(57)【要約】【課題】  被加工物の切断作業のとき、手ぶれによって切断トーチを形成するチップに大きな電圧が印加されてチップ等の部品が劣化する。【解決手段】  商用交流電源を整流及び平滑して直流電圧を出力する直流電源回路と、直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、高周波交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する主変圧器と、主変圧器の出力を整流する２次整流回路と、整流された出力電流を検出する出力電流検出回路と、出力電流値に基づいて前記インバータ回路を制御する主制御回路と、を備えたアーク加工用電源装置において、前記主制御回路は、出力電流値が予め定めた出力電流基準値以上のとき、最大負荷電圧を予め定めた値に降圧させた最大負荷電圧特性を形成する外部特性制御を行う、ことを特徴とするアーク加工用電源装置である。【選択図】  図１
2011240347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源を整流及び平滑して直流電圧を出力する直流電源回路と、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記高周波交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する主変圧器と、前記主変圧器の出力を整流する２次整流回路と、前記整流された出力電流を検出する出力電流検出回路と、前記出力電流値に基づいて前記インバータ回路を制御する主制御回路と、を備えたアーク加工用電源装置において、
前記主制御回路は、前記出力電流値が予め定めた出力電流基準値以上のとき、最大負荷電圧を予め定めた値に降圧させた最大負荷電圧特性を形成する外部特性制御を行う、ことを特徴とするアーク加工用電源装置。
【請求項２】
前記外部特性制御を、前記インバータ回路の最大ＯＮ・Ｄｕｔｙを減少させることによって行う、ことを特徴とする請求項１記載のアーク加工用電源装置。
【請求項３】
前記整流された出力電圧を検出する出力電圧検出回路を設け、前記外部特性制御を、前記出力電圧値が予め定めた出力電圧基準値以上のとき定電圧制御を行う、ことを特徴とする請求項１記載のアーク加工用電源装置。
【請求項４】
前記出力電圧基準値を、出力電流設定値に基づいて設定すること、を特徴とする請求項３記載のアーク加工用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク加工用電源装置の最大負荷電圧を切り換える技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アーク加工用電源装置（例えば、出力電流６００Ａ、無負荷電圧４００Ｖの特性を有する大電流プラズマ切断機）で、作業者が長時間切断作業を行うと疲労で手ぶれが生じる。とくに、ロングハンドル形プラズマ切断トーチを用いると手ぶれが生じやすく、この手ぶれによりアーク長が長くなると、負荷電圧が上昇し切断トーチを構成するチップ、電極等に高い電圧が印加されて劣化を招いてしまう。
【０００３】
図８は、従来技術のアーク加工用電源装置の電気接続図である。同図において、一次整流回路ＤＲ１と平滑コンデンサＣ１とで直流電源回路を形成し、一次整流回路ＤＲ１は、交流電源ＡＣを整流して整流電圧を生成し、平滑コンデンサＣ１は、脈流を有する整流電圧を平滑して直流電圧を生成する。
【０００４】
第１のスイッチング素子ＴＲ１乃至第４のスイッチング素子ＴＲ４でフル・ブリッジのインバータ回路を形成し、直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力する。主変圧器ＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク加工に適した電圧に変換し、二次整流回路ＤＲ２は、主変圧器ＩＮＴの出力を整流し、直流リアクトルＬを介して直流電力を供給する。
【０００５】
切換スイッチＳＷは、接点ａ、接点ｂの２接点を備えた切換スイッチであり、ａ接点を選択することにより最大負荷電圧を降圧させ、ｂ接点を選択することにより所定の最大負荷電圧になる。
【０００６】
被加工物Ｍを切断するとき、使用する切断トーチとしてロングハンドル形プラズマ切断トーチ、ショートハンドル形プラズマ切断トーチ等があり、例えば、ロングハンドル形プラズマ切断トーチを使用して長時間切断作業を行うと手ぶれが多々生じる。そして、この手ぶれによってアーク長が長くなると負荷電圧が上昇し、例えば、４００Ｖ近傍まで上昇することもある。この上昇によってチップの劣化を招いてしまう。
