JP4805076B2 - アーク加工用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に内蔵されているインバータ回路を複数並列に設けて、並列運転するアーク加工用電源装置に関するものである。

アーク加工用電源装置において、出力電流の増大をはかるためにインバータ回路を複数並列に設け並列運転を行って対応してきた。

図３は、インバータ回路、主変圧器、２次整流回路及び直流リアクトルを２つ並列に設けた従来技術のアーク加工用電源装置である。同図において、商用交流電源ＡＣを整流して直流電圧を出力する１次整流回路ＤＲ１と、直流電圧を平滑する平滑コンデンサＣ１とで直流電源回路が形成される。

図３に示す、ブリッジ接続された第１のインバータ回路は、第１のスイッチング素子ＴＲ１乃至第４のスイッチング素子ＴＲ４によって形成され、相対向する第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第４のスイッチング素子ＴＲ４と、第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３とが一対となり、一対が交互に導通と遮断とを繰り返して直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力する。また、第２のインバータ回路は、第５のスイッチング素子ＴＲ５乃至第８のスイッチング素子ＴＲ８によって形成され、第１のインバータ回路と並列に設けられている。

第１の主変圧器ＩＮＴ１は、第１のインバータ回路によって変換された高周波交流電圧をアーク加工に適した高周波交流電圧に変換し、第１の２次整流回路ＤＲ２は、第１の主変圧器ＩＮＴ１の出力を整流し第２の直流リアクトルＤＣＬ２を介してトーチＴＨと被加工物Ｍとの間に電力を供給する。

第２の主変圧器ＩＮＴ２は、第２のインバータ回路によって変換された高周波交流電圧をアーク加工に適した高周波交流電圧に変換し、第２の２次整流回路ＤＲ３は、第２の主変圧器ＩＮＴ２の出力を整流して第３の直流リアクトルＤＣＬ３を介してトーチＴＨと被加工物Ｍとの間に電力を供給する。

第１の出力電流検出回路ＩＤ１は、第１の主変圧器ＩＮＴ１の２次側の出力電流を検出して第１の出力電流検出信号Ｉｄ１として出力し、第２の出力電流検出回路ＩＤ２は、第２の主変圧器ＩＮＴ２の２次側の出力電流を検出して第２の出力電流検出信号Ｉｄ２として出力する。

出力制御回路（電流対応）ＳＣＩは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するＰＷＭ制御を行い、第１の出力電流検出信号Ｉｄ１に応じて第１の出力制御信号Ｓｃ１及び第２の出力制御信号Ｓｃ２のパルス幅を制御すると共に、第２の出力電流検出信号Ｉｄ２に応じて第３の出力制御信号Ｓｃ３及び第４の出力制御信号Ｓｃ２のパルス幅を制御する。

第１のインバータ駆動回路ＳＤ１は、第１の出力制御信号Ｓｃ１に応じて、第１スイッチング素子駆動信号Ｔｒ１及び第４スイッチング素子駆動信号Ｔｒ４を出力し、第２の出力制御信号Ｓｃ２に応じて、第２スイッチング素子駆動信号Ｔｒ２及び第３スイッチング素子駆動信号Ｔｒ３を出力する。また、第２のインバータ駆動回路ＳＤ２は、第３の出力制御信号Ｓｃ３に応じて、第５スイッチング素子駆動信号Ｔｒ５及び第８スイッチング素子駆動信号Ｔｒ８を出力し、第４の出力制御信号Ｓｃ４に応じて、第６スイッチング素子駆動信号Ｔｒ６及び第７スイッチング素子駆動信号Ｔｒ７を出力する。

つぎに、動作について説明する。
図３に示す起動スイッチＴＳから起動信号Ｔｓが出力されると、出力制御回路（電流対応）ＳＣＩは、第１の出力電流検出回路ＩＤ１によって検出された第１の出力電流検出信号Ｉｄ１と予め定めた電流基準値Ｉｒとを比較し、第１の出力制御信号Ｓｃ１及び第２の出力制御信号Ｓｃ２を生成して第１のインバータ回路を駆動すると共に、第２の出力電流検出回路ＩＤ２によって検出された第２の出力電流検出信号Ｉｄ２と電流基準値Ｉｒとを比較し、第３の出力制御信号Ｓｃ３及び第４の出力制御信号Ｓｃ４を生成して第２のインバータ回路を駆動する。

