００２】

【従来の技術】

（従来技術１） 図１は、商用交流電源を入力とし、整流平滑後にインバータ回路によって高周 波交流に変換しさらにアーク加工法に適した出力を得るアーク加工用電源装置の 従来例でありフルブリッジ方式のインバータ回路を有する定電流形直流電源装置 の例を示したものである。

【０００３】 図１において、１ａ〜１ｃは、三相交流電源に接続される入力端子であり、２ は電源スイッチ、３ａ〜３ｆは、整流用ダイオードであり、三相ブリッジ形整流 回路３を構成している。４ａは電流制限用抵抗器、４ｂは平滑用コンデンサであ り、抵抗器４ａおよびコンデンサ４ｂによって平滑回路４を構成している。５ａ 〜５ｄはスイッチング用トランジスタであり、整流回路３および平滑回路４によ って得られた直流出力を高周波交流に逆変換するインバータ回路５を構成する。 ６は変圧器であり、インバータ回路５の出力電圧をアーク加工に適した電圧に変 換する。７は整流回路、８は直流リアクトル、９はアーク負荷であり電極９ａ被 加工物９ｂおよびアーク９ｃからなる。１０は出力電流検出器、１１は出力電流 設定器、１２は出力電流設定器１１の設定値Ｉｒと出力電流検出器１０の出力Ｉ ｆとを入力とし差信号ΔＩ＝Ｉｒ−Ｉｆを出力する誤差増幅器、１３は誤差増幅 器１２の出力信号ΔＩに応じてインバータ回路５のスイッチング素子５ａ〜５ｄ の導通時間幅を制御するパルス幅制御式のインバータ制御回路である。

【０００４】 図１の装置において、三相交流電源は整流回路３によって整流された後に平滑 回路４にて平滑されてインバータ回路５に供給される。インバータ回路５におい て、この直流出力は高周波交流に変換されて変圧器６にて所定の電圧に変換され る。変圧器６の出力は整流回路７によって平滑された後に直流リアクトル８を経 てアーク負荷９供給される。この出力電流は、検出器１０によって検出されて検 出信号Ｉｆとなり、誤差増幅器１２にて出力電流設定器１１の設定値Ｉｒと比較 されて差信号ΔＩ＝Ｉｒ−Ｉｆがインーバタ制御回路１３に供給される。インバ ータ制御回路１３においては、入力信号ΔＩに応じたパルス幅でかつ予め定めら れた一定周波数のパルス信号が生成され、インバータ回路５を構成するスイッチ ング用トランジスタ５ａと５ｂ、５ｃと５ｄをそれぞれ１組として交互に各組の トランジスタを同時に導通させる信号ｓ1 ，ｓ2 を出力する。この結果、出力電 流は出力電流設定器１１の設定値に応じた一定電流に保たれる。

【０００５】 （従来技術２） 図２は、従来技術の別の回路構成例を示し、従来技術１の平滑回路４のコンデ ンサ容量を低減した一例を示すものである。

【０００６】 図２において、図１に示した従来装置と異なる部分は平滑回路４のみであり、 その他は全く同様であるので同機能のものに同符号を付してある。図２において 平滑回路４は抵抗器ＲとダイオードＤＲとの並列回路にコンデンサＣ１を直列接 続した回路と、この回路に並列接続されたコンデンサＣ２からなる。

【０００７】 ここでコンデンサＣ２は、周波数特性のよいフィルムコンデンサ等が用いられ る。またコンデンサＣ１は、一般に電解コンデンサが用いられる。抵抗器Ｒはコ ンデンサＣ１の充電電荷を放電するためのもので数十Ωの比較的大きな抵抗値の ものを用いているのが普通である。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】 従来技術１においては、平滑用コンデンサとしての電解コンデンサ４ｂの容量 が実際に必要な容量以上に大きいものを用いることが必要となるために装置が大 型になりさらにコストアップになっている。

