(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源を一次整流回路にて直流とした後にインバータ回路によって高周波交流に変換し二次整流回路によって再度整流して直流とするアーク加工用電源装置において、前記一次整流回路と前記インバータ回路との間にアクティブフィルタ回路からなる力率改善回路を設けるとともに、前記アーク加工用電源装置の出力電流を検出しアーク加工開始時に前記出力電流が予め定めた電流設定値を超えないとき前記出力電流の増加を急峻にし前記出力電流が前記電流設定値を超えたときに前記出力電流の増加をアーク切れが発生しない前記力率改善回路の応答速度よりも遅い速度で漸増させるアップスロープ特性をもったアップスロープ回路を設けたこと、を特徴とするアーク加工用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用交流電源を一次整流回路にて直流とした後にインバータ回路によって高周波交流に変換し、二次整流回路によって再度整流して直流として、アーク溶接・切断、プラズマアーク溶接・切断などに使用するアーク加工用電源装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来のインバータ制御式アーク加工用電源装置の例を示す接続図である。同図において、１は交流電源であり、通常商用交流電源が用いられる。２は一次整流回路であり交流電源１からの電力を整流して直流とする。３は平滑回路であり、一次整流回路２の出力を平滑してリップルの少ない直流とするもので、通常十分な容量の電解コンデンサが用いられる。４はインバータ回路であり、平滑回路３の直流出力を高周波の交流に変換する。５は変圧器であり、インバータ回路４の高周波出力をアーク加工に適した電圧に変換する。６は二次整流回路であり、変圧器５によって適宜電圧が整えられたインバータ回路４の高周波交流出力を再び直流に変換するものであるる。７ａ、７ｂは出力端子、８は電極、９は被加工物である。１０はインバータ制御回路であり、出力設定器１１の設定値と出力検出器１２の検出値との差に応じてインバータ回路４を駆動して出力を設定値に保つように制御するものである。
【０００３】
図３の従来装置において、商用交流電源１からの電力は一次整流回路２にて一旦直流となり、平滑回路３にて平滑されたのち、インバータ回路４にて１０ないし数１０ＫＨz の高周波交流に変換され、変圧器５にて加工に適した電圧に変換された後二次整流回路６にて再度直流にもどされて出力端子７ａ、７ｂから電極８および被加工物９に供給される。このとき、出力電圧又は出力電流が出力検出器１２にて検出されて出力設定器１１の設定値と比較されて、両信号の差が減少する方向にインバータ制御回路１０が作用して出力を設定値に保つように動作する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来方法においては、一次整流回路２の出力を平滑するための平滑回路３のコンデンサとして大きな容量のものが必要となるばかりでなく、交流電源１側からみるとコンデンサーインプット型であるために力率が極めて悪く、交流電圧波形のピーク点近くの位相においてのみ交流電源からの電力の供給がおこなわれるので入力電流は導通時間幅の狭い大きな尖頭波電流となって交流電源に大きな負担をかけ、電源波形を歪ませる原因となった。
【０００５】
また、装置としても大容量の平滑用コンデンサを設けるために大型でかつ高価なものになってしまうという欠点があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記従来方法の課題を解決するために、商用交流電源を一次整流回路にて直流とした後にインバータ回路によって高周波交流に変換し二次整流回路によって再度整流して直流とするアーク加工用電源装置において、一次整流回路とインバータ回路との間にアクティブフィルタ回路からなる力率改善回路を設けるとともにインバータ回路に起動時に出力を漸増させるアップスロープ特性をもたせたアーク加工用電源装置を提案したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の装置の例を示す接続図である。