【０００７】
この対策として、ロングハンドル形プラズマ切断トーチ等を用いて切断作業を行うときは、切換スイッチＳＷを接点ａ側にして、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けたタップａが二次整流回路ＤＲ２に接続されると、最大負荷電圧が降圧されて所定の負荷電圧になり、手ぶれによってアーク長が長くなったときの負荷電圧の上昇を抑制することで、チップの劣化を防止していた。
【０００８】
特許文献１に記載されたアーク加工用電源装置では、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けた各タップにサイリスタ素子を接続し、トーチの種類に応じて各サイリスタを通電し、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けられた各タップを選択するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−５８００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
プラズマ切断において、プラズマアークのスタート性を良くするために図４に示すように無負荷電圧が、例えば、４００Ｖもの高い電圧を必要とする。このとき各出力電流値における最大負荷電圧も４００Ｖ〜３７０になる。これに対して各出力電流値における標準負荷電圧は８０Ｖ〜１８０Ｖと低く、図４に示すように、例えば、出力電流３００Ａのとき最大負荷電圧３９０Ｖと標準負荷電圧１５０Ｖとの差は約２４０Ｖにもなる。
この外部特性を有するプラズマ切断機で、例えば、ロングハンドル形プラズマ切断トーチを使用して被加工物を切断するとき、アーク長は通常３０ｍｍ程度にして切断する。しかし、作業者が長時間の切断作業を行うとき、アーク長を３０ｍｍ程度に維持することは困難であり手ぶれが生じる。この手ぶれによってアーク長が長くなると負荷電圧が上昇し切断トーチを形成するチップ、電極等に高い電圧が印加される。更に、負荷電圧の上昇に応じてチップ、電極等の発熱が増加し熱破損を招く。
【００１１】
そこで、従来技術では、高電圧の印加によるチップの劣化を防止するために、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線に設けたタップを選択する切換スイッチＳＷを設け、手ぶれが生じやすいロングハンドル形プラズマ切断トーチを用いて被加工物を切断するとき、主変圧器ＩＮＴの出力電圧の低いタップを切換スイッチで選択して最大負荷電圧を所定の負荷電圧に降圧させ、手ぶれによってアーク長が長くなったときに生じる負荷電圧の上昇を抑制していた。
【００１２】
しかし、従来技術では、使用する切断トーチの種類に応じて最大負荷電圧を降圧させることで、チップの劣化を防止できるが、最大負荷電圧が降圧することでアークのスタート性が悪くなる。さらに、主変圧器ＩＮＴの２次側巻線にタップを別途必要とし、このタップを選択する切換スイッチ及びサイリスタ素子を必要とする。
【００１３】
そこで、本発明では、アークのスタート性が良く、且つ、負荷電圧の上昇が主変圧器ＩＮＴの２次側巻線にタップ及び切換スイッチを設けなくても抑制できるアーク加工用電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、商用交流電源を整流及び平滑して直流電圧を出力する直流電源回路と、前記直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、前記高周波交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する主変圧器と、前記主変圧器の出力を整流する２次整流回路と、前記整流された出力電流を検出する出力電流検出回路と、前記出力電流値に基づいて前記インバータ回路を制御する主制御回路と、を備えたアーク加工用電源装置において、
前記主制御回路は、前記出力電流値が予め定めた出力電流基準値以上のとき、最大負荷電圧を予め定めた値に降圧させた最大負荷電圧特性を形成する外部特性制御を行う、ことを特徴とするアーク加工用電源装置である。
【００１５】
請求項２の発明は、前記外部特性制御を、前記インバータ回路の最大ＯＮ・Ｄｕｔｙを減少させることによって行う、ことを特徴とする請求項１記載のアーク加工用電源装置である。
【００１６】
