(57)【要約】【課題】負荷電流の立ち上がり時間、立下り時間を短くすることができ、大きな損失を発生することなく負荷電流を制御することができるパルス電源装置を提供する。【解決手段】定電流源として動作する降圧チョッパ回路２と、負荷に電流を供給しない期間降圧チョッパ回路２の出力を短絡する短絡スイッチ回路３と、負荷に電流を供給する期間負荷回路を閉路する負荷スイッチ回路４と、短絡スイッチ回路３及び負荷スイッチ回路４の開路時に短絡スイッチ回路３及び負荷スイッチ回路４の両端に発生するエネルギーを回収するエネルギー回収回路５とから構成し、エネルギー回収回路５により回収したエネルギーを降圧チョッパ回路２の入力側に加えるようにした。【選択図】図１
2004106130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に断続されるパルス電流を供給するパルス電源装置において、定電流源として動作する降圧チョッパ回路と、負荷に電流を供給しない期間降圧チョッパ回路の出力を短絡する短絡スイッチ回路と、負荷に電流を供給する期間負荷回路を閉路する負荷スイッチ回路と、短絡スイッチ回路及び負荷スイッチ回路の開路時に短絡スイッチ回路及び負荷スイッチ回路の両端に発生するエネルギーを回収するエネルギー回収回路とから構成し、エネルギー回収回路により回収したエネルギーを降圧チョッパ回路の入力側に加えるものとしたことを特徴とするパルス電源装置。
【請求項２】
エネルギー回収回路を、アノードを短絡スイッチ回路及び負荷スイッチ回路にそれぞれ接続した第１のダイオード及び第２のダイオードと、第１のダイオード及び第２のダイオードのカソードと帰線の間に接続したコンデンサと、該コンデンサに入力側を接続した降圧チョッパ回路とから構成したものとし、エネルギー回収回路を構成する降圧チョッパ回路の出力側を降圧チョッパ回路の入力側に接続したことを特徴とする請求項１に記載のパルス電源装置。
【請求項３】
エネルギー回収回路を、アノードを短絡スイッチ回路及び負荷スイッチ回路にそれぞれ接続した第１のダイオード及び第２のダイオードと、第１のダイオード及び第２のダイオードのカソードに一極を接続した第１のコンデンサと、第１のコンデンサの他極にアノードを接続した第３のダイオード及びカソードを接続した第４のダイオードと、第３のダイオードのカソードと帰線の間に接続した第２のコンデンサと、第１のダイオード及び第２のダイオードのカソードに一端を接続したリアクトルとから構成したものとし、第４のダイオードのアノードを帰線に接続するとともに第２のコンデンサ及びリアクトルの他端を降圧チョッパの入力側に接続したことを特徴とする請求項１に記載のパルス電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電加工機用電源として使用するのに優れたパルス電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００１−２８８８３６号公報
放電加工は工具電極と被加工物との間の微小な間隙に放電を発生させて加工を行うものであり、加工速度を上げるためには単位時間あたりの放電回数を多くすることが必要である。こうした放電加工機用電源としては一般にパルス電源装置が使用され、パルスの繰り返し周波数が高く、電流の立ち上がり時間、立下り時間が短いものが求められている。従来のパルス電源装置は直流電源をトランジスタにより断続するようにしたものが多く、負荷のインダクタンスの影響もあって電流の立ち上がり時間、立下り時間を短くすることが困難であった。
【０００３】
