KR940006027B1 - 직류 아크 용접 전원장치 - Google Patents

직류 아크 용접 전원장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

직류 아크 용접 전원장치
제 1 도는 종래의 직류 아크 용접 전원장치의 회로구성도.
제 2 도는 제 1 도의 낸드로직부와 펄스폭 제어부의 상세회로 구성도.
제 3 도는 제 1 도의 각부 파형 변화도.
제 4 도는 본 발명 직류 아크 용접 전원장치의 회로 구성도.
제 5 도는 본 발명의 각부 파형 변화도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 전극 11 : 피용접물
12 : 전압검출부 13 : 기준전압 발생부
14 : 전압비교부 15 : 전류검출부
16 : 기준전류 발생부 17 : 전류비교부
18 : 낸드로직부 26 : OSC
27 : 전류펄스 발생부 28 : 평활부
29 : 용접전압 발생부 30 : 차전압 발생부
31 : 전압펄스 발생부 32 : 제어펄스 출력부
33 : 출력제어부 Q1-Q4: 트랜지스터
D1-D10: 다이오드 CH1: 리액터
T : 파워 트랜스
본 발명은 소모성 전극을 이용한 아크 용접 기술에 관한 것으로, 특히 용접시 단락과 아크발생을 반복하는 단락 이행식 아크 용접에서의 직류 아크 용접 전원 장치에 관한 것이다.
직류 아크 용접에 있어 보다 좋은 용접 성능을 확보하기 위해서는 용접용 전원의 최종 출력전류를 고속제어하는 것이 필요하다. 이를 구현하기 위해서는 스위칭 소자로써 직류입력을 고속 스위칭하여 고주파 교류출력을 발생시킨 다음 다시 정류하여 출력하게 된다.
이와 같은 DC-DC 콘버터의 일반적인 회로구성은 제 1 도와 같다.
여기에서 참조되는 바와 같이, 상용교류 입력(AC)은 다이오드(D1)와 콘덴서(C1)로 정류된 후 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)를 통하여 파워트랜스(T1)의 1차코일(L1)에 인가되게 연결하고, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 각 에미터 측에는 환류다이오드(D3,D4),(D2,D5)를 연결한다.
상기 파원트랜스(T1)의 2차코일(L2)에 발생되는 고주파 교류는 다이오드(D8)와 리액터(CH1)로 정류되어 +전압은 소모성 전극(10)에, -전압은 피용접물(11)에 인가되게 연결하고, 상기 리액터(CH1)에 축적된 에너지는 트랜지스터(D3)와 다이오드(D6)를 거쳐 상기 전극(10)과 피용접물(11) 사이에 공급되게 연결한다.
여기에서 다이오드(D7)는 트랜지스터(Q3) 보호용 화류다이오드이다. 상기 -전압라인상에는 전류검출부(15)를 직렬로 연결하고, 전극(10)과 피용접물(11) 사이에는 전압검출부(12)를 연결한다.
상기 전류검출부(15)의 검출전류는 기준전류 발생부(16)의 기준전류에 전류비교부(17)에서 비교되어 낸드로직부(18)의 일측 입력으로 제공되게 연결하고, 상기 전압검출부(12)의 검출전압은 기준전압 발생부(13)의 기준전압에 전압비교부(14)에서 비교되어 낸드로직부(18)의 타측입력으로 제공되게 연결한다.
낸드로직부(18)는 제 2 도에서 참조되는 바와 같이 내드게이트(25)를 포함하며, 그의 출력이 제어펄스 출력부(20)와 트랜지스터(Q3)의 베이스측으로 인가되게 연결한다. 제어펄스 출력부(20)는 상기 낸드로직부(18)의 출력과 용접전압 설정부(19)의 설정전압을 입력으로 받아 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)에 베이스 구동 펄스를 공급하게 연결한다.
상기 제어펄스 출력부(20)는 제 2 도에서 참조되는 바와 같이, 용접전압 설정부(19)의 설정전압과 OSC(21)의 발진신호를 받아 펄스폭 변조하는 PMW(22)과, 상기 PMW(22)의 펄스출력과 용접스위치(SW1)에 의한 Vcc 레벨 출력과 낸드로직부(18)의 출력레벨을 앤드링하는 앤드게이트(23)와, 앤드게이트(23)의 출력을 증폭하는 증폭기(24)를 포함한다.
