JPWO2008072387A1

JPWO2008072387A1 - 溶接装置

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Publication number: JPWO2008072387A1
Application number: JP2007541565A
Authority: JP
Inventors: 雅充栩野; 亘梅田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: CN101400471A; JP4935679B2; CN101400471B; WO2008072387A1

Abstract

従来の溶接装置では、溶接装置内にヒューズあるいはサーキットブレーカを有していない場合、溶接装置に電力を供給する配電箱のヒューズやサーキットブレーカは半導体素子が短絡故障したとき機器の焼損を防止できる値のものを指定する必要があり、防止できる値以上のものを使用している場合、保護できないという問題があった。そこで、半導体素子の電圧を監視し、半導体素子にかかる電圧が零あるいは通常電圧よりも低くなったときに入力電源を遮断して溶接装置への入力電源の供給を遮断することにより、故障の拡大の防止を簡単な構成かつ低コストで実現する。

Description

本発明は、半導体素子を用いる溶接装置であって、この半導体素子の故障検出を行う溶接装置に関する。

近年、世界的に機器の安全に対する取り組みが強化されている。溶接装置に使用されているサイリスタなどの半導体素子が短絡故障した場合、半導体素子だけの故障にとどまらず、変圧器などの構成部品を同時に焼損させてしまうことがある。

従来の溶接装置において、半導体素子が故障短絡した場合の保護の方法として一般的に知られているものには、以下のものがある。

例えば、溶接装置に電力を供給する配電設備や入力電源回路に、ヒューズやサーキットブレーカを設けておく。そして、半導体素子が短絡故障した場合、過大な入力電流が流れるためヒューズが溶断する、あるいは、サーキットブレーカがトリップすることにより、溶接装置を構成する変圧器の焼損などを防ぎ、故障の拡大を防止していた（例えば、特許文献１参照）。

図３は上記従来の溶接装置の概略構成を示している。

この従来の溶接装置では、入力開閉器１０１が閉じることにより、入力電源（Ｕ，Ｖ，Ｗ）が三相交流用主変圧器１２２の１次巻線１２１へ供給される。同２次巻線１０２ａ〜１０２ｆの出力電圧をサイリスタ１０３ａ〜１０３ｆで整流し、相間リアクトル１０４、直流リアクトル１０５を経由して、溶接出力電流として溶接負荷１０６に供給する。このとき、各サイリスタ１０３ａ〜１０３ｆには溶接出力電流を６分割した電流が流れる。

これらを制御する制御回路１１０が異常を生じた際に、他の箇所への影響を防ぐための保護ヒューズ１０７が設けられている。

ここで、１個あるいは複数個のサイリスタ１０３ａ〜１０３ｆが何らかの原因で短絡故障した場合、溶接変圧器の２次巻線１０２ａ〜１０２ｆの出力は故障したサイリスタ１０３ａ〜１０３ｆのいずれかを介して短絡されて、過大電流が流れる。この過大電流が流れた場合、この溶接装置に接続されている配電装置内に設けられた保護用のヒューズ（図示しない）が溶断するか、あるいは、サーキットブレーカ（図示しない）がトリップして溶接装置を保護する。

しかし、規定値より大きなヒューズやサーキットブレーカを接続していた場合、サイリスタ１０３ａ〜１０３ｆが短絡故障してもヒューズあるいはサーキットブレーカが動作せず、三相交流用主変圧器１２２の２次巻線１０２ａ〜１０２ｆおよび１次巻線１２１を焼損させることがある。

また、配電箱等に取り付けられたヒューズが溶断して溶接装置を保護しても、取り替えの手間や、大容量ヒューズのため交換部品が高価であるなどの問題もある。

このように、従来の溶接装置では、溶接装置内にヒューズあるいはサーキットブレーカを有していない場合、溶接装置に電力を供給する配電箱等にヒューズやサーキットブレーカを設ける必要がある。さらに、このヒューズやサーキットブレーカとしては、半導体素子が短絡故障したときに、機器の焼損を防止できる値のものを指定する必要があり、防止できる値以上のものを使用していた場合、機器を保護できないという問題があった。