電流の立ち上がり時間を短くするためには、パルス電源装置に放電開始時に供給するための高電圧の直流電源と加工用の低電圧の直流電源の高低２種類の直流電源を設け、これをトランジスタで切り替えるようにすることが行われている。ところが、使用される直流電源は定電圧で制御されるものが多く、負荷の変動によって加工電流が大きく変動するという問題があった。そこで、加工電流を安定にするために回路に抵抗器やリアクトルを挿入することが行われたが、抵抗器を使用した場合にはその損失が大きく、リアクトルを使用した場合には電流の立ち上がり時間が長くなってしまうという問題があった。また、電流の立ち下がり時間を短くすることはできなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の問題点を解決し、電流の立ち上がり時間、立下り時間を短くすることができ、大きな損失を発生することなく放電電流を制御することができるパルス電源装置を提供するためになされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するためになされた本発明のパルス電源装置は、負荷に断続されるパルス電流を供給するパルス電源装置において、定電流源として動作する降圧チョッパ回路と、負荷に電流を供給しない期間降圧チョッパ回路の出力を短絡する短絡スイッチ回路と、負荷に電流を供給する期間負荷回路を閉路する負荷スイッチ回路と、短絡スイッチ回路及び負荷スイッチ回路の開路時に短絡スイッチ回路及び負荷スイッチ回路の両端に発生するエネルギーを回収するエネルギー回収回路とから構成し、エネルギー回収回路により回収したエネルギーを降圧チョッパ回路の入力側に加えるものとしたことを特徴とするものである。
【０００６】
ここにおいて、エネルギー回収回路を、アノードを短絡スイッチ回路及び負荷スイッチ回路にそれぞれ接続した第１のダイオード及び第２のダイオードと、第１のダイオード及び第２のダイオードのカソードと帰線の間に接続したコンデンサと、該コンデンサに入力側を接続した降圧チョッパ回路とから構成したものとし、エネルギー回収回路を構成する降圧チョッパ回路の出力側を降圧チョッパ回路の入力側に接続することができ、また、エネルギー回収回路を、アノードを短絡スイッチ回路及び負荷スイッチ回路にそれぞれ接続した第１のダイオード及び第２のダイオードと、第１のダイオード及び第２のダイオードのカソードに一極を接続した第１のコンデンサと、第１のコンデンサの他極にアノードを接続した第３のダイオード及びカソードを接続した第４のダイオードと、第３のダイオードのカソードと帰線の間に接続した第２のコンデンサと、第１のダイオード及び第２のダイオードのカソードに一端を接続したリアクトルとから構成したものとし、第４のダイオードのアノードを帰線に接続するとともに第２のコンデンサ及びリアクトルの他端を降圧チョッパの入力側に接続することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図を参照しながら具体的に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態を示す主回路の結線図であって、商用交流電源を降圧、整流する整流回路１、降圧チョッパ回路２、降圧チョッパ回路２の出力を短絡する短絡スイッチ回路３、負荷回路を開閉する負荷スイッチ回路４、負荷の放電失敗時やスイッチの切り替え時等に回路に発生するエネルギーを回収するエネルギー回収回路５から構成したものである。なお、図中６は加工電極とワークからなる放電負荷を示すものである。また、７は放電負荷６までの配線インダクタンスを示したものであるが、実際にリアクトルを設けるわけではなく、配線上に分布して存在するものである。
【０００８】
整流回路１は電源入力端子８、８、８から取り入れた商用電源を変圧器９により降圧して整流素子１０により整流し、平滑コンデンサ１１によりリップルを除去するようにしてある。降圧チョッパ回路２はトランジスタ１２と直列リアクトル１３、転流ダイオード１４から構成し、出力を一方の負荷端子１５に接続したもので、直列リアクトル１３に一定の電流が流れるようにトランジスタ１２をオン、オフ制御し、定電流回路として動作するようにしてある。
【０００９】
