JPH0641969U - アーク溶接機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 交流電流を整流して直流とし、その出力をイ
ンバータ回路により高周波交流とし変圧器により適宜変
圧しした後に整流回路にて直流とする方式のアーク溶接
機の改良に関する。 【構成】 出力電流設定器の設定値Ｉｒと出力電流検出
器の出力Ｉｆとから差信号ΔＩ＝Ｉｆ−Ｉｒを得る誤差
増幅器と、信号ＩｆがＩｆ＞０の期間およびＩｆ＞０か
らＩｆ＝０になる立下り時から一定時間の間出力信号を
発する時限回路と、誤差増幅器の出力に応じてインバー
タ回路のスイッチングパルス幅を制御するデッドタイム
コントロール端子付ＰＷＭ制御回路と、高低２種類のデ
ッドタイムコントロール信号発生回路と、時限回路の出
力信号により出力電流通電中および出力電流通電終了か
ら一定時間の間はデッドタイムを最小幅とし時限回路の
時限終了後はデッドタイムを大きくしてインバータ回路
の出力電圧を低下させるデッドタイムコントロール信号
切替回路とを備えたことを特徴としている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、商用周波の交流電源を一旦整流して直流とした後にインバータ回路 によって商用周波よりも高い周波数の交流に変換し、変圧器によってアーク溶接 に適した電圧に変圧した後に再度整流する方式のアーク溶接機の改良に関するも のである。

【０００２】

【従来の技術】

一般にアーク溶接機においては、アークスタートを円滑に行うためには出力電 圧を高くしておく必要があるが、変圧器にて出力電圧をアーク溶接に適した値に 変圧する方式のものにおいては、高い出力電圧を得るようにしておくと、無負荷 時の励磁電流が大となって無負荷損が増大し、かつ変圧器の温度上昇も高くなる 。そこで従来は、溶接電流が流れるまでは低い出力電圧となるように低電圧制御 を行い、溶接電流が流れ始めた後は設定電流に応じた定電流制御を行うものが提 案されていた。

【０００３】 図１にこの方式の従来装置の例を接続図にて示す。同図において、１は商用交 流電源、２は商用交流電源１の出力を整流して直流とする第１の整流回路であり 、内部に平滑回路を含む。３は第１の整流回路２の出力を２０ＫＨｚ〜６０ＫＨ ｚ程度の高周波に変換するインバータ回路、４はインバータ回路５の出力を溶接 に適した電圧に変圧する変圧器、５は変圧器４の出力を再び直流に変換する第２ の整流回路、６は出力平滑用の直流リアクトル、７は溶接電極であり、例えば溶 接トーチや被覆アーク溶接棒などである。８は被溶接物、９は出力電流検出器、 １０は出力電流有無判別回路、１１はフィードバック信号切替回路、１２は出力 設定信号切替回路、１３は変圧器４に設けられた補助巻線からなる出力電圧検出 回路、１４はインバータ回路３のスイッチング素子の導通時間率を入力信号に応 じて定めるパルス幅変調回路（以後ＰＷＭ制御回路という）、１５は無負荷電圧 設定回路、１６は出力電流設定回路、１７はＰＷＭ制御回路の１４の出力を入力 としインバータ回路３のスイッチング素子を導通させる駆動信号を出力するスイ ッチング素子駆動回路である。

【０００４】 同図において、出力電流検出回路９が電流を検出して出力信号ＩｆがＩｆ＞０ となるまでは、出力電流有無判別回路１０の出力ｓ1 はローレベル（以下Ｌとい う）であり、フィードバック信号切替回路１１は（ａ）側にあり、出力電圧検出 回路１３の出力Ｖｆがフィードバック信号ｓ2 として出力される。またこのとき 、出力設定信号切替回路１２も（ａ）側にあって無負荷電圧設定回路１５の出力 信号Ｅｒが設定信号ｓ3 として出力される。この信号ｓ3 （ｓ3 ＝Ｅｒ）はＰＷ Ｍ制御回路１４にてフィードバック信号ｓ2 （ｓ2 ＝Ｖｆ）と比較されて差信号 Δｓ＝Ｖｆ−Ｅｒが算出され、この差信号に応じた時間幅のパルス信号がスイッ チング素子駆動回路１７に出力されてインバータ回路３を構成するスイッチング 素子を導通制御する。この結果、溶接電流が流れていない間はインバータ回路３ はその出力電圧が無負荷電圧設定回路１５の設定値に対応した値になるように定 電圧制御される。