また、溶接装置内にヒューズあるいはサーキットブレーカを装備した場合でも、溶接装置の配置スペースが大きくなる。そして、大電流を通電するヒューズあるいはブレーカが必要になるため、コスト的にも高価になるという問題があった。
特公昭６２−４１８３７号公報

本発明は、上記課題を解決するために、半導体素子が故障したときに、簡単かつ低コストで溶接装置の入力電源を遮断し、故障の拡大を防止するものである。

上記課題を解決するために、本発明の溶接装置は、変圧器と、変圧器の１次側に設けられており変圧器に対して交流電力を供給または遮断するためのスイッチ部と、変圧器の２次側に設けられており溶接出力を制御するための半導体素子と、半導体素子の両端電圧を検出する電圧検出部を備え、変圧器に交流電力が供給されているときに半導体素子の両端電圧が通常電圧よりも低いかまたは零であることを電圧検出部が検出すると、スイッチ部を開動作して変圧器への交流電力の供給を遮断するものである。

また、本発明の溶接装置は、半導体素子は複数設けられており、複数の半導体素子は並列に接続されており、複数の半導体素子のそれぞれに対して電圧検出部が設けられており、少なくとも１つの電圧検出部が半導体素子の両端電圧が通常電圧より低いかまたは零であることを検出すると、スイッチ部を開動作して変圧器への交流電力の供給を遮断するものである。

また、本発明の溶接装置は、電圧検出部が、所定時間以上継続して半導体素子の両端電圧が通常電圧よりも低いかまたは零であることを検出したときに、スイッチ部を開動作して変圧器への交流電力の供給を遮断するものである。

また、本発明の溶接装置は、第１のリレーと、第２のリレーと、第２のリレーに並列接続された容量性素子と、電圧検出部の検出結果に基づいて第２のリレーを開閉動作させるトランジスタ等のスイッチング素子とをさらに備え、第１のリレーが動作することにより容量性素子に蓄えられたエネルギーに相当する所定維持時間第２のリレーが閉動作し、第１のリレーと第２のリレーとが閉動作することによりスイッチ部が閉動作して変圧器に対して交流電力が供給され、電圧検出部が半導体素子の両端電圧が通常電圧であることを検出するとスイッチング素子が閉動作することにより所定維持時間経過後も第２のリレーの閉動作が維持されて変圧器に対して交流電力の供給が維持され、電圧検出部が半導体素子の両端電圧が通常電圧より低いかまたは零であることを検出するとスイッチング素子が開動作することにより所定維持時間経過後には第２のリレーが開動作して変圧器に対して交流電力の供給が遮断されるものである。

このような構成によって本発明の溶接装置は、半導体素子の電圧を監視し、半導体素子の両端電圧が零かあるいは通常電圧よりも低くなったときに入力電源を遮断して、溶接装置への入力電源の供給を遮断することにより、故障の拡大の防止を簡単な構成かつ低コストで実現することができる。

図１は本発明の一実施の形態における溶接装置の概略構成を示す図である。図２は本発明の一実施の形態における溶接装置の入力開閉器の制御部の構成を示す図である。図３は従来の溶接装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１，１０１入力開閉器
１０起動用スイッチ
１１トランジスタ（スイッチング素子）
１１ａベース端子
２溶接変圧器
２ａ，１２１１次巻線
２ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ，１０２ｅ，１０２ｆ２次巻線
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄ，１０３ｅ，１０３ｆサイリスタ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆフォトカプラの発光側素子
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆフォトカプラの受光側素子
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅＡＮＤ素子
７第１のリレー
７１第１の系統
７２第２の系統
８第２のリレー
９制御部
９１コンデンサ
９２抵抗