このとき、出力制御回路ＳＣＩは、第１の出力電流検出信号Ｉｄ１の値と電流基準値Ｉｒとが同一になるよう第１の出力制御信号Ｓｃ１及び第２の出力制御信号Ｓｃ２のパルス幅を制御すると共に、第２の出力電流検出信号Ｉｄ２の値と電流基準値Ｉｒとが同一になるよう第３の出力制御信号Ｓｃ３及び第４の出力制御信号Ｓｃ４のパルス幅を制御するので、第１のインバータ回路及び第２のインバータ回路の出力電流を平衡させることが可能となる。（例えば、特許文献１）

特開２００６−１１６５５６号公報

インバータ回路、主変圧器及び２次整流回路等で形成される電源ユニットを並列に設けたアーク加工用電源装置において、各電源ユニットからの各出力電流を検出し、各出力電流を所定の電流基準値と比較して常に各出力電流が同一になるように主制御回路で制御信号を補正し、補正した各制御信号に応じて各インバータ回路を定電流制御すると、並列に設けられた各電源ユニットの出力電流が平衡となり、各電源ユニットが定電流制御によって並列運転が可能となる。

しかし、インバータ回路、主変圧器及び２次整流回路等で形成される電源ユニットを並列に設けたアーク加工用電源装置において、例えば、第１の主変圧器の出力電圧を検出して所定の基準値と比較し、常に各電源ユニットの出力電圧が第１の主変圧器の出力電圧と同一になるように主制御回路で制御信号を補正し、補正した各制御信号に応じて各インバータ回路を定電圧制御しても、主変圧器の巻線、２次整流回路（ダイオードの降下電圧Ｖｆ）及び直流リアクトルのインダクタンス値等の部品ばらつきにより、各電源ユニットの出力電圧に電位差が生じ、出力電圧の高い電源ユニットから負荷に多くの電流が供給され、逆に出力電圧の低い電源ユニットからは負荷に供給される電流が抑制されてしまい、出力電流の平衡が保てなくなる。上記より、各電源ユニットの出力電圧にばらつきが生じると、この出力電圧のばらつきによって出力電流の平衡が大きく崩れるために、定電圧制御では各電源ユニットの出力電流の平衡が難しくなり並列運転が困難となる。

そこで、本発明では、上述した課題を解決することができるアーク加工用電源装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、商用交流電源を整流し直流電圧を出力する１次整流回路と、上記１次整流回路に並列に設けて直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、上記直流電圧を高周波交流電圧に変換するフル・ブリッジの第１のインバータ回路と、上記第１のインバータ回路の出力をアーク加工に適した高周波交流電圧に変換する第１の主変圧器と、上記第１の主変圧器の出力を整流する第１の２次整流回路と、上記整流された２次直流電圧を平滑する直流リアクトルと、上記第１の主変圧器の出力を出力電圧検出信号として出力する出力電圧検出回路と、上記出力電圧検出信号に基づいて上記第１のインバータ回路をＰＷＭ制御するための出力制御信号を出力する出力制御回路と、を備えたアーク加工用電源装置において、上記平滑コンデンサと上記直流リアクトルとの間に、第２のインバータ回路、第２の主変圧器及び第２の２次整流回路の各回路を並列に設けて、上記出力制御信号を１／４周期位相シフトし、上記位相シフトした出力制御信号に基づいて上記第２のインバータ回路を駆動する位相制御回路と、を備えたことを特徴とするアーク加工用電源装置である。

本発明によれば、インバータ回路、主変圧器及び２次整流回路等で形成される２つの電源ユニットを並列に設けたアーク加工用電源装置において、第１の主変圧器の出力電圧を検出し、検出した出力電圧に応じて第１の出力制御信号と１／４周期位相シフトした第２の出力制御信号を生成し、第１のインバータ回路を第１の出力制御信号で駆動し、第２のインバータ回路を１／４周期位相シフトした第２の出力制御信号で駆動するので、第１のインバータ回路と第２のインバータ回路とが１／４周期位相シフトした状態で交互に動作を行うこととなり、この交互の動作によって２つの電源ユニットが同時に動作する時間を１／２以上短くすることが可能となり、主変圧器の巻線、２次整流回路（ダイオードの降下電圧Ｖｆ）及び直流リアクトルのインダクタンス値等の部品ばらつきによる、各電源ユニットの出力電圧の電位差を減少させることができ、この出力電圧の電位差の減少によって出力電流の平衡が保たれ、定電圧制御でも各電源ユニットの並列運転が可能となる。

