JP2582751Y2 - アーク加工用電源装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、商用交流電源を入力と
し、整流して直流に変換し、得られた直流出力を平滑回
路によって平滑した後にインバータ回路によって高周波
交流に変換した後にさらにアーク加工に適した特性の出
力に変換する方式のアーク加工用電源装置において、平
滑回路のコンデンサ容量を低減した安価な装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】（従来技術１） 図１は、商用交流電源を入力とし、整流平滑後にインバ
ータ回路によって高周波交流に変換しさらにアーク加工
法に適した出力を得るアーク加工用電源装置の従来例で
ありフルブリッジ方式のインバータ回路を有する定電流
形直流電源装置の例を示したものである。

【０００３】図１において、１ａ〜１ｃは、三相交流電
源に接続される入力端子であり、２は電源スイッチ、３
ａ〜３ｆは、整流用ダイオードであり、三相ブリッジ形
整流回路３を構成している。４ａは電流制限用抵抗器、
４ｂは平滑用コンデンサであり、抵抗器４ａおよびコン
デンサ４ｂによって平滑回路４を構成している。５ａ〜
５ｄはスイッチング用トランジスタであり、整流回路３
および平滑回路４によって得られた直流出力を高周波交
流に逆変換するインバータ回路５を構成する。６は変圧
器であり、インバータ回路５の出力電圧をアーク加工に
適した電圧に変換する。７は整流回路、８は直流リアク
トル、９はアーク負荷であり電極９ａ被加工物９ｂおよ
びアーク９ｃからなる。１０は出力電流検出器、１１は
出力電流設定器、１２は出力電流設定器１１の設定値Ｉ
ｒと出力電流検出器１０の出力Ｉｆとを入力とし差信号
ΔＩ＝Ｉｒ−Ｉｆを出力する誤差増幅器、１３は誤差増
幅器１２の出力信号ΔＩに応じてインバータ回路５のス
イッチング素子５ａ〜５ｄの導通時間幅を制御するパル
ス幅制御式のインバータ制御回路である。

【０００４】図１の装置において、三相交流電源は整流
回路３によって整流された後に平滑回路４にて平滑され
てインバータ回路５に供給される。インバータ回路５に
おいて、この直流出力は高周波交流に変換されて変圧器
６にて所定の電圧に変換される。変圧器６の出力は整流
回路７によって平滑された後に直流リアクトル８を経て
アーク負荷９供給される。この出力電流は、検出器１０
によって検出されて検出信号Ｉｆとなり、誤差増幅器１
２にて出力電流設定器１１の設定値Ｉｒと比較されて差
信号ΔＩ＝Ｉｒ−Ｉｆがインーバタ制御回路１３に供給
される。インバータ制御回路１３においては、入力信号
ΔＩに応じたパルス幅でかつ予め定められた一定周波数
のパルス信号が生成され、インバータ回路５を構成する
スイッチング用トランジスタ５ａと５ｂ、５ｃと５ｄを
それぞれ１組として交互に各組のトランジスタを同時に
導通させる信号ｓ1 ，ｓ2 を出力する。この結果、出力
電流は出力電流設定器１１の設定値に応じた一定電流に
保たれる。

【０００５】（従来技術２） 図２は、従来技術の別の回路構成例を示し、従来技術１
の平滑回路４のコンデンサ容量を低減した一例を示すも
のである。

【０００６】図２において、図１に示した従来装置と異
なる部分は平滑回路４のみであり、その他は全く同様で
あるので同機能のものに同符号を付してある。図２にお
いて平滑回路４は抵抗器ＲとダイオードＤＲとの並列回
路にコンデンサＣ１を直列接続した回路と、この回路に
並列接続されたコンデンサＣ２からなる。

【０００７】ここでコンデンサＣ２は、周波数特性のよ
いフィルムコンデンサ等が用いられる。またコンデンサ
Ｃ１は、一般に電解コンデンサが用いられる。抵抗器Ｒ
はコンデンサＣ１の充電電荷を放電するためのもので数
十Ωの比較的大きな抵抗値のものを用いているのが普通
である。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】従来技術１において
は、平滑用コンデンサとしての電解コンデンサ４ｂの容
量が実際に必要な容量以上に大きいものを用いることが
必要となるために装置が大型になりさらにコストアップ
になっている。

