(57)【要約】【課題】    溶接出力電流の脈動を回避し、良好な溶接を行う。【解決手段】  エンジンによって駆動される溶接用発電機２と、前記溶接用発電機の交流出力を直流出力に整流し、溶接出力電流を制御する制御回路３とを備えたエンジン駆動アーク溶接機であって、前記エンジンの回転速度又は前記溶接用発電機の周波数を検知する周波数検知手段３０を備え、前記周波数検知手段が検知した値が設定値未満である場合に、前記設定値を目標に前記溶接出力電流を抑制して前記エンジンの一定回転速度制御を行う。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンによって駆動される溶接用発電機と、前記溶接用発電機の交流出力を直流出力に整流し、溶接出力電流を制御する制御回路とを備えたエンジン駆動アーク溶接機であって、
前記エンジンの回転速度又は前記溶接用発電機の周波数を検知する周波数検知手段を備え、
前記周波数検知手段が検知した値が設定値未満である場合に、前記設定値を目標に前記溶接出力電流を抑制して前記エンジンの一定回転速度制御を行うことを特徴とするエンジン駆動アーク溶接機。
【請求項２】
前記溶接出力電流が基準値以上である場合にのみ、前記一定回転速度制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のエンジン駆動アーク溶接機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン駆動アーク溶接機に関する。
【背景技術】
【０００２】
主として野外で使用されるＴＩＧや被覆アーク溶接棒用のアーク溶接機は、設置場所を選ばないようにエンジン駆動の発電機が使用され、小型軽量化が要求されている。そこで、発電機の交流出力を直流出力に変換するサイリスタ回路を備え、位相角を制御することにより小型化したエンジン駆動の溶接機が開示されている（特許文献１）。
ところで、ＴＩＧや被覆アーク溶接棒の溶接時のアークは通常溶接中にアーク長が変化することで、アーク電圧が変動したり、ケーブルを長くした場合には、ケーブルによる電圧降下が加わり負荷状態が増加したりすることがある。そのため、装置の小型化要請のためエンジンの出力を溶接時の定格負荷に合わせて設計された場合には、アーク電圧の変動による負荷状態の上昇に伴って、エンジンが過負荷状態になり、回転速度が大きく減速したり停止したりすることがある。
そこで、発電機の負荷が増大し、エンジンの最大出力を超えるとエンジン回転数（回転速度）が低下する特性を利用して、エンジン回転速度又は溶接用発電機の周波数を検知して、予め設定した基準周波数との差異により溶接出力増加を抑制して過負荷状態を回避する技術が開示されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平３−１２８１７３号公報（第１図）
【特許文献２】特開平７−８０６４２号公報（請求項１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献２の技術は、予め設定した基準周波数との差異により溶接出力増加を抑制してエンジン回転速度の過度な低下を回避するものである。そのため、溶接負荷が増加した場合に出力抑制を行うと、エンジン回転速度が上昇して出力抑制が停止する。これにより、再び溶接負荷が増加するため、出力抑制が繰り返される。その結果、溶接出力が上下脈動して良好な溶接を行えなくなることがあった。
そこで、本発明は、溶接出力電流の脈動を回避し、良好な溶接を行うことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明のエンジン駆動アーク溶接機は、エンジンによって駆動される溶接用発電機と、前記溶接用発電機の交流出力を直流出力に整流し、溶接出力電流を制御する制御回路とを備えたエンジン駆動アーク溶接機であって、前記エンジンの回転速度又は前記溶接用発電機の周波数を検知する周波数検知手段を備え、前記周波数検知手段が検知した値が設定値未満である場合に、前記設定値を目標に前記溶接出力電流を抑制して前記エンジンの一定回転速度制御を行うことを特徴とする。
