KR102103694B1 - 교류 티그 용접기 - Google Patents

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Abstract

제 2 인버터에서 출력되는 용접전류가 설정전보다 높게 되면 교류 주파수를 상기 용접전류의 크기에 따라 선형적으로 감소시킴으로써, 설정전류값 전후에서 급격한 주파수 변동을 억제하여 양호한 용접품질을 얻을 수 있는 교류 티그 용접기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 교류 티그 용접기는 상용 교류전원(P)을 직류 입력전원으로 변환하는 입력 정류부(1)와, 입력 정류부(1)에서 출력되는 불규칙한 직류전압을 콘덴서를 이용하여 일정한 직류전압으로 평활하는 평활부(2)와, 상기 평활부(2)의 직류전압을 고주파 교류로 변환시켜 출력하는 제 1 인버터부(3)와, 제 1 인버터(3)를 제어하기 위한 제 1 인버터 구동부(4)와, 제 1 인터버부(3)의 교류를 입력받아 용접에 적당한 저전압으로 변압하는 트랜스포머(5)와, 트랜스포머(5)에서 출력되는 저전압 대전류의 교류를 저전압 대전류의 직류로 정류하는 출력 정류부(6)와, 출력 정류부(6)를 통해 변환된 저전압 대전류의 직류를 받아 교류 티그 용접에 적절한 주파수의 교류를 출력하는 제 2 인버터부(7)와, 제 2 인버터(7)에서 토치의 전극(8) 및 모재(9)로 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서부(10)와, 상기 전류 센서부(10)에서 검출된 전류값의 절대값과 기 설정된 전류값을 비교하여 그에 대응하는 출력값에 따라 제 2 인버터(7)를 제어하는 PWM 스위칭 제어부(20)와, 제 2 인버터(7)의 출력단 부하전압을 검출하여 기준 전압으로 제어하여 출력하는 제어부(40)와, 제어부(40)에서 출력된 전압을 입력받고 기 설정된 스위칭 주파수를 갖는 비교 기준전류를 입력받아 제 2 인버터(7)에 펄스 폭 구동 신호를 출력하는 PWM 발생기(30)와, 제 2 인버터(7)의 출력단의 부하 전압을 감지하는 전압 센서부(50)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

교류 티그 용접기{AC TIG WELDER}
본 발명은 교류 티그 용접기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제 2 인버터에서 출력되는 용접전류가 설정전보다 높게 되면 교류 주파수를 상기 용접전류의 크기에 따라 선형적으로 감소시킴으로써, 설정전류값 전후에서 급격한 주파수 변동을 억제하여 양호한 용접품질을 얻을 수 있는 교류 티그 용접기에 관한 것이다.
대한민국 특허 제10-0130493호(1997년 11월 18일, 등록)에 '티그 아아크 용접기"가 소개되어 있다.
상기 티그 아아크 용접기는 용접부하에 공급하는 출력전류의 검출신호와 출력전류 설정신호와의 오차신호에 의해 출력제어용의 제어소자를 제어해서 상기한 출력전류를 궤환 제어하는 티그 아아크 용접기에 있어서, 상기한 용접부하의 텅스텐전극을 모재료에 단락해서 부하급전을 개시하는 아아크 개시시의 출력전류 설정용의 개시전류 설정신호를 출력하는 개시전류설정기와, 아아크 개시후의 정상의 출력전류설정용의 정상전류 설정신호를 출력하는 정상전류설정기과, 상기한 출력전류 설정신호를 아아크 개시시는 상기한 개시전류 설정신호에, 아아크 개시에 의해 상기한 텅스텐전극이 상기한 모재료로부터 떨어진 직후의 소정기간은 상기한 양 설정신호중의 상기한 출력전류가 큰 한쪽에, 상기한 소정기간의 경과후는 상기한 정상전류 설정신호로 전환하는 설정신호 출력전환수단을 구비한 것이다.
