KR200267194Y1 - 아크 용접기의 직류 인버터 - Google Patents

아크 용접기의 직류 인버터 Download PDF

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KR200267194Y1
KR200267194Y1 KR2020010037208U KR20010037208U KR200267194Y1 KR 200267194 Y1 KR200267194 Y1 KR 200267194Y1 KR 2020010037208 U KR2020010037208 U KR 2020010037208U KR 20010037208 U KR20010037208 U KR 20010037208U KR 200267194 Y1 KR200267194 Y1 KR 200267194Y1
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김종진
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웰더콤(주)
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Abstract

본 고안은 아크 용접기의 직류 인버터에 관한 것으로, 전압 공급원으로부터
공급되는 교류 전압을 직류로 정류하기 위한 정류부와, 정류부로부터 출력되는 직류 전압의 역률을 보상하여 고주파의 고전압을 생성하기 위한 역률 보상 수단과, 역률 보상 수단으로부터 출력되는 고전압을 스위칭시키기 위한 스위칭부와, 스위칭부로부터 출력되는 전압을 출력단자로 전달하기 위한 출력 수단과, 정류부로부터 출력되는 전압에 따라 역률 보상 수단 및 스위칭부로 제어신호를 공급하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

Description

아크 용접기의 직류 인버터 {DC inverter for an arc welding machine}
본 고안은 아크 용접기의 직류 인버터에 관한 것으로, 특히, 적은 전력으로 고효율의 용접을 이룰 수 있도록 하기 위해 역률 보상 수단이 구비된 아크용접기의 직류 인버터에 관한 것이다.
일반적으로 아크 용접기는 고주파의 고전압에 의해 용접봉과 모재 간에 아크가 발생되도록 하고, 발생된 아크에 의해 용접봉이 용해됨에 따라 철판 등과 같은 모재료의 용접 또는 절단이 이루어지도록 구성된다. 이러한 고주파의 고전압은 용접기의 전원 공급장치에 포함된 인버터를 통해 공급된다.
종래 아크 용접기의 인버터는 크게 전압 공급원으로부터 공급되는 교류 전압을 직류로 정류하기 위한 정류부, 정류부로부터 출력되는 직류 전압을 스위칭 시켜 고주파의 고전압으로 변환하기 위한 스위칭부, 스위칭부로부터 출력되는 고전압을 용접봉 및 모재로 전달하기 위한 출력 수단으로 구성된다.
상기 아크용접기 인버터의 전원 공급원으로 100V의 교류 전압이 사용될 경우 상기 정류부로부터 150V 정도의 직류 전압이 출력된다. 출력된 직류 전압은 상기 스위칭부에 의해 고주파의 고전압으로 변환된 후 상기 출력 수단을 통해 용접봉 및 모재로 공급된다.
종래에 있어서, 전원 공급원으로 100V의 교류 전압을 사용하여 용접을 하는 경우, 직경 2.6mm의 용접봉을 녹이기 위해서는 100V, 23A 또는 100V, 25A의 전원 공급원을 사용해야 한다. 보통 가정용으로 100V의 교류전압이 공급되는 경우, 전류는 17A정도가 공급된다. (예를 들어, 일본이나 유럽의 경우가 그러하다.) 따라서, 종래의 아크용접기 인버터로는 100V의 가정용 교류전압에 대해서는 사용이 곤란하였다. 또한 이 경우 사용률이 20 내지 30% 정도로 낮아 작업 능률 및 작업 속도 면에서 개선이 요구되었다. 또한, 고주파의 고전압에 의한 잡음의 발생으로 인근의 전기기기나 제어기기 특히, 낮은 동작전압을 사용하는 디지털 기기에 영향을 주거나 오동작을 야기시켜 왔다.
따라서 본 고안은 정류부의 출력에 따라 구동되는 역률 보상 수단으로부터 고주파의 고전압이 생성되도록 함으로써 상기한 단점을 해소할 수 있는 아크 용접기의 직류 인버터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안은 전압 공급원으로부터 공급되는 교류 전압을 직류로 정류하기 위한 정류부와, 정류부로부터 출력되는 직류 전압의 역률을 보상하여 고주파의 고전압을 생성하기 위한 역률 보상 수단과, 역률 보상 수단으로부터 출력되는 고전압을 스위칭시키기 위한 스위칭부와, 스위칭부로부터 출력되는 전압을 출력단자로 전달하기 위한 출력 수단과, 정류부로부터 출력되는 전압에 따라 역률 보상 수단 및 스위칭부로 제어신호를 공급하는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 역률 보상 수단은 정류부의 양전압 출력단자 및 음전압 출력단자 간에 접속된 제 1 캐패시터와, 양전압 출력단자 및 노드 간에 접속된 인덕터와, 노드 및 출력단자 간에 접속된 다이오드와, 음전압 출력단자 및 출력단자 간에 접속된 제 1 저항과, 노드 및 출력단자 간에 접속되며, 제어부로부터 공급되는 제어신호에 따라 동작되는 스위칭 수단과, 출력단자 간에 각각 병렬 접속된 제 2 캐패시터, 제 2 및 제 3 저항 및 제 2 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기 스위칭 수단은 IGBT로 구성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 고안에 따른 아크 용접기의 직류 인버터를 설명하기 위한 회로도.
도 2는 도 1의 동작을 설명하기 위한 파형도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 정류부 2: 역률 보상 수단
3: 스위칭부 4: 출력 수단
5: 제어부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 고안에 따른 아크 용접기의 직류 인버터를 설명하기 위한 회로도이다.
