KR100289295B1 - 용접시인덕턴스제어기능을갖는직류초퍼 - Google Patents

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엘리오트 에이치. 제이
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Abstract

전극과 공작물 사이에 전류 흐름을 생성함으로써 아크 용접을 행하는 다단 다운 초퍼는 D.C. 입력원과, 제1 스위치 장치 및 제1 초크로 구성되며 제어된 듀티 사이클 및 스위칭 율로 상기 전극과 공작물 양단에 상기 D.C. 입력원을 선택적으로 접속하는 제1 스위칭단과, 제2 스위치 장치 및 제2 초크로 구성되며 상기 제어된 듀티 사이클 및 스위칭 율로 상기 전극과 공작물 양단에 상기 D.C. 입력원을 선택적으로 접속하는 제2 스위칭단을 포함하며, 상기 초퍼는 단일 코어상의 제1 및 제2 초크에 의해 그리고 최소 전류 오버라이드 피드백 회로를 제공함으로써 개선된다.

Description

용접시 인덕턴스 제어 기능을 갖는 직류 초퍼{D.C. CHOPPER WITH INDUCTANCE CONTROL FOR WELDING}
본 발명은 각종 용접 작업에 사용하는 D.C. 다운 초퍼의 분야에 관한 것으로서, 특히 다운 초퍼와 용접 작업 사이의 유효 인덕턴스를 제어하는 회로를 구비한 개선된 D.C. 다운 초퍼에 관한 것이다.
대부분의 D.C. 용접기는 용접 작업의 파라메터를 정의하기 위해 제어된 듀티 사이클을 갖는 일련의 전류 펄스를 생성하도록 펄스폭 변조기를 이용하여 D.C. 전원을 제어된 D.C. 용접 전류로 변환하기 위한 1단 또는 2단의 인버터이다. 다년간 D.C. 전원으로부터 이산 전류 펄스를 용접 위치 양단에 인가하기 위해 펄스폭 변조제어 스위칭 장치를 구비한 D.C. 초퍼를 사용하는 것이 공지되어 있다. 다수의 특허가 용접에 사용되는 D.C. 초퍼를 개시하고 있다. 이러한 다수의 특허중 하나가 참조 문헌으로 본 명세서에서 인용되고 있는 이케가미(Ikegami)에게 특허 허여된 미국 특허 제5,637,246호이다. 이 특허는 엔진 구동 아크(arc) 용접기를 제어하는데 사용되는 다운 초퍼의 구조를 개시하고 있으며, 스위칭 구동은 감지된 실제 아크 전류와 다운 초퍼와 결합된 회로에 의해 생성되는 원하는 기준 신호 사이에서 비교기에 의해 제어된다. 아크 용접기로 사용되는 D.C. 초퍼에 사용되는 일반적인 구조 및 제어 장치가 설명되어 있다. 비록 이 종래 기술의 특허에서 초퍼는 엔진 구동 제너레이터에 의해 동작되지만, 다운 초퍼용 D.C. 입력원은 흔히 단상 또는 3상 전원에 의해 제어되는 정류기이다. 본 발명은 이케가미에게 특허 허여된 미국 특허 제5,637,246호와 유사한 엔진 구동 장치에 특히 적합하지만, 다운 초퍼의 D.C. 입력원을 형성하도록 정류된 A.C. 입력을 사용하는 다운 초퍼에도 동일하게 적용된다.
다운 초퍼를 구성할 때, 2 이상의 전력 모듈을 병렬로 제공하는 것이 필요한데, 여기에서 각 모듈은 200A와 같은 소정 량의 전류를 제공한다. 종래에는, 각 전력 모듈이 병렬로 접속되고, 아크를 통해 흐르는 전류 흐름을 제어하고 입력 펄스를 용접 작업으로 변조하기 위해 원하는 출력 인덕턴스를 생성하도록 자체의 초크를 필요로 하였다. 현재까지는 다단 D.C. 초퍼의 각 전력 모듈의 출력에서 별도의 초크가 사용하는 경우, 어떤 어려움이 존재하였다. 각종 단들의 출력 초크가 병렬이었기 때문에, 다운 초퍼의 유효 인덕턴스는 실질적으로 감소하였다. 따라서, 상승율이 300A/msec를 초과할 수 있는 단락 전류의 급격한 상승이 존재하였다. 이 다운 초퍼의 출력에서의 전류의 급격한 상승은 매우 가파르고 급격하게 핀치된 아크(pinched arc)를 생성하여 실질적인 스패터(spatter)를 야기하였다. 그러므로, 본 발명과 관련된 형태의 D.C. 초퍼에 2개 이상의 병렬 전력 모듈을 사용하는 것은 평탄화 및 제어된 아크 용접에 적합하지 않았다.
다른 배경 개념으로서, 용접에 사용된 종래의 D.C. 초퍼는 단락 전류의 상승 율을 제어하기 위해 가변 출력 초크 또는 인덕터를 구비하였다. 초퍼의 출력 회로에 더 많은 인덕턴스를 부가함으로써 상승 속도를 더 느리게 하였다. 이렇게 상승 속도를 느리게 함으로써 보다 연성이고 보다 유동성의 아크를 발생시키며, 스패터를 덜 발생시킨다. 다단 다운 초퍼를 사용할 때 감소된 유효 인덕턴스 리액턴스에 의해 야기되는 보다 빠른 상승율은 더 가파르고 더 날카로운 아크와 더 많은 스패터를 발생한다. 인덕턴스의 크기가 현저히 감소되는 경우, 아크 전류는 아크를 유지하기에 불충분하게 될 수 있어 그 아크는 용접 작업에 불안정한 아크를 야기한다. 저 인덕턴스를 갖는 인덕터 장치에 관련된 문제점은 극도로 느린 와이어 송급 속도에서 특히 곤란하다는 것이다. 다운 초퍼의 고 또는 저 인덕턴스값에 관련된 문제점을 정정하기 위해, 용접 산업에서는 사전 경고 회로가 출력 초크의 인덕턴스의 값에 실질적으로 의존함없이 전자적으로 전류의 상승율을 제어하도록 임박한 단락을 감지하고 전류 램핑 회로를 초기화할 수 있도록 일반적으로 인버터를 사용한다. 용접 작업을 제어하기 위해 전자적으로 제어된 전류 펄스를 갖는 인버터의 사용은 특히 긴 케이블이 용접 작업에 사용되었을 때 그러한 시스템이 단락의 정확한 시간을 감지할 수 없다는 문제점이 있었다.
