JP2010125458A - 溶接電源の出力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 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を行ったとき、各インバータ回路の出力電流の平衡が実現すること。
【解決手段】 出力制御回路をＮ個並列に接続し、溶接電源の出力電圧を設定する出力電圧設定値Ｅｒと溶接電源の適正インダクタンス値を設定するインダクタンス設定値Ｌｒを予め設定し、溶接中の溶接電圧を検出すると共に第１の出力制御回路の第１の出力電流乃至第Ｎの出力制御回路の第Ｎの出力電流を検出し、接電圧検出値Ｖｄを入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−Ｖｄ）／Ｌｒを算出し、電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値を算出し、溶接電流制御設定値を１／Ｎ倍にして溶接電流指令値を算出し、第１の出力制御回路の第１の出力電流値乃至第Ｎの出力制御回路の第Ｎの出力電流値が溶接電流指令値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源の出力制御方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接電源の出力制御回路を複数並列に設けた溶接電源の出力制御方法に関するものである。

ＣＯ２、ＭＡＧ溶接等では、溶接電源の種類又は定格出力電流の違いにより内部インダクタンス値の違う直流リアクトルを設け、この直流リアクトルよって生じる内部インダクタンス値の違い、さらに、溶接電源の出力端子と溶接トーチ又は母材を接続する溶接ケーブルの長さ及び引き回しによって変化する、外部インダクタンス値の違いに対応してインダクタンス値を調整して溶接の安定を図っていた。そして、このインダクタンス値の調整を怠ると適正なインダクタンス値からはずれ溶接状態が不安定になってしまう。

下記に示す図４は、内部インダクタンス値及び外部インダクタンス値が変化しても、適正なインダクタンス値を常に維持する電子リアクトル機能を備えた溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して説明する。

図４において、出力制御回路ＩＮＶは、図示省略の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、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、直流電圧を高周波交流電圧に変換する第１のインバータ回路と、第１のインバータ回路の出力を所定の負荷に適した高周波交流電圧に変換する第１の主変圧器と、第１の主変圧器の出力電力を整流する２次整流回路とで構成され、この出力制御回路ＩＮＶは、商用電源を入力として出力制御を行い、出力電流を出力する。

図４において、出力電流検出回路ＩＤは、出力制御回路ＩＮＶの出力電流を検出して出力電流検出信号Ｉｄとして出力し、溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖを検出して溶接電圧検出信号Ｖｄとして出力する。直流リアクトルＤＣＬは、出力制御回路ＩＮＶの出力を平滑して溶接トーチ４に供給する。

図４に示す出力電圧設定回路ＥＲは、所定の出力電圧設定信号Ｅｒを設定する。インダクタンス設定回路ＬＲは、適正インダクタンス値Ｌｍに相当するインダクタンス設定信号Ｌｒを出力する。同図に示す、電流設定変化量演算回路ＤＩＲ、溶接電圧検出信号Ｖｄ、出力電圧設定信号Ｅｒ及びインダクタンス設定信号Ｌｒを入力として、（Ｅｒ−Ｖｄ）／Ｌｒの演算を行い、電流設定変化量信号ΔＩｒを求める。積分回路ＩＩＲは、電流設定変化量信号ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定信号Ｉｒｃを算出する。

電流誤差増幅回路ＡＰＩは、溶接電流制御設定信号Ｉｒｃの値と出力電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号ＡＰｉを出力する。そして、出力制御回路ＩＮＶは、電流誤差増幅信号ＡＰｉに応じて出力電流を制御する。よって、出力電流検出信号Ｉｄが溶接電流制御設定信号Ｉｒｃと略等しくなる。

図５は、内部インダクタンス及び外部インダクタンス値が変化しても適正インダクタンスを維持する定電圧特性を有する、図４に示す溶接電源装置の等価回路である。
この等価回路を用いて内部インダクタンス及び外部インダクタンス値が変化しても適正インダクタンスを維持する原理について説明する。

