JP4460572B2

JP4460572B2 - 高力率を有するアーク溶接用発電機

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Publication number: JP4460572B2
Application number: JP2006501757A
Authority: JP
Inventors: ジャンニロッセット，; ダニエルタッコン，; フランコメラ，
Original assignee: Selco SpA
Current assignee: Selco SpA
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2024-02-06
Also published as: CA2515111A1; DE602004002391D1; AU2004212059A1; CA2515111C; US7576299B2; RU2005128544A; DK1597012T3; JP2006518178A; PL208241B1; BRPI0407278A; US20060237408A1; ATE339269T1; NO20053823L; NO338243B1; EP1597012A1; CN100436022C; MXPA05008614A; EP1597012B1; CN1750899A; PL377438A1

Description

本発明は電気アーク溶接に用いられる発電機に関し、特に単相または３相本線交流を、溶接アーク用に制御されて適合された直流に変換する発電機に関する。

アーク溶接用の発電機に生じる問題点は、主に電源本線から取り込まれる電流の低力率に関連するものである。
更に、公知の構成及び方法に従って提供されるアーク溶接機の効率に悪影響を及ぼすもう１つの要因は、電源電圧の予測できない変動にある。
背景技術に関する例として、広く使用されている典型的な電気溶接機の構成が図１に示されている。

この構成は、本線側に、ダイオードのみにより構成される第１整流器段１と、それに続く一群の平滑コンデンサ２とを有している。
これにより整流され平滑された電流は、変圧器４の１次巻線に電力供給を行う高周波電子スイッチを備えたインバータブロック３に供給される。
変圧器４の２次巻線は第２整流器段５に接続されている。

第２整流器段５から出力された電流は誘導素子６により平滑化され、溶接アーク７に供給される。

この種の発電機は、作動中に、図２に示すような特性の電流を電源本線から取り込む。
この種の波形が高調波成分を有することは直ちに明らかであり、これは必然的に低力率となる。
このような状況において、溶接アークに極めて有用な電力レベルを得るためには、電源本線から高いＲＭＳ値を得る必要がある。

取り込まれる電流の高調波及び高ＲＭＳ値は、電力供給導電体の発熱量増大と電力供給ラインの電圧波形の相当な歪みを生じるため、このことは電力供給網に極めて有害な影響を生じ、更には電力供給ラインに接続された変圧器の強磁性体コアにおける損失を増大させることになる。
また、波形の歪みは電力ラインにかなりのノイズを導くことになる。

更に、家庭用の実用装置で供給されようとするものに対して起こりうるように、溶接用発電機が電力を制限されたものである場合、溶接アークに供給される電力が同等の抵抗負荷のそれよりも低いにもかかわらず、取り込まれるＲＭＳ電流の高い値が実用装置の熱的保護の干渉を受けることになる。
更にまた、既に述べたように、図１に示すような構成の発電機は、必然的に入力電圧の変動の影響を受け、これがこの発電機の性能を著しく低下させることになる。

これらの問題点を鑑み、溶接用発電機は、可能な限り正弦波曲線となるような本線電流の取り込みを可能にする付加的手段、即ち使用者が利用可能な有効電力を全て使用できるように発電機を抵抗負荷と均等なものとするような付加的手段を設ける工夫がなされてきた。
また、本線電圧変動に発電機を自動的に適応させて、発電機の良好で安定した性能を確保するという働きを有した付加的手段も採用されてきた。

この種の構成を有する発電機は、図３に概略的に示すようなタイプのものである。
この構成では、図１の系統図に対して、整流器ブロック１と平滑ブロック２との間に付加的手段８が挿入されていることが明確に示されている。
ＰＦＣと称するこの手段は、様々な種類のものが設けられる。
この種の発電機はいずれの場合も高価で複雑なものとなり、時として高電圧に耐える必要のある部品の選択が難しくなる。

本発明が目指すところは、高力率で電源本線から電流を取り込むようにしたアーク溶接発電機を提供することにある。
このような意図の中で、本発明の目的は、電源本線から取り出される電源電圧の変動に対して不安定とならないアーク溶接用発電機を提供することにある。
もう１つの目的は、低コストで高効率の部品を使用することが可能な回路一式を提供することにある。