다운 초퍼의 출력에서의 상승 전류 및 하강 전류의 기울기를 제어하는데 사용될 때 출력 초크의 변화와 다단 다운 초퍼의 병렬 출력 초크와 관련된 단점은 다운 초퍼를 고장나게 하고 용접용 다운 초퍼의 채택에 혼란을 야기하는 문제점이 여전히 존재한다. 다운 초퍼는 필요한 출력 용량을 얻기 위해 2 이상의 병렬 전력 모듈 또는 스위칭단을 필요로 한다. 이러한 요구는 스위칭 장치 인덕터의 병렬 동작에 관련된 문제점을 야기한다. 또한, 다운 초퍼는 용접 사이클에서 파형의 펄스 형상을 전자적으로 제어하는 절차를 갖지 않음으로써, 용접 전류의 상승 또는 하강을 제어하기 위해 출력 인덕터(들)을 조절하려는 시도와 관련된 문제점은 여전히 해결되지 않았다. 이러한 문제점들을 감안하여 저렴하고, 튼튼하며 유지 보수가 자유로운 다운 초퍼를 필요로 하게 되었다.
본 발명은 하나 이상의 인덕터 또는 초크의 사용에 관련된 문제점, 특히, 2개 이상의 병렬 전력 모듈을 포함함으로써 증가되는 용량을 갖는 다운 초퍼에 관련된 문제점을 해소한 아크 용접을 위해 사용되는 D.C. 다운 초퍼의 개량에 관한 것이다. 본 발명의 한 형태에 따르면, 아크 용접을 위해 사용될 때 출력 전류 용량을 증가시키도록 D.C. 초퍼에 사용되는 병렬 전력 모듈은 출력 인덕터 또는 초크가 단일의 고 투자율의 철심상에 자기적으로 결합되도록 수정된다. 2 이상의 출력 초크 또는 인덕터의 변성 결합은 초크 또는 인덕터를 병렬로 장착하는 것과 관련하여 감소없이 분리 전력 모듈의 유도성 리액턴스를 높게 유지하게 한다. 일례로서, 각각의 병렬 전력 모듈내의 초크가 150mh의 유도 리액턴스를 갖고 병렬로 접속되었다면, 2개의 병렬 전력 모듈이 사용되었을 때 다운 초퍼의 유효 출력 인덕턴스는 대략 75mh이다. 본 발명을 이용하여, 다운 초퍼의 2개의 출력단에서의 유효 인덕턴스는 150mh를 유지한다. 이것은 시스템 인덕턴스를 효율적으로 2배로 만들며, 일정하게 유지된 펄스폭 변조기의 듀티 사이클은 약 150A/msec의 단락 전류의 상승율로 된다. 전술한 바와 같이, 동일한 시스템은 초크 또는 인덕터가 병렬로 접속되었지만 자기적으로 결합되지 않았을 때 대략 300A/msec의 전류 상승율을 갖는다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 전극과 공작물 사이에 전류를 생성하는 아크 용접을 위한 다단 다운 초퍼의 개량물이 제공된다. 초퍼는 D.C. 입력원과, 제1 스위치 장치, 제1 플라이휠 다이오드 및 제1 초크로 구성되며, 제어된 스위칭 율로 전극 양단의 D.C. 입력원과 공작물을 선택적으로 접속하는 제1 스위칭 단과, 제2 스위치 장치, 제2 플라이휠 다이오드 및 제2 초크를 포함하고, 제어된 스위칭 율로 전극 양단의 D.C. 입력원과 공작물을 선택적으로 접속하는 제2 스위칭 단과, 제어 신호에 따라서 스위칭 율을 제어하는 펄스폭 변조기를 포함한다. 본 발명의 개선은 동일 코어상에 초크를 감음으로써 그 코어상에서 제1 및 제2 초크를 변성 결합하기 위한 수단과 투자성 코어를 제공하는 개념이다. 본 발명에 따르면, 다운 초퍼용 D.C. 원이 이케가미에게 특허 허여된 미국 특허 제5,637,246호에 개시된 바와 같은 제너레이터 구동 엔진, 또는 정류된 A.C. 전원일 수 있다. 본 발명에 따르면, 몇 개의 스위칭 단이 사용될 수 있다. 실용상, 2개의 병렬 스위칭단이 다운 초퍼에 사용된다. 스위칭 장치는 바람직하게는 IGBT이지만, FET와 같은 다른 고속으로 동작하는 전력 스위치일 수도 있다.
