JPH07500476A - 溶接電力変換器における過電流回避のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 溶接電力変換器における過電流回避のための方法及び装置 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念による溶接電力変換器における過電流回 避のための方法に関する。

この方法は通常の溶接機においては公知であり、この場合過電流を回避するため の監視部が設けられてし）る。

この種の装置系においてはさらに溶接変圧器の磁化の補正が制御系によって行わ れている。電流の監視は溶接変圧器の２次側から行われる。そのため−次側回路 における障害が場合によっては誤って識別されたり、過度に遅れて識別されてし まう。これは電力変換器のパワートランジスタの損傷に結び付く。

本発明の課題は、従来のものよりも過電流し二対するパワー半導体の保護がさら に改善されてなされる方法並びに所属の装置を提供することである。

さらに本発明の別の課題は、−次回路における過電流の発生の際に障害の原因の 発見を容易番二させ得る装置を提供することである。

発明の利点 上記課題は、請求の範囲第１項及び第８項の特徴部分に記載の本発明による方法 及び装置６二よって解決される。本発明による装置は、パワー半導体の破損に対 する保護が保証されるような短い時間内で過電流に応動することができる。この 非常に迅速な応働時間は一次回路における短絡の場合にもパワー半導体の保護を 保証する０本発明による監視方法を実施するための技術的な実現手法は、標準的 な構成要素ならびに標準的な切換回路を用いて行われ、当業者によって容易に実 施される。有利には個々の監視機能部分はソフトウェア手段を用いて実現され得 る。

本発明によれば、有利には一次電流の２つの相が個別に監視される。２つの相に おける電流特性の連続し磁気飽和状態が回避１される。これにより溶接の持続時 間全体に亘って安定した溶接パワーが保証される。これは溶接品質向上にも役立 つ。また過度に大きな一次電流や！変圧器の著しい過熱、も回避される。このた め変圧器の鉄容積も最小に抑えることが可能である。

図面 図１は本発明によって構成された溶接電力変換器の基本的な回路図である０図２ は飽和状態識別の作用経過を電流一時間−ダイヤグラムに示した図である０図３ は飽和状態識別のための別の装置構成図である。

実施例の説明 次の本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。

図１には本発明の基礎をなす中間周波−抵抗溶接装置の基本回路図が示されてい る。この装置の主要構成要素は制御装置１０、電力変換器−出力段１１．溶接変 圧器１２、ならびに溶接装置１３である。この種の装置は、既に以前から公知で ある（例えば宮地社製■Ｓ−４４０Ｂ型溶接機等）。

当該装置は基本的に以下のように機能動作する。

５０　／　６０　Ｈｚ−配電源３相交流は整流器ユニット１４において整流され る。このユニット１４の出力側では直流電圧中間回路１５が形成されている。こ の直流電圧中間回路は１５は、パルス幅変調された交流電流の生成のために用い られる出力部を給電する。この出力部の主要構成要素は、Ｈ−ブリッジ回路内に 配置された４つのパワー半導体１６である。この４つのパワー半導体１６は、所 望の周波数に応じて交互に制御ユニット１７によって制御される。出力部におい ては中間回路直流電流からパルス幅変調された交流電流ｉｐが生ゼしぬられる。

この交流電流１ｐは、溶接変圧器１２の一次側に供給される。この交流電流１ｐ の周波数は有利にはＱ、５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの間の範囲にある。溶接変圧器１２ の二次側に生じる交流電流Ｉｓも整流され、溶接電極１３’　を備えた溶接装置 １３に供給される。−次側回路に配置された測定センサ２０は一次電流！ｐの大 きさを連続的に検出し、この測定された電流実際値を前置接続された監視装置１ ８を介して制御ユニット１７に供給する。

溶接変圧器１２の二次側ではコイル４０を用いて溶接電流Ｉｓの検出が行われ、 この電流の測定値Ｉｓ’も監視装置１８を介して制御ユニット１７に供給される 。電流強度と電流時間に対する目標値は制御装置ｌＯから制御ユニット１７に供 給される。