同図において、１３は力率改善回路、１４はアップスロープ回路である。力率改善回路１３はリアクトル３１、スイッチング素子３２、ダイオード３３、電解コンデンサ３４、入力電流検出器３５、スイッチング素子駆動回路３６、電圧検出器３７および３８、比較器３９、４１および４２、掛算器４０、発信器４３、出力電圧設定器４４からなり、アップスロープ回路１４は直流電圧源５１および５２、比較器５３、演算増幅器５４、アナログスイッチ５５、ツエナーダイオード５６および５７、抵抗器５８ないし６０、コンデンサ６１、可変抵抗器６２からなる。
【０００８】
同図において、力率改善回路１３は別名アクティブフイルタ回路とよばれるもので、入力電圧波形に応じてスイッチング素子３２をＯＮ／ＯＦＦ制御してON期間中にリアクトル３１に蓄えられた電磁エネルギーをＯＦＦ期間にコンデンサ３４に放出してこれを充電するもので、リアクトル３１に発生するフライバック電圧によってコンデンサを入力電圧の値にかかわらずほぼ一定に充電する回路である。
【０００９】
図１において、交流電源１の出力は一次整流回路２によって整流されて脈動する直流となる。この直流出力は電圧検出器３７にて検出されて入力電圧基準信号Ｖｉとなり掛算器４０に供給される。一方、力率改善回路１３の出力電圧は電圧検出器３８にて検出されてフィードバック信号Ｖｆとなって比較器４２にて出力電圧設定器４４の設定値Ｖref と比較されて差信号Δ＝Ｖref −Ｖｆとなって掛算器４０にて電圧検出器３７の出力信号Ｖｉと掛算されて電流基準信号Ｉref となる。この信号Ｉref と入力電流検出器の検出信号Ｉｄとは比較器４１にて比較されて差信号ΔＩ＝Ｉref −Ｉｄとなる。この差信号は比較器４１にて発信器４３の出力信号と比較されて差信号ΔＩがこの発信器４３の出力信号より大である期間中スイッチング素子３２を導通させる信号をスイッチング素子駆動回路３６に出力する。スイッチング素子駆動回路３６はこの駆動信号を適宜増幅してスイッチング素子３２に供給してこれを導通させる。スイッチング素子３２が導通すると一次整流回路２の出力はスイッチング素子３２とリアクトル３１との直列回路を流れてリアクトル３１にはこのときに流れる電流によつて電磁エネルギーが蓄えられる。この電流が掛算器４０の出力信号Ｉref を超えるとスイッチング素子３２は遮断し、スイッチング素子３２の遮断によってリアクトル３１にはそのときに流れていた電流を維持すべく高いフライバック電圧を発生し、これによってリアクトル３１に蓄えられていた電磁エネルギーはコンデンサ３４に移転してこれを充電する。この結果、スイッチング素子が導通している間に一次整流回路に流れる電流はその出力電圧の波高値に対応した値となり、かつそのときの電圧の瞬時値が低くてもコンデンサにはその電圧に対応しただけの電荷が蓄えられることになる。したがって、発信器４３の発信周波数を交流電源の周波数に比べて充分に高い値、たとえば交流電源が６０Ｈz のときに数ＫＨz 以上に設定しておくと交流電源からの電流はほとんど電圧位相の全域に亘ることになり、力率は１００％に近い値となる。
【００１０】
ところで、上記の力率改善回路は商用周波を対象とするものであるので、その動作を安定にするために回路の応答速度を電源周波数の１０分の１ないし１００分の１に設定することが要求され、実際の回路においても応答周波数として１Ｈz 程度に設定されている。
【００１１】
これに対してアーク加工では、その加工開始時には無負荷状態からいきなり大電力負荷が接続される状態となる。このような急激な負荷変動が発生するときに上述のような応答速度の遅い力率改善回路１３が電源側に挿入されていると、この力率改善回路１３の応答遅れのためにインバータ回路４に対する入力電圧が大きく低下し、極端な場合には出力端子７ａ、７ｂ間における出力電圧がアークを維持するために必要な電圧以下にまで低下することが発生してアーク切れ、アークスタートの失敗を招くことになる。
【００１２】