これらの目的、及び以下において明らかになる別の目的は、電源本線により電力供給される整流器段と、前記ＰＦＣ段に接続された高周波型のＰＦＣ段と、前記ＰＦＣ段に接続された高周波型のインバータ段とからなり、前記インバータ段は溶接アークに電力を供給する出力段への電力供給を行うようにしたアーク溶接用発電機であって、前記ＰＦＣ段は、互いに磁気的に結合されて前記整流器段の出力と直列に配設され、前記整流器段が有する２つの出力が接続された２つの入力を有する２つの誘導素子と、共通点（common node）と前記２つの誘導素子の出力の２つの点（node）のそれぞれとの間に接続された２つの第１高周波制御スイッチと、前記２つの第１高周波制御スイッチと前記２つの誘導素子との間の２つの点（node）にそれぞれ接続されて導電方向が互いに逆となる２つのダイオードと、前記ダイオードの出力点（output node）と、前記第１高周波制御スイッチの前記共通点（common node）に接続されたコンデンサ共通点とに接続された２つの平滑コンデンサと、前記２つの第１高周波制御スイッチの連続的なオン・オフ切り換えを制御するために更に設けられて、前記整流器段に取り込まれる電流を線間電圧の波形に対応して成形する手段とによって構成され、前記ＰＦＣ段は更に、前記２つのダイオードの前記出力点に接続された２つの出力導電体と前記コンデンサ共通点に接続された１つの導電体とならなる３つの出力導電体を有し、前記２つの第１高周波制御スイッチのオン・オフ切り換えを制御する手段は、前記２つの誘導素子のうちの第１誘導素子の入力から入力電圧を取り込み、前記第１誘導素子の出力から電流信号を取り込み、前記２つのダイオードのそれぞれの出力点から電圧信号を取り込む装置からなり、前記装置は、前記２つの第１高周波制御スイッチを制御して、前記入力電圧から得た波形をひずみが低減すると共に力率が改善するように成形することにより、前記電源本線から電力が供給される整流器段（１００）によって取り込まれる電流を調整するための、前記２つの第１高周波制御スイッチとの接続を有し、前記インバータ段は、前記２つのダイオードのそれぞれの出力点と、前記２つの第１高周波制御スイッチの前記共通点（common node）に接続されたコンデンサ共通点との間で電力供給を受けるものであって、第２制御スイッチ、ダイオード及びコンデンサでそれぞれ構成され、中央点（central node）、２つの中間点（intermediate node）及び２つの外部点（external node）の５つの点（node）を形成するように直列に接続される４対の三つ組（triad）からなり、前記外部点（external node）は、前記ＰＦＣ段の前記２つのダイオードの前記出力点に接続された前記ＰＦＣ段の前記２つの出力導電体に接続され、前記中間点（intermediate node）は、前記コンデンサ共通点に接続された前記出力導電体に、それぞれダイオードを介して接続され、コンデンサが前記２つの中間点（intermediate node）の間に接続されており、更に制御装置が前記４つの第２制御スイッチ用に設けられ、前記溶接アークに電力を供給する前記出力段への電流は、前記コンデンサ共通点に接続されている前記出力導電体に接続されて、前記ダイオードに共通に設けられたダイオード共通点と、前記第２制御スイッチ、前記ダイオード及び前記コンデンサからなる前記４対の三つ組（triad）の前記中央点（central node）との間から取り出されることを特徴とするアーク溶接用発電機により達成される。

本発明の更なる特徴及び利点は、添付図面中の限定されない例を用いて示された、その好ましい実施形態についての以下の詳細な説明からより明確になるであろう。

図に示すように、本発明による発電機は、理論的には４つの段（stage）に分割され、これらは参照番号１００で示された本線（mains）電力供給段、参照番号２００で示されたＰＦＣ段、参照番号３００で示されたインバータ段、並びに参照番号４００で示された出力及びアーク供給段である。
本線電力供給段１００は、本線１０２から電力供給される単相または３相のダイオード１０１を有した標準的な整流器ブロックからなる。

参照番号１０３及び１０４でそれぞれ示される２つの出力導電体は、段１０１から導出され、ＰＦＣ段２００における２つの入力導電体２０１及び２０２へと続く。
２つの誘導素子２０３及び２０４は、それぞれ入力２０１及び２０２に接続されると共に互いに磁気的に結合されている。
２つの誘導素子２０３及び２０４の出力は、参照番号２０５及び２０６で示され、それぞれ第１点（first node）２０７と第２点（second node）とに接続されている。

