JP2019104040A - 被覆アーク溶接システム、および、被覆アーク溶接用の溶接電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】力率を改善した被覆アーク溶接システムを提供する。【解決手段】被覆アーク溶接棒Ｂと、被覆アーク溶接棒Ｂに電力を供給する溶接電源装置Ａ１とを備えている被覆アーク溶接システムにおいて、溶接電源装置Ａ１が、交流電力を直流電力に変換する整流平滑回路５と、整流平滑回路５が出力する直流電力を交流電力に変換して、被覆アーク溶接棒Ｂに出力するインバータ回路７とを備えるようにした。そして、インバータ回路７が出力する電流の波形を矩形波状にした。【選択図】図１

Description

本発明は、被覆アーク溶接システム、および、被覆アーク溶接用の溶接電源装置に関する。

屋外での作業に適した溶接として、被覆アーク溶接が知られている。被覆アーク溶接では、被覆アーク溶接棒の先端と被加工物との間にアークを発生させて、当該アークの熱によって溶接が行われる。被覆アーク溶接の場合、炭酸ガスアーク溶接などとは異なり、ガスを吹き付ける必要がない。したがって、簡易な装置で溶接作業を行うことができる。また、風によってガスが散らされる屋外でも、溶接作業を行うことができる。交流出力の被覆アーク溶接システムの一例が、例えば特許文献１に開示されている。

図８（ａ）は、従来の被覆アーク溶接システムの一例を示すブロック図である。図８（ａ）に示す被覆アーク溶接システムは、被覆アーク溶接棒Ｂと、被覆アーク溶接棒Ｂを保持して溶接電流を通電するための溶接棒ホルダＣと、溶接棒ホルダＣを介して被覆アーク溶接棒Ｂに電力を供給する溶接電源装置Ａ１００とを備えている。溶接電源装置Ａ１００は、交流電力を変圧するトランス３００を備えており、商用電源Ｄからの交流電力をトランス３００の一次側に入力し、トランス３００の二次側から変圧後の交流電力を出力する。溶接電源装置Ａ１００の一方の出力端子ａは、ケーブルによって被加工物Ｗに接続されており、他方の出力端子ｂは、ケーブルによって溶接棒ホルダＣに接続されている。溶接電源装置Ａ１００は、被覆アーク溶接棒Ｂの先端と被加工物Ｗとの間にアークを発生させ、電力を供給する。

図８（ｂ）は、溶接電源装置Ａ１００を模擬して交流電力を出力する溶接電源装置Ａ１０１を示すブロック図である。溶接電源装置Ａ１０１は、図８（ｂ）に示すように、整流平滑回路１、インバータ回路２、トランス３、整流平滑回路５、インバータ回路７、および制御回路８００を備えている。溶接電源装置Ａ１０１は、三相の商用電源Ｄから入力される交流電力を整流平滑回路１で直流電力に変換し、インバータ回路２で高周波電力に変換する。そして、トランス３で変圧して、整流平滑回路５で直流電力に変換し、インバータ回路７で交流電力に変換して出力する。制御回路８００は、電流センサが検出した溶接電源装置Ａ１０１の出力電流が目標電流になるようにフィードバック制御を行うために、インバータ回路２のスイッチングを制御する。また、制御回路８００は、溶接電源装置Ａ１００と同様に正弦波状の交流電流を出力するように、インバータ回路７のスイッチングを制御する。

特開平０６−１２６４５９号

しかしながら、溶接電源装置Ａ１０１においては、力率が著しく低くなるという問題があった。

図９は、溶接電源装置Ａ１０１の入力電流の波形を示すための波形図である。溶接電源装置Ａ１０１において、実際に商用電源Ｄから交流電力を入力して、溶接を行った。図９は、溶接時に実際に測定された入力電圧Ｖｉｎ、入力電流Ｉｉｎ、および出力電流Ｉｏｕｔの各波形を示している。商用電源Ｄの周波数は６０Ｈｚであり、溶接電源装置Ａ１０１が出力する電力の周波数は５０Ｈｚとしている。また、入力電圧Ｖｉｎの実効値は１００Ｖであり、入力電流Ｉｉｎの実効値は２０Ａであり、出力電流Ｉｏｕｔの実効値の目標電流を１００Ａとしている。入力電圧Ｖｉｎおよび入力電流Ｉｉｎは、商用電源Ｄから入力される三相のうちの１つの相の入力電圧および入力電流を測定した測定値を示している。他の２つの相の入力電圧および入力電流の波形は、図９に示す入力電圧Ｖｉｎおよび入力電流Ｉｉｎの波形から、位相をそれぞれ１２０°および２４０°ずらした波形になる。図９に示すように、制御回路８００によるインバータ回路７の制御によって、出力電流Ｉｏｕｔの波形は、正弦波状になっている。したがって、出力電流Ｉｏｕｔは常に変化している。入力電圧Ｖｉｎが低い（瞬時値の絶対値が小さい）ときに出力電流Ｉｏｕｔが大きい（瞬時値の絶対値が大きい）場合、出力を維持するために入力電流Ｉｉｎが多く流れる。逆に、入力電圧Ｖｉｎが高いときに出力電流Ｉｏｕｔが小さい場合、入力電流Ｉｉｎがあまり流せなくなる。このとき流れる電流はほとんどが平滑回路の充電電流となり、無効電力が多くなる。図９に示すように、入力電流Ｉｉｎは、入力電圧Ｖｉｎと出力電流Ｉｏｕｔとの関係に応じて、激しく変化し、安定していない。また、無効電力が多くなるので、力率が低くなっている。なお、入力電圧Ｖｉｎの波形は相によって異なる。ある相では力率があまり低くならないときでも、その他の相では力率が低くなるので、全体としては力率が低くなる。実際に測定された力率は６８％程度であった。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、力率を改善した被覆アーク溶接システムを提供することを目的としている。

