JPH0363466B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 産業上の利用分野 この発明は、スイツチングトランジスタなどを
用いてアルミニウムなどに対して交流アーク溶接
を行う交流アーク溶接機の電源装置に関する。

(b) 従来の技術 従来の交流アーク溶接機用電源装置として、商
用電源を一旦高周波に変換した後、変圧と矩形波
への整形を行う交流アーク溶接機用電源装置が実
用化されている。この交流アーク溶接機用電源装
置の回路図を第４図に示す。この電源装置では同
図に示すように、三相交流電源１を整流回路２お
よび平滑コンデンサ３で整流平滑した後、スイツ
チングトランジスタ４，５および出力制御回路６
で高周波スイツチングを行つて高周波（通常２〜
20KHz）に変換する。更に高周波出力をトランス
７で数十〜百数十ボルトに変圧し、整流器８，
９、平滑リアクトル１０、平滑コンデンサ１１で
再び直流に変換している。この後、スイツチング
トランジスタ１２〜１５および低周波制御回路１
６によつて反転スイツチング動作を行い、精度の
良い矩形波（通常50〜100Hz）の溶接電流を得る
ようにしている。図において、１７はTIG溶接な
どを行う時の動作開始時のアーク点弧を容易にす
るための高周波発振器、また２０は電流検知器で
あり、その検出値を出力制御回路６にフイードバ
ツクして出力の定電流制御を行うようにしてい
る。さらにスイツチングトランジスタ１２〜１５
には、通常、それらのトランジスタを保護するた
めに保護ダイオード２１〜２４が並列に接続され
る。

上記の交流アーク溶接機用電源装置では、変
圧、整流が高周波で行えるため、変圧器やリアク
トルを高周波用に構成でき、小型化、低価格化を
実現できるとともに、電流検知器２０の検出値に
基づく出力制御回路６の電流制御を速い応答速度
で精度よく行うことができる。また低周波制御回
路１６によりスイツチングトランジスタスイツチ
ング動作させることで交流アーク溶接が行える一
方、スイツチングトランジスタ１２，１５または
１３，１４のどちらか一方のオン状態を保持する
と直流アーク溶接が行える利点もある。

(c) 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記交流アーク溶接機用電源装
置では、電源装置と母材１９との間が長い場合電
流装置に付属するケーブルを長くする必要があ
る。この長いケーブルを付属した場合、電源装置
の付近に母材を配置するとケーブルが巻かれるこ
とがある。このようなとき図に示すようにケーブ
ル自身でリアクトル２５を形成する。いまスイツ
チングトランジスタ１４，１３がオンしている時
を考えると、負荷電流はスイツチングトランジス
タ１４、リアクトル２５、母材１９、溶接電極１
８、高周波発振器１７、スイツチングトランジス
タ１３の経路で流れ、リアクトル２５には図の実
線で示す方向に電圧が発生しているが、これらの
スイツチングトランジスタ１４，１３がオフに立
ち下がつた瞬間には、リアクトル２５に図に点線
で示す電圧が誘起する。この電圧に基づいて、母
材１９、溶接電極１８、高周波発振器１７、保護
ダイオード２１、平滑コンデンサ１１、保護ダイ
オード２４の経路に循環電流ｉが流れ、平滑コン
デンサ１１が充電される。スイツチングトランジ
スタ１２，１５がオン状態からオフに立ち下がる
時にも同様の方向に循環電流ｉが流れ、この循環
電流によつてコンデンサ１１が充電される。この
ためケーブルに生じるリアクトル２５の大きさに
よつては、平滑コンデンサ１１に相当に高い電圧
が充電され、この電圧によつてスイツチングトラ
ンジスタ１２〜１５を破壊する可能性がある。た
とえば20ｍのケーブルを直径400mmで巻いた時、
インタクダンスは約85μHとなる。このケーブル
に300Aの電流を流すと（コンデンサ1000μFの
時）、リアクトル２５に発生する電圧は約123Vと
なる。

従来の電源装置では、上記のようにリアクトル
２５に高い電圧が生じることがあるために、使用
中に平滑コンデンサ１１の充電電圧が徐々に上昇
していき、ついにはその電圧によつてスイツチン
グトランジスタ１２〜１５を破壊する可能性があ
つた。