【０００５】 次にこの状態で電極７と被溶接物８とを接触させると、両者間は短絡状態とな って短絡電流が流れる。この短絡電流によって出力電流検出器９の出力信号Ｉｆ は正（Ｉｆ＞０）となり、出力電流有無判別回路１０の出力信号ｓ1 はＬからハ イレベル（以下Ｈという）に反転する。このＨ信号によってフィードバック信号 切替回路１１および出力設定信号切替回路１２はともに（ｂ）側に切替わって出 力電流設定回路の出力信号Ｉｒと出力電流検出器９の出力信号Ｉｆとが信号ｓ3 およびｓ2 としてＰＷＭ制御回路１４に供給される。ＰＷＭ制御回路１４におい てはこの両入力信号ｓ2 （ｓ2 ＝Ｉｆ）とｓ3 （ｓ3 ＝Ｉｒ）との差信号Δｓ＝ Ｉｆ−Ｉｒに応じた時間幅のパルス信号が出力されてスイッチング素子駆動回路 １７を経てインバータ回路３のスイッチング素子を導通制御する。この結果、イ ンバータ回路３は出力電流設定回路１６の設定値に対応した値に出力電流を保つ ように定電流制御される。この結果、無負荷時には無負荷電圧設定回路１５の出 力Ｅｒに応じた低い出力電圧となって変圧器４の励磁電流を抑制し、溶接電流が 流れている間は設定された電流が得られるように動作することになる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

上記従来装置においては、無負荷電圧設定回路１５の設定値Ｖｒを低く設定し ておけば無負荷時の出力電圧を低い値に制限するので変圧器の無負荷損を低減す ることができ、温度上昇も低く抑えることができる。しかし、電圧検出回路１３ 、無負荷電圧設定回路１５および設定信号切替回路１２を余分に設ける必要があ る。さらに無負荷時の定電圧制御と溶接時の定電流制御とを電流検出器９の出力 の有無によってのみ行っているのでアーク起動時の無負荷電圧が低い値に抑制さ れたままとなって極めてスタートが難しくなるものであった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

本考案においては、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子の導通 を制御するＰＷＭ制御回路として出力パルス幅に強制的にＯＦＦ期間を設けるデ ッドタイムコントロール端子を有するＰＷＭ制御回路を用い、無負荷時にはこの デッドタイムコントロール端子に対する信号を大としてＯＦＦ期間を強制的に広 くして電流フィードバック信号と出力電流設定信号との差信号の大きさにかかわ らず出力電圧（の平均値）を低下させ、かつこのデッドタイムコントロール信号 の切替えを出力電流検出器の出力によってトリガーされる時限回路によって出力 電流の検出信号によって小として最大パルス幅を大きくしかつ出力電流の検出信 号が消滅した後も一定時間小のままとして出力電圧を高い値に維持するようにし て上記従来装置の問題点を解決したものである。