그러나, 상기 티그 아아크 용접기는 일정 주파수에서 설정전류의 변화에 따른 펄스폭만을 가변하기 때문에 용접품질이 저하되는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 제 2 인버터에서 출력되는 용접전류가 설정전보다 높게 되면 교류 주파수를 상기 용접전류의 크기에 따라 선형적으로 감소시킴으로써, 설정전류값 전후에서 급격한 주파수 변동을 억제하여 양호한 용접품질을 얻을 수 있는 교류 티그 용접기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교류 티그 용접기는 상용 교류전원을 직류 입력전원으로 변환하는 입력 정류부와; 입력 정류부에서 출력되는 불규칙한 직류전압을 콘덴서를 이용하여 일정한 직류전압으로 평활하는 평활부와, 상기 평활부의 직류전압을 고주파 교류로 변환시켜 출력하는 제 1 인버터부와, 제 1 인버터를 제어하기 위한 제 1 인버터 구동부와, 제 1 인터버부의 교류를 입력받아 용접에 적당한 저전압으로 변압하는 트랜스포머와; 트랜스포머에서 출력되는 저전압 대전류의 교류를 저전압 대전류의 직류로 정류하는 출력 정류부와, 출력 정류부를 통해 변환된 저전압 대전류의 직류를 받아 교류 티그 용접에 적절한 주파수의 교류를 출력하는 제 2 인버터부와, 제 2 인버터에서 토치의 전극 및 모재로 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서부와; 상기 전류 센서부에서 검출된 전류값의 절대값과 기 설정된 전류값을 비교하여 그에 대응하는 출력값에 따라 제 2 인버터를 제어하는 PWM 스위칭 제어부와; 제 2 인버터의 출력단 부하전압을 검출하여 기준 전압으로 제어하여 출력하는 제어부와, 제어부에서 출력된 전압을 입력받고 기 설정된 스위칭 주파수를 갖는 비교 기준전류를 입력받아 제 2 인버터에 펄스 폭 구동 신호를 출력하는 PWM 발생기와, 제 2 인버터의 출력단의 부하 전압을 감지하는 전압 센서부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이것에 의해, 본 발명에 따른 교류 티그 용접기는 제 2 인버터에서 출력되는 용접전류가 설정전보다 높게 되면 교류 주파수를 상기 용접전류의 크기에 따라 선형적으로 감소시킴으로써, 설정전류값 전후에서 급격한 주파수 변동을 억제하여 양호한 용접품질을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 교류 티그 용접기를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 교류 티그 용접기의 운전 조건에 따른 출력 파형을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 교류 티그 용접기는 상용 교류전원(P)을 직류 입력전원으로 변환하는 입력 정류부(1)와; 입력 정류부(1)에서 출력되는 불규칙한 직류전압을 콘덴서를 이용하여 일정한 직류전압으로 평활하는 평활부(2)와, 상기 평활부(2)의 직류전압을 고주파 교류로 변환시켜 출력하는 제 1 인버터부(3)와, 제 1 인버터(3)를 제어하기 위한 제 1 인버터 구동부(4)와, 제 1 인터버부(3)의 교류를 입력받아 용접에 적당한 저전압으로 변압하는 트랜스포머(5)와, 트랜스포머(5)에서 출력되는 저전압 대전류의 교류를 저전압 대전류의 직류로 정류하는 출력 정류부(6)와, 출력 정류부(6)를 통해 변환된 저전압 대전류의 직류를 받아 교류 티그 용접에 적절한 주파수의 교류를 출력하는 제 2 인버터부(7)와, 제 2 인버터(7)에서 토치의 전극(8) 및 모재(9)로 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서부(10)와, 상기 전류 센서부(10)에서 검출된 전류값의 절대값과 기 설정된 전류값을 비교하여 그에 대응하는 출력값에 따라 제 2 인버터(7)를 제어하는 PWM 스위칭 제어부(20)와, 제 2 인버터(7)의 출력단 부하전압을 검출하여 기준 전압으로 제어하여 출력하는 제어부(40)와, 제어부(40)에서 출력된 전압을 입력받고 기 설정된 스위칭 주파수를 갖는 비교 기준전류를 입력받아 제 2 인버터(7)에 펄스 폭 구동 신호를 출력하는 PWM 발생기(30)와, 제 2 인버터(7)의 출력단의 부하 전압을 감지하는 전압 센서부(50)로 구성된다.
상기 제 1 인버터(3) 및 제 2 인버터(7)는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자를 가지고 있으며, IGBT 스위칭소자 4개로 이루어진 풀브리지(Full Bridge) 구조이다. 특히, 상기 제 2 인버터(7)는 4개의 스위칭 소자 각각에 스위칭소자 양단에 역병렬로 다이오드(도시하지 않음)가 접속될 수 있다.
