JPH0756125Y2 - アーク溶接用電源装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、アーク溶接用電源に関し、特に出力電流とし
て高周波から直流に至るまでの任意の周波数が得られ、
さらに直流出力時においてはその極性を自由に電子的に
変更できる万能形の電源を提案したものである。

〈従来の技術〉 アーク溶接用電源としては高周波から直流まで任意に得
られるものとして従来は直流電源をインバータにて高周
波交流とした後に周波数逓降回路によって任意の周波数
の交流を発生させるものがある。（例えば、実願昭63-9
5830号） 第３図は、この種の従来装置の例を示す接続図である。
同図において、１は交流電源、２は交流電源１の出力を
整流、平滑して直流電力を得るための直流電源回路であ
り、指令信号に応じて出力が調整される。３は直流電源
回路３の出力を高周波交流に交換するインバータ回路で
あり、インバータ制御回路４からの駆動信号によって一
定周波数の矩形波交流を出力する。５は変圧器であり、
２次巻線にはセンタータップが設けられている。6aない
し6dは整流素子であり、それぞれ変圧器５の出力を両波
整流し、相互に直列接続された正および負の２組の直流
出力を得るように図示の通り接続されている。7a,7bは
リアクトルであり、共通鉄心にコイルが巻かれ、それぞ
れに流れる電流によって共通鉄心に同方向の磁束が生じ
る極性に定められている。8a,8bはリアクトル7a,7bにそ
れぞれ図示の極性に直列接続されたスイッチング素子で
あり、９は電極、10は被溶接物である。11は出力電流検
出器、12は出力電流設定信号源、13は比較器であり、こ
の比較器13の出力によって直流電源回路２の出力電流が
決定される。14は極性切換信号源、15はスイッチング素
子8a,8bを開閉制御するための駆動回路である。また16
a,16bはスイッチング素子8aおよび8bを逆電圧から保護
するためのダイオードである。

同図の装置においてスイッチング素子8aを導通させると
電極９を正とする極性の電流が流れ、スイッチング素子
8bを導通させると被溶接物10を正とする極性の電流が流
れることになる。

いま、極性切換信号源14の出力epが正の期間はスイッチ
ング素子8aを導通させ、epが負の期間はスイッチング素
子8bを導通させる信号を駆動回路15が出力するように構
成してあるものとする。第３図において、交流電源１か
ら供給された電力は直流電源回路２にて、直流電力に変
換されてインバータ回路３に供給される。インバータ回
路３においては、インバータ制御回路４からの駆動信号
に応じて直流入力を高周波の交流に変換し、変圧器５に
出力する。変圧器５の出力は整流素子6aないし6dからな
る正・負両極性の２通りの両波整流回路によって整流さ
れて再び直流出力となり、リアクトル7aとスイッチング
素子8aおよびリアクトル7bとスイッチング素子8bとから
なる２組の直列回路を経て変圧器５の２次巻線のセンタ
ータップからの出力とともに電極９および被溶接物10に
供給される。このときスイッチング素子8aおよび8bは極
性切換信号源14の出力信号epの極性によって定まる駆動
回路15の出力によっていずれかが導通することになる。
スイッチング素子8a,8bの導通によって電極９および被
溶接物10に供給される電流は、出力検出器11にて検出さ
れて信号Ifとなり出力電流設定信号源12の設定値erと比
較器13にて比較されて差信号が直流電源２に供給され
る。この差信号によって直流電源２の出力が決定されて
出力電流Iaが基準信号erに対応する値となるようにフィ
ードバック制御される。

第３図の装置の極性切換時の動作を第４図によって説明
する。第４図において、（ａ）は変圧器５の出力電圧波
形、（ｂ）は極性切換信号源14の出力ep、（ｃ）はスイ
ッチング素子8aを流れる電流ia、（ｄ）はスイッチング
素子8bを流れる電流ib、（ｅ）は出力電流Iaの各波形を
示している。第４図のように変圧器５の高周波出力は正
負両極性に両波整流された後に極性切換信号源14の出力
epの極性によって選択的に導通・遮断されるスイッチン
グ素子8aまたは8bによって溶接負荷に供給される。極性
の切換に際して時刻ｔ＝T1にスイッチング素子8aに対す
る導通信号を遮断し、同時にスイッチング素子8bに対し
て導通信号を供給すると、スイッチング素子8aは急速に
遮断に向い、スイッチング素子8bは導通に向う。この間
スイッチング素子8a,8bはともに導通していることにな
るが、スイッチング素子8aが導通していたときにリアク
トル7aに蓄えられていた電磁エネルギーは、磁気結合さ
れているリアクトル7bに直ちに移行し、これによって電
流がリアクトル7aおよび7bを循環するように流れる。次
に、スイッチング素子8aが完全に遮断すると、リアクト
ル7aに流れていた電流が急激に零になろうとする。この
ためにリアクトル7a,7bに高いサージ電圧が発生し、こ
の電圧は電流の極性が反転するときに一旦消滅したアー
クの再生を助ける方向に作用する。また、このときに発
生するサージ電圧は導通信号が供給された方のスイッチ
ング素子8bに対しては順方向であるので、これを破壊す
ることはない。この結果、スイッチング用スランジスタ
8bを流れる電流は急速に増加し、時刻ｔ＝T1の直前にス
イッチング素子8bに流れていた電流iaと略同じ電流値に
達する。