전술한 바와 같은 다단 다운 초퍼 또는 단일단 다운 초퍼를 사용하던지 간에, 본 발명의 제2 양태는 아크의 유효 인덕턴스를 제어하는 기술을 제공한다. 이것은 최소 아크 전류의 폐쇄 루프 제어에 의해 달성된다. 본 발명의 제2 양태에 따르면, 아크 전류가 감지 또는 모니터되면서 아크 전압을 적분하기 위해 에러 증폭기가 사용된다. 아크 전류를 미리 선택된 최소 전류치 이하로 이동하려 하면, 펄스 폭 변조기의 에러 증폭기를 제어하는 전압 적분기는 에러 증폭기를 제어하도록 회로에 의해 오버라이드(override)된다. 회로는 적어도 최소 전류를 소정 레벨로 유지한다. 최소 설정 전류를 조절함으로써, 아크의 유효 인덕턴스는 다운 초퍼의 출력에서 초크(들)의 크기를 실질적으로 변화시키지 않고 제어된다. 최소 설정 아크 전류를 증가시킴으로써, 용접 작업의 아크는 스패터를 덜 가지고 연화된다. 결과적으로, 최소 설정 아크 전류의 감소는 추가의 스패터 및 더 많은 투과 아크를 야기한다. 본 발명을 이용함으로써, 다운 초퍼의 출력에서 적어도 최소 설정 전류를 유지하는 오버라이드 회로는 용접 작업의 아크가 아크를 불안정하게 만드는 0과 같은 저 전류에 결코 근접하지 않게 한다. 본 발명의 제2 양태를 이용함으로써, 아크는 매우 느린 와이어 송급 속도에서 조차 안정하게 유지된다. 실제로, 용접 작업은 직경이 0.035 인치인 링컨 일렉트릭 컴파니가 시판하는 L50 용접 와이어로 본 발명의 제2 양태에 따라서 달성된다. 이 용접 작업은 분당 60 인치까지 속도가 감소되었고 놀랍게도 아크가 안정되게 유지되었다. 본 발명의 이러한 안정된 양태는 전극 케이블의 길이에 무관하고, 그 특징은 현재까지 특히 느린 용접 속도에서 어려움을 야기하였다.
전술한 바와 같은 본 발명의 양태에 의하면, 용접 작업을 위해 미리 선택된 설정 최소 전류가 제공된다. 본 발명의 양태는 아크 전압을 미리 선택된 설정 전압으로 조절하는 폐쇄 회로 피드백 루프에 의해 용접 작업이 모니터될 때 통상적으로 적용 가능하다. 그러나, 최소 전류 오버라이드 회로는 폐쇄 루프 피드백 회로가 파이프 용접에 사용될 때, 미리 선택된 용접 전류 또는 미리 선택된 전압 및 전류의 관계를 유지하도록 다운 초퍼의 출력을 조절할 때 사용될 수도 있다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명의 최소 설정 전류는 아크 양단의 실제 평균 전류의 함수일 수 있다. 본 발명의 이러한 양태를 이용함으로써, 오버라이드 회로에서 설정된 최소 전류가 평균 아크 전류에 따라서 또는 평균 아크 전류의 함수로서 자동적으로 변화한다. 본 발명의 이러한 특징은 와이어 송급 속도 또는 와이어 직경이 하나의 용접 작업에서 다른 용접 작업으로 변경될 때 아크 연성을 자동적으로 조절한다. 평균 전류 레벨이 변화할 때, 본 발명의 오버라이드 회로의 최소 전류는 비례하여 변화된다.
본 발명의 최소 전류 오버라이드 회로를 사용하는 장점은 파이프 용접을 위해 본 발명의 다운 초퍼를 사용할 때 발견된다. 과거에는, 파이프 용접에 사용된 전압 전류 기울기는 상당히 급격하여야만 되었고, 그 결과 개방 회로 전압은 저 전류에서 상대적으로 높았다. 본 발명을 이용함으로써, 이론적인 개방 회로 전압은 매우 완만한 기울기를 갖는 동작 곡선을 이용함으로써 파이프 용접을 위해 아주 낮게 설정될 수 있다. 이러한 완만한 기울기를 이용함으로써, 파이프 용접 작업에서 전류가 감소할 때, 전압은 오버라이드 회로의 최소 전류에 도달할 때까지 점진적으로 증가한다. 그 때, 다운 초퍼는 일정한 전류 모드로 용접 작업을 제어하고, 그에 따라 실질적인 개방 회로 전압을 생성한다. 본 발명의 이러한 이용은 상당히 완만한 전류/전압 곡선을 따라 파이프를 용접할 때 아크가 소화되는 경향에 의해 야기되는 문제점을 완화시킨다. 본 발명의 이러한 이용에 따르면, 전류가 저 레벨에 근접할 때, 오버라이드 회로의 최소 전류는 전원의 최대 개방 회로 전압으로만 제한된 레벨을 필요로 하는 레벨로 전압을 순간적으로 끌어올린다. 이러한 증대된 전압은 오버라이드 회로의 최소 설정 전류를 유지한다. 본 발명은 비록 상당히 완만한 전류 전압 곡선에 따른 파이프 용접시에도 아크가 소화되는 것을 방지한다.
본 발명의 주목적은 다운 초퍼가 전류의 밸런스를 맞출 필요가 없이 그리고 개개의 출력 초크 또는 인덕터의 리액턴스를 증가시킬 필요 없이 병렬 전력단으로 구성될 수 있는 용접에 사용되는 개선된 D.C. 다운 초퍼를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 D.C. 다운 초퍼가 자체내에 최소 전류 오버라이드 회로를 내장함으로써 아크의 유효 인덕턴스를 변화시키고, 그것에 의해 용접 작업시의 전류가 주어진 설정 전류 레벨 이하로 감소하지 않고 상기 초퍼의 유효 인덕턴스를 조절하는 전술한 바와 같은 개선된 D.C. 다운 초퍼를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 D.C. 다운 초퍼가 기존의 기술을 실질적으로 변경하지 않지만, 복수의 전력단을 사용할 때 및 아크를 분출할 수 있게 하는 최소 전류에서 용접할 때 우수한 다운 초퍼로 우수한 동작하게 하는 전술한 바와 같은 개선된 D.C. 다운 초퍼를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적 및 장점은 첨부하는 도면과 함께 후속하는 실시예에 의해 명백해질 것이다.
