アーク溶接インバーター究極ガイド
現代の溶接は、どのようにしてこのような精度と効率を実現しているのだろうかと不思議に思ったことはないだろうか。アーク溶接インバーターがその鍵を握っているかもしれません。これらの装置は、電気エネルギーを変換して強力な溶接アークを発生させ、溶接に適合させます。
効率的で信頼性が高く、多用途に使用できる装置で、溶接プロセスを強化する力を持つことを想像してみてください。アーク溶接インバータは、サイリスタ、トランジス タ、MOSFET、IGBT、およびソフト・スイッチング技 術などの先進技術によって溶接業界を変革しています。この記事では、5 種類のアーク溶接インバーターを取り上げ、そのユニークな特徴と用途を紹介します。これらの技術革新により、溶接性能の向上、軽量化、省エネがどのように実現できるかをご覧ください。これらの最先端ツールを活用することで、どのように優れた溶接成果を得ることができるかをご覧ください。
高速サイリスタ（SCR）を主なインバータ回路とし、そのトリガ角度でアーク溶接を制御する高出力・高電圧のスイッチ管は、一般にサイリスタ式と呼ばれる。 アーク溶接インバータ.トリガー角度によって制御され、トリガー角度制御アーク溶接インバーターとも呼ばれる。
サイリスタを用いたアーク溶接インバータの研究は、1970 年代後半にはすでに成果を上げ、報告されていた。1980年代前半から中盤にかけては、中容量から大容量へ、電極アーク溶接からCO2/MAG溶接、サブマージアーク溶接、そして、溶接の高速化・高能率化という面で大きな発展を遂げた。 抵抗溶接直流溶接から矩形波交流溶接へ、電子制御からマイクロコンピューターとデジタル制御へ、その応用分野は拡大し続けている。
インバータの周波数は数キロヘルツから数十キロヘルツ（共振あり）。
しかし、1980年代後半になると、周波数が低く、制御性能が低く、ノイズ干渉があるため、電界効果トランジスタやIGBTベースのアーク溶接インバータなどの新しい技術に徐々に取って代わられた。
その適用割合は徐々に減少していったが、それでも世界では一定の地位を保っている。
静止誘導サイリスタ（SITH）やゲート・ターン・オフ・サイリスタ（GTO）といった新しいタイプのサイリスタが登場することで、サイリスタの位置づけが変わり、サイリスタの継続的な発展と普及に貢献することに留意する必要があります。
サイリスタ式アーク溶接インバータの主要部品と基本原理図を図 1 に示す。
回路の主な構成部品とその機能は以下の通りである：
(1) 入力整流器(UR1)：これは一般的な単相または三相整流ブリッジである。50Hzまたは60Hzの交流電圧を直流電圧に変換する。
(2) 入力フィルター（LC1）：ギャップ型インダクタとコンデンサで構成され、入力直流電圧を比較的平滑にする。
(3）大電力高速サイリスタグループVH：大電力、高電圧の電子スイッチとして働き、直流電圧（電流）を数キロヘルツの中間周波数電圧（電流）に反転させる。
(4) 中間周波トランス（T）：高電圧・低電流を低電圧・高電流に変換して出力します。 溶接工程.一般的に、その芯材はフェライト、アモルファス合金、ナノ結晶合金、または高ρ値ケイ素鋼でできている。
(5) 出力整流器（UR2）：低電圧の中間周波交流を直流に整流する。
(6) 出力フィルター（LC2）：リップル係数の高い直流電圧を比較的平滑にする。ただし、入力フィルタのリップル周波数が100Hz〜300Hzであるのに対し、出力フィルタのリップル周波数は数キロヘルツ〜数十キロヘルツであるため、中間周波数のフィルタ装置が必要となる点が入力フィルタと異なる。
(7) トリガ制御駆動回路（ZD）：サイリスタ群VHのトリガ制御駆動パルス信号を生成する。
(8) 電圧安定化電源および演算回路（MZ）：トリガ制御駆動回路、演算回路、ギドフィードバック比較回路に安定化電源を供給する。
(9) フィードバック比較回路（MG）：出力回路からアーク電圧と電流の負帰還信号を一定の割合で取り込み、所定の（基準）電圧と比較・増幅し、トリガ駆動回路に制御信号を与え、出力電圧と電流を所定の要求に合うように変化させる。 溶接工程.