이와 같이 구성되는 기존의 아크 용접 전원장치의 동작을 제 3 도를 참고로 하여 설명하면 다음과같다.
상용교류전원(AC)이 입력되어 다이오드(D1)와 콘덴서(C1)로 정류되고 제어펄스 출력부(20)에서 듀티펄스가 발생되면 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)가 고속 스위칭하여 파워트랜스(T1)의 2차코일(L2)에 고주파 교류전압이 발생된다.
가령 하나의 듀티 하이펄스에서 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)가 도통할때 파워트랜스(T1)의 2차코일(L2)에 흐르는 전류는 다이오드(D8)를 거쳐 리액터(CH1)에 축적되고, 듀티 로우펄스에서는 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)가 오프되고 리액터(CH1)에 축적된 에너지는 트랜지스터(Q3)와 다이오드(D6)를 거쳐 전극(10)과 피용접물(11)사이에 용접전류를 공급하게 된다. 이때 전압검출부(12)는 전극(10)과 피용접물(11)의 단락상태를 검출하게 되고 전류검출부(15)는 출력전류를 검출하게 된다. 단락 이행식 아크 용접 실행을 위해 전극(10)을 피용접물(11)에 접근시키면 아크방전이 일어나면서 양단간전압, 즉 전압검출부(12)의 검출전압(Va)은 서서히 강하된다. 이후 시간(t1)에서 전극(10)과 피용접물(11)이 단락되는 순간 검출전압(Va)을 급격히 강하되어 기준전압 발생부(13)의 설정전압(Vr) 미만으로 떨어지게 되므로 전압비교부(14)의 출력신호(S1)는 하일레벨에서 로우레벨로 간다.
이때 출력전류는 급격히 상승하게 되며 전류검출부(15)의 검출전류(Ia)가 기준전류 발생부(16)의 기준전류(Ir)보다 커지는 시점에서 전류 비교부(17)는 하이레벨의 출력신호(S2)를 낸다. 상기 전압 및 전류비교부(14,17)의 출력신호(S1,S2)는 낸드로직부(18)에서 처리되어 하이레벨로 출력되며, 이 하이레벨 신호는 제어펄스 출력부(20)와 트랜지스터(Q3)의 베이스에 공급된다.
따라서 트랜지스터(Q3)는 도통상태를 유지하게 되므로 리액터(CH1)에 축적된 에너지를 지속적으로 전극(10)와 피용접물 사이에 흘러주게 되고, 제어펄스 출력부(20)는 입력되는 용접전압 설정부(19)의 설정전압을 펄스화하여 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 베이스에 구동신호를 연속적으로 제공하게 된다.
이후 용접출력전류(Ia)는 지속적으로 최고점, 즉 피용접물(11)에 소모성전극(10)의 용융물이 떨어지기 직전의 시점을 향해 상승하게 되며, 피용접물(11)과 소모성 전극(10)이 떨어지는 순간(시간(t2))출력전류(Ia)는 서서히 하강하게 되고 출력전압(Va)은 급격히 상승하게 된다. 출력전압(Va)의 급격한 상승에 따라 전압비교부(14)의 출력신호(S1)는 하이레벨로 가고, 출력전류(Ia)가 떨어져 출력전류 설정부(16)의 설정전류(Ir) 이하로 되는 시간(t3)에서 전류비교부(17)의 출력신호(S2)는 로우레벨로 간다.
따라서 낸드로직부(18)은 출력은 전압 및 전류비교부(14,17)의 출력신호(S1,S2)가 모두 하이레벨인 시간(t2-t3) 동안 로우레벨을 출력하게 되므로 트랜지스터(Q3)는 오프되고 제어펄스 출력부(20)는 출력을 내지 않게 된다.
이후 전류검출부(15)의 검출전류(Ia)가 기준전류(Ir)보다 낮아지면 제어펄스 출력부(20)에서 펄스출력이 나와 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)가 스위칭 구동하게 된다.
