JP2587352B2 - プラズマアーク電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ切断，プラズ
マ溶接に用いるプラズマア−ク電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種プラズマアーク電源装置は
図５に示すように構成され、入力端子１の交流電源を入
力整流器２により整流し、この整流器２の出力をＩＧＢ
Ｔ，トランジスタ等のスイッチング素子のブリッジ回路
構成のインバ−タ３により高周波交流に変換し、この高
周波交流を出力変圧器４を介して出力整流器５に供給す
る。この出力整流器５はダイオ−ド５ａ〜５ｄの全波整
流器からなり、ダイオ−ド５ｃ，５ｄのカソ−ドの接続
点ｐを正，ダイオ−ド５ａ，５ｂのアノ−ドの接続点ｎ
を負とする向きの整流出力を発生する。

【０００３】そして、接続点ｐは電流検出器６，電流継
電器７を介してプラズマア−ク用の正の出力端子８ａに
接続されるとともに電流検出器６，開閉器９，限流抵抗
１０を介してパイロットア−ク用の正の出力端子８ｂに
接続され、接続点ｎは平滑リアクトル１１を介して負の
出力端子８ｃに接続されている。さらに、出力端子８ａ
及び８ｂ，８ｃには溶接負荷１２を形成する母材１３及
び溶接ト−チのノズルチップ１４，電極１５それぞれが
接続されている。

【０００４】そして、起動時は開閉器９が閉成され、リ
アクトル１１の平滑により形成された直流が母材１３，
電極１５の間及びノズルチップ１４，電極１５の間に印
加される。さらに、この状態で高周波発生回路（図示せ
ず）の高周波高電圧がノズルチップ１４，電極１５の間
に印加され、この間にパイロットア−クが発生する。

【０００５】そして、出力整流器５の接続点ｐから電流
検出器６，開閉器９，抵抗１０，出力端子８ｂ，ノズル
チップ１４，電極１５，出力端子８ｃ，リアクトル１１
を介して出力整流器５の接続点ｎに比較的小電流のパイ
ロットア−ク電流が流れ、パイロットア−クが持続す
る。

【０００６】また、電流検出器６がパイロットア−ク電
流を検出し、検出器６からインバ−タ制御部１６の誤差
増幅器１７にパイロットア−ク電流に比例した検出信号
Ｓｉが供給される。このとき、電流継電器７が非通電に
保たれて基準電源切換スイッチ１８がパイロット接点１
８ａに保持され、パイロット基準電源１９のパイロット
ア−ク電流用の基準信号Ｓｒａが誤差増幅器１７に供給
される。

【０００７】そして、誤差増幅器１７は基準信号Ｓｒａ
と検出信号Ｓｉとの誤差信号を出力制御信号としてイン
バ−タ駆動回路２０に供給し、この駆動回路２０は検出
信号Ｓｉが基準信号Ｓｒａに等しくなるようにインバ−
タ３を駆動する。この駆動により、パイロットア−ク電
流が基準信号Ｓｒａに応じた定電流に制御される。

【０００８】つぎに、溶接ト−チが母材１３に近づき、
母材１３と電極１５との間にプラズマア−クが発生する
と、出力整流器５の接続点ｐから電流検出器６，電流継
電器７，出力端子８ａ，母材１３，電極１５，出力端子
８ｃ，リアクトル１１を介して出力電流器５の接続点ｎ
に大電流のプラズマア−ク電流が流れる。このとき、電
流継電器７により基準電源切換スイッチ１８がプラズマ
接点１８ｂに切換わり、基準信号Ｓｒａの代わりにプラ
ズマ基準電源２１のプラズマア−ク電流用の基準信号Ｓ
ｒｂが誤差増幅器１７に供給される。

【０００９】そして、電流検出器６の検出信号Ｓｉと基
準信号Ｓｒｂとに基づき、プラズマア−ク電流が基準信
号Ｓｒｂに応じた定電流に制御され、この定電流のプラ
ズマア−ク電流に基づくプラズマア−クにより、母材１
３の切断，溶接が行われる。ところで、パイロットア−
ク電流，プラズマア−ク電流の一般的な大きさは、２０
Ａ，３００〜５００Ａそれぞれである。

【００１０】そして、プラズマア−クによる切断，溶接
が行われる間にパイロットア−ク電流が流れ続けると、
抵抗１０での電力消費が大きく、省電力化が図れないた
め、プラズマア−クが発生すると、開閉器９が開放され
てパイロットア−ク電流が遮断される。