この発明の目的は、平滑コンデンサの充電電圧
が一定の大きさ以上になるとその電圧を昇圧して
から第１の整流回路の平滑コンデンサに帰還する
ようにして、平滑コンデンサの充電電圧が一定の
大きさ以上にならないようにした交流アーク溶接
機用電源装置を提供することにある。

(d) 問題点を解決するための手段 この発明は、交流の電源を整流、平滑する第１
の整流回路と、直流にされた電圧を高周波に変換
する高周波変換回路と、高周波の電圧を変圧する
変圧器と、変圧器の出力を正および負に整流する
第２の整流回路と、その整流出力を平滑する平滑
リアクトルおよび平滑コンデンサを含む平滑回路
と、前記平滑回路の平滑出力を切り換えて正極性
または負極性で溶接電極および母材に印加する開
閉回路とを有し、前記開閉回路は交互にオンオフ
するスイツチング素子とその保護ダイオードとを
備える交流アーク溶接機用電源装置において、 前記平滑コンデンサの充電電圧を検出し、その
充電電圧が一定の電圧以上であるときその電圧を
昇圧して前記第１の平滑コンデンサに帰還する帰
還手段を設けたことを特徴とする。

(e) 作用 この発明に係る交流アーク溶接機用電源装置で
は、交流電源が第１の整流回路で一旦直流に整流
され、高周波変換回路で高周波に変換される。さ
らに高周波電圧が変圧器で変圧され、第２の整流
回路により整流、平滑されて開閉回路に出力され
る。開閉回路では、スイツチング素子が交互にオ
ンオフして低周波の矩形波電流に変換し、溶接電
極と母材に出力する。交流アーク溶接を行つてい
るときに、母材と電源装置間を接続するケーブル
にリアクトル部が形成されている場合には、スイ
ツチング時、すなわち正極性（又は負極性）から
負極性（又は正極性）に変わるタイミングでその
リアクトルに電圧が誘起する。この時に誘起され
る電圧の方向はその直前に流れていた電流の方向
である。したがつてこの誘起電圧の極性に対して
スイツチング素子に接続されている保護ダイオー
ドの極性が順方向となり、誘起電圧に基づいて溶
接電極、母材および保護ダイオードを介して循環
電流が流れる。この循環電流は平滑回路の平滑コ
ンデンサを充電する。しかし平滑コンデンサの充
電電圧が一定の大きさ以上になると、帰還手段に
よつてその電圧が昇圧されて第１の整流回路の平
滑コンデンサに帰還される。このため、平滑コン
デンサの充電電圧が低下し、開閉回路のスイツチ
ング素子を破壊する程度の電圧にまで上昇するこ
とが防止される。

上記の動作により、母材に接続されるケーブル
にリアクトルが形成されている場合であつても、
平滑コンデンサの充電電圧が危険水準にまで上昇
することが防止される。また、平滑コンデンサの
充電電圧が上昇しようとするときには、その電圧
が第１の整流回路に帰還することになるためエネ
ルギーのロスが生じない。

(f) 実施例 第１図はこの発明の実施例である交流アーク溶
接器用電源装置の回路図である。

本実施例が上記第４図に示す電源装置と相違す
る部分は、平滑コンデンサ１１の充電電圧を第１
の平滑コンデンサ３に帰還するDC−DCコンバー
タ２８を設けた点である。また本実施例では平滑
コンデンサ１１の充電電圧が開閉回路に一度に放
出されないように減流抵抗２６を平滑コンデンサ
１１に直列に接続し、さらに平滑性を悪くしない
ようにこの減流抵抗２６に並列にダイオード２７
を接続している。

