IGBTインバータ対SCR整流器溶接機：違いを説明
IGBTインバーターとSCR整流器溶接機の技術的な違いに興味はありませんか？この記事では、効率、可搬性、性能の面でこの2つの溶接技術を比較する方法を探ります。
重くてかさばる溶接機を、軽量で持ち運び可能な発電所に変身させることを想像してみてほしい。この記事では、インバータ・アーク溶接電源の仕組みに迫り、効率的な溶接のための交流から直流への変換について紹介する。この革新的な装置がどのようにエネルギーを節約し、安定したアークを提供し、自動化システムとシームレスに統合するかを学びます。インバーター溶接機を最新の溶接アプリケーションに不可欠なものにしている中核的な利点と技術的進歩をご覧ください。最後には、インバータ溶接機が溶接業界に革命をもたらしている理由をご理解いただけることでしょう。
インバータ・アーク溶接電源は、アーク溶接インバータと も呼ばれ、新しいタイプの溶接電源である。このタイプの電源は一般に、三相主電源周波 数（50Hz）のACネットワーク電圧を入力整流器 で整流・ろ過し、DCに変換する。
その後、大電力スイッチング電子部品（サイリスタSCR、GTOトランジスタ、MOSFET、IGBTなど）を使用してスイッチ状態を交互に切り替え、数kHzから数十kHzの中周波交流電圧に反転させ、トランスによって溶接に適した電圧に低下させる。
整流後、インダクタンスを通してフィルタリングし、安定した直流溶接電流を出力する。
インバーターは、直流（DC）を交流（AC）に変換する高度な電子機器である。アーク溶接電源の分野では、インバーター技術は、より効率的でコンパクトな多用途溶接機器を提供することで、業界に革命をもたらした。
インバータ・アーク溶接電源の変換シーケンスは、以下のように表すことができる：
象徴的に言えば、このプロセスは次のように表すことができる：
AC → DC → AC → DC
この多段変換システムが採用されているのには、いくつかの重大な理由がある：
アーク溶接の用途では、最終的な直流出力が重要である。高周波交流で溶接することも理論的には可能ですが、直流を使用することにはいくつかの利点があります：
最新のインバーター溶接電源は、マイクロプロセッサー制御と高度なパワー・エレクトロニクスを組み込んでいることが多く、パルス出力、シナジー制御、マルチプロセス機能などの機能を実現し、さまざまな溶接用途における汎用性と性能をさらに高めている。
インバータの基本機能 アーク溶接 高周波で動作するため、多くの利点がある。
これは、トランスの電位Eが一次巻線であれ二次巻線であれ、電流の周波数f、磁束密度B、鉄心断面積S、巻線の巻数Wと次のような関係にあるからである：
E = 4.44fBSW
そして巻線端子電圧UはEにほぼ等しい：
U ≈ E = 4.44fBSW
UとBが決まれば、周波数fを上げればSは減り、Wは減る。したがって、トランスの重量と体積を大幅に減らすことができる。これにより、機械全体の重量と体積が大幅に小さくなる。
さらに、周波数の増加などにより、従来のアークと比べて多くの利点がある。 溶接パワー のソースである。主な特徴は以下の通り：
(1）小型、軽量、材料節約、持ち運びや移動が容易。
(2)高効率と省エネ、最大80%～90%の効率で、従来の溶接機に比べて3分の1以上の電力を節約できる。
(3) 動特性がよく、アークスタートが容易で、アークが安定し、溶接の形成が美しく、スパッタが少ない。
(4) ロボットとの組み合わせによる自動溶接生産システムに適している。
(5)多目的に使用でき、様々な溶接・切断工程に対応できる。
上述のインバータ電源の一連の利点により、1970年代後半に登場して以来、急速に発展してきた。米国や日本などの先進国では、その応用範囲はかなり広範囲に及んでいる。
現在、インバータ電源に使われているスイッチング素子には、SCR（サイリスタ）、GTR（トランジスタ）、MOSFET（電界効果トランジスタ）、IGBT（GTRとMOSFETの長所を組み合わせた電子素子の一種）などがある。
