[논문]전압손실 보상용 CO2 인버터 용접기 콘트롤라 개발

배종일

[국내논문] 전압손실 보상용 CO2 인버터 용접기 콘트롤라 개발
Development of the CO2 Inverter Welding Controller for Compensation of Voltage Loss 원문보기

In a $CO_2$ inverter welding machine, stable arcs can be generated and a welding performance that is a goal of welding can be improved when stable electric power with a low voltage and a high current is supplied to a electrode that is the secondary part (output load terminal) and the base metal. For such a stable power supply, therefore, the AC arc welding machine, the thyristor welder, and the inverter welder have been developed in order according to development of the power electronics techniques. Up to now, the thyristor welding machine is still broadly used but the application volume is gradually reduced by development of the inverter welder. Because the welding performance of the inverter welder is very good and the weight and size of the welder is remarkably light and small. The final goal of this research is to develop the voltage loss compensator that is a drawback of the inverter welder and improve the welding performance using the developed compensator.

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문제 정의

이러한 장점에도 불구하고 인버터의 제어 기술이 아직 미흡한 상태라 많은 문제점을 안고 있다^[3-7]. 본 연구에서는 이러한 문제점 중에서 용접품질을 향상시킬 수 있는 전압손실 보상용 콘트롤라 개발을 목표로 하였다.

가설 설정

• AC와 DC의 라인은 최소 4mm 이상 간격을 유지하면서 설계를 한다. 단 DC와 DC는 3mm 이상 라인의 간격을 유지한다.
• 전해 콘덴서 및 극성이 있는 부품은 같은 극성으로 배열한다. 이는 노이즈와도 관계가 있지만 회로의 점검 및 수리가 용이하다.

