(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流回路及び平滑回路にて入力交流電源を直流電圧に変換する直流変換回路と、
第１〜第４のスイッチング素子を用いたブリッジ回路で構成され、その第１〜第４のスイッチング素子が所定組み毎でオンオフ駆動して前記直流変換回路からの直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、
前記第１〜第４のスイッチング素子をスイッチング制御するためのスイッチング制御信号を前記各スイッチング素子に出力し、そのスイッチング制御信号のオンパルス幅を変更して前記インバータ回路から出力される高周波交流電圧を調整する制御回路と
を備えた電源装置であって、
前記制御回路は、前記スイッチング制御信号のオンパルス幅を前記スイッチング素子が十分にオン可能な所定幅以上で変更して要求出力に対応し、その所定幅以下に相当する低出力が要求された時には、前記スイッチング制御信号のオンパルス幅を所定幅又は所定幅以上に維持しつつ、同組の前記スイッチング素子に出力する前記スイッチング制御信号間に位相差を生じさせ、同組の前記スイッチング素子の同時にオンする時間をその要求出力に合わせて調整することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記制御回路は、前記低出力が要求された時には、同組の前記スイッチング素子に出力する前記スイッチング制御信号の一方に対して他方を遅延させて位相差を生じさせることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電源装置において、
前記制御回路は、要求出力が前記低出力より高出力側においては、同組の前記スイッチング素子に出力する前記スイッチング制御信号の位相を一致させ、同組の前記スイッチング素子を同時にオンオフさせることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置のインバータ回路から出力される高周波交流電圧から、加工対象物のアーク加工を行うアーク加工用電圧を生成するように構成されている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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用電源等の入力交流電源を直流電圧に変換しその直流電圧から所定の交流電圧に変換するインバータ回路を有する電源装置、及び、その電源装置を用いたアーク加工用電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アーク加工機等に用いられる電源装置は、例えば特許文献１や特許文献２に示されるように、商用電源（三相交流電源）を整流回路にて整流し平滑コンデンサにて平滑化した直流電圧に変換する直流変換回路と、複数のスイッチング素子（第１〜第４のスイッチング素子）のブリッジ回路で構成される交流変換用のインバータ回路とを備えている。インバータ回路は、所定の組み合わせのスイッチング素子同士が同期してオンオフ制御（ＰＷＭ制御）され、直流変換回路からの直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換している。そして、インバータ回路からの所定の高周波交流電圧がアーク溶接やアーク切断等のアーク加工に適した加工用直流電圧に更に変換される。
【特許文献１】特開２００５−２３０８５９号公報
【特許文献２】特開平１０−１９１６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記したアーク加工用電源装置においてアーク加工出力を調整するには、インバータ回路の各スイッチング素子に供給する制御パルスのデューティが変更される。即ち、アーク加工出力を中・高出力とするには、制御パルスのオンパルス幅が広く設定されるが、アーク加工出力を低出力とするには、その制御パルスのオンパルス幅が狭く設定される。そのため、低出力設定時の中でもより低出力に設定する場合、制御パルスのオンパルス幅が極めて狭くなってしまい、この場合、何らかの要因で制御パルスが消滅する歯抜けが生じてしまうことがある。すると、出力電流のリップルが大きくなる等、アーク加工出力が不安定になったり、インバータ回路後段のトランスで偏磁が生じたりと、アーク加工機に種々の問題を引き起こしてしまう。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、低出力時の出力安定化を図ることができる電源装置及びアーク加工用電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、整流回路及び平滑回路にて入力交流電源を直流電圧に変換する直流変換回路と、第１〜第４のスイッチング素子を用いたブリッジ回路で構成され、その第１〜第４のスイッチング素子が所定組み毎でオンオフ駆動して前記直流変換回路からの直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記第１〜第４のスイッチング素子をスイッチング制御するためのスイッチング制御信号を前記各スイッチング素子に出力し、そのスイッチング制御信号のオンパルス幅を変更して前記インバータ回路から出力される高周波交流電圧を調整する制御回路とを備えた電源装置であって、前記制御回路は、前記スイッチング制御信号のオンパルス幅を前記スイッチング素子が十分にオン可能な所定幅以上で変更して要求出力に対応し、その所定幅以下に相当する低出力が要求された時には、前記スイッチング制御信号のオンパルス幅を所定幅又は所定幅以上に維持しつつ、同組の前記スイッチング素子に出力する前記スイッチング制御信号間に位相差を生じさせ、同組の前記スイッチング素子の同時にオンする時間をその要求出力に合わせて調整することをその要旨とする。
【０００６】