本発明の第１の側面によって提供される被覆アーク溶接システムは、被覆アーク溶接棒と、前記被覆アーク溶接棒に電力を供給する溶接電源装置とを備えている被覆アーク溶接システムであって、前記溶接電源装置は、交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路が出力する直流電力を交流電力に変換して、前記被覆アーク溶接棒に出力するインバータ回路とを備えており、前記インバータ回路が出力する電流の波形は矩形波状であることを特徴とする。この構成によると、インバータ回路が出力する電流の波形は矩形波状である。したがって、電流の向きが変わる短い時間を除いて、出力電流は常にピーク状態になる。これにより、無効電力が発生しにくくなるので、力率が高くなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記整流回路の出力を平滑化する直流リアクトルをさらに備えており、前記直流リアクトルの自己インダクタンスは、２０〜７０μＨである。この構成によると、従来の被覆アーク溶接システムと比較して、直流リアクトルの自己インダクタンスが著しく小さくなっている。これにより、力率をより改善できる。

本発明の好ましい実施の形態においては、出力極性が切り換わるときに、前記インバータ回路の出力に再点弧電圧を印加する再点弧回路をさらに備えている。この構成によると、出力極性が切り換わるときのアーク切れを抑制することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路が出力する交流電力の周波数は、前記整流回路に入力される交流電力の周波数の自然数倍の周波数である。この構成によると、力率をより改善できる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記整流回路に入力される交流電力の周波数が６０Ｈｚであり、前記インバータ回路が出力する交流電力の周波数は３００Ｈｚである。この構成によると、力率をより改善できる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路の出力端子に、無負荷電圧より低い補助電圧を印加する補助電源回路と、前記補助電源回路が前記補助電圧を印加する状態と、前記インバータ回路を駆動させる状態とを切り換える切換手段とをさらに備えている。この構成によると、インバータ回路を駆動させない状態のときに印加する電圧を、無負荷電圧より低い補助電圧にすることができる。これにより、溶接作業の休止時に誤って作業者が接触した場合に、作業者に危険を及ぼすことを抑制できる。

本発明の第２の側面によって提供される被覆アーク溶接用の溶接電源装置は、被覆アーク溶接棒に電力を供給する、被覆アーク溶接用の溶接電源装置であって、交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路が出力する直流電力を交流電力に変換して、前記被覆アーク溶接棒に出力するインバータ回路とを備えており、前記インバータ回路が出力する電流の波形は矩形波状であることを特徴とする。

本発明によると、インバータ回路が出力する電流の波形は矩形波状である。したがって、電流の向きが変わる短い時間を除いて、出力電流は常にピーク状態になる。これにより、無効電力が発生しにくくなるので、力率が高くなる。

第１実施形態に係る被覆アーク溶接システムの全体構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る充電回路および放電回路の一例を示す図である。 再点弧回路の制御を説明するためのタイムチャートであり、溶接電源装置の各信号の波形を示している。 第１実施形態に係る溶接電源装置の入力電流の波形を示すための波形図である。 出力周波数と力率との関係を示す図である。 第２実施形態に係る被覆アーク溶接システムの全体構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る被覆アーク溶接システムの全体構成を示すブロック図である。 （ａ）は従来の被覆アーク溶接システムの一例を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）に示す溶接電源装置を模擬した、インバータ回路を備えた溶接電源装置を有する被覆アーク溶接システムを示すブロック図である。 図８（ｂ）に示す溶接電源装置の入力電流の波形を示すための波形図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図４は、第１実施形態に係る被覆アーク溶接システムを説明するための図である。図１は、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１の内部構成を示すブロック図であり、被覆アーク溶接システムの全体構成を示している。図２（ａ）は、溶接電源装置Ａ１の充電回路６３の一例を示す回路図である。図２（ｂ）は、溶接電源装置Ａ１の放電回路６４の一例を示す回路図である。図３は、再点弧回路６の制御を説明するためのタイムチャートであり、溶接電源装置Ａ１の各信号の波形を示している。図４は、第１実施形態に係る溶接電源装置の入力電流の波形を示すための波形図である。

図１に示すように、被覆アーク溶接システムは、溶接電源装置Ａ１、被覆アーク溶接棒Ｂおよび溶接棒ホルダＣを備えている。溶接棒ホルダＣは、作業者が把持して溶接を行うためのものであり、被覆アーク溶接棒Ｂを保持し、溶接電源装置Ａ１から入力される交流電流を被覆アーク溶接棒Ｂに通電する。溶接電源装置Ａ１は、商用電源Ｄから入力される交流電力を変換して、出力端子ａ，ｂから出力する。一方の出力端子ａは、ケーブルによって被加工物Ｗに接続されている。他方の出力端子ｂは、ケーブルによって溶接棒ホルダＣに接続されている。溶接電源装置Ａ１は、被覆アーク溶接棒Ｂの先端を被加工物Ｗに接触させた後に引き離したときにアークを発生させて、発生させたアークに電力を供給する。当該アークの熱によって、溶接が行われる。

溶接電源装置Ａ１は、整流平滑回路１、インバータ回路２、トランス３、整流平滑回路５、再点弧回路６、インバータ回路７、制御回路８、電流センサ９１、電圧センサ９２，９３、および補助電源回路１０を備えている。

