KR101529601B1 - Ａｃ 용접형 전력을 전달하도록 구성된 전력 공급기 - Google Patents

Abstract

용접형 전원은, 제 1 AC 전력을 생성하도록 구성된 1차 인버터(20)와, 제 1 AC 전력을 수용하도록 구성된 1차 측과 제 2 AC 전력을 전달하도록 구성된 2차 측을 갖는 변압기(tx1)를 포함한다. 용접형 전원은, 제 2 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 변환기(18)와, DC 전력을 수용하도록 구성되고, 용접형 공정 동안 용접형 아크를 생성하기 위해 AC 용접형 전력의 각 부분을 용접 출력에 전달하도록 구성된 제 1 출력 및 제 2 출력을 갖는 반-브리지 인버터를 더 포함한다. 인덕턴스(L1)는 제 1 단부에서 반-브리지 인버터의 제 1 출력 및 제 2 출력에 연결되고, 제 2 단부에서 용접 출력에 연결된다. 더욱이, AC 용접형 전력의 일부분의 전달 동안 인덕턴스에 저장된 에너지를 수용하고, AC 용접형 전력의 다른 부분의 전달 동안 에너지를 인덕턴스로 다시 전달하도록 구성된 회로(26)가 포함된다.

Description

ＡＣ 용접형 전력을 전달하도록 구성된 전력 공급기{POWER SUPPLY CONFIGURED TO DELIVER AC WELDING-TYPE POWER}

본 발명은 일반적으로 용접형 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로 반-브리지 인버터 토폴로지(topology)를 갖는 출력 인버터를 이용하여 AC 용접 전력을 제공하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

용접기(welders), 플라즈마 절단기(plasma cutters), 및 유도 히터(induction heaters)와 같은 용접형 시스템은 종종 원하는 공정을 수행하기 위해 높은 전력을 조절(condition)하도록 설계되는 인버터-기반의 전원(power sources)을 포함한다. 종종 스위칭-모드 전력 공급기(power supplies)라 불리는 이들 인버터-기반의 전원은 많은 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 이들 인버터-기반의 전원은 반-브리지(half-bridge) 인버터 토폴로지, 풀-브리지(full-bridge) 인버터 토폴로지, 순방향-변환기 토폴로지, 플라이백(flyback) 토폴로지, 부스트-변환기 토폴로지, 벅-변환기(buck-converter) 토폴로지, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.

특히, 용접 공정의 구동에 지정된 시스템에서, 종종 교류 전류(AC) 출력 전력을 제공하는 것이 유리하다. 예를 들어, 알루미늄과 같은 특정 금속을 용접할 때 AC 출력 전력이 도움이 된다는 것은 잘 알려져 있다. 특히, 용접 공정 동안, 알루미늄은 공기와 반응하고, 산화물은 알루미늄의 표면상에 형성된다. 이러한 산화물은 전기 절연체이고, 기본 금속보다 더 높은 용융점을 갖는다. 출력 전력을 음의 상태의 전극으로부터 양의 상태의 전극으로 주기적으로 반전시킴으로써, 산화물은 표면으로부터 제거되고, 깨끗한 기본 금속이 아크(arc)에 노출된다.

용접형 공정을 구동하기 위해 AC 출력 전력을 제공할 수 있는 다양한 용접형 전력 공급기가 개발되었다. 사실상, 극성을 양의 전극으로부터 음의 전극으로 반전시킬 때 용접 아크를 재확립하는 것은 비교적 간단한데, 이는 그러한 공정에 일반적으로 사용된 열이온 텅스텐 전극이 아크를 재발화시키기 위해 전자를 공급하기 때문이다. 그러나, 극성을 음의 전극으로부터 양의 전극으로 반전시킬 때 용접 아크를 재확립하는 것은 더 어려울 수 있는데, 이는, 아크 전압이 냉-캐소드(cold-cathode) 방출을 개시할 정도로 충분히 높을 때까지 용해된 용접 풀(pool)이 특히 전자의 우수한 이미터가 아니기 때문이다.

이 때문에, 그러한 시스템에서의 출력 인버터는, 일반적으로 아크 정류를 피할 정도로 충분한 전압이 제공되는 것을 보장하기 위해 비교적 높은(또는 과도한) 전압을 제공하도록 설계된다. 따라서, 풀-브리지 출력 인버터 토폴로지는, 출력 인버터의 스위치가 아크 정류를 피하는데 충분한 전압이 제공되는 것을 보장하는데 필요한 비교적 높은 전압을 처리할 수 있는 것을 보장하기 위해 종종 이용될 수 있다.

반-브리지 출력 인버터 토폴로지가 출력 인버터의 크기, 무게 및 비용을 감소시키기 때문에 바람직하다는 것이 쉽게 인식되었다. 반-브리지 인버터 토폴로지는 출력 전류 경로에서 하나의 다이오드 강하 및 하나의 트랜지스터 강하를 이용하는 반면, 풀-브리지 인버터 토폴로지는 출력 전류 경로에서 하나의 다이오드 강하 및 2개의 트랜지스터 강하를 이용한다. 그러나, 많은 경우에, 반-브리지 토폴로지는, 피크 전압 응력을 견딜 수 있는 단일 출력 트랜지스터 및 다이오드의 비용이 너무 많아지기 때문에 보류되었다. 피크 전압은 전류 역전 동안 아크를 유지하는데 필요한 최소의 전압에 의해 결정된다.

또한, 전류 역전 동안, 클램프 또는 스너버(snubber) 회로는 용접 케이블의 기생 인덕턴스에 존재하는 에너지를 흡수하도록 존재해야 한다. 이러한 정류 에너지(commutation energy)는 제곱한 부하 전류를 기생 부하 인덕턴스와 곱한 것에 비례하고, 전류 역전마다 출력 스너버에 전달되어야 한다. 따라서, 스너버의 전력 처리 요건은 출력 스위칭 주파수의 2배와 정류 에너지를 곱한 것과 같아야 한다.

