可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法
2023-05-24 23:59:31
專利名稱：可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法
技術領域：
本發明涉及可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其用於使伴隨電弧負荷的變動的輸出電流的變化率正常化。
背景技術：
在焊絲與母材之間反覆短路期間與電弧期間的短路電弧焊接中，對應於電弧負荷的變動，使短路期間以及電弧期間中的輸出電流i的變化正常化，對於確保良好的焊接質量比較重要。在上述的短路電弧焊接中，不僅包括短路過渡電弧焊接，還包括伴隨短路的熔滴過渡焊接、伴隨短路的噴射過渡焊接等。由於在短路電弧焊接中必須使用定電壓特性的焊接電源，因此設該輸出電壓為E[V]。另外，若設焊接電源的內部以及外部的合計電抗線圈的電感值為L[H]、設內部以及外部的合計電阻的值為r[Ω]、設電弧負荷的電壓(以下，稱為焊接電壓)為v[V]，則關於焊接電源的輸出下式成立。
E＝L·di/dt+r·i+v…(1)式在上式中，由於電阻值r通常為小值因此省略，若以電流變化率di/dt進行整理則成為下式。
di/dt＝(E-v)/L…(2)式在上式中，輸出電壓E是預先設定的值，電弧負荷變動從而焊接電壓v變化時的電流變化率di/dt，與(E-v)的電壓差成正比例，而與電感值L成反比例。因此，若從電弧負荷變化為短路負荷，則由於成為電壓差(E-v)＞0，因此輸出電流i由與電感值L成反比例的電流變化率di/dt而增加，若從短路負荷變化為電弧負荷，則由於成為電壓差(E-v)＜0，因此輸出電流i由與電感值L成反比例的電流變化率di/dt而減少。通常，由於短路負荷時的焊接電壓v是與數V近似的恆定值，且輸出電壓E設定為規定值，因此，該結果，電壓差(E-v)也變為大致恆定值，從而輸出電流i以與電感值L成反比例的電流變化率di/dt而增加。另一方面，變化為電弧負荷之後立刻變為電壓差(E-v)＜0而輸出電流i減少。之後，由於各種幹擾引起的電弧負荷的變動較多，因此電壓差(E-v)變化為正或變化為負，與其相應，輸出電流i也變為增加或減少。因此，為了對應於短路/電弧負荷的變動而使電流變化率di/dt正常化，需要將電感值L設定為正常值Lm[H]。
由於向電抗線圈通電的輸出電流i為最大500A的非常大的值，因此電抗線圈的尺寸變大重量也變重。此外，上述的正常電感值Lm，根據焊絲的材質、直徑、保護氣體的種類、平均輸出電流值、短路期間和電弧期間等各種焊接條件而變化。但是，在鐵芯上纏繞導線而製作的電抗線圈中，不能對應於焊接條件而使該電感值自由地變化為期望值。因此，在以下所說明的現有技術中，公開並廣泛使用有電子地形成與該電抗線圈等價的作用的控制(以下，稱為電子電抗線圈控制)(例如，參照專利文獻1)。
電子電抗線圈控制的原理如以下。設輸出電壓的設定值為Er[V]，設正常電感值為Lm[μH]，設內置於焊接電源的電抗線圈的固定電感值為Li[μH]，設由電子電抗線圈控制形成的電子電感值為Lr[μH]。因此，變為Lm＝Li+Lr。若將這些代入上述的(2)式並整理則變為下式。
Er-Lr·di/dt＝Li·di/dt+v…(3)式在上式中，通過以輸出電壓變為E＝Er-Lr·di/dt的方式進行控制，可形成電子電感值Lr。即，檢測輸出電流i並算出輸出電流變化率Bi＝di/dt，從而算出在其上乘以放大率Lr的電流變化率放大值Bia＝Lr·di/dt。然後，從預先設定的輸出電壓設定值Er中減去上述的電流變化率放大值Bia而算出電壓控制設定值Ecr＝Er-Lr·di/dt，從而以輸出電壓E變為與該電壓控制設定值Ecr大致相等的方式進行控制。這裡，由於上述的放大率Lr＝Lm-Li，因此若根據各種焊接條件確定正常電感值Lm，則可確定放大率(電子電感值)Lr。因此，可通過電子可控矽控制將正常電感值Lm設定為任意的值。