整流平滑回路１は、商用電源Ｄから入力される交流電力を直流電力に変換して出力する。整流平滑回路１は、交流電流を整流する整流回路と、平滑する平滑コンデンサとを備えている。なお、整流平滑回路１の構成は限定されない。

インバータ回路２は、例えば、単相フルブリッジ型のＰＷＭ制御インバータであり、４つのスイッチング素子を備えている。インバータ回路２は、制御回路８から入力される出力制御駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、整流平滑回路１から入力される直流電力を高周波電力に変換して出力する。なお、インバータ回路２は直流電力を高周波電力に変換するものであればよく、例えばハーフブリッジ型であってもよいし、その他の構成のインバータ回路であってもよい。

トランス３は、インバータ回路２が出力する高周波電圧を変圧して、整流平滑回路５に出力する。トランス３は、一次側巻線３ａ、二次側巻線３ｂおよび補助巻線３ｃを備えている。一次側巻線３ａの各入力端子は、インバータ回路２の各出力端子にそれぞれ接続されている。二次側巻線３ｂの各出力端子は、整流平滑回路５の各入力端子にそれぞれ接続されている。また、二次側巻線３ｂには、２つの出力端子とは別にセンタタップが設けられている。二次側巻線３ｂのセンタタップは、接続線４によって、出力端子ｂに接続されている。インバータ回路２の出力電圧は、一次側巻線３ａと二次側巻線３ｂの巻き数比に応じて変圧されて、整流平滑回路５に入力される。補助巻線３ｃの各出力端子は、充電回路６３の各入力端子にそれぞれ接続されている。インバータ回路２の出力電圧は、一次側巻線３ａと補助巻線３ｃの巻き数比に応じて変圧されて、充電回路６３に入力される。二次側巻線３ｂおよび補助巻線３ｃは一次側巻線３ａに対して絶縁されているので、商用電源Ｄから入力される電流が二次側の回路および充電回路６３に流れることを防止することができる。

整流平滑回路５は、トランス３から入力される高周波電力を直流電力に変換して出力する。整流平滑回路５は、高周波電流を整流する全波整流回路５１と、平滑する直流リアクトル５２とを備えている。なお、整流平滑回路５の構成は限定されない。整流平滑回路５が、本発明の「整流回路」に相当する。また、整流平滑回路１、インバータ回路２、トランス３、および整流平滑回路５をあわせたもの全体が、本発明の「整流回路」に相当すると考えることもできる。

直流リアクトル５２は、全波整流回路５１とインバータ回路７とを接続する正極側の接続線および負極側の接続線に、それぞれ配置されており、２つの直流リアクトル５２は、カップリングされている。直流リアクトル５２は、極性切り換え時に蓄えられた電気エネルギーを放出することで、アーク切れを抑制する機能も果たす。本実施形態では、２つの直流リアクトル５２のカップリングを向上させることで、各直流リアクトル５２の自己インダクタンスを小さい値に抑えている。本実施形態では、極性切り換え時に再点弧回路６が再点弧電圧を印加するので、各直流リアクトル５２の自己インダクタンスを小さくすることが可能である。また、本実施形態では、後述する様に入力電流の変動を小さくでき、直流リアクトル５２に入力される電流の変動も小さくなることからも、各直流リアクトル５２の自己インダクタンスを小さくすることが可能になっている。直流リアクトル５２の自己インダクタンスは、２０〜７０μＨ程度であればよく、本実施形態では５０μＨ程度としている。

インバータ回路７は、例えば、単相ハーフブリッジ型のＰＷＭ制御インバータであり、２つのスイッチング素子を備えている。インバータ回路７の出力端子は、出力端子ａに接続されている。インバータ回路７は、制御回路８から入力されるスイッチング駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、インバータ回路７の出力端子の電位（出力端子ａの電位）を、整流平滑回路５の正極側の出力端子の電位と負極側の出力端子の電位とで交互に切り換える。これにより、インバータ回路７は、出力端子ａ（被加工物Ｗに接続）の電位が出力端子ｂ（溶接棒ホルダＣを介して被覆アーク溶接棒Ｂに接続）の電位より高い状態である正極性と、出力端子ａの電位が出力端子ｂの電位より低い状態である逆極性とを交互に切り換える。つまり、インバータ回路７は、整流平滑回路５から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。インバータ回路７の出力電流は、正極性と逆極性とが切り換わるときに向きが変わり、それ以外の期間では最大電流または最小電流を継続する矩形波状の波形になる。なお、インバータ回路７は矩形波状の交流電流を出力するものであればよく、その他の構成のインバータ回路であってもよい。インバータ回路７が本発明の「インバータ回路」に相当する。

再点弧回路６は、整流平滑回路５とインバータ回路７との間に配置されており、溶接電源装置Ａ１の出力極性が切り換わるときに、溶接電源装置Ａ１の出力端子ａ，ｂ間に再点弧電圧を印加する。再点弧電圧は、極性切り換え時の再点弧性を向上させるために印加する高電圧である。出力極性が正極性から逆極性に切り換わるときにアーク切れが発生しやすいので、本実施形態では、再点弧回路６は、正極性から逆極性に切り換わるときにのみ再点弧電圧を印加し、逆極性から正極性に切り換わるときには再点弧電圧を印加しない。再点弧回路６は、ダイオード６１、再点弧コンデンサ６２、充電回路６３および放電回路６４を備えている。