【０００９】 即ち、平滑用コンデンサには、インバータ回路のスイッチングにより間欠的に 流れる高周波の放電電流と、商用周波電源からの充電電流の合成電流がリプル電 流として流れる。平滑用コンデンサとして用いられる電解コンデンサは等価的な 内部抵抗値が比較的大きく前記リプル電流による発熱が無視できず電解コンデン サの温度上昇となって現れる。温度が１０度Ｃ上昇すると寿命が半減するといわ れるように電解コンデンサの寿命は温度と密接な関係がある。そこで電解コンデ ンサの等価的な内部抵抗値を減らす方法として数個の電解コンデンサを並列接続 して用いる方法がとられる。その結果、装置に用いる電解コンデンサの容量が必 要以上に増えることになる。例えば、リプル率を低減するためだけであれば１０ ００μＦ程度でよいものが、要求される寿命を確保するために全体として１０， ０００μＦ程度の電解コンデンサを使用しているのが現状である。

【００１０】 平滑用コンデンサが大容量となったときの問題点は次の二つにわけられる。 第一には、突入電流の問題であり、電源スイッチ投入時の突入電流が過大になっ て、このために一次側開閉器の溶着およびヒユーズの溶断等の問題があり、電流 制限用抵抗器４ａが必要であった。この電流制限用抵抗器４ａは、装置の通常運 転時には抵抗発熱による損失が過大であるため、装置の効率低下と発生する熱の 処理が問題であった。また、前記抵抗器４ａと並列にスイッチを設けて、装置の 通常運転時にはこのスイッチを閉にして前記の問題を解決する方法もあるが、大 容量のスイッチが必要であった。

【００１１】 第二には、図３に示すように、装置の通常運転時の入力電流Ｉが正弦波ではな く、間欠的な電流波形となるため、平滑用コンデンサの容量が大きいと入力電流 のピーク値が大となって、入力電流実効値が大きくなり力率を悪くしていること である。

【００１２】 また、従来技術２においては、平滑用コンデンサの容量を小さくできるので入 力電流のピーク値が小さくなり入力電流実効値も小さくなって、力率は改善され るもののコンデンサＣ１の突入電流制限用抵抗がないので、突入電流は大きくこ れによるスイッチの溶着、ヒューズの溶断等の問題が残る。

【００１３】 さらに、ダイオードＤＲはこの突入電流に耐える大きな容量のダイオードが必 要であり安価な装置にはならない。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

本考案の装置は、商用交流電源を入力とし、整流して直流に変換し、得られた 直流出力を平滑回路によって平滑した後インバータ回路によって高周波交流に変 換した後にさらにアーク加工に適した特性の出力に変換する方式のアーク加工用 電源装置において、前記平滑回路を商用周波電流の充放電と低周波のサージ電圧 を吸収するための比較的大容量の電解コンデンサと前記作用を損なわない程度の 低抵抗値の抵抗器とからなる直列回路と、前記直列回路に並列に接続した比較的 小容量のフイルムコンデンサとから構成したアーク加工用電源装置である。

【００１５】

【作用】

本考案の装置は、平滑回路を上記のようにすることによって、平滑用コンデン サの平滑作用を損なわずにしかも商用電源ラインから混入する低周波のサージ電 圧も吸収するために電解コンデンサが有効に作用し、前記電解コンデンサと直列 に接続する低抵抗器は前記電解コンデンサの作用を必要最小限の容量の電解コン デンサで実現させるものである。また、インバータ回路の高速スイッチング時に 発生する高周波のサージ電圧吸収のためにフィルムコンデンサが有効に作用する ものである。

【００１６】

【実施例】

図４に本考案の実施例を示す。同図において図１に示した従来装置と異なる部 分は平滑回路４のみであり、その他は全く同様であるので同機能のものに同符号 を付してある。平滑回路４は、抵抗器ＲａとコンデンサＣ１ａとの直列回路と、 この直列回路に並列に接続されたコンデンサＣ２ａとからなる。