【００１１】

【発明が解決しょうとする課題】前記図５の従来装置の
場合、パイロットア−ク電流の供給，遮断に大容量，大
型の機械式の開閉器９を要し、装置の小型化，電子化が
図れない問題点がある。

【００１２】また、起動時にインバ−タ３を比較的小容
量のパイロットア−ク電流の出力に定電流制御するた
め、パイロットア−クは安定に持続するが、その出力電
圧（無負荷電圧）が十分に高くならず、その結果、ノズ
ルチップ１４と電極１５との間に十分に高い電圧（無負
荷電圧）が印加されなくなる。そのため、パイロットア
−クの発生後、溶接ト−チを母材１３に近づけてプラズ
マア−クに移行させようとしても、母材１３と電極１５
との間隔（距離）を十分に小さくしておかなければ、プ
ラズマア−クに移行しなかったり、移行が遅れたりして
切断，溶接の失敗が容易に生じる問題点がある。

【００１３】そして、プラズマア−クへの移行が遅れる
と、とくに、母材１３の送り，溶接ト−チの移動等に自
動機を用いる場合、動作タイミングの制御が極めて難し
くなる。本発明は、小型化，電子化が図れ、しかも、パ
イロットア−ク電流を安定に持続するとともにプラズマ
ア−クへの移行が確実に行えるプラズマア−ク電源装置
を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明のプラズマア−ク電源装置は、出力回路の
直流出力を溶接ト−チのノズルチップと電極との間に供
給し，起動時に前記ノズルチップと前記電極との間の小
電流のパイロットア−クを持続するパイロット給電路
と、前記直流出力を母材と電極との間に供給し，パイロ
ットア−クの発生後にト−チが母材に接近して母材と電
極との間に発生した大電流のプラズマア−クを持続する
プラズマ給電路と、パイロット給電路のノズルチップ側
に挿入されたパイロットア−ク電流制御用の半導体チョ
ッパ素子と、前記出力回路の出力電流又は前記両給電路
の通電電流の検出に基づき半導体チョッパ素子の開閉を
制御し，起動時はパイロット給電路の通電電流を所定の
パイロットア−ク電流に定電流制御し，プラズマア−ク
への移行により前記パイロット給電路の通電電流を低減
又は遮断して前記パイロットアークを消失し前記パイロ
ットアーク電流を遮断するチョッパ制御回路とを備え
る。

【００１５】

【作用】前記のように構成された本発明のプラズマア−
ク電源装置の場合、従来のような機械式の開閉器の開閉
でなく、チョッパ制御回路による半導体チョッパ素子の
制御により出力回路の直流出力をチョッパしてパイロッ
ト給電路の通電電流が制御され、この制御により溶接ト
−チのノズルチップと電極との間の電流が起動時に所定
のパイロットア−ク電流に定電流制御され、プラズマア
−クへの移行により自動的に遮断される。そして、半導
体チョッパ素子により出力回路の直流出力をチョッパ制
御してパイロットア−ク電流を定電流制御するため、起
動時に出力回路の直流出力をプラズマア−クへの移行に
必要な十分高い無負荷電圧にし、パイロットア−クを安
定に持続しつつプラズマア−クに確実に移行することが
できる。

【００１６】

【実施例】実施例について、図１ないし図４を参照して
説明する。

【００１７】（第１の実施例）まず、第１の実施例につ
いて、図１及び図２を参照して説明する。同図におい
て、図５と同一符号は同一もしくは相当するものを示
し、図５と異なる点はつぎの（ａ）〜（ｆ）の点であ
る。 （ａ）図５の電流継電器７，切換スイッチ１８を省いた
点。 （ｂ）インバ−タ制御部１６の誤差増幅器１７の基準信
号をプラズマ基準電源２１の基準信号Ｓｒｂに固定した
点。

【００１８】（ｃ）出力回路を形成する出力整流器５の
接続点ｐと出力端子８ｂとの間に、従来の開閉器９，抵
抗１０の直列回路の代わりにダイオ−ド２２，半導体チ
ョッパ素子としてのトランジスタ２３の直列回路を設
け、半導体チョッパ素子をパイロット給電路のノズルチ
ップ側に設けた点。

【００１９】（ｄ）トランジスタ２３のベ−スドライブ
用のチョッパ制御回路２４を設け、この回路２４に、電
流検出器６の検出信号Ｓｉとパイロット基準電源１９の
基準信号Ｓｒａとの誤差信号を出力する誤差増幅器２５
及びこの増幅器２５の出力信号が供給されるチョッパ駆
動回路２６を備えた点。