IGBTは他のスイッチング素子を置き換える可能性を秘めている。IGBTインバーター溶接機は、以下の点で大きく進歩している。 溶接技術 そして、新たな発展の流れ。
溶接機ヘッドは、溶接電源から出力されるエネルギーを溶接熱に変換し、連続的に被溶接材に供給します。 溶接材料 溶接を達成するためにマシンヘッドが前進している間。
手動アーク溶接で使用される電気溶接トングは、溶接ビードを形成するために、手動で押し下げて前進させる必要がある。 溶接棒 を溶かす。自動溶接機には、ワイヤの自動供給機構と、マシンヘッドを前進させるためのマシンヘッド移動機構がある。
よく使われるのは、キャリッジタイプとサスペンションタイプの2種類。
スポット溶接用の溶接ヘッドと プロジェクション溶接 は電極とその押し付け機構で、被加工物に圧力と電気を加えるために使用される。
について シーム溶接ワークピースを移動させるための伝動機構がある。そのため 突合せ溶接静的・動的治具と治具クランプ機構、移動治具とアプセット機構が必要である。
溶接技術におけるインバーター電源の進化は、大容量化、軽量化、効率向上、モジュール化、インテリジェント制御システムに焦点を当てた多面的なアプローチによって特徴付けられる。これらの進歩は、信頼性、性能を向上させ、アーク溶接、抵抗溶接、切断作業など、さまざまな溶接プロセスにおける用途を拡大することを目的としている。
効率の最適化と高出力密度（小型化）は、国際的なアーク溶接インバータ・メーカーにとって依然として主要な目標である。これらの目標を達成するために、2つの重要な技術戦略が採用されている：
20kHz前後の周波数で作動するアーク溶接インバータ技術の成熟は、日本やヨーロッパなどの地域で特に顕著である。その結果、以下のような特徴を持つ高品質でシリアル化された製品ラインが誕生した：
技術の進歩に伴い、新たなトレンドとして以下のようなものが生まれている：
1.1 高調波発生の理由
最初の300Aサイリスタアーク以来 溶接インバータ アーク溶接インバータ電源は、サイリスタ反転、ハイパワートランジスタ反転、電界効果反転、IGBT反転を経験し、著しい発展を遂げてきた。その容量と性能は大幅に改善されました。
現在、アーク溶接インバータ電源は、先進国の溶接機器の主流製品となっている。
代表的なパワーエレクトロニクス機器であるアーク溶接用インバータ電源は、小型・軽量で制御性能が良いという利点があるものの、その回路には整流リンクと反転リンクが含まれており、電流波形のひずみや多数の高次高調波を発生させる。
高次の電圧高調波と電流高調波の間には深刻な位相のずれがあり、その結果、溶接機の力率は非常に低くなる。高調波発生の主な理由は以下の通りである：
(1) インバータ電源の内部干渉源
インバーター電源は、強電流と弱電流を組み合わせたシステムである。インバータ電源は、強電流と弱電流を組み合わせたシステムである。 溶接工程溶接電流は数百から数千アンペアに達することもある。この電流は大きな電磁場を発生させるため、特に反転周波数の高い溶接電源システムでは、整流管、高周波変圧器、制御システムの振動、高周波アーク点火、電源管スイッチなどが強い高調波干渉を発生させる。
さらに、タングステンが アルゴンアーク溶接機 高周波アーク点火は、数十万ヘルツの周波数と数キロボルトの高電圧を利用してエアギャップを突き破ってアークを形成するため、高調波干渉の発生源にもなる。
コンピュータ制御のインテリジェントアーク溶接インバータ電源では、使用するコンピュータ制御システムの動作速度が速くなるため、制御盤自体が高調波干渉源となり、制御盤の配線に対する要求が高くなっている。
(2) インバータ電源の外部干渉源
送電網にかかる負荷は常に変動し、送電網に多かれ少なかれ高調波障害を引き起こすため、送電網の汚染は電力供給システムにとって深刻な障害となる。