【００１７】 ここでコンデンサＣ２ａはインバータ回路へ供給する高周波のリプル電流を負 担するとともにスイッチング動作時に発生する高周波のサージ電圧を吸収するた めのコンデンサであり、その容量は装置の出力電流に対応し、スイッチング動作 時にコンデンサＣ２ａに流れるリプル電流の大きさに依存するが、インバータ回 路の動作周波数を数十ｋＨｚの高周波とするときは数十μＦ程度でよい。またコ ンデンサＣ２ａは高周波のリプル電流を負担し、高周波サージ電圧を吸収するた めに周波数特性のよいフィルムコンデンサを使用する。

【００１８】 このフィルムコンデンサはインバータ回路への高周波電流の供給とスイッチン グ時に発生するサージ電圧の吸収を良くするためにインバータ回路を構成するス イッチング素子の近くに配置して可能な限り配線を短くしておく。 さらに、コンデンサＣ１ａは、商用周波を整流した出力を平滑すると同時に商 用電源ラインから混入する低周波のサージ電圧を吸収するための電解コンデンサ であり、その容量は商用電源ラインのインピーダンスに依存するが、１０００μ Ｆ程度でよい。さらに、抵抗器Ｒａは、コンデンサＣ１ａの前記作用を満たすと ともに、コンデンサＣ１ａとＣ２ａおよび配線のインダクタンスによって発生す る共振をなくし、かつ必要以上にリプル電流を流さない範囲で適当な抵抗値のも のを用いる。

【００１９】 ここで商用電源ラインから混入する低周波のサージ電圧が最も顕著に表れるの が電源投入時であるので、電源投入時について考察する。

【００２０】 図５（Ａ）は、図１の従来技術１における平滑回路を有する装置の入力部分だ けの等価回路を示す。

【００２１】 電源電圧をＥとすると、そのピーク値は（２）^1/2 ・Ｅとなるので、装置の入 力電圧の最大値は（２）^1/2 ・Ｅの直流電圧とみなせる。Ｌ１、Ｒ１は一次側配 線のインダクタンスと抵抗分である。Ｓは主電源スイッチである、Ｃ３は平滑用 コンデンサである。

【００２２】 図５（Ａ）は、よく知られたＬＣＲ直列共振回路の構成であり、主電源スイッ チＳ投入時のコンデンサＣ３の電圧は式１に示す条件のとき振動的となりＣ３に 過充電されることがわかる。

【００２３】

【式１】

【００２４】 したがって、一次側配線のインダクタンスＬ１に比べてコンデンサＣ３の容量 が小さすぎるとこの振動も顕著になり、過充電される電圧も高くなることがわか る。

【００２５】 図５（Ｂ）は、本考案の入力部の等価回路を示したものであり、コンデンサＣ ４と抵抗器Ｒ４の直列回路をコンデンサＣ３と並列に追加してコンデンサＣ３の 見かけの容量を増やして主電源スイッチＳ投入時の振動を防止して過充電を抑制 している。

【００２６】 ここでコンデンサＣ４の容量は主電源スイッチ投入時に振動的にならない範囲 の容量で十分であり、抵抗器Ｒ４はそのコンデンサＣ４の作用が維持できる範囲 で大きいほうがコンデンサＣ４に流れるリプル電流が抑制できて、必要最小限の 容量に抑えることができる。

【００２７】 ここで、具体的な例として２０ｋＶＡ程度の容量の電源装置について、各定数 を実験により求めた。

【００２８】 実験において、スイッチング素子の近くに配置する周波数特性の良いコンデン サＣ３の容量は、電源装置の運転時に出力電流に略比例したインバータ回路への 高周波リプル電流の大きさに依存するが、本実施例では６０μＦに選定した。

【００２９】 また、一次側電源設備のインダクタンスＬ１と抵抗分Ｒ１は一次側電源設備の かなり悪い条件としてＬ１＝１ｍＨ，Ｒ１＝０．０１Ωと想定して、模擬的に電 源装置の入力側にＬ１＝１ｍＨ，Ｒ１＝０．０１Ωのインダクタを接続し、コン デンサＣ４および抵抗器Ｒ４の定数を色々変えて、主電源スイッチ投入時のコン デンサＣ３の充電電圧を測定した結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】 この結果から、前述のように一次側電源設備のインピーダンスを想定したとき はコンデンサＣ４の容量の下限値として１５００μＦ程度、抵抗器Ｒ４の上限値 として３Ω程度であることがわかる。