圖5是採用現有技術的電子可控矽控制的變換器(inverter)控制焊接電源的框圖。以下，參照同圖對各模塊進行說明。
變換器脈衝寬度控制電源主電路IPM，將商用電源(3相200V等)作為輸入，隨著後述的脈衝寬度調製信號Pwm進行變換器脈衝寬度控制的輸出控制，輸出輸出電壓E。電抗線圈WL，是在鐵芯上纏繞導線，並具有幾十μH左右的小值的固定電感值Li[μH]。由此，輸出電流i平滑且波動變得非常小。焊絲1通過焊絲供給裝置的供給輥5經由焊炬4內而供給，並在與母材2之間發生電弧3。在焊絲1與母材2之間施加焊接電壓v，並通電輸出電流i。
電流檢測電路ID，檢測輸出電流i並輸出電流檢測信號id。電流變化率算出電路BI，將該電流檢測信號id微分並輸出輸出電流變化率信號Bi。乘法電路BIA，在上述的輸出電流變化率信號Bi上乘以預先設定的放大率Lr，並輸出電流變化率放大信號Bia＝Lr·di/dt。
輸出電壓設定電路ER，輸出期望值的輸出電壓設定信號Er。減算電路SUB，從該輸出電壓設定信號Er中減去上述的電流變化率放大信號Bia，並輸出電壓控制設定信號Ecr＝Er-Bia。輸出電壓檢測電路ED，檢測輸出電壓E並輸出輸出電壓檢測信號Ed。誤差放大電路EA，放大上述的電壓控制設定信號Ecr與該輸出電壓檢測信號Ed的誤差並輸出誤差放大信號Ea。脈衝寬度調製控制電路PWM，將該誤差放大信號Ea作為輸入而進行脈衝寬度調製，從而輸出用於驅動變換器的脈衝寬度調製信號Pwm。
圖6是上述的焊接電源的各信號的時間圖。同圖(A)表示焊接電壓v的時間變化，同圖(B)表示輸出電流i的時間變化，同圖(C)表示輸出電流變化率信號Bi的時間變化，同圖(D)表示電壓控制設定信號Ecr的時間變化。以下，參照同圖進行說明。
時刻t1～t2的短路期間Ts中，為了使電弧負荷變為短路負荷，如同圖(A)所示，焊接電壓v變為幾V左右的小值，從而變為電壓差(E-V)＞0。由此，如同圖(B)所示，輸出電流i增加。與此相伴，如同圖(C)所示，輸出電流變化率信號Bi變為與輸出電流i的增加率成正比例的正的值。然後，時刻t2～t3的電弧期間Ta中，為了從短路負荷變化為電弧負荷，如同圖(A)所示，焊接電壓v變為電弧電壓值，從而變為電壓差(E-V)＜0。由此，如同圖(B)所示，輸出電流i減少。與此相伴，如同圖(A)所示，輸出電流變化率信號Bi變為與輸出電流i的減少率成正比例的負的值。然後，如同圖(D)所示，電壓控制設定信號Ecr，變為從輸出電壓設定信號Er中減去在輸出電流變化率信號Bi上乘以放大率Lr的電流變化率放大信號Bia的值。以變為與該電壓控制設定信號Ecr大致相等的方式控制輸出電壓E。
專利文獻1特開2004-181526號公報圖7是使上述的電子電抗線圈控制適用於可控矽相位控制焊接電源時的框圖。在同圖中，對與上述的圖5相同的模塊賦予同一符號並省略其說明。以下，對與圖5不同的由虛線表示的模塊進行說明。
相位控制電路PC，將誤差放大信號Ea作為輸入，並為了相位控制而輸出順序觸發多個可控矽的觸發信號Pc。可控矽相位控制電源主電路SPM，由變壓器以及多個可控矽構成，並將3相200V等商用電源作為輸入，且隨著上述的觸發信號Pc進行可控矽相位控制的輸出控制，輸出輸出電壓E。在可控矽相位控制焊接電源中，電抗線圈WL的電感值Li，與變換器控制焊接電源時相比，設定為3～5倍左右大的值。相對於變換器控制焊接電源的控制頻率為幾十kHz，可控矽相位控制焊接電源的控制頻率為最大360Hz，在控制頻率上有100倍的差距。因此，即使將電感值Li增大幾倍，輸出電流的波動與變換器控制焊接電源時相比也會顯著地變大。