図５（Ａ）は、適正インダクタンス値Ｌｍを有する定電圧特性の溶接電源の等価回路図である。同図において、下式が成立する。
Ｅ＝Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ
但し、Ｅ［Ｖ］は出力電圧、Ｌｍ［Ｈ］は適正インダクタンス値、ｉ［Ａ］は溶接電流、ｖ［Ｖ］は溶接電圧である。
上式を整理すると、下式となる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ
両辺を積分すると、下式となる。
ｉ＝∫（（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ）・ｄｔ
ここで、溶接電流ｉを溶接電流制御設定値Ｉｒｃに、出力電圧Ｅを出力電圧設定値Ｅｒに、適正インダクタンス値Ｌｍをインダクタンス設定値Ｌｒにそれぞれ置換すると、下式となる。
Ｉｒｃ＝∫（（Ｅｒ−ｖ）／Ｌｒ）・ｄｔ
上式に対応する等価回路を図５（Ｂ）に示す。同図において、溶接電圧ｖを検出し定電流源ＣＣの溶接電流ｉに相当する溶接電流制御設定値Ｉｒｃが、上式の演算値となるように制御する。これによって、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は、図５（Ａ）と同一になる。

図５（Ｃ）は、内部インダクタンス及び外部インダクタンスの値がＬｉｏの場合の等価回路を示す。同図において、Ｉｒｃ＝∫（（Ｅｒ−ｖ）／Ｌｒ）・ｄｔのＬｒがＬｍのままでも、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は同一となる。すなわち、内部インダクタンス及び外部インダクタンスの値Ｌｉｏが変化しても、上述の制御方法には影響を与えない。したがって、溶接電源装置を構成する部品のばらつきによって内部インダクタンス値が変化しても、かつ、溶接ケーブルの長さ及び引き回しによって外部インダクタンス値が変化しても、インダクタンス設定値Ｌｒは常に適正インダクタンス値になる。
（例えば、特許文献１）

特開２００３−３０５５７１号公報

従来の溶接電源では、内部インダクタンス値及び外部インダクタンス値が変化しても、常に適正なインダクタンス値を維持する電子リアクトル機能を有している。
そして、この機能を有した出力制御回路を複数並列に溶接電源に設けて出力電流の増大を図った溶接電源が要望されている。
しかし、この電源装置の出力制御回路は定電圧特性を有し、この定電圧特性を有する出力制御回路を、例えばＮ台並列に設けて運転すると出力制御回路を構成する半導体素子等の部品のばらつきにより、出力電圧に微小なズレが発生し、この状態が継続すると出力制御回路の一方の出力電流が増加し、他方の出力電流が減少して電流バランスが崩れ、この電流バランスの崩れによって特定の半導体素子に電流が流れ過ぎ、熱損失によって部品の劣化に繋がってしまう。

そこで、本発明では、出力制御回路を、例えばＮ台並列に設けた状態でも内部インダクタンス値及び外部インダクタンス値の変化の影響を受けず、且つ出力電流が略同一になる溶接電源を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、出力制御回路をＮ個並列に接続し、前記接続点と出力端子との間に直流リアクトルを接続し、溶接電源の出力電圧を設定する出力電圧設定値Ｅｒと前記溶接電源の適正インダクタンス値を設定するインダクタンス設定値Ｌｒを予め設定し、溶接中の溶接電圧を検出すると共に前記第１の出力制御回路の第１の出力電流ないし前記第Ｎの出力制御回路の第Ｎの出力電流を検出し、前記溶接電圧検出値Ｖｄを入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−Ｖｄ）／Ｌｒを算出し、前記電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値を算出し、前記溶接電流制御設定値を１／Ｎ倍にして溶接電流指令値を算出し、前記第１の出力制御回路の第１の出力電流値が前記溶接電流指令値と略等しくなるように制御し、ないし前記第Ｎの出力制御回路の第Ｎの出力電流値が前記溶接電流指令値と略等しくなるように制御する、ことを特徴とする溶接電源の出力制御方法である。