그러나 이와 같이 동작하게 되는 종래의 아크 용접 전원장치는 최종 용접전류 제어를 위한 제어펄스, 출력부(20)의 펄스출력이 항상 용접전압 설정부(19)와 OSC(21)에 기초하는 PWM(22)의 출력파형에 의해 결정되고 있을뿐, 전압검출부(12)와 전류검출부(15)의 검출신호에 의해서는 최종 용접전압 전류제어가 이루어지지 않게 된다. 따라서 여기에서는 출력전압이나 전류 변동에 따른 펄스폭 변조제어를 얻을 수 없다.
특히, 검출방법에 있어, 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 온/오프에 따른 파워트랜스(T2)의 2차 출력이 정류다이오드(D8,D6)와 리액터(CH1)에 의해서 제 3 도의 Vo와 같이 일정하다가 전극(10)이 피용접물(11)에단락되는 순간 전압검출부(12)는 거의 OV를 검출하게 되므로 이는 단순한 단락현상 및 검출한다고 볼 수 밖에 없으며, 이와 같은 단락상태에서도 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)는 계속 스위칭 하여 파워트랜스(T1)의 2차 전압을 발생하게 되기 때문에 이를 토대로 하여 PWM 제어할 경우 실제 공급전압 제어효과를 얻을 수 없어 용접 물질에 중대한 영향을 미치게 된디. 즉, 실제 용접에 있어 전력량의 순시적인 변화량의 예측이나 용접 환경의 변화에 따른 용접전력 변화가 전혀 고려되지 않게 된다.
본 발명은 아크 용접 실시중 용접부의 작업조건이나 기타 외부 환경적 요소에 따른 전력변화를 신속히 감지하여 최적조건의 용접출력을 끌어냄으로써 용접의 고품위화를 얻을 수 있는 새로운 직류 아크 용접 전원장치를 제공하는데 목적이 있다.
이하 첨부한 도면에 기초하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
제 4 도에서, 상용교류입력(AC)은 다이오드(D1)와 콘덴서(C1)로 정류 및 평활된 후 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)를 통하여 파워트랜스(T2)의 1치코일(L1)에 인가되게 연결하고, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 각 에미터 측에는 환류다이오드(D3,D4)(D2,D5)를 연결한다.
상기 파워트랜스(T2)의 2차코일(L2)에 발생되는 고주파 교류는 다이오드(D8)와 리액터(CH1)로 정류되어 +전압은 소모성 전극(10)에, -전압은 피용접물(11)에 인가되게 연결하고, 상기 리액터(CH1)에 축적된 에너지는 트랜지스터(Q3) 다이오드(D6)를 거쳐 상기 전극(10)과 피용접물(11) 사이에 공급되게 연결한다. 여기에서 다이오드(D7)는 트랜지스터(Q3) 보호용 환류다이오드이다.
상기 -전압라인상에는 전류검출부(15)를 직렬로 연결하고, 전극(10)과 피용접물(11) 사이에는 전압검출부(12)를 연결한다.
상기 전류검출부(15)의 검출전류는 기준전류 발생부(16)의 기준전류에 전류비교부(17)에서 비교되어 낸드로직부(18)의 일측 입력으로 제공되게 연결하고, 상기 전압검출부(12)의 검출전압은 기준전압 발생부(13)의 기준전압에 전압비교부(14)에서 비교되어 낸드로직부(18)의 타측입력으로 제공되게 연결한다. 낸드로직부(18)는 낸드게이트로 구성되며, 그의 출력은 제어펄스 출력부(32)의 출력을 제한하는 출력제어부(33)와 트랜지스터(Q3)의 베이스측에 제어신호로 제공되게 연결한다.
한편, 파워트랜스(T2)의 보조코일(L3)에 나타난 전압은 다이오드(D9,D10)와 평활부(28)로 정류 및 평활되어 차전압 발생부(30)에서 용접전압 설정부(29)의 설정전압에 비교되어 전압펄스 발생부(31)로 입력되게 연결하고, 상기 전압펄스 발생부(31)는 차전압 발생부(30)의 차전압신호와 OSC(26)의 발진신호를 입력으로 받아 전압펄스폭 변조하여 제어펄스 출력부(32)에 일측 입력을 제공하도록 연결한다.