請求項３の発明は、前記整流された出力電圧を検出する出力電圧検出回路を設け、前記外部特性制御を、前記出力電圧値が予め定めた出力電圧基準値以上のとき定電圧制御を行う、ことを特徴とする請求項１記載のアーク加工用電源装置である。
【００１７】
請求項４の発明は、前記出力電圧基準値を、出力電流設定値に基づいて設定すること、を特徴とする請求項３記載のアーク加工用電源装置である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の請求項１及び２によれば、出力電流値が出力電流基準値以上になると、インバータ回路の最大ＯＮ・Ｄｕｔｙを減少させて最大負荷電圧を所定の負荷電圧に降圧させることで、アーク長の増加に応じて生じる電極、チップ間の印加電圧の上昇が所定の値で抑制できるのでチップ、電極等の劣化が防止できると共に、アーク発生時の無負荷電圧は降圧しないのでアークのスタート性は悪くならない。そして、上記を行うために別途部品を設ける必要がないので回路構成が簡素化できる。
【００１９】
本発明の請求項３及び４によれば、上記の効果に加えて、出力電圧値が出力電流設定値に基づいて設定した出力電圧基準値より大きくなったとき、定電流制御から定電圧制御に切り換わるので、チップ、電極に供給される出力電力の増加が抑制でき、この出力電力の増加抑制によって発生する熱が最適な値に抑えられ、チップ、電極等が熱の破損から防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態１に係るアーク加工用電源装置の電気接続図である。
【図２】図１に示す主制御回路の詳細図である。
【図３】実施形態１の動作を説明するタイミング図である。
【図４】図１に示すアーク加工用電源装置の外部特性図である。
【図５】実施形態２に係るアーク加工用電源装置の電気接続図である。
【図６】図５に示す主制御回路の詳細図である。
【図７】図５に示すアーク加工用電源装置電源装置の外部特性図である。
【図８】従来技術のアーク加工用電源装置の電気接続図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、実施形態１のアーク加工用電源装置の電気接続図である。同図において、図８に示す従来技術のアーク加工用電源装置の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。
【００２２】
図２は、実施形態１の主制御回路ＳＣＡの詳細図であり、第１の比較回路ＣＰ１、第１のデッドタイム基準回路ＤＴ１、第２のデッドタイム基準回路ＤＴ２、パルス幅変調回路ＰＷＭ、三角波発生回路ＯＳＣ、電流誤差増幅回路ＥＩ、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２にて形成し、第１の比較回路ＣＰ１は、出力電流検出信号Ｉｄの値と予め定めた出力電流基準信号Ｉｒｅｆの値とを比較し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｒｅｆの値より大きいときに、第１の比較信号Ｃｐ１をＨｉｇｈレベルにして出力する。
【００２３】
第１のデッドタイム基準発生回路ＤＴ１は、予め定めた値の第１のデッドタイム基準信号Ｄｔ１を出力し、第２のデッドタイム基準発生回路ＤＴ２は、第１の比較信号Ｃｐ１がＨｉｇｈレベルのとき、第１のデッドタイム基準信号Ｄｔ１の値より大きい予め定めた第２のデッドタイム基準信号Ｄｔ２を出力する。
【００２４】
電流誤差増幅回路ＥＩは、出力電流設定信号Ｉｒの値と出力電流検出信号Ｉｄの値とを比較演算して電流誤差増幅信号Ｅｉとして出力する。
【００２５】
図２に示すパルス幅変調回路ＰＷＭは、パルス周波数が一定でパルス幅を変調する制御を行い、三角波信号Ｏｓｃと電流誤差増幅信号Ｅｉの値に応じて第１の出力制御信号Ｓｃ１及び第２の出力制御信号Ｓｃ２のパルス幅を制御して出力する。
【００２６】
図１に示すインバータ駆動回路ＤＫは、第１の出力制御信号Ｓｃ１に応じて第１のインバータ駆動信号Ｄｋ１及び第４のインバータ駆動信号Ｄｋ４を出力し、第２の出力制御信号Ｓｃ２に応じて第２のインバータ駆動信号Ｄｋ２及び第３のインバータ駆動信号Ｄｋ３を出力してインバータ回路の出力電流を制御する。
【００２７】
図３は、実施の形態１の動作を説明するタイミング図である。
図３において、同図（Ａ）は、起動信号Ｔｓを示し、同図（Ｂ）は出力電流検出信号Ｉｄを示し、同図（Ｃ）は、第１の比較信号Ｃｐ１を示し、同図（Ｄ）はデッドタイム基準信号Ｄｔを示し、同図（Ｅ）は三角波発生信号Ｏｓｃを示し、同図（Ｆ）は最大ＯＮ・Ｄｕｔｙ信号を示す。
【００２８】
次に、図３及び図４を参照して本発明の実施形態１の動作について説明する。