ダイオード６１と再点弧コンデンサ６２とは直列接続されて、インバータ回路７の入力側に並列接続されている。ダイオード６１は、アノード端子がインバータ回路７の正極側の入力端子に接続され、カソード端子が再点弧コンデンサ６２の一方の端子に接続されている。再点弧コンデンサ６２は、一方の端子がダイオード６１のカソード端子に接続され、他方の端子がインバータ回路７の負極側の入力端子に接続されている。再点弧コンデンサ６２は、所定の静電容量以上のコンデンサであり、溶接電源装置Ａ１の出力に印加するための再点弧電圧を充電される。再点弧コンデンサ６２は、充電回路６３によって充電され、放電回路６４によって放電される。また、ダイオード６１は、インバータ回路７のスイッチング時のサージ電圧を、再点弧コンデンサ６２に吸収させる。つまり、再点弧コンデンサ６２は、サージ電圧を吸収するためのスナバ回路としても機能する。

充電回路６３は、再点弧コンデンサ６２に再点弧電圧を充電するための回路であり、再点弧コンデンサ６２に並列に接続されている。図２（ａ）は、充電回路６３の一例を示す図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態では、充電回路６３は、整流平滑回路６３ｃおよび絶縁型フォワードコンバータ６３ｄを備えている。整流平滑回路６３ｃは、交流電圧を全波整流する整流回路と、平滑する平滑コンデンサとを備え、トランス３の補助巻線３ｃから入力される高周波電圧を直流電圧に変換する。なお、整流平滑回路６３ｃの回路構成は限定されない。絶縁型フォワードコンバータ６３ｄは、整流平滑回路６３ｃから入力される直流電圧を昇圧して、再点弧コンデンサ６２に出力する。絶縁型フォワードコンバータ６３ｄは、スイッチング素子６３ｂを駆動するための駆動回路６３ａを備えている。駆動回路６３ａは、後述する充電制御部８６から入力される充電回路駆動信号に基づいて、スイッチング素子６３ｂを駆動させるためのパルス信号を出力する。駆動回路６３ａは、充電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間、所定のパルス信号をスイッチング素子６３ｂに出力する。これにより、再点弧コンデンサ６２が充電される。一方、駆動回路６３ａは、充電回路駆動信号がオフ（例えばローレベル信号）の間、パルス信号の出力を行わない。よって、再点弧コンデンサ６２の充電は停止される。すなわち、充電回路６３は、充電回路駆動信号に基づいて、再点弧コンデンサ６２を充電する状態と充電しない状態とで切り換える。なお、駆動回路６３ａを設けずに、充電制御部８６が充電回路駆動信号としてパルス信号をスイッチング素子６３ｂに直接入力するようにしてもよい。また、充電回路６３の構成は限定されない。充電回路６３は、絶縁型フォワードコンバータ６３ｄに代えて、昇圧チョッパ回路や降圧チョッパ回路などを備えるようにしてもよい。また、充電回路６３に供給される電力は、トランス３の補助巻線３ｃからのものに限定されない。トランス３に補助巻線３ｃを設けず、二次側巻線３ｂから電力を供給するようにしてもよいし、他の電源から供給するようにしてもよい。

放電回路６４は、再点弧コンデンサ６２に充電された再点弧電圧を放電するものであり、ダイオード６１と再点弧コンデンサ６２との接続点と、二次側巻線３ｂのセンタタップと出力端子ｂとを接続する接続線４との間に接続されている。図２（ｂ）は、放電回路６４の一例を示す図である。図２（ｂ）に示すように、放電回路６４は、スイッチング素子６４ａおよび限流抵抗６４ｂを備えている。本実施形態では、スイッチング素子６４ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子６４ａは、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などであってもよい。スイッチング素子６４ａと限流抵抗６４ｂとは直列接続されて、再点弧コンデンサ６２に直列接続されている。スイッチング素子６４ａのコレクタ端子は限流抵抗６４ｂの一方の端子に接続されており、スイッチング素子６４ａのエミッタ端子は、接続線６４ｃによって、接続線４に接続されている。なお、限流抵抗６４ｂをスイッチング素子６４ａのエミッタ端子側に接続するようにしてもよい。また、スイッチング素子６４ａのゲート端子には、後述する放電制御部８５から、放電回路駆動信号が入力される。スイッチング素子６４ａは、放電回路駆動信号がオン（例えばハイレベル信号）の間オン状態になる。これにより、再点弧コンデンサ６２に充電された再点弧電圧は、限流抵抗６４ｂを介して、放電される。一方、スイッチング素子６４ａは、放電回路駆動信号がオフ（例えばローレベル信号）の間オフ状態になる。これにより、再点弧電圧の放電は停止される。すなわち、放電回路６４は、放電回路駆動信号に基づいて、再点弧コンデンサ６２を放電する状態と放電しない状態とで切り換える。なお、放電回路６４の構成は限定されない。

電流センサ９１は、溶接電源装置Ａ１の出力電流を検出するものであり、本実施形態では、インバータ回路７の出力端子と出力端子ａとを接続する接続線７１に配置されている。本実施形態では、電流がインバータ回路７から出力端子ａに向かって流れる場合を正としており、電流が出力端子ａからインバータ回路７に向かって流れる場合を負としている。電流センサ９１は、出力電流の瞬時値を検出して制御回路８に入力する。なお、電流センサ９１の構成は限定されず、接続線７１から出力電流を検出するものであればよい。なお、電流センサ９１の配置場所は限定されない。例えば、電流センサ９１は、接続線４に配置されてもよい。