【００３２】 図５（Ｃ）は図４の実施例の平滑回路まわりを抜き出したものである。同図に おいて運転時にはコンデンサＣ１ａおよびコンデンサＣ２ａにそれぞれ充放電電 流が流れるので、点線内部で構成する閉ループはＬＣＲ共振回路を構成するので 抵抗器Ｒａはそのダンピング抵抗器の働きを持つことになる。 したがって抵抗器Ｒａは式（２）の関係式を満足する必要がある。

【００３３】

【式２】

【００３４】 ここで、前記閉ループの配線のインダクタンス分をＬ＝０．１μＨとすれば、 式（２）により抵抗器Ｒａは０．１Ωよりも大きな値が必要になる。

【００３５】 従って、抵抗器Ｒａの適正値として Ｒａ ＝０．１Ω〜３Ω コンデンサＣ１ａの適正値として Ｃ１ａ＝１５００μＦ程度 であることがいえる。

【００３６】 本考案を実施した２０ｋＶＡ程度のアーク加工用電源装置についてその効果ま とめると、コンデンサＣ２ａ＝６０μＦ、抵抗器Ｒａ＝１．０Ωを用いることに より

【００３７】 従来の技術１との比較では 平滑コンデンサの容量 １００００μＦ が １５００μＦ に 力率 ０．８ が ０．９ に 突入電流ピーク値 １０００Ａ が ３００Ａ に

【００３８】 にそれぞれ改善された。また、主電源スイッチ投入時の平滑コンデンサの充電電 圧は、一次電源設備がＬ＝１ｍＨ、Ｒ＝０．０１Ωの場合においても従来技術１ で２８０Ｖであったものが本考案でも２８０Ｖであり、過充電されることはなか った。

【００３９】 なお、コンデンサＣ１ａ，Ｃ２ａおよび抵抗器Ｒａの定数は、一次電源設備の インダクタンスと抵抗値、適用する装置の容量などによって変わるものであるこ とは言うまでもない。

【００４０】 さらに、本考案は、図４の実施例に限定されるものではなく、インバータ回路 としてハーフブリッジ方式のもの、フオワードコンバータ方式のものでもよく、 また出力回路として整流回路７の次にスイッチング素子を用いた極性切替回路を 設けて交流出力、直流出力ともに可能としたものなどに適用できる。

【００４１】

【考案の効果】 本考案の装置は、比較的大容量の電解コンデンサと低抵抗値の抵抗器とからな る直列回路と、前記直列回路に並列に接続された比較的小容量のフィルムコンデ ンサにより構成することによって、インバータ回路のスイッチング動作時に発生 する高周波のサージ電圧を吸収するとともに、商用周波の整流出力を平滑し商用 電源ラインから混入する低周波のサージ電圧も吸収する安価な平滑回路が実現で きる。

【００４２】 また、平滑回路のコンデンサ容量を小さくできるので入力電流のピーク値が低 くなり、入力電流の実効値も小さくなって電源装置の力率が改善できる。さらに 主電源スイッチ投入時の突入電流も小さくなるのでスイッチの溶着、ヒューズの 溶断を防止することができる。

【数１】

【数２】

【数３】

【提出日】平成５年５月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２０】 図５（ａ）は、図１の従来技術１における平滑回路を有する装置の入力部分だ けの等価回路を示す。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】 図５（ａ）は、よく知られたＬＣＲ直列共振回路の構成であり、主電源スイッ チＳ投入時のコンデンサＣ３の電圧は式（１）に示す条件のとき振動的となりＣ ３に過充電されることがわかる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】

【数１】

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】 図５（ｂ）は、本考案の入力部の等価回路を示したものであり、コンデンサＣ ４と抵抗器Ｒ４の直列回路をコンデンサＣ３と並列に追加してコンデンサＣ３の 見かけの容量を増やして主電源スイッチＳ投入時の振動を防止して過充電を抑制 している。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】