【００２０】（ｅ）電流検出器６を出力端子８ｃとリア
クトル１１との間に設けた点。 （ｆ）リアクトル１１の接続点ｎ側の端部と出力端子８
ｂとの間に、リアクトル１１のエネルギ環流用のフライ
ホイ−ルダイオ−ド２７を設けた点。

【００２１】そして、接続点ｐ，ダイオ−ド２２，トラ
ンジスタ２３，出力端子８ｂ，ノズルチップ１４，電極
１５，出力端子８ｃ，電流検出器６，リアクトル１１，
接続点ｎのル−プがパイロット給電路を形成する。ま
た、接続点ｐ，出力端子８ａ，母材１３、電極１５，出
力端子８ｃ，電流検出器６，リアクトル１１，接続点ｎ
のル−プがプラズマ給電路を形成する。

【００２２】そして、主スイッチ（図示せず）の投入等
により入力端子１に交流電源が供給されると、この交流
電源を入力整流器２により整流し、この整流出力をイン
バ−タ３により高周波交流に変換し、この高周波交流を
出力変圧器４を介して出力整流器５に供給し、この整流
器５により整流して再び直流に戻し、出力端子８ａ，８
ｃの間及び出力端子８ｂ，８ｃの間に印加する。

【００２３】このとき、パイロットア−ク，プラズマア
−クがいずれも発生していないため、電流検出器６に電
流が流れず、その検出信号Ｓｉは最小の０に保持され
る。そして、検出信号Ｓｉが０であるため、誤差増幅器
１７、２５は基準信号Ｓｒｂ，Ｓｒａのそれぞれに基づ
く最大量の誤差信号を出力する。

【００２４】さらに、誤差増幅器１７の出力信号に基づ
き、インバ−タ駆動回路２６はインバ−タ３をほぼ最大
出力状態にＰＷＭ制御し、この制御に基づきインバ−タ
３の高周波交流が図２の（ａ）に示すように最大にな
る。そして、インバ−タ３の高周波交流が最大になる
と、出力整流器５の出力電圧（無負荷電圧）が従来のパ
イロット電流基準信号Ｓｒａに基づく無負荷電圧より十
分に高くなる。

【００２５】また、誤差増幅器２５の出力信号に基づ
き、チョッパ駆動回路２６もトランジスタ２３をほぼ最
大出力状態にチョッパ制御し、この制御に基づきトラン
ジスタ２３の出力も図２の（ｂ）に示すように最大にな
る。そのため、起動時に出力端子８ｂ，８ｃ間，すなわ
ちノズルチップ１４，電極１５間に、従来より十分に高
い無負荷電圧が印加される。

【００２６】そして、図示省略された高周波発生回路に
よりノズルチップ１４，電極１５の間に高周波高電圧を
印加してパイロットア−クを発生すると、前記パイロッ
ト給電路をパイロットア−ク電流が流れ、この電流が電
流検出器６により検出され、誤差増幅器１７，１５に供
給される検出信号Ｓｉが０から上昇する。

【００２７】このとき、プラズマア−ク電流を設定する
基準信号Ｓｒｂがパイロットア−ク電流を設定する基準
信号Ｓｒａより十分大きく、パイロットア−ク電流に基
づく検出信号Ｓｉの変化に対し、誤差増幅器２５の出力
信号は追従して変化するが、誤差増幅器１７の出力信号
がほとんど変わらないため、インバータ３はほぼ最大出
力状態に保たれ、出力整流器５の出力電圧は高い電圧に
保たれる。

【００２８】そして、誤差増幅器２５の出力信号に基づ
き、検出信号Ｓｉが基準信号Ｓｒｂに等しくなるように
チョッパ駆動回路２６がトランジスタ２３のオン期間を
可変し、トランジスタ２３の出力が図２の（ｃ）に示す
ように所定のパルス幅のチョッパ出力に制御され、パイ
ロットア−ク電流が基準信号Ｓｒａに基づく定電流に制
御され、パイロットア−クは安定に持続する。

【００２９】つぎに、溶接ト−チが母材１３に近づいて
母材１３，電極１５間にプラズマア−クが発生すると、
前記プラズマ給電路にプラズマア−ク電流が流れ、この
とき、出力整流器５の高い電圧が母材１３，電極１５間
に印加されるため、プラズマア−クに確実に移行する。
また、誤差増幅器２６は最小の誤差信号になり、この誤
差信号に基づきチョッパ制御回路２６はトランジスタ２
３を出力最小の状態にしてパイロット給電路の通電電流
を低減する。

