JP2006116556A - アーク応用機器の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受電二電圧系に対応し、且つ出力容量が多種類の機種要求に対応して、製作部品の種類を限定して安定した品質のアーク応用電源機器を安価に提供する。
【解決手段】受電二電圧系を、二電圧接続切替手段を下記交流ユニットの前段に設け、これを介して受入れ、入力段直流ユニットと、インバータを含む交流ユニットと、直流出力ユニットと、を具備する単位電源ブロックの複数ブロックを出力端で並列接続した電源において、単位電源ブロック間の電力バランスを保つ為に、各出力を同じ電流値にする為に、各交流ユニットの出力電流を検出するか、または各直流出力ユニットの出力電流を検出し各インバータの出力を制御することを特徴とするアーク応用機器の電源装置。
【選択図】 図２

Description

本発明はアーク応用機器の電源において、世界の入力電圧に対応出来て、出力容量の多様化要求に対応して、都度の新設計を排除し部品品種を単純化できるアーク応用機器の電源装置に関する。

従来のこの種の技術としては特許文献１に並列運転に関する技術が開示されている。

この特許文献１の技術では、段落（０００２）に「従来の溶接機の容量アップ方法の１つは、単機容量を増やす方法がある。また他の方法は、同一容量のインバータを直接並列接続してインバータ出力を増やす方法がある。後者の方法は、一台のマスターと称するインバータの制御回路で全てのインバータの制御を行い、他はマスターとなるインバータの制御回路からインバータ駆動回路へ引き渡される駆動信号を分配し、共通に接続する方法をとっている。この時、インバータの制御回路は取り外すか、または保護動作のみ行い出力の制御は行わない状態にしている。」との記述がある。段落（０００３）に「上述したような溶接機の容量アップ方法は次のような問題がある。単機容量を増やす方法の場合、必要とする容量を実現可能であるが、容量アップを行う毎に使用する部品を変更すること、都度新設計が必要となる。インバータ、溶接トランス、整流回路の開発が個々に必要となるという問題がある。」段落（０００４）に、「また後者の方法は、標準機を使用していながらその都度マスターとなるインバータの制御基板から駆動信号を分配するための改造と、故障信号や他のインターロック関係等の信号の接続を行う為の改造が必要で、手間のかかる方法である。」
発明の内容として、同公報の段落（０００６）に、「上記問題を解決する為に、溶接ト
ランスの２次側を直接並列接続すると共に同期信号と通信手段によって容量アップする。」との技術開示がある。

「特開平８−１３５０号」公報

上記のような技術が開示されている、ところがアーク溶接機の場合、アーク発生に起因する電磁ノイズが近距離の通信回路を誤動作させるので、上記通信手段の内蔵は制御回路の誤動作の対応にコストが余分に掛かることになる。

多様な出力容量の要求に対して行っていた都度の新設計をして新部品を製作する工数を省き、上記のような通信手段を具備しない方法で、単位電源ブロックを形成し、安定した品質の電源装置を安価に提供できるようにすることが本発明の目的である。

請求項１に関しては、入力整流器と平滑コンデンサを含む入力段直流ユニットと、インバータを含む交流ユニット及び、出力段整流器と出力端子を具備する直流出力ユニットとによって形成される標準的な単位電源ブロックの複数個を、直流出力ユニットの出力端子で並列に接続し所望の容量を得る電源装置において、出力バランス制御の検出値が正確且つ安価に製作できる構造にすることに着眼した。各交流ユニットのインバータを制御して出力調整する場合の出力バランスの検出は電力を検出して各ブロックの電力を同じになるように制御すべきところを、構成部品を簡単にし安価に提供できるように、同じ構成部品から製作された各ブロックの電気的特性は略同一と見なして電流値だけ検出して、電力特性の代用特性とし電流特性に置き換えることが出来た。