この発明では、低出力の要求がなされた場合、制御回路は、スイッチング制御信号のオンパルス幅をスイッチング素子が十分にオン可能な所定幅又は所定幅以上に維持しつつ、同組のスイッチング素子に出力するスイッチング制御信号間に位相差を生じさせ、同組のスイッチング素子の同時にオンする時間をその要求出力に合わせて調整する。これにより、低出力の要求がなされてもスイッチング素子が十分にオン可能な所定幅を以て確実にオンされるので、インバータ回路からの出力は安定化する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源装置において、前記制御回路は、前記低出力が要求された時には、同組の前記スイッチング素子に出力する前記スイッチング制御信号の一方に対して他方を遅延させて位相差を生じさせることをその要旨とする。
【０００８】
この発明では、低出力の要求がなされた場合、制御回路は、同組のスイッチング素子に出力するスイッチング制御信号の一方に対して他方を遅延させて位相差を生じさせる。つまり、スイッチング制御信号の他方のみの位相を変更すれば済むので、位相を遅延させる手段が少なくて済み、制御回路の構成の簡素化に寄与できる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の電源装置において、前記制御回路は、要求出力が前記低出力より高出力側においては、同組の前記スイッチング素子に出力する前記スイッチング制御信号の位相を一致させ、同組の前記スイッチング素子を同時にオンオフさせることをその要旨とする。
【００１０】
この発明では、要求出力が前記低出力より高出力側において、制御回路は、同組のスイッチング素子に出力するスイッチング制御信号の位相を一致させ、同組のスイッチング素子を同時にオンオフさせる。これにより、スイッチング制御信号のオンパルス幅がより広く調整可能となり、より高出力の要求にも対応できる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置のインバータ回路から出力される高周波交流電圧から、加工対象物のアーク加工を行うアーク加工用電圧を生成するように構成されているアーク加工用電源装置である。
【００１２】
この発明では、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置が用いられて構成されるため、上記各請求項の作用効果が得られるアーク加工用電源装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低出力時の出力安定化を図ることができる電源装置及びアーク加工用電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態のアーク加工用電源装置１１を備えたアーク加工機１０を示す。アーク加工機１０は、その電源装置１１から出力される加工用直流電圧をトーチＴＨに供給し、そのトーチＴＨから加工対象物Ｍに向けてアークを発生させることで、加工対象物Ｍに対してアーク溶接やアーク切断等のアーク加工を行う装置である。このようなアーク加工機１０に用いるアーク加工用電源装置１１は、入力される例えば２００Ｖ又は４００Ｖの商用電源（三相交流電圧）を直流電圧に変換する直流変換回路１２と、その直流電圧を所定の高周波交流電圧に変換するインバータ回路１３とを備え、そのインバータ回路１３からの高周波交流電圧を加工用直流電圧に更に変換している。
【００１５】
直流変換回路１２は、ダイオードを用いたブリッジ回路で構成され三相の入力交流電源を全波整流する一次側整流回路ＤＲ１と、該整流回路ＤＲ１の出力側の第１及び第２の電源線Ｌ１，Ｌ２間に直列に接続され該整流回路ＤＲ１の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサＣ１とを有してなる。直流変換回路１２は、この整流回路ＤＲ１及び平滑コンデンサＣ１にて入力交流電源から直流電圧を生成し、該直流電圧が後段のインバータ回路１３に供給される。
【００１６】
インバータ回路１３は、電源線Ｌ１，Ｌ２に接続され、４個のＩＧＢＴよりなる第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４を用いたブリッジ回路で構成されている。尚、これら第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４には、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４が逆接続されている。第１〜第４のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４は、制御回路１４のＰＷＭ制御に基づいて、第１及び第４のスイッチング素子ＴＲ１，ＴＲ４の組みと第２及び第３のスイッチング素子ＴＲ２，ＴＲ３の組みとが交互にオンオフ駆動される。これにより、直流変換回路１２にて生成した直流電圧が所定の高周波交流電圧に変換され、インバータ出力電圧として変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給される。
【００１７】
インバータ回路１３で生成されたインバータ出力電圧（高周波交流電圧）は、変圧器ＩＮＴの一次側コイルに供給され、該変圧器ＩＮＴの二次側には、二次整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬが備えられる。二次整流回路ＤＲ２及び直流リアクトルＤＣＬは、インバータ回路１３からの高周波交流電圧をアーク加工用直流電圧に変換し、この加工用直流電圧は、直流リアクトルＤＣＬ側の出力線Ｌ３を介してトーチＴＨに出力される。一方、出力線Ｌ４は加工対象物Ｍと接続され、アーク加工用電圧の供給に基づきトーチＴＨから加工対象物Ｍに向けてアークが生じるようになっている。
【００１８】