上記の構成によれば、エンジンによって駆動される溶接用発電機の交流出力を直流出力に整流し、制御された溶接出力電流が供給される。そして、エンジンの回転速度又は溶接用発電機の周波数が設定値未満であれば、設定値を目標に一定回転速度制御が行われ、溶接出力電流が抑制される。エンジンの出力は回転速度の減少ともに増加するが、過負荷状態になるとエンジン出力が低下し、最大出力回転速度を境に、回転速度が徐々に低下する特性を有している。すなわち、溶接出力電流の抑制により、エンジンが大きく減速したり停止したりすることが回避される。そして、その設定値を目標に一定回転速度制御を行えば、エンジン回転速度の変化が低減され、溶接出力電流が上下して脈動することなく良好な溶接を行うことができる。特に、エンジンの最大出力付近で溶接を行う場合には、回転速度の増加減少に伴う出力変動が少ない。
さらに上記のエンジン駆動アーク溶接機において、溶接出力電流が基準値以上である場合にのみ、一定回転速度制御を行うことが好ましい。このようにすれば、溶接時でない無負荷運転時にエンジン回転速度の低下を行うスローダウン運転を行っても回転速度抑制制御が行われない。これにより、溶接開始時にも十分な溶接短絡電流を得ることができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、エンジン回転速度の変化を低減することができるので、溶接出力電流の脈動が回避される。さらに、溶接出力電流が基準値以上である場合にのみ、前記一定回転速度制御を行う構成によれば、スローダウン運転中の溶接開始時にも十分な溶接短絡電流を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の一実施形態としてのエンジン駆動アーク溶接機の構成について図１を参照して説明する。
本実施形態のエンジン駆動アーク溶接機１００は、エンジン１により駆動される溶接用発電機２と、溶接用発電機２の交流出力を直流に整流し、溶接出力電流を位相制御する制御回路であるサイリスタ回路３と、マイコン２０と、ゼロクロス検出部３０と、サイリスタゲート駆動部４０と、溶接電流調整器５０とを主要部とし、リアクタ５、電流検出部９及び転流ダイオード４を備えている。
【０００７】
ここで、エンジン１は、図２（ａ）のエンジン出力−エンジン回転速度特性に示すように、無負荷回転速度ａよりエンジン１の負荷（出力）の増大に伴ってエンジン回転速度は低下していき、定格出力回転速度ｂを通り、最大出力回転速度ｃに到る。さらに、負荷を増大させて過負荷状態にすると、最大出力回転速度ｃからエンジン回転速度は低下するとともにエンジン出力も低下する特性を有している。また、最大出力回転速度ｃの近傍である最大出力領域では、出力が増加減少する境界領域であるので、回転速度の変動に対して出力の変動が少ない。
【０００８】
溶接用発電機２は、エンジン１により駆動される交流発電機であり、図２（ｂ）のような電圧−電流特性を有する界磁磁束一定の垂下特性を有する。また、図２（ｂ‘）のような界磁磁束を出力状態により補償した定電圧特性を有する交流発電機を採用することもできる。なお、図２（ｂ）（ｂ’）において、縦軸は出力電圧ｅであり、横軸は出力電流ｉである。
【０００９】
この交流発電機の交流出力を直流に整流し、溶接出力電流を制御してＴＩＧや被覆アーク溶接に適した垂下特性あるいは定電流特性にして出力している。図２（ｃ）は、このうち垂下特性を持った電源特性の交流発電機の出力を定電流特性に制御した場合の溶接出力電源特性を示す。図中Min，Maxは溶接出力電流を最小、最大に設定したときの値であり、図中の実線ｂは交流発電機の出力を直流に整流するのみであり、電流を制御しないときの出力特性である。また、図２（ｃ）の破線ｃはエンジン１の最大出力を一定にしたときの電圧−電流特性であり、定電力特性を示す。
【００１０】
