[논문]펄스 출력 구현이 가능한 디지털 제어의 SCR형 CO2 용접시스템의 개발

은종목; 최규하

doi:10.5781/jwj.2014.32.1.102

펄스 출력 구현이 가능한 디지털 제어의 SCR형 CO2 용접시스템의 개발
Development of Digital controlled SCR type CO2 Welding System for Implementation Pulse Output 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.32 no.1, 2014년, pp.102 - 107

은종목 ((주)파워웰) , 최규하 (건국대학교 전기기계 및 전력전자 연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

SCR(Thyristor) type $CO_2$ welders have widely used for the welding process of heavy industries such as shipbuilding and plant. Since the industrial fields of shipbuilding and plant are usually exposed to severe welding condition with lots of dust, extreme temperature, high humidity and vibration, it is not recommended to use inverter type welder despite its state-of-the-art technology. Many sophisticated functions in the inverter welder may not work due to malfunction of its sensitive components. Hence this study focused on digitalization of SCR $CO_2$ welder by making use of microprocessor for SCR phase control. By this application, fine control of output of the $CO_2$ welding systems is achieved. Also pulse output mode of operation is realized and its verification is carried out with aluminum sample welding. The experimental results showed sound weld bead. The front operation panel provide user with numerical parameter settings and monitors. It will help precise weld process monitoring and control with digital value.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 펄스 출력의 구현이 가능한 디지탈 제어기를 사용한 SCR형 CO₂ 용접기의 개발로서 펄스 출력에 의해 알루미늄 용접의 구현을 하였다. 또한 대전력 CO₂ 용접기의 디지털화을 통하여 정확한 위상제어로 출력 전압의 정밀도를 한층 높였을 뿐만 아니라 아나로그 방식에 비해 3개의 위상을 각각 제어하기 위해 위상각을 0.
. 본 연구에서는 이런 현실에 즈음하여 작업 현장에서 SCR형 CO₂용접기를 인버터로 대체하는 일이 결코 쉽지 않으므로 전력부는 SCR형을 그대로 사용하고 제어부를 디지털화하는 실험을 하였다.

제안 방법

아크전압은 아크가 형성될 때에 정전압 출력을 만드는데, 설정된 최대 전압값과 출력전압을 비교기에서 비교하여 오차의 크기를 피드백(Feedback)하여 SCR의 턴온(Turn-on) 시간을 0도에서 180도 안에 발생하여 위상각을 밀거나 당겨서 출력전압이 일정하도록 제어한다. 단락전류는 아크가 줄어 단락모드가 될 때에 단락 전압은 아주 낮아서 제어가 되지 않으나, 단락된 와이어를 녹일 수 있는 최대전류가 필요하며 보통 와이어 직경이 1.2mm일 때 750A의 전류가 흐르도록 설정하고 직경에 따라 단락 전류는 조절되도록 프로그램 하였다. 용접전류는 와이어의 속도에 의해 설정되며 와이어가 정속도를 잘 유지하도록 별도의 회로로 제어되며 전력 제어와는 분리된다.
마이크로프로세서와 ASIC으로 구성된 전력제어 회로를 실제 제품을 제작한 후 출력변화의 실험 및 펄스출력 실험을 행하였다. 또한 용접조건에 필요한 시퀀스제어가 포함되어 최적의 용접이 되도록 많은 파라메터(Parameter)값을 디지털 방식으로 조절하도록 프로그램 하였다. 이는 크게 4가지 모드로 분류하는데 아크전압, 단락전류, 용접전류, 시퀀스 등이다.
마이크로프로세서와 ASIC으로 구성된 전력제어 회로를 실제 제품을 제작한 후 출력변화의 실험 및 펄스출력 실험을 행하였다. 또한 용접조건에 필요한 시퀀스제어가 포함되어 최적의 용접이 되도록 많은 파라메터(Parameter)값을 디지털 방식으로 조절하도록 프로그램 하였다.
또한 용접아크의 이행에 필요한 공정들을 한 개의 마이크로프로세서로 제어하고 전면의 조작부를 디지털 수치화함으로서 용접 품질 규격을 정확히 판단하도록 하는데 도움을 주었다. 본 연구에서 주로 마이크로프로세서를 이용하여 SCR의 위상을 제어하고 CO₂ 용접기의 출력을 가변하고 펄스 출력을 얻어 알루미늄 용접의 실험에 역점을 두었다.
앞에서 위상각의 분해능은 0.1도 단위로 제어가 가능하며 6개의 SCR을 정밀하게 제어 가능한 것은 마이크로프로세서를 사용하기 때문이며, 정밀제어의 특징을 이용하여 SCR CO₂ 용접기의 DC 전압을 펄스로 구현하는 실험으로 1 [Hz]에서 100[Hz]까지 가변 해 보았다. 그 결과 알곤 가스를 사용한 알루미늄 용접이 별 문제없이 이루어졌고 주로 낮은 주파수인 10[Hz] 미만에서 더 부드러운 용접 효과를 얻었다.
연구목적은 마이크로프로세서(Microprocessor)를 이용하여 SCR의 위상(Phase)을 제어하여 CO₂ 용접기의 출력을 정교하게 제어하고, 이를 활용하여 펄스(Pulse) 출력을 구현하여 알루미늄 용접이 가능한 SCR형 CO₂ 용접기를 설계하고 실험하였다. 또한 용접아크의 이행에 필요한 공정들을 한 개의 마이크로프로세서로 제어하고 전면의 조작부를 디지털 수치화함으로서 용접 품질 규격을 정확히 판단하도록 하는데 도움을 주었다.
7에서 보면 생성된 펄스는 출력버퍼를 통한 후 포토커플러와 펄스 트랜스포머를 통하여 SCR 게이트로 전달되는데, 총 6개의 펄스가 출력된다. 이때 내부의 센서 등에 의해 온도의 이상이나 과전류 신호가 있게 되면 에러신호에 의해 게이트 출력이 차단되도록 설계하였다.