【０００９】即ち、平滑用コンデンサには、インバータ
回路のスイッチングにより間欠的に流れる高周波の放電
電流と、商用周波電源からの充電電流の合成電流がリプ
ル電流として流れる。平滑用コンデンサとして用いられ
る電解コンデンサは等価的な内部抵抗値が比較的大きく
前記リプル電流による発熱が無視できず電解コンデンサ
の温度上昇となって現れる。温度が１０度Ｃ上昇すると
寿命が半減するといわれるように電解コンデンサの寿命
は温度と密接な関係がある。そこで電解コンデンサの等
価的な内部抵抗値を減らす方法として数個の電解コンデ
ンサを並列接続して用いる方法がとられる。その結果、
装置に用いる電解コンデンサの容量が必要以上に増える
ことになる。例えば、リプル率を低減するためだけであ
れば１０００μＦ程度でよいものが、要求される寿命を
確保するために全体として１０，０００μＦ程度の電解
コンデンサを使用しているのが現状である。

【００１０】平滑用コンデンサが大容量となったときの
問題点は次の二つにわけられる。第一には、突入電流の
問題であり、電源スイッチ投入時の突入電流が過大にな
って、このために一次側開閉器の溶着およびヒユーズの
溶断等の問題があり、電流制限用抵抗器４ａが必要であ
った。この電流制限用抵抗器４ａは、装置の通常運転時
には抵抗発熱による損失が過大であるため、装置の効率
低下と発生する熱の処理が問題であった。また、前記抵
抗器４ａと並列にスイッチを設けて、装置の通常運転時
にはこのスイッチを閉にして前記の問題を解決する方法
もあるが、大容量のスイッチが必要であった。

【００１１】第二には、図３に示すように、装置の通常
運転時の入力電流Ｉが正弦波ではなく、間欠的な電流波
形となるため、平滑用コンデンサの容量が大きいと入力
電流のピーク値が大となって、入力電流実効値が大きく
なり力率を悪くしていることである。

【００１２】また、従来技術２においては、平滑用コン
デンサの容量を小さくできるので入力電流のピーク値が
小さくなり入力電流実効値も小さくなって、力率は改善
されるもののコンデンサＣ１の突入電流制限用抵抗がな
いので、突入電流は大きくこれによるスイッチの溶着、
ヒューズの溶断等の問題が残る。

【００１３】さらに、ダイオードＤＲはこの突入電流に
耐える大きな容量のダイオードが必要であり安価な装置
にはならない。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本考案の装置は、商用交
流電源を入力とし、整流して直流に変換し、得られた直
流出力を平滑回路によって平滑した後インバータ回路に
よって高周波交流に変換した後にさらにアーク加工に適
した特性の出力に変換する方式のアーク加工用電源装置
において、前記平滑回路を商用周波電流の充放電と低周
波のサージ電圧を吸収するための電解コンデンサと前記
作用を損なわない程度の抵抗器とからなる直列回路と、
前記直列回路に並列に接続した前記電解コンデンサより
も小容量のフィルムコンデンサとから構成したアーク加
工用電源装置である。

【００１５】

【作用】本考案の装置は、平滑回路を上記のようにする
ことによって、平滑用コンデンサの平滑作用を損なわず
にしかも商用電源ラインから混入する低周波のサージ電
圧も吸収するために電解コンデンサが有効に作用し、前
記電解コンデンサと直列に接続する低抵抗器は前記電解
コンデンサの作用を必要最小限の容量の電解コンデンサ
で実現させるものである。また、インバータ回路の高速
スイッチング時に発生する高周波のサージ電圧吸収のた
めにフィルムコンデンサが有効に作用するものである。

【００１６】

【実施例】図４に本考案の実施例を示す。同図において
図１に示した従来装置と異なる部分は平滑回路４のみで
あり、その他は全く同様であるので同機能のものに同符
号を付してある。平滑回路４は、抵抗器Ｒａとコンデン
サＣ１ａとの直列回路と、この直列回路に並列に接続さ
れたコンデンサＣ２ａとからなる。

【００１７】ここでコンデンサＣ２ａはインバータ回路
へ供給する高周波のリプル電流を負担するとともにスイ
ッチング動作時に発生する高周波のサージ電圧を吸収す
るためのコンデンサであり、その容量は装置の出力電流
に対応し、スイッチング動作時にコンデンサＣ２ａに流
れるリプル電流の大きさに依存するが、インバータ回路
の動作周波数を数十ｋＨｚの高周波とするときは数十μ
Ｆ程度でよい。またコンデンサＣ２ａは高周波のリプル
電流を負担し、高周波サージ電圧を吸収するために周波
数特性のよいフィルムコンデンサを使用する。