短絡スイッチ回路３はトランジスタ１６から構成したもので降圧チョッパ回路２の出力と帰線との間に接続してあり、負荷に加工電流を供給するときにオフ、その他のときにオンになるようにしてある。負荷スイッチ回路４はトランジスタ１７から構成したもので負荷端子１５に接続した放電負荷６の帰線が接続される他方の負荷端子１８に接続してあり、負荷に加工電流を供給するときにオン、その他のときにオフになるようにしてある。すなわち、短絡スイッチ回路３と負荷スイッチ回路４はいずれかがオンのとき他方がオフとなるようにしたもので加工条件により定められた周期で切り替えるようにしてある。
【００１０】
エネルギー回収回路５はコンデンサ１９と、該コンデンサ１９の一極にカソードを接続するとともにアノードを短絡スイッチ回路３及び負荷スイッチ回路４にそれぞれ接続した第１のダイオード２０及び第２のダイオード２１と、トランジスタ２２、リアクトル２３、ダイオード２４からなる降圧チョッパ回路２５とから構成したものである。ここで、コンデンサ１９の他極は帰線に接続してあり、コンデンサ１９は短絡スイッチ回路３及び負荷スイッチ回路４の両端に発生する電圧により充電される。前記平滑コンデンサ１１の静電容量はコンデンサ１９の静電容量に比べて充分大きなものとしてある。
【００１１】
降圧チョッパ回路２５は入力をコンデンサ１９の両端に接続してあり、降圧チョッパ回路２５の出力側となるリアクトル２３は整流回路１の出力に接続してある。また、降圧チョッパ回路２５は降圧比が一定となるような制御としてある。なお、各トランジスタ１２、１６、１７、２２としては高速動作可能なＦＥＴを使用することが好ましいものであり、図に示した各トランジスタ１２、１６、１７、２２に逆極性並列に接続されたダイオードは市中に一般的に供給されているＦＥＴに組み込まれたダイオードである。
【００１２】
前記のように構成したパルス電源装置では、受電した商用電源は整流回路１により降圧、整流され降圧チョッパ回路２に供給される。図３は各部の波形を示すもので、Ａは短絡スイッチ回路３を駆動する信号、Ｂは負荷スイッチ回路４を駆動する信号、Ｃは負荷端子１５、１８間の電圧、Ｄは放電負荷６の電流である。図３において、▲１▼は正常に動作しているときのものを示している。降圧チョッパ回路２は直列リアクトル１３に一定の電流を流すように動作し、短絡スイッチ回路３がオンになっているときには降圧チョッパ回路２の一定の出力電流は短絡スイッチ回路３に流れることとなる。
【００１３】
短絡スイッチ回路３がオフになると同時に負荷スイッチ回路４がオンになると、図３の▲１▼Ｃに示すように負荷端子１５、１８間に電圧が加わり、放電負荷６の両端に電圧が加わることとなる。放電負荷６に流れる電流が立ち上がるまでの間、短絡スイッチ回路３に流れていた降圧チョッパ回路２の出力電流は第１のダイオード２０を通ってコンデンサ１９に流れ、コンデンサ１９を充電する。放電負荷６が放電を開始し、放電負荷６の電流が立ち上がると、降圧チョッパ回路２の出力電流は第１のダイオード２０から放電負荷６に移行する。
【００１４】
設定された通電時間経過後、短絡スイッチ回路３がオンになると同時に負荷スイッチ回路４がオフになると、放電負荷６に流れていた降圧チョッパ回路２の出力電流は短絡スイッチ回路３に移行することになるが、配線インダクタンス７にエネルギーが蓄えられており、この配線インダクタンス７に蓄えられたエネルギーは第２のダイオード２１、コンデンサ１９の回路を通して放出され、コンデンサ１９を充電する。
【００１５】
コンデンサ１９に蓄えられた電荷は降圧チョッパ回路２５により降圧され、整流回路１の出力側に送られて平滑コンデンサ１１を充電することになる。このとき、降圧チョッパ回路２５の降圧比が一定であるので、コンデンサ１９の電圧が平滑コンデンサ１１の電圧を降圧比の逆数倍した電圧以上である間コンデンサ１９の電荷が平滑コンデンサ１１に移行することになり、コンデンサ１９の電圧は平滑コンデンサ１１の電圧を降圧比の逆数倍した電圧、例えば平滑コンデンサ１１の電圧の２倍にクランプされることになる。