−次側回路における短絡の迅速な識別は、本発明によれば一次回路に直接配置さ れた電流監視装置によって行われる。この場合−次側において短絡が存在する場 合には過度に大きな一次電流ｉｐの上昇が生じることが利用される。なぜなら電 流上昇を妨げる変圧器インダクタンスが消失するからである。そのような上昇を 迅速に識別し得るために、有利には電流の時間特性ｄ　Ｉ　ｐ　／　ｄ　ｔが考 慮される。パルス幅変調された電流信号の複数の（但しさらなる利用性を考慮し て有利６二は２つの）相−線路の少なくとも１つに測定センサ２０が配置される 。この測定センサ２０は、ノ（ルス幅変調された交流電流の当該の相に対する瞬 時の電流の時間特性ｄｌｐ／ｄｔを検出する。この測定センサ２０としては例え ば環状コイルが適している。このコイルは電流の絶対値ではなく電流の時間的変 化ｄｉ／ｄｔを直接検出する。その他にもこのコイルの使用は場所の節約につな がる。短絡の監視に対しては測定センサ２０の出力信号の１つしか必要ない。相 応する出力信号は監視装置１８に供給される。この監視装置１８においては当該 出力信号が最大値と比較される。この最大値は所定の固定的時間間隔の中での最 大許容電流変化を表す、比較的簡単な実施例においては監視装置１８がコンパレ ータとして構成される。溶接回路中の短絡の発生の際には最大値を数倍も上回る ものとなる。

測定された電流の時間的変化ｄ　Ｉ　ｐ／ｄ　ｔが所定の最大値を上回った場合 には、コンパレータが障害信号を制御ユニット１７に出力する。それによってパ ワー半導体素子１６は直ちに遮断される。これによりパワー半導体１６は何も損 傷を受けない。短絡の際の遮断は非常に迅速であり、１２ｍｓ　ｅ　ｃよりも少 ない時間で達成可能である。さらに監視装置１８は付加的に、エラー通報°“− 次回路内の短絡”を表示せしめる信号を制御部１０に出力する。

さらなる監視機能の実現のためには、入力信号として一次電流１ｐの絶対量が必 要となる。そのため複数の測定センサ２０から出力された信号が付加的に、ここ では図示されていない積分素子に供給される。この積分素子は時間的変化を表す 信号を積分によって絶対的な信号に変換する。この積分素子も有利には監視装置 １８内に配置される。

積分の後で得られた電流値Ｉｐは、まず最大値について検査される。過大な補正 電流はパワー半導体１６の損傷を引き起こしかねないので避けられなければなら ない。この目的のために積分された電流値は所定の最大値と比較するために、先 行する整流の後で別の比較器に供給される。この比較器も簡単な例ではコンパレ ータである。この比較器の一方の入力側には電流値が供給され、他方の入力側に は所定の最大電流値が供給される。電流信号が所定の最大値を上回った場合には 、監視装置１８がパワー半導体の即時遮断を生ぜしめる信号を出力する。典型的 な最大値は、使用されているパワー半導体に依存して２００〜１００ＯＡの範囲 にある。

一次回路における地絡の識別のための監視機能は、積分の後で得られる個々の相 で流れる電流の絶対値の比較によって実現される。この比較は差分の形成か又は 所定の目標値との商の形成によって行うことができる。障害のない動作中は、得 られた比較値が当該の比較がどのように実施されたかに依存することなく変化し ないか又は狭幅な許容偏差帯域の中で１つの固定値分だけ変動する。

一次回路での１つの相において地絡が生じた場合には電流■ｐがそのつどの相に おいて著しく増加する。

これに対して他の相を流れるそれぞれの電流は単に変化しないままどころかアー スへ流れる電流のために減少する。これにより測定コイル２０を介して検出され る電流測定値はその相互間の比が変化する。これは比較器の出力側においても現 われる。この比較器の出力信号は所定の固定値を下回る。個々の相を流れる電流 の相互間の比を監視することにより、簡単かつ確実な一次回路の地絡の監視が実 施可能である。この地絡監視回路の実現は有利には監視装置１８内でも行われる 。

２つのコイル２０の測定値からの差分形成か又は商形成の後では、このようにし て得られた実際値がコンパレータを用いて所定の上方の限界値と比較される。こ の実際値が上方の限界値を上回った場合には、監視装置からの適切な信号によっ てパワー半導体１６の即時遮断ならびに障害通報“−次回路中の地絡”の表示が トリガされる。

本発明による装置の別の有利な構成例では、溶接変圧器１２が磁気飽和状態につ いて監視される。飽和状態で作動された変圧器においては一次回路中の著しい電 流の上昇と同時に変圧器を介しての電力伝送の低下が生ぜしぬられる。さらに変 圧器の過熱も生じる。それ故に変圧器の飽和は阻止されなければならない、この 目的のために、測定センサ２０を介して測定信号の１つから導出された実際値電 流信号の各正の信号が、監視装置１８内に配置された、ここでは図示されていな い別の比較素子において、制御部１０から供給された振幅目標値Ａと常時比較さ れる。この目標値Ａはアナログ値の形でコンパレータの入力側に供給されるとよ い。このコンパレータの別の入力側には積分された実際値電流信号ｒｐが供給さ れる。この実際値電流信号は有利には整流される。これにより２つの極性の電流 パルスが唯１つの監視装置１８を用いるだけで監視可能となる。