전체 시스템 복잡성을 감소시키기 위해, 몇몇 시스템은 저항을 이용하는데, 저항을 통해 정류 에너지는 열로서 소산된다. 그러나, 이러한 설계는, 전체 시스템 크기와 무게를 증가시키고 동작 동안 상당한 양의 열을 생성하는 큰 저항을 요구한다. 따라서, 몇몇 시스템은 에너지를 출력 회로로부터 인버터-기반의 전원의 1차 버스로 다시 전달하기 위해 플라이백 변환기를 사용하였다. 그러한 설계가 정류 에너지를 저항을 가로질러 간단히 소산시키는 것에 비해 증가된 시스템 효율을 제공하지만, 설계를 비교적 복잡하게 하고, 제조하는데 비용이 많이 든다.

따라서, 출력 인버터 토폴로지를 설계할 때, 2개의 설계 제약은 균형을 이루어야 한다. 첫 번째 제약은 출력 인버터의 전체 스위칭 복잡성 및 이와 연관된 비용 및 무게이다. 두 번째 제약은, 출력/용접 케이블의 기생 인덕턴스 및 출력과 연관된 임의의 다른 인덕턴스에 저장된 정류 에너지를 처리하기 위한 출력 인버터 및 연관된 회로의 능력이다.

그러므로, 출력 인버터의 비용, 무게 및 복잡성을 감소시키고, 출력/용접 케이블의 기생 인덕턴스 및 출력과 연관된 임의의 다른 인덕턴스에 저장된 정류 에너지를 처리하기 위한 시스템 및 방법을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 반-브리지 토폴로지를 갖는 출력 인버터, 및 정류 에너지를 용접 출력으로 다시 전달하도록 구성된 클램프 회로를 이용하여 AC 용접형 전력을 제공하기 위한 시스템 및 방법을 제공함으로써 전술한 단점을 해결한다.

본 발명의 하나의 양상에 따라, 용접형 전원이 개시되며, 이러한 용접형 전원은 제 1 AC 전력을 생성하도록 구성된 1차 인버터와, 제 1 AC 전력을 수용하도록 구성된 1차 측과 제 2 AC 전력을 전달하도록 구성된 2차 측을 갖는 변압기를 포함한다. 용접형 전원은 제 2 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 변환기와, DC 전력을 수용하도록 구성되고, 용접형 공정 동안 용접형 아크를 생성하기 위해 AC 용접형 전력의 각 부분을 용접 출력으로 전달하도록 구성된 제 1 출력 및 제 2 출력을 갖는 반-브리지 인버터를 포함한다. 인덕턴스는 제 1 단부에서 반-브리지 인버터의 제 1 출력 및 제 2 출력에 연결되고, 제 2 단부에서 용접 출력에 연결된다. 인덕턴스는 예를 들어 자기 코어 상에 감겨진 와이어와 같은 이산 자기 구성요소와, 예를 들어 출력 케이블의 길이와 같은 기생 구성요소, 또는 이들의 조합일 수 있다. 추가적으로, AC 용접형 전력의 일부분의 전달 동안 인덕턴스에 저장된 에너지를 수용하고, AC 용접형 전력의 다른 부분의 전달 동안 에너지를 비-결합된(non-coupled) 인덕턴스로 다시 전달하도록 구성된 회로가 포함된다.

본 발명의 다른 양상에 따라, 용접형 전력 및 용접형 전력을 수용하도록 연결된 출력 인버터를 제공하고, 극성의 주기적인 반전을 갖는 출력 전력을 생성하도록 구성된 인버터-기반의 전원을 포함하는 용접형 전원이 개시된다. 용접형 전원은, 출력 전력을 연결부(connection)를 통해 용접형 전극 및 소재(workpiece)에 각각 전달하여, 용접형 공정을 달성하기 위해 용접형 전극과 소재 사이에 용접형 아크를 생성하도록 출력 인버터에 연결된 제 1 출력 및 제 2 출력을 더 포함한다. 회로는 인버터-기반의 전원과 제 1 및 제 2 출력 사이에 연결되고, 출력 전력의 극성의 주기적인 반전과 연관된 정류 에너지를 수용하고 출력 전력의 극성의 반전 동안 제 1 출력 및 제 2 출력 중 하나에 정류 에너지를 전달하여, 용접형 공정 동안 용접형 아크에서의 정류의 발생을 크게 감소시키도록 연결된 에너지 저장 디바이스를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라, 용접형 전원이 개시되는데, 이러한 용접형 전원은, 입력 AC 전력을 수용하도록 구성된 1차 측 및 출력 AC 전력을 전달하도록 구성된 2차 측을 갖는 변압기와, 출력 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 변환기와, DC 전력을 수용하고 제 1 절반 주기 및 제 2 절반 주기를 갖는 AC 용접형 전력을 생성하도록 구성되고 연결된 인버터를 포함한다. 제 1 출력은 출력 전력을 용접형 토치(torch)에 전달하기 위해 이와 연관된 제 1 기생 인덕턴스를 갖는 연결부에 출력 전력을 전달하도록 구성된다. 제 2 출력은 출력 전력을 소재에 전달하기 위해 이와 연관된 제 2 기생 인덕턴스를 갖는 연결부에 용접 전력을 전달하도록 구성된다. 용접형 전원은, 제 1 절반 주기 동안 제 1 출력에 연결된 기생 인덕턴스와 연관된 정류 에너지를 수용하고 제 2 절반 주기 동안 정류 에너지를 제 2 출력에 전달하도록 연결된 에너지 저장 디바이스를 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따라, 용접형 전원이 개시되는데, 이러한 용접형 전원은, 제 1 AC 전력을 생성하도록 구성된 1차 인버터와, 제 1 AC 전력을 수용하도록 구성된 1차 측 및 제 2 AC 전력을 전달하도록 구성된 2차 측을 갖는 변압기와, 제 2 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 변환기를 포함한다. 반-브리지 인버터는 DC 전력을 수용하도록 구성되고, 용접형 공정 동안 용접형 아크를 생성하기 위해 AC 용접형 전력의 각 부분을 용접 출력에 전달하도록 구성된 제 1 출력 및 제 2 출력을 갖는다. 용접형 전원은 인덕턴스를 더 포함하는데, 이러한 인덕턴스는 제 1 단부에서 반-브리지 인버터의 제 1 출력 및 제 2 출력에 연결되고, 제 2 단부에서 용접 출력에 연결된다.