〈考案が解決しようとする課題〉 上記従来装置においては、出力電流が正から負または負
から正に反転させるときに、電源装置内部に含まれてい
るリアクトル7a,7bによる誘起電圧が、これらのリアク
トルが共通鉄心に巻かれて磁気的に密に結合されている
ために反転しようとする方向の極性に有効に作用してア
ークの再生に利用される。しかし、この極性切換時には
導通しようとするスイッチング素子に対しては、この誘
起電圧は順方向に印加されるので問題はないが、遮断し
ようとするスイッチング素子に対しても順方向に印加さ
れることになる。このためにスイッチング素子に並列に
接続された逆方向ダイオードは役に立たず、溶接電流が
大きいときのように、この誘起電圧が素子の最大定格を
超えると、これらを容易に破壊してしまうことになる。
特に極性切断時に一旦消滅したアークの再点孤に失敗し
たときには、この誘起電圧が極めて高くなり、しかも誘
起電圧のすべてが遮断しようとするスイッチング素子に
印加されることになるために極めて危険な状態となる。

〈課題を解決するための手段〉 本考案においては、２個の直列リアクトルが共有する鉄
心に第３の巻線を設け、この第３の巻線に極性切換時に
発生する誘起電圧を順方向とするダイオードと、このダ
イオードに対して逆方向の極性の直流電源とからなる直
列回路を接続した回路を設けることによって上記従来装
置の欠点を解決したものである。

〈作用〉 本考案の装置においては、リアクトル鉄心に設けた第３
の巻線の誘起電圧がこれに接続された直流電源の電圧に
抑制されて各リアクトルの誘起電圧の最大値を抑制する
ものである。

〈実施例〉 第１図に本考案の実施例を示す。同図の装置は第３図の
従来装置に対してリアクトル7a,7bが共有する鉄心に第
３の巻線7cを設け、この第３の巻線7cにダイオード16お
よび直流電源17をそれぞれ図示の極性に接続したもので
ある。そして、その第３の巻線7cは図中に・印でその極
性を示したように、リアクトル7a,7bの電流が減少する
ときにダイオード16に対して順方向となる電圧を誘起す
るように定めてある。

第２図は、第１図の実施例の装置の動作を説明するため
の線図であり、同図（ａ）は、極性切換信号源14の出力
ep、（ｂ）および（ｃ）はスイッチング素子8aおよび8b
のON、OFFの状態を示し、（ｄ）および（ｅ）はリアク
トル7aおよび7bの誘起電圧を示し、（ｆ）は第３の巻線
7cに誘起する電圧を示し、また（ｇ）は出力電流Iaの変
化をそれぞれ示している。なお、第２図においては、極
性切換の瞬間の各部の動作を説明するために極性切換に
要する時間を誇張して示してあり、実際にはこの極性の
切換は数マイクロ秒、またはそれ以下の極く短時間であ
る。

第１図の装置において、極性の切換および出力電流の制
御については第４図の従来装置と同様であるので、説明
を省略し極性切換の瞬間について説明する。第２図の時
刻ｔ＝T1以前にスイッチング素子8aが導通状態にあり、
出力電流Iaが第１図の矢印の向きに流れていたとする。
この状態から時刻ｔ＝T1において極性切換信号源14の出
力が反転し、スイッチング素子8aへの駆動信号が停止
し、同時にスイッチング素子8bに駆動信号が供給された
とする。このときスイッチング素子8aは駆動信号がなく
なっても、これに流れる電流は直ちには零にならず遅れ
時間（ターンオフ時間）Tdfの後に遮断する。

一方、駆動信号が供給されたスイッチング素子8bは時刻
T1から遅れ時間（ターンオン時間）Tdnの後に増加し初
める。このターンオフ時間Tdfとターンオン時間Tdnとの
期間においてスイッチング素子8aと8bとがともに導通状
態となる期間が存在する。この期間においては電流は
〔変圧器５→リアクトル7a→スイッチング素子8a→スイ
ッチング素子8b→リアクトル7b→変圧器５〕の回路を流
れることになる。

