JPH0341757B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアーク炉のアーク長制御装置に関し、
特に、三相交流アーク炉の電極と浴との間のアー
ク長を制御する装置に関する。

アーク炉やアーク溶接機の分野においては、ア
ーク柱に供給される電力がアーク長の関数である
ということがすでに知られている。従つて、アー
ク炉やアーク溶接機或いはアークランプのような
機械を作動させるアークを用いる際に良好な結果
を得るためには、機械の離間した要素の間隔、す
なわちアークが形成される間隔を調整し及び制御
することが否応なしに必要である。機械を作動さ
せている間に、これらの要素の一方又は両方が消
耗するときには、この制御が特に必須なものとな
る。

アーク炉の場合には、アークを供給するのに必
要な電力の要求をできるだけ一定とするために、
また、電極の先端の消耗をできるだけ少なくする
ために、及びアーク炉の耐火材の消耗をできるだ
け少なくするために、特に１以上の電極が移動可
能であり、また１以上の電極を、それらの先端の
消耗を補償するために動かす必要がある場合に
は、１以上の電極と炉内の溶融金属（以下浴とす
る）との間の距離を一定に保つことにより、炉が
最適に動作するような値にアーク長を維持するこ
とが必要である。

アーク炉を使用する際に不可欠である電気アー
ク長制御を確実にするために、現在までアーク電
圧の電圧降下を測定するということが提案されて
きている。それは、電圧降下の値がアーク長の関
数であるということがすでに知られているからで
ある。また、アーク炉を作動させている少なくと
も１つのアーク電極を監視してこの値を一定に保
つことも提案されている。

アーク電圧降下を測定するために、通常は、１
以上のワイヤによつて、アークの端部近傍で電圧
プローブをアーク電源に接続している。アークを
得るための電源供給線内に測定ループを設ける必
要があるこの方法はいくつかの大きな欠点を有し
ている。これら欠点の中で、まず最初に述べてお
くべきことは、電圧プローブがアーク電源から電
気的に絶縁されていないということである。アー
ク発生機械を高電圧下で作動させたり、或いはア
ーク供給電流がフローテイングであるときには、
これにより非常に厳しい問題が生ずる。他の大き
な欠点として述べておくべきことは、特にアーク
電流が大きな変動を受けるようなときには、測定
ループがループ中に生ずる寄生電圧に悩まされる
ということである。

現在まで用いられている慣例の方法における他
の大きな欠点は、アーク電圧降下の正確な値を得
ることがむずかしいということである。それは、
測定ループによつて得られる値が、事実上、次に
掲げる電圧降下の和であるからである。

(1) 実際のアーク柱の電圧降下 (2) 陰極と陽極との間の電圧降下 (3) 電極及び測定ループに含まれる電源供給回路
部分の抵抗分による電圧降下 (4) 例えば測定ループを工業用アーク炉に用いる
場合には、三相電流供給回路内の電流の各位相
間における相互インダクタンスに起因する誘導
電圧 (5) 測定ループ内に生ずる寄生電圧。

アーク長の関数であるアーク柱電圧降下以外の
これら電圧降下の測定及び／又は決定が非常に難
しく、従つて、アーク柱電圧降下を、測定ループ
によつて得られた値から分離することは非常に難
しい。何故ならば、測定ループによつて得られた
この値が、しばしば全測定電圧に対して非常にわ
ずかであるからである。

ところで、三相電流アーク炉における３本の電
極を同時に制御するのに現在用いられている方法
では、抵抗降下及び各電極の端部における電圧の
測定値を考慮しているが、上述したように抵抗降
下の値を決定するのは非常に難しい。そしてかな
り複雑な複数の微分方程式を解く必要があるが、
この計算は正確でないばかりか計算機を使つてさ
えも非常に実行時間が長くなるので、３本の電極
と浴との間のアーク柱の長さを、実際に監視しな
がら即座に制御するのが難しい。