용접형 전원은,

제 1 AC 전력을 생성하도록 구성된 1차 인버터와;

상기 제 1 AC 전력을 수용하도록 구성된 1차 측과, 제 2 AC 전력을 전달하도록 구성된 2차 측을 갖는 변압기와;

제 2 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 변환기와;

DC 전력을 수용하도록 구성된 반-브리지 인버터로서, 용접형 공정 동안 용접형 아크를 생성하기 위해 AC 용접형 전력의 각 부분을 용접 출력에 전달하도록 구성된 제 1 출력 및 제 2 출력을 갖는, 반-브리지 인버터와;

제 1 단부에서 상기 반-브리지 인버터의 제 1 출력 및 제 2 출력에 연결되고, 제 2 단부에서 용접 출력에 연결되는 인덕턴스와;

AC 용접형 전력의 일부분의 전달 동안 상기 인덕턴스에 저장된 에너지를 수용하고, AC 용접형 전력의 다른 부분의 전달 동안 상기 에너지를 비-결합된(non-coupled) 인덕턴스로 다시 전달하도록 구성된 회로를

포함한다.

인덕턴스는 비-결합된 인덕터에 의해 형성된다.

인덕턴스는 케이블의 기생 인덕턴스이다.

상기 회로는, 인덕턴스에 저장된 에너지를 수용하고 AC 용접형 전력의 극성의 주기적인 반전시 상기 에너지를 방출하도록 연결된 에너지 저장 디바이스를 포함한다.

상기 회로는, 용접형 공정 동안 용접형 아크에서의 정류의 발생을 실질적으로 감소시키기 위해 인덕턴스로부터 수용된 에너지를 상기 인덕턴스로 다시 방출하도록 상기 에너지 저장 디바이스를 제어하도록 추가로 구성된다.

용접형 전원은 용접형 토치에 연결된 용접형 케이블 및 소재 클램프에 연결된 소재 케이블 중 하나를 더 포함하고, 각각의 케이블은 이와 연관된 기생 인덕턴스를 갖고, 상기 회로는 기생 인덕턴스에 저장된 정류 에너지를 수용하도록 구성된다.

용접형 전원은 용접형 전원의 시동시 상기 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하도록 구성된 사전-충전 회로를 더 포함한다.

상기 변압기는 부스트 권선을 포함하고, 상기 사전-충전 회로는 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하기 위해 부스트 권선으로부터 전력을 수용하도록 연결된다.

상기 사전-충전 회로는 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하기 위해 상기 변압기로부터 제 2 AC 전력을 수용하도록 연결된다.

용접형 전원은 용접형 전원의 시동시 시간 기간 동안 1차 인버터의 펄스 폭을 조정하도록 구성된 제어기를 더 포함하고, 상기 사전-충전 회로는 상기 시간 기간 동안 에너지 저장 디바이스를 단지 사전-충전하도록 구성된다.

용접형 전원은,

용접형 전력을 제공하도록 구성된 인버터-기반의 전원과;

상기 용접형 전력을 수용하고 극성의 주기적인 반전을 갖는 출력 전력을 생성하도록 연결된 출력 인버터와;

출력 전력을 연결부를 통해 각각 용접형 전극 및 소재에 전달하여, 용접형 공정을 달성하기 위해 용접형 전극과 소재 사이에 용접형 아크를 생성하도록 상기 출력 인버터에 연결된 제 1 출력 및 제 2 출력과;

상기 인버터-기반의 전원과 상기 제 1 및 제 2 출력 사이에 연결된 회로로서, 출력 전력의 극성의 주기적인 반전과 연관된 정류 에너지를 수용하고, 출력 전력의 극성의 반전 동안 상기 정류 에너지를 상기 제 1 출력과 제 2 출력 중 하나에 전달하여, 용접형 공정 동안 용접형 아크에서의 정류의 발생을 실질적으로 감소시키도록 연결된 에너지 저장 디바이스를 포함하는, 회로를

포함한다.

용접형 전원은 제 1 출력을 용접형 토치에 연결시키는 용접형 케이블과, 제 2 출력을 소재 클램프에 연결시키는 소재 케이블을 더 포함하고, 용접형 케이블은 이와 연관된 제 1 기생 인덕턴스를 갖고, 소재 케이블은 이와 연관된 제 2 기생 인덕턴스를 갖고, 정류 에너지는 제 1 기생 인덕턴스 및 제 2 기생 인덕턴스에 적어도 부분적으로 저장된다.

용접형 전원은, 제 1 단부에서 제 1 출력과 제 2 출력 중 하나에 연결되고 제 2 단부에서 출력 인버터에 연결되는 인덕턴스를 더 포함한다.

인덕턴스는 비-결합된 인덕터와 케이블 중 적어도 하나에 의해 형성된다.

용접형 전원은, 용접형 전원의 시동시 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하도록 구성된 사전-충전 회로를 더 포함한다.

용접형 전원은,

입력 AC 전력을 수용하도록 구성된 1차 측과, 출력 AC 전력을 전달하도록 구성된 2차 측을 갖는 변압기와;

출력 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 변환기와;

DC 전력을 수용하고, 제 1 절반 사이클 및 제 2 절반 사이클을 갖는 AC 용접형 전력을 생성하도록 구성되게 연결된 인버터와;

출력 전력을 용접형 토치와의 연결부에 전달하도록 구성된 제 1 출력으로서, 용접형 토치와의 연결부는 이와 연관된 제 1 기생 인덕턴스를 갖는, 제 1 출력과;

용접 전력을 소재와의 연결부에 전달하도록 구성된 제 2 출력으로서, 소재와의 연결부는 이와 연관된 제 2 기생 인덕턴스를 갖는, 제 2 출력과;

제 1 절반 사이클 동안 제 1 출력에 연결된 기생 인덕턴스와 연관된 정류 에너지를 수용하고, 제 2 절반 사이클 동안 정류 에너지를 제 2 출력에 전달하도록 연결된 에너지 저장 디바이스를 포함한다.