サイリスタ回路３は、３個のサイリスタ３ａ，３ｂ，３ｃ及び３個のダイオード３ｄ，３ｅ，３ｆから構成される混合ブリッジ回路であり、溶接用発電機２の交流出力を整流し、点弧時期を制御することによって直流出力を増減させる。
ここで、サイリスタ回路３の構成を具体的に記載する。溶接用発電機２のＵ相には、サイリスタ３ａのアノード端及びダイオード３ｄのカソード端が接続され、Ｖ相には、サイリスタ３ｂのアノード端と、ダイオード３ｅのカソード端とが接続され、Ｗ相には、サイリスタ３ｃのアノード端と、ダイオード３ｆのカソード端とが接続されている。そして、各サイリスタ３ａ，３ｂ，３ｃの各カソード端が＋側出力であり、各ダイオード３ｄ，３ｅ，３ｆの各アノード端が−側出力である。
【００１１】
サイリスタ回路３により直流出力に変換された＋側出力は転流ダイオード４のカソード端と接続され、リアクタ５を介して出力端子（＋）に接続されている。また、−側出力は転流ダイオード４のアノード端と接続され、電流検出部９を介して出力端子（−）に接続されている。
【００１２】
リアクタ５は、サイリスタ回路３の出力電流を平滑すると共に、溶接を安定に行うための機能を有する。マイコン２０は、各部の検出及び制御を行うためのものである。
【００１３】
ゼロクロス検出部３０は、溶接用発電機２の各線間電圧のゼロ電位を検出するものであり、サイリスタ３ａ，３ｂ，３ｃの点弧時期を制御するために用いられる。このゼロ電位の立ち下がり、又は立ち上がりタイミングの間隔をマイコン２０がカウントすることにより、溶接用発電機２の発電周波数を算出できる。
【００１４】
図３（ａ）に具体的回路図が示されており、溶接用発電機２の各相たとえばＵ相は、抵抗器１２を介してフォトカプラ１１内部のフォトダイオードのアノード端に接続され、カソード端は、溶接用発電機２の他の相たとえばＶ相に接続されている。また、フォトカプラ１１内部のフォトトランジスタのコレクタ端は抵抗器１３により電源電位（＋５Ｖ）にプルアップされ、マイコン２０によりそのコレクタ電位が監視されている。
【００１５】
これによって、図３（ｂ）に示されるように、溶接用発電機２のＵ相とＶ相との線間電圧が正電位であれば、コレクタ電位がLOWレベルになり、負電位であれば、コレクタ電位はHIGHレベルになる。このレベル変化によりゼロクロス点が検出され、マイコン２０は発電周波数を算出する。また、Ｖ相−Ｗ相とＷ相−Ｕ相とも同様の回路が構成されて、マイコン２０は各相のサイリスタを位相制御する。
【００１６】
サイリスタゲート駆動部４０は、サイリスタ３ａ，３ｂ，３ｃに必要なゲートトリガ電流を供給するものであり、マイコン２０によって駆動される。
【００１７】
溶接電流調整器５０は、溶接作業に適した電流に調整するための可変抵抗器であり、最大値Max、最小値Minの間に調整（設定）される。
【００１８】
電流検出部９は、負荷に流れる溶接出力電流をシャント抵抗器あるいは変流器を用いて検出し、マイコン２０に信号伝達するものである。また、溶接電流調整器５０で調整した調整値をマイコン２０が検出し、マイコン２０はその調整値に合わせて溶接出力電流を定電流制御する。
【００１９】
以上の構成要素により、本実施形態のエンジン駆動アーク溶接機１００が構成され、出力端子（＋）と出力端子（−）との間を使用して溶接作業が行われる。
【００２０】
次に、エンジン駆動アーク溶接機１００の動作について図１を参照して説明する。エンジン１により溶接用発電機２が駆動され、溶接用発電機２は、三相交流を出力する。その三相交流出力は、サイリスタ回路３によって、直流出力に変換される。また、エンジン定格負荷回転速度よりも若干低い回転速度に制御すれば、エンジン最大出力の近傍で制御することができる。
【００２１】
出力端子（＋）（−）間を使用して溶接作業が開始されると、電流検出部９で検出した電流が溶接電流調整器５０で調整した電流値になるように位相制御され、定電流の溶接作業が行われる。そして、エンジン回転速度が低下して所定の設定値以下の回転速度になる過負荷状態であると、エンジン回転速度を設定した一定回転速度になるように溶接出力電流を抑制する。また、基準値以上に溶接電流調整器５０が調整され、溶接出力電流が電流検出部９で検出されたときに、この電流抑制が行われる。
