JPS6397365A - ア−ク溶接機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はスイッチングにより出力電力を調整する方式の
アーク溶接機の改良に関するものである。

従来の技術 アーク溶接機において、直流電源をスイッチングにより
制御して溶接に適した電力に調整する方式のものがある
。この場合出力電力の調整はスイッチング素子の導通時
間の１周期における比率（以後デユーティ比という）を
変化させることによって出力電流や出力電圧の平均値を
変化させるものである。

第６図にこのような方式の従来装置の接続図を示す。同
図は２石式のフォワードコンバータによって直流電源の
出力を制御して溶接部に供給する方式のものである。同
図において１は直流電源であり、商用交流電源を整流平
滑する公知の直流電源である。２ａおよび２ｂはトラン
ジスタなどの自己消弧形のスイッチング素子、３ａ、３
ｂは整流素子、４は変圧器、５ａ、５ｂは整流素子、６
は直流リアクトル、７はカップリングコイルであり、８
はアーク点弧用の高周波高電圧を発生する高周波発振器
である。また９は電極、１０は被溶接物、１１は出力平
滑用および高周波電流バイパス用のコンデンサであり、
１２はコンデンサ１１の充電々荷を放電するために抵抗
器である。１３は出力電流検出器、１４は出力電流設定
回路、１５は比較器、１６は比較器１５の出力信号に応
じたデユーティ比（導通時間／１周期）の駆動信号をあ
らかじめ定められた周期Ｔでくりかえし出力するパルス
発生回路である。

同図の装置においてはスイッチング素子２λ。

２ｂが導通ずると変圧器４の２次巻線に出力電圧が現わ
れ整流素子５為および直流リアクトル６を通して電極９
と被溶接物１０との間に電力を供給する。スイッチング
素子２ａ、２ｂが遮断すると変圧器４の出力電圧は消滅
するが先の導通中に直流リアクトルに蓄えられていた電
磁エネルギーによって整流素子５ｂを通して電流が流れ
つづける。

一方この間においてスイッチング素子２ａ、２ｂの遮断
によって整流素子３ａ、３ｂを通して発生するフライバ
ック電圧によって変圧器４の鉄心の磁束はリセットされ
る。これらの間において出力電流は出力電流検出器１３
にて検出されて信号Ｃ２となって比較器１５にて出力電
流設定回路１４の設定値ｅｒ　　と比較されて誤差信号
がパルス発生回路１６に供給される。パルス発生回路１
６はこの入力信号に応じたデユーティ比のパルスを発生
することになる。

上記は電極９と被溶接物１０との間に溶接アークが発生
し、溶接電流が流れているときの状態であるが、溶接ア
ークが発生する以前は変圧器４の出力電圧はすべてコン
デンサ１１に充電されるこトｌこなるのでコンデンサの
端子電圧は直流電源１の出力電圧に変圧器４０巻数比を
乗じた電圧まで上昇する。この重圧は、スイッチング回
路としてｆ＄５図のようなフォワ−ドコンバータを用い
るときにはスイッチング素子２ａ、２ｂの導通時間率、
即ちデユーティ比を５０％以下にしなければならないの
で、アーク溶接時に必要な平均出力電圧を得るためには
、直流電源１の出力電圧を必要なアーク電圧の２倍以上
もの高い電圧のものにすることか必要となる。このため
にアークの停止時、即ち無負荷時ｌこは、この高い電圧
がコンデンサに充電されることになり、溶接時の２倍以
上の高い電圧が電極９と被溶接物との間に現われること
になる。したかつてこのような装置を被覆溶接棒を用い
て行う手溶接に用いるときには電極９に作業者が接触す
ることによって感電事故を起す危険性が高いものである
。このコンデンサに充電された電荷は抵抗器１２によっ
て放電されるからこの抵抗値を低いものにすれば、？ｔ
Ｍｌｉ９と被溶接物との間に出現する電圧は無負荷時に
おいても低い値とすることができるが、コンデンサ１１
および抵抗器１２は常時接続されているから、抵抗器に
常時大きな電流が流れることになって、発熱が大きくか
つ電力効率の悪いものとなってしまう。