대상 데이터

회로를 구성하기에 앞서 실험장치의 규격을 설정하였다. Table 1에 입출력 관련 규격을 설정하고 출력전류를 산업 현장에서 가장 많이 사용하는 600[A]로 하였다.

성능/효과

1도 단위로 제어가 가능하며 6개의 SCR을 정밀하게 제어 가능한 것은 마이크로프로세서를 사용하기 때문이며, 정밀제어의 특징을 이용하여 SCR CO₂ 용접기의 DC 전압을 펄스로 구현하는 실험으로 1 [Hz]에서 100[Hz]까지 가변 해 보았다. 그 결과 알곤 가스를 사용한 알루미늄 용접이 별 문제없이 이루어졌고 주로 낮은 주파수인 10[Hz] 미만에서 더 부드러운 용접 효과를 얻었다. Fig.
1도 단위로 계산하여 트리거함으로서 각 위상들이 서로 틀어지는 고장의 원인이 없고 역률을 저하시키는 원인도 제거된다. 또한 디지털 수치의 표시에 의한 설정 등이 가능하여 모든 파라메타를 데이터화하여 메모리에 저장 관리함으로서 용접 품질관리에 큰 장점을 줄 수 있다.
용접기를 설계하고 실험하였다. 또한 용접아크의 이행에 필요한 공정들을 한 개의 마이크로프로세서로 제어하고 전면의 조작부를 디지털 수치화함으로서 용접 품질 규격을 정확히 판단하도록 하는데 도움을 주었다. 본 연구에서 주로 마이크로프로세서를 이용하여 SCR의 위상을 제어하고 CO₂ 용접기의 출력을 가변하고 펄스 출력을 얻어 알루미늄 용접의 실험에 역점을 두었다.
본 실험을 통하여 IGBT 제어 등의 앞선 기술 속에서도 현장의 필요성에 의해 존속되는 SCR 제어의 CO₂ 용접기도 디지털화로 개선하여 한층 정밀도를 높일 뿐만 아니라 고장 문제도 해소할 수 있다. 본 연구를 기반으로 보다 더 성능을 개선할 필요가 있고 향후 더 많은 연구를 통하여 성능이 우수한 용접기를 개발할 필요가 있다.
본 연구에서 설계한 디지털 방식의 제어는 펄스의 구현 외에도 많은 장점을 얻는다. 용접공정에 필요한 시퀀스를 넓은 파형으로 측정한 결과 디지털 제어의 장점인 명확한 파라메터의 설정과 실행이 잘 이루어짐을 Fig.
11을 통하여 알 수 있다. 뿐만 아니라 위상제어의 정확성으로 출력전압의 리플(Ripple) 수준이 인버터 형에 비해 부족함이 없고 핫스타트(Hot start)전압이나 번백(Burn back) 전압의 명확성을 볼 수 있었다.

