JPH1158004A - スタンドアロン型溶接用電源 - Google Patents

スタンドアロン型溶接用電源

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JPH1158004A
JPH1158004A JP10135685A JP13568598A JPH1158004A JP H1158004 A JPH1158004 A JP H1158004A JP 10135685 A JP10135685 A JP 10135685A JP 13568598 A JP13568598 A JP 13568598A JP H1158004 A JPH1158004 A JP H1158004A
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    • B23K9/00Arc welding or cutting
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  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接又はインバータの動作パラメータのいず
れにも応答してエンジンと発電機とを制御するために制
御が統合されている、エンジン駆動式のインバータによ
る溶接用電源を提供する。 【解決手段】 スタンドアロン型溶接用電源は、発電機
と、発電機出力と電気的に連絡する入力を有し、電力を
変換するインバータと、発動機に結合されており、フィ
ードバック入力を有するコントローラと、溶接出力およ
びフィードバック入力に接続されており、少なくとも1
つの溶接出力動作パラメータに応答するフィードバック
信号が前記フィードバック入力に与えられるようにした
フィードバック回路とを備えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は概略的にはスタンド
アロン型溶接用電源の技術に関する。より詳細には、本
発明はエンジン駆動式の溶接用インバータ電源に関す
る。
【0002】
【従来の技術】異なるタイプの従来の溶接用電源が存在
する。2つのタイプの異なる溶接用電源として、位相制
御電源とインバータに基づく電源とがある。両タイプは
典型的には交流ライン(60Hz)入力を受け取る。しか
しながら、インバータ電源は所望の周波数に制御可能で
あるが、位相制御電源は入力周波数に制限される。ま
た、位相制御電源はパルススプレイプロセスには使用で
きない。インバータに基づく電源は、軽いこと、応答が
速いこと、溶接特性がよいこと、多くのプロセス(ミグ
溶接MIG、ティグ溶接TIG、スティック、その他)
に、より適切であることの理由で、多くの場合に好まし
い。
【0003】インバータ電源は(通常、直流バスと称さ
れる)直流入力を受け取り、その入力を切り替えて交流
出力を与える。従来のインバータ溶接用電源はライン周
波数入力(60または50Hz) を受け取ってその入力を
整流して直流バスをもたらすように設計されてきた。変
換された交流出力は溶接用出力として使用可能である。
しかしながら、いくつかの従来の溶接用電源は交流イン
バータ出力を整流して直流溶接用出力を与える整流器を
含んでいる。インバータへの直流入力は典型的には交流
入力を整流することにより得られる。多くのインバータ
電源は、電源が効率的に交流ライン電力を有用な直流の
(そして時には交流の)溶接用電力に変換することがで
きるようにする制御装置を有している。
【0004】エンジンにより駆動される溶接用発電機も
周知である。エンジンにより駆動される溶接用電源は、
ユーザが複数の位置で溶接する必要があり、溶接用電源
を移動する必要がある場合に必要である。補助電力の出
力(110または220VAC)が通常は動力用工具、電
灯、その他のために提供される。典型的には、エンジン
により駆動される発電機はシンプルタップのリアクタま
たは位相制御電源を駆動するために用いられる。これら
の発電機は多くの場合、標準のエンジンおよび発電機よ
り高価な、溶接用電源のために特に設計されたエンジン
と発電機を必要とする。位相制御されるエンジン駆動溶
接用電源は位相制御される電源の不利益のすべてを必然
的に含む。
【0005】他のエンジン駆動式溶接用電源は直流電源
であり、この場合は発電機の直流出力が直流の溶接用出
力のために直接使用される。このような溶接用電源は、
界磁制御とともに、Hoytその他に対して発行された米国
特許第4,465,920 号に示されている。いくつかの従来の
溶接用インバータ電源は発電機の出力に接続され、エン
ジン駆動式溶接用インバータ電源として使用されてき
た。発電機の交流出力は交流インバータ出力(これは直
流バスを生成するために整流される)として働く。この
配置は多くの問題を生ずる。第1に、インバータに基づ
く溶接用電源はこれまで比較的安定で一定の交流ライン
電圧を受け取るように設計されてきた。発電機は必ずし
もそのような安定で一定の出力を生成しない。第2に、
エンジン及び又は発電機が溶接用出力又はインバータの
動作パラメータに応じて制御される統合制御システムが
存在しなかった。
【0006】発電機に補助電力の出力を与える一般の方
法は、少なくとも1つの不利益を有する。この補助電力
は単相で50又は60Hzで120又は240VAC であ
り、動力工具、電灯その他に使用される。しかしなが
ら、その単相出力は3相出力のバランスをくずし、その
結果3相のすべてに高調波ひずみをもたらす。このひず
みにより、位相の1つが他の2つの位相よりも高いピー
ク電圧を持つようになる。この異常に高いピーク電圧は
インバータの入力コンデンサを破壊するか、より大きな
コンデンサを必要とする。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このひずみは磁界の逆
方向成分により生じる。3相負荷が存在する場合、その
3相のステータ電流はロータと同じ方向に、かつ同じス
ピードで回転する磁界を生成する。こうして、ロータと
磁界との間に相対的な運動がなく、磁界はロータに電圧
を誘起しない。しかしながら、負荷のバランスが崩れる
と、ステータ電流によって生成された磁界はロータと同
じスピードで同じ方向に移動しない。バランスの崩れた