飽和状態の監視は、図２に基づき説明される以下の機能原理に基づいている。

例えば１ｋＨｚの固定周波数によって電流パルスは開始される。障害の無い動作 状態では一次電流の１つのパルスが電流一時間−ダイヤグラムにおいて良好な近 似で２つのほぼ同じ高さの側方エツジと１つの緩やかに連続的に上昇し続ける上 方エツジとを有する矩形パルスと見做される。電流が所定の目標値に達した場合 には、監視装置から相応のパルスの中断を生ぜしめる信号が出力される。理想的 に安定した動作においては全てのパルスが同じ長さであり、加工物の抵抗は一定 である。しかしながら実際には理想的な立上り終了動作状態は非現実的なもので ある。溶接すべき加工物のほぼ常に非直線的な抵抗特性に基づき制御部によって パルス幅が常時変化せしめられる。その際逆極性の電流パルスの異なった長さの パルス持続時間が生じる（変圧器の飽和特性に対して）、溶接変圧器がその磁気 飽和状態に近づいた場合には、これは電流一時間−ダイヤグラムにおいてパルス 内の付加的かつ特徴的な電流上昇として現われる。この電流上昇の加速に基づい て電流ｒｐは早期に既に所定の目標値に達する。目標値に達した場合には監視装 置１８は相応の信号の出力によって当該のパルスの即時中断をトリガする。この 中断によりパルスの持続時間は予測される目標持続時間よりもΔｔｉの時間間隔 だけ短（なる。１方の極性の電流の加速された上昇には、飽和度の結果として、 またそれに依存して、逆の極性の電流の緩慢な上昇が対抗する。この緩慢な上昇 はとりわけパルス点弧直後の電流上昇が比較的僅かな高さで開始されることに起 因している。そのためそのようなパルスは所定の目標値には遅い時点で初めて達 する。監視装置１８も目標値へ達した際に当該のパルスの中断を生ぜしめる信号 を出力する。この緩慢な上昇により電流パルスの持続時間はΔｔ２の時間間隔だ け長くなる。

飽和識別の特性は、パルス波形の例を用いて図２に示されている。この図では電 流１ｐが時間軸ｔに亘ってプロットされている。さらに符号Ａは振幅目標値を示 し、符号Ｔはパワー半導体の切換周波数の周期期間を示し、符号Ｚは理想的な電 流パルスの持続期間を示す。パルス３１は飽和特性のために持続期間ＺよりもΔ ｔｌだけ短い電流パルスを示している。ここにおいて破線で示されているのは制 限が行われなかった場合に生じることとなる電流パルスの可能な経過である。

パルス３２は、先行のパルスで生じた飽和特性のためにΔｔ２だけ延長された電 流パルスを示している。ここにおいて破線で示されているのは理想的なパルスに 生じるべき下降エツジである。電流パルス３０〜３２特表千７−５００４７６　 （５） は整流されて示されている。

逆の極性の電流の時間的な長さの違う流れによって当該変圧器は等しい電力伝送 のもとで磁気的に対称化される。当該動作過程は、変圧器が飽和状態から脱して 一次電流信号のパルスの持続時間が再び目標パルス持続時間に相応するようにな るまで繰り返される。

飽和状態識別のための特に有利な装置の構成図は図３に示されている。破線で囲 まれた機能ブロック、すなわち制御ユニット１７、パワー半導体１６、変圧器１ ２、測定センサ２０、加算部２１は、前記した飽和状態識別の（回路的な）構造 を表すものである。ここでは付加的に、制御部ＩＯから供給されたアナログ振幅 目標値Ａにさらにもう１つの補正信号Ｋが重畳される。この補正信号には二次側 電流Ｉｓの特性を考慮したものである。適切な補正信号Ｋを得るためには、■− 制御９１４１９を用いて所定の振幅目標値Ａへの二次電流Ｉｓを制御する制御ル ープを設けることが有利であることが判明した。これによって得られた制御ルー プ−出力信号には補正特性量として振幅目標値Ａに加算される。

前記した監視機能全ては有利には監視ユニット１８内で行われる。技術的な実現 のためには標準形−構成要素と標準形−切挽回路だけしか必要としない。最終的 な回路の実施は当業者にとって慣例的な作業範囲の枠内で行われ得るものである 。そのため回路技術的な詳細な記述はここでは省く、有利には個々の監視機能部 分はソフトウェア手段を用いて実現され得る。

