专利名称：可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法
技术领域：
本发明涉及可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其用于使伴随电弧负荷的变动的输出电流的变化率正常化。
背景技术：
在焊丝与母材之间反复短路期间与电弧期间的短路电弧焊接中，对应于电弧负荷的变动，使短路期间以及电弧期间中的输出电流i的变化正常化，对于确保良好的焊接质量比较重要。在上述的短路电弧焊接中，不仅包括短路过渡电弧焊接，还包括伴随短路的熔滴过渡焊接、伴随短路的喷射过渡焊接等。由于在短路电弧焊接中必须使用定电压特性的焊接电源，因此设该输出电压为E[V]。另外，若设焊接电源的内部以及外部的合计电抗线圈的电感值为L[H]、设内部以及外部的合计电阻的值为r[Ω]、设电弧负荷的电压(以下，称为焊接电压)为v[V]，则关于焊接电源的输出下式成立。
E＝L·di/dt+r·i+v…(1)式在上式中，由于电阻值r通常为小值因此省略，若以电流变化率di/dt进行整理则成为下式。
di/dt＝(E-v)/L…(2)式在上式中，输出电压E是预先设定的值，电弧负荷变动从而焊接电压v变化时的电流变化率di/dt，与(E-v)的电压差成正比例，而与电感值L成反比例。因此，若从电弧负荷变化为短路负荷，则由于成为电压差(E-v)＞0，因此输出电流i由与电感值L成反比例的电流变化率di/dt而增加，若从短路负荷变化为电弧负荷，则由于成为电压差(E-v)＜0，因此输出电流i由与电感值L成反比例的电流变化率di/dt而减少。通常，由于短路负荷时的焊接电压v是与数V近似的恒定值，且输出电压E设定为规定值，因此，该结果，电压差(E-v)也变为大致恒定值，从而输出电流i以与电感值L成反比例的电流变化率di/dt而增加。另一方面，变化为电弧负荷之后立刻变为电压差(E-v)＜0而输出电流i减少。之后，由于各种干扰引起的电弧负荷的变动较多，因此电压差(E-v)变化为正或变化为负，与其相应，输出电流i也变为增加或减少。因此，为了对应于短路/电弧负荷的变动而使电流变化率di/dt正常化，需要将电感值L设定为正常值Lm[H]。
由于向电抗线圈通电的输出电流i为最大500A的非常大的值，因此电抗线圈的尺寸变大重量也变重。此外，上述的正常电感值Lm，根据焊丝的材质、直径、保护气体的种类、平均输出电流值、短路期间和电弧期间等各种焊接条件而变化。但是，在铁芯上缠绕导线而制作的电抗线圈中，不能对应于焊接条件而使该电感值自由地变化为期望值。因此，在以下所说明的现有技术中，公开并广泛使用有电子地形成与该电抗线圈等价的作用的控制(以下，称为电子电抗线圈控制)(例如，参照专利文献1)。
电子电抗线圈控制的原理如以下。设输出电压的设定值为Er[V]，设正常电感值为Lm[μH]，设内置于焊接电源的电抗线圈的固定电感值为Li[μH]，设由电子电抗线圈控制形成的电子电感值为Lr[μH]。因此，变为Lm＝Li+Lr。若将这些代入上述的(2)式并整理则变为下式。
Er-Lr·di/dt＝Li·di/dt+v…(3)式在上式中，通过以输出电压变为E＝Er-Lr·di/dt的方式进行控制，可形成电子电感值Lr。即，检测输出电流i并算出输出电流变化率Bi＝di/dt，从而算出在其上乘以放大率Lr的电流变化率放大值Bia＝Lr·di/dt。然后，从预先设定的输出电压设定值Er中减去上述的电流变化率放大值Bia而算出电压控制设定值Ecr＝Er-Lr·di/dt，从而以输出电压E变为与该电压控制设定值Ecr大致相等的方式进行控制。这里，由于上述的放大率Lr＝Lm-Li，因此若根据各种焊接条件确定正常电感值Lm，则可确定放大率(电子电感值)Lr。因此，可通过电子可控硅控制将正常电感值Lm设定为任意的值。
图5是采用现有技术的电子可控硅控制的变换器(inverter)控制焊接电源的框图。以下，参照同图对各模块进行说明。
变换器脉冲宽度控制电源主电路IPM，将商用电源(3相200V等)作为输入，随着后述的脉冲宽度调制信号Pwm进行变换器脉冲宽度控制的输出控制，输出输出电压E。电抗线圈WL，是在铁芯上缠绕导线，并具有几十μH左右的小值的固定电感值Li[μH]。由此，输出电流i平滑且波动变得非常小。焊丝1通过焊丝供给装置的供给辊5经由焊炬4内而供给，并在与母材2之间发生电弧3。在焊丝1与母材2之间施加焊接电压v，并通电输出电流i。