大型の電力機器は電力系統の電圧波形に歪みを生じさせ、偶発的な要因で瞬時停電を引き起こし、高周波機器は電力系統の電圧波形に高周波パルスやピークパルス成分を発生させる可能性がある。
さらに、溶接作業場では、使用中に異なる溶接電源のアース線が相互接続する可能性があるため、対応する措置が取られない場合、高周波成分を含む高調波信号が制御システムに容易に侵入し、電源の誤動作や破損を引き起こすことさえある。
1.2 高調波の特徴と危険性
アーク溶接インバータ電源は、高効率なエネルギー変換で知られている。電力制御装置の実用化・大容量化の進展に伴い、アーク溶接インバータ電源も高周波・大容量化の時代を迎える。
電力網にとって、アーク溶接インバータ電源は本質的に大型の整流器電源である。整流中にパワーエレクトロニクス部品から発生するパルスの急激な上昇と下降により、深刻な高調波干渉が発生する。
インバータ電源の入力電流はスパイク波形の一種であり、電力系統の高次高調波を多く含んでいる。
高次の電圧高調波と電流高調波の間には深刻な位相のずれがあり、その結果、溶接機の力率は非常に低くなる。低周波ひずみは現在、パワーエレクトロニクス機器の一般的な問題であり、通信業界や家電業界で大きな注目を集めている。
加えて、現在、インバーター溶接機の多くはハード・スイッチング方式を採用しており、電源コンポーネントのスイッチング・プロセス中に、必然的に空間に高調波干渉を引き起こしている。
これらの干渉は、近接場および遠方界結合を通じて伝導干渉を形成し、周囲の電磁環境および電源環境を著しく汚染し、インバータ回路自体の信頼性を低下させるだけでなく、電力網および隣接機器の動作品質に深刻な影響を及ぼす。
2.1 パッシブフィルター（PF）
高調波抑制と無効電力補償の伝統的な方法は、間接フィルタリング法としても知られる電気パッシブフィルタ技術である。この方法では、電気コンデンサやその他の受動素子を使用して、補償が必要な非線形負荷を並列に接続した受動フィルタを構成し、負荷に必要な無効電力を供給しながら高調波に低インピーダンスの経路を提供します。
具体的には、歪んだ50Hzの正弦波を基本波と関連するさまざまな主高調波成分に分解し、直列共振原理を使用して、L、C（またはR）で構成される各フィルタリング分岐をさまざまな主高調波周波数に同調（またはバイアス同調）させ、低インピーダンス経路を形成してそれらをフィルタリングする[2-3]。すでに発生した電気機器への高調波の害を受動的に防御し、低減する。
パッシブ・フィルタリング方式は低コストで成熟した技術だが、次のような欠点もある：
(1) フィルタリング効果はシステム・インピーダンスの影響を受ける；
(2)共振周波数が固定されているため、周波数偏差がある場合には効果が乏しい；
(3) システム・インピーダンスとの直列または並列共振により、過負荷を引き起こす可能性がある。小・中規模の電力状況では、パッシブ・フィルターは徐々にアクティブ・フィルターに取って代わられつつある。
2.2 アクティブ・フィルター（AF）
1970年代初頭に早くも、アクティブ・パワー・フィルターの基本原理が学者たちによって提案された。しかし、当時は大電力のスイッチング素子やそれに対応する制御技術がなかったため、リニアアンプなどで発生させる補償電流しか使えず、低効率、高コスト、大容量化が難しいという致命的な弱点があった。
パワー半導体スイッチング素子の性能向上とそれに対応するPWM技術の開発により、大容量・低損失の高調波電流発生装置の開発が可能となり、アクティブ・フィルタリング技術が実用化された。
系統に高調波源が現れると、高調波電流と大きさが等しく位相が反対の補償電流が何らかの方法で生成され、高調波源となる回路と並列に接続されて高調波源の高調波成分を打ち消し、直流側電流が高調波成分を含まない基本波成分だけを含むようにする。