請求項２に関しては、単位電源ブロック間の電力バランスを保つ為に、各直流出力ユニット電流を検出する代わりに各交流ユニットに流れる電流を検出し、該電流値を等しい値に保持するように、各交流ユニットのインバータを制御して出力調整することを特徴とするアーク応用機器の電源装置とした。もし単位電源ブロック間に電力アンバランスが生じたときは、出力大の電源ブロックの、高周波トランス、出力整流器、半導体スイッチング素子、入力整流器などの主回路構成要素部品に過負荷が掛かり過熱して故障を速めてしまう。このような事態を避けるために電力をバランスさせる。この方法として各ブロックの交流ユニット電流を検出し、該電流値を単位電源ブロック間で等しくなるように制御することで電気特性に不具合は無く、直流出力電流に比例した交流ユニット電流が流れているから前記と同様に有効である。電流センサは、直流大電流のセンサより交流のサンサの方が小型に製作できる利点がある。さらに、交流周波数が高いほど電流センサを電磁結合式にする場合には、小型に製作できるので、電力回路が高周波インバータ式の本発明のような構成の場合の利点が、この電流センサにおいても有効に発揮できた。

請求項３に関しては、前記入力段直流ユニットは、受電する２種類の交流電圧系（例えば、２００Ｖ及び１００Ｖ）に対応して、交流受電端子に設けた二電圧接続切替手段を介して受け入れ、同一の直流出力電圧で交流ユニットに給電する入力段直流電力ユニットとし、使用する現場の受電電圧に広く対応した標準化設計が可能になった。受注時にその都度の設計工数が不要となったので安価に製作できた。

請求項４に関しては、前記交流ユニットは、受電する二種類の交流電圧系（例えば、２００Ｖ系及び１００Ｖ系）に対応して、入力整流器の直流側に設けた二電圧接続切替手段を介して受け入れ、同一の直流出力電圧で給電される交流ユニットとし、使用現場の受電電圧に広く対応した標準化設計が容易になった。直流側の二電圧接続切替手段は、交流の場合よりも安価な、選択範囲が広い半導体スイッチで構成できるので、安価な二電圧接続切替手段の構成部品であるスイッチの信頼性不安が排除できた。

請求項５に関しては、前記インバータは、直流を受入れる入力端と交流を出力する出力端とがブリッジ接続で構成される各アームを具備し、該アームが半導体スイッチング素子で形成され、前記各単位電源ブロック毎にＰＷＭ制御によって電力調整する機能を完結するので、単位電源が故障時に、単位電源を取り換える事によって速い修復が可能な、稼動ロスが少ない信頼性が高い装置とすることが出来た。

請求項６に関しては、前記直流出力ユニットの並列接続した出力端子の中の一極を分岐し、分岐した一方をパイロットアーク用チョッパ回路を介して、溶接用ノズルに接続し、分岐した他方を溶接電極に接続する請求項１乃至５記載のアーク溶接機やアーク切断機などアーク応用機器の電源装置としたのでチョッパ回路で昇圧して早くアーク発生させてアークを安定させることがでた。
単位電源ブロック毎に電力調整する機能を完結するので、各単位電源ブロックを標準化しておき、生産効率を上げる為には、チョッパ回路が付加出来る分岐端子を有する単位電源ブロックを標準品として製作することが有効である。

前記の二電圧接続切替手段を入力整流器Ｒの後段に設けて直流電圧を直列・並列切替え接続する場合で、且つ並列接続の態様に於いても、検出値として役立つ本発明の交流電流または直流出力電流検出の方法が有効であるので、電力バランスを維持する検出方法として、受電二電圧対応には応用範囲が広い利点がある。
本発明によれば出力容量が多種類の機種の要求に対応して都度の設計の工数を削減し、部品の種類を限定して製作することが可能となったので、安定した品質のアーク応用電源機器を形成することが出来た。従来、アークが起因の発生ノイズに関して対策のためコスト高の原因であった通信手段を、必要としない本発明の方法は、安定した品質の電源装置を安価に提供できた。単位電源が故障時に、単位電源を取り換える事によって速い修復が可能な、稼動ロスが少ない信頼性が高い装置とすることが出来た。