電圧センサ９２は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧を検出するものである。電圧センサ９２は、端子間電圧の瞬時値を検出して制御回路８に入力する。電圧センサ９３は、出力端子ａ，ｂ間の端子間電圧を検出するものである。電圧センサ９３は、端子間電圧の瞬時値を検出して制御回路８に入力する。

補助電源回路１０は、出力端子ａ，ｂ間に補助電圧を印加する電源である。溶接電源装置Ａ１は、被覆アーク溶接棒Ｂの先端と被加工物Ｗとが接触したあと引き離されたことを合図に、溶接電力を供給する。補助電源回路１０は、この合図を検出するために、無負荷電圧より低い補助電圧を印加する。本実施形態では、補助電圧は例えば２０Ｖの直流電圧である。溶接作業の休止時に高い無負荷電圧が印加されていると、誤って作業者が被覆アーク溶接棒Ｂに接触した場合に危険であるので、無負荷電圧より低く人体に影響を及ぼさない程度の補助電圧を印加する。本実施形態では、溶接電力を供給する電源とは別に、補助電圧を印加するための補助電源回路１０を設けている。なお、補助電源回路１０を設ける代わりに、インバータ回路２の出力を低下させて、無負荷電圧を低い電圧に抑制するようにしてもよい。補助電源回路１０には、トランス３に追加された補助巻線（図示なし）を介して、インバータ回路２の出力電力の一部が供給される。補助電源回路１０は、入力される交流電圧を直流電圧に変換して出力する。なお、その他の電力供給源から補助電源回路１０に電力を供給するように構成してもよい。補助電源回路１０は、切換部８７から入力される信号に応じて、補助電圧を出力する。

制御回路８は、溶接電源装置Ａ１を制御するための回路であり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御回路８は、電流センサ９１から出力電流の瞬時値を入力され、電圧センサ９２から再点弧コンデンサ６２の端子間電圧の瞬時値を入力され、電圧センサ９３から出力端子ａ，ｂ間の端子間電圧の瞬時値を入力される。そして、制御回路８は、インバータ回路２、インバータ回路７、充電回路６３および放電回路６４に、それぞれ駆動信号を出力する。制御回路８は、電流制御部８１、目標電流設定部８２、極性切換制御部８３、放電制御部８５、充電制御部８６、および切換部８７を備えている。

電流制御部８１は、溶接電源装置Ａ１の出力電流をフィードバック制御するために、インバータ回路２を制御する。電流制御部８１は、電流センサ９１から入力される出力電流の瞬時値信号を絶対値回路によって絶対値信号に変換し、当該絶対値信号と目標電流設定部８２から入力される目標電流との偏差に基づいて、ＰＷＭ制御により、インバータ回路２のスイッチング素子を制御するための出力制御駆動信号を生成する。そして、電流制御部８１は、切換部８７より開始信号が入力されたときから、生成された出力制御駆動信号を、インバータ回路２に出力する。

極性切換制御部８３は、溶接電源装置Ａ１の出力極性を切り換えるために、インバータ回路７を制御する。極性切換制御部８３は、インバータ回路７の出力極性を切り換えるようにスイッチング素子を制御するためのパルス信号であるスイッチング駆動信号を生成する。そして、極性切換制御部８３は、切換部８７より開始信号が入力されたときから、生成されたスイッチング駆動信号を、インバータ回路７に出力する。スイッチング駆動信号は、放電制御部８５にも出力される。

図３に示すように、溶接電源装置Ａ１の出力電流（図３（ｂ）参照）は、スイッチング駆動信号（図３（ａ）参照）に応じて変化する。図３（ａ）に示すスイッチング駆動信号は、オンのときに出力端子ａ（被加工物Ｗ）を出力端子ｂ（被覆アーク溶接棒Ｂ）より高電位（正極性）とし、オフのときに出力端子ａ（被加工物Ｗ）を出力端子ｂ（被覆アーク溶接棒Ｂ）より低電位（逆極性）とする。溶接電源装置Ａ１の出力電流は、スイッチング駆動信号がオンからオフに切り換わった時（図３における時刻ｔ１）から減少し、ゼロを過ぎて（図３における時刻ｔ２）極性が変わった後に最小電流値になる。また、溶接電源装置Ａ１の出力電流は、スイッチング駆動信号がオフからオンに切り換わった時（図３における時刻ｔ４）から増加し、ゼロを過ぎて（図３における時刻ｔ５）極性が変わった後に最大電流値になる。溶接電源装置Ａ１の出力電流が最大電流値から最小電流値に変化するまでの時間、および、最小電流値から最大電流値に変化するまでの時間は、スイッチング駆動信号の周期（出力電流の周期）と比較して十分小さい時間であるので、出力電流の波形は、矩形波状の波形になる。

インバータ回路７の出力電力（出力電圧、出力電流）の周波数である出力周波数は、スイッチング駆動信号の周波数と同じになる。スイッチング駆動信号の周波数（出力周波数）は、任意に設定可能であり、溶接作業に応じて変更することも可能である。

放電制御部８５は、放電回路６４を制御する。放電制御部８５は、極性切換制御部８３から入力されるスイッチング駆動信号に基づいて、放電回路６４を制御するための放電回路駆動信号を生成して、放電回路６４に出力する。放電回路駆動信号は、充電制御部８６にも入力される。