본 고안에 따른 직류 인버터는 전압 공급원(AC)으로부터 공급되는 교류 전압을 직류로 정류하기 위한 정류부(1), 상기 정류부(1)로부터 출력되는 직류 전압의 역률을 보상하여 고주파의 고전압을 생성하기 위한 역률 보상 수단(2), 상기 역률 보상 수단(2)으로부터 출력되는 고전압을 스위칭시키기 위한 스위칭부(3), 상기 스위칭부(3)로부터 출력되는 전압을 출력단자(V+ 및 V-)로 전달하기 위한 출력 수단(4), 상기 정류부(1)로부터 출력되는 전압에 따라 상기 역률 보상 수단(2) 및 스위칭부(3)로 제어신호(SV1 및 SV2)를 공급하는 제어부(5)로 이루어진다.
상기 정류부(1)는 다이오드(D1 내지 D4)로 이루어지는 브릿지 형으로 구성된다.
상기 역률 보상 수단(2)은 상기 정류부(1)의 양전압 출력단자(V1) 및 음전압 출력단자(V2) 간에 캐패시터(C1)가 접속되며, 상기 양전압 출력단자(V1) 및 노드(N) 간에 인덕터(L)가 접속되고, 상기 노드(N) 및 출력단자(V21) 간에 다이오드(D5)가 접속되며, 상기 음전압 출력단자(V2) 및 출력단자(V22) 간에 저항(R1)이 접속된다. 또한, 상기 노드(N) 및 출력단자(V22) 간에는 상기 제어부(5)로부터 공급되는 제 1 제어신호(SV1)에 따라 동작되는 제 1 스위칭 수단(Q1)이 접속되며, 상기 출력단자(V21 및 V22) 간에는 캐패시터(C2), 저항(R1 및 R2) 및 캐패시터(C3)가 각각 병렬로 접속된다. 상기 제 1 스위칭 수단(Q1)은 예를 들어, 상기 노드(N) 및 출력단자(V22) 간에 콜렉터(C) 및 에미터(E)가 접속되며, 게이트(G)를 통해 상기 제 1 제어신호(VS1)를 공급받는 IGBT(디스크리트)로 구성된다.
상기 스위칭부(3)는 상기 역률 보상 수단(2)의 출력단자(V21 및 V22) 간에 접속되며, 상기 제어부(5)로부터 공급되는 제 2 제어신호(SV2)에 따라 동작되는 제2 스위칭 수단(Q2)으로 이루어진다. 상기 제 2 스위칭 수단(Q2)은 예를 들어, 상기 출력단자(V21 및 V22) 간에 콜렉터(C) 및 에미터(E)가 접속되며, 게이트(G)를 통해 상기 제 2 제어신호(VS2)를 공급받는 IGBT(디스크리트)로 구성된다.
상기 출력 수단(4)은 상기 스위칭부(3)로부터 출력되는 고주파의 스위칭 전압을 출력단자(V+ 및 V-)로 전달하기 위한 부분으로 예를 들어, 스위칭된 고전압이 고속 다이오드 또는 리엑터 등을 통해 양전압 및 음전압 출력단자(V+ 및 V-)로 전달되도록 구성된다.
그러면 상기와 같이 구성된 용접기용 직류 인버터의 동작을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기 전압 공급원(AC)으로부터 공급된 교류 전압은 다이오드(D1 내지 D4)로 이루어진 브릿지 형의 정류부(1)를 통해 직류 전압으로 정류되고, 정류된 직류 전압은 상기 양전압 출력단자(V1) 및 음전압 출력단자(V2) 간에 접속된 캐패시터(C1)에 의해 평활된다. 예를들어, 상기 전압 공급원(AC)으로부터 100V의 교류 전압이 공급되는 경우 상기 양전압 출력단자(V1) 및 음전압 출력단자(V2) 간에는 150V 정도의 직류 전압이 인가된다.
이때, 상기 제어부(5)는 상기 양전압 출력단자(V1) 및 음전압 출력단자(V2) 간의 전압을 입력받고 상기 제 1 스위칭 수단(Q1)의 게이트(G)로 제 1 제어 신호(SV1)를 공급하여 상기 역률 보상 수단(2)이 구동되도록 하는데, 예를 들어, 25KHz의 파형을 갖는 상기 제 1 제어신호(SV1)에 의한 상기 제 1 스위칭 수단(Q1)의 고속 동작에 따라 발생되는 인덕터(L)의 충방전에 의해 상기 노드(N) 및 출력단자(V22) 간에는 예를 들어, 305V 정도의 고전압이 생성되고, 생성된 고전압은 다이오드(D5)를 통해 상기 역률 보상 수단(2)의 출력단자(V21 및 V22)로 전달된다.
이러한 고주파의 고전압은 상기 역률 보상 수단(2)을 구성하는 캐패시터(C1), 인덕터(L) 및 저항(R1) 각각의 값에 의해 얻어진다. 즉, 인덕터(L)의 인덕턴스 성분과 캐패시터(C1)의 캐패시턴스 성분이 일치하도록 하여 상기 노드(N)에서의 전류가 최대치가 되도록 하고, 소정의 인덕턴스를 갖는 인덕터(L)의 충방전에 의한 역률 상승이 이루어지도록 함으로써 얻어진다.
이때, 상기 제어부(5)는 상기 저항(R2 및 R3) 간의 전압(VD)을 감지하여 상기 출력단자(V21 및 V22)를 통해 일정한 고전압이 출력될 수 있도록 상기 제 1 제어신호(SV1)의 공급을 제어한다.
상기와 같이 역률 보상 수단(2)으로부터 생성된 고전압은 상기 제어부(5)로부터 공급되는 상기 제 2 제어신호(SV2)에 의한 상기 제 2 스위칭 수단(Q2)의 고속 동작에 의해 스위칭된 후 상기 출력 수단(4)을 통해 출력단자(V+ 및 V-)로 출력된다.
예를 들어, 상기 전압 공급원(AC)으로부터 100V, 17A의 전력이 공급되는 경우 상기 양전압 출력단자(V+) 및 음전압 출력단자(-V)를 통해 용접봉 및 모재에 300V, 63A 정도의 전력이 공급되어 직경이 2.6mm인 용접봉을 사용하여 두께가 4.5mm인 철판을 용접할 수 있게 된다. 따라서 동일한 직경의 용접봉을 사용할 경우 종래에는 100V, 23A 또는 100V, 25A의 전력을 공급해야 하였으나, 본 고안의 인버터는 100V, 17A 정도의 전력 공급을 필요로 하므로 에너지 절약이 가능해진다.
도 2는 본 고안의 인덕터의 출력을 도시한 그래프도로서, 종래에는 선(A) 와 같은 파형의 전압이 출력되었으나, 본 고안의 인버터를 사용하면 선(B)와 같이 종래보다 역률이 20% 정도 보상된 파형의 전압을 얻을 수 있다. 즉, 고속의 스위칭으로 사인파에 근접된 리플 전류를 만들어 보상되는 공간을 증가시킴으로써 종래의 인버터 출력(50A 정도)보다 증가된 출력(60 내지 72A)을 얻게 된다. 도면에서 부호 C는 보상된 공간을 도시한다.
상술한 바와 같이 본 고안은 정류부의 출력에 따라 구동되는 역률 보상 수단으로부터 고주파의 고전압이 생성되도록 함으로써 적은 전력으로 고효율의 용접을 이룰 수 있다. 따라서 100V, 17A 정도로 공급되는 가정용 전력 공급원으로도 사용이 가능하며, 역률 보상에 의한 출력의 증가에 따라 에너지 절약이 가능해진다.
또한, 사용율이 종래보다 높은 60% 정도로 증가되어 작업 능률 및 작업 속도가 개선되며, 안정된 시스템의 구성으로 잡음의 발생이 현저히 저하되어 주변기기에 미치는 영향도 최소화된다.