この現象はフォワードコンバータを用いた第５図のよう
な装置のみ発生するものではなく、チョッパ式制御を行
うものやインバータによって出力をパルス幅制御するも
のにおいても同様に発生するものである。

本発明は、上記従来装置の間諒点を解決するために、出
力電圧設定回路と出力電圧検出器とを追加し、出力電流
および出力電圧のそれぞれの設定値に対する誤差を求め
て、両誤差信号のうち小さい方の誤差信号を選択してス
イッチング素子駆動信号としたものである。また上記に
加えて作業者が電極に接触する機会が少ないＴＩＧ溶接
や自動溶接においては無負荷電圧が高い方がアークスタ
ートに有利であるので、このような場合に無負荷電圧が
変更できるように従来通りの電流誤差信号のみに対応し
てスイッチング素子のデユーティ比を定めることができ
るように駆動信号を切替える回路を設けたものである。

作用 本発明のアーク溶接機は、無負荷時や出力電流が小さい
ときには出力電流検出器の出力信号は零または零に近い
ので電流誤差信号は大きく、一方出力電圧は高いので電
圧誤差信号は小さくなる。

したがってスイッチング素子はこの小さい方の誤差信号
ｌこ応じたデユーティ比のパルス幅で導通ずることにな
るので出力電圧が設定値に制限されて、略定電圧特性と
なる。出力電流が増加してくると出力電流検出器の出力
が出力電流設定回路の設定値に近づくので電流誤差信号
は小さくなってくる。

この電流誤差信号が電圧誤差信号よりも小さくなるとス
イッチング素子の導通時間幅が電流誤差信号によって定
まるデユーティ比によって決定されるように切替えられ
る。この結果−室以上の電流領域においては出力電流が
出力電流設定回路によって定められた値に制限されて略
定電流特性となる。

実施例 第１図ｉこ本発明の実施例の接続図を示す。同図におい
て第６図の従来装置と同機能のものには同符号を付しで
あるが、変圧器４には１次巻線４ａと２次巻線４ｂに加
えて電圧検出用の補助巻線４Ｃが設けである。また１７
は出力電圧設定回路、１８ａ、１８ｂおよび１９は電圧
検出器を構成しており、１８λ、１８ｂは整流素子、１
９は平滑回路であり直流リアクトル６、フンデンｆ′１
１および抵抗器１２からなる主回路の平滑回路の時定数
と略同じ時定数となるように定数を選定して詔く。２０
は平滑回路１９の出力電圧、即ち出力電圧検出値と出力
電圧設定回路の出力信号とを比較し差信号を得る比較器
、２１は比較器２０の出力信号に応じたデユーティ比の
パルス信号を発生するパルス発生回路である。（以後混
同を避けるためにパルス発生回路１６を第１のパルス発
生回路とよび、パルス発生回路２１を第２のパルス発生
回路とよぶ。）これらの第１＄よび第２のパルス発生回
路１６および２１の発生するパルスの立上り部分を同期
させるために発振器２２を設け、この発振器２２の出力
を各パルス発生回路の同期入力端子Ｃに加えて両パルス
発生回路の動作を同期させる。したがって同図の実施例
にぷいてはスイッチング素子の導通・遮断の周期は発振
器２２の発振周期によって定まることになる。２３は切
替回路であり、（イ）パルス発生回路２１の出力を次段
に伝達するか、（ロ）常時Ｈレベル信号を次段に伝達す
るかのいずれかを選択する。２４は第１のパルス発生回
路１６の出力と切替回路２３の出力とを入力とし両人力
信号のうち継続時間の短かい方の信号を駆動信号として
スイッチング素子２ａ　、２ｂに供給する信号選択回路
であり、例えば両人力信号が同時にＨレベル信号である
間のみ駆動信号を出力するＡＮＤ回路と必要に応じてこ
のＡＮＩ）回路の出力信号を増幅する増幅回路とによっ
て構成する。