电流检测电路ID，检测输出电流i并输出电流检测信号id。电流变化率算出电路BI，将该电流检测信号id微分并输出输出电流变化率信号Bi。乘法电路BIA，在上述的输出电流变化率信号Bi上乘以预先设定的放大率Lr，并输出电流变化率放大信号Bia＝Lr·di/dt。
输出电压设定电路ER，输出期望值的输出电压设定信号Er。减算电路SUB，从该输出电压设定信号Er中减去上述的电流变化率放大信号Bia，并输出电压控制设定信号Ecr＝Er-Bia。输出电压检测电路ED，检测输出电压E并输出输出电压检测信号Ed。误差放大电路EA，放大上述的电压控制设定信号Ecr与该输出电压检测信号Ed的误差并输出误差放大信号Ea。脉冲宽度调制控制电路PWM，将该误差放大信号Ea作为输入而进行脉冲宽度调制，从而输出用于驱动变换器的脉冲宽度调制信号Pwm。
图6是上述的焊接电源的各信号的时间图。同图(A)表示焊接电压v的时间变化，同图(B)表示输出电流i的时间变化，同图(C)表示输出电流变化率信号Bi的时间变化，同图(D)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。以下，参照同图进行说明。
时刻t1～t2的短路期间Ts中，为了使电弧负荷变为短路负荷，如同图(A)所示，焊接电压v变为几V左右的小值，从而变为电压差(E-V)＞0。由此，如同图(B)所示，输出电流i增加。与此相伴，如同图(C)所示，输出电流变化率信号Bi变为与输出电流i的增加率成正比例的正的值。然后，时刻t2～t3的电弧期间Ta中，为了从短路负荷变化为电弧负荷，如同图(A)所示，焊接电压v变为电弧电压值，从而变为电压差(E-V)＜0。由此，如同图(B)所示，输出电流i减少。与此相伴，如同图(A)所示，输出电流变化率信号Bi变为与输出电流i的减少率成正比例的负的值。然后，如同图(D)所示，电压控制设定信号Ecr，变为从输出电压设定信号Er中减去在输出电流变化率信号Bi上乘以放大率Lr的电流变化率放大信号Bia的值。以变为与该电压控制设定信号Ecr大致相等的方式控制输出电压E。
专利文献1特开2004-181526号公报图7是使上述的电子电抗线圈控制适用于可控硅相位控制焊接电源时的框图。在同图中，对与上述的图5相同的模块赋予同一符号并省略其说明。以下，对与图5不同的由虚线表示的模块进行说明。
相位控制电路PC，将误差放大信号Ea作为输入，并为了相位控制而输出顺序触发多个可控硅的触发信号Pc。可控硅相位控制电源主电路SPM，由变压器以及多个可控硅构成，并将3相200V等商用电源作为输入，且随着上述的触发信号Pc进行可控硅相位控制的输出控制，输出输出电压E。在可控硅相位控制焊接电源中，电抗线圈WL的电感值Li，与变换器控制焊接电源时相比，设定为3～5倍左右大的值。相对于变换器控制焊接电源的控制频率为几十kHz，可控硅相位控制焊接电源的控制频率为最大360Hz，在控制频率上有100倍的差距。因此，即使将电感值Li增大几倍，输出电流的波动与变换器控制焊接电源时相比也会显著地变大。
图8是上述的可控硅相位控制焊接电源中的各信号的时间图。同图与上述的图6相对应，同图(A)～(D)的各信号也相同。如同图(B)所示，输出电流i的波动相当大。各波动周期是顺序触发可控硅的周期，在六个可控硅顺序触发的情况下，波动频率变为60Hz×6＝360Hz。即，各波动周期的开始时刻是触发对应的可控硅的时刻。另外，如同图(B)所示，输出电流i因波动引起的变化率，比短路期间Ts中增加的变化率以及电弧期间Ta中减少的变化率(负荷变动引起的输出电流变化率)大。因此，如同图(C)所示，将输出电流i微分的输出电流变化率信号Bi＝di/dt，成为波动引起的输出电流变化率，而非负荷变动引起的输出电流变化率。所谓在电子电抗线圈控制中使用的输出电流变化率di/dt，必须是伴随负荷变动的输出电流变化率。该结果，在可控硅相位控制焊接电源中，不能使用概要适用于变换器控制焊接电源的电子电抗线圈控制。另外，若使波动平滑并减小，则同时负荷变动引起的电流变化也平滑。该结果，电子电抗线圈控制的应答性变得非常差，且不能起到其效果。
发明内容
本发明提供一种可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其可进行正常的电子电抗线圈控制。