【００３０】そのため、パイロットア−ク電流が不足し
てパイロットア−クが消失し、この消失によりパイロッ
トア−ク電流が自動的に遮断される。一方、プラズマア
−クに移行すると、プラズマア−ク電流に基づく検出信
号Ｓｉが基準信号Ｓｒｂに近づくため、誤差増幅器２５
の出力信号が検出信号Ｓｉに追従して変化する。

【００３１】そして、誤差増幅器１７の出力信号に基づ
き、インバ−タ駆動回路２０は検出信号Ｓｉが基準信号
Ｓｒｂに等しくなるようにインバ−タ３を制御し、この
制御により、プラズマア−ク電流が基準信号Ｓｒｂに基
づく定電流に制御される。

【００３２】したがって、図１の場合は従来の機械式の
開閉器９の代わりにトランジスタ２３の半導体チョッパ
素子を用いた小型の電子回路により、プラズマア−クに
移行したときにパイロットア−ク電流を遮断して省電力
化が図れる。しかも、インバ−タ３が基準信号Ｓｒｂに
基づいて駆動され、起動的に出力整流器５の出力電圧
（無負荷電圧）が十分に高くなるとともに、基準信号Ｓ
ｒａに基づくトランジスタ２３のチョッパ制御によりパ
イロットア−ク電流が定電流制御され、パイロットア−
クが良好に持続し、かつ、母材１３と電極１５との間隔
に起因するプラズマア−クへの移行ミス，移行遅れが生
じなくなる。

【００３３】（第２の実施例）つぎに、第２の実施例に
ついて、図３を参照して説明する。図３において、図１
と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、図１と
異なる点はつぎの（ｇ）〜（ｉ）の点である。 （ｇ）出力整流器５にパイロット給電用のダイオ−ド５
ｐ，５ｎを付加した点。 （ｈ）半導体チョッパ素子をトランジスタ２３ｐ，３３
ｎの２個とし、トランジスタ２３ｐをダイオ−ド５ｐ，
出力端子８ｂ間に設け、トランジスタ２３ｎをダイオ−
ド５ｎ，出力端子８ｂ間に設けた点。

【００３４】（ｉ）チョッパ駆動回路２６によりトラン
ジスタ２３ｐ，２３ｎをインバ−タ３の高周波出力の半
サイクル毎に交互に駆動する点。なお、図１のダイオ−
ド２２，トランジスタ２３は省かれている。

【００３５】そして、出力整流器５の正出力が通流する
ダイオ−ド５ｐ，トランジスタ２３ｐ，出力端子８ｂ，
ノズルチップ１４，電極１５，出力端子８ｃ，電流検出
器６，リアクトル１１，ダイオ−ド５ｂの正ル−プと、
出力整流器５の負出力が通流するダイオ−ド５ｎ，トラ
ンジスタ２３ｎ，出力端子８ｂ，ノズルチップ１４，電
極１５，出力端子８ｃ，電流検出器６，リアクトル１
１，ダイオ−ド５ａの負ル−プとにより、パイロット給
電路が形成される。

【００３６】また、誤差増幅器２５の誤差信号により、
チョッパ駆動回路２６は出力整流器５の出力が正になる
一方の半サイクルにトランジスタ２３ｐを駆動し、出力
整流器５の出力が負になる他方の半サイクルにトランジ
スタ３ｎを駆動する。したがって、この実施例の場合は
起動時のパイロットア−ク電流がトランジスタ２３ｐ，
２３ｎにより分担され、パイロットア−ク電流として比
較的大きな電流が要求される場合に好適である。

【００３７】（第３の実施例）つぎに、第３の実施例に
ついて、図４を参照して説明する。図４において、図１
と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、異なる
点はつぎの点である。

【００３８】すなわち、図１の電流検出器６に代わりに
パイロットア−ク電流用の電流検出器６ａとプラズマア
−ク電流用の電流検出器６ｂとを備え、電流検出器６ａ
をトランジスタ２３と出力端子８ｂとの間に設け、電流
検出器６ｂを接続点ｐと出力端子８ａとの間に設けた点
である。

【００３９】そして、電流検出器６ａはパイロット給電
路を流れる起動時のパイロットア−ク電流を検出し、こ
の電流に比例した検出信号Ｓｉａを誤差増幅器２５に供
給する。また、電流検出器６ｂはプラズマ給電路を流れ
るプラズマア−ク電流を検出し、この電流に比例した検
出信号Ｓｉｂを誤差増幅器１７に供給するとともに、プ
ラズマア−ク電流の通流開始により停止指令に反転する
制御信号ＳＷをチョッパ駆動回路２６に供給する。

