JP5132989B2 - アーク発生負荷用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、アークを発生する負荷、例えばキセノンランプやアーク溶接機やアーク切断機用の電源装置に関する。

上述したようなアーク発生負荷用の電源装置としては、例えば特許文献１、２に開示されているようなものがある。

特許文献１に開示されている電源装置は、放電灯点灯用のもので、入力電源電圧を直流電圧に変換する電力変換回路を有し、放電灯を駆動するバックコンバータに電力変換回路の出力電圧が供給される。放電灯の両端電圧の検出出力に基づいて、電力変換回路の出力電圧を放電灯点灯中のランプ電圧の１．５倍から２．５倍の値に設定する。また、電力変換回路の出力電圧の不足を補うための補助電源が設けられている。このように構成することにより、放電灯の始動に必要な電圧を確保し、放電灯点灯中の回路効率を改善している。

特許文献２に開示されている電源装置も、負荷として投射用のランプを使用するもので、商用交流電源を整流回路で整流した後、力率改善回路を介してスイッチングレギュレータの一部をなす変圧器の一次側巻線に供給し、このスイッチングレギュレータを介して投射用のランプに電圧を供給している。

特開２００１−３５６８２号公報 特開２００６−３３７５１２号公報

特許文献１に開示された電源装置では、放電灯点灯に用いる電源の一部を利用して、放電灯の始動電圧を得ているので、入力電圧が変動すると、始動用の電圧も変動してしまい、電圧制御が困難であった。また、始動時の電圧をランプ電圧の１．５倍から２．５倍としているが、例えばキセノンランプのように、ランプ電圧は数十ボルトであるが、始動電圧としてはその５乃至１０倍程度の電圧を必要とするランプの場合、ランプ点灯用の電源をそのまま利用することはできなかった。アークを維持するために高い電圧を発生可能な電源を用いた場合、使用時に用いる電圧はそれほど高くないため、電流ロスが発生するなど、効率が悪くなってしまう。特許文献１のように補助電源により高圧を生成することも考えられるが、補助電源の逆流を防止するために高耐圧で大型のダイオードが必要になるなどして、コストの上昇や装置の大型化が避けられなかった。また、特許文献１に開示されたような構成の補助電源でランプ放電を開始させた場合、始動時に負荷に急激に電流が流れて電圧低下を引き起こし、ランプ点灯が不安定になり、ランプの寿命を低下させるおそれがあった。

特許文献２の電源装置では、始動用のパルストランス等を設けずに、定常点灯時にも始動時にも同じ変圧器を使用しているので、変圧器を含むスイッチングレギュレータの各部品は大電力用のものを使用しなければならず、電源装置が高価で大型になる。

本発明は、安価で小型なアーク発生負荷用の電源装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様による電源装置は、交流電源を整流する入力側整流手段を有している。
この入力側整流手段の整流出力を高周波化手段が高周波信号に変換する。高周波化手段としては、例えばインバータやチョッパを使用することができる。この高周波化手段からの高周波信号が変圧器の一次側に入力され、二次側に変圧高周波信号が出力される。この変圧器の二次側からの前記変圧高周波信号を出力側整流手段が整流して、アーク発生負荷に供給する。アーク発生負荷としては、例えばキセノンランプや、アーク溶接機や、アーク切断機等がある。この出力側整流手段と前記アーク発生負荷との間に直列に始動手段の始動用変圧器の二次側巻線が接続され、前記始動用変圧器の一次側にパルス発生手段が短期的にパルスを供給する。少なくとも前記高周波化手段及び前記始動手段を制御手段が制御する。この制御手段を駆動するための制御手段駆動用補助電源が設けられている。制御手段駆動用補助電源は、二次巻線を有する補助電源用変圧器を備え、前記二次巻線に誘起された交流を制御手段用補助電源の整流平滑手段によって整流平滑して前記制御手段に供給する。この補助電源用変圧器にアーク持続用二次巻線を新たに設け、前記アーク持続用二次巻線に誘起された交流をアーク持続用整流平滑手段によって整流平滑して、前記出力側整流手段と前記始動用変圧器の二次側巻線との接続点に、前記制御手段が前記始動手段を動作させた時に、アーク持続用始動電流を供給する。

この電源装置によれば、始動時には、パルス発生手段が発生したパルスが始動用変圧器によって変圧されて二次側巻線に発生し、これがアーク発生用負荷の両端に印加されて、アークが発生する。同時に、補助電源からの持続用始動電流が二次側巻線と出力側整流手段の接続点から、二次側巻線を介してアーク発生用負荷に供給されて、アークが持続する。アークが持続した後には、入力側整流手段によって整流された整流出力が、高周波化手段によって高周波信号に変換され、この高周波信号が変圧器によって変圧され、かつ出力側整流手段によって整流されて、アーク発生用負荷に供給される。