負荷が存在するときにステータ電流により生成された磁
界は2つの成分に分解できる。1つはロータと同じ方向
データ同じスピードの前方向成分であり、他の1つは逆
方向成分である。前方向成分はバランスがとれた3相負
荷であり、問題を生じない。逆方向成分はロータと同じ
スピードであるが反対方向に移動する。こうして、それ
はロータに対して発電機のスピードの運動をする。この
「移動する」磁界によりロータの界磁巻き線に電圧が生
じ、それにより高出力電圧が生じる。バランスの崩れた
負荷の効果を相殺する作用すなわちその補償のために発
電機内で(溶接技術においては必要ではないにもかかわ
らず)ダンパケージが使用されてきた。
【0008】したがって、溶接又はインバータの動作パ
ラメータのいずれにも応答してエンジンと発電機とを制
御するために制御が統合されている、エンジン駆動式の
インバータによる溶接用電源を提供することは有益であ
る。好ましくは、発電機はバランスの崩れた負荷の効果
を相殺する反対の作用すなわちその補償をする。また、
電源はパルススプレイおよび他の溶接プロセスに使用で
きることが好ましい。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様によ
れば、溶接用電力提供方法は、エンジンと発電機により
電気的出力を発生するステップを含む。その出力は必要
な場合は整流され、変換されて交流インバータ出力をも
たらす。そのエンジンは溶接用出力動作パラメータを表
すフィードバックを用いて制御される。
【0010】本発明の他の態様により、フィードバック
に応答してエンジンのスピードを制御する。また、その
スピードはフィードバックに応答してアイドルスピード
とランスピードとの間で選択するように特別に制御され
る。他の態様による方法は、スロットル位置、燃料ポン
プ、噴射タイマ、空燃比、燃料消費量、および点火タイ
ミングの少なくとも1つを制御するステップを含む。
【0011】本発明の他の態様による方法は、溶接電
流、溶接電圧、溶接電力、又はそれらの関数の1つ以上
に応答するフィードバックを有する。本発明の他の態様
による方法は、電圧を表す信号と電流を表す信号とを掛
け合わせて電力を表す信号を得て、次いで電力を表す信
号を積分することにより、出力電力とその関数とに応答
する信号を得るステップを有する。
【0012】更に本発明の他の態様による方法は、整流
後のエネルギーを蓄積するステップを含み、蓄積された
エネルギーが所定しきい値より少なくなるとエンジンの
スピードを増大させることによりエンジンを制御する。
本発明の代替的な態様による方法は、出力におけるリッ
プルに応答するフィードバックを有する。他の代替的な
態様による方法は、インバータ出力を清流して直流出力
をもたらすステップを含んでいる。
【0013】本発明の他の態様により、回転シャフトに
機械的に結合された発動機を含むスタンドアロン型溶接
用電源が提供される。発電機は、シャフトに機械的に結
合されたロータを含み、且つそのロータに磁気的に結合
されたステータを含む。こうして、発電機は交流出力を
もたらす。インバータが整流器を介して交流出力に接続
されており、そのインバータは交流入力からの電力を変
換して変換出力をもたらす。コントローラがエンジンに
接続されており、フィードバック回路に接続されたフィ
ードバック入力を有する。このフィードバック回路はま
た、溶接用出力に接続されており、少なくとも1つの溶
接用出力動作パラメータに応答する信号がそのフィード
バック入力に与えられる。それ以降の整流がない直流発
電機が他の実施例において使用される。
【0014】本発明の更に他の態様による電源は、発動
機のためのスピード制御装置を含み、コントローラはそ
のスピード制御装置に接続された出力を含み、発動機の
スピードはフィードバック信号に応答して制御される。
1つの実施例においては、フィードバック信号に応答し
てアイドルとランスピードとの間での選択をする。他の
実施例においては、溶接電流、溶接電圧、溶接電力、又
はそれらの関数の1つ以上を制御する。
【0015】本発明の他の態様によれば、溶接電流、溶
接電圧、溶接電力、リップル電流、リップル電力、リッ
プル電圧及び/又はそれらの関数からフィードバックを
得ることを含む。電力及びその関数は、電圧を表す信号
と電流を表す信号とを掛け合わせて電力を表す信号を得
る回路と、電力を表す信号を積分する回路とから得られ
る。
【0016】本発明の更に他の態様による電源は、整流
後のエネルギーを蓄積する1つ以上の入力エネルギー蓄
積装置を含み、コントローラは蓄積されたエネルギーが
所定しきい値より少なくなるとエンジンのスピードを増
大させる。本発明の更に他の態様による電源は、インバ
ータ出力に接続されて、直流溶接出力をもたらす整流器
をさらに含む。
【0017】本発明の他の原理的特徴及び利益は以下の
図面、詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することに
より当業者に明らかになる。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明の実施例を詳細に記載する
前に、本発明は以下の説明及び図面に記載されたコンポ
ーネントの構成及び配置の詳細に対する応用には限定さ
れないことに注意すべきである。本発明は他の実施例も
可能であり、様々な方法で実施できる。また、本明細書
にて使用された用語は記載の目的のためであり、限定的
に解釈すべきではない。同じ参照番号は同一のコンポー
ネントを示す。
【0019】本発明は特定のエンジン、発電機、コンバ
ータ、コントローラ及びフィードバックシステムを参照
して示されるが、本発明は他のコンポーネントの追加、
コンポーネントの除去、又はコンポーネントの置き換え
を含むということを最初に理解すべきである。コンポー
ネントの値を含む好ましい実施例は限定的なものではな
く、例示である。当業者は本発明を実施するために他の
コンポーネント及び他のコンポーネンの値を使用でき
る。本発明はスタンドアロン型溶接用電源に関する。本
明細書において使用されるスタンドアロンとは、交流ラ
イン電源ラインから電力を得る溶接用電源ではなくて、
発電機を含む溶接用電源を意味する。言い換えれば、ス
タンドアロン型溶接用電源は電力を生成するもので、交