【００２２】
ここで、通常の溶接出力状態からエンジン１が過負荷状態になったときに、溶接出力電流を抑制する方法を図４のフローチャートを参照して説明する。
【００２３】
ステップＳＰ１０においては、溶接電流調整器５０の調整値が基準値以上であるか否かが判定される。基準値以上であれば「ＹＥＳ」と判定され、ステップＳＰ２０に進み、負荷に流れる溶接出力電流が検出されているか否かが判定される。ステップＳＰ２０において、溶接出力電流が検出されていなければ「ＮＯ」と判定される。ステップＳＰ１０，ＳＰ２０の何れかが「ＮＯ」と判定された場合、処理はステップＳＰ５０に進み、サイリスタの位相制御により溶接電流調整器５０で調整した目標電流となるように定電流制御され、元のルーチンに戻る。
【００２４】
一方、ステップＳＰ２０において、「ＹＥＳ」と判定されれば、ステップＳＰ３０に進み、ゼロクロス検出部３０の周波数が設定値未満であるか否かが判定される。ここで、溶接中に何らかの原因でアーク長が伸びたり、溶接ケーブルによる電圧降下が大きくなったりすると周波数が設定値未満となり、「ＹＥＳ」と判定され、処理はステップＳＰ４０に進む。ステップＳＰ４０においては、溶接電流調整器５０で調整した目標電流から一定量が減少される。この減少した目標電流値は、ステップＳＰ４０までの条件が継続される限り、さらに段階的に一定量の値の減少を続けることになる。そして、処理はステップＳＰ５０に進み、目標電流になるように溶接出力電流が抑制される。これにより、エンジンの負荷が抑制され、エンジン回転速度が設定値まで回復する。
【００２５】
一方、ステップＳＰ３０において、「ＮＯ」と判定されると、処理はステップＳＰ６０に進み、溶接電流調整器５０の調整値を最大値として、目標電流の値を一定量増加して目標電流とする。すなわち、ステップＳＰ４０において段階的に一定量減少させた値を再び増加させる。もし、「ＮＯ」の判定が継続された場合、溶接電流調整器５０が設定された調整値を最大に目標電流が段階的に増加される。また、ステップＳＰ４０を実行する前にステップＳＰ６０が実行された場合には、調整値に設定され増加が行われない。
【００２６】
しかし、実際の溶接機では、ステップＳＰ３０が「ＹＥＳ」「ＮＯ」の判定を繰り返すことにより設定された値で釣り合うように一定回転速度制御される。これにより、溶接出力電流が上下に脈動することなく良好な溶接ができる。なお、溶接出力電圧が、さらに上昇し負荷が増加した場合は、一定回転速度制御により定出力動作すなわち定電力動作が行われ、図２（ｃ）の破線ｃ上を溶接機の出力が移動することになる。
【００２７】
図２（ｄ）は、溶接電流調整器５０が最大値Maxに調整されて、溶接中に溶接電圧が変化したときの溶接出力特性を示したものである。図２（ｄ）のａ点を通る一点鎖線は溶接の抵抗線（溶接電圧をＥ、溶接出力電流をＩとすると、Ｅ＝２０＋０．０４Ｉの特性を有する線）を表す。図中ａ点で溶接中にアーク長が伸ばされ、溶接電圧が上昇しｂ点に達すると、エンジン回転速度が低下していき、出力電流の抑制が開始する。更にアーク長が伸び溶接電圧Ｅが上昇すると、一定回転速度制御（定電力制御）により溶接出力電流が更に減少し、ｃ点で釣り合うようになる。ただし、ミクロ的には、エンジン回転速度がわずかに上下し、溶接出力電流Ｉも僅かに上下した制御を繰り返すが溶接ビードに影響を与えるほどの電流変化もなく脈動も感じられない。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態によれば、溶接出力電流が基準値以上で溶接中にエンジンの回転速度が最大出力付近まで低下した場合、溶接出力電流を抑制し、一定回転速度制御が行われる。これにより、エンジン回転速度が大きく減速したり、停止したりすることが回避される。また、溶接出力電流が上下に脈動することなく良好な溶接を行うことができる。
