KR100855543B1

KR100855543B1 - 에스 씨 알 을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치

Info

Publication number: KR100855543B1
Application number: KR1020070059860A
Authority: KR
Inventors: 임희성
Original assignee: 대호용접기 주식회사
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2008-09-01

Abstract

용접기의 IGBT 소자에 입력되는 입력 전압의 불안정으로 용접시 입력 전압의 10∼20%의 전력손실을 가져왔던 종래기술과는 달리 본 발명은 IGBT 소자 입력단으로부터 피드백되는 전압을 인식한 CPU에 의한 3쌍의 SCR의 선택적인 구동으로 110V나 380V 혹은 440 V의 입력전압의 위상각을 변환하여 IGBT 소자에 공급함으로써 용접기의 부하에 가해지는 300V의 DC 출력전압을 안정화시키고 불필요한 전력소비를 줄일 수 있다.

용접기, 인버터, IGBT, SCR, 위상각 변환.

Description

에스 씨 알 을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치{power supply apparatus of inverter welder using SCR}

도1은 본 발명에 의한 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치의 구성도이다.

도2는 입력 전원이 단상일 때 본 발명에 의한 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치의 동작상태를 보인 도면이다.

도3은 입력 전원이 3상일 때 본 발명에 의한 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치의 동작상태를 보인 도면이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : IGBT 소자 12 : CPU

13 : 쵸크 트랜스 14 : 전해 콘덴서

T1, T2 : 강압 트랜스 SCR1∼SCR3 : SCR소자

T : 고압 펄스 트랜스 D1∼D4 : 다이오드

Q1∼Q4 : 스위칭소자 D5, D6 : 고속 스위칭 다이오드

L : 고압 유도코일

본 발명은 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 3쌍의 SCR를 이용하여 110V나 380V 혹은 440 V의 입력전압을 위상각 변환하여 IGBT 소자에 공급함으로써 용접기의 부하에 가해지는 300V의 DC 출력전압을 안정화시킬 수 있도록 하는 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치에 관한 것이다.

금속제의 기계나 구조물을 조립할 때는 금속 부품을 따로따로 접합할 필요가 있을 경우가 있는데, 이러한 경우 전에는 리벳이나 볼트 등이 주로 사용되었으나 자재의 절약, 중량의 경감, 생산속도의 증대 등을 위해 근래에는 용접이 많이 사용되고 있다.

용접이란 금속의 접합부를 가열 용융하여 냉각 고화시켜서 접합하는 방법을 말한다. 용접에는 고온으로 가열한 금속을 겹친 후에 헤머로 두드리거나 롤러 다이스 등으로 가압하는 단접(forge welding), 알루미늄과 산화철과의 분말의 혼합물에 점화하여 화학반응을 일으켜서 발생한 고온의 용철을 접합부에 주입시켜 용접을 행하는 써미트 용접(thermit welding), 가스의 불꽃 또는 산소 아세틸렌의 불꽃을 접합부에 대고 가열 용접하는 가스용접(gas welding) 및 전기 용접(electric welding) 등이 있다.

전기 용접이란 전기적으로 접합부를 가열하는 방식을 이용하고, 가열 방식에 따라 저항 용접, 유도 용접, 아크 용접 등과 같이 3가지로 나눌 수 있는데, 아크 용접은 접합부를 완전히 용해해서 접합하므로 용접에 속하고, 나머지 2가지는 압력 을 가해 용접하므로 압접에 속한다.

아크 용접(arc welding)이란 용접하려는 금속 모재와 용접용 전극(용접봉 또는 전극 와이어)과의 사이에서 발생하는 아크 열에 의해 금속을 가열해서 용융 접합시키는 용접을 말한다. 통상적으로 전극의 끝은 용융해서 모재 쪽으로 이동하게 모재의 용융부와 더불어 냉각 후 용착부를 형성하여, 전류는 전극 및 피용접물의 일부에 단자를 접속해서 공급한다. 특히, 탄소나 텅스텐봉과 같이 거의 용융되지 않는 전극을 사용하는 경우에는 전극 외에 별도의 첨가봉(filler rod)을 아크 속에 넣어서 모재와 함께 용융시켜 용착부를 만든다.

이때 용접봉은 모재와의 사이에 아크를 발생시키는 전극으로서 작용함과 동시에 그 자신이 용융되어 용접부의 틈새를 메우는 역할을 한다. 따라서 그 재료는 모재와 같은 재료이거나 용접을 행한 후에 유사한 재료가 되는 것이 바람직하다. 일반적으로 모재와 유사한 성분의 선재가 사용되지만 용접봉이 공기 중에서 높은 온도를 받게 되면 용착 금속 내에 산화물 등이 침입되거나 탄소, 규소, 망강 등이 소실되어 재질을 나쁘게 변질시키며 더불어 아크도 불안전해지기 때문에 적당히 배합된 용재(flux)를 칠한 피복용접봉을 사용한다. 강재 용접봉의 피복재료는 규소, 석탄, 탄산 석회, 탄산 소다, 페로 망강, 페로 실리콘, 석면 산화 티탄물, 유리 등이 배합되며 기타 셀룰로우즈와 같은 유기물이 혼합되는 경우도 있는 등 그 종류가 대단히 다양하다.

