JPS58145367A - 溶接用電源装置 - 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】 この発明は、出カドランスの一次側にスイッチング回路
、二次側に整流出力回路および高周波回路を接続して、
スイッチング周波数を制御することによって整流出力の
大きさを変化させる様にした直流ＴＩＧ溶接用電源装置
に関し、特には、出カドランスの偏磁によるスイッチン
グ回路の半導体素子の破壊を防止する制御回路の改良に
関するものである。

出カドランスの一次側にスイッチング回路、二次側に整
流出力回路を接続した直流ＴＩＧ溶接用電源装置として
は、二次側の整流出力の検出量を一次側にフィードバッ
クして前記スイッチング回路を周波数制御する様にした
ものがある。このスイッチング回路と、フィードバック
制御系を備える直流ＴＩＧ溶接用電源装置は、他の幾つ
かの方式の電源装置に比べ大容量リアクトルを不用にし
、しかも応答性と精度を格段に向上する利点を有してい
る。しかしこうした利点を有する反面、所謂用カドラン
スの偏磁現象に起因してスイッチング素子に過大電流の
流れることがあるため、動作の安定度と装置の信頼性を
高く維持するには何等かのスイッチング素子保護手段が
必要となってくる。

特に、アーク起動を詔こなうための高周波回路を備えた
装置では、起動時に、偏磁を生じやすくするノイズが上
記高周波回路からスイッチング制御回路へ侵入するので
、起動時でのスイッチング素子保護手段が非常に重要と
なる。

そこで、この要求に応えるため、本出願人は先に特願昭
５６−５６０１６号に於いて、高速で且つ高精度な制御
特性を保有したまま、スイッチング素子の破壊を防止し
得る溶接用電源装置を提案した。

この提案の溶接用電源装置を要約すると、整流出力の検
出量をフィードバックしてスイッチング回路を周波数制
御する制御回路とともに、この制御回路に優先して作動
し、スイッチングを行う半導体素子に流れる電流が所定
値に達した時、当該半導体素子をオフする別の制御回路
を設けたものである。

先ず、この発明の理解を容易にするため、第１図および
第２図を参照してこの発明の前提である上記電源装置の
一例を説明する。

第１図に於いて、１は商用電源を整流かつ平滑すること
によって得られる直流電源で、スイッチング回路２に供
給されている。スイッチング回路２は、出カドランス８
の一次側巻線にプッシュプル接続される２個のスイッチ
ングトランジスタ２０．２１を主要素に構成されていて
、そのスイッチング電流は出カドランス８の一次側に供
給される。また出カドランス８の二次側巻線に接続され
る整流出力回路４は、整流ダイオードブリッジ４０とリ
アクトル４１から成り、その出力端には電極トーチ５と
母材６が接続されている。そして、電極トーチ５と母材
６間には、溶接開始時にそれらに高周波を印加し、良好
にアークスタートさせる高周波回路７が設けられている
。この高周波回路７は、高周波カップリングコイル７０
、高岡ｔｊ１発生回路７１、高岡□波が出カドランス側
に流れるのを防止するバイパスコンデンサ７２とから構
成されている。

前記スイッチング回路２を周波数制御する第１の制御回
路８は、整流出力電流を検出する第１の電流検出器８０
、この電流検出器８ｏの出力を基準設定電圧Ｅｄと比較
する誤差増幅制御回路８１゜この誤差増幅制御回路８１
の出力を出カドランスの一次側と二次側を絶縁した状態
でスイッチング制御回路８８に伝達する、フォトカップ
ラを使用した信号伝達回路８２、およびスイッチング回
路２を制御するスイッチング制御回路８８とにより構成
される。なお、このスイッチング制御回路８３は、信号
伝達回路８２の出力レベルに対応する周波数でスイッチ
ングトランジスタ２０．２１を交互にオン、オフする二
相クロック発生回路（図示せず）、詔よび本出願人が先
に提案している二相クロック間に休止期間を介在させる
オフタイム発生回路（図示せず）を含んでいる。

前記第１の制御回路８に優先して作動し、スイッチング
トランジスタ２０．２１に流れる電流が所定値に達した
時、そのトランジスタ’２０．２１をオフする第２の制
御回路９は、スイッチング電流、即ちトランジスタ２０
．２１に流れる電流を検出する第２の電流検出ｗ！９０
、この電流検出器９０の出力と一定の基準電圧Ｅｋとを
比較する比較増幅器９１とにより構成される。なお、基
準電圧Ｅｋは、トランジスタ２０．２１に流れる許容電
流の限界を設定する電圧で、電流検出器９０の特性やト
ランジスタ２０．２１の最大特性等を考慮して定められ
る。