同図の実施例において切替回路２３が図の（イ）側、即
ち第２のパルス発生回路２１の出力が信号選択回路２４
に伝達されるときの動作について説明する。切替回路２
３が（イ）側にあるときには発振器２１によって立上り
時期が同期した第１および第２のパルス発生回路１６お
よび２１の岡山力信号が共に信号選択回路２４に供給さ
れる。信号選択回路２４においては入力信号の立上り時
からいずれかの入力信号の立下り時に至るまでを導通期
間として選択し、スイッチング素子２λ、２ｂに駆動信
号として供給する。スイッチング素子２＠、　２ｂがこ
の駆動信号によって導通ずると直流型＃１から電流が流
れて変圧器４の２次巻線４ｂに出力電圧が誘起され整流
器５ｉ、５ｂ、直流リアクトル６およびコンデンサ１１
からなる整流・平滑回路にて平滑されて電極と被溶接物
との間に直流電圧が印加される。ここで高周波発振器８
が停止しカップリングフィル７に高電圧が発生していな
いときには電極９と被溶接物１０との間は絶縁状態が保
たれている。したがって溶接アークは発生せず出力電流
検出器１３の出力は零である。このために出力電流設定
回路１４との差を演算する比較器１５の出力Δｉは大き
く、この電流誤差信号Δｉに対応したデユーティ比のパ
ルスを発生する第１のパルス発生回路１６は大なるデユ
ーティ比（導通期間を最大とする値で第１図のようにフ
ォワードコンバータを使用するときは５０％）のパルス
信号を発生する。一方このときの出力電圧は変圧器４の
補助巻線４Ｃによって検出されて整流素子１８ａ。

１８ｂおよび平滑回路１９によって整流平滑されて出力
電圧に相似の直流電圧となり比較器２０に供給される。

比較器２０においては出力電圧設定器１７の出力信号と
比較し差信号Δｅ（電圧誤差信号）を第２のパルス発生
回路２１に出力する、電圧誤差信号ΔＣは第２のパルス
発生回路２１において電圧誤差信号ΔＣに対応したデユ
ーティ比の駆動信号に変換される。このとき出力電圧の
ピーク値は直流電源１の出力電圧の２倍程度の高い電圧
であるので電圧誤差信号ΔＣは小さく、したがって第２
のパルス発生回路２１の出力は小なるデユーティ比（こ
の場合には導通期間が最小となる値）のパルス信号を発
生することになる。信号選択回路２４はこれらの両信号
を入力とし両信号のうち小さい時間幅の方の駆動信号を
スイッチング素子２λ、２ｂに伝達しこれを導通させる
。この結果スイッチング素子は１周期のうち極く短時間
のみ導通することになり、この変圧器４の出力電圧を整
流平滑した出力電圧は平均値であるから電極９と被溶接
物１０との間に現われる電圧は出力電圧設定回路１７に
よって設定された電圧に保たれることになる。第２図は
このときの各部の波形を時間の経過とともに示したもの
で、同図（ａｌは発振器２２の出力信号、（ｂｌは第１
のパルス発生回路１６の出力信号、（Ｃ）は第２のパル
ス発生回路２１の出力信号、（ｄ）は信号選択回路２４
の出力信号、（ｅ）は出力電圧の各変化の様子を示す。

次に電極９を被溶接物に近づけた状態で高周波発振器８
を起動するとこれによってカップリングコイルに誘起さ
れた高電圧によって電極９と被溶接物１０との間に高周
波火花放電が発生し、これによって溶接アークが誘発さ
れる。溶接アークの発生によって流れる電流は電流検出
器１３によつ又 て検出されな比較器１５へ入力される。比較器１５にお
いては電流検出器１３の出力信号が零から増加すること
によって電流誤差信号Δｉが減少する。

この電流誤差信号Δｉの減少に応じて第１のパルス発生
回路１６の出力信号もデユーティ比が減少してゆく。一
方出力電圧は出力電流の増加にしたがって直流電源１、
変圧器４、スイッチング素子２λ、２ｂ、整流素子３ａ
、３ｂなどの内部抵抗によって発生する電圧降下分が増
加するために低下してゆき、このために比較器２０の電
圧誤差信号が増大し、第２のパルス発生回路２１の出力
信号のデユーティ比は増加してゆく。出力電流が一定以
上に増加すると第１のパルス発生回路１６の出力パルス
幅が第２のパルス発生回路のそれよりも小さくなる。こ
の時点で選択回路２４は第２のパルス発生回路２１の出
力信号に代えて第１のパルス発生回路１６の出力信号を
スイッチング素子２ａ。