このようなアーク切れを防止するためには、もっとも簡単な方法としては平滑コンデンサ３４の容量をアーク起動時の力率改善回路の応答遅れ時間における電流不足を補うだけの大きな容量のものにすることが考えられるが、そのような大きな容量のコンデンサを用いることは装置を大型化し、製造コストの上昇を招くことになる。
【００１３】
本発明においては、上記の問題を出力電流の急増時においてインバータ回路の出力電流を所定の勾配で漸増させるアップスロープ回路をインバータ回路の制御部に設けることによって、平滑コンデンサの容量を増加させることなく解決したものである。
【００１４】
次に図１のアップスロープ回路１４の動作を説明する。図示を省略した起動指令信号がインバータ回路４に供給されるかまたはインバータ回路４は動作中であっても電極８と被加工物９との間にアークも短絡電流も発生していない間は、出力検出器１２からの検出信号は零であるので比較器５３は直流電圧源５２の入力信号の方が大であるのでハイレベル信号を出力しており、アナログスイッチ５５は閉じている。このため演算増幅器５４は直流電圧源５１の出力信号をコンデンサ６１によって積分し、その出力はツエナーダイオード５６の電圧まで上昇する。このツエナーダイオード５６の電圧を可変抵抗器６２で分圧した電圧が比較器１５に出力電流基準信号として供給される。比較器１５は可変抵抗器６２のの出力電圧と出力検出器１２の検出信号との差の信号をインバータ制御回路１０に供給し、インバータ制御回路１０はこの差信号に応じた駆動信号をインバータ回路４に供給して出力電流を可変抵抗器６２の出力信号に対応した値に保つように動作する。アーク加工が開始されて電極８と被加工物９との間に電流が流れ始めるとその電流は出力検出器１２によって検出されて比較器５３と比較器１５とに出力される。この検出信号が直流電圧源５２の設定値よりも小さい間はアナログスイッチ５５は閉じたままであり、可変抵抗器６２はツエナーダイオード５６で定まる低い電圧を分圧して比較器１５に供給しており、したがって出力電流は零からこの低い一定の電圧で定まる値まで急速に増加する。この電流値における検出信号の大きさを直流電圧源５２の設定値よりもわずかに大きな値になるようにツエナーダイオード５６の電圧を選定しておくと、電流の流れ初めから極く短時間の後に出力検出器１２の出力が直流電圧源５２の設定値を超えることになる。出力検出器１２の出力が直流電圧源５２の設定値を超えると比較器５３はローレベル信号を出力してアナログスイッチ５５を遮断する。アナログスイッチ５５が遮断すると直流電圧源５１の出力は演算増幅器５４にて時定数ＣＲ（ただし、Ｃはコンデンサ６１の静電容量、Ｒは抵抗器６０の抵抗値）にて積分され、可変抵抗器６２の端子電圧は前述の低い電圧から次第に上昇してゆく。この可変抵抗器６２の端子電圧は分圧されて比較器１５に出力電流基準信号として供給される。この基準信号は比較器１５にて出力検出器１２の検出信号と比較されて差信号に対応してインバータ制御回路１０がその駆動信号を決定してインバータ回路４を駆動するので、出力電流は次第に上昇してゆくことになる。ここで演算増幅器５４の出力電圧はその電源電圧まで上昇しようとするのでツエナーダイオード５７の電圧を装置の最大出力電流になる値に選定しておけば可変抵抗器６２の調整により出力電流を自由に設定する事が出来る。
【００１５】
従って、ツエナーダイオード５６の電圧によって初期電流の値が定まり、抵抗器６０とコンデンサ６１とによつて出力電流の上昇速度が定まる。それ故、ツエナーダイオード５６としてアーク切れの発生しない電圧変動となる初期出力電流に対応する電圧のものを選定し、また力率改善回路１３の応答速度よりも若干遅い上昇速度になるように抵抗器６０とコンデンサ６１の値を選定しておけば、アークスタート時には出力電流が力率改善回路１３の応答速度よりもゆっくりした速度で漸増することになるので大きな出力電圧の降下は発生しないことになる。
【００１６】
もちろん、この出力電流の増加速度が力率改善回路１３の応答速度よりも多少速くてもそのために発生する出力電圧の降下量がアーク切れに至らない程度のものであるときは充分に実用になるので、このスタート時の出力電流の初期値および増加速度は適用する加工方法に対応して適値に選定すればよい。
【００１７】