【０００８】

【実施例】

図２に本考案の実施例を示す。同図において１８は時限回路であり、出力電流 有無判別回路１０の出力ｓ1 が出力電流Ｉｆ＝０からＩｆ＞０となってＨになっ たときに出力信号ｓ4 がＨとなり、出力電流Ｉｆが消滅して信号ｓ1 がＨからＬ になったときから一定の設定時間後に出力信号ｓ4 がＨからＬに復帰する瞬時動 作限時復帰の動作を行う回路を用いる。この時限回路としては、例えば図中に示 すように入力信号の立下りでトリガーされて一定時間の間Ｈ信号を出力するモノ マルチバイブレータＭＭ１とこのモノマルチバイブレータＭＭ１の出力と信号ｓ 1 とを入力とするオア回路ＯＲ１とによって構成することができる。１９は時限 回路１８の出力信号ｓ4 を入力として入力信号がＨのときに低い電圧を出力し、 入力信号がＬのときに比較的高い電圧を出力するデッドタイムコントロール信号 切替回路であり、例えば図中に示すように直流電源Ｅｓとこの直流電源Ｅｓの出 力電圧を分圧する抵抗器Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 および抵抗器Ｒ2 の端子間を時限回路 １８の出力信号ｓ4 がＨのときに短絡するアナログスイッチＡＮ１とからなり、 抵抗器Ｒ1 とＲ2 との接続点から出力信号ｓ5 を取り出す回路を用いることがで きる。２０はＰＷＭ制御回路であり、出力電流設定回路１６の出力信号Ｉｒと出 力電流検出器９の出力信号Ｉｆとを入力として両信号の差ΔＩ＝Ｉｆ−Ｉｒに応 じたパルス幅のパルス信号を生成するとともに、デッドタイムコントロール端子 ＤＴＣに入力される信号ｓ5 の大きさに応じて定まるＯＦＦ時間によって定まる 最大パルス幅とのいずれか狭い方のパルスｓ6 をスイッチング素子駆動回路１７ に出力する。このＰＷＭ制御回路としては、パルス幅制御方式のためのスイッチ ングレギュレータ用制御回路として市販されているＩＣ（集積回路）が多くある 。（例えば、日本電気（株）製μＰＣ４９４）同図のその他の部分は図１の従来 装置と同機能のものに同符号を付して説明の重複を避ける。

【０００９】 図３は図２の装置の動作を説明するために各部の波形を模式的に示した線図で ある。同図において、（ａ）は電極７と被溶接物８との接触短絡状況、（ｂ）は 出力電流有無判別回路１０の出力信号ｓ1 、（ｃ）は時限回路１８の出力信号ｓ 4 、（ｄ）はデッドタイムコントロール信号切替回路１９の出力信号ｓ5 、（ｅ ）はＰＷＭ制御回路２０の出力信号ｓ6 、（ｆ）は出力電圧ｅa 、（ｇ）は出力 電流ｉa 即ち出力電流検出器９の出力信号Ｉｆの各変化を時間の経過とともに示 してある。

【００１０】 図２の装置の動作を図３の線図とともに説明する。図３（ａ）に示すようにア ーク起動前であって電極７を被溶接物８に接触させる時刻ｔ1 までは出力電流は 流れないから出力電流有無判別回路１０の出力信号ｓ1 はＬであり、時限回路１ ８は動作せずその出力信号ｓ4 もＬである。それ故、デッドタイムコントロール 信号切替回路１９は大なる信号（高い電圧の信号）ｓ5 を出力している。一方、 出力電流検出回路９の出力信号Ｉｆは零であり、出力電流設定回路１６の設定値 Ｉｒに対しては低すぎる値となっており、差信号（Ｉｆ−Ｉｒ）が過大となるた めにＰＷＭ制御回路２０は最大パルス幅の出力を発生する条件が整っている。し かし、前述のようにデッドタイムコントロール端子ＤＴＣに入力される信号ｓ5 は高い値であるので結局、ＰＷＭ制御回路２０はこのデッドタイムコントロール 端子に供給される高い電圧によって定まる休止時間率（ＯＦＦ時間率）の大きな パルスを出力信号ｓ6 として出力することになり、導通時間率が低いパルスを発 生するようになる。それ故、このときは狭いＯＮパルス時間の信号ｓ6 によって インバータ回路３が駆動されることになり、このために出力電圧の平均値は低い 値となる。

【００１１】 次に電極８を被溶接物９に接触させると、両者の短絡部を通じて短絡電流が流 れ、この電流Ｉａが出力電流検出器９によって検出されてフィードバック信号Ｉ ｆ（≠０）となる。この検出信号Ｉｆ＞０によって出力電流有無判別回路１０の 出力信号ｓ1 はＨとなり、これによって時限回路１８の出力信号ｓ4 もＨとなる 。この結果デッドタイムコントロール信号切替回路１９の出力信号ｓ5 はアナロ グスイッチＡＮ１が閉じるために低い値（小）となり、ＰＷＭ制御回路２０のデ ッドタイムを必要最小限の値に狭くして、最大パルス幅の制限を解除して広いＯ Ｎパルス幅の出力を可能とする。一方、出力電流検出回路９の出力信号ＩｆはＰ ＷＭ制御回路２０にて出力電流設定回路１６の設定値Ｉｒと比較されて、差信号 （Ｉｆ−Ｉｒ）に応じた時間幅のパルス列ｓ6 が生成されてスイッチング素子駆 動回路１７を経てインバータ回路３が駆動され、出力電流が設定値Ｉｒに等しく なるように定電流制御される。この状態で電極７を被溶接物８から引きあげると 両者の間の接触が解消した瞬間にアークが発生して溶接が開始される。