流ライン電力を変換するものではない。また、スタンド
アロン溶接用電源は単一のケース内に機械的及び電気的
な部分を有ていても、モジュラーであっても、或いはエ
ンジン、発電機及び電気的電源が各々分離されていても
よい。
【0020】エンジン駆動式の、インバータに基づく溶
接用電源100のブロック図が図1に示されており、図
において太線は電力伝送を示し、細線はフィードバック
信号の制御を示している。溶接用電源100は、エンジ
ン102と、発電機104と、補助電力出力装置105
と、整流器106と、コンバータ108と、コントロー
ラ110と、溶接用出力装置112とを備えている。概
略的には、エンジン102は、発電機104のロータが
その上に搭載されているシャフトを駆動する、ガソリン
又はディーゼル駆動のエンジン(発動機(primar
y mover))である。所望の動力を出力するのに
適した任意のエンジンを使用することができ、好ましい
実施例においてはエンジンは市場で入手可能な、例え
ば、クボタ製のモデルDH905又はDH1005とい
ったディーゼルエンジンである。このモデルはアイドリ
ングスピードとラン(即ちより速い)スピードとの間で
選択するために使用されるレバーを含んでいる。本明細
書においては、ランスピード及びランニングスピードと
はアイドルスピードより速いスピードをいう。
【0021】発電機104はロータとステータとを有す
る典型的な発電機であり、好ましい実施例においては、
本発明の譲受人から入手可能なMetro(商標名)に
おいて使用されているような単相発電機を使用すること
により設計される。Metro(商標名)の補助巻線及
び溶接用巻線は本発明の3相巻線で置き換えられる。ロ
ータはステータと磁気的に結合しており、界磁電流が供
給されて、ロータが回転すると交流出力電流が生成され
る。
【0022】発電機104の電気的出力は整流器106
に与えられ、整流器106は整流された直流電力を生成
する。整流された直流電力はコンバータ108に与えら
れる。コンバータ108は、好ましい実施例において
は、整流信号内のリップルを平滑して直流バスをもたら
すコンデンサ107のような少なくとも1つのエネルギ
ー蓄積装置を含んでいる。他の実施例では交流発電機1
04と整流器106に代えて直流発電機を使用し、ある
いは整流器106は発電機104の一部でよいか、又は
発電機104とコンバータ108の間にあってもよい。
【0023】コンバータ108は又、好ましい実施例に
おいては、インバータ109と、平滑され整流された直
流信号を(適当な電流及び電圧を持つ)溶接用出力に変
換する整流器111とを含んでいる。コンバータ108
は、好ましい実施例においては、整流器106の出力で
ある直流バスを変換して、直流溶接用電流を生成し、溶
接用出力112に与える直列共振コンバータである。交
流出力が他の実施例において使用される。適切な直列共
振コンバータは、本発明の譲受人が所有し、本明細書に
参考のために組み込まれる米国特許出願シリアル番号第
08/584,412号に詳細に記載されている。この
コンバータはまた、本発明の譲受人のXMT304(商
標名)電源として市場で入手可能である。
【0024】米国特許出願シリアル番号第08/58
4,412号に記載されているように、溶接電流がオペ
レータにより選択されるように電圧制御回路113がコ
ンバータ108に含まれており、コンバータは所望の電
流を出力する。ホットスタート及び保護システムを含む
様々な制御機能もそこに記載されている。XMT304
(商標名)直列共振コンバータを変形して本発明に適用
することは、オートリンク特性を除去しOCVコマンド
を減少させることを含む。追加の変形を以下に記載す
る。
【0025】好ましい電源を使用する1つの利益はそれ
が溶接プロセスの広い範囲での使用に容易に適用可能で
あるということである。例えば、各々が本出願人から入
手可能であるOptima(商標名)又は60M(商標
名)コントローラを含ませることにより、パルススプレ
イプロセスが実行できる。他のプロセスは、(例えば、
PC300(商標名)コントローラを用いる)短絡アー
ク、スプレイCV、スプレイCC、CCスティック、C
C TIG、パルスMIG、又はパルスTIGを含む。
これらのプロセスは本発明によるエンジン駆動式の溶接
用インバータ電源を用いて行われる。
【0026】ハードスイッチされるインバータのような
他のコンバータも又本発明を実施するために使用でき
る。適切に制御されて所望の出力電流を与える限り、選
択された特定のコンバータ又はインバータは重要ではな
い。本明細書で使用されるコンバータは、交流又は直流
入力を異なる交流又は直流出力に変換するスイッチ回路
である。本明細書で使用されるインバータは、直流入力
を有するスイッチ回路であって交流出力をもたらすも
の、あるいは交流入力と整流器とを有し、交流出力をも
たらすようにスイッチングされる直流信号を生成するも
のである。また、本明細書で使用されるインバータは、
直流出力をもたらす出力整流器を含んでもよい。
【0027】コントローラ110は溶接用出力からのフ
ィードバックに応答してエンジンを制御するために設け
られている。本明細書において用いられるフィードバッ
クは、コントローラに与えられる出力又は中間信号を表
すか又はそれに応答する信号を含み、それに応答して決
定がなされるのを制御する。フィードバックはプロセス
を観察しているユーザ及びその観察に応答して調整をし
ているユーザを含むことは意図していない。フィードバ
ック信号は、電流、電圧、周波数、電力、リップル電
流、リップルの大きさ、リップル電圧、リップル周波
数、又はそれらの関数といった、任意の溶接用動作パラ
メータでよい。特定パラメータのフィードバックは制御
スキームにより要求されると数学的に動作する。
【0028】1つの他の実施例による電源は、コントロ
ーラ110から発電機104に向かう矢印で示される、
コントローラ110による発電機の制御を含む。しかし
ながら、この制御は、コントローラ110によるエンジ
ン102の制御の代わりとして、又は選択的な追加とし
て考えるべきである。また、好ましい実施例の制御スキ
ームは限定されるものではない。むしろ、本発明は溶接
用電源におけるフィードバックを広く取り込んでエンジ
ン及び発電機を制御する。