圖8是上述的可控矽相位控制焊接電源中的各信號的時間圖。同圖與上述的圖6相對應，同圖(A)～(D)的各信號也相同。如同圖(B)所示，輸出電流i的波動相當大。各波動周期是順序觸發可控矽的周期，在六個可控矽順序觸發的情況下，波動頻率變為60Hz×6＝360Hz。即，各波動周期的開始時刻是觸發對應的可控矽的時刻。另外，如同圖(B)所示，輸出電流i因波動引起的變化率，比短路期間Ts中增加的變化率以及電弧期間Ta中減少的變化率(負荷變動引起的輸出電流變化率)大。因此，如同圖(C)所示，將輸出電流i微分的輸出電流變化率信號Bi＝di/dt，成為波動引起的輸出電流變化率，而非負荷變動引起的輸出電流變化率。所謂在電子電抗線圈控制中使用的輸出電流變化率di/dt，必須是伴隨負荷變動的輸出電流變化率。該結果，在可控矽相位控制焊接電源中，不能使用概要適用於變換器控制焊接電源的電子電抗線圈控制。另外，若使波動平滑並減小，則同時負荷變動引起的電流變化也平滑。該結果，電子電抗線圈控制的應答性變得非常差，且不能起到其效果。
發明內容
本發明提供一種可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其可進行正常的電子電抗線圈控制。
為了解決上述的課題，第一發明為一種可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其檢測焊接電源的輸出電流；算出該輸出電流檢測值的變化率；在該輸出電流變化率上乘以放大率而算出電流變化率放大值；從預先設定的輸出電壓值中減去所述電流變化率放大值而算出電源控制設定值；使所述焊接電源的輸出電壓與所述電壓控制設定值大致相等，以如此的方式，通過可控矽相位控制而對輸出進行控制，其特徵在於，根據輸出電流的波動周期的規定位置的電流值的變化率算出所述輸出電流變化率。
另外，第二發明，根據第一發明所述的可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其特徵在於，所述的輸出電流的波動周期的規定位置的電流值的變化率，是各波動的最小值的變化率。
另外，第三發明，根據第一發明所述的可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其特徵在於，所述的輸出電流的波動周期的規定位置的電流值的變化率，是各波動的最大值的變化率。
在本發明中，如可控矽相位控制電弧焊接電源，輸出電流存在較大的波動的情況下，根據輸出電流的波動周期的規定位置的電流值的變化率算出輸出電流變化率。由此，可正確地算出負荷變動引起的輸出電流變化率，而非波動引起的輸出電流變化率。因此，即使波動較大時，也可無誤動作且正常地進行電子電抗線圈控制，從而可獲得良好的焊接品質。
圖1是本發明的實施方式1的可控矽相位控制電弧焊接電源的框圖。
圖2是圖1的焊接電源的各信號的時間圖。
圖3是本發明的實施方式2的可控矽相位控制電弧焊接電源的框圖。
圖4是圖3的焊接電源的各信號的時間圖。
圖5是現有技術中的變換器控制電弧焊接電源的框圖。
圖6是圖5的焊接電源的各信號的時間圖。
圖7是表示現有技術的課題的可控矽相位控制電弧焊接電源的框圖。
圖8是圖7的焊接電源的電壓·電流波形圖。