용접형 전원은 용접형 전원의 시동시 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하도록 구성된 사전-충전 회로를 더 포함한다.

변압기는 부스트 권선을 포함하고, 사전-충전 회로는 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하기 위해 부스트 권선으로부터 전력을 수용하도록 연결된다.

사전-충전 회로는 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하기 위해 변압기로부터 출력 AC 전력을 수용하도록 연결된다.

용접형 전원은,

제 1 AC 전력을 생성하도록 구성된 1차 인버터와;

제 1 AC 전력을 수용하도록 구성된 1차 측과, 제 2 AC 전력을 전달하도록 구성된 2차 측을 갖는 변압기와;

제 2 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 변환기와;

DC 전력을 수용하도록 구성된 반-브리지 인버터로서, 용접형 공정 동안 용접형 아크를 생성하기 위해 AC 용접형 전력의 각 부분을 용접 출력에 전달하도록 구성된 제 1 출력 및 제 2 출력을 갖는, 반-브리지 인버터와;

제 1 단부에서 반-브리지 인버터의 제 1 출력 및 제 2 출력에 연결되고, 제 2 단부에서 용접 출력에 연결된 인덕턴스를 포함한다.

용접형 전원은, AC 용접형 전력의 각 부분 중 하나를 인덕턴스에 전달하는 동안 인덕턴스에 저장된 정류 에너지를 수용하고, AC 용접형 전력의 각 부분 중 다른 것을 인덕턴스에 전달하는 동안 정류 에너지를 인덕턴스로 다시 전달하도록 연결된 에너지 저장 디바이스를 더 포함한다.

본 발명의 다양한 다른 특징은 다음의 상세한 설명 및 도면으로부터 명백해질 것이다.

본 발명은 이후에 첨부 도면을 참조하여 설명되며, 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.

본 발명은 출력 인버터의 비용, 무게 및 복잡성을 감소시키고, 출력/용접 케이블의 기생 인덕턴스 및 출력과 연관된 임의의 다른 인덕턴스에 저장된 정류 에너지를 처리할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 반-브리지 출력 인버터 및 클램프 회로를 포함하는 인버터-기반의 전원의 개략도.
도 2는 클램프 커패시터 사전-충전 회로를 포함하는 도 1의 인버터-기반의 전원의 개략도.
도 3은 본 발명에 따라 풀-브리지 출력 인버터 및 클램프 회로를 포함하는 인버터-기반의 전원의 개략도.
도 4는 전류 역전 동안 도 1 내지 도 4의 시스템의 출력 인덕턴스를 통하는 전압 및 전류를 도시한 그래프.

이제 도 1을 참조하면, 용접형 전원 시스템(10)은 AC 용접형 전력을 제공하도록 설계된다. 이 때문에, 용접형 전원 시스템은 2개의 부분(12, 14)으로 분리될 수 있다. 제 1 부분(12)은 직류 전류(DC) 용접형 전력을 전달하도록 구성되는 기존의 인버터-기반의 용접형 전원에 일반적으로 포함된 구성요소를 포함한다. 제 2 부분(14)은 본 발명에 따라, DC 용접형 전력을 AC 용접형 전력으로 변환하도록 설계된 구성요소를 포함한다.

잘 알려진 바와 같이, 제 1 부분(12)은 일반적으로 입력 필터(16)와, 입력 정류기(18)와, 제어기(21)에 의해 제어된 인버터(20)를 포함한다. 시스템(10)이 입력 정류기(18)를 포함하는 것으로 설명되지만, 제 1 부분(12)이 입력 정류기(18)와, 예를 들어 부스트 변환기와 같은 다른 구성요소를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다는 것이 구상된다. 제 1 부분(12)은 인버터-기반의 용접형 전원의 공통 구성요소의 간략적인 개요이고, 이에 따라, 필터링 구성요소, 피드백 및 제어 루프, 및 원하는 출력 전력 특징을 제공하도록 설계된 변압기 또는 다른 변환기와 같은 추가 구성요소가 포함될 수 있다는 것이 구상된다.

제 2 부분(14)은 일반적으로 출력 인버터(24) 및 클램프 회로(26)를 포함한다. 아래에 설명되는 바와 같이, 출력 인버터(24), 클램프 회로(26), 및 연관된 구성요소는 특히 출력 인버터(24)의 비용, 무게 및 복잡성을 감소시키고 출력과 연관된 정류 에너지 저장된 구성요소를 효율적으로 처리하도록 설계된다. 제 2 부분(14)의 출력은 용접 케이블(27)에 의해 용접 전극(28)에 연결되고, 소재 케이블(29)에 의해 소재 클램프(30)에 연결된다. 제 1 부분(12) 및 제 2 부분(14)은 변압기(TX1)에 의해 결합된다.

시스템(10)은, 예를 들어 전송 전력 라인(32)을 통해 실용적인 그리드(utility grid)로부터 수신된 AC 전력을 제공하는 전력 공급기(31)에 연결된다. 입력 정류기(18)는 전력 공급기(31)로부터 AC 전력을 수용하고, AC 전력을 DC 버스(33)에 전달되는 DC 전력으로 변환하도록 설계된다. 특히, 입력 정류기(18)는 전력 공급기(31)로부터 수용된 AC 전력을 정류하는 복수의 스위치를 포함한다.

DC 전력은 정류기(18)로부터 DC 버스(33)를 통해 인버터(20)에 전달된다. 제 1 부분(12)의 인버터(20)는 이후에 1차-측 인버터(20)로 언급될 것이고, DC 버스(33)의 양 및 음의 버스 사이에 위치되는 복수의 스위칭 디바이스(예를 들어, IGBT 또는 다른 반도체 스위치)를 포함한다. 1차-측 인버터(20)의 기능은 용접 아크에서의 출력 전류를 제어하는 것이다. 제어기(21)는 인버터(20)를 형성하는 스위치의 특정한 조합이 개폐하도록 하여, 이를 통해 원하는 전압 및 전류 특성으로 변압기(TX1)에 전달되는 펄스를 순차적으로 생성한다.