【0029】特に、好ましい実施例においては、コント
ローラ110は、溶接用電流と溶接用電圧のフィードバ
ック信号を得るために溶接用スタッドに接続されている
フィードバック回路114を含んでいる。この特定のフ
ィードバック回路は後に詳細に説明する。他の実施例に
おけるフィードバック回路114はコントローラ110
から離れている。しかしながら、フィードバック回路1
14がコントローラ110から離れているかその一部で
あるかは本発明にとって重要ではない。又、コントロー
ラ110は制御回路113と同じ回路基板上にあっても
よい。コントローラ110と制御回路113はフィード
バック信号を分け合うので、コントローラ110を制御
回路113の一部にすることは有用である。
【0030】コントローラ110はフィードバック信号
を用いてコンバータ108が必要とする入力電力を決定
する。次いで、その必要とする電力を与えるためにエン
ジン102のスピードが調整される。概略的には、エン
ジンスピード制御はエンジンのスピードを制御して発電
機の出力電力を制御する。特に、好ましい実施例におい
ては、制御回路113はエンジン102をアイドルスピ
ード、又はランスピード(閉又はフルスロットル)で動
作させる。ラン/アイドル・レバーを所望の位置に移動
させるためにソレノイドが使用される。これに代えて、
必要とされる電力に基づいて、2つ以上の位置(ラン/
アイドル)又は位置の連続範囲が選択される。1つの他
の実施例は、スロットル位置、燃料ポンプ、点火タイ
マ、空燃比、燃料消費、及び点火タイミングの少なくと
も1つを制御するコントローラ110を使用することを
含む。
【0031】好ましい実施例においては、アイドル又は
ランで動作することの決定は、積分された電力に基づい
てなされる。これにより、エンジン102の動作スピー
ドが、瞬間電力やピーク電力からではなくて必要とされ
た電力から決定されることが可能になる。より特定的に
は、上記したように、コンバータ108は、溶接の開始
時における生成電力は瞬間的に高くて、アークが発生す
るのを援助し且つアークがスティックするのを防止する
「ホット・スタート」の特徴を含んでいる。これにより
高いピーク又は瞬間電力が生成される。しかしながら、
そのようなホットスタートで使用される全エネルギー
は、1つ又は複数のコンデンサ107に蓄積されている
エネルギーをインバータが正常に動作しなくなるレベル
まで下げるためには十分な大きさではない。したがっ
て、コントローラ110は(1つ又は複数のコンデンサ
107から流出したエネルギーに直接的に関係する)溶
接用出力112における電力を積分する。コンデンサ1
07から流出し得るエネルギーがどれだけ大きいかに基
づいて、積分電力がしきい値を越えると、エンジンが高
速で動作する。エンジンは、流出している電力がしきい
値以上でなくなるまで、高速運転し続ける。
【0032】好ましい実施例においては、エンジンはア
イドルモードで4KWのインバータ出力電力を与える。
こうして、コンバータが4KWより多い電力を出力して
いない限り、エンジンはアイドリング中に必要とされる
だけの電力を生成する。4KWより多い電力がコンバー
タ108から(ホットスタートの間のような)短期間の
間に出力される場合は、エンジンをスピードアップする
必要がない。こうして、インバータ出力はおよそ4KW
を越えるまで積分される。積分値がしきい値を越える
と、エンジンは高速で運転される。積分値は周期的にゼ
ロにリセットされる。
【0033】図2の(a)はこの制御スキームを示して
いる。(溶接スタッドにおける)電力はY軸にプロット
されており、X軸は時間を表す。4KWアイドル出力は
破線で示されている。グラフは、溶接用セットポイント
は4KWより低いこと、したがって、長期間にわたって
エンジンはアイドリング中に十分なパワーを出力するこ
とができることを示している。しかしながら、図からわ
かるように、「ホット・スタート」は4KWを越える瞬
間電力を生じさせる。コントローラ110は、エンジン
がアイドリングの時にコンデンサから流出したエネルギ
ーであるハッチングされた領域を積分する。図2の
(b)は時間にわたってプロットされた積分値を示して
いる。積分値がランしきい値を越えると、コントローラ
110はエンジン102を高速で動作させる。
【0034】他の実施例によるコントローラ110は、
機械的設定に基づいてアイドル又は高速のいずれで運転
すべきかを決定する回路を含んでいる。オペレータが溶
接しようとしているときは、電流、プロセス、電圧、そ
の他のような溶接用パラメータを示す(典型的には電源
フロントパネル上の)制御部の設定する。この設定はダ
イヤルされるかタイプされ、コントローラ110は1つ
以上のそれらの設定をモニタし、ルックアップ・テーブ
ル、マイクロプロセッサ、又はアナログ回路から、エン
ジンがランニングスピードで動作することを必要とする
かどうか、又はアイドリングが十分かを決定する。スロ
ットルレバーはその決定にしたがって移動する。
【0035】図3はコントローラ110の掛け算器30
1と積分器302の回路図である。信号VFBは溶接用出
力電圧に応じており、複数の抵抗R1(100オー
ム)、R2(2Kオーム)、R3(100Kオーム)、
R4(45Kオーム)、R4A(100Kオーム)及び
R5(3.32Kオーム)と、一対のオペアンプA1及
びA2と、一対のコンデンサC1(330μF)及びC
2(47pF)と、ダイオードD1と一対のトランジス
タT1及びT2とを含む回路に与えられる。それらのコ
ンポーネントは、トランジスタT5のベースに印加され
る信号が電圧の大きさを表すように配置されている。
【0036】信号IFBは溶接用出力電流に応じており、
LEMを用いて得られる。IFBは、オペアンプA10
と、一対の抵抗R10(100Kオーム)及びR11
(150オーム)と、コンデンサC10(22pF)
と、ダイオードD10とを含む回路を介して、トランジ
スタT5のコレクタに供給される。他のトランジスタT
10、コンデンサC11(0.001μF)、抵抗R1
3(10Kオーム)、及びオペアンプA11を含む回路
はトランジスタT5のエミッタに接続されて、オペアン
プA11の出力が溶接用スタッドにおける電圧を表しそ
れに応答する信号(即ち、電力フィードバック信号)で
