[논문]인버터 제어방식을 이용한 Flash butt 용접기의 용접성능 향상

이왕하; 박상국; 이성희

doi:10.5207/jieie.2003.17.1.045

인버터 제어방식을 이용한 Flash butt 용접기의 용접성능 향상
Improvement of Welding Performance of Flash bull Welder by on Inverter Controlled Technology 원문보기

이왕하 (포항산업과학연구원 기전연구팀) , 박상국 (위덕대학교 컴퓨터공학과) , 이성희 (경북대 대학원 전자공학과, 포항산업과학연구원)

본 연구에서는 프래쉬버트 용접에서의 용접성을 향상시키기 위하여 인버터를 대용량 시스템에 적용하여 타당성을 검증하였다. 제안된 시스템은 풀브릿지 인버터방식을 채택하고, DSP제어기를 사용하였다. 인버터시스템으로 동작 주파수를 향상시키면서 기존의 위상 제어형 용접기의 용접성과 비교하여 스패터가 저감되는 등 용접성이 개선되는 것을 여러 가지 금속학적인 방법들을 이용하여 확인하고, 인버터 시스템의 타당성을 검증하였다.

For the improvement of welding performance, high-efficiency inverter system was designed and applied that system to the conventional large scale Flashbutt welder. The inverter systems are consists of full bridge PWM power control system and DSP controller. This inverter system has increased switching frequency of power control system of Flashbutt welder. For the test of application effects, we compared an our inverter control system with a conventional thyristor control system. In the results, we confirmed that our system has decreased the welding spatter amouts and improved welding performance.

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문제 정의

따라서 fla아ring과 upset의 균일성을 획득하기 위해서는 용접전류의 편차가 크지 않도록 하는 기술과 최적의 전류를 공급하는 기술, 그리고 용융량과 배출량의 함수적 제어가 중요한데 이를 위해서 인버터 방식의 전류제어 기술에 관하여 일부 기술하였다 [2][3].인버터 방식의 전원개발은 변압기나 리액터를 작게 할 수 있으므로 경제적이며, 설치면적 면에서도 효과적인 방법인데, 본 연구에서는 인버터 방식의 우수함을 용접을 통하여 확인 결과를 보고한다.

가설 설정

단, 아아크는 t=0인 순간에 발생하고, a'는 그 때의 전원전압의 위상각으로서 a> 伊라 가정하고, 더욱이 t=0의 전류는 정방향으로 흐른다고 가정하고 있다. 또한 윗식은/= 0인 지점에서 아아크는 소실하고 이후는 성립하지 않는다.