【００１６】
コンデンサ１９に蓄えられた電荷は短絡スイッチ回路３と負荷スイッチ回路４が切り替わるときの回路に蓄積されたエネルギーを回収したものであり、放電負荷６に供給するエネルギーに比べて小さなものである。また、コンデンサ１９の静電容量は平滑コンデンサ１１に比べて小さいため、コンデンサ１９の電荷が平滑コンデンサ１１に移行しても平滑コンデンサ１１の電圧が上昇することはない。このようにして短絡スイッチ回路３と負荷スイッチ回路４とが切り替わるときの回路に蓄積されたエネルギーは回収されて平滑コンデンサ１１に蓄えられ、次の通電時に通電負荷６に供給されて有効に使用される。
【００１７】
短絡スイッチ回路３がオフ、負荷スイッチ回路４がオンになるときには、負荷端子１５の電圧が平滑コンデンサ１１の電圧を降圧比の逆数倍した電圧にクランプされるが、この電圧は平滑コンデンサ１１の電圧より高く、放電負荷６の両端には平滑コンデンサ１１の電圧より高い電圧が加わることとなって放電負荷６の放電を容易にするとともに電流の立ち上がりを速くする効果がある。また、短絡スイッチ回路３がオン、負荷スイッチ回路４がオフになるときには、負荷端子１８の電圧が平滑コンデンサ１１の電圧を降圧比の逆数倍した電圧にクランプされ、この電圧が放電負荷６の両端に逆極性に加わることとなって放電負荷６の電流の立ち下がりを速くする効果がある。
【００１８】
スイッチ回路４がオンになり放電負荷６の両端に電圧が加わっても放電負荷６が放電を開始しない放電失敗を生じた場合には放電負荷６に電流が流れない。図３において、▲２▼はこの放電失敗を生じた状態を示すもので、負荷端子１５、１８間に電圧が加わるが放電負荷６には電流が流れない。短絡スイッチ回路３に流れていた降圧チョッパ回路２の出力電流は第１のダイオード２０を通ってコンデンサ１９に流れ、コンデンサ１９を充電する。コンデンサ１９の静電容量はこのような電流の流入がある程度あっても電圧が過度に上昇しないような値にしておくものであるが、コンデンサ１９が充電される間にも降圧チョッパ回路２５が動作してコンデンサ１９の電荷を平滑コンデンサ１１に移送するのでコンデンサ１９の電圧は平滑コンデンサ１１の電圧を降圧比の逆数倍した電圧にクランプされる。平滑コンデンサ１１の静電容量は充分大きいので平滑コンデンサ１１の電圧が大きく上昇することはない。
【００１９】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す主回路の結線図であって、整流回路１、降圧チョッパ回路２、短絡スイッチ回路３、負荷スイッチ回路４、エネルギー回収回路５から構成したことは第１の実施の形態のものと同様である。エネルギー回収回路５を除く整流回路１、降圧チョッパ回路２、短絡スイッチ回路３、負荷スイッチ回路４については、個々の構成についても第１の実施の形態のものと同様としてある。また、図中６は加工電極とワークからなる放電負荷、７は放電負荷６までの配線インダクタンスを示すものである。
【００２０】
エネルギー回収回路５は第１のコンデンサ２６と、第１のコンデンサ２６の一極にカソードを接続した第１のダイオード２７及び第２のダイオード２８と、第１のコンデンサ２６の他極にアノードを接続した第３のダイオード２９と、第３のダイオードのカソードに一極を接続した第２のコンデンサ３０と、第１のコンデンサ２６の他極にカソードを接続した第４のダイオード３１と、第１のコンデンサ２６の一極に接続したリアクトル３２から構成したものである。この場合も整流回路１の平滑コンデンサ１１の静電容量は第１のコンデンサ２６、第２のコンデンサ３０の静電容量に比べて充分大きなものとしてある。
【００２１】