圖中1-焊絲；2-母材；3-電弧；4-焊炬；5-供給輥；A、B-電流波形；BI-電流變化率算出電流；Bi-輸出電流變化率(信號)；BIA-乘法電路；Bia-電流變化率放大(值/信號)；BIM-波動最大值變化率算出電路；BIS-波動最小值變化率算出電路；Bis-最小值變化率；E-輸出電壓；EA-誤差放大電路；Ea-誤差放大信號；Ecr-電壓控制設定(值/信號)；ED-輸出電壓檢測電路；Ed-輸出電壓檢測信號；ER-輸出電壓設定電路；Er-輸出電壓設定(值/信號)；i-輸出電流；ID-電流檢測電路；id-電流檢測信號；IM-波動最大值檢測電路；im-最大電流值(信號)；im0-上一周期的最大電流值；IPM-變換器脈衝寬度控制電源主電路；IS-波動周期開始時電流值檢測電路；is-開始時電流值(信號)；L-電感值；Li-固定電感值；Lm-正常電感值；Lr-放大率/電子電感值；PC-相位控制電路；Pc-觸發信號；PWM-脈衝寬度調製控制電路；Pwm-脈衝寬度調製信號；r-電阻值；SPM-可控矽相位控制電源主電路；SUB-減算電路；Ta-電弧期間；Ts-短路期間；v-焊接電壓；WL-電抗線圈。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
圖1是本發明的實施方式1的可控矽相位控制電弧焊接電源的框圖。在同圖中，對與上述圖7相同的模塊賦予同一符號並省略其說明。以下，對與圖7不同的由虛線表示的模塊進行說明。
波動周期開始時電流值檢測電路IS，將電流檢測信號id以及觸發信號Pc作為輸入，檢測可控矽觸發而波動周期開始時點的輸出電流值，並輸出開始時電流值信號is。波動最小值變化率算出電路BIS，將上述的開始時電流值信號is以及電流檢測信號id作為輸入，時時地算出波動周期中id-is，並作為輸出電流變化率信號Bi＝id-is輸出。
圖2是在圖1中上述的焊接電源的各信號的時間圖。同圖(A)表示焊接電壓v的時間變化，同圖(B)表示輸出電流i的時間變化，同圖(C)表示輸出電流變化率信號Bi的時間變化，同圖(D)表示電壓控制設定信號Ecr的時間變化。以下，參照同圖進行說明。
若在時刻t1觸發可控矽而波動周期開始，則如同圖(B)所示，檢測開始時的電流值is。然後，如同圖(C)所示，時時地算出該周期中i-is，並作為輸出電流變化率信號Bi輸出。使用該輸出電流變化率信號Bi，並如同圖(D)所示，算出電壓控制設定信號Ecr＝Er-Lr·Bi。基於該電壓控制設定信號Ecr，決定下一周期的可控矽的觸發時刻(觸發角)。因此，如同圖(B)所示，在時刻t11下一周期開始的時點，確定該開始時刻(觸發角)，是結束時的電流值ie與開始時電流值is之差(變化率)。即，如同圖(C)所示，根據波動的最小值is以及ie的最小值變化率Bis確定可控矽的觸發角。該情況，如同圖(B)所示，與將具有波動的電流波形變換為以虛線表示的電流波形A而進行電子電抗線圈控制的情況等價。該電流波形A表示負荷變動引起的輸出電流i的變化。因此，根據負荷變動引起的輸出電流變化率，而非波動引起的輸出電流變化率，進行可控矽相位控制，由此意味著正常地進行電子電抗線圈控制。
圖3是本發明的實施方式2的可控矽相位控制電弧焊接電源的框圖。在同圖中，對與上述的圖1相同的模塊賦予同一符號並省略其說明。以下，對與圖1不同的、以虛線表示的模塊進行說明。
波動最大值檢測電路IM，將電流檢測信號id以及觸發信號Pc作為輸入，檢測來自可控矽觸發從而波動周期開始時點的輸出電流的最大值，並輸出最大電流值信號im。波動最大值變化率算出電路BIM，輸入上述的最大電流值信號im並存儲，從而算出與上一周期的最大電流值im0之差im-im0，並作為輸出電流變化率信號Bi輸出。