スイッチング素子として大電力サイリスタを使用すること：その昔、大容量、高電圧、高性能のサイリス タがすでに製造されており、通常は1個か1対のサイリス タで済み、コストも低く抑えられていました。
しかし、サイリスタのターンオフ時間の制限から、インバータの定格動作周波数は通常2000Hzから5000Hzの間しかない。この周波数範囲ではノイズが大きく、特に交流アーク溶接ではアークノイズが人体に一定の影響を与える。
一般的なアーク溶接インバータと共通する特徴サイリスタ式アーク溶接インバータは、アーク溶接用発電機やアーク溶接用整流器と比較して、高効率、省エネルギー、軽量、小形、高力率、良好なアーク溶接性能などの利点がある。
トランジスタ式アーク溶接インバータは、電源スイッチとしてトランジスタを使用するタイプのアーク溶接インバータである。電流制御タイプのアーク溶接インバータに属する。位相角制御アーク溶接インバータの出現は、間違いなくアーク溶接の革命を後押しした。 溶接パワー 源である。しかし、前述したように、スイッチング速度が遅い、反転周波数が低い、制御性能が低い、ノイズが多いなど、大電力電子スイッチとしてのサイリスタの限界が、さらなる発展を制限してきた。
そのため、科学者や技術者は、サイリスタ・ベースのアーク溶接インバータの欠点を克服するため、スイッチング速度が速く、制御性能に優れた大電力電子スイッチ部品を探し始めた。こうして、インバータ・アーク溶接電源の開発史において、インバータ電源スイッチ部品はサイリスタからGTRへ、さらにMOSFETや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）などへと進化してきた。
大電力の電子スイッチ部品としてトランジスタ（またはトランジスタ群）を使用し、アーク溶接工程に必要な電気的特性を有しながら電流制御を利用したインバータを電流制御式アーク溶接インバータ、通称トランジスタ式アーク溶接インバータという。
主な構成部品とその機能
トランジスタ式アーク溶接インバータ回路の主な構成要素と動作原理を図2に示す。コア回路全体は、インバータ主回路と駆動制御回路の2つに大別できる。
(1) インバータ主回路：電源系統から負荷（アーク）回路（インバータ主回路を含む）へエネルギーを変換・伝達する電源系統、電子電源系統、溶接アークを含む。
(2) 駆動制御回路：電子制御系（電子制御回路、トランジスタ群ドライバ、電圧レギュレータ、プログラム制御回路）とアーク溶接特性回路（フィードバック検出回路M、所与回路G、比較回路、アンプN）を含む。
駆動制御回路は矩形波のパルス電圧を供給し、このパルス電圧は駆動回路によって増幅され、高電圧スイッチであるハイパワートランジスタ群が飽和導通を達成し、電圧降下を低減するために十分に大きなベース電流を持つようにする。これは電流制御トランジスタにとって極めて重要である。
矩形波パルス電圧は、クロック発振回路または一定パルス幅発生器から供給される。フィードバック検出回路、与回路、比較回路、増幅回路などを用いて、トランジスタ式アーク溶接インバータの閉ループ制御を実現し、必要な外部特性や調整特性（プロセスパラメータ調整）、動特性、出力パルス波形を得ることができる。
基本的に、トランジスタ式アーク溶接インバーターは、スイッチ・モード定電圧・定電流（CV/CC）溶接電源の一種でもある。
基本原理の観点からは、先に紹介した磁気増幅器型、サイリスタ位相制御アーク溶接整流器、トランジスタスイッチアーク溶接整流器まで遡ることができ、いずれもスイッチモード電源である。
しかし、その大電力スイッチング部品は負荷回路と直列に接続され、パワートランジスタ群の電圧降下とオンオフ時間比（時比率）を調整することで出力電圧と電流の調整と安定化を実現している。
そのため、出力電圧が低く、電流が大きい溶接プロセス条件では、パワートランジスタ群が大きな電力を負担することになり、効率が低くなる。また、主変圧器の動作周波数が50Hzであるため、サイズと重量が大きくなる。