また、出力線Ｌ４上には、実出力電流値を検出する出力電流検出回路ＩＤが接続されている。出力電流検出回路ＩＤは、検出した出力電流値を出力電流検出信号Ｉｄとして比較演算回路ＥＲに出力し、該比較演算回路ＥＲでは、その出力電流検出信号Ｉｄと、出力電流設定器ＩＲからの出力電流設定信号Ｉｒとが比較される。因みに、出力電流設定器ＩＲでは、アーク加工を行う加工対象物Ｍに応じた出力電流値となるように人の操作等によりその出力電流値の設定がなされ、その設定に応じた出力電流設定信号Ｉｒが比較演算回路ＥＲに出力される。比較演算回路ＥＲは、出力電流検出信号Ｉｄと出力電流設定信号Ｉｒとを比較した比較演算信号Ｅｒ、即ち出力電流値と設定値との偏差を比較演算信号Ｅｒとして制御回路１４に出力し、この比較演算信号Ｅｒが制御回路１４でのフィードバック制御に用いられる。
【００１９】
そして、制御回路１４は、出力電流設定器ＩＲによるアーク加工出力の設定が例えばＰＷＭ制御のデューティ設定幅が０％〜最大４５％に対し５％〜４５％の範囲内となる中・高出力か、デューティが５％以下となる低出力かに応じて（数値はこれらに限らない）、各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４を制御するためのＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成している。ドライバ回路１５は、各ＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４に基づく駆動制御信号Ｖｇ１〜Ｖｇ４をそれぞれ各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のゲートに出力する。
【００２０】
ここで、ＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成に関し、制御回路１４は、図４に示すように三角波電圧とパルス幅設定電圧とからインバータ出力を求め、前記出力設定値に応じて三角波電圧に対するパルス幅設定電圧を上下させることで、そのインバータ出力のオンパルス幅が変更される。出力設定値が中〜高に設定されればパルス幅設定電圧を下げてインバータ出力のオンパルス幅が広くされ、出力設定値が低に設定されればパルス幅設定電圧を上げてインバータ出力のオンパルス幅が狭くされる。
【００２１】
インバータ出力と同じオンパルス幅のＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４にてスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４を同組同時にオンオフさせる構成の場合、そのオンパルス幅が著しく狭くなってくると、例えばドライバ回路１５を経ることで駆動制御信号Ｖｇ１〜Ｖｇ４の電圧が十分に上昇しないで制御パルスが消滅する所謂歯抜けが生じてしまう。すると、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４が正常にオンせず、出力不安定や偏磁といった種々の不具合が発生することとなる。そのため、本実施形態の制御回路１４では、各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４を正常にオン可能なオンパルス幅を最低限保障しつつも、出力設定値に対応したインバータ出力とする構成となっている。
【００２２】
即ち、制御回路１４は、三角波電圧とパルス幅設定電圧とから求めたインバータ出力と、最低パルス幅Ｔ０の幅保障パルスとのオアをとり、インバータ出力のオンパルス幅が幅保障パルスのそれよりも広くなる中・高出力設定時には、求めたインバータ出力と同じのオンパルス幅で且つ同組の位相を一致させたＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４を生成する。これにより、図２に示すように、求めたインバータ出力と同じオンパルス幅よりなるＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４に基づいて駆動制御信号Ｖｇ１〜Ｖｇ４が生成され、該駆動制御信号Ｖｇ１〜Ｖｇ４に基づいて同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４が同時にオンオフされて、高周波交流電圧よりなるインバータ出力電圧が生成される。
【００２３】
また、インバータ出力のオンパルス幅が幅保障パルスのそれよりも狭くなる低出力設定時においては、図４に示すように、ＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅を幅保障パルスと同じに設定するとともに、狭くなる分（時間Ｔ１）だけＰＷＭ制御信号Ｓ１に対してＰＷＭ制御信号Ｓ４の位相を遅延させ、ＰＷＭ制御信号Ｓ２に対してＰＷＭ制御信号Ｓ３の位相を遅延させる。このとき、インバータ出力のオンパルス幅が幅保障パルスのそれよりも狭くなった次のＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルスから位相を遅延させている。つまり、このようにして同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンオフタイミングをずらして同時にオンする時間を調整することで、求めたインバータ出力に相応する出力電圧が生成されるようになっている。これにより、図３に示すように、幅狭のインバータ出力電圧であっても確実に出力でき、アーク加工出力の安定化が図られている。
【００２４】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態の制御回路１４は、低出力の要求がなされた場合、ＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅をスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４が十分にオン可能な最低パルス幅Ｔ０に維持しつつ、同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に出力するＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４間に位相差を生じさせ、同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４の同時にオンする時間をその要求出力に合わせて調整するようにした。これにより、低出力の要求がなされてもスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４が十分にオン可能な所定幅を以て確実にオンされるので、インバータ回路１３からの出力、ひいてはアーク加工用電源装置１１の出力はより安定となる。