또한, 전류비교부(17)의 비교출력은 전류펄스 발생부(27)에서 OSC(26)의 발진출력에 실려 상기 제어펄스 출력부(32)의 타측 입력으로 제공되게 연결한다.
상기 제어펄스 출력부(32)의 출력펄스는 출력제어부(33)를 거쳐 상기 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 베이스로 제공되게 연결한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.
제 4 도와 같은 본 발명 장치에 승용 AC 전원이 투입되고 제어펄스 출력부(32)의 출력펄스에 따라 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)가 온/오프 스위칭 하면, 파워트랜스(T2)의 1차코일(L1)에는 다이오드(D1)와 콘덴서(C1)로 정류 및 평활된 전류가 공급된다. 이때 다이오드(D2-D5)는 스위칭 트랜지스터(Q1-Q2)를 보호하고 스위칭 속도를 증가시켜 주기 위한 환류 역활을 한다.
이에 따라 파워트랜스(T2)의 2차코일(L2)과 보조코일(L3)에는 권선비에 따른 전압, 전류가 유기되는데, 상기 2차코일(L2)에 유기된 전력은 다이오드(D6,D8)에 의해 정류되고 리액터(CH1)로 평활되어 앞에서 기술한 바와 같이 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 온/오프 듀티를 가지고 전극(10)과 피용접물(11)사이에 일정한 전압으로 나타나게 된다. 그러나 이러한 전압은 아크방전과 전극 - 피용접물의 단락 이행에 따라 제 5 도와 같은 전압전류 파형의 변화가 따르게 된다.
제 5(a) 도는 제어펄스 출력부(32)의 파형도로써, 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 베이스에 공급되는 듀타사이클을 보이고 있다. 제5(b)도는 전압검출부(12)에 의해 검출되는 전극(10)과 피용접물(11)사이에 출력전압(Va)파형 변화도로써, 아크 발생시에는 약간의 전압변화가 일어나다가 전극(10)의 용융에 의해 단락이 일어나는 순간 전압이 급격히 떨어지게 되고, 이후 용융구의 표면장력에 의해 전극(10)과 피용접물(11)이 떨어지는 순간 양단간 전압이 급격히 상승하게 된다. 제5(c)도는 전류검출부(15)에 의한 출력전류(Ia) 파형도로써 단락시점부터 전류가 상승하다가 용융물이 떨어지는 순간 최고 전류점으로부터 강하하게 된다. 이때 출력전류의 변화는 출력전압의 변화보다 완만하기 때문에 이를 OSC(26)의 발진신호에 실어 전류펄스 발생부(27)에서 펄스폭 변조시킬 수 있다. 이렇게 펄스폭 변조된 전류파형을 제 5(j) 도에 나타내고 있다. 이러한 전류펄스 발생부(27)의 펄스폭 변조된 출력전류 변화 신호는, 제어펄스 출력부(32)에 제공된다.
한편, 보조코일(L3)에 유기된 전압은 다이오드(D9,D10)와 평활부(28)로 정류 및 평활되어(제 5(g) 도,제 5(h) 도 참조)차전압 발생부(30)에서 용접전압 설정부(29)의 설정전압에 비교되어 그 차전압이 전압펄스 발생부(31)에 공급된다.
상기 보조코일(L3)에 나타나는 전압은 2차코일(L2)에서 변화하는 출력전력에 영향을 받지 않고 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 스위칭에 의해 결정되므로, 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)가 온/오프 스위칭 하고 있는 동안은 그의 스위칭 듀티사이클에 비례하는 전압이 유기된다.
따라서 차전압 발생부(30)의 출력전압은 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 온/오프 듀티에 따라 변하게 되며, 이 전압은 OSC(26)의 발진신호에 실려 펄스폭 변조되어 제어펄스 출력부(32)에 제 5(i) 도와 같은 파형으로 공급된다.