図１は、本発明の実施形態に係るアーク加工用電源装置である。同図において、図３に示す従来技術のアーク加工用電源装置の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

出力電圧検出回路ＶＤは、第１の主変圧器ＩＮＴ１の出力を検出し、所定の電圧に変換して出力電圧検出信号Ｖｄとして出力する。つぎに、第１の直流リアクトルＤＣＬ１は、第１の２次整流回路ＤＲ２及び第２の２次整流回路ＤＲ３で整流された２次直流電圧を平滑して負荷に供給する。

出力制御回路（電圧対応）ＳＣＶは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調するＰＷＭ制御を行い、出力電圧検出信号Ｖｄに応じて第１の出力制御信号Ｓｃ１及び第２の出力制御信号Ｓｃ２のパルス幅を制御して出力する。

位相制御回路ＦＳは、第１の出力制御信号Ｓｃ１を１周期の１／４周期（９０°）位相シフトして第１の位相制御信号Ｆｓ１として出力すると共に、第２の出力制御信号Ｓｃ２も１周期の１／４周期（９０°）位相シフトして第２の位相制御信号Ｆｓ２として出力する。

第２のインバータ駆動回路ＳＤ２は、第１の位相制御信号Ｆｓ１に応じて第５スイッチング素子駆動信号Ｔｒ５及び第８スイッチング素子駆動信号Ｔｒ８を出力し、第２の位相制御信号Ｆｓ２に応じて、第６スイッチング素子駆動信号Ｔｒ６及び第７スイッチング素子駆動信号Ｔｒ７を出力する。

図２は、本発明の実施の形態の動作を説明するための波形タイミング図である。図２において、図２（Ａ）の波形は第１の出力制御信号Ｓｃ１を示し、図２（Ｂ）の波形は第２の出力制御信号Ｓｃ２を示し、図２（Ｃ）の波形は第１の位相制御信号Ｆｓ１を示し、図２（Ｄ）の波形は第２の位相制御信号Ｆｓ２を示す。図２（Ｅ）の波形は第１スイッチング素子駆動信号Ｔｒ１及び第４スイッチング素子駆動信号Ｔｒ４を示し、図２（Ｆ）の波形は第２スイッチング素子駆動信号Ｔｒ２及び第３スイッチング素子駆動信号Ｔｒ３を示し、図２（Ｇ）の波形は第５スイッチング素子駆動信号Ｔｒ５及び第８スイッチング素子駆動信号Ｔｒ８を示し、図２（Ｈ）の波形は第６スイッチング素子駆動信号Ｔｒ６及び第７スイッチング素子駆動信号Ｔｒ７を示す。

つぎに、図２の波形タイミング図を用いて本発明の動作を説明する。
図１に示す、起動スイッチＴＳから起動信号Ｔｓが出力されると出力制御回路（電圧対応）ＳＣＶは、予め定めた電圧基準値Ｖｒと出力電圧検出信号Ｖｄとを比較演算した値（例えば、Ｖｒ−Ｖｄ）に基づいて定まる、パルス幅時間Ｔ２の第１の出力制御信号Ｓｃ１及び第２の出力制御信号Ｓｃ２を出力する。

図２に示す時刻ｔ＝ｔ１において、図２（Ａ）に示す第１の出力制御信号Ｓｃ１が第１のインバータ駆動回路ＳＤ１に入力されると、第１のインバータ駆動回路ＳＤ１は第１スイッチング素子駆動信号Ｔｒ１及び第４スイッチング素子駆動信号Ｔｒ４を出力して、第１のインバータ回路の第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断状態から導通状態にする。

また、時刻ｔ＝ｔ１において、第１の出力制御信号Ｓｃ１が位相制御回路ＦＳに入力されると、位相制御回路ＦＳは、第１の出力制御信号Ｓｃ１を１周期の１／４周期位相シフトして、図２（Ｃ）に示す、第１の位相制御信号Ｆｓ１を出力する。