ターンオフ時間Tdfの後にスイッチング素子8aが完全に
遮断するとそれまでリアクトル7aと7bを通る循環回路を
流れていた電流は〔変圧器５のセンタータップ→被溶接
物→電極→スイッチング素子8b→リアクトル7b→変圧
器〕の順路で流れなければならない。この直前のスイッ
チング素子8a,8bがともに導通している期間においては
電流は先の循環回路を流れているので、電極と被溶接物
には供給されておらず、したがって溶接アークは消滅し
ている。このために、スイッチング素子8aが完全に遮断
しようとすると被溶接物から電極に向う方向（時刻ｔ＝
T1以前とは逆の方向）のアークが未だ発生していないた
めに実際にはスイッチング素子8bのみを流れる電流の通
路は構成されておらず、この直前の電流を維持するよう
にリアクトル7a,7bには高い電圧が誘起されることにな
る。この電圧は巻線7cにも誘起する。この誘起電圧はダ
イオード16に対して順方向であるので、この電圧が直流
電源17の電圧efを超えようとすると〔巻線7c→ダイオー
ド16→直流電源17〕の順路で電流が流れ、巻線7cの端子
電圧は直流電源17の電圧以上には上昇しないことにな
る。このためにリアクトル7aおよび7bに誘起する電圧も
直流電源17と巻線7cのリアクトル7a,7bに対する巻数比
に応じた値に制限されることになる。このときのリアク
トル7a,7bに誘起する最大電圧Vfは （但し、Na,Nb,Ncはそれぞれリアクトル7a,7bおよび巻
線7cの巻数、efは直流電源17の電圧） となるので、この電圧Vfをアークの再点孤に必要な電圧
以上でかつスイッチング素子8a,8bの最大定格電圧以下
に設定しておくとスイッチング素子の破壊を防止するこ
とができる。

また、この電圧は上記のように巻数と直流電源の電圧と
のみによって定まり、使用する電流には影響を受けない
ことがわかる。

なお、上記おいて使用する直流電源としては、内部イン
ピーダンスが低く、かつ逆方向（充電方向）の電流を流
し得る構造のものを用いるべきであるのはもちろんであ
る。

また、出力電流は直流電源２の出力を調整すると若干応
答が遅くなるが、これを避けるには直流電源２は単なる
整流・平滑回路のみからなる無調整の電源とし、比較器
13の出力をインバータ制御回路４に入力しインバータ回
路３を入力信号に応じたパルス幅に制御する公知のPWM
制御式の回路とすればよい。

さらに上記においては、直流電源として商用周波の交流
電源を整流した後にインバータにて高周波交流に変換し
て、これを変圧器と整流回路とによって再度直流に変換
する方式のものについて説明したが、本考案の装置に用
いる直流電源としてはこれに限らず、実質的に直列接続
された２組の直流出力が得られるものであれば、他の任
意の方式の直流電源を利用することができるのはもちろ
んである。

〈考案の効果〉 本考案は上記の通りであるので、極性の切換時に発生す
るサージ電圧の最大値を使用する出力電流に無関係に任
意の値に抑制することができるので出力調整用の主回路
スイッチング素子を完全に保護することができるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例を示す接続図、第２図は第１図
の実施例の動作を説明するための線図、第３図は従来の
装置の例を示す接続図、第４図は第３図の従来装置の動
作を説明するための線図である。 ２……直流電源、３……インバータ回路、４……インバ
ータ制御回路、５……変圧器、6aないし6d……整流素
子、7a,7b……リアクトル、7c……第３の巻線、8a,8b…
…スイッチング素子、９……電極、10……被溶接物、11
……出力電流検出器、12……出力電流設定信号源、13…
…比較器、14……極性切換信号源、15……駆動回路、16
……ダイオード、17……直流電源

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】直列接続された２組の直流電源と、前記各
   直流電源の共通接続されていない方の各出力端子にそれ
   ぞれリアクトルとスイッチング素子とからなる直列回路
   を直列に接続した後に前記リアクトルとスイッチング素
   子とからなる直列回路の他端を共通接続して、一方の出
   力端子とし、前記２組の直流電源の共通接続された出力
   端子を他方の出力端子とするとともに、前記各リアクト
   ルとして共通の鉄心を有し、かつそれぞれに直列接続さ
   れたスイッチング素子の導通によって各リアクトルに流
   れる電流が共有する鉄心に同一方向の磁束を生ずるよう
   に極性を定めたアーク溶接用電源装置において、前記リ
   アクトルの鉄心に第３の巻線を設け、前記第３の巻線に
   前記スイッチング素子の遮断時に発生する電圧に対して
   順方向となる極性のダイオードと前記ダイオードに対し
   て逆方向となる極性の直流電源とからなる直列回路を接
   続し、前記スイッチング素子を所定の順序で相互に間断
   なく開閉制御する制御回路とを具備したアーク溶接用電
   源装置。