도 1은 복수의 병렬 전력 모듈이 본 발명의 하나의 형태를 이용하는 방식으로 사용되는 아크 용접 공정에 사용되는 D.C. 다운 초퍼를 도시하는 배선도.
도 1a는 도 1에 도시된 다운 초퍼에 사용하는 별법의 D.C. 입력원의 개략 블록도.
도 2는 본 발명의 하나의 형태를 실시하는 도 1에 도시된 다운 초퍼의 출력 초크를 장착한 코어의 횡단면도.
도 3은 본 발명의 또 다른 형태에 따라 제공된 오버라이드 최소 설정 전류 회로와 함께 본 발명에 사용된 폐쇄 루프 피드백 회로의 개략 배선도 및 블록도.
도 3a는 전류 또는 전압만을 조절할 때 펄스폭 변조기가 사용하는 제어 신호를 생성하는 폐쇄 루프 피드백 시스템의 단순 배선도 및 블록도(이 시스템은 도 3에 도시된 오버라이드 회로 없이 도 1의 다운 초퍼와 함께 사용될 수 있다).
도 4는 도 1에 도시된 D.C. 초퍼에 의해 구동되는 용접 작업의 평균 아크 전류의 함수로서 설정 최소 전류가 자동 조절되는 도 3에 도시된 전류 오버라이드 회로의 다른 실시예를 도시하는 단순 배선도 및 블록도.
도 5는 도 4에 도시된 본 발명의 실시예의 설정 최소 전류를 얻기 위한 바람직한 실시예를 나타내는 배선도.
도 6은 본 발명의 일부를 형성하는 최소 전류 오버라이드 회로를 제외하고 D.C. 초퍼를 사용할 때 시간의 함수로서 전류 크기를 나타내는 전류 펄스의 그래프.
도 7은 오버라이드 설정 최소 전류 회로를 구비한 D.C. 다운 초퍼에 의해 제어된 형상을 갖는 파형을 나타내는 도 6과 유사한 그래프.
도 8은 비교적 완만한 슬로프를 사용하는 것의 단점을 설명하기 위해 파이프 용접 작업에 대한 2개의 동작 곡선을 도시하는 전류/전압 그래프.
도 9는 본 발명을 파이프 용접 작업에 사용하는 것을 설명하고, 본 발명의 최소 전류 오버라이드 회로의 장점을 설명하는 도 8과 유사한 그래프.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : D.C. 다운 초퍼
12 : D.C. 입력원
20 : 모터
22 : 고정자 출력 권선
24 : 다이오드
30 : 정류기
이제 도면을 참조하면, 각 도면은 본 발명의 바람직한 실시예만을 설명할 목적으로 도시한 것일 뿐 그것을 제한할 목적으로 도시한 것은 아니다. 도 1은 전극(E)과 공작물(W) 사이의 전류를 유도하는 아크 용접기로서 사용되는 다단 D.C. 다운 초퍼(10)를 도시한다. 초퍼(10)는 고정자 출력 권선(22)으로 제너레이터 또는 교류기를 구동하는 모터(20)의 형태로 도시되는 D.C. 입력원(12)을 포함하고, 그 출력은 다이오드(24)에 의해 분리된다. D.C. 입력원의 별법의 형태는 도 1A에 도시되어 있고, 여기에서 정류기(30)는 라인(32, 34, 36)을 포함하는 3상 입력과 리드(40, 42) 양단의 D.C. 출력을 가지며, 각 리드는 도 1에 도시되는 초퍼(10)의 입력으로 또한 도시된다. 상기 초퍼는 20-40kHz 사이의 주파수에서 표준 광학 결합기(57)에 의해 구동되는 피드백 입력(56)상의 펄스에 따라 스위칭 되는 광학적으로 분리 결합된 IGBT 구동기(54)와 함께 IGBT 또는 FET의 형태의 스위칭 장치(52)를 포함하는 제1 스위칭단(50)을 포함한다. 실제로, 구동기(54)의 입력상의 펄스는 피드백 제어 회로망(64)내의 펄스폭 변조기(PWM: 62)의 출력으로부터 나온다. 라인(60)의 펄스에 의해 스위치 장치(52)는 전극(E)과 공작물(W) 양단에 유도된 전류의 양을 결정하도록 제어되는 펄스폭 변조된 출력(60)상의 듀티 사이클을 사용하여 20kHz의 속도로 개폐된다. 다단 초퍼(10)는 복수의 병렬 전력 모듈을 포함하는데, 단지 2개만이 도시되고 있다. 제2 모듈은 제1 스위칭단(50)에 병렬로 접속된 스위칭단(100)이고, 장치(108)에 의해 펄스폭 변조기(62)에 광학적으로 결합된 피드백 입력(106)펄스에 의해 제어되는 절연된 광학적으로 결합된 IGBT 드라이버(104)를 사용하여 IGBT 또는 FET의 형태의 스위칭 장치(102)를 포함한다. 상기 2개의 단은 각각 스위치 장치(52, 102)가 도통되지 않을 때 입력원(12)으로부터의 전류가 흐르게 하는 바이패스 커패시터(110, 112)를 구비한다. 도통 상태일 때, 전류는 전극(E)과 공작물(W) 사이에 흐르는 전류가 병렬 스위치를 통해 아크 용접에 제공된다. 프리휠 다이오드(120, 121)는 각각 용접 작업과 병렬로 접속되고, 제1 및 제2 스위칭단의 병렬 초크(130, 132)의 뒤에 접속된다. 본 발명에 따르면, 초크 또는 인덕터(130, 132)는 공통 코어(134)상에 단단하게 결합된다. 이러한 개념을 사용함으로써, 초퍼(10)의 유효 인덕턴스는 필수적으로 통상 동일한 인덕턴스인 각각의 인덕터(130, 132)의 인턱턴스이다. 그러나, 그 인덕턴스들은 완전히 일치할 필요는 없다. 또한, 상기 인덕터들이 동일 코어상에 결합되기 때문에 스위칭 장치(52, 102)는 일치할 필요가 없고, 전류가 평형을 이룰 필요도 없다. 각 단의 출력 인덕턴스는 초크(130, 132)가 서로 분리되는 병렬 회로내에 있기 때문에, 감소되지 않는다. 본 발명의 제1 양태의 상세는 제2도에 도시되어 있고, 그 상세에 대해서 기술하기로 한다.