あるようにしてある。
【0037】電力フィードバック信号は、オペアンプA
15、抵抗R18(10Kオーム)、R16(562K
オーム)、R17(12.1Kオーム)及びフィードバ
ックコンデンサC18(0.1μF)を含む積分回路3
02に与えられる。オペアンプA15の出力は電力が4
KWを越えると積分され、コントローラ110により用
いられてエンジンをラン・スピードでいつ動作させるか
を決定する。抵抗R16(562Kオーム)とR17
(12.1Kオーム)は4KWのレベルを設定し、抵抗
R18(10Kオーム)とコンデンサC18(0.1μ
F)はRC積分時定数を与える。この決定はしきい値を
一方に入力に持ち、他方の入力にオペアンプA15の出
力を持つ簡単な比較器を用いてコントローラ110によ
りなされ得る。
【0038】図4は発電機104の電圧を調整する電圧
レギュレータ401を示している。電圧レギュレータ4
01は好ましい実施例においてはコントローラ110の
一部であるが、コントローラ110と別であってもよ
い。概略的には、電圧レギュレータ401は発電機の出
力電圧が所望のレベルになるように発電機の界磁電流を
制御する。特定的には、整流器/スケーラ402は3相
発電機出力電圧を受け取ってそれを整流しスケールす
る。電圧コマンド404は、エンジンがラン又はアイド
ルのいずれのモードかを示す信号を入力として受け取
り、セットポイントコマンド信号を加算器406に与え
る。したがって、セットポイントコマンドは、エンジン
がアイドリングか高速運転中かに依存する2つの値の1
つである。加算器406は又スケールされた3相の電圧
を受け取り、その出力はエラー信号である。エラー信号
は利得段407に与えられ、次いで加算器408に与え
られる。
【0039】周波数センサ410は発電機の周波数(そ
れはエンジンのスピードを表している)を検知し、信号
をリミッタ411に与える。リミッタ411は加算器4
08により界磁電流を制限するために使用される。周波
数センサ410は他の入力としてラン/アイドル・コマ
ンドを受け取り、エンジンが高速又はアイドリングのい
ずれで運転しているかに依存して、異なる界磁電流が設
定される。したがって、加算器408は、エラーの関数
であり、エンジン/発電機の周波数及びラン/アイドル
の選択により制限される界磁電流コマンド信号を出力す
る。
【0040】界磁電流コマンド信号は加算器412に与
えられ、その加算器412はまた、界磁電流フィードバ
ック信号を受け取る。加算器412の出力は界磁電流コ
マンドとフィードバックとの差であり、したがって、界
磁電流エラー信号である。このエラー信号は他の利得段
414に与えられる。PWMチップ416はフィールド
電流エラー信号をしきい値と比較して、トランジスタを
必要に応じてオン又はオフする。トランジスタは120
VAC界磁電力を発電機104の界磁に接続する。
【0041】このスキームを実現する回路が図5〜7に
示されている。整流器/スケーラ402は概略的に図5
に示されており、3つの同等回路を含み、その各々は入
力として3つの相のユニークな2つを有している。概略
的には、各回路は9個のフィードバック及びスケーリン
グ抵抗(R20〜R50)と、2つのオペアンプ(A2
0〜A25)と、コンデンサ(C20〜C22)を含ん
でいる。それらのコンポーネントは以下の値を持つ。即
ち、抵抗R20、R24、及びR28は332Kオー
ム、抵抗R21、R25、及びR29は16.2Kオー
ム、抵抗R22、R26、及びR30は332Kオー
ム、抵抗R23、R27、及びR31は16.2Kオー
ム、抵抗R33、R34、及びR35は12.1Kオー
ム、抵抗R36、R37、及びR38は12.1Kオー
ム、抵抗R41、R42、及びR43は10Kオーム、
抵抗R44、R45、及びR46は10Kオーム、抵抗
R48、R49、及びR50は100Kオーム、コンデ
ンサC20、C21、及びC22は0.01μFであ
る。出力は加算され、オペアンプA27、抵抗R47
(15Kオーム)及びコンデンサC40(0.01μ
F)によりバッファされる。
【0042】電圧コマンド回路404は抵抗R51(1
0.8Kオーム)とR52(6.75Kオーム)とリレ
ーCR1とを含んでいる。アイドル又はランのいずれが
選択されているかに依存して、CR1の接点の1つは開
いており、他方は閉じている。加算器406、利得段4
07、及び加算器408がやはり図5に示されている。
それらはオペアンプA30と、フィードバック抵抗R5
5(3.32Kオーム)と、フィードバック・コンデン
サC42(1μF)と、トランジスタT20とを含んで
いる。これらのコンポーネントは、セットポイントから
の電力コマンドのエラーであり、周波数検知回路410
により制限される出力を与えるように配列されている。
【0043】周波数検知回路410は図6に示されてお
り、スケーラ/整流器402からの入力を受け取る。こ
の入力は抵抗R61(475Kオーム)を介して周波数
−電力・コンバータチップFVC1に与えられる。周波
数−電力・コンバータチップFVC1は従来の構成であ
り、関係するコンポーネントである抵抗R62(10K
オーム)及び抵抗R63と、コンデンサC60(0.1
μF)及びC61(1μF)とに接続されている。FV
C1の出力はオペアンプA60に与えられ、そのオペア
ンプA60は関連するコンポーネントである抵抗R64
(1Kオーム)、R65(18.2Kオーム)、R66
(8.25オーム)、R67(1Mオーム)、及びR6
9(2Kオーム)に接続されている。アイドル/ラン選
択信号はトランジスタT60と抵抗R70(10Kオー
ム)及びR68(7.5Kオーム)を介してオペアンプ
A60の1つの入力に与えられる。
【0044】周波数検知回路410はまた、3つのNA
NDゲートであるNAND1、NAND2、及びNAN
D3を含んでいる。これらのNANDゲートは、一対の
アナログスイッチS60及びS61と、関連回路の抵抗
R72(20Kオーム)及びR73(1.53Kオー
ム)、R75(3.92Kオーム)、R76(1.74
Kオーム)、及びトランジスタT61とともに、加算器
408に制限信号を与えるように構成されている。
【0045】1つの他の実施例は、周波数検知回路41
0又はそれに代わる回路を用いてエンジンが失速状態に
