KR20040004849A

KR20040004849A - 무효전력 보상기능을 가진 용접기

Info

Publication number: KR20040004849A
Application number: KR1020020038907A
Authority: KR
Inventors: 이왕하; 강문진; 이성희
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-01-16

Abstract

본 발명은 무효전력 보상기능을 가진 용접기에 관한 것이다.

본 발명은 제철 연속 라인의 전원선에서 제공하는 교류전원을 입력받으며, 정류기, 변압기, 인터버를 구비한 용접기에 있어서, 상기 전원선에 직접 연결되어 있고, 상기 정류기에 병렬 연결되어 있으며, 인가되는 교류전원의 무효전력을 측정하는 무효전력 측정부(61); 상기 무효전력 측정부(61)에 의해 측정된 무효전력의 변동을 보상하는 점호각 제어를 수행하는 점호각 제어부(62); 및 상기 전원선에 연결되어 상기 교류전원의 무효전력 최대 변동치에 해당하는 부의 진상부하를 생성하는 콘덴서(C10)와, 상기 점호각 제어부(62)의 점호각 제어 신호를 인가받아 턴 온 시간이 조절되는 사이리스터 스위치(SS)와, 상기 사이리스터 스위치(SS)의 도통시간에 따라 상기 무효전력 측정부(61)에 의해 측정된 무효전력 변동치에 상반되는 지상부하를 생성하여 상기 콘덴서(C10)에 의해 생성된 진상부하와 결합되게 하는 리액터(L10)를 포함하는 보상동작부(63)를 포함한다.

Description

무효전력 보상기능을 가진 용접기 {The welding device with function of compensation reactive power}

본 발명은 제철 연속 라인에 사용되는 용접기에 관한 것으로, 용접 중에 순간적으로 발생하는 전압의 변동을 억제하는 용접기에 관한 것이다.

일반적으로, 제철 연속 라인에서는 여러 가지 종류의 용접기가 사용되고 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 구성하여 사용되고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 제철 연속 라인에서의 용접기(1)는 다른 전기전자 기기(이하 '다른 기기'라 칭함)(2)와 동일한 전원선(L1)에 연결하여 사용하고 있다.

이때, 전원선(L1)을 통해 제공되는 전원은 도 1에 도시된 a와 같이 용접전에는 안정된 교류 전압파형을 나타내며, 용접기(1) 뿐만 아니라 다른 기기(2)에 공통으로 제공된다. 여기서, 상기 컴퓨터(3)는 다른 기기(2)의 동작을 제어하기 위해 사용된다.

그런데, 종래의 용접기(1)는 도 2에 도시된 바와 같이 구성되어 사용되고 있다. 즉, 종래의 용접기(1)는 전원선(L1)을 통해 제공되는 3상 교류전원(V1)에 포함된 고조파 성분을 차폐시키기 위해 리액터(11)가 전원선(L1)에 직렬로 연결되어 있으며, 정류회로(12)와 평활용 커패시터(13)가 구비되어 있고, 주파수 조절을 위한 인버터(14)와 변압기(15), 그리고, 변압기(15)의 2차측 출력을 안정화시키는 2차측 정류회로(16)를 포함하는 구성으로 이루어져 있다.

도 2와 같이 구성된 종래의 용접기(1)를 이용하여 용접을 하게 되면, 순간적으로 고전압 아아크 전압이 생성 및 소멸되거나, 대전류가 흐르게 됨으로써, 용접에 의한 부하의 변동이 발생하게 된다. 상기 부하의 변동은 용접시 발생되는 전원의 과도한 무효전력의 발생으로 인해 역률이 저하되었기 때문에 발생되어, 전원선(L1)을 따라 흐르는 전원전압에 영향을 미쳐 도 1에 도시된 a와 같은 전압파형을 b와 같이 불안정한 즉, 전압변동된 파형을 나타내게 한다.

b와 같은 파형을 가지는 전압 변동된 전압파형은 다른 기기(2)에 인가되어 다른 기기(2)가 오동작되게 하는 문제를 발생시킨다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 용접시 발생되는 무효전력을 상쇄시켜 용접중에 주변 전기 전자기기들에게 원치 않는 전원변동이 발생하지 않게 하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 일반적인 제철 연속 라인에서의 용접기 사용 상태를 보인 상태도.