アーク炉に交流又は変調電流が供給される場合
には、電極と浴との間に形成されたアークが可聴
音響信号を生成することが知られている。そし
て、アークによつて得られた音響信号の振幅が、
アーク柱に供給される電力の時間に関する導関数
に比例するということが知られている。

この理論的な認識から、アーク溶接の分野で
は、アーク溶接作業におけるいくつかのパラメー
タを制御するため、アークによつて発生した音響
信号の振幅を検出し、その検出した値を用いると
いうことは既に提案されている。

一例として、三井造船株式会社に付与され、
1976年４月４日に発行された英国特許第1430824
号には、アークによつて発生する音の強さを測定
することによりアーク溶接機の動作を制御し、そ
のようにして測定された音の強さが異常に変動し
たかどうかを検出し、そのように検出された異常
な音に応動して溶接機のいくつかの溶接特性を動
作させるという方法が開示されている。アーク柱
によつて発生する音響信号の強さを測定すること
によつて制御可能であるという上述の英国特許の
パラメータは、溶接スピード、即ち溶接される金
属加工片に関連して電極を移動させるスピード、
プラズマ溶接機を用いる場合にはプラズマガス流
量、溶接電流の強さ及び金属ワイヤの供給速度で
ある。

この英国特許は、非常に広い理論的な原理に関
係しており、その実際の具体例に関係しておら
ず、その英国特許には、アーク長制御が良好な溶
接を得るための基本的な条件であるのにもかかわ
らず、アーク長を制御するために、アークによつ
て発生する音響信号を利用できるということが述
べられていない。

三相電流アーク炉の作動を制御するため、アー
ク柱によつて発生する音響信号を利用できるとい
うこともまたこの特許には述べられていない。そ
れどころか、この特許はアーク溶接機若しくはプ
ラズマアーク溶接機にのみ言及しているにすぎな
い。更にまた、この特許には、溶接作業中に引き
起こされる異常な動作を検出してそれを修正する
ためにのみ、アーク柱によつて発生する音の強さ
を検出するということが提示されているだけであ
り、アークにより発生する音響信号を利用して、
かかるアーク炉を常時積極的に制御するというこ
とについては言及されていない。

本発明の目的は、このような従来の欠点を除去
し、各電極のアークから発生するそれぞれの音響
信号に基づいて各電極のアーク長および各電極相
互のアーク長を制御することのできるアーク炉の
アーク長制御装置を提供することにある。

アーク柱によつて発生する音響信号の振幅が、
このアーク柱に供給される電力の時間に関する導
関数に直接比例し、またアーク柱に供給される電
力がこのアーク長の関数であれば、アーク柱によ
つて発生する音響信号の振幅がまたアーク長の関
数であるという点に基づいて本発明がなされたも
のである。従つて、アーク炉を積極的に操作する
際の基本的なパラメータであるアーク長、すなわ
ち、複数の要素間で形成されるアーク長を、それ
ら要素のいずれか１つを調整するために、アーク
炉を作動させているときにアークによつて発生す
る音響信号の振幅を測定することによつて、及
び、そのようにして測定された値を用いて制御す
ることができる。

事実、交流電流によつて発生するアークによつ
て生じた音響信号の振幅がアーク長の関数である
ので、ある電流の強度に対するアーク長の変化
は、アーク柱によつて発生する音響信号の振幅の
変化に一致することになる。