또한, 상기 제 1 인버터(3) 및 제 2 인버터(7)의 구조는 풀브리지 이외에도 하프브리지(Half Bridge) 구조 또는 푸쉬-풀(Push-Pull) 구조도 적용할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 인버터(7)의 IGBT의 게이트 전극의 연결 부분에는 PWM 스위칭 제어부(30)가 연결된다.
상기 제어부(40)는 제 2 인버터(7)의 스위칭 동작을 제어하여 부하의 출력 전압의 크기 및 형태를 제어하도록 하는 것으로서, 사용자가 원하는 출력 전압의 크기 및 형태를 선택하고 그에 대응하는 전압을 제공한다. 보다 구체적으로, 상기 전압 센서부(50)에서 상기 제 2 인버터(7)의 출력 양단의 부하 전압을 감지하고 기준전압을 입력받아 그에 대응하는 전압을 제어하여 PWM 발생기(30)로 출력하게 된다.
상기 전류 센서부(10)는 상기 제 2 인버터(7)의 부하 전류를 검출하여 상기 PWM 스위칭 제어부(20)로 출력한다.
상기 PWM 스위칭 제어부(20)는 절대값 변환부(21), 히스테리시스 비교기(22) 및 앤드 게이트부(23)를 포함한다.
상기 절대값 변환부(21)는 상기 전류 센서부(10)에서 검출된 전류값을 절대값으로 변환하고, 히스테리시스 비교기(22)에서는 절대값으로 변환된 전류값을 기 설정된 상한 전류값과 비교하여 그에 대응하는 전류 제한신호(CL)를 출력하게 된다. 그리고, 앤드 게이트부(23)는 히스테리시스 비교기(22)에서 출력되는 전류 제한 신호(CL)에 따라 제 2 인버터(7)를 제어하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 히스테리시스 비교기(22)는 절대값으로 변환된 전류값이 기 설정된 상한 전류값보다 작으면 전류 제한 신호(CL)는 하이(high)로 출력하고, 절대값으로 변환된 전류값이 기 설정된 상한 전류값보다 크면 전류 제한 신호(CL)는 로우(low)로 출력하게 된다.
상기 앤드 게이트부(23)는 히스테리시스 비교기(22)에서 출력되는 전류 제한 신호(CL)가 하이(high)로 출력되면 제 2 인버터(7)를 온(ON) 시키고, 전류 제한 신호(CL)가 로우(low)로 출력되면 제 2 인버터를 오프(OFF)시키게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 교류 티그 용접기는 제 2 인버터(7)에서 출력되는 용접전류가 설정전보다 높게 되면 교류 주파수를 상기 용접전류의 크기에 따라 선형적으로 감소시킴으로써, 설정전류값 전후에서 급격한 주파수 변동을 억제하여 양호한 용접품질을 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 교류 티그 용접기의 운전 조건에 따른 출력 파형을 도시한 도면이다. a) 정상 모드에서 고장감내형 PWM 회로의 출력신호(CL)는 항상 하이(High) 상태이며, PWM 발생기(30)의 PWM 구동신호(G1, G2, G3, G4)는 상기 앤드(AND) 게이트를 통과하여 정상적으로 전력변환 스위치를 동작시켜서 제 2 인버터 의 출력전압(Vinv)을 생성시킨다. 인버터 출력전류(Iinv)는 토치 전극(8)에 인가되는 전압의 크기와 극성에 따라 소정의 평균값을 중심으로 상승 및 하강을 반복하게 된다
한편, 용접부하가 걸리기 시작하는 FRT 모드에서 (b)와 같이 부하전압(vLoad)이 거의 영이 되므로, 제 2 인버터(7)에 전압이 증대하여 인버터 출력전류(iinv)의 기울기는 급상승하게 되고, 이는 히스테리시스 비교기(22)의 상한선을 지나게 된다. 인버터 출력전류(iinv)의 절대값이 히스테리시스 비교기의 상한값보다 크게 되면, PWM 회로의 출력신호(CL)는 즉시 로우(Low) 상태가 되고 앤드(AND) 게이트가 닫혀져서 PWM 발생기(30)의 PWM 구동신호(G1, G2, G3, G4)를 모두 억제하므로, 제 2 인버터(7)의 스위치가 모두 꺼져서 인버터 출력전류(iinv)는 더 이상 증가하지 못하고 하강하게 된다.