時刻ｔ＝ｔ２において、第１の位相制御信号Ｆｓ１が第２のインバータ駆動回路ＳＤ２に入力されると、第２のインバータ駆動回路ＳＤ２は、第５スイッチング素子駆動信号Ｔｒ５及び第８スイッチング素子駆動信号Ｔｒ８を出力して、第２のインバータ回路の第５のスイッチング素子ＴＲ５及び第８のスイッチング素子ＴＲ８を遮断状態から導通状態にする。

時刻ｔ＝ｔ３において、第１の出力制御信号Ｓｃ１がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになると、第１のインバータ駆動回路ＳＤ１は第１スイッチング素子駆動信号Ｔｒ１及び第４スイッチング素子駆動信号Ｔｒ４の出力を停止し、第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第４のスイッチング素子ＴＲ４を導通状態から遮断状態にする。

時刻ｔ＝ｔ４において、図２（Ｂ）に示す第２の出力制御信号Ｓｃ２が第１のインバータ駆動回路ＳＤ１に入力されると、第１のインバータ駆動回路ＳＤ１は第２スイッチング素子駆動信号Ｔｒ２及び第３スイッチング素子駆動信号Ｔｒ３を出力して、第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３を遮断状態から導通状態にする。

また、時刻ｔ＝ｔ４において、第２の出力制御信号Ｓｃ２が位相制御回路ＦＳに入力されると、位相制御回路ＦＳは、第２の出力制御信号Ｓｃ２を１周期の１／４周期位相シフトして、図２（Ｄ）に示す、第２の位相制御信号Ｆｓ２を出力する。

時刻ｔ＝ｔ５において、第１の位相制御信号Ｆｓ１がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになると、第２のインバータ駆動回路ＳＤ２は第５スイッチング素子駆動信号Ｔｒ５及び第８スイッチング素子駆動信号Ｔｒ８の出力を停止して、第５のスイッチング素子ＴＲ５及び第８のスイッチング素子ＴＲ８を導通状態から遮断状態にする。

時刻ｔ＝ｔ６において、第２の位相制御信号Ｆｓ２が第２のインバータ駆動回路ＳＤ２に入力されると、第２のインバータ駆動回路ＳＤ２は、第６スイッチング素子駆動信号Ｔｒ６及び第７スイッチング素子駆動信号Ｔｒ７を出力して、第６のスイッチング素子ＴＲ６及び第７のスイッチング素子ＴＲ７を遮断状態から導通状態にする。

時刻ｔ＝ｔ７において、第２の出力制御信号Ｓｃ２がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになると、第１のインバータ駆動回路ＳＤ１は第２スイッチング素子駆動信号Ｔｒ２及び第３スイッチング素子駆動信号Ｔｒ３の出力を停止して、第２のスイッチング素子ＴＲ２及び第３のスイッチング素子ＴＲ３を導通状態から遮断状態にする。

時刻ｔ＝ｔ８において、図２（Ａ）に示す第１の出力制御信号Ｓｃ１が再び第１のインバータ駆動回路ＳＤ１に入力されると、第１のインバータ駆動回路ＳＤ１は第１スイッチング素子駆動信号Ｔｒ１及び第４スイッチング素子駆動信号Ｔｒ４を出力して、第１のスイッチング素子ＴＲ１及び第４のスイッチング素子ＴＲ４を遮断状態から導通状態にする。

時刻ｔ＝ｔ９において、第２の位相制御信号Ｆｓ２がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルになると、第２のインバータ駆動回路ＳＤ２は第６スイッチング素子駆動信号Ｔｒ６及び第７スイッチング素子駆動信号Ｔｒ７の出力を停止して、第６のスイッチング素子ＴＲ６及び第７のスイッチング素子ＴＲ７を導通状態から遮断状態にする。そして、以後は上記と同一動作を繰り返して、直流電源回路から出力される直流電圧を高周波交流電圧に変換して、第１の主変圧器ＩＮＴ１及び第２の主変圧器ＩＮＴ２に供給する。