【００２５】
（２）本実施形態の制御回路１４は、低出力の要求がなされた場合、同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に出力するＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４の一方に対して他方を遅延させて位相差を生じさせるようにした。具体的には、ＰＷＭ制御信号Ｓ１に対して制御信号Ｓ４が、ＰＷＭ制御信号Ｓ２に対して制御信号Ｓ３が遅延される。つまり、ＰＷＭ制御信号Ｓ３，Ｓ４のみの位相を変更すれば済むので、位相を遅延させる手段が少なくて済み、制御回路１４の構成の簡素化に寄与することができる。
【００２６】
（３）本実施形態の制御回路１４は、要求出力が高出力側においては、同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に出力するＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４の位相を一致させ、同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４を同時にオンオフさせるようにした。これにより、ＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４のオンパルス幅がより広く調整可能となり、より高出力の要求にも対応することができる。
【００２７】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４のオンパルス幅の下限をオン可能な最低パルス幅Ｔ０としたが、最低パルス幅Ｔ０でなくこれ以上の所定幅としてもよい。
【００２８】
・上記実施形態では、同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に出力するＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４の一方に対して他方を遅延させて位相差を生じさせたが、その両者の位相をずらして相互に位相差が生じるようにしてもよい。
【００２９】
・上記実施形態では、低出力時のみ、同組のスイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４に出力するＰＷＭ制御信号Ｓ１〜Ｓ４の位相制御を行ったが、中・高出力時においても位相制御を行うようにしてもよい。
【００３０】
・上記実施形態では、各スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４にＩＧＢＴを用いたが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を用いて構成してもよい。
・上記実施形態では、ＰＷＭ制御を実施するものに適用したが、例えばＰＦＭ制御等、その他のスイッチング制御を行うものに適用してもよい。
【００３１】
・上記実施形態では、アーク加工用電源装置１１に実施したが、アーク加工用以外の目的で用いられる電源装置、例えば直流変換回路１２及びインバータ回路１３を有する交流−交流変換電源装置に実施してもよい。また、インバータ回路１３を有する直流−交流変換電源装置に実施してもよい。
【００３２】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）  第１〜第４のスイッチング素子を用いたブリッジ回路で構成され、その第１〜第４のスイッチング素子が所定組み毎でオンオフ駆動して入力直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、
前記第１〜第４のスイッチング素子をスイッチング制御するためのスイッチング制御信号を前記各スイッチング素子に出力し、そのスイッチング制御信号のオンパルス幅を変更して前記インバータ回路から出力される高周波交流電圧を調整する制御回路と
を備えた電源装置であって、
前記制御回路は、前記スイッチング制御信号のオンパルス幅を前記スイッチング素子が十分にオン可能な所定幅以上で変更して要求出力に対応し、その所定幅以下に相当する低出力が要求された時には、前記スイッチング制御信号のオンパルス幅を所定幅又は所定幅以上に維持しつつ、同組の前記スイッチング素子に出力する前記スイッチング制御信号間に位相差を生じさせ、同組の前記スイッチング素子の同時にオンする時間をその要求出力に合わせて調整することを特徴とする電源装置。
【００３３】
このように構成すれば、上記請求項１と同様の作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態におけるアーク加工用電源装置を示す回路図である。
【図２】電源装置の中・高出力設定時の波形図である。
【図３】電源装置の低出力設定時の波形図である。
【図４】ＰＷＭ制御信号の生成を説明するための波形図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１…電源装置、１２…直流変換回路、１３…インバータ回路、１４…制御回路、Ｃ１…平滑コンデンサ（平滑回路）、ＤＲ１…一次側整流回路（整流回路）、Ｍ…加工対象物、Ｓ１〜Ｓ４…ＰＷＭ制御信号（スイッチング制御信号）、ＴＲ１〜ＴＲ４…第１〜第４のスイッチング素子、Ｔ０…最低パルス幅（所定幅）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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