第２の発明は、前記溶接電流制御設定値を、前記第１の出力制御回路ないし第Ｎの出力制御回路の定格出力電流値の比率に基づいて分配して第１の溶接電流指令値ないし第Ｎの溶接電流指令値を生成し、前記第１の出力制御回路の第１の出力電流値が前記第１の溶接電流指令値と略等しくなるように制御し、ないし前記第Ｎの出力制御回路の第Ｎの出力電流値が前記第Ｎの溶接電流指令値と略等しくなるように制御する、ことを特徴とする請求項１記載の溶接電源の出力制御方法である。

第１の発明によれば、溶接電流制御設定値を並列接続された出力制御回路の台数（例えば、Ｎ台）に応じて１／Ｎ倍して溶接電流指令値を算出し、この算出した溶接電流指令値に基づいてＮ台の出力制御回路を制御すると、各出力電流は略同一になり電流バランスがとれ、出力電流の増大が可能となり、且つ出力制御回路が並列に設けた状態でも内部インダクタンス値及び外部インダクタンス値の変化の影響を受けないので、アークが安定し溶接品質の向上にもつながる。

第２の発明によれば、定格出力電流値の違う出力制御回路をＮ台並列に設け、この定格出力電流値の比率に基づいて溶接電流制御設定値を分配し、この分配して生成した各溶接電流指令値に基づいて各出力制御回路を制御すると、定格出力電流値の違う出力制御回路でも並列運転が可能となる。

図１は、本発明の実施形態１に係る溶接電源の出力制御方法を実施するための電気接続図である。同図において、図４と同一符号は、同一構成であるので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

図１に示に並列接続された第１の出力制御回路ＩＮＶ１及び第２の出力制御回路ＩＮＶ２は、図４に示す出力制御回路ＩＮＶと同一構成であり、第１の出力制御回路ＩＮＶ１は商用電源を入力として出力制御を行い第1の出力電流を出力すると、共に第２の出力制御回路ＩＮＶ１も商用電源を入力として出力制御を行い第２の出力電流を出力する。

第１の分配回路ＤＩ１は、溶接電流制御設定信号Ｉｒｃを１／２倍にして溶接電流指令信号Ｉｒａとして出力する。

第１の電流誤差増幅回路ＡＰＩ１は、溶接電流指令信号Ｉｒａと第１の出力電流検出信号Ｉｄ１との誤差を増幅して第１の電流誤差増幅信号ＡＰｉ１を出力する。そして、第１の出力制御回路ＩＮＶ１は、第１の電流誤差増幅信号ＡＰｉ１に応じて出力電流を定電流制御する第1の定電流源ＣＣ１を構成する。

第２の電流誤差増幅回路ＡＰＩ２は、溶接電流指令信号Ｉｒａと第２の出力電流検出信号Ｉｄ２との誤差を増幅して第２の電流誤差増幅信号ＡＰｉ２を出力する。そして、第２の出力制御回路ＩＮＶ２は、第２の電流誤差増幅信号ＡＰｉ２に応じて出力電流を定電流制御する第２の定電流源ＣＣ２を構成する。

つぎに、図２は、図１に示す本発明の等価回路であり、この等価回路を用いて動作について説明する。
図２（Ａ）は、適正インダクタンス値Ｌｍを有する定電圧特性の溶接電源の等価回路図である。同図において、下式が成立する。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ
両辺を積分すると、下式となる。
ｉ＝∫（（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ）・ｄｔ
ここで、溶接電流ｉを溶接電流制御設定値Ｉｒｃに、出力電圧Ｅを出力電圧設定値Ｅｒに、適正インダクタンス値Ｌｍをインダクタンス設定値Ｌｒにそれぞれ置換すると、下式となる。
Ｉｒｃ＝∫（（Ｅｒ−ｖ）／Ｌｒ）・ｄｔ
上式に対応する等価回路を図２（Ｂ）に示す。同図において、溶接電圧ｖを検出し第1の定電流源ＣＣ１の溶接電流ｉ／２に相当する溶接電流制御設定値１／２・Ｉｒｃ（に基づいて制御し、第２の定電流源ＣＣ２も溶接電流制御設定値１／２・Ｉｒｃに基づいて制御する。これにより、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は、図２（Ａ）と同一になる。

