溶接電源

**溶接電源**（ようせつでんげん、）は、アーク溶接を行うために電流を供給または調整する装置である。 アーク溶接プロセスには、被覆アーク溶接 (SMAW)から、ガスメタルアーク溶接 (GMAW, MAG)やガスタングステンアーク溶接 (GTAW, TIG)のような不活性シールドガスを用いるものまで多岐にわたる。溶接電源は、主に溶接者が電流の種類（交流または直流）、および電流と電圧の量を制御できるようにするための装置として機能する。

シールドガスを使用する溶接プロセスのための電源には、ガス接続口やガスの流量を制御する機構も備わっている。オペレータは、使用する金属の種類、厚さ、および技法に応じて、必要なパラメータの範囲内にこれらの要素を設定できる。大半の溶接電源はそれ自体で発電を行うわけではなく、必要に応じて電気的特性を調整できる制御可能な変圧器として機能する。しかし、電力網から孤立した場所で使用されるSMAWなどの一部の溶接用途では、発電機能と電流調整機能を、車両や牽引トレーラーに搭載された単一の移動ユニットに組み合わせた溶接電源（エンジン溶接機）が使用される。

## 分類
溶接機は通常、定電流（CC）型または定電圧（CV）型に分類される。定電流型は安定した電流を維持するために出力電圧を変化させ、定電圧型は設定された電圧を維持するために出力電流を変動させる。被覆アーク溶接やティグ溶接では定電流源が使用され、マグ溶接や（ノンガス溶接など）では通常、定電圧源が使用されるが、電圧感応型ワイヤフィード装置を用いれば定電流源での運用も可能である。

定電流源は、被覆アーク溶接やガスタングステンアーク溶接のように手動で行われる溶接作業に使用される。手動プロセスであるため、作業中にアーク長を一定に保つことは困難である。これは、溶接中にワークピースの真上の全く同じ位置に手を保持し続けるには非常に高度なスキルが必要であるという事実に起因する。定電流源を使用することで、アーク長が変化してアーク電圧が変化したとしても、溶接電流が大きく変化しないことが保証され、溶接ゾーンへの入熱が作業全体を通してほぼ一定に保たれる。

もし溶接者が被覆アーク溶接（SMAW）の作業にCV機を使用しようとすれば、アーク距離のわずかな変動がマシンの電流出力に大きな変動を引き起こすことになる。CC機を使用すれば、電気アークがどれほど短くなったり長くなったりしても、材料に届くアンペア数が一定であると信頼して作業できる。

## 電源の設計
最も一般的に見られる溶接電源は、以下のタイプに分類できる。

### 変圧器
変圧器（トランス）方式の溶接電源は、商用電源（通常は230Vまたは115V AC）からの適度な電圧と電流の電気を、高電流・低電圧の供給へと変換する。通常、二次側は17から45（開放電圧）ボルト、55から590アンペアである。高価なマシンでは整流器を用いてACをDCに変換する。

この設計では通常、一次巻線を二次巻線に近づけたり遠ざけたりする、変圧器の鉄心に対して磁気シャントを出し入れする、二次電流出力と直列に可変飽和技術を備えた可動鉄心式リアクトルを使用する、あるいは単に変圧器の二次巻線のタップを選択することによって、溶接者が出力電流を選択できる。これらの変圧器方式のマシンは通常、最も安価である。

コストが低いことの代償として、純粋な変圧器設計は50Hzまたは60Hzの商用電源周波数で動作するため、かさばり重量が大きくなることが多い。このような低周波変圧器は、無駄なシャント電流を避けるために高い磁化インダクタンスを持たなければならない。また、溶接棒がワークピースに固着した場合の短絡保護のために、大きな漏れインダクタンスを持たせることがある。この漏れインダクタンスを可変にすることで、オペレータが出力電流を設定できるようにすることもある。

### 発電機および交流発電機
溶接電源は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換するために発電機または交流発電機（オルタネーター）を使用することもある。現代の設計は通常内燃機関によって駆動されるが、古いマシンでは電気モーターを使用して交流発電機や発電機を駆動する場合もある。この構成では、商用電力がまず機械的エネルギーに変換され、その後再び電気的エネルギーに戻されることで、変圧器と同様の降圧効果を得る。発電機の出力は直流、あるいはより高い周波数の交流にできるため、これらの古いマシンは整流器を必要とせずにACからDCを生成したり、かつて使用されていた初期のヘリアーク（現在はTIG溶接と呼ばれることが多い）の実装に使用されたりした。高周波アドオンモジュールボックスを必要とせず、交流発電機が直接高周波交流電流を生成することで対応していた。

### インバータ
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT)などの高電力半導体の登場により、アーク溶接の高負荷に対応できるスイッチング電源を構築することが可能になった。これらの設計はインバータ溶接機として知られている。一般的に、まず商用AC電力をDCに整流し、次にそのDC電力を降圧変圧器へとスイッチング（変換）して、所望の溶接電圧または電流を生成する。スイッチング周波数は通常10kHz以上である。高いスイッチング周波数は洗練された部品と回路を必要とするが、特定の電力レベルを達成するために必要な磁気部品（変圧器およびインダクタ）の質量は動作（スイッチング）周波数が高くなるにつれて急速に減少するため、降圧変圧器の体積を劇的に減らすことができる。

インバータ回路は、電力制御や過負荷保護などの機能も提供できる。高周波インバータベースの溶接機は通常、非インバータ溶接機よりも効率が高く、可変的な機能パラメータをより良好に制御できる。

インバータ機内のIGBTはマイクロコントローラによって制御されるため、溶接電力の電気的特性は、数百から数千サイクルかけてゆっくり変更するのではなく、サイクル単位でリアルタイムにソフトウェアによって変更できる。通常、制御ソフトウェアは、溶接電流のパルス化、溶接サイクルを通じた可変比率と電流密度の提供、掃引または段階的な可変周波数の有効化、および自動スポット溶接の実装に必要なタイミングの提供などの機能を実装する。これらの機能はすべて、変圧器ベースのマシンに組み込むには法外なコストがかかるが、ソフトウェア制御のインバータマシンではプログラムメモリの容量を必要とするだけである。同様に、必要に応じてソフトウェアアップデートを通じて、より現代的な溶接機を買い直すことなく、ソフトウェア制御のインバータマシンに新機能を追加することも可能である。

### その他のタイプ
変圧器、モーター/発電機、およびインバータを使用するタイプの他にも、追加のタイプの溶接機が存在する。例えば、レーザー溶接機も存在し、それらは前述のいずれのタイプにも当てはまらない、全く異なるタイプの溶接電源設計を必要とする。同様に、スポット溶接機も異なるタイプの溶接電源を必要とし、通常、他のタイプの溶接電源には一般的に見られない精巧なタイミング回路や大きなコンデンサバンクを備えている。

## 参考文献

## 外部リンク

* http://www.millerwelds.com/education/articles/articles31.html Miller Electric news release on IGBT technology for welding inverters 8 April 2003 
* Frank G. Armao, http://www.lincolnelectric.com/en-us/support/process-and-theory/Pages/inverter-based-power-detail.aspx Inverter Based Welding Power Supplies for Welding Aluminum, The Lincoln Electric Company (Lincoln Electric tutorial on inverter-based welding machines)
* http://weldingheaven.com/what-is-an-inverter-welder/ How does an inverter welder work