제안 방법

용접기에서 기존의 기계적인 부분은 그대로 이용하고, 전원부는 본 연구에서 설계한 인버터 제어기로 대체시켰다. 그리고 상용주파수용 변압기를 그대로 이용하기 위해 인버터 제어기의 주파수를 최대한 사용 가능한 높은 주파수영역으로 설정했다.
그림 16에 나타난 사진이 산화개재물인지를 조사하기 위해서 전자현미경을 사용하여 정밀 조사하였 고, EPMA(Electron Robe Micro Analyzer) 분석을 통하여 흑색 부분의 성분을 조사하였다.
기존의 Rashbutt 용접기에 본 연구에서 설계한 인버터 제어기를 적용하였고 이를 그림 4과 같이 구성 했다
본 연구에서는 기존의 상용주파수용 main 변압기를 활용할 수 있도록 하기 위해 인버터 제어기의 주파수를 60-240[田]로 제한하여 적용했다 그리고 PWM 제어 방식은 인버터 주파수가 매우 낮은 관계로 캐리어 주파수를 사용하지 않고 단펄스를 사용하여 측정했다.
본 연구에서는 기존의 위상제어방식을 사용하는 용접기와 인버터 제어방식을 적용한 용접기의 용접 상태를 상호 비교 실험했다
정류부는 인버터의 입력 전압을 일정하게 해주고, 안정된 직류 전원을 공급해주는 역할을 한다. 본 연구에서는 정류부를 고압용 diode stack으로 구성했다. 고압 diode의 선정은 이상과다 전압에 의해서 보호될 수 있도록 고려되었고, 과부하 조건 250 %/30초에서도 충분한 내량을 갖도록 선정한다.
본 연구에서는 제철소 공정라인에 사용되는 대용량의 Flashbutt 용접기의 제어 성능을 개선하기 위해 기존에 사용되고 있던 위상제어 방식 대신에 다이오드 정류기와 IGBT를 이용한 대용량 PWM 인버터 제어기를 flashbutt 용접시스템에 적용했다. 제안된 시스템에 대하여 TMS320-F240을 이용하여 메인제어 기의 시스템을 설계하였다.
실험은 인버터에 의한 정전류 제어의 효과를 기존의 위상제어 방식과 비교 검토하였다. 실험결과 본 연구에서 적용한 인버터 제어 방식으로 다음과 특성을 얻을 수 있었다.
실험은 제어기의 주파수를 240[Hz]까지 가변 시키면서 용접을 한 후 각각에 대해 실제 용접부의 상태 및 금속학적인 조사를 통해 상호 비교 검토했다. 그리고 용접부 특성 비교를 위해 일정 전류에서 고장력 강판만을 사용하여 실험하였다.
실험에 사용한 용접기는 기존에 RIST에서 보유하고 있는 Flashbutt 용접기를 사용했다. 용접기에서 기존의 기계적인 부분은 그대로 이용하고, 전원부는 본 연구에서 설계한 인버터 제어기로 대체시켰다. 그리고 상용주파수용 변압기를 그대로 이용하기 위해 인버터 제어기의 주파수를 최대한 사용 가능한 높은 주파수영역으로 설정했다.
본 연구에서는 제철소 공정라인에 사용되는 대용량의 Flashbutt 용접기의 제어 성능을 개선하기 위해 기존에 사용되고 있던 위상제어 방식 대신에 다이오드 정류기와 IGBT를 이용한 대용량 PWM 인버터 제어기를 flashbutt 용접시스템에 적용했다. 제안된 시스템에 대하여 TMS320-F240을 이용하여 메인제어 기의 시스템을 설계하였다.
그리고 다이오드 정류부를 채용하여 정전류 제어가 되게했다 [2]. 한편, 정전류 제어용 PI전류제어기는 k 스텝의 제어신호에 설정전 류신호와 용접 전류신호의 차를 비례상수를 곱한 후 k 스텝의 제어신호에 더하는 것으로서, 이러한 제어 기 능은 CPU내부에서 디지털 제어에 의해서 수행토록 하였다. 이것을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

대상 데이터

실험은 제어기의 주파수를 240[Hz]까지 가변 시키면서 용접을 한 후 각각에 대해 실제 용접부의 상태 및 금속학적인 조사를 통해 상호 비교 검토했다. 그리고 용접부 특성 비교를 위해 일정 전류에서 고장력 강판만을 사용하여 실험하였다.
실험에 사용한 강판은 60[kg/mm?] 급 고장력 강이다. 그림에서 보는 바와 같이 주파수가 증가함에 따라서 외형적인 용접형상이 균일해짐을 확인할 수 있다.
실험에 사용한 용접기는 기존에 RIST에서 보유하고 있는 Flashbutt 용접기를 사용했다. 용접기에서 기존의 기계적인 부분은 그대로 이용하고, 전원부는 본 연구에서 설계한 인버터 제어기로 대체시켰다.

성능/효과

본 연구의 개발기간중 DSP 제어기를 채택함으로써, 모든 용접 현상의 제어를 디지털 처리화하는, 시스템 프로그램 개발하는 기간이 길어져, 계획된 결과 이상의 많은 결과를 얻지는 못하였지만, 300[kVA] 상황 의 초대 전력 인버터 용접전원시스템의 국산화에 성 공했다.
그림 5, 그림 6, 그림 7 그리고 그림 8은 제어기의 주파수가 각각 60[Hz], 120[Hz], 180[Hz], 그리고 240[Hz] 일 때 설정 전압의 증가에 따른 용접 전류. 전 압및 펄스폭과의 관계를 그래프로 도시한 것으로 이들 사이에선형성이 유지됨을 확인할 수 있다. 그림 9와 그림 10은 설정 전압이 각각 0.

후속연구

PWM 주파수가 매우 낮고, 단펄스 방식으로 인해 Flashing 의 불규칙이 발생하고, 이로 인해 산화가 발생하는 단점이 있었다. 향후 이런 문제점을 개선하기 위해 좀 더 다양한 PWM 방법을 적용하고, 다른 제어 개념의 도입 및 다이오드 정류 방식 이외에 PWM 컨버터를 적용하여 정전력 제어를 적용하는 등 계속적인 연구가 필요한 것으로 생각된다.

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