対照的に、トランジスタ式アーク溶接インバータは斬新なスイッチ・モード電源であり、パワー・トランジスタ群が一次側で高電圧・低電流で動作する。主変圧器の動作周波数は16～25kHzに達することができ、その結果、効率が大幅に向上し、サイズが大幅に縮小される。
最も一般的に使用されているインバーター周波数は20kHzであり、これもまた "20kHz電力技術革命 "の一例である。
トランジスタ式アーク溶接インバータの最大の特徴は、インバータの大電力スイッチング部品として、"大電力サイリスタ "の代わりに "大電力スイッチトランジスタ群 "を使用し、"定パルス幅発生器 "と "V/F回路 "の代わりに "クロック発振器 "と "V/W回路 "を使用したことである。
制御と変調にはパルス幅変調が使用され、フィードバック検出回路、与えられた回路、比較回路、増幅回路などを介して、トランジスタ式アーク溶接インバータの閉ループ制御が実現される。
その結果、所望の外部特性、調整特性（プロセスパラメータ調整）、動特性、出力パルス波形が得られる。
分類
トランジスタアーク溶接インバータ技術は、さまざまな角度から分類することができる。
外部特性曲線の形状により、定電圧特性、定電流特性、スロードロップ特性、ダブルステップ特性、定電流＋外部抗力特性などに分けられる。
出力アーク電圧と電流波形により、直流、パルス、矩形波交流などに分けられる。
インバータ主回路の形態によって、シングルエンド正インバータ主回路、ダブルエンド正インバータ主回路、ハーフブリッジインバータ主回路、フルブリッジインバータ主回路、まれにパラレル（プッシュプル）インバータ主回路に分けられる。
特徴
サイリスタアーク溶接インバータに比べ、トランジスタアーク溶接インバータは、大電力スイッチトランジスタの性能が良いため、次のような特徴や利点がある：
トランジスター式アーク溶接インバーターの登場により、反転周波数が20kHzレベルまで向上し、効率向上や体積・重量の軽減に寄与しているが、二次絶縁破壊の問題があり、大電流駆動（電流制御型）が必要である。
その結果、技術者たちは、より優れた性能を持つパワー・スイッチ、すなわちハイパワー電界効果トランジスタ（MOSFET）に取って代わるものを積極的に求めてきた。
一般に電界効果トランジスタ（MOSFET）アーク溶接インバータとして知られている電圧制御型アーク溶接インバータに属します。パワー電界効果トランジスタのスイッチング制御を実現するために必要なのは、制御駆動電圧と微小な瞬時電流だけであり、スイッチング速度が速く、二次絶縁破壊がない。
MOSFETアーク溶接インバータの主な構成要素と基本原理は、トランジスタ型インバータと同様である。その原理ブロック図を図 3 に示す。
また、「固定周波数パルス幅変調（PWM）」調整方式を採用している。トランジスタ式インバータのインバータ周波数は一般に20kHz前後で固定されているが、MOSFET式インバータでは40～50kHzが主流で、50kHzを超えるものもある。
また、出力パルス波形の低周波変調を含む駆動パルス幅の変化（調整）を制御することで、外部特性やレギュレーション特性の取得方法（レギュレーションパラメータ調整）を実現している。
また、入力整流フィルタ回路、基本的なインバータ主回路、出力フィルタ回路、フィードバックによる閉ループ制御回路とその原理は、基本的にすべて同じである。ここではこれ以上詳しく説明しない。
MOSFETアーク溶接インバータの特性
電界効果トランジスタ（MOSFET）を電子パワースイッチとして使用する場合の特性を分析した。トランジスタと比較して、MOSFETはアーク溶接インバータに次のような顕著な利点と特性を与える：