【００１２】 次に時刻ｔ＝ｔ2 （またはｔ５）において電極７を被溶接物８から大きく引離 してアークを遮断すると、出力電流Ｉａは零となり出力電流検出信号Ｉｆも零（ Ｉｆ＝０）になるが、この信号Ｉｆの立下り、即ち出力電流有無判別回路の出力 信号ｓ1 の立下りから一定時間ｔd の間は時限回路１８の出力信号ｓ4 はＨの状 態に保たれるから、デッドタイムコントロール信号切替回路１９の出力信号ｓ5 は引続いて低い値に保たれる。一方、アークの遮断により出力電流検出信号Ｉｆ は零になるからＰＷＭ制御回路２０は入力信号の差（Ｉｆ−Ｉｒ）が大となるた めに最大パルス幅の出力パルス列ｓ6 を発生することになり、これによって駆動 されるインバータ回路３の出力電圧は最大出力となる（時刻ｔ＝ｔ2 ないしｔ4 の間、またはｔ4 ないしｔ6 の間）。

【００１３】 この状態が続いている間（時刻ｔd の間、例えば図３の時刻ｔ＝ｔ4 ）に電極 ７と被溶接物８との接触が発生すると、高い出力電圧によって容易にアークが発 生することになる。またこのｔd の時間中に時刻ｔ＝ｔ5 とｔ6 との間のように 電極７と被溶接物８との接触が発生しないと、時限回路１８の時限終了により時 刻ｔ＝ｔ6 に示すように出力信号ｓ4 がＬとなり、デッドタイムコントロール信 号切替回路１９の出力電圧が再び高い値となってＰＷＭ制御回路２０の出力パル スｓ6 のＯＦＦ期間を強制的に長くし、インバータ回路３の平均出力電圧は低い 値に戻ることになる。それ故、この時限回路１８の設定時限を作業態様に応じて 適値に選定すればよい。例えば定まった作業を行う自動溶接に用いる場合には数 分間程度の比較的長い時間に設定し、作業者がトーチを操作する半自動溶接や被 覆アーク溶接棒を用いる手溶接に用いる場合には溶接と休止、再スタートとがラ ンダムにくりかえされるので数１０秒ないし１分程度の比較的短かい時間に設定 するなどである。

【００１４】 次にデッドタイムコントロール機能について説明する。デッドタイムコントロ ールは一般的なインバータ制御用ＰＷＭ制御回路を構成した集積回路に設けられ ている機能であるが、その回路構成を概念的に示すと図４のようになる。図４に おいてＤｅｆ１は誤差増幅器、Ｃｏｍｐ１，Ｃｏｍｐ２は比較器、ＯＳＣは鋸歯 状波発振器、ＡＮＤ１はアンド回路である。またａ1 ，ａ2 は入力端子、ＤＴＣ はデッドタイムコントロール信号入力端子、ｏは出力端子である。図５は図４の ＰＷＭ制御回路の動作を説明するための各部の波形を示す線図であり、（ａ）は 発振器ＯＳＣの出力信号ｓ7 、出力電流設定信号Ｉｒと出力電流検出信号Ｉｆと の差信号（誤差増幅器Ｄｅｆ１の出力信号ΔＩ）、およびデッドタイムコントロ ール信号切替回路１９の出力信号ｓ5 との関係を示し、（ｂ）は誤差信号ΔＩと 発振器ＯＳＣの出力信号ｓ7 とを比較し、ｓ7 ＞ΔＩのときＨ信号を出力する比 較器Ｃｏｍｐ１の出力ｓ8 、（ｃ）はＤＴＣ端子入力信号ｓ5 と発振器ＯＳＣの 出力信号ｓ7 とを比較し、ｓ7 ＞ｓ5 のときにＨ信号を出力する比較器Ｃｏｍｐ ２の出力信号ｓ9 、（ｄ）は信号ｓ8 とｓ9 とがともにＨとなったときにＨ信号 を出力するアンド回路ＡＮＤ１の出力、即ちＰＷＭ制御回路２０の出力ｓ6 をそ れぞれ時間の経過とともに示してある。