변압기(TX1)가 1차 측 인버터(20)에 의해 구동되는 단계적-감소(step-down) 변압기이라는 것이 구상된다. 변압기(TX1)는 중심 탭핑된(center tapped) 출력(34)을 갖고, 이러한 중심 탭핑된 출력(34)은 클램프 회로(26)에 연결되고, 예시된 바와 같이 용접 케이블(27)을 통해 전극(28)에 연결된다. 그러나, 용접 케이블(27) 및 소재 케이블(29)은 스위칭될 수 있어서, 중심 탭핑된 출력(24)은 소재 케이블(29)에 연결되어, 이를 통해 소재 클램프(30)에 연결된다는 것이 구상된다. 변압기(TX1)의 나머지 탭(36, 38)은 출력 인버터(24)에 연결된다. 따라서, 이들 출력 탭(34, 36, 38)은 "용접 권선(weld windings)"에 대한 연결로서 언급될 수 있다.

특히, 변압기(TX1)는 다이오드 쌍(D5, D7 및 D6, D8)을 포함하는 복수의 다이오드를 통해 출력 인버터(24)에 연결되고, 복수의 다이오드 쌍은 DC 전력을 출력 인버터(24)에 제공하기 위해 탭(36, 38)을 통해 변압기(TX1)로부터 수용된 AC 전력을 정류하도록 구성된 정류기(40)를 형성한다.

도 1에 도시된 출력 인버터(24)는 반-브리지 토폴로지에 배치된다. 그러나, 설명되는 바와 같이, 다른 토폴로지가 구상된다. 토폴로지에 공통적인 것처럼, 반-브리지 출력 인버터(24)는 2개의 스위치(Z1, Z2)를 포함한다. 이 점에서, 출력 인버터(24)는 용접형 공정 동안 용접형 아크를 생성하기 위해 AC 용접형 전력의 각 부분을 용접 출력에 전달하도록 구성된 제 1 및 제 2 출력(42, 44)을 형성하는 2개의 절반을 갖는 것으로 설명될 수 있다.

비-결합된 출력 인덕터(L1)는 제 1 단부(46)에서 출력 전류 트랜스듀서(H1)를 통해 출력 인버터(24)의 제 1 및 제 2 출력(42, 44)에 연결되고, 제 2 단부(48)에서 소재 케이블(29)을 통해 소재(30)에 연결된다. 그러나, 다시, 용접 케이블(27) 및 소재 케이블(29)이 스위칭되어, 출력 인덕터(L1)의 제 2 단부가 용접 케이블(27)에 연결되고, 이를 통해 전극(28)에 연결되는 것이 구상된다. 인덕터(L1)는 자기 코어 상에 전도체를 감음으로써 형성된 인덕턴스, 직렬 주사(injection) 고주파 변압기의 2차 권선에 의해 형성된 출력 인덕턴스, 회로 케이블의 길이의 기생 인덕턴스, 또는 이들의 조합일 수 있다. 출력 전류 트랜스듀서(H1)는 제 1 부분(12)의 인버터(20)에 대한 제어에 사용된 출력 전류 피드백 신호를 제공하는데 사용된다. 출력 인덕터(L1)의 인덕턴스 이외에, 직렬 주사 고주파 변압기의 2차 권선에 의해 형성된 럼핑된(lumped) 출력 인덕턴스, 존재한다면(미도시), 및 연결된 출력 케이블(29)(또는 27)의 기생 부하 인덕턴스는 또한 존재할 것이고, 설명되는 바와 같이, 클램프 회로(26)에 의해 처리된다.

클램프 회로(26)는 변압기(TX1)의 출력 전압보다 더 높은 전압으로 사전-충전되는 공진 클램프 커패시터의 역할을 하는 커패시터(C1, C2)로서 예시된 장치에서 구현된 한 쌍의 에너지 저장 디바이스를 포함한다. 클램프 회로(26)는 또한 복수의 다이오드(D1-D4) 및 한 쌍의 스위치(Z3, Z4)를 포함한다. 설명되는 바와 같이, 다이오드(D1-D4)는 출력 인덕터(L1)에 저장된 에너지 및 럼핑된 출력 인덕턴스가 클램프 커패시터(C1, C2)에 전달되기 위한 전류 경로를 제공하도록 설계된다. 스위치(Z3, Z4)는 클램프 커패시터(C1, C2)에서의 에너지가 반대 방향의 전류로서 출력 인덕터(L1)로 다시 전달되기 위한 전류 경로를 제공한다.

동작시, 전극의 음의 상태 동안, Z1은 소재(30)로부터 전극(28)으로의 용접 아크를 형성하기 위해 다이오드(D5, D7){1차 측 인버터(20)의 상태에 기초하여 다이오드(D5) 및 다이오드(D7) 중 하나 또는 양쪽 모두}, 스위치(Z1), 및 주 인덕터(L1)를 통해 TX1의 2차 권선으로부터 전류 경로를 제공하도록 스위칭 온(switched on)된다. 그러므로, 전극의 음의 동작 동안, 스위치(Z1)는 스위칭 온되고, 주 인덕터(L1)는 소재로부터 전극으로 흐르는 확립된 전류를 갖는다.

출력 전류를 음의 전극으로부터 양의 전극으로 반전시키기 위해, 스위치(Z1)는 스위칭 오프된다. 전류가 L1( 및 기생 인덕턴스)에서 순간적으로 바뀔 수 없고 Z1을 통해 더 이상 흐를 수 없기 때문에, 전류는 커패시터(C2), 다이오드(D4), 다이오드(D2), 및 주 인덕터(L1)를 통해 소재(30)로부터 전극(28)으로의 아크에 계속해서 흐른다. 공진 회로는 주 인덕터(L1) 및 커패시터(C2)에 의해 형성된다. 주 인덕터(L1)에서의 전류가 감소함에 따라, 커패시터(C2)에서의 전압은 초기 상태로부터 증가한다.