なる点まで減速したかどうかを判定することを含む。コ
ントローラ110が失速状態と判定すると、コンバータ
コントローラは、失速状態が緩和するまでオーバドライ
ブされる。図7は加算器412と利得段414を、PW
Mチップ416とともに示す図である。界磁電流フィー
ドバック信号はオペアンプA80と抵抗R80(10K
オーム)、R81(56Kオーム)及びR82(10K
オーム)によりスケールされる。コンデンサC80は
0.01μFである。オペアンプA80の出力は、オペ
アンプA81と抵抗R84(100Kオーム)により、
加算器408からのコマンド信号と加算されて、エラー
信号を与える。オペアンプA82と、抵抗R85(10
Kオーム)及びR86(10Kオーム)とは利得段を提
供する。利得段414の出力は抵抗R87(3.32K
オーム)を介してPWMチップIC1に与えられ、PW
MチップIC1は従来の方法で形成されていてトランジ
スタT80をオン及びオフするものであり、所望の電流
レベルに応じて電流を界磁巻線FW1、一対のブラシB
1及びB2、及び一対にスリップリングS1及びS2に
与える。
【0046】交流ラインで動作する多くの溶接用電源は
不足電圧保護回路を含んでいる。したがって、入力電圧
がしきい値を下回ると、スイッチがオン(又はオフ)に
なって電源コントローラが電源を遮断する。しかしなが
ら、エンジンがアイドリングの時にエンジン駆動式溶接
用電源の負荷が増大すると、過渡的な電圧降下が生じ
る。したがって、コンバータ・コントローラが不足電圧
保護回路を含んでいる場合は、その保護回路は除去する
かエンジンの比較的遅い応答に適合するように変形する
必要がある。
【0047】本発明の1つの実施例は、不足電圧スイッ
チがオンするとき充電し始める不足電圧保護回路内のR
C遅延回路の使用を含んでいる。コンデンサはスイッチ
がオンである限り充電し続ける。十分な遅延(好ましい
実施例においては1秒)の後に、不足電圧保護機構が駆
動される。その遅延回路は図11に示されており、低電
圧検出信号がダイオードD90と1Mオームの抵抗R9
0を介して与えられて1μFのコンデンサC90を(1
秒間)充電する。コンデンサC90が充電されると、低
電圧保護遮断信号が出力されるが、コンデンサC90を
充電するために要する時間より短い過渡状態の継続は無
視される。コンデンサC90、トランジスタT92によ
り、100Kオームの抵抗R92及びダイオードD92
を介して急速に放電する。低電圧が検出されないときは
トランジスタT92は2Kオームの抵抗R93によりオ
ンにされる。好ましい実施例は、不足電圧入力のための
24ボルト制御盤電力を使用するが、それは交流入力電
力から得られ、且つ交流入力電力に直接的に比例し、不
足電圧をチェックする。
【0048】好ましい実施例は、動力工具、照明器具、
その他のために、60Hzで120VACの単相補助電
源出力の使用を含む。240VAC及び/又は50hz
も提供される。補助電源は、予備コンディショニングな
しで、又は予備コンディショニングされて、発電機から
直接得られる。好ましい実施例においては、ダンパケー
ジが設けられてバランスの崩れた負荷を相殺する。概略
的には、ダンパケージはロータのポール体の表面に接近
した直列低抵抗導体である。ダンパケージはロータ上の
低インピーダンス巻線として作用する。(単相負荷によ
り生じる)ステータ電流からの逆方向磁界はダンパケー
ジバーに大電流を誘起する。
【0049】特に、好ましい実施例においては、ダンパ
ケージは閉じた溝内に直径が0.25インチ(6.4m
m)の7つのアルミニュームロッドを含んでいる。図8
〜10は本発明によるダンパケージを持つロータの端面
図、側面図、及び断面図をそれぞれ示している。7つの
アルミニューム棒803は図9及び図10において見る
ことができる。棒が配置されている溝は、好ましい実施
例においては、直径が0.26インチ(6,6mm)で
表面から0.03インチ(0.7mm)だけ下に配置さ
れている。ダンパケージは、ラミネーションと同じ形状
に切断されて各端部上にあるアルミニューム片により完
成される。棒は端部片にTIG溶接される。他の構成方
法によれば、銅端部片に銀ろう付けされた銅の棒や、銅
リングの端片に溶接又はろう付けされた銅の棒や、ロー
タ穴を通してアルミニュームのダイ鋳物を用いる。示さ
れた実施例は2極発電機であるが、4極以上の発電機も
使用できる。
【0050】好ましい実施例によれば、補助負荷の要求
をモニタし、必要であればエンジンを補助負荷に応答し
て高速で運転させる。補助電源出力からのひずみを減少
させる1つの他の実施例は、コントローラ110内に補
助電圧フィードバック回路を含むことである。他の実施
例は高電圧を受け取る脚の上に大きなコンデンサを追加
することである。また、多数のステータもバランスの崩
れた負荷による歪みを減少させる。
【0051】1つの他の実施例が図1のコントローラ1
10とコンバータ108との間の破線により示されてい
る。フィードバック信号は、この実施例では溶接用出力
からではなくて、インバータから得られる。コントロー
ラ110はフィードバックを用いて所望のエンジンスピ
ードを決定する。選択されたスピードは少なくとも2つ
の別のスピード(例えば、アイドルとラン)、又はスピ
ードの連続スペクトルからの1つである。フィードバッ
クに使用されるパラメータはインバータ出力及び/又は
タンク電流、インバータ出力及び/又はタンク電圧、イ
ンバータ出力及び/又はタンク電力、リップルパラメー
タ及び周波数の1つ以上を含む。「タンク」フィードバ
ック信号はコンバータが直列共振コンバータの場合に特
に適切である。他の実施例では出力変圧器を使用して、
(上記したような)フィードバック信号を変圧器の二次
側から得ることを含む。フィードバック信号は、上記し
たように、動作パラメータの数学的な関数でよい。他の
実施例は、スロットル部、燃料ポンプ、噴射タイマ、空
燃比、燃料消費及びエンジンの点火タイミングの少なく
とも1つの制御を含む。
【0052】他の実施例は発電機の動作パラメータのフ
ィードバックに基づいてエンジンを制御することを含
む。発電機の動作パラメータは、界磁電流、発電機の出
力(又はインバータの入力)電流、電圧、電力、周波
数、又は補助電流、電圧、電力、又は周波数でよい。上