【００１８】このフィルムコンデンサはインバータ回路
への高周波電流の供給とスイッチング時に発生するサー
ジ電圧の吸収を良くするためにインバータ回路を構成す
るスイッチング素子の近くに配置して可能な限り配線を
短くしておく。さらに、コンデンサＣ１ａは、商用周波
を整流した出力を平滑すると同時に商用電源ラインから
混入する低周波のサージ電圧を吸収するための電解コン
デンサであり、その容量は商用電源ラインのインピーダ
ンスに依存するが、１０００μＦ程度でよい。さらに、
抵抗器Ｒａは、コンデンサＣ１ａの前記作用を満たすと
ともに、コンデンサＣ１ａとＣ２ａおよび配線のインダ
クタンスによって発生する共振をなくし、かつ必要以上
にリプル電流を流さない範囲で適当な抵抗値のものを用
いる。

【００１９】ここで商用電源ラインから混入する低周波
のサージ電圧が最も顕著に表れるのが電源投入時である
ので、電源投入時について考察する。

【００２０】図５（ａ）は、図１の従来技術１における
平滑回路を有する装置の入力部分だけの等価回路を示
す。

【００２１】電源電圧をＥとすると、そのピーク値は
（２）^1/2 ・Ｅとなるので、装置の入力電圧の最大値は
（２）^1/2 ・Ｅの直流電圧とみなせる。Ｌ１、Ｒ１は一
次側配線のインダクタンスと抵抗分である。Ｓは主電源
スイッチである、Ｃ３は平滑用コンデンサである。

【００２２】図５（ａ）は、よく知られたＬＣＲ直列共
振回路の構成であり、主電源スイッチＳ投入時のコンデ
ンサＣ３の電圧は式（１）に示す条件のとき振動的とな
りＣ３に過充電されることがわかる。

【００２３】

【数１】

【００２４】したがって、一次側配線のインダクタンス
Ｌ１に比べてコンデンサＣ３の容量が小さすぎるとこの
振動も顕著になり、過充電される電圧も高くなることが
わかる。

【００２５】図５（ｂ）は、本考案の入力部の等価回路
を示したものであり、コンデンサＣ４と抵抗器Ｒ４の直
列回路をコンデンサＣ３と並列に追加してコンデンサＣ
３の見かけの容量を増やして主電源スイッチＳ投入時の
振動を防止して過充電を抑制している。

【００２６】ここでコンデンサＣ４の容量は主電源スイ
ッチ投入時に振動的にならない範囲の容量で十分であ
り、抵抗器Ｒ４はそのコンデンサＣ４の作用が維持でき
る範囲で大きいほうがコンデンサＣ４に流れるリプル電
流が抑制できて、必要最小限の容量に抑えることができ
る。

【００２７】ここで、具体的な例として２０ｋＶＡ程度
の容量の電源装置について、各定数を実験により求め
た。

【００２８】実験において、スイッチング素子の近くに
配置する周波数特性の良いコンデンサＣ３の容量は、電
源装置の運転時に出力電流に略比例したインバータ回路
への高周波リプル電流の大きさに依存するが、本実施例
では６０μＦに選定した。

【００２９】また、一次側電源設備のインダクタンスＬ
１と抵抗分Ｒ１は一次側電源設備のかなり悪い条件とし
てＬ１＝１ｍＨ，Ｒ１＝０．０１Ωと想定して、模擬的
に電源装置の入力側にＬ１＝１ｍＨ，Ｒ１＝０．０１Ω
のインダクタを接続し、コンデンサＣ４および抵抗器Ｒ
４の定数を色々変えて、主電源スイッチ投入時のコンデ
ンサＣ３の充電電圧を測定した結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】この結果から、前述のように一次側電源設
備のインピーダンスを想定したときはコンデンサＣ４の
容量の下限値として１５００μＦ程度、抵抗器Ｒ４の上
限値として３Ω程度であることがわかる。

【００３２】図５（ｃ）は図４の実施例の平滑回路まわ
りを抜き出したものである。同図において運転時にはコ
ンデンサＣ１ａおよびコンデンサＣ２ａにそれぞれ充放
電電流が流れるので、点線内部で構成する閉ループはＬ
ＣＲ共振回路を構成するので抵抗器Ｒａはそのダンピン
グ抵抗器の働きを持つことになる。したがって抵抗器Ｒ
ａは式（２）の関係式を満足する必要がある。