도 2는 종래 기술에 따른 용접기의 구성을 보인 블록도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무효전력 보상기능을 가진 용접기의 블록 구성도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무효전력 보상부의 구성 블록도.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무효전력 보상기능을 가진 용접기에 연결된 전원선의 전압 파형도.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 무효전력보상기능을 가진 용접기는, 용접시에 발생하는 전원전압의 변동을 억제하기 위해 무효전력을 보상하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 무효전력을 보상하는 수단은 제철 연속 라인의 전원선에 직접 연결되어 있고, 상기 정류기에 병렬 연결되어 있으며, 인가되는 교류전원의 무효전력을 측정하는 무효전력 측정부와, 상기 무효전력 측정부에 의해 측정된 무효전력의 변동을 보상하는 점호각 제어를 수행하는 점호각 제어부와, 상기 무효전력 측정부에 의해 측정된 무효전력 변동치에 상반된 무효전력을 발생시켜 보상하는 보상동작부를 포함한다.

상기에서 보상동작부는 상기 전원선에 연결되어 상기 교류전원의 무효전력 최대 변동치에 해당하는 부의 진상부하를 생성하는 콘덴서와, 상기 점호각 제어부의 점호각 제어 신호를 인가받아 턴 온 시간이 조절되는 사이리스터 스위치와, 상기 사이리스터 스위치의 도통시간에 따라 상기 무효전력 측정부에 의해 측정된 무효전력 변동치에 상반되는 지상부하를 생성하여 상기 콘덴서에 의해 생성된 진상부하와 결합되게 하는 리액터를 포함한다.

이하, 첨부한 도 3 내지 도 5를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 무효전력 보상기능을 가진 용접기를 설명한다.

우선, 본 발명의 실시예에 따른 무효전력 보상기능을 가진 용접기는 도 1에 도시된 바와 같이 설치되어 전원선(L1)으로부터 인가되는 3상 또는 단상 교류전원(V1)에 의해 동작한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무효전력 보상기능을 가진 용접기의 블록 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무효전력 보상기능을 가진 용접기(100)는 정류부(10), 평활부(20), 인버터부(30), 변압부(40)와 출력 정류부(50) 및 무효전력 보상부(60)를 포함한다.

정류부(10)는 브리지 정류회로로 구성되어 있으며, 전원선(L1)으로부터 입력되는 단상 또는 3상 교류전원(V1)을 전파 정류하여 출력한다. 도 3에서는 3상 교류전원이 인가되는 것으로 도시하였다.

평활부(20)는 상기 정류부(10)에 병렬 연결된 평활용 커패시터로 구성되며, 정류부(10)에 의해 전파 정류된 전원을 평활하여 직류 파형으로 만든 후, 인버터부(30)로 출력한다.

인버터부(30)는 입력되는 직류 전원을 1kHz 이상의 고주파로 펄스폭변조(PWM) 제어를 수행하여 상용 전원 주파수 즉, 60Hz보다 큰 주파수로 만들어 변압부(40)로 출력한다.

그러면, 변압부(40)는 1차측 입력 전원을 목표로 하는 전원변환하여 2차측에 발생되도록 하며, 출력 정류부(50)는 변압부(40)의 2차측에 연결되어 변압된 전원을 정류하여 안정된 출력 파형이 되도록 한 후 용접기의 용접 토크로 전달한다.

무효전력 보상부(60)는 전원선(L1)에 연결되어 정류부(10)와 병렬 연결 관계를 가지며, 용접중에 발생되는 무효전력의 변동치를 측정하고, 측정된 무효전력 변동치를 보상하는 보상 무효전력을 발생시켜 전원전압의 변동을 억제한다.

이하, 도 4를 참조로 하여 무효전력 보상부(60)를 보다 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무효전력 보상부(60)의 내부 구성도로서, 무효전력 측면에서 도시한 것이며, 이에 따라 정류부(10), 평활부(20), 인버터(30), 변압기(40)와 출력 정류부(50)를 변동부하(70)로 도시하였다.

전원선(L1)에서 공급되는 교류전원(V1)의 무효전력(Q_S)은 Q_L로 변동부하(70)에 인가되고, Q_T로 무효전력 보상부(60)로 인가된다.