本発明による実施の形態を図１の回路ブロック図に示して説明する。１，２は交流受電端子であり商用電源が接続される。Ａ１、Ａ２が入力段直流ユニットである。３は平滑コンデンサ、Ｃ１、Ｃ２は交流ユニット、Ｄ１，Ｄ２は直流出力ユニットであり、以上で単位電源ブロックＢ１、Ｂ２を構成する。７，８の出力端子で並列接続されて負荷１３に接続されている。単位電源ブロックＢ１、Ｂ２は、標準品として信頼性の確認が充分に実施されていて生産プロセスの安定した工程で製作され、この単位電源ブロックを必要数だけ並列に接続されて、ユーザの要求する出力電流容量の電源装置に形成する。交流ユニットＣ１、Ｃ２の出力電力が同じ値になるように、制御回路１４で生成した制御信号をゲート駆動信号生成器に与えその駆動信号で交流ユニットＣ１、Ｃ２のインバータの出力電力を制御して、電源ブロックＢ１、Ｂ２間で出力電力がバランスするようにした。図２の各制御回路１４は、その基準電圧が等電位接続体Ｅで結合されていて各単位電源ユニットの制御基準値が等しく維持されている。

図２に図１の回路ブロック図を具体化した回路構成図として示した。Ａ１、Ａ２の入力段直流電力ユニットは、入力整流器Ｒで交流を直流に変換して、平滑コンデンサ３でリップルを小さくする。Ｃ１，Ｃ２の交流ユニットはインバータ４と高周波トランス５で構成され、インバータ４で直流を高周波交流電力に変換すると同時に出力を制御する、半導体スイッチング素子２４の制御電極に駆動信号を与えてパルス幅を変化させＰＷＭ制御する。高周波トランス５で負荷１３に最適の電圧になるように変圧する。Ｄ１，Ｄ２は直流出力ユニットで、出力整流器６で構成され直流に変換し，複数の電源ブロックが並列接続された出力端子７，８から整流された電力が負荷１３に供給される。各交流ユニットＣ１，Ｃ２の出力電流値を電流センサ１７、１８で検出して、基準値と比較し常に両方の出力電流値が同じ値になるように制御回路１４で制御信号を生成してインバータの半導体スイッチング素子２４に与えて、インバータ出力を制御し、出力バランスが崩れ無いようにしている。

図３に負荷が溶接の場合の実施形態を回路構成図で示し、この図によって説明する。溶接電極９が一方の出力端子７に，他方の端子８に母材１１が接続されて，この間にアークを発生させて溶接電極及び母材を溶かして溶接する消耗性電極による溶接法や，溶接電極が溶けないでアーク発生のための電極として作用し，母材を溶かして溶接する非消耗性電極の溶接法がある。アークスタート性を改良する為にチョッパ１２で電圧を昇圧してトーチ１０に印加して、パイロットアークを溶接電極９との間に発生させ、母材へアークを移行させて母材のアークスタートを速くする方法がある。インバータは直流の入力端と交流出力端がブリッジ接続される各アームを具備し、該アームが半導体スイッチング素子２４で形成され導通電流波形をパルス幅制御（ＰＷＭ制御）することができる絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や，パワーＭＯＳ ＦＥＴが有効である。

負荷がランプの場合は、図２に示すように、負荷１３が一対の電極を有する放電ランプなどの光源であり，出力端子７，８にランプの各電極がそれぞれ接続される場合の光源用の電源装置として，出力整流器６で直流に変換しないで高周波電力をランプの電極間に接続する光源用電源装置の場合も有効である。