인버터 출력전류(iinv)의 절대값이 점차 감소하여 히스테리시스 비교기의 하한값보다 작게 되면 PWM 회로의 출력신호(CL)은 즉시 하이(High) 상태가 되고 앤드(AND) 게이트를 열어서 인버터 스위치의 PWM 구동신호(G1, G2, G3, G4)를 모두 통과시킨다. 이때, 인버터의 PWM 구동신호(G1, G4)가 하이(High) 상태라면, 부하의 단락상태가 계속되고 있기 때문에 인버터 출력전류(iinv)는 다시 급상승하게 되고, 이윽고 히스테리시스 비교기의 상한선을 지나게 된다. 이때, PWM 회로의 출력신호(CL)는 또다시 즉시 로우(Low) 상태가 되고 앤드(AND) 게이트에 의해 인버터의 PWM 구동신호(G1, G2, G3, G4)를 모두 억제하므로, 스위치가 모두 꺼져서 인버터 출력전류(iinv)는 더 이상 증가하지 못하고 다시 하강하게 된다. 이러한 작동원리에 의하여 인버터 출력단 전류(iinv)는 어떠한 상황에서도 히스테리시스 비교기의 상한값을 넘지 않게 되어, 설정전류값 전후에서 급격한 주파수 변동을 억제하여 양호한 용접품질을 얻을 수 있다.
그리고, 아크 작업이 진행되어 아크가 안정화되면, 제 2 인버터(7)는 즉시 정상운전 모드로 작동하게 된다. 여기서, 스위칭 주기는 히스테리시스 비교기의 상한값과 하한값의 차이(히스테리시스폭)에 의하여 결정된다. 다시 말해, 히스테리시스 폭을 좁게 하면 스위칭 주기는 짧아져서 스위칭 주파수가 증가하며, 반대로 히스테리시스 폭을 넓게하면 스위칭 주기가 길어져서 스위칭 주파수는 낮아진다.
이와 같이, 본 발명에 따른 교류 티그 용접기에서, 제 2 인버터의 제어 방법은, 제 2 인버터의 출력단의 전류 및 전압을 검출하여 검출된 전류값을 절대값으로 변환한 후 기 설정된 전류값과 비교하여 그에 대응하는 전류 제한 신호(CL)를 출력하게 된다. 이때, 절대값으로 변환된 전류값이 기 설정된 상한 전류값보다 작으면 전류 제한 신호(CL)는 하이(high)로 출력하게 되고, 절대값으로 변환된 전류값이 기 설정된 상한 전류값보다 크면 전류 제한 신호(CL)는 로우(low)로 출력하게 된다. 그리고, 상기 전류 제한 신호(CL)가 하이(high)로 출력되면 인버터 스위칭부를 온(ON)시키고, 전류 제한 신호(CL)가 로우(low)로 출력되면 인버터 스위칭부를 오프(OFF)시키게 된다. 이때, 상기 출력되는 전류 제한 신호(CL)를 입력받아 상기 인버터 스위칭부의 스위치 온/오프 동작을 제어하게 된다. 그리고, 상기 스위칭 동작의 온/오프 제어에 따라 상기 인버터 스위칭부의 전류 및 전압을 조절하게 됨으로써, 용접전류가 설정전보다 높게 되면 교류 주파수를 상기 용접전류의 크기에 따라 선형적으로 감소시키고, 설정전류값 전후에서 급격한 주파수 변동을 억제하여 양호한 용접품질을 얻을 수 있게 된다.