Claims (3)

  1. 전압 공급원으로부터 공급되는 교류 전압을 직류로 정류하기 위한 정류부와,
    상기 정류부로부터 출력되는 직류 전압의 역률을 보상하여 고주파의 고전압을 생성하기 위한 역률 보상 수단과,
    상기 역률 보상 수단으로부터 출력되는 고전압을 스위칭시키기 위한 스위칭부와,
    상기 스위칭부로부터 출력되는 전압을 출력단자로 전달하기 위한 출력 수단과,
    상기 정류부로부터 출력되는 전압에 따라 상기 역률 보상 수단 및 스위칭부로 제어신호를 공급하는 제어부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 아크 용접기의 직류 인버터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 역률 보상 수단은 상기 정류부의 양전압 출력단자 및 음전압 출력단자 간에 접속된 제 1 캐패시터와,
    상기 양전압 출력단자 및 노드 간에 접속된 인덕터와,
    상기 노드 및 출력단자 간에 접속된 다이오드와,
    상기 음전압 출력단자 및 상기 출력단자 간에 접속된 제 1 저항과,
    상기 노드 및 출력단자 간에 접속되며, 상기 제어부로부터 공급되는 제어신호에 따라 동작되는 스위칭 수단과,
    상기 출력단자 간에 각각 병렬 접속된 제 2 캐패시터, 제 2 및 제 3 저항 및 제 2 캐패시터로 이루어진 것을 특징으로 하는 아크 용접기의 직류 인버터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스위칭 수단은 IGBT로 구성된 것을 특징으로 하는 아크 용접기의 직류 인버터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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RU2797673C1 (ru) * 2022-09-30 2023-06-07 Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") Устройство для дуговой сварки

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