아크 용접용 전원으로는 교류, 직류를 다 같이 사용할 수 있는 데, 특히 직류의 경우에는 모재를 양극으로 한다. 아크의 전압 전류 특성으로는 전류가 특히 작을 때는 부특성을 나타내고 전류가 증가함에 따라 전압이 감소하게 되는데, 보통 용접에 사용되는 100 A 이상의 전류에서는 아크 길이가 일정하면 아크 전압도 거의 일정하게 되는 것이 특징이다.

아크 전류를 안정하게 접속하여 일정 전류로 유지하려면 전원의 외부 특성곡선이 수하 특성을 가지고 있어야 한다. 보통 적당한 아크 길이로 용접 작업을 할 때의 아크 전압은 20∼35 V나 무부하 전압, 즉 용접 전원의 최고전압은 직류에서는 20∼35 V이고 교류에서는 70∼100 V 정도가 적당한 것으로 알려져 있다. 또한 50 A 이하의 교류 아크의 경우는 특히 불안정하게 되기 쉬우므로 무부하 전압을 140 V 정도로 하는 경우도 있다.

교류는 1 Hz에 두 번씩 전류가 영(zero)이 되어 아크가 불안정하지만 직류는 본질적으로 아크가 더 안정하다. 그 밖에 직류는 극성을 적당히 선택할 수 있으며 특히 아크가 끊어지기 쉬운 소전류의 용접에는 매우 유리하다. 그러나 실제로는 용접봉의 피복제가 진보되어 전류가 100 A 이상이 되면 직류에서는 자기 취소(magnetic blowcut) 현상에 의해 아크가 소멸되어 불안정하게 되기 쉬운 반면에 교류에서는 금속 중의 와전류(eddy current)에 의해 아크 부근의 자계가 약화되므로 이런 점에서는 교류가 오히려 우수한 특성을 갖고 있다. 그리고 용접기의 구조에 있어서도 직류에서는 전동 발전기형이 많은데, 이것은 교류의 용접 변압기에 비해서 그 가격이 수 배나 되고, 또한 전력도 상대적으로 더 많이 소요되므로 통상 교류 아크 용접기를 사용한 예가 더 빈번하다.

아울러 1980년 대에 들어서면서 아크 용접의 전원장치는 파워 트랜지스터를 통해 변압기의 2차측 전류를 변환한 후 쵸퍼 제어(chopper control)하는 기술을 채택하게 되었으며, 최근 들어서는 좀 더 소형화하고 고도의 정밀 제어를 수행하기 위해 변압기의 1차 측에서 파워 트랜지스터를 통해 고주파 교류(약, 2 KHz 정도)로 변환하고 출력단을 PWM 제어하는 인버터 제어식의 아크 용접기가 개발되고 있다.

상기한 바와 같은 인버터 제어식을 채용한 종래의 용접기는 IGBT 소자에 입력되는 입력 전압의 불안정으로 용접시 입력 전압의 10∼20%의 전력손실을 가져오는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 3쌍의 SCR를 이용하여 110V나 380V 혹은 440V의 입력전압을 위상각 변환하여 IGBT 소자에 공급함으로써 용접기의 부하에 가해지는 300V의 DC 출력전압을 안정화시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치는, 110V나 380V 또는 440V의 입력전압의 위상각을 변환하는 서로 다른 방향을 향하도록 배치된 3쌍의 SCR; 입력전압이나 상기 SCR의 후단으로부터 피드백되는 전압에 따라 상기 3쌍의 SCR을 선택적으로 구동시키기 위한 게이트 신호와 고압의 구형파 전압을 생성을 위한 스위칭소자의 구동신호를 생성하는 CPU; 및 상기 CPU의 제어에 의해 구동되는 스위칭소자와 고압트랜스로 구성되어 상기 SCR에 의해 위상각 변환된 전압을 고압의 구형파 출력전압으로 변환하는 IGBT 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 3쌍의 SCR 소자의 출력단에는 맥류의 출력전압을 평활시켜 IGBT 소자에 인가하기 위한 쵸크 트랜스와 전해 콘덴서가 연결되는 것이 바람직하다.

상기 IGBT 소자를 구성하는 고압 펄스 트랜스의 출력단에는 고속 스위칭 다이오드와 고압 유도코일이 접속되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치의 구성도이고, 도2는 입력 전원이 단상일 때 본 발명에 의한 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치의 동작상태를 보인 도면이며, 도3은 입력 전원이 3상일 때 본 발명에 의한 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치의 동작상태를 보인 도면이다.

도1에 개시한 바와 같이 교류입력은 두 개의 강압 트랜스(T1)(T2)에 의해 강압되어 3쌍의 SCR소자(SCR1∼SCR3)와 IGBT소자(11)의 구동 제어를 위한 CPU(12)에 인가된다.