【００３３】

【数２】 但し、

【数３】

【００３４】ここで、前記閉ループの配線のインダクタ
ンス分をＬ＝０．１μＨとすれば、式（２）により抵抗
器Ｒａの抵抗値を計算すると

【数４】 となり抵抗器Ｒａの抵抗値は０．１Ωよりも大きな値が
必要になる。

【００３５】 従って、抵抗器Ｒａの適正値として Ｒａ ＝０．１Ω〜３Ω コンデンサＣ１ａの適正値として Ｃ１ａ＝１５００μＦ程度 であることがいえる。

【００３６】本考案を実施した２０ｋＶＡ程度のアーク
加工用電源装置についてその効果をまとめると、コンデ
ンサＣ２ａ＝６０μＦ、抵抗器Ｒａ＝１．０Ωを用いる
ことにより

【００３７】従来の技術１との比較では 平滑コンデンサの容量 １００００μＦ が １５００μＦ に 力率 ０．８ が ０．９ に 突入電流ピーク値 １０００Ａ が ３００Ａ に

【００３８】それぞれ改善された。また、主電源スイッ
チ投入時の平滑コンデンサの充電電圧は、一次電源設備
がＬ＝１ｍＨ、Ｒ＝０．０１Ωの場合においても従来技
術１で２８０Ｖであったものが本考案でも２８０Ｖであ
り、過充電されることはなかった。

【００３９】なお、コンデンサＣ１ａ，Ｃ２ａおよび抵
抗器Ｒａの定数は、一次電源設備のインダクタンスと抵
抗値、適用する装置の容量などによって変わるものであ
ることは言うまでもない。

【００４０】さらに、本考案は、図４の実施例に限定さ
れるものではなく、インバータ回路としてハーフブリッ
ジ方式のもの、フオワードコンバータ方式のものでもよ
く、また出力回路として整流回路７の次にスイッチング
素子を用いた極性切替回路を設けて交流出力、直流出力
ともに可能としたものなどに適用できる。

【００４１】

【考案の効果】本考案の装置は、平滑回路を電解コンデ
ンサと抵抗器とからなる直列回路と、前記直列回路に並
列に接続された前記電解コンデンサよりも小容量のフィ
ルムコンデンサとにより構成することによって、インバ
ータ回路のスイッチング動作時に発生する高周波のサー
ジ電圧を吸収するとともに、商用周波の整流出力を平滑
し商用電源ラインから混入する低周波のサージ電圧も吸
収する安価な平滑回路が実現できる。

【００４２】また、平滑回路全体のコンデンサ容量を小
さくできるので入力電流のピーク値が低くなり、入力電
流の実効値も小さくなって電源装置の力率が改善でき
る。さらに主電源スイッチ投入時の突入電流も小さくな
るのでスイッチの溶着、ヒューズの溶断を防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術１の構成を示す接続図である。

【図２】従来技術２の構成を示す接続図である。

【図３】平滑回路４における入力電圧と電流の各波形を
示す図である。

【図４】本考案の実施例をを示す接続図である。

【図５】（ａ）は、従来技術１における平滑回路部分の
等価回路を示す図であり、（ｂ） は、図４の実施例における平滑回路部分の等価回
路を示す図であり、（ｃ） は、図４の実施例における平滑回路部分を詳細に
した等価回路を示す図である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃ 入力端子 ２ 電源スイッチ ３ 整流回路 ４ 平滑回路 ５ インバータ回路 ６ 変圧器 ７ 整流回路 ９ 直流リアクトル １０ アーク負荷 １１ 出力電流検出器 １２ 出力電流設定器 １３ 誤差増幅器 １４ インバータ制御回路 Ｒａ 抵杭器 Ｃ１ａ 電解コンデンサ Ｃ２ａ フイルムコンデンサ Ｌ１ 電源側のインダクタンス Ｒ１ 電源側の抵抗値

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用交流電源を入力とし、整流して直流
   に変換し、得られた直流出力を平滑回路によって平滑し
   た後にインバータ回路によって高周波交流に変換した後
   にさらにアーク加工に適した特性の出力に変換する方式
   のアーク加工用電源装置において、前記平滑回路を電解
   コンデンサと抵抗器とからなる直列回路と前記直列回路
   に並列に接続された前記電解コンデンサよりも小容量の
   フィルムコンデンサとから構成したアーク加工用電源装
   置。