この構成では、アークを持続させるための電流は、制御手段を駆動するための補助電源を利用することによって供給され、高周波化手段、変圧器及び二次側整流手段は、アークが持続した後の定常状態で使用される。従って、専用の補助電源を設けることなくアーク持続用の電流が得られ、高い始動電圧を要するにも拘わらず、電源装置に使用される部品は、定常状態において損傷することが無い程度の耐圧のもを使用すればよく、電源装置を小型にかつ安価とすることができる。

補助電源は、前記入力側整流手段の整流出力が一次側に供給される絶縁変圧器と、この絶縁変圧器の二次側出力を変換して、補助電源用変圧器に供給するものや、絶縁変圧器を設けずに、前記入力側整流手段の整流出力を変換して、補助電源用変圧器に供給するものとすることができる。

或いは、前記補助電源は、前記交流電源が一次側に供給される絶縁変圧器と、この絶縁変圧器の二次側出力を補助電源用変圧器に供給するものや、絶縁変圧器を設けずに、前記入力側整流手段の整流出力を補助電源用変圧器に供給するものとすることができる。

いずれの場合でも、補助用電源変圧器に整流手段と平滑手段とを設けたり、補助用電源を用いてスイッチングレギュレータを構成することができる。スイッチングレギュレータを使用する場合、持続用始動電流を予め定めた一定電流とできるように定電流制御することもできる。

以上のように、本発明によれば、制御手段を駆動させるための補助電源を利用することによってアークを持続させるための電流を発生させているので、小型でかつ安価に電源装置を製造できる。

本発明の第１の実施形態の電源装置は、図１に示すように、負荷であるキセノンランプ２を点灯させるように直流電源を供給するものである。この電源装置は、電源入力端子４を有し、これに交流電源、例えば電圧が２００乃至２４０Ｖの商用交流電源が供給されている。商用交流電源には、単相商用交流電源及び三相商用交流電源のいずれかが使用される。商用交流電源からの交流電圧が、入力側整流手段、例えば整流回路６によって整流される。整流回路６としては、全波整流回路及び半波整流回路のいずれかが使用される。この整流回路６の整流出力は、力率改善回路（ＰＦＣ回路）８に供給される。力率改善回路８は、交流電源側から見た力率が改善されるようにＰＦＣ制御回路１０によって制御される。この制御のために、ＰＦＣ制御回路１０には、力率改善回路８の電圧や、電流の検出信号が供給されている。力率改善回路８及びＰＦＣ制御回路１０の構成は、公知であるので、詳細な説明は省略する。

力率改善回路８の出力は、高周波化手段、例えばインバータ１２に供給される。インバータ１２は、制御手段、例えばメイン制御回路１４によって制御され、力率改善回路８の出力信号を高周波信号に変換する。インバータ１２は、複数の半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴを有するもので、これらがメイン制御回路１４によって制御される。インバータ１２には、公知の種々のものを使用することができる。

インバータ１２の出力である高周波信号は、変圧器、例えば絶縁変圧器１６の一次側巻線１６ｐに供給される。絶縁変圧器１６は二次側巻線１６ｓを有し、一次側巻線１６ｐに対する二次側巻線１６ｓの比は、二次側巻線１６ｓに誘起される電圧が、一次側巻線１６ｐに供給される電圧よりも低く変圧されるように、選択されている。絶縁変圧器１６の二次側巻線１６ｓに誘起された変圧高周波信号は、出力側整流手段、例えば整流回路１８によって整流される。この整流回路１８の出力がキセノンランプ２の一方の電極に供給される。他方の電極は基準電位に接続され、図示していないが、キセノンランプ２を流れた電流は二次側巻線１６ｓ側に帰還する。整流回路１８の出力電圧は、概ね１０乃至２０Ｖである。

キセノンランプ２で既にアークが発生していて、点灯している定常状態では、制御手段、例えばメイン制御回路１４にインバータ１２への入力電圧及びキセノンランプ２への入力電流の検出値が供給され、これらを基にメイン制御回路１４がインバータ１２を制御して、状況に応じてキセノンランプ２への負荷電流が一定となる定電流制御または負荷電力が一定となる定電力制御が行われる。メイン制御回路１４は、後述する補助電源によって駆動される。補助電源２６は、ＰＦＣ制御回路１０などの他の制御手段の電源としても用いられている。