高調波発生源で発生した高調波電流がどのような高次高調波電流であるか予測できない場合や、随時変化する場合には、負荷電流ilから高調波電流信号ihを検出し、変調器で変調して所定の方式に従ってスイッチングモード制御電流に変換し、電流インバータを動作させて補償電流ifmを生成し、高調波電流ihを打ち消すように回路に注入する。
インバータの主回路は、一般的にDC/ACフルブリッジインバータ回路を使用し、スイッチング素子にはGTO、GTR、SIT、IGBTなどの高出力制御可能なパワー半導体素子を使用し、スイッチング素子のオンオフ状態によって出力電流波形を制御し、必要な補償電流を生成する。
電気アクティブフィルターは、送電網の高調波を抑制し、無効電力を補償し、電力供給品質を改善するための最も有望な電力機器である。
電気的なパッシブ・フィルターと比べると、以下のような利点がある：
(1) 動的補償が実現され、高調波電力と無効電力の周波数と大きさの変化を補償することができ、補償対象の変化に対する応答が非常に速い；
(2) 高調波と無効電力の同時補償が可能で、補償される無効電力の大きさを連続的に調整できる；
(3)無効電力を補償する際に蓄電装置が不要で、高調波を補償する際に必要な蓄電装置の容量も大きくない；
(4) 補償電流が大きすぎる場合でも、電気アクティブフィルターは過負荷にならず、補償のために正常に機能することができる；
(5) 送電網インピーダンスの影響を受けにくく、送電網インピーダンスと共振しにくい；
(6) 送電網の周波数の変化に追従でき、補償性能は周波数の変化に影響されない；
(7) 単一の高調波と無効電力を補償することも、複数の高調波と無効電力を集中的に補償することもできる。
パワーエレクトロニクス技術が高周波・高電力密度へと発展するにつれ、ハードスイッチングによるスイッチ損失と高調波干渉がますます顕著になっている。
ソフト・スイッチング技術は、変換効率の改善、デバイスの利用率、電磁両立性の向上、デバイスの信頼性という点で、あらゆるスイッチ電力変換器にとって有益である。
特に、特殊なケース（電力密度の要件や限られた放熱条件など）で必要となる。種類のソフト・スイッチング技術のうち、スイッチング・デバイスや検出方法、制御ストラテジーを追加しないパッシブ・ソフト・スイッチングは、追加コストが低い、信頼性が高い、変換効率が高い、性能と価格の比率が高いなど、多くの利点があります。
シングルエンドコンバーター製造の分野では、基本的に主流の地位を確立している。
トポロジーとしては、直列インダクタンスと並列キャパシタンスの方法が唯一のパッシブ・ソフト・スイッチング手段であり、そこから派生したいわゆるパッシブ・ソフト・スイッチング技術は、実際にはロスレス吸収技術である。
ブリッジ・インバータ回路については、初期のエネルギー吸収型から後に提案された部分フィードフォワード型、ロスレス・ソリューションに至るまで、いずれも負荷依存性が強い、動作周波数範囲が狭い、付加応力が大きい、ネットワークが複雑すぎるなどの問題があり、実用性は比較的低い。
一方、スイッチング電源のモジュール化の流れの中で、吸収素子を配置するスペースはますます小さくなっており、インバータモジュールに適したロスレス吸収技術はほとんど文献に見られない。
全体として、インバーターモジュール用途に適した受動吸収技術は、その特殊な構造と難しさのために、まださらなる研究開発が行われている。
アーク溶接用インバーター電源は大量の高調波を発生させ、深刻な害をもたらす可能性がある。
高調波を抑制し、力率を改善するためには、相応の抑制対策を講じる必要がある。伝統的なパッシブ・フィルター方式には明らかな限界があり、その適用が制限されている。一方、アクティブ・フィルター方式はパッシブ・フィルターの欠点を補うことができ、アーク溶接インバーター電源の高調波を効果的に抑制し、広く使用されている。ソフト・スイッチング技術も、ある程度良好なフィルタリング効果を達成することができる。
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