第１のダイオード２７及び第２のダイオード２８のアノードは短絡スイッチ回路３及び負荷スイッチ回路４にそれぞれ接続してあり、第２のコンデンサ３０の他極と第４のダイオード３１のアノードは帰線に接続してある。また、第２のコンデンサ３０は平滑コンデンサ１１と並列に接続してあり、第１のコンデンサ２６の一極と接続されないリアクトル３２のもう一方の端子は整流回路２の出力に接続してある。なお、図中３３、３４は第２のコンデンサ３０を平滑コンデンサ１１に並列に接続する配線に存在するインダクタンスであり、リアクトルを設けたものではない。
【００２２】
このように構成した第２の実施の形態のものにおいて、降圧チョッパ回路２が直列リアクトル１３に一定の電流を流すように動作し、短絡スイッチ回路３がオンになっているときに降圧チョッパ回路２の一定の出力電流が短絡スイッチ回路３に流れることは第１の実施の形態のものと同様である。各部の波形も図３に示す通りであるが、Ｅは第１のコンデンサ２６の両端の電圧を示している。短絡スイッチ回路３がオフ、負荷スイッチ回路４がオンになると、負荷端子１５、１８間に電圧が加わり、放電負荷６の両端に電圧が加わることとなる。
【００２３】
放電負荷６に流れる電流が立ち上がるまでの間、短絡スイッチ回路３に流れていた降圧チョッパ回路２の出力電流は第１のダイオード２７、第１のコンデンサ２６、第３のダイオード２９、第２のコンデンサ３０の回路に流れ、第１のコンデンサ２６及び第２のコンデンサ３０を充電する。第１のコンデンサ２６の電圧は図３の▲１▼Ｅに示すように変化する。このとき、第１のダイオード２７からの電流はリアクトル３２が急激な電流変化を抑制するためリアクトル３２を通して平滑コンデンサ１１に流れることはない。
【００２４】
放電負荷６に流れる電流が立ち上がると、降圧チョッパ回路２の出力電流は第１のダイオード２７から放電負荷６に移行する。第１のコンデンサ２６に蓄えられた電荷はリアクトル３２、インダクタンス３４及び第４のダイオード３１を通して平滑コンデンサ１１に移行する。また、第２のコンデンサ３０の電荷はインダクタンス３３、インダクタンス３４を通して平滑コンデンサ１１に移行する。
【００２５】
放電失敗を生じて放電負荷６に電流が流れない場合には、短絡スイッチ回路３に流れていた降圧チョッパ回路２の出力電流は第１のダイオード２７、第１のコンデンサ２６、第３のダイオード２９、第２のコンデンサ３０の回路に流れ、第１のコンデンサ２６及び第２のコンデンサ３０を充電する。第１のコンデンサ２６の電圧は図３の▲２▼Ｅに示すように変化する。第１のコンデンサ２６、第２のコンデンサ３０の静電容量はこのような電流の流入がある程度あっても電圧が過度に上昇しないような値にしておくものとする。
【００２６】
設定された通電時間経過後、短絡スイッチ回路３がオン、負荷スイッチ回路４がオフになると、放電負荷６に流れていた降圧チョッパ回路２の出力電流は短絡スイッチ回路３に移行することになるが、配線インダクタンス７にエネルギーが蓄えられており、この配線インダクタンス７に蓄えられたエネルギーは第２のダイオード２８、第１のコンデンサ２６、第３のダイオード２９、第２のコンデンサ３０の回路を通して放出され、第１のコンデンサ２６及び第２のコンデンサ３０を充電する。
【００２７】
配線インダクタンス７に蓄えられたエネルギーの放出が終わると、第１のコンデンサ２６に蓄えられた電荷はリアクトル３２、インダクタンス３４及び第４のダイオード３１を通して平滑コンデンサ１１に移行する。また、第２のコンデンサ３０の電荷はインダクタンス３３、インダクタンス３４を通して平滑コンデンサ１１に移行する。この第１のコンデンサ２６の電圧は全期間に対する第１のコンデンサ２６の充電期間の割合によって変化するが、通常平滑コンデンサ１１の電圧に近い値となる。
【００２８】
この第１のコンデンサ２６の電圧は概略次のようになる。ただし、第１のコンデンサ２６の電圧をＶＣ１、第２のコンデンサ３０の電圧をＶＣ２、平滑コンデンサ１１の電圧をＶＣ０、全期間に対する第１のコンデンサ２６の充電期間の割合をαとする。リアクトル３２の一端に接続されている平滑コンデンサ１１の電圧ＶＣ０は変化しないが、リアクトル３２の他端の帰線に対する電圧は第１のコンデンサ２６の充電時と放電時とで異なったものとなる。このリアクトル３２の両端の平均電圧はリアクトル３２の抵抗分を無視すれば０Ｖに収束するので、以下の式が成立する。