前記DC−DCコンバータ２８は、平滑コンデン
サ１１の充電電圧を検出して、その電圧が一定の
電圧Ｅ以上である時にその一定の電圧Ｅを越えた
分を出力する比較器２８ａと、その出力を高周波
スイツチングするスイツチングトランジスタ２８
ｂと、スイツチング出力を昇圧するトランス２８
ｃとで構成されている。したがつて、ケーブルに
形成されたリアクトル２５により平滑コンデンサ
１１の充電電圧が高まつてきて、その電圧が一定
の電圧Ｅを越えると、越えた分が昇圧されて第１
整流回路の平滑コンデンサに帰還される。一般に
第１の整流回路の平滑コンデンサは容量がかなり
大きいために、このようにして電圧を帰還させて
も高周波スイツチング動作に対する悪影響が殆ど
無い。このため、スイツチング動作に影響を及ぼ
すことなく、平滑コンデンサ１１の充電電圧の異
常な高まりを防止することが出来る。

次に動作を説明する。

電源がオンされると、交流電圧はまず第１の整
流回路２で整流され平滑コンデンサ３で平滑され
た後、高周波変換回路のスイツチングトランジス
タ４，５で所定のデユーテイでスイツチングされ
る。スイツチング電圧はトランス７で変圧され、
ダイオード８，９で整流されて平滑回路に送られ
る。平滑リアクトル１０および平滑コンデンサ１
１で平滑された出力は、４つのスイツチングトラ
ンジスタ１２〜１５を有する開閉回路に出力さ
れ、ここで正極性または負極性に交互にスイツチ
ングされて負荷へ供給される。正極性の場合には
トランジスタ１３，１４がオンする。この正極性
では、平滑出力がトランジスタ１４、ケーブルに
形成されているリアクトル２５、母材１９、溶接
電極１８、高周波発振器１７、トランジスタ１３
を流れる。また負極性の時にはトランジスタ１
２，１５がオンし、平滑出力はトランジスタ１
２、高周波発振器１７、溶接電極１８、母材１
９、リアクトル２５、トランジスタ１５を流れ
る。アークスタート時には高周波発振器１７が駆
動し、アーク状態に移行しやすくする。アークが
発生すると高周波発振器１７がオフし、正極性、
負極性交互に負荷電流が流れる。負荷電流は電流
検知器２０によつて検出され、その検出値が出力
制御回路６に出力される。出力制御回路６では電
流検知器２０からの検出値と可変抵抗器６ａによ
つて設定された基準値とを比較し、その誤差の大
きさに基づいてスイツチングトランジスタ４，５
に出力するスイツチングパルスのデユーテイを制
御する。すなわち上記検出値と基準値とが等しく
なるようにスイツチングパルスのデユーテイを制
御する。この動作を行うことによつて負荷電流
（出力電流）の定電流制御が行われる。また低周
波制御回路１６は、スイツチングトランジスタ１
２〜１５を交互にオンオフするスイツチングパル
スを出力するが、そのスイツチング周波数は可変
抵抗器１６ａによつて変えることができる。この
ような回路はマルチバイブレータなどによつて簡
単に構成することが可能である。出力制御回路６
で発生するスイツチングパルスの周波数は、通常
２〜20KHzの範囲で制御され、低周波制御回路１
６で発生するスイツチングパルスの周波数は、通
常50〜100Hzの範囲で制御される。

アーク動作中においては、スイツチング時（正
極性から負極性に切り変わる瞬間または負極性か
ら正極性に切り変わる瞬間）にリアクトル２５に
誘起する電圧に対し、オンからオフに切り換わろ
うとしているトランジスタに接続されている保護
ダイオードが順方向となる。このためその誘起電
圧に基づいて母材１９、溶接電極１８、高周波発
振器１７を介しての循環電流が平滑回路に流入
し、その電流によつて平滑コンデンサ１１が充電
される。極性が変わるたびにこの循環電流が流れ
るために平滑コンデンサ１１の充電電圧は徐々に
高く成つていく。そしてその電圧が一定の電圧Ｅ
以上になるとDC−DCコンバータ２８の比較器２
８ａがその差を出力する。またその差の大きさに
比例した電圧をDC−DCコンバータの出力として
平滑コンデンサ３に帰還する。すなわち、DC−
DCコンバータの入力側に供給されたパワーが第
１の整流回路の平滑回路３に供給される。これに
よつて平滑コンデンサ１１に蓄積されているエネ
ルギーの一部がトランス７の一次側に戻されるこ
とになつて、平滑コンデンサ１１の充電電圧が低
下する。この動作が連続的に行われることによ
り、平滑コンデンサ１１の充電電圧は一定の電圧
Ｅ以上にならない。したがつて電圧Ｅの大きさを
スイツチングトランジスタ１２〜１５を破壊する
電圧以下（望ましくはその電圧よりも十分に小さ
な値）に設定しておけば、平滑コンデンサ１１の
充電電圧に基づいてスイツチングトランジスタ１
２〜１５が破壊されるのを防止することができ
る。