記したように、フィードバック信号は動作パラメータの
数学的な関数でよい。又、上記したように、制御されて
いるエンジンパラメータは、スピード、スロットル位
置、燃料ポンプ、噴射タイマ、空燃比、燃料消費、及び
点火タイミングでよい。
【0053】他の実施例は上記したような溶接用及びコ
ンバータの動作パラメータに応答する発電機を制御する
ことを含む。界磁電流は1つの他の実施例において制御
される。他の実施例はインバータを制御することを含
み、したがって、これは発電機の入力とともにより効率
的に動作する。1つのそのような実施例は上記したよう
に、インバータが制御されてある期間の間低電力で動作
できる。他の実施例は発電機とコンバータとの間にプリ
レギュレータを設けて入力が交流ライン電力を模写する
ことである。プリレギュレータは電力ファクタ訂正と、
整流器と、大容量コンデンサ又はエネルギー蓄積装置
と、制御されたブリッジとを含んでもよい。1つの他の
実施例はプリレギュレータとしてソフトスイッチコンバ
ータを含み、他方ではプリレギュレータとして電圧コン
バータを含む。プリレギュレータは、補助電力が発電機
から直接得られる場合に、特に有用である。これに代え
て、補助電力はプリレギュレートされてもよい。他の実
施例では60Hzのインバータを用いて補助電力を生成
する。補助インバータへの入力として単相又は3相の何
れでも使用できる。
【0054】本発明の範囲に入る多くの変形が可能であ
る。したがって、本発明により、上記した目的及び利益
を完全に満たすエンジン駆動式インバータを持つ溶接方
法及び装置がデータ異境されることは明らかである。本
発明は特定の実施例について記載してきたが、多くの変
更が可能であることは当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好ましい実施例のブロック図である。
【図2】(a)及び(b)は電力と積分電力を示すグラ
フである。
【図3】エンジンのスピードを制御するコントローラの
一部を示す回路図である。
【図4】発電機の界磁電流コントローラのための制御図
である。
【図5】図4の制御図を実現する回路の回路図である。
【図6】図4の制御図を実現する回路の回路図である。
【図7】図4の制御図を実現する回路の回路図である。
【図8】ダンパケージの端面図である。
【図9】図8のダンパケージの側端面図である。
【図10】図8のダンパケージの線10−10に沿う断
面図である。
【図11】好ましい実施例において用いられる遅延回路
の回路図である。
【符号の説明】
102…エンジン 104…発電機 106…整流器 107…コンデンサ 108…コンバータ 109…インバータ 110…コントローラ 111…整流器 112…溶接用出力装置 113…制御装置 114…フィードバック回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン リー アメリカ合衆国,ウィスコンシン 54914, アップルトン,フェザント ラン コート ナンバージー 2301 (72)発明者 アラン スミス アメリカ合衆国,ウィスコンシン 54940, フレモント,オールド ロード 9560

Claims (39)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転シャフトに機械的に結合された発動
    機と、 前記シャフトに機械的に結合されたロータと該ロータに
    磁気的に結合されたステータとを有し、それにより発電
    機出力をもたらす発電機と、 前記発電機出力と電気的に連絡するインバータ入力を有
    し、該インバータ入力からの電力を変換してインバータ
    出力をもたらすインバータと、 前記発動機に結合されており、フィードバック入力を有
    するコントローラと、 溶接出力および前記フィードバック入力に接続されてお
    り、少なくとも1つの溶接出力動作パラメータに応答す
    るフィードバック信号が前記フィードバック入力に与え
    られるようにしたフィードバック回路と、を具備するス
    タンドアロン形溶接用電源。
  2. 【請求項2】 前記発動機はスピード制御装置を含み、
    前記コントローラは該スピード制御装置に接続された出
    力を含み、前記発動機のスピードは前記フィードバック
    信号に応答して制御される、請求項1に記載の電源。
  3. 【請求項3】 前記スピード制御装置は前記フィードバ
    ック信号に応答してアイドルスピードとランスピードと
    の間で選択するアイドル/ラン・セレクタを含む、請求
    項2に記載の電源。
  4. 【請求項4】 前記コントローラは、スロットル位置、
    燃料ポンプ、噴射タイマ、空燃比、燃料消費量、および
    点火タイミングの少なくとも1つを制御する手段を含
    む、請求項1に記載の電源。
  5. 【請求項5】 前記少なくとも1つの動作パラメータは
    溶接電流である、請求項1に記載の電源。
  6. 【請求項6】 前記少なくとも1つの動作パラメータは
    溶接電圧である、請求項1に記載の電源。
  7. 【請求項7】 前記少なくとも1つの動作パラメータは
    溶接電圧をさらに含む、請求項5に記載の電源。
  8. 【請求項8】 前記フィードバック回路は掛け算器を含
    んでおり、該掛け算器は電圧を表す信号と電流を表す信
    号とを掛け合わせて電力を表す信号を得、前記フィード
    バック回路は前記電力を表す信号を積分する積分器を含
    んでいる、請求項7に記載の電源。
  9. 【請求項9】 前記インバータを交流出力に接続する整
    流器をさらに含み、前記インバータは整流されたエネル
    ギーを蓄積する少なくとも1つの入力エネルギー蓄積装
    置を含み、前記コントローラは、蓄積されたエネルギー
    が所定しきい値より少なくなると前記発動機のスピード
    を増大させるようにした請求項2に記載の電源。
  10. 【請求項10】 前記動作パラメータは前記出力におけ
    るリップルの関数である、請求項1に記載の電源。
  11. 【請求項11】 前記インバータ出力に接続された、直
    流溶接出力をもたらす整流器をさらに含む、請求項1に
    記載の電源。