２ｂに伝達するようになり、その結果出力電流は出力電
流設定回路１４にて設定された値を保つように制御され
ることになる。第３図は信号選択回路２４が第１のパル
ス発生回路１６の出力を選択しているときの各部の波形
の変化を第２図と同様に時間の経過とともに示した線図
である。

つぎに第１図１こ示した実施例において切替回路２３を
図の（ｏ）側に切替えたときは信号選択回路には第２の
パルス発生回路２１の出力信号に代えて一定の電圧＋Ｅ
がＰ袷されることになるから信号選択回路２４は常に第
１のパルス発生回路１６の出力信号を選択することにな
るので第５図に示した従来装置と全く同様の動作を行う
ことになる。

なお第１図１こおいては切替回路２３を第２のパルス発
生回路２１と信号選択回路との間に設けたが比較器と第
２のパルス発生回路との間に設けてもよい。また信号選
択回路は第１および第２のパルス発生回路１６．２１の
各出力を入力としていずれか小なるデユーティ比のもの
を選択して出力するものとし、切替回路はこの信号選択
回路の出力かまたは第１のパルス発生回路の出力かを切
替えるようにしたものでもよい。第４図はこのようにし
たときの実施例を示す接続図であり、各部の機能および
動作は第１図に示した実施例と同様であるので説明は省
略する。また第１図および第４図番こ示した実施例にお
いては、出力電圧検出器としては変圧器４に補助巻線４
ａを設けてこれから信号を得たが、補助巻線のかわりに
２次巻線４ｂの両端または中間タップから電圧信号を得
るようにしてもよい。さらにこの２次巻線４ｂの整流出
力、即ちコンデンサ１１の端子電圧を直接または適当に
分圧して比較器２０の入力電圧としてもよい。

第１図および第４図においては電圧誤差信号および電流
誤差信号をあらかじめこれらに対応するデユーティ比の
パルス信号に変換した後に両パルス信号の長さを比較し
て短かい方を選択したが、本発明は両誤差信号の小さい
方でスイッチング素子の導通時間幅を定めるものであれ
ばよい。したがって第１図または第４図に勿いて第１お
よび第２のパルス発生回路を除き、比較器１５および２
０の各出力の大小を比較し、小さい方を選択する信号選
択回路を設け、この信号選択回路の出力信号に応じたデ
ユーティ比のパルスを発生する１個のパルス発生回路を
設けて、このパルス発生回路の出力をスイッチング素子
の駆動信号として用いてもよい。

第５図はこのようにした本発明の別の実施例を示す接続
図である。同図において工ないし２０は第１図、第４図
と同様の機能のものを示す。２５は比較器２０の出力と
一定電圧Ｅの信号とを入力としいずれかを出力する切替
回路であり第１図または第４図の実施例に詔いて示した
切替回路２３に相当する。２６は切替回路２５の出力と
比較器１５の出力とを入力としいずれか小さい方の信号
を出力する信号選択回路である。２７は信号選択回路２
６の出力信号の大きさに応じたデユーティ比のパルスを
発生するパルス発生回路である。

同図の実施例において、切替回路２５が図示のようｔこ
（イ）側であるときには、比較器２０の出力、即ち電圧
誤差信号ΔＣと比較器１５の出力、即ち電流誤差信号Δ
ｉとが信号選択回路２６に供給される。したがって出力
電流が零かまたは小さい間は第１図にて説明したように
Δｉ〉ΔＣであるから、パルス発生回路２７には電圧誤
差信号Δｅが供給されて電圧フィードバック回路が形成
されて略定電圧特性となる。また出力電流が増加して設
定値との差が少なくなってΔｉくΔｅとなると電流誤差
信号Δｉがパルス発生回路２７に供給されて電流フィー
ドバック制御となり、略定電流制御が行なわれるように
なる。