【表１】

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】 図５（ｃ）は図４の実施例の平滑回路まわりを抜き出したものである。同図に おいて運転時にはコンデンサＣ１ａおよびコンデンサＣ２ａにそれぞれ充放電電 流が流れるので、点線内部で構成する閉ループはＬＣＲ共振回路を構成するので 抵抗器Ｒａはそのダンピング抵抗器の働きを持つことになる。 したがって抵抗器Ｒａは式（２）の関係式を満足する必要がある。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】

【数２】 但し、

【数３】

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３４】 ここで、前記閉ループの配線のインダクタンス分をＬ＝０．１μＨとすれば、 式（２）により抵抗器Ｒａの抵抗値を計算すると

【数４】 となり抵抗器Ｒａの抵抗値は０．１Ωよりも大きな値が必要になる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３６】 本考案を実施した２０ｋＶＡ程度のアーク加工用電源装置についてその効果を まとめると、コンデンサＣ２ａ＝６０μＦ、抵抗器Ｒａ＝１．０Ωを用いること により

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】それぞれ 改善された。また、主電源スイッチ投入時の平滑コンデンサの充電電圧 は、一次電源設備がＬ＝１ｍＨ、Ｒ＝０．０１Ωの場合においても従来技術１で ２８０Ｖであったものが本考案でも２８０Ｖであり、過充電されることはなかっ た。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術１の構成を示す接続図である。

【図２】従来技術２の構成を示す接続図である。

【図３】平滑回路４における入力電圧と電流の各波形を
示す図である。

【図４】本考案の実施例をを示す接続図である。

【図５】（Ａ）は、従来技術１における平滑回路部分の
等価回路を示す図であり、（Ｂ）は、図４の実施例にお
ける平滑回路部分の等価回路を示す図であり、（Ｃ）
は、図４の実施例における平滑回路部分を詳細にした等
価回路を示す図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃ 入力端子 ２ 電源スイッチ ３ 整流回路 ４ 平滑回路 ５ インバータ回路 ６ 変圧器 ７ 整流回路 ９ 直流リアクトル １０ アーク負荷 １１ 出力電流検出器 １２ 出力電流設定器 １３ 誤差増幅器 １４インバータ制御回路 Ｒａ 抵抗器 Ｃ１ａ 電解コンデンサ Ｃ２ａ フイルムコンデンサ Ｌ１ 電源側のインダクタンス Ｒ１ 電源側の抵抗値

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年５月２８日

【手続補正１１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術１の構成を示す接続図である。

【図２】従来技術２の構成を示す接続図である。

【図３】平滑回路４における入力電圧と電流の各波形を
示す図である。

【図４】本考案の実施例をを示す接続図である。

【図５】（ａ）は、従来技術１における平滑回路部分の
等価回路を示す図であり、（ｂ）は、図４の実施例にお
ける平滑回路部分の等価回路を示す図であり、（ｃ）
は、図４の実施例における平滑回路部分を詳細にした等
価回路を示す図である。

【符号の説明】 １ａ、１ｂ、１ｃ 入力端子 ２ 電源スイッチ ３ 整流回路 ４ 平滑回路 ５ インバータ回路 ６ 変圧器 ７ 整流回路 ９ 直流リアクトル １０ アーク負荷 １１ 出力電流検出器 １２ 出力電流設定器 １３ 誤差増幅器 １４ インバータ制御回路 Ｒａ 抵杭器 Ｃ１ａ 電解コンデンサ Ｃ２ａ フイルムコンデンサ Ｌ１ 電源側のインダクタンス Ｒ１ 電源側の抵抗値

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用交流電源を入力とし、整流して直流
   に変換し、得られた直流出力を平滑回路によって平滑し
   た後にインバータ回路によって高周波交流に変換した後
   にさらにアーク加工に適した特性の出力に変換する方式
   のアーク加工用電源装置において、前記平滑回路を比較
   的大容量の電解コンデンサと低抵抗値の抵抗器とからな
   る直列回路と前記直列回路に並列に接続された比較的小
   容量のフイルムコンデンサとから構成したアーク加工用
   電源装置。