放電制御部８５は、溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるときにオンになっているように、放電回路駆動信号を生成する。具体的には、放電制御部８５は、スイッチング駆動信号がオンからオフに切り換わったとき（図３における時刻ｔ１）にオンに切り換わり、オンに切り換わった後、所定時間Ｔ₁が経過したとき（図３における時刻ｔ３）にオフに切り換わるパルス信号を生成し、放電回路駆動信号として出力する（図３（ｃ）参照）。

所定時間Ｔ₁は、放電状態を継続する時間であり、アークの再点弧によって溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるタイミング（図３における時刻ｔ２）を完全に超えるまで継続するように設定されている。

なお、放電制御部８５が放電回路駆動信号を生成する方法は、これに限定されない。溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるときに再点弧電圧を印加できればよいので、放電回路駆動信号は、出力電流が正から負に変わる前にオンになり、出力電流が正から負に変わった後にオフになればよい。例えば、放電制御部８５は、溶接電源装置Ａ１の出力電流に基づいて放電回路駆動信号を生成してもよい。具体的には、放電制御部８５は、出力電流の瞬時値が所定電流Ｉ₁以下になったときに、放電回路駆動信号をオフに切り換えてもよい。所定電流Ｉ₁は、最小電流値とゼロとの間の電流値であって、アークの再点弧が完了したことを判断するための電流値である。所定電流Ｉ₁は、検出された出力電流の瞬時値に検出誤差が含まれていたとしても、出力電流の向きが変わったと確実に判断できる電流値が設定される。

充電制御部８６は、充電回路６３を制御する。充電制御部８６は、放電制御部８５から入力される放電回路駆動信号と、電圧センサ９２から入力される再点弧コンデンサ６２の端子間電圧の瞬時値とに基づいて、充電回路６３を制御するための充電回路駆動信号を生成して、充電回路６３に出力する。

図３に示すように、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧（図３（ｅ）参照）は、放電回路駆動信号（図３（ｃ）参照）がオンになって（図３における時刻ｔ１）、時刻ｔ２で出力電流の向きが変わったとき（図３における時刻ｔ２）に再点弧電流が流れることで急減する（同図（ｅ）参照）。次の放電のタイミングまでに、再点弧コンデンサ６２に再点弧電圧を充電する必要がある。また、再点弧コンデンサ６２が目標電圧Ｖ₀まで充電された場合は、それ以上の充電を行う必要がない。充電制御部８６は、再点弧コンデンサ６２の放電後から、再点弧コンデンサ６２が目標電圧になるまでオンとなるように、充電回路駆動信号を生成する。具体的には、充電制御部８６は、放電制御部８５より入力される放電回路駆動信号がオンからオフに切り換わったとき（図３における時刻ｔ３）にオンに切り換わり、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧が目標電圧Ｖ₀になったとき（図３における時刻ｔ６）にオフに切り換わるパルス信号を生成し、充電回路駆動信号として出力する（図３（ｄ）参照）。

なお、充電制御部８６が充電回路駆動信号を生成する方法は、これに限定されない。次の放電のタイミングまでに再点弧コンデンサ６２に再点弧電圧を充電することができれば、充電の開始および終了のタイミングは限定されない。

切換部８７は、出力端子ａ，ｂ間に印加する電圧を、補助電源回路１０が出力する補助電圧と、インバータ回路７が出力する電圧とで切り換える。切換部８７は、溶接電源装置Ａ１が起動されると、補助電源回路１０に開始信号を出力して、補助電源回路１０に補助電圧の出力を開始させる。そして、切換部８７は、電圧センサ９３から入力される、出力端子ａ，ｂ間の端子間電圧が、ほぼ「０」まで低下して、そのあと閾値まで上昇した場合に、被覆アーク溶接棒Ｂの先端と被加工物Ｗとが接触したあと引き離されたと判断して、電圧の切り換えを行う。すなわち、補助電源回路１０に停止信号を出力して、補助電源回路１０に補助電圧の出力を停止させ、電流制御部８１および極性切換制御部８３に開始信号を出力して、インバータ回路７からの出力を開始させる。なお、切換部８７は、電流センサ９１が検出した出力電流に基づいて、被覆アーク溶接棒Ｂの先端と被加工物Ｗとが接触したあと引き離されたことを判断してもよい。

次に、本実施形態に係る被覆アーク溶接システムの作用および効果について説明する。

本実施形態によると、溶接電源装置Ａ１が出力する交流電力によって、被覆アーク溶接棒Ｂの先端と被加工物Ｗとの間にアークを発生させて、アーク溶接を行うことができる。制御回路８によるインバータ回路７の制御によって、出力電流Ｉｏｕｔの波形は、矩形波状になっている。したがって、出力電流Ｉｏｕｔは、電流の向きが変わる短い時間を除いて、常にピーク状態になる。これにより、無効電力が発生しにくくなるので、力率が高くなる。