1 : 입력 정류부 2 : 평활부
3 : 제 1 인버터부 4 : 제 1 인버터 구동부
5 : 트랜스포머 6 : 출력 정류부
7 : 제 2 인버터부 10 : 전류 센서부
20 : PWM 스위칭 제어부 30 : PWM 발생기
40 : 제어부 50 : 전압 센서부

Claims (4)

  1. 상용 교류전원(P)을 직류 입력전원으로 변환하는 입력 정류부(1)와, 입력 정류부(1)에서 출력되는 불규칙한 직류전압을 콘덴서를 이용하여 일정한 직류전압으로 평활하는 평활부(2)와, 상기 평활부(2)의 직류전압을 고주파 교류로 변환시켜 출력하는 제 1 인버터부(3)와, 제 1 인버터(3)를 제어하기 위한 제 1 인버터 구동부(4)와, 제 1 인터버부(3)의 교류를 입력받아 용접용 저전압으로 변압하는 트랜스포머(5)와, 트랜스포머(5)에서 출력되는 저전압 대전류의 교류를 저전압 대전류의 직류로 정류하는 출력 정류부(6)와, 출력 정류부(6)를 통해 변환된 저전압 대전류의 직류를 받아 교류 티그 용접에 알맞은 주파수의 교류를 출력하는 제 2 인버터부(7)와, 제 2 인버터(7)에서 토치의 전극(8) 및 모재(9)로 출력되는 전류를 검출하는 전류 센서부(10)와, 상기 전류 센서부(10)에서 검출된 전류값의 절대값과 기 설정된 전류값을 비교하여 그에 대응하는 출력값에 따라 제 2 인버터(7)를 제어하는 PWM 스위칭 제어부(20)와, 제 2 인버터(7)의 출력단 부하전압을 검출하여 기준 전압으로 제어하여 출력하는 제어부(40)와, 제어부(40)에서 출력된 전압을 입력받고 기 설정된 스위칭 주파수를 갖는 비교 기준전류를 입력받아 제 2 인버터(7)에 펄스 폭 구동 신호를 출력하는 PWM 발생기(30)와, 제 2 인버터(7)의 출력단의 부하 전압을 감지하는 전압 센서부(50)로 구성되고,
    상기 PWM 스위칭 제어부(20)는 전류 센서부(10)에서 검출된 전류값을 절대값으로 변환하는 절대값 변환부(21)와, 절대값으로 변환된 전류값을 기 설정된 상한 전류값과 비교하여 그에 대응하는 전류 제한 신호(CL)를 출력하는 히스테리시스 비교기(22)와, 히스테리시스 비교기(22)에서 출력되는 전류 제한 신호(CL)에 따라 상기 제 2 인버터(7)를 제어하는 앤드 게이트부(23)를 포함하며,
    상기 전압 센서부(50)는 제 2 인버터(7)의 출력 전압(vinv)을 검출하고,
    상기 PWM 발생기(30)는 펄스 폭 구동 신호(G1, G2, G3, G4)를 생성하며,
    상기 전류 센서부(10)는 제 2 인버터(7)의 출력 전류(iinv)를 검출하고,
    상기 히스테리시스 비교기(22)는 하이(high) 또는 로우(low)의 전류 제한 신호(CL)를 생성하며, 용접부하가 걸리기 시작하는 초기 아크 개시시, 인버터 출력 전류(iinv)의 절대값이 히스테리시스 비교기의 상한선보다 커지고, 전류 제한 신호(CL)는 로우(low) 상태가 되며, 앤드 게이트가 닫혀 펄스 폭 신호(G1, G2, G3, G4)가 출력되지 못하여 제 2 인버터로부터 인버터 출력 전류(iinv)가 하강되고, 정상 상태에 도달한 후, 인버터 출력 전류(iinv)가 하강되면, 인버터 출력 전류(iinv)의 절대값이 히스테리시스 비교기의 상한선보다 작아지고, 전류 제한 신호(CL)는 하이(high) 상태가 되며, 앤드 게이트가 열려 펄스 폭 신호(G1, G2, G3, G4)가 출력되는 것을 특징으로 하는 교류 티그 용접기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 히스테리시스 비교기(22)에서 절대값으로 변환된 전류값이 기 설정된 상한 전류값보다 작으면 전류 제한 신호(CL)는 하이(high)로 출력되고, 절대값으로 변환된 전류값이 기 설정된 상한 전류값보다 크면 전류 제한 신호(CL)는 로우(low)로 출력되며,
    상기 앤드 게이트부(23)는 히스테리시스 비교기(22)에서 출력되는 전류 제한 신호(CL)가 하이(high)로 출력되면 제 2 인버터(7)의 스위칭부를 온(ON)시키고, 전류 제한 신호(CL)가 로우(low)로 출력되면 제 2 인버터(7)의 스위칭부를 오프(OFF)시키는 것을 특징으로 하는 교류 티그 용접기.
  4. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR19980025394A (ko) * 1996-10-01 1998-07-15 이종수 티그 용접장치
KR20070052646A (ko) * 2005-11-17 2007-05-22 황혁 용접기
KR20120122271A (ko) * 2011-04-28 2012-11-07 부경대학교 산학협력단 전류서보기능과 전격방지기능을 가진 디지털 ｃｏ2 용접기

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