  12. 【請求項12】 前記発電機は直流発電機である、請求
    項1に記載の電源。
  13. 【請求項13】 前記発電機は交流発電機であり、前記
    インバータは入力整流器を含む、請求項1に記載の電
    源。
  14. 【請求項14】 回転シャフトに機械的に結合された発
    動機と、 前記シャフトに機械的に結合されたロータと該ロータに
    磁気的に結合されたステータとを有し、それにより発電
    機出力をもたらす発電機と、 前記発電機出力と電気的に連絡しているインバータ入力
    を持ち、該インバータ入力からの電力を変換してインバ
    ータ出力をもたらすインバータと、 前記発動機に結合されており、フィードバック入力を有
    し、前記発動機を制御するコントロール手段と、 溶接出力および前記フィードバック入力に接続されてお
    り、少なくとも1つの溶接出力動作パラメータに応答し
    てフィードバック信号を前記フィードバック入力に与え
    るフィードバック手段と、を具備するスタンドアロン形
    溶接用電源。
  15. 【請求項15】 前記発動機はスピード制御手段を含
    み、前記コントロール手段は該スピード制御手段に接続
    された出力を含み、前記発動機のスピードは前記フィー
    ドバック信号に応答して制御される、請求項14に記載
    の電源。
  16. 【請求項16】 前記スピード制御手段は前記フィード
    バック信号に応答してアイドルスピードとランスピード
    との間で選択するアイドル/ラン・セレクタ手段を含
    む、請求項15に記載の電源。
  17. 【請求項17】 前記コントロール手段はスロットル位
    置、燃料ポンプ、噴射タイマ、空燃比、燃料消費量、お
    よび点火タイミングの少なくとも1つを制御する手段を
    含む、請求項14に記載の電源。
  18. 【請求項18】 前記少なくとも1つの動作パラメータ
    は溶接電流である、請求項14に記載の電源。
  19. 【請求項19】 前記少なくとも1つの動作パラメータ
    は溶接電圧である、請求項14に記載の電源。
  20. 【請求項20】 前記少なくとも1つの動作パラメータ
    は溶接電圧をさらに含む、請求項18に記載の電源。
  21. 【請求項21】 前記フィードバック手段は、電圧を表
    す信号と電流を表す信号とを掛け合わせて電力を表す信
    号を得る掛け算手段を含んでおり、前記フィードバック
    手段は前記電力を表す信号を積分する積分手段を含んで
    いる、請求項20に記載の電源。
  22. 【請求項22】 前記インバータは前記インバータによ
    り変換されるべきエネルギーを蓄積するための少なくと
    も1つの入力エネルギー蓄積手段を含み、前記コントロ
    ール手段は、蓄積されたエネルギーが所定しきい値より
    少なくなると前記発動機のスピードを増大させる手段を
    さらに含む、請求項15に記載の電源。
  23. 【請求項23】 前記動作パラメータは前記出力におけ
    るリップルの関数である、請求項14に記載の電源。
  24. 【請求項24】 前記インバータ出力に接続されて直流
    溶接出力をもたらす整流手段をさらに含む、請求項14
    に記載の電源。
  25. 【請求項25】 前記発電機は直流発電機である、請求
    項14に記載の電源。
  26. 【請求項26】 前記発電機は交流発電機であり、前記
    インバータは整流器を含む、請求項14に記載の電源。
  27. 【請求項27】 エンジンと発電機により電気的出力を
    発生し、 前記電気的入力を変換して交流インバータ出力をもたら
    し、 溶接出力動作パラメータを表すフィードバックを用いて
    エンジンを制御する、というステップを備える溶接電力
    提供方法。
  28. 【請求項28】 エンジンのスピードは前記フィードバ
    ックに応答して制御される、請求項27に記載の方法。
  29. 【請求項29】 前記制御するステップは前記フィード
    バックに応答してアイドルスピードとランスピードとの
    間で選択するステップを含む、請求項28に記載の方
    法。
  30. 【請求項30】 制御するステップは、スロットル位
    置、燃料ポンプ、噴射タイマ、空燃比、燃料消費量、お
    よび点火タイミングの少なくとも1つを制御するステッ
    プを含む、請求項27に記載の方法。
  31. 【請求項31】 溶接電流に応答するフィードバックを
    もたらすステップを含む、請求項28に記載の方法。
  32. 【請求項32】 前記少なくとも1つの動作パラメータ
    は溶接電圧である、請求項1に溶接電圧に応答するフィ
    ードバックをもたらすステップを含む、請求項28に記
    載の方法。
  33. 【請求項33】 溶接電力に応答するフィードバックを
    もたらすステップを含む、請求項28に記載の方法。
  34. 【請求項34】 電圧を表す信号と電流を表す信号とを
    掛け合わせて電力を表す信号を得るステップと、前記電
    力を表す信号を積分するステップとをさらに含む、請求
    項33に記載の方法。
  35. 【請求項35】 整流後のエネルギーを蓄積するステッ
    プを含み、前記制御するステップは、蓄積されたエネル
    ギーが所定しきい値より少なくなるとエンジンのスピー
    ドを増大させるステップを含む、請求項28に記載の方
    法。
  36. 【請求項36】 前記フィードバックは出力におけるリ
    ップルに応答する、請求項31に記載の方法。
  37. 【請求項37】 発電するステップは、直流出力を発電
    するステップを含む、請求項27に記載の方法。
  38. 【請求項38】 前記インバータ出力を整流して直流溶
    接出力をもたらすステップを含む、請求項31に記載の
    方法。
  39. 【請求項39】 前記発電をするステップは交流出力を
    発生するステップを含み、前記変換するステップは整流
    するステップを含む、請求項27に記載の方法。
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