図１は、本発明の一実施の形態である溶接装置の概略構成を示す図である。本実施の形態は、溶接装置に多く用いられているサイリスタによる二重星形整流回路に本発明を適用した例である。

図１に示すように、この二重星型整流回路は、溶接装置の入力電源を開閉する入力開閉器１と溶接変圧器２とを有し、溶接変圧器２は１次巻線２ａと２次巻線２ｂとを備えている。さらに、溶接変圧器２の出力を整流する電力半導体素子であるサイリスタ３ａ〜３ｆを備え、二重星型整流回路構成であるため、６個のサイリスタ３ａ〜３ｆが並列に接続されている。

また、電流制限抵抗およびダイオードと直列に接続されたフォトカプラの発光側素子４ａ〜４ｆが、サイリスタ３ａ〜３ｆと並列あるいは逆並列に接続されている。なお、図１で矢印に付した符号Ｋ１〜Ｋ６は、それぞれ同じ符号の矢印どうしが接続されていることを示している。

さらに、フォトカプラの受光側素子５ａ〜５ｆの出力が、電圧調整抵抗を介してシーケンス回路を構成するＡＮＤ素子６ａ〜６ｃの入力に接続されている。本実施の形態の溶接装置における入力開閉器１の制御部９の構成を図２に示す。なお、図１および図２において矢印で付した符号ｍ１〜ｍ３は、それぞれ同じ符号の矢印どうしが接続されていることを示している。

この制御部９は図２に示すように、常開接点と常閉接点を備えた第１のリレー７と第２のリレー８を有している。第１のリレー７は第１の系統７１と第２の系統７２の２系統を、同時にオンオフすることができる。

なお、第１のリレー７の常開接点は、接続点１ａと接続されている。また、第２のリレー８の常開接点は、入力開閉器１の接点を動作させるための入力開閉器１のコイル部１ｃを介して接続点１ｂと接続されている。また、第１のリレー７の常開接点と第２のリレー８の常開接点は直列に接続されている。そして、第１のリレー７の常開接点と第２のリレー８の常開接点がオンする（接点が閉じる）ことにより、接続点１ａと接続点１ｂが接続された状態になると、コイル部１ｃに電流が流れて入力開閉器１は閉状態となる。すなわち、入力電源が溶接変圧器２に供給される状態となる。一方、第１のリレー７の常開接点あるいは第２のリレー８の常開接点がオフする（接点が開く）ことにより、接続点１ａと接続点１ｂがコイル部１ｃを介して接続されない状態になると、コイル部１ｃに電流が流れず入力開閉器１は開状態となる。すなわち、入力電源が溶接変圧器２に供給されない状態となる。

図２からわかるように、起動用スイッチ１０がオフの状態では、第１のリレー７のコイルには電流が流れず、第１のリレー７はオフ状態で、接続点１ａと接続点１ｂの接続は切断された状態となる。従って、入力開閉器１は開状態となる。なお、この状態で、第２のリレー８のコイルには、第１のリレー７の第２の系統７２の常閉接点を介して所定の電流が流れ、第２のリレー８はオン状態となっている。

この状態で、起動用スイッチ１０をオンにすると、第１のリレー７のコイルに所定の電流が流れ、第１のリレー７がオンとなり、第２のリレー８もオン状態のため、接続点１ａと接続点１ｂが第１のリレー７と第２のリレー８と入力開閉器１のコイル部１ｃを解して接続される。なお、このとき、第１のリレー７の第２の系統７２においては、常閉接点が開状態となる。しかしながら、第２のリレー８はオン状態を維持する。その理由については後で詳述する。

このようにして、接続点１ａと接続点１ｂが接続されて、コイル部１ｃに電流が流れて入力開閉器１を閉状態にする。そして、溶接変圧器２を介してサイリスタ３ａ〜３ｆに電圧が印加される。サイリスタ３ａ〜３ｆは、印加された電圧を整流し直流電圧を溶接部２０へ供給する。なお、サイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間には、溶接変圧器２の交流出力電圧が印加される。