제안 방법

1은 CO₂ 인버터 용접기의 회로 블록선도를 나타낸 것이다. CO₂ 인버터 용접기를 위한 콘트롤라를 개발하기 위하여 주요 회로들의 성능 특성을 고려하여 설계하였다. 회로의 제작은 크게 세부 회로의 설계와 설계된 회로를 보드로 제작하기 위한 PCB ArtWork으로 나뉜다.
출력단 고주파 변압기와 직류단 리액터는 변압기의 권선비율에 따라 설계하고 정격부하 실험에 의하여 적절하게 설계하었다. PWM 기법을 구현하기 위하여 SCH에 의한 회로설계용 P-Cad를 이용하여 Art-Work을 수행하여 제작하였다. 전류 상승 기울기제어, 전압 전류 최적제어, 순시 전류제어, 펄스 전류제어, 단락 지연제어, 아크 재생 검출제어, 그리고 인버터 출력 전압제어를 위한 회로 또한 P-Cad를 이용하여 회로도를 설계하고 각 부분의 모듈을 제작하였다.
본 연구에서는 인버터 입력 전압인 DC 링크단 전압을 고려하여 스위칭 소자를 선정하고 출력단 고주파 변압기와 직류단 리액터 설계하여 정전류 수하특성을 구현하였다. 또한 PWM 기법구현으로 출력전압 기준치와 삼각파의 비교에 의해서 듀티비를 결정하여 전류 상승 기울기제어, 전압 전류 체적제어, 펄스 전류 제어, 단락 지연제어, 아크 재생 검출제어 및 파형제어 기법을 적용하였다. 이와 함께 인버터 출력제어로 출력전압 제어와 송급 속도의 지령치에 의해서 용접 전원을 제어하는 전압손실 보상용 콘트롤라로 각종 인버터 용접기에 접목할 수 있는 회로를 개발하였다.
전압손실 보상용 콘트롤라의 각종 인버터 용접기에 접목할 수 있는 다기능제어 PCB는 설정부 제어기, 제어부 제어기, 그리고 전원부 제어기를 위하여 각각 제작하였다. 모든 PCB는 자체적으로 SCH 설계와 Art-Work을 수행하여 제작하였다.
본 연구에서는 용접기 제어용 PCB를 자체 설계 후 제작하여 사용하였다. PCB는 크게 다기능 제어 PCB 와 Poly PCB로 구성된다.
본 연구에서는 인버터 입력 전압인 DC 링크단 전압을 고려하여 스위칭 소자를 선정하고 출력단 고주파 변압기와 직류단 리액터 설계하여 정전류 수하특성을 구현하였다. 또한 PWM 기법구현으로 출력전압 기준치와 삼각파의 비교에 의해서 듀티비를 결정하여 전류 상승 기울기제어, 전압 전류 체적제어, 펄스 전류 제어, 단락 지연제어, 아크 재생 검출제어 및 파형제어 기법을 적용하였다.
또한 PWM 기법구현으로 출력전압 기준치와 삼각파의 비교에 의해서 듀티비를 결정하여 전류 상승 기울기제어, 전압 전류 체적제어, 펄스 전류 제어, 단락 지연제어, 아크 재생 검출제어 및 파형제어 기법을 적용하였다. 이와 함께 인버터 출력제어로 출력전압 제어와 송급 속도의 지령치에 의해서 용접 전원을 제어하는 전압손실 보상용 콘트롤라로 각종 인버터 용접기에 접목할 수 있는 회로를 개발하였다. 이러한 회로 특성의 개선과 함께 전압손실 보상용 콘트롤라를 각종 인버터 용접기에 접목할 수 있는 다기능제어 PCB구현, 설정부와 콘트롤라부의 노이즈 현상을 줄이는 Poly PCB 구현를 통하여 Fig.
PWM 기법을 구현하기 위하여 SCH에 의한 회로설계용 P-Cad를 이용하여 Art-Work을 수행하여 제작하였다. 전류 상승 기울기제어, 전압 전류 최적제어, 순시 전류제어, 펄스 전류제어, 단락 지연제어, 아크 재생 검출제어, 그리고 인버터 출력 전압제어를 위한 회로 또한 P-Cad를 이용하여 회로도를 설계하고 각 부분의 모듈을 제작하였다.
전압손실 보상용 콘트롤라의 각종 인버터 용접기에 접목할 수 있는 다기능제어 PCB구현은 본 개발에서 중요시하는 부분으로 CO₂ 인버터에 국한되지 않고 회로 설계와 Art-Work 시 여러 종류의 인버터 용접기의 설계 사항을 고려하여 설계한다. 휴대용 인버터 용접기의 경우 CO₂ 인버터 용접기에서 빠지는 회로 부분인 경우를 감안하여 설정부와 제어부를 따로 설계하며 부품 배열을 획일적으로 한다.
전압손실 보상용 콘트롤라의 각종 인버터 용접기에 접목할 수 있는 다기능제어 PCB는 설정부 제어기, 제어부 제어기, 그리고 전원부 제어기를 위하여 각각 제작하였다. 모든 PCB는 자체적으로 SCH 설계와 Art-Work을 수행하여 제작하였다.
휴대용 인버터 용접기의 경우 CO₂ 인버터 용접기에서 빠지는 회로 부분인 경우를 감안하여 설정부와 제어부를 따로 설계하며 부품 배열을 획일적으로 한다. 즉 인버터 용접기에 공통으로 들어가는 회로의 경우 PCB가 작아지는 것을 감안하고 또한 PCB가 커질 경우를 감안하여 중앙 콘트롤 부분은 PCB의 가장 자리에 위치하도록 설계하며 콘트롤라의 제어 목적인 전원 부분의 경우는 오른쪽 하단부터 설계하고, 설정 부분의 경우는 CO₂ 인버터, 휴대용 아크 용접기, 프라즈마 용접기는 각기 다르므로 왼쪽부분으로 설계하면서 언제든지 PCB를 조절하여 사용할 수 있도록 설계한다. 외부와의 연결 잭은 콘넥터로 연결하며 콘넥터의 방향과 위치는 위에서 설명한 바와 같은 방법으로 설정 설계한다.
회로의 제작은 크게 세부 회로의 설계와 설계된 회로를 보드로 제작하기 위한 PCB ArtWork으로 나뉜다. 출력단 고주파 변압기와 직류단 리액터는 변압기의 권선비율에 따라 설계하고 정격부하 실험에 의하여 적절하게 설계하었다. PWM 기법을 구현하기 위하여 SCH에 의한 회로설계용 P-Cad를 이용하여 Art-Work을 수행하여 제작하였다.

