(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する直流電源と、
トーチと母材とからなる溶接負荷の前記母材側から前記トーチ側に電流を流す正極性電圧と、前記トーチ側から前記母材側に電流を流す第１の負極性電圧とに、交互に変化する交流電圧に、前記直流電源の直流電圧を、変換して、前記溶接負荷に供給する直流−交流変換器と、
前記正極性電圧から前記第１の負極性電圧への移行時から前記第１の負極性電圧の期間よりも短い期間にわたって、前記第１の負極性電圧のピーク値よりも値が大きいピーク値から急峻に変化する第２の負極性電圧を、前記交流電源または直流電源に基づいて生成し、前記溶接負荷に供給する重畳電源とを、具備し、
前記重畳電源は、
前記第１の負極性電圧よりもピーク値の大きいピーク値を持つ直流電圧を発生する補助電源と、
前記正極性電圧から前記第１の負極性電圧への移行時から、前記第１の負極性電圧の期間よりも短い期間に亘って導通するスイッチング手段と、
前記補助電源と前記溶接負荷との間に、前記スイッチング手段と直列に接続された限流抵抗器と、
この限流抵抗器と並列に接続され、かつ抵抗器を有する微分回路とを、
具備し、前記微分回路の抵抗器は、前記限流抵抗器よりも抵抗値が小さく、
前記補助電源は、その出力側に平滑用コンデンサを有する
アーク溶接機用電源装置。
【請求項２】
請求項１記載のアーク溶接機用電源装置において、前記直流電源は、交流電圧が入力され、この交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換器であり、前記補助電源は、前記交流電圧を前記第１の負極性電圧よりもピーク値の大きいピーク値を持つ直流電圧に変換するアーク溶接機用電源装置。
【請求項３】
請求項１記載のアーク溶接機用電源装置において、前記補助電源は、前記直流電源からの直流電圧を昇圧する昇圧器であるアーク溶接機用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流アーク溶接機用の電源装置に関し、特に直流電圧から変換された交流電圧を使用するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記の交流アーク溶接機用の電源装置としては、例えば図６に示すようなものがあった。この電源装置は、電源入力端子２ａ乃至２ｃを有し、これらに交流電源、例えば三相商用交流電源（図示せず）が接続される。これら電源入力端子２ａ乃至２ｃは、入力側整流回路４に接続されている。この入力側整流回路４は、三相商用交流電圧を整流する。この整流電圧が平滑用コンデンサ６によって平滑され、直流化される。この直流電圧は、直流−高周波変換手段、例えば高周波インバータ８に供給され、高周波電圧に変換される。この高周波インバータ８は、図示していないが、複数の半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタまたはＦＥＴを有し、これらの導通期間がインバータ制御回路９によって制御されている。この高周波電圧は、変圧器１０の一次巻線１０Ｐに供給される。変圧器１０の二次巻線１０Ｓには、変圧された高周波電圧が誘起される。この変圧高周波電圧が、出力側整流回路１２のダイオード１２ａ乃至１２ｄによって整流され、その整流電圧が、正出力端子１２Ｐ、負出力端子１２Ｎに生じる。この整流電圧が、平滑用リアクトル１４ａ、１４ｂによって平滑される。これら入力側整流器４、平滑用コンデンサ６、変圧器８、出力側整流器１０、平滑用リアクトル１４ａ、１４ｂによって直流電源が構成されている。
【０００３】
この直流電源からの直流電圧が、直流−交流変換器１６に供給されて、交流電圧に変換されて、溶接負荷、例えば母材１８とトーチ２０とに供給される。直流−交流変換器１６は、平滑リアクトル１４ａを介して出力側整流器１２の正出力端子１２Ｐに接続された半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ２２ａを有している。即ち、このＩＧＢＴ２２ａのコレクタが平滑リアクトル１４ａを介して正出力端子１２Ｐに接続され、ＩＧＢＴ２２ａのエミッタが母材１８に接続されている。同様に、直流−交流変換器１６は、平滑リアクトル１４ｂを介して出力側整流器１２の負出力端子１２Ｎに接続された半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ２２ｂを有している。即ち、このＩＧＢＴ２２ａのエミッタが平滑リアクトル１４ｂを介して負出力端子１２Ｎに接続され、ＩＧＢＴ２２ｂのコレクタが母材１８に接続されている。そして、変圧器１０の二次巻線１０Ｓの中間タップ１０Ｔがトーチ２０に接続されている。