【００２９】
また、最大出力回転数に制御することにより、エンジン及び発電機の出力を最大限に利用することができる。また、エンジン出力が低下する気象条件や長年のエンジン使用による出力低下が多少あってもそのときのエンジン最大出力が有効に使え、エンジンが大きく減速したり停止したりすることもない。
【００３０】
さらに、溶接出力電流が基準値以上である場合に一定回転速度制御を行う構成によれば、溶接時でない無負荷運転中に回転速度を低下させるスローダウン時の場合は溶接出力電流が抑制されないので、スタート時には十分な短絡電流が得られる。また、スローダウンからのアークスタートをスムーズに行うことができ、さらに、一定回転速度制御が動作しない溶接出力電流域では不要な抑制を行わないので、エンジンが不調であるか否かを判別することができる。
【００３１】
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、たとえば、以下のように種々の変形が可能である。
上記実施形態は、垂下の電源特性を有する交流発電機を用いたが、垂下特性を有しない定電圧特性の交流発電機を用いて、サイリスタ位相制御により定電流制御することもできる。上記実施形態は、溶接出力電流を定電流特性とするために、電流検出部９を設けた。しかし、溶接電圧が検出できれば溶接中であることが判定でき、溶接電流調整器５０に応じて一定に位相制御角を調整することで垂下特性とすることも可能であって、その場合には電流検出部９は不要となる。その場合、溶接出力電流が基準値以上の場合のみ抑制制御を行うステップＳＰ１０の機能は、溶接電流調整器５０の値が基準値以上に設定されたときに、溶接状態である電圧値が検出され、エンジンが設定回転速度に下がったことが検出されれば任意に固定された位相制御角を増減することで同様の制御が行える。当然、溶接出力電流と溶接電圧の双方を検出して制御する回路にも応用することができる。
【００３２】
さらに、上記実施形態は、サイリスタを備えた位相制御回路を用いたが、ＩＧＢＴなどの自己消弧型の素子を用いたチョッパ制御回路やインバータ制御回路で構成することもでき、エンジン回転速度又は発電機周波数を検知する回路を設けることで目標の効果が得られる。上記実施形態は、溶接用発電機の三相出力の各相を混合ブリッジ回路で整流、スイッチングして、三相全波整流波形を得たが、６個のサイリスタを用いて純ブリッジ回路を構成してもよい。なお、上記実施形態では、溶接電流調整器５０で調整する調整値が基準値以上の場合を条件としたが、溶接電流検出部９が基準値以上を検出した場合を条件とすることも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態であるエンジン駆動アーク溶接機の構成図である。
【図２】エンジン回転速度とエンジン出力の関係を示す図（ａ）、通常時における発電機の電圧電流特性を示す図（ｂ）（ｂ‘）、溶接出力電圧電流特性（ｃ）、溶接電流値がMaxに設定され溶接を行った場合に、溶接電圧が変化したときの溶接出力特性（ｄ）である。
【図３】ゼロクロス検出部の回路図及びその動作を示す図である。
【図４】サイリスタ点弧タイミングを設定するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
１    エンジン
２    溶接用発電機
３    サイリスタ回路（制御回路）
３ａ，３ｂ，３ｃ  サイリスタ
３ｄ，３ｅ，３ｆ  ダイオード
４    転流ダイオード
５    リアクタ
９    電流検出部
２０  マイコン
３０  ゼロクロス検出部
４０  サイリスタゲート駆動部
５０  溶接電流調整器
１００  エンジン駆動アーク溶接機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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