フロントページの続き （５１）Ｉｎｔ、ＣＬ、’　識別記号庁内’Ｍ理番号ＨＯ２Ｍ　３／３３５　Ｅ 　８７２６−５Ｈ７／４８　Ｍ　９１８１−５Ｈ （７２）発明者　シュテルヴアーク、ディータードイツ連邦共和国　Ｄ−６１２ ０エアバッハヴイルへルムーロイシュナーーシュトラーセ　１８ Ｉ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．溶接電力変換器における過電流を回避するための方法であって、前記溶接電 力変換器は、整流された配電源交流電流からパワー半導体を用いてパルス幅変調 された二相交流電流を生ぜしめるものであり、該二相交流電流は溶接変圧器の一 次側に供給されている、溶接電力変換器における過電流を回避するための方法に おいて、 溶接変圧器（１２）の一次側に供給されるパルス幅変調された交流電流（Ｉｐ） の少なくとも１つの相の大きさを測定センサ（２０）を用いて検出し、検出され た各電流信号に対して時間に関する微分によって時間導関数を形成し、 時間に関して微分された測定信号を所定の最大値と比較し、 時間に関して微分された当該測定信号が所定の最大値を上回った場合には、パワ ー半導体（１６）の遮断を生ぜしめる信号を送出することを特徴とする方法。
2. ２．前記溶接変圧器（１２）の一次側に供給されるパルス幅変調された交流電流 （Ｉｐ）の時間導関数を測定センサ（２０）を用いて直接的に検出する請求の範 囲第１項記載の方法。
3. ３．前記溶接変圧器（１２）の一次側に供給されるパルス幅変調された交流電流 （Ｉｐ）の特性量を測定センサ（２０）を用いて各相毎に別個に検出し、前記測 定センサ（２０）を用いて測定された前記一次電流（Ｉｐ）の２つの相の電流信 号を相互に比較し、当該の２つの相の測定信号間の差が所定の最大値を上回った 場合には、半導体（１６）の遮断を生ぜしめる信号を送出する、請求の範囲第１ 項記載の方法。
4. ４．前記一次電流（Ｉｐ）の各相において得られた測定信号の比較を差分形成の 形態で行う請求の範囲第３項記載の方法。
5. ５．前記一次電流（Ｉｐ）の複数の相において得られた測定信号の比較を比形成 方式で行う請求の範囲第３項記載の方法。
6. ６．電流パルスを所定の固定的な繰返し周波数でトリガし、 前記測定センサ（２０）を用いて検出された測定信号を、当該一次電流（Ｉｐ） に対する所定の目標値と比較し、 実際の電流パルスの測定信号が目標値に達した場合には、制御ユニット（１７） によりパルスの即時終了を生ぜしめる信号を発生する、請求の範囲第１項又は第 ２項記載の方法。
7. ７．前記測定センサ（２０）によって検出された異なる極性の電流信号を整流す る、請求の範囲第６項記載の方法。
8. ８．周波数変換装置を備えた抵抗溶接装置であって、整流ユニットと、 直流電圧中間回路と、 パワー半導体によって構成された電力変換器と、；該変換器は溶接変圧器の一次 側にパルス幅変調された正及び負の電流パルスを供給するものであり、溶接電流 及び／又は溶接電圧の検出のための電流及び／又は電圧センサと、 制御装置と、；該制御装置は検出された溶接電流に基づいて当該電力変換器を制 御するものであり、一次電流の検出のための装置とを有している、周波数変換装 置を備えた抵抗溶接装置において相を流れるそれぞれの電流（Ｉｐ）を別個に検 出する測定センサ（２０）が一次電流の各相にそれぞれ１つ配属されており、該 測定センサ（２０）の出力信号は監視ユニット（１８）に供給されるように構成 されており、該監視ユニット（１８）によって前記測定センサ（２０）から送出 された信号に対して時間導関数が形成されており、該時間導関数は形成後に比較 装置を用いて所定の最大値と比較されるように構成されており、さらに前記監視 ユニット（１８）は検出回路を有しており、該検出回路は、測定信号の時間導関 数の値が所定の最大値よリも大きい場合にパワー半導体（１６）の遮断を生ぜし める信号を送出することを特徴とする、抵抗溶接装置。
9. ９．前記電流−測定センサ（２０）は、２つの相を流れるそれぞれの電流（Ｉｐ ）の時間導関数の形式で時間特性を直接検出する、請求の範囲第８項記載の装置 。
10. １０．前記測定センサ（２０）は、環状コイルである、請求の範囲第８項記載の 装置。
11. １１．前記監視ユニット（１８）内に前記測定センサ（２０）の時間に関して微 分された電流測定信号の積分のための積分段が設けられており、該積分段の出力 信号は当該の電流（Ｉｐ）の絶対値と等価的ないし同値のものであり、さらに当 該積分段には比較器が後置接続されており、該比較器は測定された電流（Ｉｐ） に等価的ないし同値な信号を所定の目標値と比較するものであり、さらに当該比 較器は測定信号を与える電流パルスを、当該の電流値が所定の目標値よりも大き いか又は同じ場合に中断させるものである、請求の範囲第８項から第１０項いず れか１項に記載の装置。