本発明は、三相電流アーク炉の三本の電極と浴
との間で発生する三つの電気アークの長さのそれ
ぞれを同時に制御する装置において、 前記三本の電極から等距離の位置で、前記三つ
の電気アークによつて発生する音響信号を検出す
る手段と、 そのようにして検出された音響信号を、各電極
に供給された三相電流の周波数の６倍の第１の周
波数でろ波する手段と、 前記検出された音響信号を、前記三相電流の周
波数の２倍の第２の周波数でろ波する手段と、 前記第１の周波数でろ波された音響信号の振幅
を、前記電気アークの所望の長さに対応した可調
整基準振幅と比較して、その比較結果である差の
代数値を定めるとともに、当該代数値に比例した
第１の連続した電気信号を定める手段と、 前記第２の周波数でろ波された音響信号の一つ
の位相を、前記三相電流のそれぞれの位相と比較
して、ろ波された音響信号の一つの位相と、前記
三相電流のそれぞれの位相との間のそれぞれの差
に対する代数値を定めるとともに、互いに異な
り、かつ前記ろ波された信号の一つの位相と前記
三相電流の三つの位相との間のそれぞれの差に対
する三つの代数値にそれぞれ比例した三つの第２
の連続した電気信号を個々に生成する手段と、 前記浴に対して前記電極を移動させる三つの独
立した移動手段と、 前記三つの電気アークの実共通長が所望の長さ
に等しくなるまで前記浴に対して三本の電極をす
べて移動させるように前記第一の連続した電気信
号を前記三つの独立した移動手段に供給する手段
と、 ある一つの位相の電極を同一位相に対して生成
された前記第二の電気信号により調整しおよびそ
の電気アークの長さが、他の電極の電気アークの
長さ、従つて前記三つの電気アークの所望の共通
長に等しくなるまで、前記浴に対して他の電極と
は別個にある一つの位相の電極を移動させるよう
に、個々に生成された三つの前記第２の連続した
電気信号を、アーク炉の前記三本の電極とそれぞ
れ関連した前記三つの移動装置に供給する手段
と、を具備したことを特徴とする。

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明す
る。

上述したように、アークによつて発生する音響
信号がアーク柱の長さの関数であり、アーク発生
機械の作動中にアークによつて発生する音響信号
の振幅を測定し、また、そのように検出された信
号を用いて、アークがその間で形成される部材の
うち少なくともいずれか一方の部材を監視するこ
とにより、アーク柱の長さ、すなわち、積極的に
作動するアーク発生機械の基本的パラメータであ
るアーク柱の長さを容易に制御できるという知見
に基づいて本発明はなされた。

第１図に本発明の一実施例である三相電流アー
ク炉の構成を示す。第１図を参照するに、三相電
流アーク炉は、一般に炭素で作られた、浴３上に
垂直に延在する３本の電極２，２′及び２″を有
し、その浴３は、３本の電極２，２′及び２″と浴
３との間で発生する３つのアーク１，１′及び
１″の共通接地として働く。その種アーク炉には
勿論三相交流電流１１が供給され、電極２，２′
及び２″は電流のひとつの相と関連している。供
給する電流の周波数を60Hzと仮定すると、各アー
ク１，１′及び１″が周波数120Hzの音響信号を発
生し、その信号のある位相が、他の２つの電気ア
ークにより発生される信号を位相に対して120度
だけずれる。各音響信号が周波数120Hzであると
いう事実は、次のことに注意すれば容易に理解で
きる。すなわち、交流電流の各半周期毎に各アー
クが圧縮波を形成し、電流の振幅が定義したよう
に一定であるので、その圧縮波の振幅が、アーク
電圧すなわちアーク長の関数としてのみ変化す
る。このように、音響信号は、交流電流の２倍の
周波数に対応した周波数と、圧縮波の振幅のよう
に、アーク電圧すなわちアーク長によつてのみ変
化する振幅を有する。

各電極２，２′及び２″と浴３との間に形成され
るアーク長を制御するため、３本の電極２，２′
及び２″からほぼ等距離になるように浴３の上方
にマイクロフオン４を置く必要がある。このマイ
クロフオン４により検出された音響信号を、ワイ
ヤ５を介して制御回路６に伝送する。