図２、図３に示す二電圧接続切替手段Ｗは、例えば交流入力電圧が２００Ｖ系と１００Ｖ系に対応して交流ユニットの入力電圧を各電源ブロックＢ１、Ｂ２の入力側にそれぞれ、同一の１００Ｖ系電圧にして与えるように自動的又は、手動で切替えるように形成されている。単位電源ブロックＢ１、Ｂ２を出力端子で並列接続して出力容量が所定の値になるように合成するので、電源ブロックが複数個あるという事は、受電電圧を直並列切替ええ方式で、入力二電圧系に対応できる利点がある。二電圧接続切替手段Ｗの常閉接点２８が閉じて、常開接点２６と２７が開いている状態で入力端ＰとＱが接続状態であるから、入力端子１と２の間に２００Ｖを受電したとき入力段Ａ１及びＡ２に夫々１００Ｖが印加されるので交流ユニットＣ１とＣ２に１００Ｖが整流され平滑コンデンサ３で平滑された直流が無負荷時は交流の波高値に近い約１４０Ｖで印加される。二電圧接続切替手段Ｗの常閉接点２８が開いて、常開接点２６と２７が閉じた１００Ｖ受電状態では、入力端ＰとＱが非接続状態であるから、入力端子１と２の間に１００Ｖを受電したとき入力段Ａ１及びＡ２に夫々交流１００Ｖが印加される。交流の入力電圧に対応して自動で各接点を作動させる自動切換手段も有効であり、単位電源ブロックを複数個準備して、並列運転する本発明の方式は、受電二電圧系対応にも無駄なく両方の単位電源ブロックで対応でき、複数ブロック電源の利点を生かしているのである。

図３に本発明の他の実施形態を示す。直流出力を一定にする制御について、図３を用いて制御回路の内部構成に重点をおいて説明する。１５及び１６の電流センサ（直流）で両方の出力電流を定率で縮少して取出す、具体的実施例は電流計に用いられている分流器を用いた。１９はＰＷＭ制御信号生成器であり、この出力信号をゲート駆動信号生成器２０に与えて半導体スイッチング素子２４へのパルス間隔を変化させて、インバータ４の出力を変化させる基になる信号を生成する。電流センサ１５及び１６の出力を第１検出器１４１及び第２検出器１４２に与えて、第１及び第２の誤差増幅器１５１、１５２にて誤差増幅しＰＷＭ制御信号生成器１９に与える。１６１、１６２は第１及び第２の基準値生成手段であり、Ｅの等電位接続体で制御の為の基準値を各電源ユニットに同一値に維持させている。

図２、図３に示す二電圧接続切替手段Ｗは、入力整流器Ｒの前段に設けて交流電圧を直列・並列切替え接続する場合と、入力整流器Ｒの後段に設けて直流電圧を直列・並列切替え接続する場合とが可能であるが、後者の場合で、且つ並列接続の態様に於いてのみ、交流ユニットの入力電圧（平滑コンデンサ端子間電圧）が各電源ブロックＢ１、Ｂ２共、同じ電圧値で現れる。本発明者らの同じ目的の前特許出願文で、出力制御の基準として検出する値を平滑コンデンサ端子間電圧値としたが、二電圧接続切替手段Ｗが前者の場合に限り有効であって、二電圧接続切替手段Ｗが後者の場合には、ブロック間で電力アンバランスでも検出電圧値が同じ電圧値となってしまうので、出力制御の基準として検出する値を、平滑コンデンサ端子間電圧値として用いることはできない。そこで本発明では、電力アンバランスの検出として電流センサを用いた。

本発明の出力調整のための検出部位として各部位の電流のうちでセンサとして安価に製作できる部位に着目し、この電流値を同じ値にする様に、各インバータの出力を制御するので安価で簡単な構成部品で制御できた。単位電源ブロック間の出力容量が偏って、過電流による一方の電源ブロックに寿命を短縮させる要因が排除できたので電源装置の信頼性が向上したので、これを電源とする点灯設備や、溶接設備の故障時間が少なく、稼動率が向上し産業上の価値が高い。