스위치(Z2 및 Z4)는, 스위치(Z1)가 스위칭 오프된 후이지만, 주 인덕터(L1)에서의 전류가 0에 도달하기 전에 스위칭 온된다. 이것은 커패시터(C2)가 전극(28)으로부터 소재(30)로의 전류로서 에너지를 주 인덕터(L1)로 다시 전달하기 위한 경로를 제공한다. 주 인덕터(L1)에서의 전류가 0에 도달할 때, 커패시터(C2) 상의 전압은 최대값이 된다. 커패시터(C2) 상의 최대 전압은 전류가 반대 방향이 될 때 전류 흐름을 유지시키기 위해 아크에서 이용가능한 전압이다. 커패시터(C2) 상의 최대 전압은 수학식 1로 주어진다.

커패시터(C2) 상의 전압이 감소함에 따라, 주 인덕터(L1)에서의 전류는 증가한다. 커패시터(C2) 상의 전압이 초기 상태로 돌아갈 때, 스위치(Z4)는 스위칭 오프되고, 주 인덕터(L1)에서의 전류는 Z1이 스위칭 오프되기 전에 갖는 거의 동일한 크기를 갖지만, 전류는 이제 전극(28)으로부터 소재(30)로 흐르게 된다. 전류 크기는 공진 전류 경로에서의 구성요소의 손실로 인해 약간 적어진다.

전극의 양의 동작 동안, Z2는 전극(28)으로부터 소재(30)로의 용접 아크를 형성하기 위해 다이오드(D6, D8){1차 측 인버터의 상태에 따라 다이오드(D6) 및 다이오드(D8) 중 하나 또는 양쪽 모두}, 스위치(Z2), 및 주 인덕터(L1)를 통해 TX1의 2차 권선으로부터 전류 경로를 제공하도록 스위칭 온된다. 따라서, 전극의 양의 동작 동안, 스위치(Z2)는 스위칭 온되고, 주 인덕터(L1)는 전극으로부터 소재로 흐르는 확립된 전류를 갖는다.

출력 전류를 양의 전극으로부터 음의 전극으로 반전시키기 위해, 스위치(Z2)는 스위칭 오프된다. 다시, 전류가 주 인덕터(L1)에서 순간적으로 변할 수 없고, Z2를 통해 더 이상 흐를 수 없기 때문에, 전류는 전극(28)으로부터 소재(30)로의 아크를 통해 흐르고, 주 인덕터(L1), 다이오드(D1), 다이오드(D3), 및 커패시터(C1)를 통해 흐른다.

공진 회로는 주 인덕터(L1) 및 커패시터(C1)에 의해 형성된다. 주 인덕터(L1)에서의 전류가 감소함에 따라, 커패시터(C1)에서의 전압은 초기 상태로부터 증가한다. 주 인덕터(L1)에서의 전류가 0에 도달할 때, 커패시터(C1) 상의 전압은 최대값이 된다. 커패시터(C1) 상의 최대 전압은 전류가 반대 방향이 될 때 전류 흐름을 유지시키기 위해 아크에서 이용가능한 전압이다. 커패시터(C1) 상의 최대 전압은 수학식 2로 주어진다.

스위치(Z1 및 Z3)는, 스위치(Z2)가 스위칭 오프된 후이지만, 주 인덕터(L1)에서의 전류가 0에 도달하기 전에 스위칭 온된다. 이것은, 커패시터(C1)가 에너지를 소재(30)로부터 전극(28)으로의 전류로서 주 인덕터(L1)로 다시 전달하기 위한 경로를 제공한다. 커패시터(C1) 상의 전압이 감소함에 따라, 주 인덕터(L1)에서의 전류는 증가한다. 커패시터(C1) 상의 전압이 초기 상태로 돌아갈 때, 스위치(Z3)는 스위칭 오프되고, 주 인덕터(L1)에서의 전류는 스위치(Z2)가 스위칭 오프되기 전에 갖는 크기와 거의 동일한 크기를 갖지만, 전류는 이제 소재(30)로부터 전극(28)으로 흐르게 된다. 전류 크기는 공진 전류 경로에서의 구성요소의 손실로 인해 약간 작아진다.

극성 반전 동안 커패시터(C1) 또는 커패시터(C2) 중 어느 하나에 의해 흡수되어야 하는 에너지의 양은 출력 전류의 제곱과 곱해진 럼핑된 출력 인덕턴스{즉, 주 인덕터(L1)의 인덕턴스, 케이블(27, 29) 및 임의의 다른 연관된 구성요소의 기생 인덕턴스}의 절반과 동일하다. 커패시터(C1) 및 커패시터(C2) 상의 초기 전압은, 출력 에너지가 최소(낮은 전류 및 낮은 인덕턴스)일 때 결정된다. 다른 한 편으로, 커패시터(C1) 및 커패시터(C2)의 값은 최대 출력 에너지 요건(높은 전류 및 높은 인덕턴스)에 기초하여 선택된다.

출력 에너지가 최소일 때, 매우 적은 에너지가 전달되고, 최대 커패시터 전압은 초기 커패시터 전압보다 수 볼트 더 높다. 그러므로, 초기 커패시터 전압은, 전류 흐름이 0을 통해 전이할 때 아크에 유지되고 아크 정류가 회피될 정도로 충분히 높아야 한다. 이러한 초기 커패시터 전압은 일반적으로 약 200볼트이다.

출력 에너지가 최대일 때, 최대 커패시터 전압은 초기 커패시터 전압보다 수백 볼트 더 높을 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스위치(Z1-Z4) 양단의 전압은 다이오드(D1-D4)에 의해 커패시터(C1)와 커패시터(C2) 상의 전압의 합으로 클램핑된다. 그러므로, 커패시터(C1, C2)의 값은, 하나의 커패시터의 최대 전압과 다른 커패시터의 초기 전압의 합이 반도체 구성요소(Z1-Z4, 및 D1-D4)의 정격 전압보다 적도록 선택된다. 예를 들어, 하나의 일반적인 정격은 600볼트이다. 이것을 고려하여, 대략 20㎌의 값은 커패시터(C1, C2)에 대해 바람직하다. 커패시터(C1 및 C2)의 값은, 커패시터의 크기 및 비용이 감소되도록 가능한 한 작아야 한다.