ここで、もし、サイリスタ３ａ〜３ｆのいずれかあるいは複数個が故障し、故障したサイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間が短絡状態になった場合、短絡故障したサイリスタ３ａ〜３ｆはカソードに印加される電圧を阻止できなくなる。そして、故障したサイリスタ３ａ〜３ｆと、２次巻線２ｂに接続された別のサイリスタ３ａ〜３ｆとにより、溶接変圧器２の２次巻線２ｂに短絡回路が構成され、サイリスタ３ａ〜３ｆおよび溶接変圧器２に過大電流が流れる。

さらに、その状態が継続する場合、溶接変圧器２の２次巻線２ｂおよび１次巻線２ａを焼損に至らしめることになる。なお、サイリスタ３ａ〜３ｆのいずれか１つの場合だけでなく、複数のサイリスタ３ａ〜３ｆが故障したときにも、同様に、短絡回路が構成されて過大電流が流れる。

上記のような状態を防ぐために、本実施の形態の溶接装置では、サイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間電圧を監視する構成としている。サイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間電圧を監視するため、それぞれのサイリスタ３ａ〜３ｆに並列あるいは逆並列になるように、フォトカプラの発光側素子４ａ〜４ｆとダイオードと電流制限抵抗からなる直列接続回路を接続する。なお、ダイオードはフォトカプラの発光側素子４ａ〜４ｆの過電圧防止用であり、抵抗は電流制限用である。

溶接装置が正常に運転しているときには、サイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間には電圧が印加されているため、その電圧によりフォトカプラの発光側素子４ａ〜４ｆに電流が流れて発光し、光がフォトカプラの受光側素子５ａ〜５ｆに伝達される。そして、フォトカプラの受光側素子５ａ〜５ｆがオンとなり、これらの信号がＡＮＤ素子６ａ〜６ｅで構成されるシーケンス回路を経由して、ＡＮＤ素子６ｅの出力端子６ｆをハイ状態にする。

このＡＮＤ素子６ｅの出力端子６ｆは、スイッチング素子であるトランジスタ１１のベース端子１１ａに入力され、トランジスタ１１をオン状態にする。

トランジスタ１１がオン状態となるため、第２のリレー８のコイルには所定の電流が流れ続け、第２のリレー８はオン状態を保つ。従って、接続点１ａと接続点１ｂが接続された状態が維持され、入力開閉器１は閉状態を維持する。

次に、６個のサイリスタ３ａ〜３ｆのうちいずれか１個あるいは複数のサイリスタ３ａ〜３ｆが短絡故障した場合の動作について説明する。

サイリスタ３ａ〜３ｆのうちいずれか１個あるいは複数のサイリスタ３ａ〜３ｆが短絡故障したとき、そのサイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間電圧は零あるいは通常電圧より低い電圧となる。そして、サイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間に接続されたフォトカプラの発光側素子４ａ〜４ｆに電流が流れなくなり、対応するフォトカプラの受光側素子５ａ〜５ｆがオフ状態となる。

その結果、ＡＮＤ素子６ａ〜６ｃの対応するいずれかの入力端子がロー状態となり、ＡＮＤ素子６ｅの出力端子６ｆもロー状態となる。このＡＮＤ素子６ｅの出力端子６ｆはトランジスタ１１のベース端子１１ａに接続されているので、トランジスタ１１がオフ状態となる。

このとき、起動用スイッチ１０はオン状態となっているので、第１のリレー７はオン状態となっており、第１のリレー７の第２の系統７２の常閉接点は開状態になっている。従って、第２のリレー８のコイルに電流が流れず、第２のリレー８がオフ状態となる。