続いてこの電源装置の動作を説明すると、まず、アーク
起動時は、高周波発生回路７１から高周波を発生させ、
カップリングコイル７０を介して電極トーチ５と母材６
間に高周波を印加し、その間にアークを発生させる。そ
してアークが発生すると、高周波発生回路７１の動作を
停止させる。このようにしてアークが形成されると、整
流出力電流は第１の電流検出器８０により検出され、こ
の電流検出器８０の出力と第１の基準設定電圧Ｅｄが誤
差増幅制御回路８１により誤差増幅され　更にその誤差
増幅制御回路８１の出力は信号伝達回路８２を介してス
イッチング制御回路８８に伝達されてこのスイッチング
制御回路８８によりスイッチング回路２が制御される。

即ちこの第１の制御回路８は、整流出力が基準設定電圧
Ｅｄに対応した大きさとなる様常時フィードバック制御
を行うことになる。一方、スイッチング回路２に流れる
電流は第２の電流検出器９０により検出され、この電流
検出器９０の出力は、比較増幅器９１によって一定の基
準電圧Ｅｋと比較される。そしてこの第２の制御回路９
が動作する時、言い換えれば、偏磁現象等の回路の異常
が生じていずれかのトランジスタに基準電圧Ｅｋに対応
する許容最大電流以上の異常電流が流れた時は、比較増
幅器９１の出力がハイレベルとなりスイッチング制御回
路８８を介してトランジスタ２０．２１をオフし、従っ
て第１の制御回路８の動作も停止させる。

この状態は比較増幅器９１の出力がハイレベルの間継続
する。そして上記の異常電流が一時的なものである限り
、トランジスタ２０．２１に流れる電流が許容最大電流
以下の状態に復帰した時に、前記トランジスタ２０．２
１のオフの吠簡は解除され、再び第１の制御回路８は機
能する様になって元の定常状態に復帰する。この様にし
て異常電流がトランジスタに流れ始めると、第１の制御
回路８の動作に優先して第２の制御回路９が動作をし、
当該トランジスタを強制的にオフにしてトランジスタの
破壊を防ぐ様にしている。そしてこの様な動作を行って
いる間も負荷に対し電力の供給が行われ、溶接動作の継
続を可能にしている。

以上の様に第１の制御回路８に優先して動作する第２の
制御回路９を設けることによって、偏磁に起因するトラ
ンジスタの破壊が防止される。しかし、一般にこの破壊
防止が完全に保証されるには、制御回路９の制御速度或
いはトランジスタの応答性がスイッチング電流の上昇傾
き、つまりｄｉ／ｄｔよりも充分に高速でなければなら
ない第２図は、スイッチング回路２のトランジスタ２０
．２１に流れるスイッチング電流波形の三つの形態を表
しているが、基準電圧Ｅｋ（許容最大電流に対応）およ
びトランジスタの最大定格電流に対応する電流検出器９
０の出力レベルＥＭを図の様に設定した場合、Ａ、　Ｈ
の電流はトランジスタを破壊しないが、偏磁等に起因し
て生じるＣの電流はトランジスタを破壊するおそれがあ
る。即ち、電流Ａは制御回路９が作動せず従ってトラン
ジスタの破壊も無く、また電流Ｂも、制御回路９は作動
するが、その制御速度はｄｉ／ｄｔに対して充分に高速
となるためトランジスタの破壊には到らないのに対して
、電流Ｃは、ｄｉ／ｄｔが急峻であるため制御速度がそ
の変化に追従出来ず、つまり制御遅れ時間Ｔの期間内に
電流値が最大定格電流値を越えることになって、結局こ
の期間Ｔ内でトランジスタを破壊するおそれが生じてく
る。

そしてこの破壊は、前述のアーク起動用高周波回路を備
えた電源装置に詔いて起動時に特に生じやすくなる。こ
の様なことから、制御回路９或いはトランジスタの高速
性が要求される訳であるが、実際にはこうした要求に充
分に応える素子が無く、低価格で汎用の素子を使う限り
に於いては上述の破壊が生じる危険がないとは言えなか
った。

それ故に、この発明の主な目的は、一般的な低価格な素
子を使用したままで、アーク起動用高周波回路を備える
電源装置におけるトランジスタ等のスイッチング素子の
破壊防止をより一層確実化することにある。

この発明を要約すれば、アーク起動用高周波回路を備え
、整流出力の検出量をフィードバックしてスイッチング
制御をするフィードバック系を有する溶接用電源装置に
於いて、前記フィードバック系の制御回路（第１の制御
回路）と、この制御回路に優先して動作する半導体素子
オフ用の制御回路（第２の制御回路）と、第２の制御回
路において半導体素子をオフする基準値を、アーク起動
時には定格電流より充分小さな値に設定し、アーク起動
後には定格電流以上で且つ最大許容電流以下の値に設定
する第８の制御回路を設けたものである。