第１制御スイッチ２０９の第１端子は点（node）２０７に接続されており、第２制御スイッチ２１０の第１端子は点（node）２０８に接続されている。
第１制御スイッチ２０９の第２端子及び第２制御スイッチ２１０の第２端子は、共通の点（common node）２１１に接続されている。
第１ダイオード２１２の第１端子は点（node）２０７に接続され、第２ダイオード２１３の第１端子は点（node）２０８に接続されており、２つのダイオードは導電方向が逆になっている。

第１ダイオード２１２の第２端子は点（node）２１４に接続され、第２ダイオード２１３の第２端子は点（node）２１５に接続されている。
第１平滑コンデンサ２１６の第１端子は点（node）２１４に接続され、第２平滑コンデンサ２１７の第１端子は点（node）２１５に接続されている。
２つの平滑コンデンサ２１６及び２１７は、互いに逆極性となるように配置され、これらの第２端子は点（node）２１１に接続された点（node）２１８と接続されている。

ＰＦＣ段２００は、点（node）２１４に接続された導電体２１９、点（node）２１５に接続された導電体２２０、及び点（node）２１８に接続された導電体２２１の３つの出力導電体を有している。
ＰＦＣ段２００は、高周波制御型（ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴ）のスイッチ２０９及び２１０のオン・オフ切り換えを制御する制御装置２２２を有している。

装置２２２は、接続２２３により入力２０１から電圧信号Ｖｉｎを取り込み、接続２２４により導電体２０５から電流信号Ｉｉｎを取り込み、接続２２５により点（node）２１４またはコンデンサ２１６から電圧信号Ｖｃ_１を取り込み、接続２２６により点（node）２１５またはコンデンサ２１７から電圧信号Ｖｃ_２を取り込む。
図中、接続２２７及び２２８は、スイッチ２０９及び２１０の制御を示す。

２つのスイッチ２０９及び２１０の連続的なオン・オフ切り換えの適切な制御により、制御装置２２２は整流電力供給段１００により取り込まれる電流を制御し、信号Ｖｉｎから得られた電圧線の波形に追従するように電流を成形することにより、極めて低い歪みと極めて高い力率を得る。
スイッチ２０９及び２１０を閉じることにより、誘導素子２０３及び２０４における電流は下式に等しい傾斜で増大する。

Ｖｉｎ／（Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｍ_１２）
式中、Ｍ_１２はダイオード２１２及び２１３がオフである際の２つの誘導素子の結合を考慮した係数であり、Ｌ_１及びＬ_２はそれぞれ誘導素子２０３及び２０４に対応するものである。
スイッチ２０９及び２１０を開くことにより、電流は平滑コンデンサ２１６及び２１７を充電するように２０３、２１２、２１６、２１７、２１３及び２０４を循環し、下式に等しい傾斜で減少する。

−［Ｖｉｎ−（Ｖｃ_１＋Ｖｃ_２）］／（Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｍ_１２）
点（node）２１１と点（node）２１８の間、或いは２つのスイッチ２０９及び２１０間の接続を介し、同容量の２つのコンデンサ２１６及び２１７により、それぞれ一方のスイッチに印加される電圧はＶｃ／２に等しくなり、この電圧は標準的な公知のＰＦＣ段の構成で生じる電圧の半分となる。

このことは、より低い降伏電圧のスイッチの使用が可能となり、電子スイッチの製造技術に関連する理由から、より高いスイッチング周波数での作動を許容し、その結果として誘導素子２０３及び２０４の価格を低下させると共に、電源本線から取り込まれる電流の制御を改善することが可能となる。
既に知られているように、電子スイッチの降伏電圧が上昇するほど、当該スイッチの適正なスイッチング時間も増大するため、当該スイッチにより浪費される電力を制限するには、スイッチング周波数を低下させることがますます必要となる。

インバータ段３００は、高いスイッチング周波数を有しており、ＰＦＣ段の出力導電体２１９に接続された第１外部点（first external node）３０１、出力導電体２２０に接続された第２外部点（second external node）３０２、ダイオード３０４を介して出力導電体２２１に接続された第１中間点（first intermediate node）３０３、及びダイオード３０６を介し出力導電体２２１に接続された第２中間点（second intermediate node）３０５を有している。