これにより、接続点１ａと接続点１ｂが接続されなくなり、コイル部１ｃに電流が流れず、入力開閉器１が開状態となり、溶接装置への入力電源を遮断する。

なお、制御部９における第１のリレー７、第２のリレー８としては、電磁接触器あるいはこれと同等の開閉器やトライアックなどの半導体スイッチ等を用いてもよい。

以上のように、サイリスタ３ａ〜３ｆの電圧を監視し、サイリスタ３ａ〜３ｆが短絡故障した場合にはサイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間電圧が正常動作時よりも小さくなる、あるいは、零となるので、これを検出することにより、入力電源を入力開閉器１により遮断することで、溶接変圧器２などの溶接装置の構成部材の故障の拡大を防止することができる。

なお、各サイリスタ３ａ〜３ｆの電圧を検出し、この検出結果を入力とする各サイリスタ３ａ〜３ｆに対応した複数のＡＮＤ素子６ａ〜６ｅにより、入力開閉器１のオン（閉）状態の維持あるいはオフ（開放）を行うシーケンス回路を構成しているので、少なくとも１つのサイリスタ３ａ〜３ｆが故障した場合には、入力開閉器１をオフ（開放）することができる。

また、監視しているサイリスタ３ａ〜３ｆの電圧が正常動作時よりも小さくなる、あるいは、零となる時点で入力開閉器１をオフ（開放）させて入力電源を遮断する例を示したが、サイリスタ３ａ〜３ｆは故障しておらず正常動作しているが、ノイズ等何らかの原因によりサイリスタ３ａ〜３ｆの電圧が低下したと誤検知してしまうことを防ぐ目的で、サイリスタ３ａ〜３ｆの電圧が正常動作時よりも小さくなる、あるいは、零となる状態が所定時間継続された場合に入力開閉器１をオフ（開放）させて、入力電源を遮断するようにしてもよい。

次に、本実施の形態の溶接装置を起動させるときの動作について説明する。

この溶接装置が起動する前は、入力電源は遮断されているため溶接変圧器２には電圧が印加されず、溶接変圧器２の２次巻線２ｂに接続されたサイリスタ３ａ〜３ｆにも電圧が印加されていない。そのためフォトカプラの発光側素子４ａ〜４ｆにも電流が流れず、サイリスタ３ａ〜３ｆが短絡しているものと誤判定して、ＡＮＤ素子６ｅの出力端子６ｆはロー状態となり、トランジスタ１１もオフ状態となる。

この状態で、起動用スイッチ１０がオフならば、第１のリレー７はオフ状態、第２のリレー８はオン状態となっている。

しかし、この状態から、起動用スイッチ１０がオン状態になると、第１のリレー７はオン状態となり、第１のリレー７の第２の系統７２の常閉接点が開状態となる。さらに、この段階ではまだサイリスタ３ａ〜３ｆにも電流が流れていないので、ＡＮＤ素子６ｅの出力端子６ｆもロー状態のままで、トランジスタ１１もオン状態とならない。従って、第２のリレー８のコイルには電流が流れず、第２のリレー８はオン状態となることができない。すなわち、いつまでたっても、入力開閉器１をオン状態（閉状態）にすることができない。

そこで、第２のリレー８のコイルにコンデンサ９１と抵抗９２の直列回路を並列接続し、起動用スイッチ１０がオン状態となって第１のリレー７の第２の系統７２の常閉接点が開状態となっても、ある期間はこのコンデンサ９１にチャージされた電流が第２のリレー８のコイルに流れ続け、第２のリレー８がオンの状態を維持する構成としている。このようにして、起動用スイッチ１０がオン状態となってから、第２のリレー８がオフ状態となるまでに、ある遅延時間をもたせている。

すなわち、溶接装置が起動前の待機状態において、第２のリレー８はオン状態になっている。

そして、入力開閉器１をオンするために、起動用スイッチ１０をオンとし、これによって第１のリレー７がオン状態となったとき、その常閉接点は開となるが、コンデンサ９１にチャージされている電流が一定期間流れ続けて、第２のリレー８はオン状態をその期間保持する。