制御回路６の詳細例を第２図に示す。

制御回路６は、120Hzの周波数で音響信号をろ波
するフイルタ２４、360Hzの周波数で音響信号を
ろ波するフイルタ２１、およびフイルタ２４から
の信号が供給されるフエーズコンパレータ２５、
フイルタ２１からの信号が供給されるアンプリチ
ユードコンパレータ２３とを有する。制御回路６
では、フイルタ２４により、伝送されてきた音響
信号を120Hzの周波数でろ波する。通常の作動で
は、アーク１，１′及び１″の長さが同一であり、
120Hzの周波数で検出された音響信号の３つの成
分が同一であり、かつ、これらの３つの成分がそ
れぞれ互いに120度だけずれている時に、これら
の和は零に等しい。フイルタ２４により120Hzで
ろ波された信号が零でない時には、少なくとも３
つのアークのいずれか１つが他のアークと同一長
ではないことを意味している。更に、各成分の音
響信号の強さが各アーク長の関数であれば、周波
数120Hzの音響信号の成分間の差が高い時には、
各電極２，２′及び２″の三つのアーク長の間にお
ける差が大きいということは明らかである。

どのアークが他のアークに関して異つた長さで
あるかを決定するため、フイルタ２４により120
Hzでろ波された信号をフエーズコンパレータ２５
に供給する。そのコンパレータは３つのゲート２
６，２６′及び２６″を有し、120Hzで波された音
響信号の位相を三相電流１１の各位相と比較す
る。各ゲート２６，２６′及び２６″は、ろ波され
た信号の位相と三相電流の各位相との差としての
代数値である信号を形成する。３つのローパスフ
イルタ２７，２７′及び２７″がこれら信号を受け
取り、それぞれ３つの連続した別個の電気信号を
得る。これら３つの電気信号は、それぞれ、ろ波
された信号の位相と三相電流の各位相との差とし
ての代数値の関数である。一例として、電極２と
浴３との間で発生するアーク１が短かすぎるもの
とすれば、電極２における相の120Hzの成分は減
少し、フイルタ２４はアーク長の変化に比例した
信号を出し、その位相は電極２の位相に対して
180度だけずれる。次いで、そのようにして位相
がずれた信号は３つのゲート２６，２６′及び２
６″に供給され、各ゲート２６，２６′及び２６″
はローパスフイルタ２７，２７′及び２７″でそれ
ぞれ整流される電気信号を各々出力する。上述の
ように電極２と浴３との間のアーク１の長さが短
かすぎるとすれば、フイルタ２７によつて伝送さ
れた連続信号は負であり、一方フイルタ２７′及
び２７″により伝送された信号は正である。フエ
ーズコンパレータ２５によつて得られる３つの正
及び負の信号を、次いで、各ワイヤ７，７′及び
７″によつて個々に３つの装置８，８′及び８″に
伝送する。これら装置８，８′及び８″は、互いに
独立しているが、それぞれ炉の３つの電極２，
２′及び２″と関連し、電極２，２′及び２″を移動
させる。

容易に理解できるように、アーク長が再び互い
に等しくなるまで、電極を相互に関連させて独立
に移動させるため、ある位相の電流が供給された
電極と浴とにより発生したアークの長さが他のア
ークの長さと異なると、直ちに、120Hzでろ波さ
れた音響信号が、コンパレータ２５を介して３つ
の装置８，８′及び８″を自動的に動作させる。

第１図に示すアーク炉の３本のアーク１，１′
及び１″の所望の共通長の制御を確実にするため、
マイクロフオン４により検出された音響信号を基
本周波数でろ波する。もし、３本のアークが同一
長であれば、基本周波数は三相電流の周波数の６
倍に等しい。すなわち、360Hzである。この周波
数で検出された信号は、事実、３本の電極２，
２′及び２″と浴３との間に形成されたアークによ
り出力された三相信号の和と等しい。

再び第２図を参照するに、マイクロフオン４に
よつて検出された音響信号を360Hzの周波数でフ
イルタ２１でろ波し、そのようにろ波された信号
をコンパレータ２３に供給する。コンパレータ２
３では、そのようにしてろ波された360Hzの音響
信号の振幅を、アーク炉の３本のアークの所望の
長さに相当する基準振幅と比較する。この基準振
幅は、アーク１の所望の長さの関数として可変抵
抗によつて調整できる。アンプリチユードコンパ
レータ２３は、フイルタ２１により360Hzでろ波
された信号と基準信号２２との間の差の代数値を
決定し、及びこの代数値に比例する連続電気信号
を得る。３本のアークの実際の共通長が所望の値
になるまで、３本の電極２，２′及び２″を浴３に
関して全て移動させるために、次いで、この連続
電気信号を、３つの装置８，８′及び８″に同時に
供給する。