변동부하(70)로 인가된 전원은 용접기의 용접토크에 공급되어 용접이 이루어지게 하며, 이러한 용접에 의해 변동부하(70)에 무효전력의 변동이 발생하게 되고, 이러한 무효전력의 변동은 무효전력(Q_S)에 영향을 미치게 되어 실제 전원을 떨어뜨리게 되며, 무효전력(Q_S)을 가진 전원을 인가받는 주변의 다른 전자전기 기기에 영향 미치게 된다.

상기 무효전력 보상부(60)는 상기 변동부하(70)에서 발생된 무효전력의 변동을 감지하고, 감지된 무효전력의 변동치를 상쇄하는 보상 동작을 수행하기 위한 구성으로 이루어지는데, 그 일예가 도 4에 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 무효전력 보상부(60)는 무효전력 측정부(61)와,점호각 제어부(62)와, 보상동작부(63)로 구성된다.

무효전력 측정부(61)는 용접중 변동부하(70)에서 발생되는 무효전력의 변동을 감시하고 무효전력의 변동치를 연산한다. 만약, 본 발명의 용접기가 용접 중이라면 상기 무효전력 측정부(61)에서 측정된 변동부하(70)에서의 무효전력(Q_L)은 도 5의 a에 도시된 바와 같은 곡선(A 곡선)으로 나타난다. 도 5의 a를 보면, 변동부하(70)에서의 무효전력(Q_L)은 고전압 아아크 전압의 생성과 소멸 또는 대전류의 흐름으로 인해 불규칙적인 곡선 형태를 나타내게 된다.

도 5의 a와 같이 변동되는 무효전력(Q_L)은 무효전력 측정부(61)에 의해 측정되어 점호각 제어부(62)에 공급된다. 점호각 제어부(62)는 무효전력 측정부(61)에 의해 측정된 무효전력의 변동치가 보상동작부(63)에 의해 보상되어 정상적인 즉, 무효전력의 변동이 없던 초기 상태의 전원으로 복귀되도록 보상동작부(63)의 동작을 제어한다.

즉, 점호각 제어부(62)의 동작은 초기 무효전력을 Q1이라고 하고 변동 무효전력을 Q2라고 할 때, 용접시 발생되는 요인에 의해 무효전력 Q1이 Q2만큼 떨어지게 되면 점호각 제어를 수행하여 Q2만큼이 보상되어 무효전력이 Q1이 되게 한다.

이러한 점호각 제어부(62)의 점호각 제어는 도 6에 도시된 무효전력과 점호각과의 특성 곡선에 따른다. 도 6에서 세로축은 실제 전원전압이고 세로축은 무효전력이며, α(알파)는 점호각이고, α에 대응하는 곡선은 해당 점호각 곡선이다.

점호각 제어부(62)의 점호각 제어를 설명하기 위해 변동부하(70)에 인가되는정상 무효전력(Q_L)이 43MVA(도 6에 도시된 A지점)에서 약 70MVA(도 6에 도시된 B지점)로 변동하였다고 한다. 상기와 같이 무효전력이 변동하게 되면, 실제 전압 또한 약29.5KV에서 약 28.2KV로 떨어지게 된다. A와 B 지점은 점호각(α) 120°에 해당하는 곡선상에 위치한다.

그러면, 점호각 제어부(62)는 무효전력이 떨어진 지점에서 원래 무효전력 지점으로 복귀될 수 있는 점호각이 어떤것인지를 판단하게 되는데, 도 6에서는 C지점에 해당하는 점호각 150°을 판단하게 된다. 따라서, 점호각 제어부(62)는 점호각을 120°에서 150°로 변화시키는 점호각 제어를 하게 된다.

점호각 제어부(62)의 점호각 제어 신호는 보상동작부(63)의 사이리스터 스위치(SS)의 게이트에 인가된다.

한편, 보상동작부(63)는 TCR 리액터(L10)의 일단과 TCR 콘덴서(C10)의 일단이 연결되어 있으며, TCR 리액터(L10)와 TCR 콘덴서(C10)의 접점으로 교류전원 즉, 무효전력이 인가된다. 그리고, TCR 콘덴서(C10)의 타단은 접지되어 있으며, TCR 리액터(L10)의 타단에 사이리스터 스위치(SS)가 연결되어 있다.