ＩＧＢＴ２２ａ、ＩＧＢＴ２２ｂのエミッタ・コレクタには逆並列にダイオード２４ａ、２４ｂが接続されている。ＩＧＢＴ２２ａ、２２ｂのゲートには、直流−交流変換用制御回路２６から所定周波数（数十乃至数百Ｈｚ）の制御信号が供給され、ＩＧＢＴ２２ａ、２２ｂは交互に導通する。例えば、ＩＧＢＴ２２ａが導通しているとき、正出力端子１２Ｐから平滑用リアクトル１４ａ、ＩＧＢＴ２２ａ、母材１８、トーチ２０、中間タップ１０Ｔに、図７（ａ）に符号Ｔｐｅで示すように、正極性の電流が流れる。逆に、ＩＧＢＴ２２ｂが導通しているとき、中間タップ１０Ｔ、トーチ２０、母材１８、ＩＧＢＴ２２ｂ、平滑リアクトル１４ｂ、負出力端子１２Ｎに、図７（ａ）に符号Ｔｎｅで示すように、負極性の電流が流れる。これによって、母材１８とトーチ２０との間に交流アークが発生し、溶接が行われる。
【０００４】
溶接電流を図７（ａ）に示すように、矩形波としても、溶接電流が例えば５０Ａ以下の小電流になると、直流リアクトル１４ａ、１４ｂに蓄積されたエネルギーが充分でなく、正極性から負極性に移行するときに、トーチ２０と母材１８との間でのアークの再点弧が困難になりやすい。
【０００５】
アークの再点弧を容易にするため、再点弧電圧を重畳するための重畳電源２８が設けられている。この重畳電源２８は、昇圧用変圧器３０を有している。これの一次巻線３０Ｐは、電源端子２ａ、２ｂに接続され、これらからの交流電圧が昇圧されて、昇圧用変圧器３０の二次側巻線３０Ｓに誘起される。この昇圧交流電圧は整流器３２によって整流され、平滑用の抵抗器３４とコンデンサ３６とによって平滑される。変圧器３０、整流器３２、抵抗器３４及びコンデンサ３６によって補助電源が構成されている。この平滑された直流電圧のピーク値は、負極性の期間に母材１８とトーチ２０とに印加される電圧のピーク値よりも大きい値である。この直流電圧は、半導体スイッチング素子、例えばバイポーラトランジスタ３８、限流抵抗器４０の直列回路を介してトーチ２０と母材１８との間に、ＩＧＢＴ２２ｂを介して供給される。この印加は、母材１８が負極性で、トーチ２０が正極性になるように行われ、しかも、ＩＧＢＴ２２ｂが導通して、母材１８が負極性で、トーチ２０が正極性になっている状態において行われている。この印加は、バイポーラトランジスタ３８を導通させることによって行われ、その導通期間は、重畳電圧制御回路４２からバイポーラトランジスタ３８のベースに供給される制御信号によって制御される。重畳電圧制御回路４２は、直流−交流変換用制御回路２６がＩＧＢＴ２２ｂを導通させるために制御信号を発生するタイミングに同期して、バイポーラトランジスタ３８に制御信号の供給を開始する。この制御信号の供給期間は、負極性期間よりも短い期間である。なお、限流抵抗器４０とバイポーラトランジスタ３８とに並列にダイオード４４が接続され、直流−交流変換器１６への入力電圧（中間タップ１０Ｔと負出力端子１２Ｎとの間の電圧）が過渡的に上昇した場合、ダイオード４４が導通して、この過渡電圧をコンデンサ３６によって吸収する。
【０００６】
このように構成された電源装置では、正極性から負極性に移行する際に、トランジスタ３８が導通し、図７（ｂ）に示すように、補助電源２８から直流電圧を供給するので、アークの再点弧が容易になる。なお、このとき、コンデンサ３６と抵抗器４０によって積分回路が構成されているので、コンデンサ３６からの直流電圧の放電の立ち上がりは緩やかである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような電源装置では、アークの再点弧には、母材１８とトーチ２０との間に無負荷電圧として例えば２００Ｖ以上の電圧が必要であり、安定して再点弧させるためには、２５０Ｖ以上の無負荷電圧が必要である。しかし、電源端子２ａ乃至２ｃに供給されている電圧が電圧変動等によって低下した場合、安定して再点弧を行わせるために必要な電圧を供給することができないことがあった。
【０００８】
本発明は、小電流領域の溶接の正極性から負極性への移行時に、アークの再点弧を確実に行うことができる電源装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による電源装置は、直流電源を有している。この直流電源は、商用交流電源を例えば整流及び平滑したものを使用する。トーチと母材とからなる溶接負荷の前記母材側から前記トーチ側に電流を流す正極性電圧と、前記トーチ側から前記母材側に電流を流す第１の負極性電圧とに、交互に変化する交流電圧に、前記直流電源の直流電圧を、直流−交流変換器が、変換して、前記溶接負荷に供給する。この直流−交流変換器の交流電圧が正極性電圧から前記第１の負極性電圧へ移行する時から前記第１の負極性電圧の期間よりも短い期間にわたって、第１の負極性電圧のピーク値よりも値が大きいピーク値から急峻に変化する第２の負極性電圧を、重畳電源が、交流電源または直流電源に基づいて生成し、溶接負荷に供給する。重畳電源は、第１の負極性電圧よりもピーク値の大きいピーク値を持つ直流電圧を発生する補助電源と、第１の負極性電圧の期間よりも短い期間に亘って導通するスイッチング手段と、補助電源と溶接負荷との間に、スイッチング手段と直列に接続された限流抵抗器と、この限流抵抗器と並列に接続され、かつ抵抗器を有する微分回路とを、具備している。微分回路の抵抗器は、前記限流抵抗器よりも抵抗値が小さく選択されている。