【００１５】 図４および図５において誤差信号ΔＩ＝Ｉｆ−Ｉｒは発振器ＯＳＣの出力信号 ｓ7 と比較されてｓ7 ＞ΔＩの期間Ｈとなる信号ｓ8 となる。またＤＴＣ端子に 供給されるデッドタイムコントロール信号切替回路１９の出力信号ｓ5 は発振器 ＯＳＣの出力信号ｓ7 と比較されてｓ7 ＞ｓ5 の期間Ｈとなる信号ｓ9 となる。 信号ｓ8 とｓ9 とはアンド回路ＡＮＤ１に供給されて、両信号がともにＨの期間 Ｈとなる信号がＰＷＭ制御信号ｓ6 として出力される。 ここで図５のようにＤＴＣ端子に供給される信号ｓ5 が低い値であるときには 、信号ｓ9 がＨとなる期間は広く、このために信号ｓ6 はほとんどＤＴＣ端子へ の入力信号に影響を受けず誤差信号ΔＩによって定まることになる。（通常溶接 時および時限回路１８の設定時限ｔd の間）

【００１６】 次に図６は図４の回路においてＤＴＣ端子への入力信号ｓ5 が高い値であると きの様子を図５と同様に示した線図であり、同図の場合は信号ｓ5 が高い値であ るために信号ｓ9 のＨとなる期間が狭く、このために信号ｓ8 とｓ9 とがともに Ｈとなる期間に相当する信号ｓ6 は誤差信号ΔＩの大きさにかかわらず信号ｓ9 によって制限された狭いパルス幅の信号となる。それ故図６の場合は、図２の装 置において溶接開始前およびアーク遮断後時限回路１８の設定時限経過後に相当 し、図３の時刻ｔ＝ｔ1 以前およびｔ＝ｔ6 以後に相当する。 なお図４は、デッドタイムコントロール機能付ＰＷＭ制御回路をその機能を説 明するために概念的に示した接続図であり実際の集積回路の中味を正確に示した ものではない。

【００１７】 本考案は図２の実施例にのみ適用できるものではなく、第２の整流回路の次に ブリッジ接続されたスイッチング素子を接続してこのスイッチング素子を適宜Ｏ Ｎ−ＯＦＦすることによって正、逆、または交流の出力を得るようにした極性切 替回路を設けて交直両用としてもよく、また第２の整流回路５の出力として正、 零、負の３出力を得るものとし、各正、負出力端子に直列にスイッチング素子を それぞれ接続した極性切替回路を設けて同様に交直両用としたものでもよい。

【００１８】 図７は、交直両用としたときの実施例を示す接続図であり、第２の整流回路以 降のみを示している。同図において２１は極性切替回路であり、ブリッジ接続さ れたスイッチング素子Ｑ1 ないしＱ4 およびこれらのスイッチング素子のうちＱ 1 とＱ4 およびＱ2 とＱ3 とをそれぞれ１組として同時にかつ各組を適宜の順序 でＯＮ−ＯＦＦ制御する極性切替制御回路２１ａから構成されている。同図にお いて、スイッチング素子Ｑ1 とＱ4 とを導通させると電極７がプラスとなる極性 の直流出力が得られ、スイッチング素子Ｑ2 とＱ3 とを導通させると電極７がマ イナスとなる極性の直流出力が得られる。またスイッチング素子Ｑ1 とＱ4 およ びスイッチング素子Ｑ2 とＱ3 との各組を交互に切替えることにより交流出力が 得られる。