整流回路１８の出力信号をキセノンランプ２に単に供給しただけでは、キセノンランプ２は点灯しない。まずキセノンランプ２にアークを発生させる必要がある。そのために、整流回路１８の出力側とキセノンランプの一方の電極との間に始動手段、例えばイグナイタ２０が設けられている。

イグナイタ２０は、始動用変圧器、例えばパルス変圧器２２を有している。パルス変圧器２２の二次側巻線２２ｓが整流回路１８の出力側とキセノンランプの一方の電極との間に直列に接続されている。パルス変圧器２２の一次側巻線２２ｐには、パルス発生手段、例えば始動回路２４が接続されている。始動回路２４は、メイン制御回路１４からの指示に従って、予め定めた始動期間中にパルス電圧を発生するものである。一次側巻線２２ｐに対する二次側巻線２２ｓの巻線比は、大きく設定されているので、一次側巻線２２ｐに始動回路２４から供給されたパルス電圧に基づいて二次側巻線２２ｓには大きく昇圧されたパルス電圧が誘起される。これがキセノンランプ２に印加され、キセノンランプ２でアークが発生し、アーク電流が流れる。

本発明では、このアーク電流を持続的に流すために、例えばメイン制御回路１４等の各種制御回路を駆動するための補助電源２６を利用している。補助電源２６は、変圧器３０を有している。その一次側巻線３０ｐには、整流回路６の整流出力電圧を絶縁変圧器２８によって降圧させた電圧が、供給されている。一次側巻線３０ｐには直列に開閉スイッチ２９が接続されている。開閉スイッチ２９は、例えばＩＧＢＴのような半導体スイッチング素子によって構成され、メイン制御回路１４によって制御が行われる。例えば、始動回路２４がパルス電圧を発生したときにはメイン制御回路１４からの指示によって開閉スイッチ２９は既に閉じられている。変圧器３０は、２つの二次側巻線３０ｓａ、３０ｓｂを有している。これら二次側巻線３０ｓａ、３０ｓｂに誘起された電圧は、整流手段、例えばダイオード３２ａ、３２ｂによって整流され、平滑手段、例えばコンデンサ３４ａ、３４ｂによって平滑される。このコンデンサ３４ａの平滑電圧が、整流回路１８と変圧器２２の二次巻線２２ｓの一方の端子との接続点に供給され、この平滑電圧によってアークを持続させる電流がキセノンランプ２に供給される。この平滑電圧は、例えば約１５０Ｖである。このように持続してアーク電流が流れることで、キセノンランプ２が点灯する。点灯後は、上述したように整流回路１８から電流がキセノンランプ２に供給され、点灯を継続する。

コンデンサ３４ｂに生じた電圧は、メイン制御回路１４への動作電圧として供給される。このように定電圧を得るための電源に、アーク持続用二次巻線３０ｓａを追加することにより、安定した動作電圧を得ることができる。

このようにキセノンランプ２においてアークが発生した後、それを持続させるための電流は、補助電源２６によって負担されるので、インバータ１２の負担が少なくなる。補助電源２６を設けていなければ、アークを持続するための電流は、インバータ１２が単独で負担しなければならず、大電力用の半導体スイッチング素子によってインバータ１２を構成しなければならない。しかも、定常状態になると、キセノンランプ２の点灯を維持するためには大きな電力をインバータ１２が負担する必要がないので、発生したばかりのアークを持続させるためにだけ大型のインバータ１２が必要である。しかし、上述したように制御回路を駆動するための補助電源２６の変圧器３０を利用することによって、インバータ１２は、簡単な構成で定常状態で必要な電力を負担する低電力のものとすることができる。従って、この電源装置を低コストでかつ小型に構成することができる。また、イグナイタ２０によってキセノンランプ２でアークを発生させたとき、補助電源２６は既にアーク電流を供給可能な状態にあるので、直ちに補助電源２６からキセノンランプ２にアークを維持するための電流が供給される。従って、キセノンランプ２が点灯するまでの時間を短くすることができる。また、補助電源２６の出力はＰＦＣ制御されるため、一定の電圧を得ることができ、ランプ放電開始を安定して行うことができる。

第２の実施形態の電源装置を図２に示す。この電源装置では、絶縁変圧器２８を介さずに整流回路６の整流出力が直接に補助電源２６に供給されている以外、第１の実施形態の電源装置と同様に構成されている。但し、変圧器３０は、その巻線比を第１の実施形態の変圧器と異なったものとしている。同等部分には同一符号を付して、その説明を省略する。この構成では、絶縁変圧器２８を使用していないので、構成を更に簡略化することができる。