前記比較器２８ａの出力が出ることは母材１９
に接続されるケーブルにリアクトルが形成されて
いることを意味する。このリアクトルは、上記の
ように平滑コンデンサの充電電圧を上げる要因に
なるとともに、負荷電流を鈍らせる。負荷電流は
理想的には矩形波となるが、リアクトルによつて
矩形波でなくなると、溶接電流が不十分となり溶
接欠陥を起こすことがある。さらにアルミニウム
溶接を行う場合には、負極性の時に十分なクリー
ニング作用を行うことができなくなつて溶接が不
可能になる場合もある。このような事態になるの
を回避するために、第２図に示す例では、比較器
２８ａの出力に警報回路２９を接続し、比較器２
８ａの出力が出たときにはスピーカー３０から外
部に対して警報音を発するようにしたものであ
る。警報音が発つせられると、周囲にいる作業者
はケーブルが巻いた状態になつていてリアクトル
が形成されていることを知ることができるから、
その警報音が鳴つた段階でケーブルの巻かれてい
る部分を真つ直ぐに修正することができる。

第３図はこの発明の他の実施例を示している。

本実施例ではトランス７の一次側においてスイ
ツチングトランジスタ４，５をハーフプリツジ接
続している。またトランス７の二次側出力はダイ
オード３１〜３４で正および負に整流され、正の
整流出力は第１の平滑リアクトル５０を通過し、
負の整流出力は第２の平滑リアクトル５１を通過
する。第１の平滑リアクトル５０を流れる正の出
力はダイオード２７を介して平滑コンデンサ１１
を充電し、その充電電圧は第１のスイツチングト
ランジスタ３６を介して溶接電極１８と母材１９
間に印加される。また第２の平滑リアクトル５１
を流れる負の電流は平滑コンデンサ１１を充電す
るとともに、その充電電圧は第２のスイツチング
トランジスタ３７を介して溶接電極１８および母
材１９間に印加される。この実施例では開閉回路
のスイツチング素子として上記のように二つのス
イツチングトランジスタ３６，３７を使用し、そ
れぞれのトランジスタで正の出力、負の出力を交
互に負荷に対して供給する。低周波制御回路１６
は、可変抵抗器１６ａによつて設定される周波数
のスイツチングパルスを上記トランジスタ３６，
３７に対して供給し、このパルスによつて各トラ
ンジスタ３６，３７が交互にオンオフする。４
４，４５はこれらのスイツチングトランジスタ３
６，３７に並列に接続される保護ダイオードであ
る。また本実施例では、第１の平滑リアクトル５
０と第２の平滑リアクトル５１の鉄心を同一にし
て、それぞれの巻線を結合させている。結合の方
向は逆方向である。このため図示するように第１
の平滑リアクトル５０でＬ方向に生じた誘起電圧
Ｖ１によつて、第２の平滑リアクトル５１にはＭ
方向にＶ２の電圧が誘起される。このように構成
することにより、負荷に対して正極性の電圧が印
加されている状態から、すなわちスイツチングト
ランジスタ３６がオンしている状態から負極性に
切り変わると、その切り変わりタイミングにおい
て第１の平滑リアクトル５０に図示のＬ方向に電
圧Ｖ１が発生し、その電圧に誘起されて第２の平
滑リアクトル５１にＭ方向に電圧Ｖ２が発生す
る。この電圧Ｖ２は正極性から負極性に極性が変
わつた時ダイオード３３，３４によつて整流され
た負の電圧に加算されることになるから、負極性
に切り変わつた瞬間に、溶接電極１８と母材１９
間に大きな電圧が印加される。このためこの電極
時においてアークが失弧するのを防止することが
でき、安定したアーク状態を維持できる利点があ
る。