以下この発明の実施例を図面を参照して説明する。

第３図はこの発明の実施例である溶接用電源装置の回路
図である。なお、第１図に示す電源装置と同一部分には
同一符号を付してあり、以下においてはその部分の説明
を略する。

構成に於いて第１図と相違する部分は、第２の制御回路
９に切換スイッチ９２で切換選択される二つの基準設定
電圧Ｅｋ、Ｅｋ２を設けたことと、アーク起動時には上
記基準設定電圧Ｅｋ１　に切換え、アーク起動後には上
記基準設定電圧Ｅｋ２に切換える第８の制御回路１０を
設けたことである。

二つの基準設定電圧のうち電圧Ｅｋ、　は、トランジス
タ２０．２１の定格電流に対応する電流検出器９０の出
力より充分小さな値に設定され、電圧Ｅｋ２は、最大許
容電流に対応する電流検出器９０の出力より小さく且つ
定格電流に対応する電流検出器９０の出力より大きい値
に設定されている。すなわち、第２の制御回路９では、
切換スイッチ９２で電圧Ｅｋ、　　が選択されたときト
ランジスタ２０．２１の定格電流より充分小さな電流が
トランジスタをオフする基準値となり、電圧Ｅｋ２が選
択されたときトランジスタ２０．２１の最大許容電流よ
り小さく且つ定格電流より大きい電流がトランジスタを
オフする基準値となる。

第８の制御回路１０は、電流検出器８０の出力を受けて
上記切換スイッチ９２を制御する一方、この実施例では
同時に高周波発生回路７１の制御もおこなう。この制御
回路１０の回路図を第４図に示す。電流検出器８０から
の出力は基準電圧Ｅｓとの比較をおこなう比較器１２に
導かれる１゜この基準電圧Ｅｓは、アーク起動後の溶接
電流に対応する電圧値に設定されていて、アーク起動前
の小電流時には比較器１２は出力せず、アーク起動後の
一定の電流値に達したときに比較器１２は出力する。比
較器１２の出力は、リレー１４を制御するトランジスタ
１８をオンし、また高周波発生回路７１の駆動を停止す
る。リレー１４はトランジスタＩ８のオフ時に切換スイ
ッチ９２を電圧Ｅｋ、　　に設定させているが、トラン
ジスタ１３がオンすると切換スイッチ９２を電圧Ｅｋ、
　　から電圧Ｅｋ２に切換える。

以上の構成から、高周波発生回路７１が駆動していると
きには、つまりアーク起動時には、第２の制御回路９の
基準設定電圧がＥｋｌとなり、高周波発生回路７１の駆
動していないとき、つまりアーク起動後には上記基準設
定電圧がＥｋ２　となる。

次にこの電源装置の動作を説明する。

まず高周波発生回路７１を駆動すると、高周波がカップ
リングコイル７０を介して電極トーチ５と母材６間に印
加されてアークが発生する。前述のようにこの高周波の
発生は、電流検出器８０の出力が基準電圧Ｅｓに達する
迄継続し、その間に溶接電流が増加していく。そしても
し、このアーク起動時に出カドランス３の偏磁が生じな
ければ、第２の制御回路９が動作することなく基準電圧
がＥｋ　　からＥｋ２に切換わり、且つ高周波発生間路
７１の動作が停止して定常の状態に移行する。

この定常状態においては、第１の制御回路９での基準電
圧がトランジスタ２０．２１の定格電流以上となるため
、各トランジスタを最大定格付近で作動させることがで
きる。

一方、アーク起動時に高周波が第１の制御回路８に流入
してスイッチングタイミングを狂わせ、それによって出
カドランス８の偏磁を生じさせるとトランジスタ２０．
２１に流れる電流が低電流状態から急激に増大する。し
かしこのアーク起動時での第２の制御回路９の基準電圧
は、定格電流より充分小さい電流に対応する電圧Ｅｋ２
であるから、上記の偏磁による電流の急峻な増大は早い
タイミングで検出されてトランジスタ２０．２１のオフ
動作がおこなわれる。すなわち、ｄｉ／ｄｔが急峻であ
っても、基準電圧Ｅｋ２が非常に低いためその立上がり
の最初の付近で異常状態が検出され、それ故トランジス
タの制御遅れ時間Ｔ内に最大許容電流を越える電流が流
れることなく、トランジスタ２０．２１がオフされるこ
とになる。

このように、高周波発生回路７１からの高周波に起因し
て偏磁しやすいアーク起動時において、第２の制御回路
９の基準電圧を低く設定することによりトランジスタの
破壊を完全に防ぐことができる。なお、アーク起動後に
偏磁が生じた場合は、ｄ　ｉ　／　ｄ　ｔがそれ程急峻
にならないため、第２の制御回路９の基準電圧が定格電
流に対応する電圧値付近の大きさくＥｋ２）　　であっ
ても、トランジスタの制御遅れ時間Ｔ内に最大許容電流
を越えることがないようにトランジスタをオフできる。