(1) 制御電力が極めて小さい：MOSFETはゲート・ソースの直流入力抵抗が高く、電圧制御を採用している。MOSFETアーク溶接インバータは、電力結合の観点から、A/D、D/Aインタフェースを介してマイコンで直接制御でき、制御回路の簡素化が可能であり、最新の制御回路を追求している。
(2）広い信頼できる働く範囲。
(3) スイッチング時間が極めて短い。
(4) 多管並列運転が比較的容易に実現できる：MOSFETは正の温度係数を持つため、並列運転では直列の分流抵抗が不要。
分類と応用
MOSFETアーク溶接インバータは、外部特性、出力直流型、パルス型、矩形波交流型に分類できる。
このタイプのアーク溶接インバーターにアーク溶接棒、タングステン アルゴン アーク溶接、溶ける電極の手動溶接にだけ使用することができる普遍的な重大さがあります ガスシールド溶接プラズマアーク溶接・切断だけでなく、機械化溶接、自動溶接、ロボット溶接などの高性能・精密溶接においても、アーク電圧、電流フィードバック、マッチング比の違いによってさまざまな外部特性を得ることができる。
さらに、デジタル・インテリジェント制御により、溶接性能と多機能性を大幅に向上させることができる。
MOSFETのパワーには限りがあるため、通常、特に低パワーの小・中パワーの状況で使用される。インバータの周波数を100-200kHzに上げることで、100AのMOSFETアーク溶接インバータをわずか3.4kgにすることができます。
まさにポケットサイズだ。 アーク溶接電源 まるで芸術作品のようだ。
IGBT（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）アーク溶接インバータは、トランジスタ・ベースのアーク溶接インバータの一種で、電子パワー・スイッチとして従来のトランジスタの代わりに電界効果トランジスタを使用する。最小限の電力制御、速いスイッチング速度、二次絶縁破壊がないこと、インバータ周波数が高いことなど、いくつかの利点がある。
しかし、電界効果トランジスタを使用するには、生産能力が低い、チャネル抵抗が高い、耐電圧が低い、定格動作電流が小さいなどの欠点もある。これらの問題に対処するため、メーカーや研究部門は、従来のトランジスタの高容量と電界効果トランジスタの電圧制御を組み合わせたIGBTパワー・スイッチング・トランジスタを開発した。
IGBTパワー・スイッチング・トランジスタは、トランジスタ容量が大きく、製造やデバッグが比較的容易であるため、産業界で急速に普及・応用が進んでいる。IGBTパワー・スイッチング・トランジスタを使用する溶接インバータは、IGBTアーク溶接インバータとも呼ばれ、電圧制御インバータの一種である。しかし、IGBTアーク溶接インバータのインバータ周波数は、MOSFETベースのインバータほど高くない。
MOSFETベースのアーク溶接インバータとIGBTベースのアーク溶接インバータは、それぞれ独自の特性を持っており、新しいものとなっている。 溶接の種類 広く開発され、推進されている電源。
IGBTアーク溶接インバータの主要部品と基本動作原理を図4に示す。MOSFETベースや従来のトランジスタ・ベースの溶接インバータと比較して IGBTインバータ はサイズも基本構造も異なるが、いずれも「固定周波数パルス幅変調」PWM制御方式を採用している。
主な違いは、MOSFETや従来のトランジスタの代わりにIGBTトランジスタが使用され、インバータ周波数は20～25kHz程度である（MOSFETベースのインバータは50kHz以上に達する）。IGBTトランジスタは電圧制御を使用し、1つのトランジスタで十分な容量があるため、複数のトランジスタを並列動作させる必要がない。
IGBTインバータの外部特性、レギュレーション特性（標準パラメーターのレギュレーション）、出力波形の取得と制御も、出力パルス波形の低周波変調を含むパルス幅の変化（変換、変調）によって実現される。