【００２９】
ＶＣ０＝（ＶＣ１＋ＶＣ２　）×α＋ＶＣ１×（１−α）
第２のコンデンサ３０は平滑コンデンサ１１と並列に接続されているので、
ＶＣ０＝ＶＣ２　　　　　　　である。したがって、
ＶＣ１＝ＶＣ０×（１−α）
となる。これにより短絡スイッチ回路３と負荷スイッチ回路４が切り替わり、第１のコンデンサ２６が充電されるときには、負荷端子１５又は１８の電圧が平滑コンデンサ１１の電圧と第１のコンデンサ２６の電圧の和の電圧にクランプされることになる。
【００３０】
通常の動作状態では第１のコンデンサ２６の充電期間は１０％程度であり、第１のコンデンサ２６の電圧は平滑コンデンサ１１の電圧の９０％となるので、負荷端子１５又は１８の電圧は平滑コンデンサ１１の電圧の１．９倍の電圧にクランプされることになり、放電負荷６の電流の立ち上がり及び立ち下りを速くすることになる。放電失敗が続く等で第１のコンデンサ２６の充電期間が４０％程度となった場合でも、負荷端子１５又は１８のクランプされる電圧は平滑コンデンサ１１の電圧の１．６倍程度であり、放電負荷６の電流の立ち上がり及び立下り速度の改善に効果がある。
【００３１】
なお、放電加工の対象物によっては、加工に伴うバリやヤケの発生を防止するために放電初期のエネルギーの供給を制限する場合がある。この場合は供給電圧を下げることにより電流の立ち上がり時や立下り時の負荷電圧を制御することができるので、供給電圧と負荷のインダクタンスとで決まる電流の変化率を調整し、放電エネルギーを制御することができる。また、供給電圧を変化させず、負荷回路にインダクタンス素子を挿入することにより加工条件を定めることも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、電流の立ち上がり時及び立下り時に負荷に高い電圧が加わるので負荷電流の立ち上がり時間、立下り時間を短くすることができ、降圧チョッパ回路による定電流回路を使用することにより大きな損失を発生することなく負荷電流を制御することができる利点がある。しかも、短絡スイッチ回路と負荷スイッチ回路とが切り替わるときの回路に蓄積されたエネルギーや、放電失敗を生じた場合の放電負荷に供給されるべきエネルギーを回収して有効に利用するのでエネルギーの無駄がない利点がある。したがって、従来の問題点を解決したパルス電源装置を提供するものとして業界に寄与するところ極めて大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す結線図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す結線図である。
【図３】動作時の各部の波形を示す図である。
【符号の説明】
１　整流回路
２　降圧チョッパ回路
３　短絡スイッチ回路
４　負荷スイッチ回路
５　エネルギー回収回路
６　放電負荷
７　配線インダクタンス
８　電源入力端子
９　変圧器
１０　整流素子
１１　平滑コンデンサ
１２　トランジスタ
１３　直列リアクトル
１４　転流ダイオード
１５　負荷端子
１６、１７　トランジスタ
１８　負荷端子
１９　コンデンサ
２０　第１のダイオード
２１　第２のダイオード
２２　トランジスタ
２３　リアクトル
２４　ダイオード
２５　降圧チョッパ回路
２６　第１のコンデンサ
２７　第１のダイオード
２８　第２のダイオード
２９　第３のダイオード
３０　第２のコンデンサ
３１　第４のダイオード
３２　リアクトル
３３、３４　インダクタンス
【図１】
2004106130.tif 000003
【図２】
2004106130.tif 000004
【図３】
2004106130.tif 000005