上述より、主制御回路ＳＣＶは、検出した出力電圧検出信号Ｖｄに応じて第１の出力制御信号と１／４周期位相シフトした第２の出力制御信号を生成して出力し、第１のインバータ回路を第１の出力制御信号で駆動し、第２のインバータ回路を１／４周期位相シフトした第２の出力制御信号で駆動するので、第１のインバータ回路と第２のインバータ回路とが１／４周期位相シフトした状態で交互に動作を行うこととなり、この交互の動作に第１のインバータ回路と第２のインバータ回路との同時に動作する時間が減少（６０％程度）するので、主変圧器の巻線、２次整流回路（ダイオードの降下電圧Ｖｆ）及び直流リアクトルのインダクタンス値等の部品ばらつきによる、各電源ユニットの出力電圧の電位差を減少させることができ、この出力電圧の電位差の減少によって出力電流の平衡が保たれ、定電圧制御では各電源ユニットの並列運転が可能となる。

本発明のアーク加工用電源装置の電気接続図である。 図１に示す本発明の動作を説明するための波形タイミング図である。 従来技術のアーク加工用電源装置の電気接続図である。

符号の説明

Ｃ１ 平滑コンデンサ
ＤＲ１ １次整流回路
ＤＲ２ 第１の２次整流回路
ＤＲ３ 第２の２次整流回路
ＤＣＬ１ 第１の直流リアクトル
ＤＣＬ２ 第２の直流リアクトル
ＤＣＬ３ 第３の直流リアクトル
ＦＳ 位相制御回路
Ｆｓ１ 第１の位相制御信号
Ｆｓ２ 第２の位相制御信号
ＩＤ１ 第１の出力電流検出回路
ＩＤ２ 第２の出力電流検出回路
Ｉｄ１ 第１の出力電流検出信号
Ｉｄ２ 第２の出力電流検出信号
ＩＲ 電流基準設定回路
Ｉｒ 電流基準値
ＩＮＴ１ 第１の主変圧器
ＩＮＴ２ 第２の主変圧器
Ｍ 被加工物
ＳＣＩ 出力制御回路（電流対応）
ＳＣＶ 出力制御回路（電圧対応）
Ｓｃ１ 第１の出力制御信号
Ｓｃ２ 第２の出力制御信号
Ｓｃ３ 第３の出力制御信号
Ｓｃ４ 第４の出力制御信号
ＳＤ１ 第１のインバータ駆動回路
ＳＤ２ 第２のインバータ駆動回路
ＴＨ トーチ
ＴＳ 起動スイッチ
Ｔｓ 起動信号
ＴＲ１ 第１のスイッチング素子
ＴＲ２ 第２のスイッチング素子
ＴＲ３ 第３のスイッチング素子
ＴＲ４ 第４のスイッチング素子
ＴＲ５ 第５のスイッチング素子
ＴＲ６ 第６のスイッチング素子
ＴＲ７ 第７のスイッチング素子
ＴＲ８ 第８のスイッチング素子
Ｔｒ１ 第１スイッチング素子駆動信号
Ｔｒ２ 第２スイッチング素子駆動信号
Ｔｒ３ 第３スイッチング素子駆動信号
Ｔｒ４ 第４スイッチング素子駆動信号
Ｔｒ５ 第５スイッチング素子駆動信号
Ｔｒ６ 第６スイッチング素子駆動信号
Ｔｒ７ 第７スイッチング素子駆動信号
Ｔｒ８ 第８スイッチング素子駆動信号
ＶＤ 出力電圧検出回路
Ｖｄ 出力電圧検出信号
ＶＲ 電圧基準設定回路
Ｖｒ 電圧基準値

Claims (1)

1. 商用交流電源を整流し直流電圧を出力する１次整流回路と、前記１次整流回路に並列に設けて直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換するフル・ブリッジの第１のインバータ回路と、前記第１のインバータ回路の出力をアーク加工に適した高周波交流電圧に変換する第１の主変圧器と、前記第１の主変圧器の出力を整流する第１の２次整流回路と、前記整流された２次直流電圧を平滑する直流リアクトルと、前記第１の主変圧器の出力を出力電圧検出信号として出力する出力電圧検出回路と、前記出力電圧検出信号に基づいて前記第１のインバータ回路をＰＷＭ制御するための出力制御信号を出力する出力制御回路と、を備えたアーク加工用電源装置において、前記平滑コンデンサと前記直流リアクトルとの間に、第２のインバータ回路、第２の主変圧器及び第２の２次整流回路の各回路を並列に設けて、前記出力制御信号を１／４周期位相シフトし、前記位相シフトした出力制御信号に基づいて前記第２のインバータ回路を駆動する位相制御回路と、を備えたことを特徴とするアーク加工用電源装置。
   
   
   
   
   
   
   

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