入力整流フィルタ回路、インバータ主回路（複数種類）、出力フィルタ回路、負帰還による閉ループ制御回路の基本形とその原理は、MOSFET方式の溶接インバータと基本的に同じである。
IGBTベースのアーク溶接インバータは、その外部特性によって、あるいはDC、パルス、矩形波ACなどの出力タイプによって分類することができる。
いずれのタイプの溶接インバーターも普遍的な意義を持ち、スティックアーク溶接、タングステン・アルゴンアーク溶接、溶融電極ガスシールド溶接、プラズマアーク溶接、切断などの大規模かつ広範な溶接プロセスだけでなく、1250Aから2000Aまでの高出力シングル／ダブルワイヤサブマージアーク自動溶接プロセス、アークエアガウジング、ロボットアーク溶接、デュアルワイヤMIG/MAG/パルス溶接、3ワイヤサブマージアーク溶接などにも使用できる。
アーク溶接電源装置の電源装置は、アナログ・モードまたはスイッチ・モードで動作し、制御される。スイッチ・モードのアーク溶接電源装置には、ハード・スイッチングとソフト・スイッチングの2種類がある。前者は主にパルス幅変調（PWM）制御技術を使用し、パワー・デバイスは強制オフ（電流はゼロではない）または強制オン（電圧はゼロではない）状態で動作する。
回路内に寄生容量やインダクタンスが存在するため、パワー・スイッチ・デバイスは、ゼロではない、あるいはそれ以上の動作電流値や電圧値でオン／オフし、スイッチング損失が大きくなる。この損失は周波数に比例して増加し、回路効率を著しく低下させ、回路の誤動作を引き起こすことさえある。
従来設計のアーク溶接インバータでは、これらの問題を根本的に解決することは困難であった。しかし、ソフト・スイッチング・アーク溶接インバーターは、共振電流変換技術を使用しており、ゼロ電圧またはゼロ電流の条件下でパワー・デバイスが自然にオンまたはオフになります。
この技術は、ハード・スイッチング・アーク溶接電源の欠点を本質的に克服し、スイッチング損失を大幅に削減し、電磁干渉（EMI）と無線周波数干渉（RFI）を最小限に抑える。
また、インバータの重量を減らし、周波数を上げ、回路内のトランス、インダクタ、コンデンサの体積を減らし、出力リップルを減らし、電力密度とシステムの動的性能を向上させる。
そのため、ソフト・スイッチング技術、特にアーク溶接イン バータへの応用がますます広がっており、アーク溶接電源は新 しいレベルに到達している。ソフト・スイッチング・アーク溶接インバータは、この分野における有望な発展であり、本節ではその議論に焦点を当てる。
ソフトスイッチングアーク溶接インバータの主な構成要素と基本原理は、ハードスイッチングアーク溶接インバータと似ている。主な違いは、インバータ主回路の構造詳細と制御・駆動回路の調整方法にある。
ソフトスイッチング動作モードの共振電流変換技術は、可変周波数制御と定周波数制御の2つの方法で制御することができる。可変周波数制御の回路解析と設計は複雑で、干渉の影響を受けやすく、出力範囲が小さく、磁気部品の利用率が低い。
定周波数制御は、インバータ主回路に共振インダクタとコンデンサを直列に接続した、一般的に使用されているPWMに基づいている。この制御システムでは、位相シフトされた矩形波を使ってスイッチ・デバイスを駆動し、フリーホイール・ダイオードに依存してパワー・デバイスのソフト・スイッチング制御を実現する。
フルブリッジインバータ主回路では、対角線上のパワースイッチデバイスを同時にオンオフするのではなく、電流ゼロターンオフまたは電圧ゼロターンオンを実現するために、時間間隔をずらしてオンオフする。出力電圧または電流の制御は、ブリッジのデューティ・サイクルを調整することで実現する。
この制御方式は設計が比較的容易で、出力範囲が広く、回路構成が比較的単純であるため、アーク溶接インバータ用途に適している。
ソフトスイッチングインバータ主回路の基本形
現在、ソフト・スイッチング・インバータの主回路には、いくつかの一般的な基本形式がある：