용접 아크 양단의 전압은 도 1에 도시된 바와 같이, 라인(140, 142)에 의해 감지되고 피드백 제어 회로망(64)으로 도출된다. 전류 분로(150)는 용접 아크 양단의 전류를 나타내는 전압 레벨을 라인(152)에서 생성한다. 라인(152)은 회로망(64)의 단자(154)에 접속된다. 표준 기술에 따르면, 발진기(160)는 20kHz의 주파수에서 펄스폭 변조기(PWM: 62)를 구동하지만, 이 주파수는 통상 20-40kHz의 고주파수 범위내의 각종 레벨일 수 있다. 단자(154)에서의 아크 전류 또는 라인(140, 140) 양단의 전압은 단자(170)에 인가되는 설정 포인트 기준 전압 레벨과 비교되고, 그 기준 전압은 셀렉터 회로망(172)의 출력에서 라인(174)에 의해 제어된다. 특정 아크 용접 작업의 수동 또는 자동 선택은 단자(180, 182 또는 184)상의 논리 또는 회로망(172)의 스위치에 의해서 결정된다. 실시예에서, 단자(180)는 초퍼(10)가 스틱 용접 또는 MIG 용접에 사용될 때 선택된다. 이러한 방식으로, 전원 또는 D.C. 초퍼는 제어되어 전류가 고정된 설정 레벨 C1에 있게 된다. 단자(182)는 라인(140, 142) 양단의 전압이 일정한 레벨 또는 C2로 표시되는 미리 설정한 슬로프로 유지될 때 와이어 용접을 위해 선택된다. 슬로프 용접(slope welding)에서, 파이프 용접에 사용되고 도 8 및 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 전류 및 전압 동작 라인의 슬로프는 C3으로 표시되는 레벨에서 일정하게 유지된다. 이 아크 용접 작업은 단자(184)에서 선택된다. 후술되는 바와 같이, 전압 제어가 선택될 때, 약간의 전류 트림(trim)이 일정한 전압 대신에 전류에 대한 관계로서 전압의 미리 설정한 슬로프를 산출하는데 사용될 수 있다.
동작 시, 셀렉터 회로망(172)내의 스위치는 전도될 아크 용접의 형태를 결정한다. 다음에 라인(174)상의 논리가 라인(140, 142) 양단의 전압과 라인(152)상의 전류 레벨 또는 이들 2개의 파라메터의 조합중 하나와 비교된다. 피드백 제어 회로망(64)은 발진기(160)에 의해 제어된 주파수 또는 스위칭 율로 출력 라인(60)상의 펄스 폭 또는 듀티 사이클을 결정하도록 제어되는 펄스폭 변조기(62)를 포함한다.
이제 도 2를 더 상세하게 설명하면, 코어(134)는 둘레에 초크(130, 132)의 각 권선이 감겨진 중앙 포스트(204, 206)를 구비한 E-모양의 절반부(200, 202)의 형태로 고투자율 변압기 철편으로 적층된다. 이러한 방식으로, 2개의 초크가 자기적으로 결합되고, 각 초크에서 선택된 임피던스 값과 일치하는 초퍼(10)에 대한 유효 인덕턴스를 형성한다. 표준 변압기 기술에 따르면, 상기 절반부(200, 202)는 작은 갭(g)에 의해 분할된다. 실제로, 각 초크는 150mh의 유도 리액턴스를 가지고, 본 발명은 2개 이상의 단을 구비한 초퍼의 최종 리액턴스가 150mh가 되게 한다. 이 레벨은 스틱 용접(stick welding)이 갑자기 튀는 것을 방지하도록 초크내에 충분하게 저장된 에너지를 필요로 하기 때문에 선택된다.
회로망(172)의 단자(180, 182 또는 184)를 선택함으로써, 초퍼(10)는 원하는 모드에 따라서 동작한다. 이 기능은 도 3에 상세하게 도시되어 있으며, 여기에서 에러 증폭기(220)는 라인(226)에서 출력이 펄스 폭 변조기(62)를 제어하는 전압을 가진 제어 신호가 되도록 라인(222)상의 가변 입력과 정의 단자(224)로 유도되는 기준 또는 설정 포인트 입력 라인(174)을 가진다. 증폭기(220)는 이득 제어 저항(220a)을 포함한다. 이것이 스위칭형 전원을 제어하는데 사용되는 펄스폭 변조기에 대한 표준 기술이다. 에러 증폭기는 주파수 또는 레이트 발진기(160)에 따라서 동작된 펄스폭 변조기의 듀티 사이클을 선택하기 위한 제어 신호인 라인(226)상의 출력 전압을 생성한다. 듀티 사이클의 급속한 변화를 방지하기 위해, 증폭기(220)는 커패시터(220c)가 저항(220a)과 병렬로 접속될 때 증폭기(220)로 하여금 적분기로 되게 하는 적분기 회로망(220b)을 포함한다.