为了解决上述的课题，第一发明为一种可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其检测焊接电源的输出电流；算出该输出电流检测值的变化率；在该输出电流变化率上乘以放大率而算出电流变化率放大值；从预先设定的输出电压值中减去所述电流变化率放大值而算出电源控制设定值；使所述焊接电源的输出电压与所述电压控制设定值大致相等，以如此的方式，通过可控硅相位控制而对输出进行控制，其特征在于，根据输出电流的波动周期的规定位置的电流值的变化率算出所述输出电流变化率。
另外，第二发明，根据第一发明所述的可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其特征在于，所述的输出电流的波动周期的规定位置的电流值的变化率，是各波动的最小值的变化率。
另外，第三发明，根据第一发明所述的可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其特征在于，所述的输出电流的波动周期的规定位置的电流值的变化率，是各波动的最大值的变化率。
在本发明中，如可控硅相位控制电弧焊接电源，输出电流存在较大的波动的情况下，根据输出电流的波动周期的规定位置的电流值的变化率算出输出电流变化率。由此，可正确地算出负荷变动引起的输出电流变化率，而非波动引起的输出电流变化率。因此，即使波动较大时，也可无误动作且正常地进行电子电抗线圈控制，从而可获得良好的焊接品质。
图1是本发明的实施方式1的可控硅相位控制电弧焊接电源的框图。
图2是图1的焊接电源的各信号的时间图。
图3是本发明的实施方式2的可控硅相位控制电弧焊接电源的框图。
图4是图3的焊接电源的各信号的时间图。
图5是现有技术中的变换器控制电弧焊接电源的框图。
图6是图5的焊接电源的各信号的时间图。
图7是表示现有技术的课题的可控硅相位控制电弧焊接电源的框图。
图8是图7的焊接电源的电压·电流波形图。
图中1-焊丝；2-母材；3-电弧；4-焊炬；5-供给辊；A、B-电流波形；BI-电流变化率算出电流；Bi-输出电流变化率(信号)；BIA-乘法电路；Bia-电流变化率放大(值/信号)；BIM-波动最大值变化率算出电路；BIS-波动最小值变化率算出电路；Bis-最小值变化率；E-输出电压；EA-误差放大电路；Ea-误差放大信号；Ecr-电压控制设定(值/信号)；ED-输出电压检测电路；Ed-输出电压检测信号；ER-输出电压设定电路；Er-输出电压设定(值/信号)；i-输出电流；ID-电流检测电路；id-电流检测信号；IM-波动最大值检测电路；im-最大电流值(信号)；im0-上一周期的最大电流值；IPM-变换器脉冲宽度控制电源主电路；IS-波动周期开始时电流值检测电路；is-开始时电流值(信号)；L-电感值；Li-固定电感值；Lm-正常电感值；Lr-放大率/电子电感值；PC-相位控制电路；Pc-触发信号；PWM-脉冲宽度调制控制电路；Pwm-脉冲宽度调制信号；r-电阻值；SPM-可控硅相位控制电源主电路；SUB-减算电路；Ta-电弧期间；Ts-短路期间；v-焊接电压；WL-电抗线圈。
具体实施例方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是本发明的实施方式1的可控硅相位控制电弧焊接电源的框图。在同图中，对与上述图7相同的模块赋予同一符号并省略其说明。以下，对与图7不同的由虚线表示的模块进行说明。
波动周期开始时电流值检测电路IS，将电流检测信号id以及触发信号Pc作为输入，检测可控硅触发而波动周期开始时点的输出电流值，并输出开始时电流值信号is。波动最小值变化率算出电路BIS，将上述的开始时电流值信号is以及电流检测信号id作为输入，时时地算出波动周期中id-is，并作为输出电流变化率信号Bi＝id-is输出。
图2是在图1中上述的焊接电源的各信号的时间图。同图(A)表示焊接电压v的时间变化，同图(B)表示输出电流i的时间变化，同图(C)表示输出电流变化率信号Bi的时间变化，同图(D)表示电压控制设定信号Ecr的时间变化。以下，参照同图进行说明。
若在时刻t1触发可控硅而波动周期开始，则如同图(B)所示，检测开始时的电流值is。然后，如同图(C)所示，时时地算出该周期中i-is，并作为输出电流变化率信号Bi输出。使用该输出电流变化率信号Bi，并如同图(D)所示，算出电压控制设定信号Ecr＝Er-Lr·Bi。基于该电压控制设定信号Ecr，决定下一周期的可控硅的触发时刻(触发角)。因此，如同图(B)所示，在时刻t11下一周期开始的时点，确定该开始时刻(触发角)，是结束时的电流值ie与开始时电流值is之差(变化率)。即，如同图(C)所示，根据波动的最小值is以及ie的最小值变化率Bis确定可控硅的触发角。该情况，如同图(B)所示，与将具有波动的电流波形变换为以虚线表示的电流波形A而进行电子电抗线圈控制的情况等价。该电流波形A表示负荷变动引起的输出电流i的变化。因此，根据负荷变动引起的输出电流变化率，而非波动引起的输出电流变化率，进行可控硅相位控制，由此意味着正常地进行电子电抗线圈控制。