이제 도 4 및 수학식 1 및 2를 참조하면, 클램프 커패시터(C1, C2)의 전압은, 주 인덕터(L1)를 통하는 출력 전류가 0일 때 피크에 도달한다. 이것은 정확하게, 피크 전압이 아크 정류를 방지하는데 필요로 할 때이다. 또한, 수학식 1 및 2는, 출력에서의 인덕턴스{주 인덕터(L1) 및 기생 인덕턴스}가 더 높은 경우 커패시터(C1, C2)의 피크 전압이 더 높아진다는 것을 보여준다. 이러한 더 높은 전압은, 출력 전압이 0을 통해 전이할 때 출력 전류를 유지시키기 위해 시간에 대한 출력 전류에서의 변화(di/dt)를 비교적 높게 유지한다. 특히, 출력(di/dt)은 수학식 3으로 주어진다.

따라서, 커패시터(C1, C2)를 예를 들어 대략 200볼트로 사전-충전시키는 것이 바람직할 수 있다. 이제 도 2를 참조하면, 일실시예에 따라, 출력 변압기(TX1) 상에 이미 존재하는 출력 부스트 권선(50)은 클램프 커패시터(C1, C2)를 대략 200볼트의 초기 전압으로 사전-충전하는데 이용된다. 클램프 커패시터 사전-충전 회로(52)는 출력 변압기(TX1)의 부스트 권선(50)에 연결된다. 클램프 커패시터 사전-충전 회로(52)는 변압기(TX1) 및 다이오드(D9-D12) 상의 추가 중심 탭핑된 출력 권선을 포함한다. 출력 부스트 권선(50)은 일반적으로 개방된 루트 조인트(open root joint) 상에 높은 셀룰로오스 스틱 전극을 용접하는데 사용된다. 출력 부스트 권선(50)은 부하를 받을 때 이용가능한 출력 전압을 증가시키고, 조작자가 조인트 양단의 용접 전극(28)을 조절할 때 아크가 점멸되지 못하게 한다. 출력 부스트 권선(50)이 감소된 전류에서 높은 전압을 제공하는데만 사용되기 때문에, 출력 부스트 권선(50)은 일반적으로 변압기(TX1)의 1차 권선으로부터 자기 결합 해제(decoupled)되어, 출력 부스트 회로의 드로핑(drooping) 특성을 발생시킨다. 즉, 출력 부스트 권선(50)에 의해 제공된 피크 출력 전류는 단락을 구동할 때조차 한정된 전류이다. 이 때문에, 다이오드(D9-D12)는 작고, 인버터 전원{즉, 제 1 부분(12)}이 인에이블링(enabled)될 때 클램프 커패시터(C1, C2)를 원하는 초기 전압으로 사전-충전하는데만 사용된다.

인버터 전원이 초기에 인에이블링될 때, 출력 용접 권선은 또한 다이오드(D5) 또는 다이오드(D7) 및 다이오드(D3) 또는 다이오드(D4)를 통해 클램프 커패시터를 충전할 수 있다. 출력 용접 권선은 변압기(TX1) 1차 권선에 매우 단단히 결합되고, 수백 암페어를 제공할 수 있는데, 이러한 수백 암페어는 다이오드(D5) 및 다이오드(D7) 또는, 더 가능하게는, 다이오드(D5) 및 다이오드(7)보다 더 작은 다이오드(D3) 및 다이오드(D4)에 응력을 가할 수 있다(stress). 이 경우에, 제어기(21)는 일정 시간 기간 동안 1차 측 인버터(20)의 펄스 폭을 조정하여, 클램프 커패시터(C1, C2)가 감소된 전력 특성을 갖는 용접 권선의 피크 출력 전압으로 충전하도록 한다. 클램프 커패시터(C1, C2)가 용접 권선의 피크 출력 전압으로 충전된 후에, 제어기(20)는 펄스 폭을 용접에 바람직한 값으로 설정하고, 출력 부스트 권선은 다이오드(D9-D12)를 통해 커패시터(C1) 및 커패시터(C2)를 원하는 초기 전압으로 계속해서 충전할 것이다.

전술한 공진 아크 도움(assist)/클램프 회로가 풀 브리지 출력 인버터와 함께 이용될 수 있다는 것이 구상된다. 도 3을 참조하면, 2개의 출력 정류 다이오드는 제거되고, 2개의 출력 트랜지스터(Z3, Z4)는 추가된다. 더욱이, 공진 아크 도움/클램프 회로는 하나의 커패시터(C1), 5개의 다이오드(D1-D5), 및 하나의 다른 스위치(Z5)로 감소된다.

그러나, 이 시스템은 아크 정류에 대해 보호할 동안, 제거된 출력 정류 다이오드보다 상당히 더 비싼 출력 트랜지스터(Z3, Z4)를 이용한다. 또한, 수백 와트를 출력 회로 손실에 추가할 수 있는 출력 전류 경로에서의 추가 트랜지스터 순방향 강하가 있다. 그러므로, 이러한 구성은 도 1 및 도 2에 대해 전술한 시스템의 몇몇 장점을 보류한다. 즉, 전술한 발명은 반-브리지 출력 인버터 대 풀-브리지 출력 인버터의 이용을 허용하며, 이것은 전원의 크기, 무게 및 비용을 감소시킨다. 공진 아크 도움/클램프 회로는, 극성 반전 동안 출력 전류를 유지시키고 아크 정류를 방지하는 한편, 또한 출력 반도체를 과도한 전압으로 인한 고장으로부터 보호하는데 충분한 전압을 제공한다.