圖4是在圖3中上述的焊接電源的電壓·電流波形圖。同圖(A)表示焊接電壓v的時間變化，同圖(B)表示輸出電流i的時間變化。同圖與上述的圖2相對應。以下，參照同圖進行說明。
若在時刻t1觸發可控矽從而波動周期開始，則如同圖(B)所示，表示輸出電流i增加並達到峰值後減少的山型的變化。將該峰值時的輸出電流值作為最大電流值im而檢測。在該峰值時，算出最大電流值im與上一周期的最大電流值im0之差im-im0，並作為輸出電流變化率Bi。然後，算出電壓控制設定信號Ecr＝Er-Lr·Bi，下一周期的觸發時刻(觸發角)確定為時刻t11。該情況，如同圖(B)所示，與將具有波動的電流波形變換為以虛線表示的電流波形B從而進行電子電抗線圈控制的情況等價。該電流波形B表示負荷變動引起的輸出電流i的變化。因此，根據負荷變動引起的輸出電流變化率，而非波動引起的輸出電流變化率，進行可控矽相位控制，由此意味著正常地進行電子電抗線圈控制。
如上述，在本發明中，根據輸出電流的波動周期的規定位置的電流值的變化率算出輸出電流變化率。由此，檢測出負荷變動引起的輸出電流變化率，而非波動引起的輸出電流變化率。輸出電流的波動周期的規定位置的電流值，在實施方式1中是波動的最小電流值，而在實施方式2中是波動的最大電流值。除此之外，也可為從波動周期開始時點經過規定時間的時點的電流值、每個波動周期的平均電流值、波動的振幅等。
權利要求
1.一種可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其檢測焊接電源的輸出電流，算出該輸出電流檢測值的變化率，在該輸出電流變化率上乘以放大率而算出電流變化率放大值，從預先設定的輸出電壓值中減去所述電流變化率放大值而算出電源控制設定值，使所述焊接電源的輸出電壓與所述電壓控制設定值大致相等，以如此的方式，通過可控矽相位控制對輸出進行控制，該可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法的特徵在於，根據輸出電流的波動周期的規定位置的電流值的變化率算出所述輸出電流變化率。
2.根據權利要求1所述的可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其特徵在於，所述的輸出電流的波動周期的規定位置的電流值的變化率，是各波動的最小值的變化率。
3.根據權利要求1所述的可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其特徵在於，所述的輸出電流的波動周期的規定位置的電流值的變化率，是各波動的最大值的變化率。
全文摘要
本發明提供一種可控矽相位控制電弧焊接電源的輸出控制方法，其檢測輸出電流(i)；算出該輸出電流檢測值(id)的變化率；在該輸出電流變化率(Bi＝di/dt)上乘以放大率(Lr)而算出電流變化率放大值(Bia＝Lr·Bi)；從預先設定的輸出電壓值(Er)中減去所述電流變化率放大值(Bia)而算出電源控制設定值(Ecr＝Er－Lr·di/dt)；使輸出電壓(E)與所述電壓控制設定值(Ecr)大致相等，以如此的方式控制輸出，其中，根據輸出電流(i)的波動周期的規定位置的電流值的變化率算出所述輸出電流變化率(Bi)。本發明可防止可控矽相位控制電弧焊接電源，由於輸出電流的波動較大而用於使輸出電流變化率正常化的電子電抗線圈控制出現的誤動作。
文檔編號B23K9/10GK1899744SQ20061010751
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月20日 優先權日2005年7月20日
發明者上園敏郎 申請人:株式會社大亨