CPU(12)는 작업자에 의한 외부입력과 입력전압 및 SCR소자(SCR3)의 후단으로부터 피드백되는 전압을 인식하고, 이에 상응해서 출력전압을 안정시키기 위해 3쌍의 SCR소자(SCR1∼SCR3)와 IGBT소자(11)를 구성하는 스위칭소자(Q1∼Q4)를 구동시키기 위한 게이트신호와 구동신호를 출력하게 된다.

상기 CPU(12)의 제어로 220V나 380V 또는 440V의 입력전압을 위상각 변환하는 3쌍의 SCR소자(SCR1∼SCR3)는 각 상마다 1쌍의 SCR 소자가 각각 서로 다른 방향 을 향하도록 연결되어 IBGT 소자(11)에 연결되는데, 이들 3쌍의 SCR소자(SCR1∼SCR3)는 CPU(12)의 게이트신호에 의해 구동 가능하도록 접속되어 있다.

상기 3쌍의 SCR소자(SCR1∼SCR3)의 출력단에는 맥류의 출력전압을 평활시키기 위한 쵸크 트랜스(13)와 전해 콘덴서(14)가 연결되어 있는데, 도면에서 전해 콘덴서(14)와 병렬 접속된 저항은 방전용 저항(R)이다.

상기 병렬 접속된 전해 콘덴서(14)와 방전용 저항(R)의 양단이 CPU(12)에 접속되어 있는데, 이는 3쌍의 SCR소자(SCR1∼SCR3)에 의해 위상각 변환되어 IGBT 소자(11)에 인가되는 출력전압을 피드백시키기 위한 것이다.

그리고 다수개의 스위칭소자(Q1∼Q4)와 다이오드(D1∼D4) 및 고압 펄스 트랜스(T)로 이루어진 IGBT 소자(11)를 구성하는 고압 펄스 트랜스(T)의 출력단에는 고속 스위칭 다이오드(D5)(D6)와 고압 유도코일(L)이 접속되어 있다.

물론, 도면에는 도시하지 않았으나, IGBT 소자(11)의 출력전압을 미세 조정하기 위한 가변저항을 구비할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, CPU(12)는 입력전압이 단상 혹은 3상인지, 그리고 220V나 380V 혹은 440V인지를 확인한다.

그리고 CPU(12)는 단상일 경우에는 도2에서와 같이 SCR소자(SCR1)와 SCR소자(SCR3)만을 구동시키고 3상인 경우에는 3쌍의 모든 SCR소자(SCR1∼SCR3)를 구동시켜 입력전압의 위상각을 변환한다.

이때 입력전압의 위상각 변환을 위해 SCR소자(SCR1∼SCR3)를 구동시키는 CPU(12)는 작업자에 의해 외부입력이나 입력전압 혹은 SCR소자(SCR1∼SCR3)의 후단으로부터 피드백되는 전압을 근거로 하여 SCR소자(SCR1∼SCR3)의 게이트단자에 공급되는 게이트신호를 생성하게 된다.

이렇게 위상각이 변환된 전압은 쵸크 트랜스(13)와 전해 콘덴서(14)에 의해 평활되어 IGBT 소자(11)에 인가된다. IGBT 소자(11)는 다수개의 스위칭소자(Q1∼Q4)가 CPU(12)의 제어로 스위칭 동작되므로 고압 펄스 트랜스(T)와 연동해서 고압의 구형파를 출력하게 된다. 이후, 구형파 출력은 IGBT 소자(11)의 후단에 위치한 고속 스위칭다이오드(D5)(D6)와 고압 유도코일(L)을 통해 용접기의 부하에 공급되게 된다.

따라서 본 발명에 의하면, 본 발명은 IGBT 소자 입력단으로부터 피드백되는 전압을 인식한 CPU에 의한 3쌍의 SCR의 선택적인 구동으로 110V나 380V 혹은 440 V의 입력전압의 위상각을 변환하여 IGBT 소자에 공급함으로써 용접기의 부하에 가해지는 300V의 DC 출력전압을 안정화시키고 불필요한 전력소비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims

110V나 380V 또는 440V의 입력전압의 위상각을 변환하는 서로 다른 방향을 향하도록 배치된 3쌍의 SCR;

입력전압이나 상기 SCR의 후단으로부터 피드백되는 전압에 따라 상기 3쌍의 SCR을 선택적으로 구동시키기 위한 게이트 신호와 고압의 구형파 전압을 생성을 위한 스위칭소자의 구동신호를 생성하는 CPU; 및

상기 CPU의 제어에 의해 구동되는 스위칭소자와 고압트랜스로 구성되어 상기 SCR에 의해 위상각 변환된 전압을 고압의 구형파 출력전압으로 변환하는 IGBT 소자;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치.

제1항에 있어서,

상기 3쌍의 SCR 소자의 출력단에는 맥류의 출력전압을 평활시켜 IGBT 소자에 인가하기 위한 쵸크 트랜스와 전해 콘덴서가 연결되는 것을 특징으로 하는 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치.

제1항에 있어서,

상기 IGBT 소자를 구성하는 고압 펄스 트랜스의 출력단에는 고속 스위칭 다 이오드와 고압 유도코일이 접속되는 것을 특징으로 하는 SCR을 이용한 인버터 용접기의 전원 공급장치.