図２は本発明の第２の発明の例を示す接続図であり、二次整流回路６の出力端子間にスイッチング素子７１ないしスイッチング素子７４および各スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード７５ないし７８からなるブリッジ回路１６の直流側端子が接続され、ブリッジ回路１６の交流側端子が出力端子７ａ、７ｂに接続されている。また、このブリッジ回路１６の対応する辺のスイッチング素子７１とスイッチング素子７４はその制御端子を共通にして極性切替制御回路１７の一方の出力端子に接続されており、スイッチング素子７２とスイッチング素子７３はその制御端子を共通にして極性切替制御回路１７の他方の出力端子に接続されている。また、極性切替制御回路１７は正極性期間設定回路１８および逆極性期間設定回路１９によって設定される継続期間にしたがってスイッチング素子７１およびスイッチング素子７４またはスイッチング素子７２およびスイッチング素子７３をそれぞれ同時に導通するように制御する。同図のその他の要素は図１に示した例と同機能のものに同符号を付して説明を省略する。また力率改善回路１３およびアップスロープ回路１４はその内容を省略してある。
【００１８】
図２の装置において、二次整流回路６の出力はブリッジ回路１６にてスイッチングされて出力端子７ａ、７ｂに出力される。スイッチング素子７１とスイッチング素子７４とが共に導通しているときは被加工物９が正となる極性の出力となり、スイッチング素子７２とスイッチング素子７３とが共に導通しているときは電極８が正となる極性の出力が得られる。したがって、スイッチング素子７１とスイッチング素子７４またはスイッチング素子７２とスイッチング素子７３のいずれかの組のみを連続して導通させるときは正または逆の極性の直流出力が得られ、これらの各組のスイッチング素子を交互に導通制御するときは所定の正逆比率の交流出力が得られる。
【００１９】
なお、上記の力率改善回路１３およびアップスロープ回路１４は図示のものに限らず、適当な半導体集積回路や所定のソフトとともにマイクロコンピュータによって実現するものであってもよいのはもちろんである。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は上記の通りであるので、安定したアーク起動が得られ、かつ、交流電源からの入力電流が鋭い尖頭波状にならないので交流電源に負担をかけることが少ない。また、平滑のために大容量のコンデンサを備える必要がないので装置を小型で安価にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアーク加工用電源装置の例を示す接続図である。
【図２】本発明のアーク加工用電源装置の別の例を示す接続図である。
【図３】従来の装置の例を示す接続図である。
【符号の説明】
１    交流電源
２    一次整流回路
３    平滑回路
４    インバータ回路
５    変圧器
６    二次整流回路
７ａ、７ｂ    出力端子
８    電極
９    被加工物
１０    インバータ制御回路
１１    出力設定器
１２    出力検出器
１３    力率改善回路
１４    アップスロープ回路
１５    比較器
１６    ブリッジ回路
１７    極性切替制御回路
１８    正極性期間設定回路
１９    逆極性期間設定回路
３１    リアクトル
３２    スイッチング素子
３３    ダイオード
３４    電解コンデンサ
３５    入力電流検出器
３６    スイッチング素子駆動回路
３７、３８    電圧検出器
３９、４１、４２    比較器
４０  掛算器
４３  発信器
４４    出力電圧設定器
５１、５２    直流電圧源
５３    比較器
５４    演算増幅器
５５    アナログスイッチ
５６、５７    ツエナーダイオード
５８ないし６０    抵抗器
６１    コンデンサ
６２    可変抵抗器
７１ないし７４    スイッチング素子
７５ないし７８    ダイオード
【図１】
0003981208.tif 000002
【図２】
0003981208.tif 000003
【図３】
0003981208.tif 000004