이에 따라 제어펄스 출력부(32)는 전류펄스 발생부(27)와 전압펄스 발생부(31)의 펄스폭 변조된 신호에 기초하여 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 온/오프 듀티를 제어하게 된다.
한편, 전극(10)과 피용접물(11)이 단락되더 전압검출부(12)의 출력검출전압(Va)이 거의 OV로 떨어지면 전압비교부(14)의 출력신호(S1)는 제 5(d) 도와 같이 하이레벨에서 로우레벨로 가게되고, 전류검출부(15)에 의한 출력검출전류(Ia)는 서서히 증가되어 기준전류 발생부(16)의 기준전류보다 높아질때 전류비교부(17)의 출력신호(S2)는 제 5(e) 도와 같이 로우레벨에서 하이레벨로 가게된다.
따라서 낸드게이트로된 낸드로직부(18)의 출력로직신호(S3)는 제 5(f) 도와 같이 양입력신호 로직이 모두 하이상태일때만 로우레벨을 출력한다.
즉, 피용접물(11)에서 전극(10)의 용융물이 떨어지는 순간부터 출력전류(Ia)가 강하하여 기준전류에 이르기까지의 기간동안은 상기 리액터(CH1)의 축적에너지 전류패스를 제어하는 트랜지스터(Q4)와 출력제어부(33)가 오프된다.
그 결과 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2) 및 트랜지스터(Q4)가 오프되어 용접출력전력이 차단된다. 이후 출력 전압(Va)이 기준전압(Vr) 이상이고, 출력전류(Ia)가 기준전류(Ir)이하로 되면 낸드로직부(18)의 출력레벨이 하이레벨로 가서 출력제어부(33)는 제어펄스 출력부(32)의 펄스출력을 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)에 공급하게 되고, 아크 용접을 실행하기 전까지는 출력전압 및 출력전류가 안정된 상태로 유지되게 된다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은, 소모성 전극을 이용하는 단락 이행식 아크 용접에 있어 전극과 피용접물 사이에 공급되는 전류 및 전압의 순시적인 변화량과 용접작업 조건에 따라 용접전력 변화를 신속히 감지하여 용접출력전력을 PMW 제어함으로써 용접효율의 향상과 용접품질의 고품위화 시킬 수 있는 특유의 효과가 나타난다.

Claims (1)

  1. 제어펄스 출력부의 펄스출력에 따라 파워트랜스 DC 전류를 스위칭 공급하는 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)와, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)은 온 듀티에서 파워트랜스의 2차측 에너지를 리액터(CH1)에 축적하는 다이오드(D8)와, 상기 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 오프 듀티에서 리액터(CH1)에 축적된 에너지를 방출하기위한 전류 패스를 형성하는 다이오드(D6) 및 트랜지스터(Q3)의 직렬회로와, 용접출력전압과 기준전압을 비교출력하는 전압비교부(14)와, 용접출력전류와 기준전류를 비교출력하는 전류비교부(17)와, 상기 전압 및 전류비교부(14,17)의 출력을 로직화 하여 상기 트랜지스터(Q3)와 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)제어용 제어펄스 출력부를 제어하는 낸드로직부(18)를 포함하는 단락 이행식 아크 용접 전원공급 장치에 있어서, 상기 전류비교부(17)의 출력을 OSC(26)에 실어 전류변화를 펄스폭 변조하는 전류펄스 발생부(27)와, 상기 파워트랜스에 보조코일을 마련하고 여기에서 얻어지는 DC전압과 용접전압 설정부(29)의 설정전압을 비교하여 차전압을 발생하는 차전압 발생부(30)와, 상기 차전압 발생부(30)의 전압출력을 OSC(26)에 실어 펄스폭 변조하는 전압펄스 발생부(31)와, 상기 전압 및 전류펄스 발생부(31,27)의 출력으로부터 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)의 최종 제어펄스를 발생하는 제어펄스 출력부(32)와, 상기 낸드로직부(18)의 출력에 따라 스위칭 트랜지스터(Q1,Q2)에 공급되는 제어펄스 출력부(32)의 출력을 차단하는 출력제어부(33)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 아크 용접 전원장치.
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