上記の構成からなる交流アーク溶接機用電源装
置に、平滑コンデンサ１１の充電電圧が一定の電
圧Ｅ以上になると電圧を第１の整流回路の平滑コ
ンデンサ３ａ，３ｂに帰還する帰還手段である
DC−DCコンバータ２８が接続されている。この
DC−DCコンバータ２８は第１図に示すDC−DC
コンバータと同様な構成にあり、平滑コンデンサ
１１の充電電圧が一定の電圧Ｅ以上になると、そ
の電圧Ｅを越えた分を昇圧して上記平滑コンデン
サ３ａ，３ｂに戻す。図のｉは正極性から負極性
に転極する時にリアクトル２５に発生した電圧に
基づく循環電流を示している。すなわちこの循環
電流ｉは、リアクトル２５から母材１９、溶接電
極１８、高周波発振器１７、電流検知器２０、変
圧器７の二次側巻線、ダイオード３１，３２、第
１の平滑リアクトル５０、ダイオード２７、平滑
コンデンサ１１、保護ダイオード４５の直列回路
を経路として流れ、平滑コンデンサ１１を充電す
る。負極性から正極性に転極するときにはリアク
トル２５に発生する電圧の方向が逆となるが、こ
の場合には、保護ダイオード４４、ダイオード２
７、平滑コンデンサ１１、第２の平滑リアクトル
５１、整流用のダイオード３３，３４、変圧器７
の二次側巻線、電流検知器２０、高周波発振器１
７、溶接電極１８、母材１９の直列回路を循環電
流が流れる。そしてこの循環電流によつても平滑
コンデンサ１１が充電される。

上記DC−DCコンバータは、このような循環電
流に基づいて平滑コンデンサ１１の充電電圧が一
定の電圧Ｅ以上に上昇した時にその上昇した分を
昇圧して第１の整流回路の平滑コンデンサに帰還
させるから、すなわち、平滑コンデンサに蓄えら
れているエネルギーの一部を高周波変換回路の入
力側（平滑コンデンサ３ａ，３ｂ）に戻すからそ
れ以後平滑コンデンサ１１の充電電圧が上昇する
のを防ぐことができる。したがつて上記の実施例
と同様にスイツチングトランジスタ３６，３７の
破壊を防ぐことができる。また第２図に示す警報
回路を設けることによつて作業者に警報し、ケー
ブルが巻かれた状態にあることを知らせることが
できる。

(g) 発明の効果 この発明によれば、ケーブルが巻かれた状態に
あつてその部分にリアクトル成分が形成された場
合でも平滑コンデンサの充電電圧が一定の電圧以
上に上昇するのを防ぐことができるから、開閉回
路におけるスイツチングトランジスタが破壊され
るのを防止することができる。また、帰還手段は
平滑コンデンサに蓄えられた過剰のエネルギーを
一次側（第１の整流回路の平滑コンデンサ）に戻
す動作を行うために、エネルギーのロスが無い利
点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の回路図を示す。第
２図は他の実施例の一部回路図を示し、第３図は
さらに他の実施例の回路図を示している。また第
４図は従来の電源装置の回路図を示している。 １２〜１５，３６，３７……開閉回路のスイツ
チング素子（スイツチングトランジスタ）、２１
〜２４，４４，４５……保護ダイオード、２８…
…DC−DCコンバータ（帰還手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 交流の電源を整流、平滑する第１の整流回路
   と、直流にされた電圧を高周波に変換する高周波
   変換回路と、高周波の電圧を変圧する変圧器と、
   変圧器の出力を正および負に整流する第２の整流
   回路と、その整流出力を平滑する平滑リアクトル
   および平滑コンデンサを含む平滑回路と、前記平
   滑回路の平滑出力を切り換えて正極性または負極
   性で溶接電極および母材に印加する開閉回路とを
   有し、前記開閉回路は交互にオンオフするスイツ
   チング素子とその保護ダイオードとを備える交流
   アーク溶接機用電源装置において、 前記平滑コンデンサの充電電圧を検出し、その
   充電電圧が一定の電圧以上であるときその電圧を
   昇圧して前記第１の整流回路の平滑コンデンサに
   帰還する帰還手段を設けたことを特徴とする交流
   アーク溶接機用電源装置。