以上詳述したように、この発明によれば、特にアーク起
動用の高周波に起因してアーク起動時に偏磁が生じ、さ
らにスイッチング電流に異常が生じても常にｄｉ／ｄｔ
の小さい段階で半導体素子をオフすることができる。し
たがって、制御回路、半導体素子の応答性を高速にしな
くても充分に装置を保護でき、しかも使用素子が汎用の
低価格のものでよく、また制御回路も簡単な構成でよい
ため、高信頼性にして低価格な電源装置にすることがで
きる。さらに、半導体素子を最大定格付近で作動させる
ことができるため、能率を向上する利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の前提である直流ＴＩＧ溶接用電源装
置のブロック図、第２図は同電源装置のスイッチング電
流波形を示す。また第８図はこの発明の実施例である直
流ＴＩＧ溶接用電源装置のブロック図、第４図は同電源
装置の第３の制御回路の回路図を示す。　。 ２・・・スイッチング回路、２０，２１・・・スイッチ
ングトランジスタ（半導体素子）、３・・・出カドラン
ス、４・・・整流出力回路、７・・・アーク起動用高周
波回路、８・・・第１の制御回路、９・・・第２の制御
回路、１０・・・第８の制御回路。 出　願　人　　株式会社　三社電機製作所代理人　弁理
士　小森久夫 手続ネ甫正書　（自発） 昭和５７年　８月　７日 特許庁長官　殿 １＊（４ｓ゛表１　昭和、□年特許願。２□７５２号２
　１１（７）８ｓ、ゆ、□い ３　補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　大阪市東淀用区淡路２丁目１４番３号名称　　株
式会社　三社電機製作所 代表者　　四方　正大 ４　代理人 住所　８５４３大阪市天王寺区四天王寺１丁目１４番２
２号日進ビＪし７０２号 （１、発明の名称〕 Ｉ−直流ＴＩＧ溶接用電源装置」を［溶接用電源装置、
ｊに補正する。 （２）〔発明の詳細な説明〕 （ａ）明細書第２ページ上から５行の「直流ＴＩＧ溶接
用電源装置」を「溶接用電源装置」に補正する。 （ｂｌ明細書第２ページ上から１０行の「接続した１の
次に１−例えば」を挿入する。 ｔｅｌ明細書第８ページ上から８行と９行の間に次の文
を挿入する。 Ｉなお、異常電流が流れたときには、トランジスタ２０
．２１を保護すればよいので、上記のように完全オフ状
態となるように電流をクランプせず、若干の能動状態を
保つように一定の安全な電流にクランプされることもあ
る。」 （ｄｉ明細書第１０ページ上から１０行の「半導体素子
オフ用」を□「半導体素子流入電流クランプ用−にンｌ
Ｉｉ市する。 ｔｅｌ明細書第１５ページ上から４行と５行の間に次の
文を挿入する。 １以上の実施例は直流ＴＩＧ溶接機に通用した電源装置
ごあるが、ごの発明は、プラズマ溶接機等の他の溶接機
にも適用することができる。」２、特許請求の範囲 （１１少くとも２個の半導体素子を用いたスイッチング
回路と、こたのスイッチング回路を一次側に接続し、二
次側に整流出力回路とアーク起動用高周波回路とを接続
した出カドランスと、この出カドランスの整流出力の検
出量をフィードバンクして前記スイッチング回路を周波
数制御する第１の制御回路と、この第１の制御回路に優
先して動作するとともに前記半導体素子に流れる電流が
所定の基準値に達したとき当該半導体素子Ｕ蜆りセ遠十
−幻文４）−する第２の制御回路と、前記第２の制御回
路の所定の基準値を、アーク起動時は前記゛４′−導体
素子の定格電流より充分小さな値に設定し１、アーク起
動後は前記半導体素子の最大許容電流縁Ｆで且つ定格電
流以上の値に設定する第３の制御回路と、を有してな蚤
１１１用−電源装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少くとも２個の半導体素子を用いたスイッチング
   回路と、このスイッチング回路を一次側に接続し、二次
   側に整流出力回路とアーク起動用高周波回路とを接続し
   た出カドランスと、この出カドランスの整流出力の検出
   量をフィードバックして前記スイッチング回路を周波数
   制御する第１の制御回路と、この第１の制御回路に優先
   して動作するとともに前記半導体素子に流れる電流が所
   定の基準値に達したとき当該半導体素子をオフする第２
   の制御回路と、前記第２の制御回路の所定の基準値を、
   アーク起動時は前記半導体素子の定格電流より充分小さ
   な値に設定し、アーク起動後は前記半導体素子の最大許
   容電流以下で且つ定格電流以上の値に設定する第８の制
   御回路と、を有してなる直流ＴＩＧ溶接用電源装置。