図３に示す時刻ｔ＝ｔ１において、起動信号ＴｓがＨｉｇｈレベルになると、主制御回路ＳＣＡのパルス幅変調回路ＰＷＭは動作を開始し、第１の比較回路ＣＰ１は、出力電流検出信号Ｉｄの値と出力電流基準信号Ｉｒｅｆの値（例えば、５０Ａ）とを比較し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｒｅｆの値より小さいので、図３（Ａ）に示す第１の比較信号Ｃｐ１はＬｏｗレベルになる。
【００２９】
図２に示す第２のデッドタイム基準発生回路ＤＴ２は、第１の比較信号Ｃｐ１がＬｏｗレベルのとき第２のデッドタイム基準信号Ｄｔ２の出力を停止し、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２にて形成されるオアー回路によって、第１のデッドタイム基準発生回路ＤＴ１から出力される第１のデッドタイム基準信号Ｄｔ１を選択してパルス幅変調回路ＰＷＭに入力し、パルス幅変調回路ＰＷＭは、図３（Ｆ）に示す最大ＯＮ・Ｄｕｔｙでインバータ回路を駆動させてアークを発生させる。このとき、切断トーチＥＳと被加工物Ｍとの間に図４に示す４００Ｖの無負荷電圧が印加され、時刻ｔ＝ｔ２においてアークが発生する。
【００３０】
アーク発生後の時刻ｔ＝ｔ３において、図３に示す出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｒｅｆの値より大きくなると、第１の比較回路ＣＰ１は第１の比較信号Ｃｐ１をＨｉｇｈレベルにして出力する。このとき第２のデッドタイム基準発生回路ＤＴ２は、第１のデッドタイム基準信号Ｄｔ１の値より大きい予め定めた第２のデッドタイム基準信号Ｄｔ２を出力する。そして、第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２にて形成されるオアー回路は、第２のデッドタイム基準信号Ｄｔ２を選択してパルス幅変調回路ＰＷＭに入力する。
【００３１】
このとき、図３（Ｆ）に示す最大ＯＮ・Ｄｕｔｙは、第２のデッドタイム基準信号Ｄｔ２の値に応じて減少し、図４に示す、例えば、３００Ａの最大負荷電圧が、３９０Ｖから２９０Ｖに降圧する。この降圧により、作業者が疲労により手ぶれが生じ、この手ぶれによってアーク長が長くなってもチップ、電極等の印加電圧の上昇が２９０Ｖに抑制できるので、チップ、電極等の劣化が防止できる。更にアーク発生時の無負荷電圧は、図４に示すように降圧しないのでアークのスタート性が悪くなることもない。
【００３２】
図５は、実施形態２のアーク加工用電源装置の電気接続図である。
同図において、図１及び図１０に示すアーク加工用電源装置の電気接続図と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。
【００３３】
図５に示す出力電圧検出回路ＶＤは、負荷電圧を検出して出力電圧検出信号Ｖｄとして出力する。出力電流設定回路ＩＲは、予め定めた出力電流設定値Ｉｒを設定する。
【００３４】
図６は、実施形態２の主制御回路ＳＣＶの詳細図であり、同図に示す主制御回路ＳＣＶは、第２の比較回路ＣＰ２、出力電圧基準信号設定回路ＶＲＥＦ、出力電流基準信号設定回路ＩＲＥＦ、第１のデッドタイム基準回路ＤＴ１、パルス幅変調回路ＰＷＭ、三角波発生回路ＯＳＣ、電流誤差増幅回路ＥＩ、電圧誤差増幅回路ＥＶ及びダイオードＤ３、４にて形成する。
【００３５】
出力電圧基準設定回路ＶＲＥＦは、出力電流設定値Ｉｒに基づいて出力電圧基準信号Ｖｒｅｆの値を設定する。第２の比較回路ＣＰ２は、出力電流検出信号Ｉｄの値と予め定めた出力電流電圧基準信号Ｉｒｅｆの値（例えば、５０Ａ）とを比較し、出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｒｅｆの値より大きいときに、第２の比較信号Ｃｐ２をＨｉｇｈレベルにして出力する。
【００３６】
電圧誤差増幅回路ＥＶは、第２の比較信号Ｃｐ２がＨｉｇｈレベルになると動作し、出力電圧基準信号Ｖｒｅｆの値と出力電圧検出信号Ｖｄの値とを比較演算し電圧誤差増幅信号Ｅｖとして出力する。
【００３７】
次に、図５、図６及び図７を用いて実施形態２の動作について説明する。
図６に示す主制御回路ＳＣＶは、起動信号ＴｓがＨｉｇｈレベルになるとパルス幅変調回路ＰＷＭは動作し、図７に示す無負荷電圧４００Ｖを印加してアークを発生させる。そして、アーク発生後に出力電流検出信号Ｉｄの値が出力電流基準信号Ｉｒｅｆの値（例えば、５０Ａ）より大きくなると、第２の比較回路ＣＰ２は第２の比較信号Ｃｐ２をＨｉｇｈレベルにして出力する。