従つて、本発明の実施例装置により、炉の３本
のアークの共通長を所望の長さに一致させるばか
りでなく、他のアーク長に関して各アーク長を非
常に簡易に制御することができ、そのような補正
は今まで明らかに行なわれていなかつたというこ
とが理解できる。更に、このような装置により、
例えば、炉壁の耐火材が損傷したときには、浴の
代りにその炉壁と電極との間に形成されたアーク
をすぐに検出できる。この場合、音響信号が本質
的に変化し、すぐに制御装置がアーク長を修正す
るようにする。

以上説明したように本発明によれば、三つの電
極と浴との間のアークから発生する音響信号を各
電極に供給された三相電流の周波数の２倍の周波
数でろ波して得た信号に基づいて各アーク間相互
のアーク長の差を是正するとともに、音響信号を
前記周波数の６倍の周波数でろ波して得た信号に
基づいて各アーク長が所望のアーク長となるよう
にしたので、複雑な計算を実行したり、測定が不
正確となる電圧降下によりアーク長を制御する必
要がなくなり、極めて正確かつ迅速なアーク長制
御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す概略構成
図、第２図はその制御回路の詳細例を示すブロツ
ク図である。 １，１′，１″……アーク、２，２′，２″……電
極、４……マイクロフオン、６……制御回路、８
……移動装置、２１，２４……フイルタ、２３…
…アンブリチユードコンパレータ、２５……フエ
ーズコンパレータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 三相電流アーク炉の三本の電極と浴との間で
   発生する三つの電気アークの長さのそれぞれを同
   時に制御する装置において、 前記三本の電極から等距離の位置で、前記三つ
   の電気アークによつて発生する音響信号を検出す
   る手段と、 そのようにして検出された音響信号を、各電極
   に供給された三相電流の周波数の６倍の第１の周
   波数でろ波する手段と、 前記検出された音響信号を、前記三相電流の周
   波数の２倍の第２の周波数でろ波する手段と、 前記第１の周波数でろ波された音響信号の振幅
   を、前記電気アークの所望の長さに対応した可調
   整基準振幅幅と比較して、その比較結果である差
   の代数値を定めるとともに、当該代数値に比例し
   た第１の連続した電気信号を定める手段と、 前記第２の周波数でろ波された音響信号の一つ
   の位相を、前記三相電流のそれぞれの位相と比較
   して、ろ波された音響信号の一つの位相と、前記
   三相電流のそれぞれの位相との間の差に対する代
   数値を定めるとともに、互いに異なり、かつ前記
   ろ波された信号の一つの位相と前記三相電流の三
   つの位相との間のそれぞれの差に対する三つの代
   数値にそれぞれ比例した三つの第２の連続した電
   気信号を個々に生成する手段と、 前記浴に対して前記電極を移動させる三つの独
   立した移動手段と、 前記三つの電気アークの実共通長が所望の長さ
   に等しくなるまで前記浴に対して三本の電極をす
   べて移動させるように前記第１の連続した電気信
   号を前記三つの独立した移動手段に同時に供給す
   る手段と、 ある一つの位相の電極を同一位相に対して生成
   された前記第２の電気信号により調整し、および
   その電気アークの長さが、他の電極の電気アーク
   の長さ、従つて前記三つの電気アークの所望の共
   通長に等しくなるまで、前記浴に対して他の電極
   とは別個にある一つの位相の電極を移動させるよ
   うに、個々に生成された三つの前記第２の連続し
   た電気信号を、アーク炉の電気三本の電極とそれ
   ぞれ関連した前記三つの移動装置に供給する手段
   と、を具備したことを特徴とするアーク炉のアー
   ク長制御装置。