即ち、図２（Ｂ）に示す等価回路より定電流源ＣＣが２つ並列に接続され、溶接電流制御設定値Ｉｒｃを図１に示す第１の分配回路ＤＩ１により１／２倍にして溶接電流指令信号Ｉｒａ（１／２・Ｉｒｃ）を算出する。そして、第1の定電流源ＣＣ１及び第２の定電流源ＣＣ２を溶接電流指令信号Ｉｒａ（１／２・Ｉｒｃ）に基づいて出力電流を制御すると、この２つの出力電流の値は略同一になる。

図２（Ｃ）は、内部インダクタンス値及び外部インダクタンス値がＬｉｏの場合の等価回路を示す。同図において、Ｌｒ＝Ｌｍのままでも溶接負荷の変動に対する各溶接電流ｉ／２の変化は同一となる。すなわち、内部インダクタンス値及び外部インダクタンス値のＬｉｏが変化しても、インダクタンス設定値Ｌｒは常に適正インダクタンス値になる

上述より、本発明では、２つの出力電流が略平衡となり、且つ内部インダクタンス値及び外部インダクタンス値の変化の影響を受けない溶接電源が形成される。
さらに、本発明では、出力制御回路をＮ個並列に接続し、この接続点と出力端子との間に直流リアクトルを接続しているが、溶接電源に配設されたＮ個の出力制御回路を接続する溶接ケーブルの長さ及び引き回しによってインダクタンス値が発生するので、直流リアクトルを設けなくてもよい。

[実施の形態２]
図３は、本発明の実施形態２に係る溶接電源の出力制御方法を実施するための電気接 接続図である。同図において、図１及び図４と同一符号は、同一構成であるので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

図３に示す、第1の出力制御回路ＩＮＶ１と第２の出力制御回路ＩＮＶ２とは、定格出力電流値の比が、例えば、２：１となり、定格出力電流値が違う２つの出力制御回路が並列に設けられている。

図３に示す、第２の分配回路ＤＩ２は、溶接電流制御設定信号Ｉｒｃを２／３倍（２／３・Ｉｒｃ）にして第２の溶接電流指令信号Ｉｒａ２として出力すると共に第３の分配回路ＤＩ３は、溶接電流制御設定信号Ｉｒｃを１／３倍（１／３・Ｉｒｃ）にして第３の溶接電流指令信号Ｉｒａ３として出力する。

図３に示す、第１の電流誤差増幅回路ＡＰＩ１は、第２の溶接電流指令信号Ｉｒａ２と第１の出力電流検出信号Ｉｄ１との誤差を増幅して第１の電流誤差増幅信号ＡＰｉ１を出力する。そして、第１の出力制御回路ＩＮＶ１は、第１の電流誤差増幅信号ＡＰｉ１に応じて出力電流を制御する。

図３に示す、第２の電流誤差増幅回路ＡＰＩ２は、第３の溶接電流指令信号Ｉｒａ３と第２の出力電流検出信号Ｉｄ２との誤差を増幅して第２の電流誤差増幅信号ＡＰｉ２を出力する。そして、第２の出力制御回路ＩＮＶ２は、第２の電流誤差増幅信号ＡＰｉ２に応じて出力電流を制御する。