【００１０】
このように構成された電源装置では、第１の負極性電圧のピーク値よりも値が大きいピーク値から急峻に変化する第２の負極性電圧を、溶接負荷に重畳電源が供給して、アークの再点弧を確保する。そのため、スイッチング手段が導通すると、限流抵抗器よりも小さな抵抗値を持つ抵抗器を備えた微分回路を介して電流が流れ、大きな電圧が溶接負荷に供給される。もし、微分回路を設けていなければ、電流は限流抵抗器を介して流れるので、大きな電圧を溶接負荷に供給することができない。従って、直流電源や交流電源の電圧が変動して、重畳電源の補助電源の電圧が低下しても、限流抵抗器のみが設けられている場合よりも大きな電圧を溶接負荷に供給することができ、アークの再点弧をより確実に行うことができる。
【００１１】
補助電源は、その出力側に平滑用コンデンサを有している。平滑用コンデンサを設けた補助電源を用いて、微分回路を設けていない場合、平滑用コンデンサと限流抵抗器とによって積分回路が構成され、溶接負荷への電圧は緩やかにしか上昇しないが、この発明では、微分回路を設けているので、平滑用コンデンサからの電荷は微分回路を介して溶接負荷に供給されるので、溶接負荷の電圧は急速に立ち上がる。
【００１２】
また、直流電源は、交流電圧が入力され、この交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換器とすることができる。この場合、補助電源は、前記交流電圧を前記第１の負極性電圧よりもピーク値の大きいピーク値を持つ直流電圧に変換する。また、補助電源は、直流電源からの直流電圧を昇圧する昇圧器とすることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態の電源装置は、図１に示すように、限流抵抗器４０に並列に微分回路４６を設けたものである。他の構成は、図６に示した従来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。
【００１４】
この微分回路４６は、抵抗器４８とコンデンサ５０との直列回路からなる。抵抗器４８の抵抗値は、限流抵抗器４０の抵抗値よりも小さく設定されている。また、コンデンサ５０は、トランジスタ３８が導通している期間よりも短い期間に充電が完了する値に容量値が設定されている。
【００１５】
このように構成された電源装置では、図２（ａ）に示す時刻ｔ１ごとに、母材１８とトーチ２０とに供給される電流が正極性から負極性に移行する。このとき、トランジスタ３８が導通する。これによって、コンデンサ３６の電荷が、トランジスタ３８、抵抗器４８、コンデンサ５０を介して、ＩＧＢＴ２２ｂを介して母材１８とトーチ２０とに供給される。このとき、抵抗器４８の値は、限流抵抗器４０の抵抗値よりも小さく設定されているので、実質的に電流は、抵抗器４８、コンデンサ５０を介して流れ、そのとき、母材１８とトーチ２０とに供給される電圧は、微分回路４６を設けず、限流抵抗器４０によって電圧を供給した場合よりも大きな値になる。従って、電圧変動によって、電源端子２ａ乃至２ｃの電圧が小さくなっても、相対的に大きな電圧が母材１８とトーチ２０とに供給され、アークの再点弧が確実に行われる。コンデンサ５０の充電は、トランジスタ３８の導通期間よりも短い期間で終了するので、その後は、電流は実質的に微分回路４６を流れず、限流抵抗器４０を介して流れる。図２（ｂ）に、母材１８とトーチ２０とに供給される電圧の波形を示す。この波形と、図７（ｂ）の比較から明らかなように、この電源装置の方が、高い電圧を母材１８とトーチ２０との間に供給することができる。従って、正極性から負極性の移行時に、確実にアークの再点弧を行うことができる。
【００１６】
図３に第２の実施の形態の電源装置を示す。この実施の形態では、直流−交流変換器１６ａに、フルブリッジ構成のインバータを使用したものである。
【００１７】