本発明は、上記の各実施例１こ示したようなフォワード
コンバータを用いた装置においてのみ適用できるもので
はな（、直流電源の出力をスイッチング素子を用いて調
整して溶接電極と被溶接物とに供給するものであればよ
く、チョッパ式、インバータ式などの各制御方式のもの
に適用できる。

発明の効果 本発明は、上記の通りであるのでっぎのような優れた効
果を有する。

（１）無負荷電圧を設定値に抑制できるので、作業者が
電極部分に接触しやすい被覆アーク溶接に使用しても感
電の危険性がない。

（２）無負荷電圧の抑制のために低い抵抗値の大容量の
抵抗器を出力端子に並列に接続する必要がなくなるので
、発熱が少なくまた効率の向上が計れる。

るので種々のアーク溶接に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す接続図、第２図および第
３図の各（すないしくｅ）は第１図の実施例の動作を説
明するために示した各部の波形を示す線図、ｆｉ４図お
よび第５図は本発明の別の実施例を示す接続図、第６図
は従来の装置の例を示す接続図である。 １・・・直流電源、２ａ、２ｂ・・・スイッチング素子
、４・・・変圧器、６・・・直流リアクトル、１１・・
・コンデンサ、１２・・・抵抗器、１３・・・出力電流
検出器、１４・・・出力電流設定回路、１５．２０・・
・比較器、１６・・・第１のパルス発生回路、１７・・
・出力電圧設定回路、２１・・・第２のパルス発生回路
、２２・・・発振器、２３・・・切替回路、２４・・・
信号選択回路代理人　弁理士　　中　　井　　　宏 （εン　　□ Ｃｅ）　　　□□ ←　　　　　　　　　　　　− 帳 Ｕ） 沫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直流電源と、前記直流電源の出力をスイッチングに
   よりアーク溶接に適した電力に調整するスイッチング式
   電力調整回路と、出力電流設定回路と、最大出力電圧設
   定回路と、出力電流検出器と、出力電圧検出器と、前記
   出力電流設定回路の出力信号と前記出力電流検出器の出
   力信号とを比較し差信号に応じたデューティ比のパルス
   信号を発生する第１のパルス発生回路と、前記最大電圧
   設定回路の出力信号と前記出力電圧検出器の出力信号と
   を比較し差信号に応じたデューティ比のパルス信号を発
   生する第２のパルス発生回路と、前記第１のパルス発生
   回路の出力と第２のパルス発生回路の出力とを同期させ
   るための手段と、前記第１のパルス発生回路の出力と前
   記第２のパルス発生回路の出力とを比較し両出力のうち
   幅の狭い方の出力を選択する信号選択回路と、前記第１
   のパルス発生回路の出力信号と前記信号選択回路の出力
   信号とのいずれかを前記スイッチング式電力調整回路の
   駆動信号として供給する切替回路とを具備したアーク溶
   接機。 ２、前記スイッチング式電力調整回路はフオワードコン
   バータによつて構成した特許請求の範囲第１項に記載の
   アーク溶接機。 ３、直流電源と、前記直流電源の出力をスイッチングに
   よりアーク溶接に適した電力に調整するスイッチング式
   電力調整回路と、出力電流設定回路と、最大出力電圧設
   定回路と、出力電流検出器と、出力電圧検出器と、前記
   出力電流設定回路の出力信号と前記出力電流検出器の出
   力信号とを比較し差信号を得る第１の比較器と、前記最
   大出力電圧設定回路の出力信号と前記出力電圧検出器の
   出力信号とを比較し差信号を得る第２の比較器と、前記
   第２の比較器の出力信号と前記第２の比較器の最大出力
   信号よりも大きな一定電圧とのいずれかを切替えて次段
   に伝達する切替回路と、前記第１の比較器の出力と前記
   切替回路の出力とを入力としていずれか小さい方の信号
   を選択する信号選択回路と、前記信号選択回路の出力信
   号に応じたデューティ比のパルス信号を前記スイッチン
   グ式電力調整回路に駆動信号として供給するパルス発生
   回路とを具備したアーク溶接機。