【００３８】
電圧誤差増幅回路ＥＶは、第２の比較信号Ｃｐ２がＨｉｇｈレベルになると、出力電圧基準信号Ｖｒｅｆの値と出力電圧検出信号Ｖｄの値とを比較演算して電圧誤差増幅信号Ｅｖとして出力する。
【００３９】
アーク発生後、例えば、出力電流が３００Ａでアーク長が通常の状態、３０ｍｍ程度で切断作業が行われると、負荷電圧は図７より１５０Ｖ近傍になり、このとき、電流誤差増幅信号Ｅｉの値は電圧誤差増幅信号Ｅｖの値より大きくなり、第３のダイオードＤ３及び第４のダイオードＤ４にて形成されるオアー回路よって、電流誤差増幅信号Ｅｉの値が選択されてパルス幅変調回路ＰＷＭは電流誤差増幅信号Ｅｉの値に応じて定電流制御が行われる。続いて、切断作業中に作業者が疲労により手ぶれが生じ、この手ぶれによってアーク長が長くなったとき出力電圧検出信号Ｖｄの値が増加し、この増加に応じて電圧誤差増幅信号Ｅｖの値も増加する。
【００４０】
そして、電圧誤差増幅信号Ｅｖの値が電流誤差増幅信号Ｅｉの値より大きくなると、第３のダイオードＤ３及び第４のダイオードＤ４にて形成されるオアー回路よって、電圧誤差増幅信号Ｅｖの値が選択され、パルス幅変調回路ＰＷＭは、定電流制御から電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に応じて定電圧制御に切り換わる。
【００４１】
上述より、作業者がロングハンドル形プラズマ切断トーチを用いて切断作業中に疲労で手ぶれが生じ、この手ぶれによってアーク長が長くなり出力電圧値が出力電圧基準値（例えば、３００Ｖ）より大きくなったときに、定電流制御から定電圧制御に切り換えて最大負荷電圧を３００Ｖにすることで、チップ、電極等の印加電圧の上昇抑制に加えて、チップ、電極に供給される電力の増加が抑制でき、この電力増加の抑制によって発生する熱が最適な値に抑えられるのでチップ、電極等が熱の破損からも防止できる。
【符号の説明】
【００４２】
Ｃ１        平滑コンデンサ
ＣＰ１      第１の比較回路
Ｃｐ１      第１の比較信号
ＣＰ２      第２の比較回路
Ｃｐ２      第２の比較信号
Ｄ１        第１のダイオード
Ｄ２        第２のダイオード
Ｄ３        第３のダイオード
Ｄ４        第４のダイオード
ＤＫ        インバータ駆動回路
Ｄｋ１      第１のインバータ駆動信号
Ｄｋ２      第２のインバータ駆動信号
Ｄｋ３      第３のインバータ駆動信号
Ｄｋ４      第４のインバータ駆動信号
ＤＣＬ      直流リアクトル
ＤＲ１      １次整流回路
ＤＲ２      ２次整流回路
ＤＴ１      第１のデッドタイム基準発生回路
Ｄｔ１      第１のデッドタイム基準信号（第１のデッドタイム基準値）
ＤＴ２      第２のデッドタイム基準発生回路
Ｄｔ２      第２のデッドタイム基準信号（第２のデッドタイム基準値）
ＥＩ        電流誤差増幅回路            
Ｅｉ        電流誤差増幅信号
ＥＶ        電圧誤差増幅回路            
Ｅｖ        電圧誤差増幅信号
ＥＳ        切断トーチ
ＩＤ        出力電流検出回路
Ｉｄ        出力電流検出信号
ＩＮＴ      主変圧器
ＩＲ        出力電流設定回路
Ｉｒ        出力電流設定信号（出力電流設定値）
ＩＲＥＦ    出力電流基準回路
Ｉｒｅｆ    出力電流基準回路
Ｍ          被加工物
ＯＳＣ      三角波発生回路
Ｏｓｃ      三角波発生信号
ＰＷＭ      パルス幅変調回路
ＳＣ      主制御回路
Ｓｃ１      第１の出力制御信号
Ｓｃ２      第２の出力制御信号
ＳＣＡ      主制御回路
ＳＣＶ      主制御回路
ＳＷ        切換スイッチ
ＴＲ１      第１のスイッチング素子
ＴＲ２      第２のスイッチング素子
ＴＲ３      第３のスイッチング素子
ＴＲ４      第４のスイッチング素子
ＶＤ        出力電圧検出回路
Ｖｄ        出力電圧検出信号
ＶＲＥＦ    出力電圧基準回路
Ｖｒｅｆ    出力電圧基準信号（出力電圧基準値）
【図１】
2011240347.tif 000003
【図２】
2011240347.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2011240347.tif 000009
【図８】
2011240347.tif 000010