本発明による実施の形態を示す回路ブロック図。 本発明による実施の形態を示す回路構成図。 本発明による他の実施の形態を示す回路構成図。

符号の説明

１ 交流受電端子
２ 交流受電端子
３ 平滑コンデンサ
４ インバータ
５ 高周波トランス
６ 出力整流器
７ 出力端子
８ 出力端子
９ 溶接電極
１０ トーチ
１１ 母材
１２ チョッパ
１３ 負荷
１４ 制御回路
１５ 電流センサ（直流）
１６ 電流センサ（直流）
１７ 電流センサ（交流）
１８ 電流センサ（交流）
１９ ＰＷＭ制御信号生成器
２０ ゲート駆動信号生成器
２４ 半導体スイッチング素子
２６ 常開接点
２７ 常開接点
２８ 常閉接点
１４１ 第１検出器
１４２ 第２検出器
１５１ 第１誤差増幅器
１５２ 第２誤差増幅器
１６１ 第１基準値生成手段
１６２ 第２基準値生成手段
Ａ１ 入力段直流ユニット
Ａ２ 入力段直流ユニット
Ｃ１ 交流ユニット
Ｃ２ 交流ユニット
Ｄ１ 直流出力ユニット
Ｄ２ 直流出力ユニット
Ｅ 等電位接続体
Ｒ 入力整流器
Ｗ 二電圧接続切替手段
Ｚ 等価インピ-ダンス

Claims (6)

1. 入力整流器と平滑コンデンサを含む入力段直流ユニットと、インバータと高周波トランスを具備する交流ユニット及び、出力整流器と出力端子を具備する直流出力ユニットから形成される単位電源ブロックの複数ブロックを、直流出力ユニットの出力端子で並列に接続した電源において、単位電源ブロック間の電力バランスを保つ為に、各直流出力ユニット電流を検出し、該電流を等しい電流値に保持するように、各交流ユニットのインバータを制御して出力調整することを特徴とするアーク応用機器の電源装置。
2. 入力整流器と平滑コンデンサを含む入力段直流ユニットと、インバータと高周波トランスを具備する交流ユニット及び、出力整流器と出力端子を具備する直流出力ユニットから形成される単位電源ブロックの複数ブロックを、直流出力ユニットの出力端子で並列に接続した電源において、単位電源ブロック間の電力バランスを保つ為に、各交流ユニット電流を検出し、該電流を等しい電流値に保持するように、各交流ユニットのインバータを制御して出力調整することを特徴とするアーク応用機器の電源装置。
3. 前記入力段直流ユニットは、受電する二種類の交流電圧系（例えば、２００Ｖ及び１００Ｖ）に対応して、交流受電端子に設けた二電圧接続切替手段を介して受け入れ、同一の直流出力電圧で交流ユニットに給電する入力段直流電力ユニットであることを特徴とする請求項１乃至２記載のアーク応用機器の電源装置。
4. 前記交流ユニットは、受電する二種類の交流電圧系（例えば、２００Ｖ及び１００Ｖ）に対応して、入力整流器の出力端に設けた二電圧接続切替手段を介して受け入れ、同一の直流出力電圧で給電される交流ユニットであることを特徴とする請求項１乃至３記載のアーク応用機器の電源装置。
5. 前記インバータは、直流を受入れる入力端と交流を出力する出力端とがブリッジ接続で構成される各アームを具備し、該アームが半導体スイッチング素子で形成され、前記各単位電源ブロック毎にＰＷＭ制御によって電力調整する機能を備えたインバータであることを特徴とする請求項１乃至４記載のアーク応用機器の電源装置。
6. 前記直流出力ユニットの並列接続した出力端子の一極を分岐し、分岐した一方がパイロットアーク用チョッパ回路を介して、溶接用ノズルに接続し、分岐した他方を溶接電極に接続されることを特徴とする請求項１乃至５載のアーク応用機器の電源装置。

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