図４は、溶接電源装置Ａ１の入力電流の波形を示すための波形図である。溶接電源装置Ａ１において、実際に商用電源Ｄから交流電力を入力して、溶接を行った。図４は、溶接時に実際に測定された入力電圧Ｖｉｎ、入力電流Ｉｉｎ、および出力電流Ｉｏｕｔの各波形を示している。商用電源Ｄの周波数は６０Ｈｚなので、入力周波数は６０Ｈｚであり、出力周波数は５０Ｈｚとしている。また、入力電圧Ｖｉｎの実効値は１００Ｖであり、入力電流Ｉｉｎの実効値は２０Ａであり、出力電流Ｉｏｕｔの目標電流を１００Ａとしている。入力電圧Ｖｉｎおよび入力電流Ｉｉｎは、商用電源Ｄから入力される三相のうちの１つの相の入力電圧および入力電流を測定した測定値を示している。他の２つの相の入力電圧および入力電流の波形は、図４に示す入力電圧Ｖｉｎおよび入力電流Ｉｉｎの波形から、位相をそれぞれ１２０°および２４０°ずらした波形になる。図４に示すように、制御回路８によるインバータ回路７の制御によって、出力電流Ｉｏｕｔの波形は、矩形波状になっている。したがって、出力電流Ｉｏｕｔは、電流の向きが変わる短い時間を除いて、常にピーク状態になっている。これにより、入力電流Ｉｉｎの変化は小さく、安定したものになっている。このとき、溶接電源装置Ａ１において実際に測定された力率は７７％程度であり、図８（ｂ）に示す溶接電源装置Ａ１００の場合（６８％）と比較して、力率が大幅に改善されている。

また、本実施形態によると、直流リアクトル５２の自己インダクタンス（例えば５０μＨ程度）は、従来のもの（例えば１６５μＨ程度）よりも著しく小さくなっている。このことは、力率の改善に寄与する。また、応答性が良くなるので、出力周波数を大きくした場合でも対応することができる。

本実施形態によると、溶接電源装置Ａ１の放電制御部８５は、溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるときにオンになっているように、放電回路駆動信号を生成する。放電回路６４は、放電制御部８５より放電回路駆動信号を入力される。これにより、放電回路６４は、溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるときに、再点弧コンデンサ６２に充電された再点弧電圧を放電して印加することができる。したがって、溶接電源装置Ａ１の出力極性が正極性から逆極性に切り換わるときのアーク切れを抑制することができる。

本実施形態によると、放電回路６４は、放電制御部８５より入力される放電回路駆動信号に基づいて、放電を制御する。放電回路駆動信号（図３（ｃ）参照）は、スイッチング駆動信号（図３（ａ）参照）が切り換わったときにオンに切り換わり、オンに切り換わった後、所定時間Ｔ₁が経過したときにオフに切り換わる。したがって、溶接電源装置Ａ１の出力電流が正から負に変わるときには、放電回路駆動信号は必ずオンとなっているので、放電回路６４は再点弧電圧を適切に印加することができる。

本実施形態によると、充電回路６３は、充電制御部８６より入力される充電回路駆動信号に基づいて、充電を制御する。充電回路駆動信号（図３（ｄ）参照）は、放電回路駆動信号（図３（ｃ）参照）がオフに切り換わったときにオンに切り換わる。したがって、充電回路６３は、放電後すぐに充電を開始することができる。これにより、次の放電までの充電時間を長くすることができる。また、充電回路駆動信号は、再点弧コンデンサ６２の端子間電圧（図３（ｅ）参照）が目標電圧Ｖ₀になったときにオフに切り換わる。これにより、充電回路６３は、再点弧コンデンサ６２を必要以上に充電することを抑制することができる。

なお、本実施形態においては、溶接電源装置Ａ１は、周波数（入力周波数）が６０Ｈｚの交流電力を商用電源Ｄから入力され、周波数（出力周波数）が５０Ｈｚの交流電力を出力する場合について説明したが、これに限られない。入力周波数は限定されないし、出力周波数も限定されない。出力周波数は任意の周波数とすることができるが、周波数によっては、より力率を改善することができる。

図５は、出力周波数と力率との関係を示す図である。図５では、入力周波数を６０Ｈｚに固定し、出力周波数を変化させて力率を測定し、その測定結果を示している。横軸が出力周波数であり、縦軸が力率を示している。図５に示すように、力率は、出力周波数が３００Ｈｚのときに一番高くなっている。また、多少上下するが、出力周波数が３００Ｈｚ以下のときには、出力周波数が高くなるほど力率が高くなり、出力周波数が３００Ｈｚ以上のときには、出力周波数が高くなるほど力率が低くなっている。また、力率は、出力周波数が入力周波数の自然数倍のときに、その前後の周波数のときと比較して高くなる傾向がある。例えば、点Ｐ１に示す６０Ｈｚのときの力率は、その前後の５０Ｈｚ，７０Ｈｚのときの力率より高くなっており、点Ｐ２に示す１８０Ｈｚのときの力率は、その前後の１６０Ｈｚ，２００Ｈｚのときの力率より高くなっている。力率の向上だけを目的とするのであれば、入力周波数が６０Ｈｚの場合は、出力周波数を３００Ｈｚとすればよい。なお、出力周波数が高くなるほど、集中性が高まって、溶け込みが深く溶接ビードが細くなる。一般的に、被覆アーク溶接の場合、溶け込みが浅く溶接ビードが太くなる。したがって、溶け込みを深くして溶接ビードを細くしたい場合は、出力周波数を高く設定し、従来の被覆アーク溶接のように、溶け込みを浅くして溶接ビードを太くしたい場合は、出力周波数を低く設定すればよい。また、出力周波数の設定を、入力周波数の自然数倍の周波数で切り換えるようにすれば、力率を向上させつつ、溶接ビードの形状を希望する形状とするように、出力周波数を切り換えることができる。

図６および図７は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図６は、本発明の第２実施形態に係る溶接電源装置Ａ２の内部構成を示すブロック図であり、被覆アーク溶接システムの全体構成を示している。なお、図６においては、制御回路８の内部構成の記載を省略している。図６に示す溶接電源装置Ａ２は、再点弧回路６をインバータ回路７の出力側に配置している点で、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１（図１参照）と異なっている。なお、本実施形態では、再点弧コンデンサ６２がインバータ回路７のスナバ回路としての機能を果たさないので、ダイオード６１および再点弧コンデンサ６２の負極側の配線（接続線４に接続されている配線）を設けないようにしてもよい。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