【００４０】したがって、起動時は検出信号Ｓｉａに基
づいてパイロットア−ク電流が定電流制御され、プラズ
マア−クに移行すると、制御信号ＳＷによりチョッパ駆
動回路２６が停止してパイロットア−ク電流が遮断さ
れ、検出信号Ｓｉｂに基づいてプラズマア−ク電流が定
電流制御される。そして、この実施例の場合、パイロッ
トア−ク電流，プラズマア−ク電流が別個の電流検出器
６ａ，６ｂそれぞれにより検出されるため、プラズマア
−ク電流があまり大きくなく、パイロットア−ク電流と
プラズマア−ク電流との差が少ないときにも、パイロッ
トア−クからプラズマア−クへの移行に伴ってパイロッ
トア−ク電流の制御からプラズマア−ク電流の制御に正
確に移行し、良好な切断，溶接が行える利点がある。

【００４１】ところで、前記各実施例では装置の小型化
を図るため、出力変圧器４の入力側にインバ−タ３を設
け、このインバ−タ３の出力を整流，平滑して負荷給電
出力を形成したが、例えば、サイリスタの位相制御によ
り交流電源を整流して負荷給電出力を形成する場合にも
適用でき、出力回路等の構成は実施例に限定されるもの
ではない。

【００４２】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、以下に記載する効果を奏する。チョッパ制
御回路２４により半導体チョッパ素子（トランジスタ２
３，２３ｐ，２３ｎ）を駆動する電子制御により、出力
回路（出力整流器５）の直流出力をチョッパしてパイロ
ット給電路の通電電流が制御され、この制御に基づき、
溶接ト−チのノズルチップ１４と電極１５との間の電流
が起動時に所定のパイロットア−ク電流に定電流制御さ
れ、プラズマア−クへの移行により遮断されるため、従
来の機械式の開閉器を用いる場合より小型に電子化して
形成することができる。

【００４３】しかも、パイロットア−ク電流が出力回路
と別個のチョッパ制御で定電流制御され、この定電流制
御によっては出力回路の電圧が変わらないため、起動時
の出力回路の無負荷電圧を十分に高くすることができ、
パイロットア−ク電流を定電流制御して安定に持続し、
かつ、出力回路の高い電圧によって確実にプラズマア−
クに移行することができ、プラズマア−クへの移行ミ
ス，移行遅れを防止し、自動機を用いた場合にも好適な
電源装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマア−ク電源装置の第１の実施
例の結線図である。

【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ）は図１の動作説明用の
波形図である。

【図３】本発明の第２の実施例の結線図である。

【図４】本発明の第３の実施例の結線図である。

【図５】従来装置の結線図である。

【符号の説明】

５ 出力整流器 １３ 母材 １４ ノズルチップ １５ 電極 ２３，２３ｐ，２３ｎ 半導体チョッパ素子を形成する
トランジスタ ２４ チョッパ制御回路

フロントページの続き (72)発明者 檀上 謙三 大阪市東淀川区淡路２丁目14番３号 株 式会社三社電機製作所内 (72)発明者 青山 雅洋 大阪市東淀川区淡路２丁目14番３号 株 式会社三社電機製作所内 (72)発明者 狩野 国男 大阪市東淀川区淡路２丁目14番３号 株 式会社三社電機製作所内 (56)参考文献 特開 昭62−21466（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力回路の直流出力を溶接ト−チのノズ
   ルチップと電極との間に供給し，起動時に前記ノズルチ
   ップと前記電極との間の小電流のパイロットア−クを持
   続するパイロット給電路と、 前記直流出力を母材と前記電極との間に供給し，前記パ
   イロットア−クの発生後に前記ト−チが前記母材に接近
   して前記母材と前記電極との間に発生した大電流のプラ
   ズマア−クを持続するプラズマ給電路と、 前記パイロット給電路のノズルチップ側に挿入されたパ
   イロットア−ク電流制御用の半導体チョッパ素子と、 前記出力回路の出力電流又は前記両給電路の通電電流の
   検出に基づき前記半導体チョッパ素子の開閉を制御し，
   起動時は前記パイロット給電路の通電電流を所定のパイ
   ロットア−ク電流に定電流制御し，記プラズマア−クへ
   の移行により前記パイロット給電路の通電電流を低減又
   は遮断して前記パイロットアークを消失し前記パイロッ
   トアーク電流を遮断するチョッパ制御回路とを備えたこ
   とを特徴とするプラズマア−ク電源装置。