도 1에 도시되어 있는 양호한 실시예는 입력 라인(140, 142, 152, 174)을 구비한 피드백 제어 회로망(64)을 포함한다. 이들 동일 라인은 도 3에 도시되어 있는 배선 및 블록도의 상부에 도시되어 있다. 피드백 회로망(64)의 더 상세한 개념은 동도에 또한 도시되며, 여기에서 셀렉터 제어부(230)는 가변 입력 부의 단자 또는 에러 증폭기(220)의 라인(222)에서 도출될 입력 신호를 수신하기 위한 라인중 하나(232, 234 또는 236)를 선택한다. 상기 에러 증폭기의 가변 입력을 제어하기 위한 특정 라인은 스위치중 하나(232a, 234a 또는 236a)를 닫음으로써 선택된다. 합산 접합부(240)는 스위치(234a)로 유도되는 출력(242)을 갖는다. 합산 접합부(244)는 스위치(236a)로 유도되는 출력(246)을 갖는다. 이것은 전압 제어 모드이고, 여기에서 합산 접합부(244)는 라인(140, 142) 사이에서 전압 Va에 의해 제어된다. 상기 전압에 대하여 약간의 슬로프가 필요한 경우, 저항(250)은 전류 Ia의 제어된 비를 합산 접합부(244)로 유도한다. 도시된 바와 같이, 스위치(232a)가 닫힐 때, 에러 증폭기(220)는 아크 전류를 나타내는 가변 신호를 수신하고 적분기 회로망(220b)은 접속되지 않는다. 출력(226)에 의해 펄스폭 변조기는 급격하게 변화한다. 마찬가지로, 스위치(236a)를 닫으면 아크 전압이 에러 증폭기의 가변 입력으로 유도된다. 스위치(226b)는 회로망(220b)과 접속하여 펄스폭 변조기를 완만하게 변화시키고, 그 결과, 전류 상승 율이 초크(130, 132)에 의해 제어된다. 이들 전압 또는 전류의 제어는 도 3a의 셀렉터 제어(230')에 도시되어 있다. 입력(180, 184, 186)을 각각 갖는 셀렉터 스위치 회로망(172)은 제어부(230)에 도시된 스위치에 대응하는 스위치(172a, 172b, 172c)를 포함한다. 도 3에 도시된 양호한 실시예 및 도 3a에 도시된 별법의 회로 동작 시에, 스위치(232a, 172a)가 닫혀질 때, 에러 증폭기는 고정된 값 C1로 아크 전류를 조절한다. 스위치(236a, 236b, 172c)를 닫음으로써, 에러 증폭기는 아크 용접 작업에 걸쳐 전압을 C2로 제어하도록 펄스폭 변조기(62)를 조절한다. 상기 전압에 대한 슬로프를 생성하기 위해, 저항(250)이 사용된다. 부가물로서, 파이프 용접에 사용되는 슬로프형 아크 용접 작업을 제공하기 위해, 도 3a의 간략화한 변형에는 도시 생략된 스위치(234a, 234b, 272b)가 닫혀진다. 이러한 방식으로, 전압/전류의 슬로프는 펄스폭 변조기(62)용 제어 신호인 출력(226)상의 전압을 조절함으로써 상수 C3에 의해 제어된다. 라인(60)에서의 펄스의 듀티 사이클은 라인(226)상의 전압에 의해 제어된다.
본 발명의 양태에 따르면, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 전류 오버라이드 회로(300)가 제공된다. 이 회로는 가감 저항기(304)를 갖는 제1 입력(302)를 사용하여 비교기(310)의 입력(152)으로 사용될 최소 설정 전류 기준 포인트를 조절한다. 이 비교기에는 고이득 분로 저항기(312)가 설치되어 있어, 상기 출력(314)은 라인(152)에서의 아크 전류가 가감 저항기(304)의 설정에 의해 결정된 조절된 설정 최소 전류 이하일 때, 다이오드(316)를 최소 설정 전류로 유지한다. 오버라이드 회로(300)는 아크 전류가 아크의 급격한 소멸을 신호 전송하는 낮은 값으로 감소할 때까지, 에러 증폭기(220)에서 아크 전압을 적분함으로써 다운 초퍼가 제어되게 한다. 그 순간에, 비교기(310)는 출력(314)상의 전압으로 다이오드(316)를 접속하고, 가감 저항기(304)에 의해 설정된 최소 전류 레벨 IMIN을 탐지하도록 아크 용접 작업을 제어한다. 상기 가감 저항기는 용접 사이클의 끝부분의 유효 인덕턴스를 제어한다. 상기 전류가 상향 조절될 때, 아크는 연화된다. 상기 아크 전류는 결코 0에 도달하지 않으며, 따라서, 낮은 와이어 송급 속도에서 매우 유용하다. 본 발명을 이용함으로써, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 아크 전압이 적분될 수 있고 저전류 상태가 존재할 때까지 용접 작업을 제어한다. 오버라이드 제어 특징은 미리 선택된 최소 레벨 IMIN에서 발생한다. 최소 전류를 더 낮게 조절함으로써, 연성 아크와는 대조적으로 보다 많은 핀치(pinch)가 있을 수록, 최소 전류가 더 높은 레벨로 조절될 때 스패터가 덜 발생한다. 표준 폐쇄 루프 피드백 제어 기능을 하는 최소 전류 오버라이드 회로를 사용함으로써 도 1에 도시된 다운 초퍼(10)의 유효 출력 유도 임피던스의 조절이 가능하다.