ダイオード３０４及び３０６は、逆の導電方向となるように配置されている。
制御スイッチ３０７、ダイオード３０８及びコンデンサ３０９で構成される並列構成部品からなる第１三つ組（first triad）は、第１外部点（first external node）３０１と第１中間点（first intermediate node）３０３との間に設けられる。
制御スイッチ３１１、ダイオード３１２及びコンデンサ３１３で構成される並列構成部品からなる第２三つ組（second triad）は、第１中間点（first intermediate node）３０３と中央点（central node）３１０との間に設けられる。

同様に、第３制御スイッチ３１４、ダイオード３１５及びコンデンサ３１６で構成される並列構成部品からなる三つ組（triad）が第２外部点（second external node）３０２と第２中間点（second intermediate node）３０５との間に設けられる。
第４制御スイッチ３１７、ダイオード３１８及びコンデンサ３１９で構成される並列構成部品からなる三つ組（triad）が第２中間点（second intermediate node）３０５と中央点（central node）３１０との間に設けられる。

また、２つの中間点（intermediate node）３０３及び３０５の間にはコンデンサ３２０が接続されている。
更に、インバータ段３００は４つの制御スイッチ３０７、３１１、３１７及び３１４をオン・オフ切り換えする制御装置３２１を有している。
ダイオード３０４及び３０６に共通である点（node）３２２と点（node）２１８との間の接続により、各制御スイッチに作用する最大電圧は半分になる。

このような状態は、公知の構成の回路よりも更に高いスイッチング周波数とスイッチング速度を有する部品の使用を可能とし、磁性部品の寸法を減少することが可能となる。
ＰＦＣ段２００とインバータ段３００との間の、導電体２１９、２２１及び２２０による接続により、スイッチの適正なオン・オフ切り換え制御を行うことによってコンデンサ２１６及び２１７の電圧が平衡するように制御することが可能となり、溶接電流の制御に対する障害の発生を回避することができる。

段（stage）４００は、点（node）３２２と、変圧器４０１の１次巻線が接続される点（node）３１０とにより電力供給を受け、次にこの変圧器は、その出力が誘導素子４０３を介して溶接アーク４０４に電力を供給する整流器４０２に電力を供給する。
本出願が優先権を主張するイタリア国特許出願ＰＤ２００３Ａ００００２７の開示内容は、参照によりここに編入されるものである。

公知の装置を示す図である。図１の公知の装置の作動状態を示す図である。公知の装置を示す図である。図３の公知の装置の作動状態を示す図である。本発明による４段構成の発電機の、特に接続状態を示す概要図である。図５の発電機のＰＦＣ段の詳細図である。図５の発電機のインバータ段の詳細図である。

符号の説明

１００整流器段
２００ＰＦＣ段
２０３、２０４誘導素子
２０９、２１０第１スイッチ
２１２、２１３ダイオード
２１６、２１７平滑コンデンサ
２２２制御装置
３００インバータ段
３０４、３０６ダイオード
３０７、３１１、３１４、３１７第２制御スイッチ
３０８、３１２、３１５、３１８ダイオード
３０９、３１３、３１６、３１９コンデンサ
３２０コンデンサ
３２１制御装置
４００出力段