이론/모형

따라서 인버터의 출력은 +V_d에서 0으로 다시 -V_d에서 0으로 되어야 한다. 이와 같은 스위칭 패턴을 인가하기 위해서는 위상제어 변조기법을 사용한다. 위상제어는 스위칭 함수를 실제로 인가하기 위한 gating 신호로 변환하기 위한 방법으로써 PLL 회로를 이용한 방법과 프리플롭을 사용하는 방법이 있다.

성능/효과

용접봉과 모재의 간격은 2mm ~ 6mm에서 전압의 변동이 가장 작았으며, 이는 전압이 모재의 간격에 따라 전압 변동률이 발생한다는 결과도 함께 얻을 수 있었다. 그리고 모재와 용접봉의 수하특성과도 밀접한 관계를 유지함으로써 PWM제어로 극대화 할 수 있었다. PCB 상의 노이즈는 Art-Work에서 Poly형태를 취하고 패더 Solder는 데이터 라인을 제외한 나머지 동박을 Poly형태를 구현함으로써 AC-AC는 3mm DC-DC 는 3mm AC-DC는 4mm일 때 간섭을 받지 않았다.
용접봉과 모재의 간격은 2mm ~ 6mm에서 전압의 변동이 가장 작았으며, 이는 전압이 모재의 간격에 따라 전압 변동률이 발생한다는 결과도 함께 얻을 수 있었다. 그리고 모재와 용접봉의 수하특성과도 밀접한 관계를 유지함으로써 PWM제어로 극대화 할 수 있었다.
이와 함께 인버터 출력제어로 출력전압 제어와 송급 속도의 지령치에 의해서 용접 전원을 제어하는 전압손실 보상용 콘트롤라로 각종 인버터 용접기에 접목할 수 있는 회로를 개발하였다. 이러한 회로 특성의 개선과 함께 전압손실 보상용 콘트롤라를 각종 인버터 용접기에 접목할 수 있는 다기능제어 PCB구현, 설정부와 콘트롤라부의 노이즈 현상을 줄이는 Poly PCB 구현를 통하여 Fig. 2와 같이 개선된 용접 기울기 곡선을 얻었다.

후속연구

무엇보다 용접기의 생명인 용접 품질을 향상시킴으로써 휴대용 아크 용접기, 에어 플라즈마 용접기 등에 같은 종류의 PCB로 사용을 할 수 있어 편리하다. 나아가 한층 진보된 캐리지 용접기에도 용접 피치의 불균일성을 해소하여 고품격적인 용접기를 개발할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서 개발된 전압손실 보상용 콘트롤라는 용접 피치의 불균일성으로 인하여 발생하는 문제점을 보안하였기 때문에, 한 종류의 제품에만 적용되는 것이 아니라 인버터 방식을 채택하는 대부분의 용접기에 적용할 수 있다. 무엇보다 용접기의 생명인 용접 품질을 향상시킴으로써 휴대용 아크 용접기, 에어 플라즈마 용접기 등에 같은 종류의 PCB로 사용을 할 수 있어 편리하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

인버터 출력 전압제어는 어떤 방법인가?

인버터 출력 전압제어은 단순하게 출력 전압 지령치와 송급 속도의 지령치에 의해서 용접 전원을 제어하는 방법이다. 일반적인 제어 기법은 전압 지령치에 의해서 인버터의 듀티비를 조절하여 출력 전압을 제어하고, 전류 지령치에 의해서 송급 속도를 제어하는 방법이 있다.

Poly PCB는 어떻게 구성되는가?

Poly PCB는 설정부 콘트롤러 PCB, 제어부 콘트롤러 PCB, 전원부 콘트롤러 PCB로 구성된다. Comp Side에서 Poly의 간격은 0.

현재까지 사이리스터 용접기가 많이 사용되어지고 있으나, 인버터 용접기의 등장으로 인하여 그 규모가 점차 줄어들고 있는 이유는 무엇인가?

현재까지 사이리스터 용접기가 많이 사용되어지고 있으나, 인버터 용접기의 등장으로 인하여 그 규모가 점차 줄어들고 있는 실정이다[1-2]. 이러한 추세는 인버터 용접기의 용접품질이 우수하며 용접기가 경량화될 수 있기 때문이다. 이러한 장점에도 불구하고 인버터의 제어 기술이 아직 미흡한 상태라 많은 문제점을 안고 있다[3-7].

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