사이리스터 스위치(SS)의 게이트는 점호각 제어부(62)의 출력에 연결되어 있어, 점호각 제어부(62)의 출력에 따라 도통시간 즉, 점호각을 제어한다. 이렇게, 사이리스터 스위치(SS)의 점호각을 조절하면, TCR 리액터(L10)에 의해 발생되는 진상 전류의 량이 조절된다. 상기에서, TCR 콘덴서(C10)는 전원을 차징(charging)하여 도 5의 c에 도시된 곡선(C 곡선)과 같이 변동부하(70)에서 발생된 지상부하의최대 크기의 큰 진상부하를 만든다. 이때의 진상부하는 그 값이 변동부하(70)에 발생된 지상 부하와는 다른 극성을 가진다. TCR 리액터(L10)는 입력되는 무효전력을 통해 지상부하를 발생시키게 되는데, 발생되는 진상부하의 크기는 사이리스터 스위치(SS)의 점호각에 의해 결정된다.

따라서, 도 5의 A 곡선에 대응하는 점호각 제어부(62)의 점호각 제어에 의해 사이리스터 스위치(SS)가 동작하게 되면, TCR 리액터(L10)에 의해 발생되는 지상부하는 도 5의 b와 같은 곡선(B곡선)이 나타나게 되며, B 곡선은 x축을 중심으로 A 곡선과 대칭 관계를 가지게 된다.

따라서, TCR 리액터(L10)와 TCR 콘덴서(C10)의 접점에서의 무효전력, 즉, 무효전력 보상부(60)에서의 무효전력(Q_T)는 도 5의 d에 도시된 바와 같이, B 곡선+C 곡선의 결과로 나타나게 된다.

결국, 전원선(L1)에서 제공하는 무효전력(Q_S)은 변동부하(70)에서의 무효전력(Q_L) + 무효전력 보상부(60)에서의 무효전력(Q_T)과 같으므로, 변동부하(70)에서 발생된 무효전력의 변동치가 무효전력 보상부(60)에 의해 상쇄되어 무효전력의 변동이 '0'이 된다.

상술한 본 발명은 아아크 용접기를 일 실시예로 설명하고 있으나, 아아크 용접기에 한정되지 않고 저항 용접기 등에 적용되어 사용할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

본 발명은 용접시 발생되는 전원전압의 변동을 용접기 자체적으로 억제하여 용접기와 동일한 전원선으로 연결된 다른 전기전자 기기에 전원전압의 변동에 따른 영향을 억제하는 효과가 있다.

Claims

제철 연속 라인의 전원선에서 제공하는 교류전원을 입력받으며, 정류기, 변압기, 인터버를 구비한 용접기에 있어서,

상기 전원선에 직접 연결되어 있고, 상기 정류기에 병렬 연결되어 있으며, 인가되는 교류전원의 무효전력을 측정하는 무효전력 측정부(61);

상기 무효전력 측정부(61)에 의해 측정된 무효전력의 변동을 보상하기 위해 점호각 제어를 수행하는 점호각 제어부(62); 및

상기 전원선에 연결되어 상기 교류전원의 무효전력 최대 변동치에 해당하는 부의 진상부하를 생성하는 콘덴서(C10)와, 상기 점호각 제어부(62)의 점호각 제어 신호를 인가받아 턴 온 시간이 조절되는 사이리스터 스위치(SS)와, 상기 사이리스터 스위치(SS)의 도통시간에 따라 상기 무효전력 측정부(61)에 의해 측정된 무효전력 변동치에 상반되는 지상부하를 생성하여 상기 콘덴서(C10)에 의해 생성된 진상부하와 결합되게 하는 리액터(L10)를 포함하는 보상동작부(63)를 포함하는 무효전력 보상기능을 가진 용접기.
제1항에 있어서,

상기 콘덴서(C10)와 상기 리액터(L10)는 병렬 연결되고, 상기 리액터(L10)가 상기 사이리스터 스위치(SS)에 직렬 연결되며, 상기 콘덴서(C10)와 상기 리액터(L10)의 접점으로 교류전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 무효전력 보상기능을 가진 용접기