【００１９】 図８は極性切替回路を設けた別の例を示す接続図であり、変圧器４以降を示し ている。同図において、変圧器４は２次巻線にセンタータップを有しており第２ の整流回路５は変圧器４のセンタータップを有する２次巻線の各出力を両波整流 するダイオードＤ1 ないしＤ4 から構成されており、正、零および負の各出力を 得ている。極性切替回路２１は第２の整流回路５の正、負出力端子にそれぞれ直 列接続され、他端が共通接続されたスイッチング素子Ｑ5 およびＱ6 とこれらの スイッチング素子Ｑ5 ，Ｑ6 を適宜ＯＮ−ＯＦＦ制御する極性切替制御回路２１ ｂから構成されている。同図においてスイッチング素子Ｑ5 またはＱ6 をＯＮ− ＯＦＦすることにより正、逆および交流の各極性の出力が得られるのは図７の装 置と同様である。

【００２０】 なお上記各実施例において、インバータ回路および極性切替回路を構成するス イッチング素子としては、スイッチングトランジスタやＧＴＯのような自己消弧 形のスイッチング素子やサイリスタのような自己消弧性のないスイッチング素子 を適当な消弧回路とともに用いるものが使用できる。

【００２１】

【考案の効果】

本考案は、上記の通りであるので、溶接休止時間が長い間は出力電圧が低くな り無負荷損を低減でき温度上昇を低く抑えることができる。また、一旦溶接アー クを発生させると、短時間の溶接休止では出力電圧は高い値に保たれるのでアー クの再起動が容易となり、作業性が著しく改善されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の装置の例を示す接続図。

【図２】本考案の実施例を示す接続図。

【図３】図２の装置の動作を説明するための線図。

【図４】本考案に用いるデッドタイムコントロール機能
を有するＰＷＭ制御回路の概念を示す接続図。

【図５】図４のＰＷＭ制御回路の溶接中の動作を説明す
るための線図。

【図６】図４のＰＷＭ制御回路の溶接休止中の動作を説
明するための線図。

【図７】本考案の別の実施例の第２の整流回路以降を示
す接続図。

【図８】本考案のさらに別の実施例の変圧器以降を示す
接続図。

【符号の説明】

２ 第１の整流回路 ３ インバータ回路 ４ 変圧器 ５ 第２の整流回路 ６ リアクトル ７ 電極 ８ 被溶接物 ９ 出力電流検出器 １０ 出力電流有無判別回路 １６ 出力電流設定回路 １７ インバータ駆動回路 １８ 時限回路 １９ デッドタイムコントロール信号切替回路 ２０ ＰＷＭ制御回路 ２１ 極性切替回路 ２１ａ，２１ｂ 極性切替制御回路

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電流を整流して直流とする第１の整
   流回路と前記第１の整流回路の出力を高周波交流に変換
   するインバータ回路と前記インバータ回路の出力をアー
   ク溶接に適した電圧に変換する変圧器と前記変圧器の出
   力を整流して直流とする第２の整流回路とを有するアー
   ク溶接機において、出力電流設定器と、出力電流検出器
   と、前記出力電流設定器の設定値Ｉｒと前記出力電流検
   出器の出力Ｉｆとを入力とし差信号ΔＩ＝Ｉｆ−Ｉｒを
   得る誤差増幅器と、前記出力電流検出器の出力信号Ｉｆ
   を入力としＩｆ＞０の期間およびＩｆ＞０からＩｆ＝０
   になる立下り時から一定時間の間出力信号を発する時限
   回路と、前記誤差増幅器の出力を入力として前記インバ
   ータ回路のスイッチングパルス幅を制御するデッドタイ
   ムコントロール端子付ＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ制
   御回路の出力パルス幅の最大値を制限するための高低２
   種類のデッドタイムコントロール信号発生回路と、前記
   時限回路の出力信号に応じて出力電流通電中および出力
   電流通電終了から一定時間の間は前記ＰＷＭ制御回路の
   デッドタイムを最小幅とし前記時限回路の時限終了後は
   前記デッドタイムを大きくして前記インバータ回路の出
   力電圧を低下させるデッドタイムコントロール信号切替
   回路とを備えたアーク溶接機。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のアーク溶接機におい
   て、前記第２の整流回路の出力を正極性出力、逆極性出
   力および正逆両極性を交互に切替えて交流出力とする極
   性切替回路を備えて交直両用としたアーク溶接機。