도 4 및 도 5에는, 비교기(310)에 대한 최소 설정 전류 IMIN의 자동 조절이 도시되어 있으며, 그 설정 전류는 와이어 송급 속도와 같은 각종 아크 파라메터와 함께 자동으로 변화한다. 본 발명의 이러한 또 다른 양태에 따르면, 아크 전류가 변동할 때, 비례해서 최소 전류가 변화한다. 실제로, 목적은 라인(322)상의 평균 아크 전류에 따라서 가감 저항기(304)로부터 설정한 최소 전류를 제어함으로써 얻어진다. 다음에 평균 아크 전류는 저항(330)과 커패시터(332)를 포함하는 필터 회로망을 통해 라인(152)상의 전압으로부터 얻어진다. 평균 아크 전류는 도 3에 도시된 가감 저항기(304)에 또는 오버라이드 회로(300)에 직접 접속되는 라인(334)을 제어하는 아암(346)을 갖는 가감 저항기(342)를 포함하는 전기 소자(340)로서 표시된 역수로 승산된다. 이러한 방식으로, 가감 저항기 아암(346)의 조절은 비교기(310)의 입력에서 선택된 기준 또는 최소 설정 전류 레벨 IMIN을 갖는 평균 아크 전류의 임팩트 변동을 변화시키도록 역수를 조절한다. 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 회로를 사용함으로써, 오버라이드 회로(300)에 대한 최소 설정 전류 레벨의 자동 조절이 달성된다. 아크 전류가 낮은 레벨에 도달할 때 오버라이드 회로가 활성화되는 본 발명의 양태에 대한 추가 개량이 달성된다.
오버라이드 회로(300)의 장점은 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6에서, 다운 초퍼(10)는 오버라이드 회로(300)를 갖지 않고 도 3a에 도시되어 있는 회로망에 의해 동작된다. 오버라이드 회로(300)를 내장함으로써, 다운 초퍼(10)는 도 7에 따라서 동작한다. 상기 두 실시예는 모두 일정한 전류 부분(350)을 포함하고 부분 또는 라인(352)으로 표시된 전류의 급격한 상승을 갖는 단락(short)이 후속한다. 라인(352)의 상승율은 스위치(236b)가 적분기 회로망(220b)을 동작하기 때문에 펄스폭 변조기의 듀티 사이클이 변화하지 않으므로, 인덕터(130, 132)에 의해 제어된다. 단락이 끊어진 후, 미부(354)는 정전압 단 중에서 전류를 점진적으로 다운 이동시킨다. 오버라이드 회로(300) 없이, 미부(354)는 도 6에 도시된 곡선(354a)의 형상을 취할 수 있다. 이 곡선에서, 상기 미부 전류는 0 전류에 도달하고 불안정한 아크 상태가 일어난다. 오버라이드 회로(300)를 사용함으로써, 도 7의 포인트(354b)에서 다운 초퍼는 도 4 및 도 5에 도시된 회로를 사용하여 고정된 최소 설정 전류 IMIN동작 또는 가변 최소 설정 전류로 변환된다. 결과적으로, 회로(300)는 불안정한 아크 상태를 방지한다. 조절 가능한 최소 설정 전류를 사용함으로써, 아크는 제어된다. 상기 두 경우에, 초퍼(10)의 유효 출력 인덕턴스는 오버라이드 회로를 갖지 않는 시스템에서 얻어지지 않는 방식으로 변화된다.
회로(300)의 또 다른 장점은 다운 초퍼(10)가 전류 및 전압이 동작 라인을 따라 변화하는 파이프 용접에 사용될 때 실현된다. 상기 라인의 슬로프는 스위치(172b, 234a, 234b)를 닫음으로써 결정된다. 공지되어 있는 바와 같이, 파이프 용접 작용용의 동작 전압/전류 라인은 도 8의 라인(360)으로 표시된 바와 같이 비교적 급격하게 되어야 한다. 급격한 동작 라인을 가짐으로써, 전류가 존재하지 않을 때 실질적인 개방 회로 전압이 존재하게 하기 위해, 전류가 감소함에 따라 전압은 증가한다. 도 8의 라인(362) 및 도 9의 라인(362)으로 표시된 바와 같은 동작 라인에 대해 비교적 완만한 슬로프로 동작하는 것이 유리하다. 이러한 완만한 라인 또는 곡선을 따라 동작할 때, 0 전류에서 전원으로부터 이용 가능한 불충분한 개방 회로 전압이 존재한다. 이것은 효율적인 용접 작업은 아니다. 오버라이드 회로(300)를 사용함으로써, 상기 용접 작업은 도 9에 도시된 라인(370)을 따라 달성된다. 라인(370)의 부분(372)은 아크 전류의 변화와 함께 전압의 완만한 변화의 장점을 갖는 동작 라인(362)을 따라 간다. 아크 전류가 회로(300)에 사용된 설정 최소 레벨 IMIN로 감소할 때, 오버라이드 회로(300)에 의해 다운 초퍼는 최소 설정 전류로 조절된다. 이것은 라인(370)의 부분(374)으로 표시되고, 여기에서 전원에 대한 최대 개방 회로 전압은 최소 설정 전류를 유지하면서 실현되며, 그에 따라 아크가 저 전류로 안정화된다.
본 발명의 사상 및 범위를 일탈하지 않는 각종 변형이 도면에 도시된 회로에서 행해질 수 있다.