图3是本发明的实施方式2的可控硅相位控制电弧焊接电源的框图。在同图中，对与上述的图1相同的模块赋予同一符号并省略其说明。以下，对与图1不同的、以虚线表示的模块进行说明。
波动最大值检测电路IM，将电流检测信号id以及触发信号Pc作为输入，检测来自可控硅触发从而波动周期开始时点的输出电流的最大值，并输出最大电流值信号im。波动最大值变化率算出电路BIM，输入上述的最大电流值信号im并存储，从而算出与上一周期的最大电流值im0之差im-im0，并作为输出电流变化率信号Bi输出。
图4是在图3中上述的焊接电源的电压·电流波形图。同图(A)表示焊接电压v的时间变化，同图(B)表示输出电流i的时间变化。同图与上述的图2相对应。以下，参照同图进行说明。
若在时刻t1触发可控硅从而波动周期开始，则如同图(B)所示，表示输出电流i增加并达到峰值后减少的山型的变化。将该峰值时的输出电流值作为最大电流值im而检测。在该峰值时，算出最大电流值im与上一周期的最大电流值im0之差im-im0，并作为输出电流变化率Bi。然后，算出电压控制设定信号Ecr＝Er-Lr·Bi，下一周期的触发时刻(触发角)确定为时刻t11。该情况，如同图(B)所示，与将具有波动的电流波形变换为以虚线表示的电流波形B从而进行电子电抗线圈控制的情况等价。该电流波形B表示负荷变动引起的输出电流i的变化。因此，根据负荷变动引起的输出电流变化率，而非波动引起的输出电流变化率，进行可控硅相位控制，由此意味着正常地进行电子电抗线圈控制。
如上述，在本发明中，根据输出电流的波动周期的规定位置的电流值的变化率算出输出电流变化率。由此，检测出负荷变动引起的输出电流变化率，而非波动引起的输出电流变化率。输出电流的波动周期的规定位置的电流值，在实施方式1中是波动的最小电流值，而在实施方式2中是波动的最大电流值。除此之外，也可为从波动周期开始时点经过规定时间的时点的电流值、每个波动周期的平均电流值、波动的振幅等。
权利要求
1.一种可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其检测焊接电源的输出电流，算出该输出电流检测值的变化率，在该输出电流变化率上乘以放大率而算出电流变化率放大值，从预先设定的输出电压值中减去所述电流变化率放大值而算出电源控制设定值，使所述焊接电源的输出电压与所述电压控制设定值大致相等，以如此的方式，通过可控硅相位控制对输出进行控制，该可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法的特征在于，根据输出电流的波动周期的规定位置的电流值的变化率算出所述输出电流变化率。
2.根据权利要求1所述的可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其特征在于，所述的输出电流的波动周期的规定位置的电流值的变化率，是各波动的最小值的变化率。
3.根据权利要求1所述的可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其特征在于，所述的输出电流的波动周期的规定位置的电流值的变化率，是各波动的最大值的变化率。
全文摘要
本发明提供一种可控硅相位控制电弧焊接电源的输出控制方法，其检测输出电流(i)；算出该输出电流检测值(id)的变化率；在该输出电流变化率(Bi＝di/dt)上乘以放大率(Lr)而算出电流变化率放大值(Bia＝Lr·Bi)；从预先设定的输出电压值(Er)中减去所述电流变化率放大值(Bia)而算出电源控制设定值(Ecr＝Er－Lr·di/dt)；使输出电压(E)与所述电压控制设定值(Ecr)大致相等，以如此的方式控制输出，其中，根据输出电流(i)的波动周期的规定位置的电流值的变化率算出所述输出电流变化率(Bi)。本发明可防止可控硅相位控制电弧焊接电源，由于输出电流的波动较大而用于使输出电流变化率正常化的电子电抗线圈控制出现的误动作。
文档编号B23K9/10GK1899744SQ20061010751
公开日2007年1月24日 申请日期2006年7月20日 优先权日2005年7月20日
发明者上园敏郎 申请人:株式会社大亨