본 발명은 이전에 사용된 클램프 회로에 비해 간략화된 클램프 회로를 제공한다. 클램프 회로는 2개의 커패시터, 4개의 제어되지 않은 스위치(다이오드), 및 2개의 제어된 스위치(트랜지스터)를 포함하도록 감소될 수 있다. 2개의 커패시터 중 하나는 출력 전류의 초기 방향에 따라 전류 역전 동안 부하 인덕턴스와 함께 공진한다. 기생 부하 인덕턴스로 인한 정류 에너지는 전압으로서 커패시터 중 하나로 전달되고, 그런 후에 반대 방향의 전류로서 기생 부하 인덕턴스 상으로 되돌아간다.

본 발명은 다양한 실시예에 관해 설명되었고, 특별히 언급된 것을 제외하고, 많은 등가물, 대안, 변경 및 변형이 본 발명의 범주 내에서 가능하다는 것이 인식되어야 한다. 그러므로, 본 발명은 특정한 설명된 실시예에 한정되지 않아야 한다.

Claims (10)

1. 용접형 전원으로서,
   제 1 AC 전력을 생성하도록 구성된 1차 인버터와;
   상기 제 1 AC 전력을 수용하도록 구성된 1차 측(primary side)과, 제 2 AC 전력을 전달하도록 구성된 2차 측(secondary side)을 갖는 변압기와;
   제 2 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 변환기와;
   DC 전력을 수용하고, AC 용접형 전력의 음의 상태(negative condition) 및 양의 상태(positive condition)를 위한 스위칭된 전류 경로를 제공하도록 구성된 반-브리지 인버터로서, 반-브리지 인버터는 제 1 스위치(Z1) 및 제 2 스위치(Z2)를 가지며, 용접형 공정 동안 용접형 아크를 생성하기 위해 AC 용접형 전력의 음의 상태 및 양의 상태를 용접 출력에 전달하도록 구성된 제 1 출력 및 제 2 출력을 갖는, 반-브리지 인버터와;
   제 1 단부에서 상기 반-브리지 인버터의 제 1 출력 및 제 2 출력에 연결되고, 제 2 단부에서 용접 출력에 연결되는 인덕턴스로서, 인덕턴스는 에너지를 저장하고 AC 용접형 전력의 음의 상태 및 양의 상태 동안 인덕턴스에 저장된 에너지를 전달하는, 인덕턴스와;
   AC 용접형 전력의 한 상태의 전달 동안 상기 인덕턴스에 저장된 에너지를 수용하고, AC 용접형 전력의 다른 상태의 전달 동안 상기 에너지를 인덕턴스로 다시 전달하도록 구성된 회로를
   포함하며, 음의 상태 동안, 제 1 스위치(Z1)는 용접형 아크(arc)를 형성하기 위해, 변환기, 제 1 스위치(Z1), 및 인덕턴스를 통해 2차 측으로부터의 제 1 전류 경로를 제공하도록 스위칭 온(switched on) 되고, 제 1 전류 경로를 반전시키기 위해, 제 1 스위치(Z1)는 인덕턴스를 포함하는 제 1 공진 회로를 통해 제 2 전류 경로를 제공하도록 스위칭 오프(switched off) 되며,
   양의 상태 동안, 제 2 스위치(Z2)는 용접형 아크를 형성하기 위해, 변환기, 제 2 스위치(Z2), 및 인덕턴스를 통해 2차 측으로부터의 제 3 전류 경로를 제공하도록 스위칭 온 되고, 제 3 전류 경로를 반전시키기 위해, 제 2 스위치(Z2)는 인덕턴스를 포함하는 제 2 공진 회로를 통해 제 4 전류 경로를 제공하도록 스위칭 오프 되는, 용접형 전원.
2. 제 1항에 있어서, 상기 인덕턴스는 비-결합된 인덕터에 의해 형성되는, 용접형 전원.
3. 제 1항에 있어서, 상기 인덕턴스는 케이블의 기생 인덕턴스인, 용접형 전원.
4. 제 1항에 있어서, 상기 회로는, 상기 인덕턴스에 저장된 에너지를 수용하고 상기 AC 용접형 전력의 극성의 주기적인 반전시 상기 에너지를 방출하도록 연결된 에너지 저장 디바이스를 포함하는, 용접형 전원.
5. 제 4항에 있어서, 상기 회로는, 상기 용접형 공정 동안 용접형 아크에서의 정류의 발생을 감소시키기 위해 인덕턴스로부터 수용된 에너지를 상기 인덕턴스로 다시 방출하도록 상기 에너지 저장 디바이스를 제어하도록 추가로 구성되는, 용접형 전원.
6. 제 1항에 있어서, 용접형 토치(torch)에 연결된 용접형 케이블 및 소재 클램프(workpiece clamp)에 연결된 소재 케이블 중 하나를 더 포함하고, 각각의 케이블은 이와 연관된 기생 인덕턴스를 갖고, 상기 회로는 기생 인덕턴스에 저장된 정류 에너지(commutation energy)를 수용하도록 구성되는, 용접형 전원.
7. 제 4항에 있어서, 상기 용접형 전원의 시동시 상기 에너지 저장 디바이스를 사전-충전(pre-charge)하도록 구성된 사전-충전 회로를 더 포함하는, 용접형 전원.
8. 제 7항에 있어서, 상기 변압기는 부스트 권선(boost winding)을 포함하고, 상기 사전-충전 회로는 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하기 위해 부스트 권선으로부터 전력을 수용하도록 연결되는, 용접형 전원.
9. 제 7항에 있어서, 상기 사전-충전 회로는 에너지 저장 디바이스를 사전-충전하기 위해 상기 변압기로부터 제 2 AC 전력을 수용하도록 연결되는, 용접형 전원.
10. 제 9항에 있어서, 용접형 전원의 시동시 시간 기간 동안 1차 인버터의 펄스 폭을 조정하도록 구성된 제어기를 더 포함하고, 상기 사전-충전 회로는 상기 시간 기간 동안 에너지 저장 디바이스를 단지 사전-충전하도록 구성되는, 용접형 전원.

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