その期間は、第１のリレー７と第２のリレー８が同時にオン状態となり、制御部９の入力端子１ａと１ｂが接続され、制御部９はオン状態となり、入力開閉器１がオン状態（閉）となる。

このようにして、入力開閉器１がオン状態となることにより、サイリスタ３ａ〜３ｆのアノード・カソード間には電圧が印加され、その電圧を検出することにより、ＡＮＤ素子６ｅの出力端子６ｆがハイ状態になる。これがトランジスタ１１のベース端子１１ａに入力され、トランジスタ１１がオン状態になり、第２のリレー８がオン状態を持続し、入力開閉器１もオン状態（閉）を保つことができる。

なお、本実施の形態において、溶接装置を起動させる回路としてリレーを用いた回路の例を示したが、これに限るものではなく、ロジックＩＣやトランジスタ回路等の他の部品を用いても実現することができる。

なお、本実施の形態は、三相入力のサイリスタによる二重星型整流回路について述べたが、他の整流回路構成および単相入力の整流回路、他の制御素子よりなる半導体回路にも適用することができる。

本発明は、溶接装置に用いる半導体素子の故障による被害拡大を低コストかつ簡単な構成で未然に防止することができ、安全性を向上させる溶接装置として産業上有用である。

図３は上記従来の溶接装置の概略構成を示している。

本発明の一実施の形態における溶接装置の概略構成を示す図本発明の一実施の形態における溶接装置の入力開閉器の制御部の構成を示す図従来の溶接装置の概略構成を示す図

符号の説明

Claims

変圧器と、
前記変圧器の１次側に設けられており前記変圧器に対して交流電力を供給または遮断するためのスイッチ部と、
前記変圧器の２次側に設けられており溶接出力を制御するための半導体素子と、
前記半導体素子の両端電圧を検出する電圧検出部を備え、
前記変圧器に前記交流電力が供給されているときに前記半導体素子の両端電圧が通常電圧よりも低いかまたは零であることを前記電圧検出部が検出すると、前記スイッチ部を開動作して前記変圧器への前記交流電力の供給を遮断する、溶接装置。
前記半導体素子は複数設けられており、前記複数の半導体素子は並列に接続されており、前記複数の半導体素子のそれぞれに対して前記電圧検出部が設けられており、少なくとも１つの前記電圧検出部が前記半導体素子の両端電圧が通常電圧より低いかまたは零であることを検出すると、前記スイッチ部を開動作して前記変圧器への前記交流電力の供給を遮断する、請求項１記載の溶接装置。
前記電圧検出部が、所定時間以上継続して前記半導体素子の両端電圧が通常電圧よりも低いかまたは零であることを検出したときに、前記スイッチ部を開動作して前記変圧器への前記交流電力の供給を遮断する、請求項１記載の溶接装置。
第１のリレーと、
第２のリレーと、
前記第２のリレーに並列接続された容量性素子と、
前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記第２のリレーを開閉動作させるスイッチング素子とをさらに備え、
前記第１のリレーが動作することにより前記容量性素子に蓄えられたエネルギーに相当する所定維持時間前記第２のリレーが閉動作し、
前記第１のリレーと前記第２のリレーとが閉動作することにより前記スイッチ部が閉動作して前記変圧器に対して前記交流電力が供給され、
前記電圧検出部が前記半導体素子の両端電圧が通常電圧であることを検出すると前記スイッチング素子が閉動作することにより前記所定維持時間経過後も前記第２のリレーの閉動作が維持されて前記変圧器に対して前記交流電力の供給が維持され、前記電圧検出部が前記半導体素子の両端電圧が通常電圧より低いかまたは零であることを検出すると前記スイッチング素子が開動作することにより前記所定維持時間経過後には前記第２のリレーが開動作して前記変圧器に対して前記交流電力の供給が遮断される、請求項１から３のいずれか１項に記載の溶接装置。