Claims

電源本線（１０２）により電力供給される整流器段（１００）と、前記整流器段（１００）に接続された高周波型のＰＦＣ段（２００）と、前記ＰＦＣ段（２００）に接続された高周波型のインバータ段（３００）とからなり、前記インバータ段（３００）は溶接アーク（４０４）に電力を供給する出力段（４００）への電力供給を行うようにしたアーク溶接機用発電機において、
前記ＰＦＣ段（２００）は、
互いに磁気的に結合されて前記整流器段（１００）の出力と直列に配設され、前記整流器段（１００）が有する２つの出力（１０３，１０４）が接続された２つの入力（２０１，２０２）を有する２つの誘導素子（２０３，２０４）と、
共通点（２１１）と前記２つの誘導素子（２０３，２０４）の出力（２０５，２０６）の２つの点（２０７，２０８）のそれぞれとの間に接続された２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）と、
前記２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）と前記２つの誘導素子（２０３，２０４）との間の２つの点（２０７，２０８）にそれぞれ接続されて導電方向が互いに逆となる２つのダイオード（２１２，２１３）と、
前記２つのダイオード（２１２，２１３）のそれぞれの出力点（２１４，２１５）と、前記２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）の前記共通点（２１１）に接続されたコンデンサ共通点（２１８）とに接続された２つの平滑コンデンサ（２１６，２１７）と、
前記２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）の連続的なオン・オフ切り換えを制御するために更に設けられて、前記整流器段に取り込まれる電流を線間電圧の波形に対応して成形する手段（２２２）とによって構成され、
前記ＰＦＣ段（２００）は更に、前記２つのダイオード（２１２，２１３）の前記出力点（２１４，２１５）に接続された２つの出力導電体（２１９，２２０）と前記コンデンサ共通点（２１８）に接続された１つの導電体（２２１）とならなる３つの出力導電体（２１９，２２０，２２１）を有し、
前記２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）のオン・オフ切り換えを制御する手段は、前記２つの誘導素子（２０３，２０４）のうちの第１誘導素子（２０３）の入力（２０１）から入力電圧（Ｖｉｎ）を取り込み、前記第１誘導素子（２０３）の出力（２０５）から電流信号（Ｉｉｎ）を取り込み、前記２つのダイオード（２１２，２１３）のそれぞれの出力点（２１４，２１５）から電圧信号（Ｖｃ１，Ｖｃ２）を取り込む装置（２２２）からなり、
前記装置（２２２）は、前記２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）を制御して、前記入力電圧（Ｖｉｎ）から得た波形をひずみが低減すると共に力率が改善するように成形することにより、前記電源本線（１０２）から電力が供給される整流器段（１００）によって取り込まれる電流を調整するための、前記２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）との接続（２２７，２２８）を有し、
前記インバータ段（３００）は、
前記２つのダイオード（２１２，２１３）のそれぞれの出力点（２１４，２１５）と、前記２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）の前記共通点（２１１）に接続されたコンデンサ共通点（２１８）との間で電力供給を受けるものであって、
第２制御スイッチ（３０７，３１１，３１７，３１４）、ダイオード（３０８，３１２，３１８，３１５）及びコンデンサ（３０９，３１３，３１９，３１６）でそれぞれ構成され、中央点（３１０）、２つの中間点（３０３，３０５）及び２つの外部点（３０１，３０２）の５つの点を形成するように直列に接続される４対の三つ組からなり、
前記外部点（３０１，３０２）は、前記ＰＦＣ段（２００）の前記２つのダイオード（２１２，２１３）の前記出力点（２１４，２１５）に接続された前記ＰＦＣ段（２００）の前記２つの出力導電体（２１９，２２０）に接続され、
前記中間点（３０３，３０５）は、前記コンデンサ共通点（２１８）に接続された前記出力導電体（２２１）に、それぞれダイオード（３０４，３０６）を介して接続され、
コンデンサ（３２０）が前記２つの中間点（３０３，３０５）の間に接続されており、
更に制御装置（３２１）が前記４つの第２制御スイッチ（３０７，３１１，３１７，３１４）用に設けられ、前記溶接アークに電力を供給する前記出力段（４００）への電流は、前記コンデンサ共通点（２１８）に接続されている前記出力導電体（２２１）に接続されて、前記ダイオード（３０４，３０６）に共通に設けられたダイオード共通点（３２２）と、前記第２制御スイッチ（３０７，３１１，３１７，３１４）、前記ダイオード（３０８，３１２，３１８，３１５）及び前記コンデンサ（３０９，３１３，３１９，３１６）からなる前記４対の三つ組の前記中央点（３１０）との間から取り出されることを特徴とするアーク溶接用発電機。
前記電力供給本線は単相または３相であることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用発電機。
前記２つの第１スイッチ（２０９，２１０）はＩＧＢＴとして知られている形式のものであることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用発電機。
前記２つの第１高周波制御スイッチ（２０９，２１０）はＭＯＳＦＥＴとして知られている形式のものであることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用発電機。
前記インバータ段（３００）の前記２つのダイオード（３０４，３０６）は、前記ダイオード共通点（３２２）が前記ＰＦＣ段（２００）の前記コンデンサ共通点（２１８）に接続されており、前記４つの第２制御スイッチ（３０７，３１１，３１７，３１４）に印加される最大電圧を半減して、高周波スイッチングと高速作動が可能な部品を使用可能とすることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用発電機。