본 발명은 다운 초퍼가 전류의 평형을 맞출 필요 없이 그리고 개개의 출력 초크 또는 인덕터의 리액턴스를 증가시킬 필요 없이 병렬 전력단을 가지고 구성될 수 있는 용접에 사용되는 개선된 D.C. 다운 초퍼를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 D.C. 다운 초퍼가 자체내에 최소 전류 오버라이드 회로를 통합함으로써 아크의 유효 인덕턴스를 변화시키고, 그것에 의해 용접 작업시의 전류가 주어진 설정 전류 레벨 이하로 감소하지 않고 상기 초퍼의 유효 인덕턴스를 조절하는 전술한 바와 같은 개선된 D.C. 다운 초퍼를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 D.C. 다운 초퍼가 기존의 기술에서 실질적인 변화를 필요로 하지 않지만, 다수의 전력단을 사용할 때 및 아크를 분출할 수 있게 하는 최소 전류에서 용접할 때 다운 초퍼의 우수한 동작을 야기하는 전술한 바와 같은 개선된 D.C. 다운 초퍼를 제공할 수 있다.

Claims (24)

  1. 전극과 공작물 사이에서 전류 흐름을 생성함으로써 아크 용접을 행하는 다단 다운 초퍼로서,
    상기 초퍼는 D.C. 입력원과,
    제1 스위치 장치 및 제1 초크를 구비하여 제어된 듀티 사이클 및 스위칭 율로 상기 전극과 공작물 양단에 상기 D.C. 입력원을 선택적으로 접속하는 제1 스위칭단과,
    제2 스위치 장치와 제2 초크를 구비하여 상기 제어된 듀티 사이클 및 스위칭 율로 상기 전극과 공작물 양단에 상기 D.C. 입력원을 선택적으로 접속하는 제2 스위칭단과,
    제어 신호에 따라서 상기 듀티 사이클 및 스위칭 율을 제어하는 펄스폭 변조기를 포함하며,
    투자성 코어와, 상기 제1 및 제2 초크를 상기 코어상에 감음으로써 상기 제1 및 제2 초크를 변성 결합하기 위한 수단을 포함하는 다단 다운 초퍼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 D.C. 입력원은 엔진에 의해 구동되는 제너레이터인 다단 다운 초퍼.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초퍼는 상기 제1 및 제2 스위칭 단만을 구비하는 다단 다운 초퍼.
  4. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 IGBT인 다단 다운 초퍼.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 전력 FET인 다단 다운 초퍼.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 장치는 IGBT인 다단 다운 초퍼.
  7. 제1항에 있어서, 상기 D.C. 입력원은 A.C. 입력과 D.C. 출력을 갖는 정류기인 다단 다운 초퍼.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어 신호는 상기 전극과 공작물 양단의 전압간 차를 나타내는 에러 신호 및 선택된 원하는 아크 전압을 나타내는 기준 신호인 다단 다운 초퍼.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어 신호를 전극과 공작물 양단의 적어도 최소 전류를 유지하는 값으로 제한하는 오버라이드 회로를 포함하는 다단 다운 초퍼.
  10. 제9항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 최소 전류를 조절하는 수단을 포함하는 다단 다운 초퍼.
  11. 제9항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 최소 전류를 상기 전극과 상기 공작물 양단의 평균 전류의 함수로서 제어하는 수단을 포함하는 다단 다운 초퍼.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제어 신호를 전극과 공작물 양단의 적어도 최소 전류로 유지하는 값으로 제한하는 오버라이드 회로를 포함하는 다단 다운 초퍼.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제어 신호는 상기 전극과 상기 공작물 양단의 전류 사이의 차를 나타내는 에러 신호 및 선택된 원하는 아크 전류를 나타내는 기준 신호인 다단 다운 초퍼.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제어 신호를 전극과 공작물 양단의 적어도 최소 전류를 유지하는 값으로 제한하는 오버라이드 회로를 포함하는 다단 다운 초퍼.
  15. 제14항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 최소 전류를 조절하는 수단을 포함하는 다단 다운 초퍼.
  16. 제14항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 최소 전류를 상기 전극과 상기 공작물 양단의 평균 전류의 함수로서 제어하는 수단을 포함하는 다단 다운 초퍼.
  17. 제16항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 함수를 조절하는 수단을 포함하는 다단 다운 초퍼.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제어 신호는 상기 전극과 공작물 양단의 전압과 전류의 관계를 제어하는 신호인 다단 다운 초퍼.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어 신호를 전극과 공작물 양단의 적어도 최소 전류의 값으로 제한하는 오버라이드 회로를 포함하는 다단 다운 초퍼.
  20. 제19항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 최소 전류를 조절하는 수단을 포함하는 다단 다운 초퍼.
  21. 전극과 공작물 사이에 전류를 생성함으로써 아크 용접을 행하는 다운 초퍼로서,
    D.C. 입력원과,
    스위치 장치와 초크를 구비하여 제어된 듀티 사이클 및 스위칭 율로 상기 전극과 공작물 양단에 상기 D.C. 입력원을 선택적으로 접속하는 스위칭단과,
    제어 신호에 따라서 상기 듀티 사이클 및 스위칭 율을 제어하는 펄스폭 변조기를 포함하며,
    상기 제어 신호를 상기 전극과 공작물 양단의 적어도 최소 전류를 유지하는 값으로 제한하는 오버라이드 회로를 포함하는 다운 초퍼.
  22. 제21항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 최소 전류를 조절하는 수단을 포함하는 다운 초퍼.
  23. 제21항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 최소 전류를 상기 전극과 상기 공작물 양단의 평균 전류의 함수로서 제어하는 수단을 포함하는 다운 초퍼.
  24. 제23항에 있어서, 상기 오버라이드 회로는 상기 함수를 조절하는 수단을 포함하는 다운 초퍼.
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