直流−交流変換器１６ａは、半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１２２ａ乃至１２２ｄを有し、ＩＧＢＴ１２２ａ、１２２ｃのコレクタ・エミッタ導電路が直列に接続され、ＩＧＢＴ１２２ｂ、１２２ｄのコレクタ・エミッタ導電路も直列に接続され、これら２つの直列回路が並列に接続されている。この並列回路の両端に、出力側整流回路１２の出力電圧が、平滑リアクトル１４ａを介して供給されている。また、ＩＧＢＴ１２２ｂと１２２ｄとの接続点にトーチ２０が接続され、ＩＧＢＴ１２２ａと１２２ｃとの接続点に母材１８が接続されている。ＩＧＢＴ１２２ａ乃至１２２ｄのコレクタとエミッタとの間にフライホイールダイオード１２４ａ乃至１２４ｄが逆並列に接続されている。
【００１８】
直流−交流変換器１６ａでは、ＩＧＢＴ１２２ａ、１２２ｄが導通しているとき、母材１８が正極性、トーチ２０が負極性の電圧が印加される。また、ＩＧＢＴ１２２ｂ、２１２２ｃが導通しているとき、母材１８が負極性、トーチ２０が正極性の電圧が印加される。このようにＩＧＢＴ１２２ａ、１２２ｄの対と、ＩＧＢＴ１２２ｂ、１２２ｃの対とが交互に導通することによって、母材１８とトーチ２０とに交流電圧が印加されている。
【００１９】
コンデンサ３６からの直流電圧は、トランジスタ３８、限流抵抗器４０及び微分回路４６を介して、上記並列回路の両端に供給されている。ＩＧＢＴ１２２ｂ、１２２ｃが導通したときに、トランジスタ３８が導通する。
【００２０】
図４に第３の実施の形態の電源装置を示す。この実施の形態の電源装置は、第２の実施の形態において、重畳電源２８ａにおいて、昇圧用変圧器３０に代えて、リアクトル５２とスイッチング素子、例えばバイポーラトランジスタ５４とを用いた補助電源、例えば昇圧器５６を使用している。即ち、リアクトル５２の一端がダイオード５１ａ、５１ｂを介して、二次巻線１０ｓに接続されている。このリアクトル５２の他端にトランジスタ５４のコレクタが接続されている。このコレクタは、逆流防止用ダイオード５８を介して平滑用コンデンサ３６の一端とトランジスタ３８のコレクタとの接続点に接続されている。トランジスタ５４のエミッタと平滑用コンデンサ３６の他端とが接続され、その接続点は出力側整流器１２の出力端子１２Ｎに接続されている。トランジスタ５４のベースには、図示しない駆動回路から所定の周期で駆動信号が供給され、駆動信号が供給されている期間、トランジスタ５２が導通する。他の構成は、第２の実施の形態の電源装置と同一である。
【００２１】
この昇圧器５６では、トランジスタ５４が導通している期間、リアクトル５２、トランジスタ５４に電流が流れ、リアクトル５２には、エネルギーが蓄積される。トランジスタ５４が非導通の期間、出力端子１２Ｐ、１２Ｎ間の電圧にリアクトル５２に誘起された電圧が重畳され、昇圧が行われる。
【００２２】
図５に第４の実施の形態の電源装置を示す。この電源装置は、第１の実施の形態において、重畳電源２８ａに、第３の実施の形態と同様に、昇圧器５６を用いたものである。他の構成は、第１の実施の形態の電源装置と同様に構成されている。
【００２３】
上記の各実施の形態では、コンデンサ３６からの電圧は、直流−交流変換器１６または１６ａを介して母材１８とトーチ２０との間に印加したが、直接に母材１８とトーチ２０との間に印加することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、正極性から負極性に移行するときに、電圧変動があっても、大きな電圧を重畳することができるので、再点弧を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のアーク溶接機の電源装置の回路図である。
【図２】図１の電源装置の各部の波形図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態のアーク溶接機の電源装置の回路図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態のアーク溶接機の電源装置の回路図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態のアーク溶接機の電源装置の回路図である。
【図６】従来のアーク溶接機の電源装置の回路図である。
【図７】図６の電源装置の各部の波形図である。
【符号の説明】
４  入力側整流回路
６  平滑用コンデンサ
８  インバータ
１０  変圧器
１２  出力側整流器
１４ａ  １４ｂ  平滑用リアクトル
１６  １６ａ  直流−交流変換器
２８  ２８ａ  補助電源
【図１】
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【図２】
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【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】
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