ソフトスイッチングインバータ主回路の動作原理
アーク溶接電源に適したソフトスイッチングインバータ主回路を選択するためには、以下の4つの基本的なソフトスイッチングインバータ主回路を詳しく紹介する必要がある：
(1) ゼロカレントスイッチング（ZCS）共振インバータ主回路
図6aに示すように、ZCSとは、補助LC共振素子とパワー・デバイスに流れる電流波形を利用して、ゼロ電流条件下でパワー・デバイスを自然にターンオフさせ、デバイスの自然整流を実現することである。
(2) ゼロ・ボルテージ・スイッチング（ZVS）共振インバータ主回路
図6bに示すように、ZVSとは、補助共振素子のインダクタとコンデンサ、およびパワーデバイスにかかる電圧波形を利用して、パワーデバイスの出力容量電圧をゼロにしてからデバイスをオンにすることで、デバイスをオンにするためのゼロ電圧条件を作り出し、デバイスの寄生出力容量に関連するスイッチング損失をなくすことで、スイッチング周波数を大幅に高めることを指す。
しかし、ZVSには2つの欠点がある。ひとつは、デバイスにかかる大きな電圧ストレスで、これは負荷範囲に比例するため、広範囲の負荷に対してZVSを実現するのは難しい。もう1つは、整流ダイオードが共振コンデンサーとともに発振することに起因する。
減衰発振であれば、高周波での電力損失が大きくなる。非減衰発振であれば、インバータの電圧利得に不利な影響を与え、閉ループ発振を起こす可能性がある。
(3) マルチ共振インバータ主回路
図6cに示すように、マルチ共振インバータ主回路とは、ZVSとZCSの特性を1つのスイッチング構造で組み合わせたものである。共振コンデンサはスイッチング素子と並列であり、ダイオードとも並列であるため、スイッチング素子とダイオードはともにゼロ電圧スイッチとなる。
主な利点は、主要な寄生パラメータ（パワー・デバイスの出力容量、ダイオードの接合容量、トランスのリーケージ・インダクタンスなど）をすべて共振回路に統合し、電圧がゼロのときに回路内のすべてのデバイスを導通させることで、スイッチング損失を低減し、作業効率を向上させることである。
上記3つの回路の欠点は、可変周波数で動作するため、デバイスに高電圧・高電流のストレスがかかることである。
直列共振インバータ主回路、並列ハーフブリッジおよびフルブリッジインバータ回路、Eクラスインバータ主回路は、ソフトスイッチングアーク溶接インバータの主回路の構造とより密接に関連している。
E級インバータ主回路はE級増幅回路を改良したもので、直列共振インバータを改良したものである。その回路を図7に示す。
E級インバータ主回路の長所は、スイッチング損失がなく、電磁干渉が少ないことである。主な欠点は、スイッチに大きなピーク電流が流れ、スイッチデバイスに大きな電圧ストレスがかかることである。
(4) 位相シフト制御フルブリッジインバータ主回路
1980年代後半に提案されて以来、位相シフト制御フルブリッジ・ソフトスイッチング回路は、ますます注目され、研究と応用のホットトピックとなっている。位相シフト・フルブリッジ・ソフトスイッチング回路は、共振ソフトスイッチングとPWMという2つの回路トポロジーを完璧に組み合わせたものです。
パワー・スイッチ・デバイスのスイッチング・プロセス中に共振整流が達成され、スイッチング損失の低減が保証される一方、スイッチング・デバイスがオンになった後は、PWM変調を使用して方形波の電圧と電流が供給される。スイッチング波形の特性に基づいて、位相シフト制御フルブリッジ・ソフトスイッチング回路は、フルブリッジ・ゼロ電圧ソフトスイッチングとゼロ電圧・ゼロ電流ソフトスイッチングに分けることができます。
位相シフト制御フルブリッジインバータ回路の主回路と駆動信号タイミングを図8に示す：
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