図７は、本発明の第３実施形態に係る溶接電源装置Ａ３の内部構成を示すブロック図であり、被覆アーク溶接システムの全体構成を示している。なお、図７においては、制御回路８の内部構成の記載を省略している。図７に示す溶接電源装置Ａ３は、インバータ回路７がフルブリッジ型のインバータである点で、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１（図１参照）と異なっている。

第３実施形態に係るインバータ回路７は、単相フルブリッジ型のＰＷＭ制御インバータであり、４つのスイッチング素子を備えている。インバータ回路７の一方の出力端子は出力端子ａに接続されており、他方の出力端子は出力端子ｂに接続されている。インバータ回路７は、制御回路８から入力されるスイッチング駆動信号によってスイッチング素子をスイッチングさせることで、インバータ回路７の一方の出力端子の電位（出力端子ａの電位）が整流平滑回路５の正極側の出力端子の電位であり、他方の出力端子の電位（出力端子ｂの電位）が整流平滑回路５の負極側の出力端子の電位である状態と、一方の出力端子の電位（出力端子ａの電位）が整流平滑回路５の負極側の出力端子の電位であり、他方の出力端子の電位（出力端子ｂの電位）が整流平滑回路５の正極側の出力端子の電位である状態とで交互に切り換える。これにより、インバータ回路７は、出力端子ａの電位が出力端子ｂの電位より高い状態である正極性と、出力端子ａの電位が出力端子ｂの電位より低い状態である逆極性とを交互に切り換える。つまり、インバータ回路７は、整流平滑回路５から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。

第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、本実施形態の場合は、出力極性が逆極性から正極性に切り換わるときにも、再点弧回路６が、再点弧電圧を印加するようにしてもよい。

本発明に係る被覆アーク溶接システムおよび被覆アーク溶接用の溶接電源装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る被覆アーク溶接システムおよび被覆アーク溶接用の溶接電源装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２，Ａ３：溶接電源装置
１ ：整流平滑回路
２ ：インバータ回路
３ ：トランス
３ａ ：一次側巻線
３ｂ ：二次側巻線
３ｃ ：補助巻線
４ ：接続線
５ ：整流平滑回路
５１ ：全波整流回路
５２ ：直流リアクトル
６ ：再点弧回路
６１ ：ダイオード
６２ ：再点弧コンデンサ
６３ ：充電回路
６３ａ ：駆動回路
６３ｂ ：スイッチング素子
６３ｃ ：整流平滑回路
６３ｄ ：絶縁型フォワードコンバータ
６４ ：放電回路
６４ａ ：スイッチング素子
６４ｂ ：限流抵抗
６４ｃ ：接続線
７ ：インバータ回路
７１ ：接続線
８ ：制御回路
８１ ：電流制御部
８２ ：目標電流設定部
８３ ：極性切換制御部
８５ ：放電制御部
８６ ：充電制御部
８７ ：切換部
９１ ：電流センサ
９２ ：電圧センサ
９３ ：電圧センサ
１０ ：補助電源回路
ａ，ｂ ：出力端子
Ｂ ：被覆アーク溶接棒
Ｃ ：溶接棒ホルダ
Ｄ ：商用電源
Ｗ ：被加工物

Claims (7)

1. 被覆アーク溶接棒と、前記被覆アーク溶接棒に電力を供給する溶接電源装置と、を備えている被覆アーク溶接システムであって、
   前記溶接電源装置は、
   交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
   前記整流回路が出力する直流電力を交流電力に変換して、前記被覆アーク溶接棒に出力するインバータ回路と、
   を備えており、
   前記インバータ回路が出力する電流の波形は矩形波状である、
   ことを特徴とする被覆アーク溶接システム。
2. 前記整流回路の出力を平滑化する直流リアクトルをさらに備えており、
   前記直流リアクトルの自己インダクタンスは、２０〜７０μＨである、
   請求項１に記載の被覆アーク溶接システム。
3. 出力極性が切り換わるときに、前記インバータ回路の出力に再点弧電圧を印加する再点弧回路をさらに備えている、
   請求項１または２に記載の被覆アーク溶接システム。
4. 前記インバータ回路が出力する交流電力の周波数は、前記整流回路に入力される交流電力の周波数の自然数倍の周波数である、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の被覆アーク溶接システム。
5. 前記整流回路に入力される交流電力の周波数が６０Ｈｚであり、
   前記インバータ回路が出力する交流電力の周波数は３００Ｈｚである、
   請求項４に記載の被覆アーク溶接システム。
6. 前記インバータ回路の出力端子に、無負荷電圧より低い補助電圧を印加する補助電源回路と、
   前記補助電源回路が前記補助電圧を印加する状態と、前記インバータ回路を駆動させる状態とを切り換える切換手段と、
   をさらに備えている、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の被覆アーク溶接システム。
7. 被覆アーク溶接棒に電力を供給する、被覆アーク溶接用の溶接電源装置であって、
   交流電力を整流する整流回路と、
   前記整流回路が出力する直流電力を交流電力に変換して、前記被覆アーク溶接棒に出力するインバータ回路と、
   を備えており、
   前記インバータ回路が出力する電流の波形は矩形波状である、
   ことを特徴とする被覆アーク溶接用の溶接電源装置。