上述より、並列接続された第１の出力制御回路ＩＮＶ１の定格電流値が、例えば２００Ａ、第２の出力制御回路ＩＮＶ２の定格電流値が１００Ａと同一でないときでも、出力制御回路を並列に設けて並列運転が可能となる。

本発明の実施形態１に係る出力制御方法を実施するための溶接電源の電気接 続図である。 本発明の実施の形態１を説明するための等価回路図である。 本発明の実施形態２に係る出力制御方法を実施するための溶接電源の電気接 接続図である。 従来技術の出力制御方法を実施するため溶接電源の電気接続図である。 従来技術を説明するための等価回路図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＰＩ 電流誤差増幅回路
ＡＰｉ 電流誤差増幅信号
ＡＰＩ１ 第１の電流誤差増幅回路
ＡＰｉ１ 第１の電流誤差増幅信号
ＡＰＩ２ 第２の電流誤差増幅回路
ＡＰｉ２ 第２の電流誤差増幅信号
ＣＣ 定電流源
ＣＣ１ 第1の定電流源
ＣＣ２ 第２の定電流源
ＤＩ１ 第１の分配回路
ＤＩ２ 第２の分配回路
ＤＩ３ 第３の分配回路
ＤＣＬ 直流リアクトル
ＤＩＲ 電流設定変化量演算回路
Ｅ１ 第１の出力電圧
Ｅ２ 第２の出力電圧
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号（出力電圧設定値）
ＩＤ 出力電流検出回路
ｉｄ 出力電流検出信号
ＩＤ１ 第1の出力電流検出回路
ｉｄ１ 第1の出力電流検出信号
ＩＤ２ 第２の出力電流検出回路
ｉｄ２ 第２の出力電流検出信号
ＩＩＲ 積分回路
ＩＮＶ 出力制御回路
ＩＮＶ１ 第１の出力制御回路
ＩＮＶ２ 第２の出力制御回路
Ｉｒｃ 溶接電流制御設定信号
Ｉｒａ 溶接電流指令信号
Ｉｒａ２ 第２の溶接電流指令信号
Ｉｒａ３ 第３の溶接電流指令信号
Ｌｉｏ 内外部インダクタンス値
Ｌｍ 適正インダクタンス値
ＬＲ インダクタンス設定回路
Ｌｒ インダクタンス設定信号
ｖ 溶接電圧
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ΔＩｒ 電流設定変化量（信号）

Claims (2)

1. 出力制御回路をＮ個並列に接続し、前記接続点と出力端子との間に直流リアクトルを接続し、溶接電源の出力電圧を設定する出力電圧設定値Ｅｒと前記溶接電源の適正インダクタンス値を設定するインダクタンス設定値Ｌｒを予め設定し、溶接中の溶接電圧を検出すると共に前記第１の出力制御回路の第１の出力電流ないし前記第Ｎの出力制御回路の第Ｎの出力電流を検出し、前記溶接電圧検出値Ｖｄを入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−Ｖｄ）／Ｌｒを算出し、前記電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値を算出し、前記溶接電流制御設定値を１／Ｎ倍にして溶接電流指令値を算出し、前記第１の出力制御回路の第１の出力電流値が前記溶接電流指令値と略等しくなるように制御し、ないし前記第Ｎの出力制御回路の第Ｎの出力電流値が前記溶接電流指令値と略等しくなるように制御する、ことを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
2. 前記溶接電流制御設定値を、前記第１の出力制御回路ないし第Ｎの出力制御回路の定格出力電流値の比率に基づいて分配して第１の溶接電流指令値ないし第Ｎの溶接電流指令値を生成し、前記第１の出力制御回路の第１の出力電流値が前記第１の溶接電流指令値と略等しくなるように制御し、ないし前記第Ｎの出力制御回路の第Ｎの出力電流値が前記第Ｎの溶接電流指令値と略等しくなるように制御する、ことを特徴とする請求項１記載の溶接電源の出力制御方法。

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