第３の実施形態の電源装置を図３に示す。この電源装置では、整流回路６の整流出力ではなく、電源入力端子４に供給されている商用交流電圧を、補助電源専用の整流回路６ａによって整流し、その整流出力を絶縁変圧器２８によって変圧するように構成している以外、第１の実施形態の電源装置と同様に構成されている。同等部分には同一符号を付して、その説明を省略する。この構成では、整流回路６に流れる電流を減らすことができ、整流回路６に小型のものを使用することができ、電源装置を小型化することができる。

第４の実施形態の電源装置を図４に示す。この電源装置では、整流回路６ａの整流出力を直接に補助電源２６の変圧器３０に供給している以外、第３の実施形態と同様に構成されている。同等部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。このように構成すると、絶縁変圧器２８が不要となるので、更に電源装置を小型化することができる。

上記の各実施形態では、キセノンランプ２に対する電源装置に本発明を実施したが、これに限ったものではなく、アークを発生する負荷、例えばアーク溶接機やアーク切断機等の電源装置として使用することも可能である。

上記の実施形態では、力率改善回路８を使用したが、これに代えて通常の平滑手段、例えば平滑用コンデンサを使用することもできる。また、高周波化手段としてインバータ１２を使用したが、これに限ったものではなく、例えばチョッパ等も使用することができる。

上記の各実施形態では、開閉スイッチ２９は、メイン制御回路１４から指示が与えられた後、閉じられたままとしたが、メイン制御回路１４からの指示によって、所定のスイッチング周波数で開閉を繰り返すことによって、変圧器３０、ダイオード３２ａ、コンデンサ３４ａと共にスイッチングレギュレータとして動作させることもできる。

本発明の第１の実施形態の電源装置のブロック図である。 本発明の第２の実施形態の電源装置のブロック図である。 本発明の第３の実施形態の電源装置のブロック図である。 本発明の第４の実施形態の電源装置のブロック図である。

符号の説明

６ 整流回路（入力側整流回路）
１２ インバータ（高周波化手段）
１６ 絶縁変圧器（変圧器）
１８ 整流回路（出力側整流手段）
２０ イグナイタ（始動手段）
２６ 補助電源

Claims (5)

1. 交流電源を整流する入力側整流手段と、
   この入力側整流手段の整流出力を高周波信号に変換する高周波化手段と、
   この高周波化手段からの高周波信号を一次側に入力し、二次側に変圧高周波信号を出力する変圧器と、
   この変圧器の二次側からの前記変圧高周波信号を整流して、アーク発生負荷に供給する出力側整流手段と、
   この出力側整流手段と前記アーク発生負荷との間に直列に始動用変圧器の二次側巻線が接続され、前記始動用変圧器の一次側にパルス発生手段が短期的にパルスを供給する始動手段と、
   少なくとも前記高周波化手段及び前記始動手段を制御する制御手段と、
   二次巻線を有する補助電源用変圧器を備え、前記二次巻線に誘起された交流を制御手段用補助電源の整流平滑手段によって整流平滑して前記制御手段に供給する、制御手段駆動用補助電源とを、
   具備し、前記制御手段駆動用補助電源は、前記補助電源用変圧器にアーク持続用二次巻線を新たに設け、前記アーク持続用二次巻線に誘起された交流をアーク持続用整流平滑手段によって整流平滑して、前記出力側整流手段と前記始動用変圧器の二次側巻線との接続点に、前記制御手段が前記始動手段を動作させた時に、アーク持続用始動電流を供給する
   アーク発生負荷用電源装置。
2. 請求項１記載のアーク発生負荷用電源装置において、前記補助電源は、前記入力側整流手段の整流出力が一次側に供給される絶縁変圧器と、この絶縁変圧器の二次側出力を前記補助電源用変圧器に供給するアーク発生負荷用電源装置。
3. 請求項１記載のアーク発生負荷用電源装置において、前記補助電源は、前記入力側整流手段の整流出力が、前記補助電源用変圧器に供給されるアーク発生負荷用電源装置。
4. 請求項１記載のアーク発生負荷用電源装置において、前記補助電源は、前記交流電源が一次側に供給される絶縁変圧器と、この絶縁変圧器の二次側出力を前記補助電源用変圧器に供給するアーク発生負荷用電源装置。
5. 請求項１記載のアーク発生負荷用電源装置において、前記補助電源は、前記入力側整流手段の整流出力を変換して、前記補助電源用変圧器に供給するアーク発生負荷用電源装置。

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