후속연구

용접기도 디지털화로 개선하여 한층 정밀도를 높일 뿐만 아니라 고장 문제도 해소할 수 있다. 본 연구를 기반으로 보다 더 성능을 개선할 필요가 있고 향후 더 많은 연구를 통하여 성능이 우수한 용접기를 개발할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCR (Silicon Controlled Rectifier; Thyristor)형 CO2 용접기의 특징은 무엇인가?	용접기기 관련 기술은 모든 산업분야에 필요로 하는 제조업의 뿌리기술로서 다양한 철강 및 금속 산업과 더불어 발전해가고 있다. 본 논문에서 연구한 SCR (Silicon Controlled Rectifier; Thyristor)형 CO2 용접기는 조선이나 플랜트 등의 중공업 분야의 용접공정에서 가장 많이 사용되는 용접기지만 다른 용접기에 비해 발전은 매우 느리다. 과거 SCR을 이용하던 전원장치는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)와 IPM (Intelligent Power Module) 등의 고성능 스위 칭소자로 빠르게 대체되고 있으며, 또한 저속의 프로세서를 이용하던 제어장치는 고속의 프로세서를 이용하여 보다 정밀한 디지털 제어를 구현하고 있다1).
	과거 SCR을 이용하던 전원장치는 어떤 것으로 대체되고 있는가?	본 논문에서 연구한 SCR (Silicon Controlled Rectifier; Thyristor)형 CO2 용접기는 조선이나 플랜트 등의 중공업 분야의 용접공정에서 가장 많이 사용되는 용접기지만 다른 용접기에 비해 발전은 매우 느리다. 과거 SCR을 이용하던 전원장치는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)와 IPM (Intelligent Power Module) 등의 고성능 스위 칭소자로 빠르게 대체되고 있으며, 또한 저속의 프로세서를 이용하던 제어장치는 고속의 프로세서를 이용하여 보다 정밀한 디지털 제어를 구현하고 있다1). 최근에는 용접기에도 고속 저가의 DSP(digital signal processor)가 사용되어 퍼지제어에 의한 아크길이제어, 비드폭 제어, 아크안정성제어 및 스패터저감 기능을 실현하였다2).
	조선이나 플랜트용의 CO2 용접기가 여전히 SCR형 제어 방식에 머물러 있는 이유는 무엇인가?	이렇게 용접기 제어 기술은 고도화되어 가면서 정밀 용접 기기들도 인버터화 되고 디지털화 되었지만 조선이나 플랜트용의 CO2 용접기는 여전히 SCR형 제어 방식에 머물러 있고 심지어 제어회로 또한 아나로그 형태를 벗어나지 않고 있다. 이는 적용되는 산업 현장이 분진, 온도, 습도, 침수, 진동 등 매우 열악한 조건으로 용접기의 고장은 곧 생산성을 저하시키는 원인으로 부품수가 많고 진동이나 습기 등에 약한 정밀 인버터 형을 선호하지 않기 때문이다. 그러나 최근에는 모든 분야에 디지털화가 가속화되면서 첨단 기술을 적용하려는 움직임이 있고 CO2 용접기 역시 발전되어야 한다는 인식이 커지고 있다.

참고문헌 (5)

Jaehoon. Oh, "A Development of Inverter Spot Welding System" 2006 Power Electronics annual Conference (2006), 172-174
Hoi-Soo Ryoo, "Trends of Control Technology in GMA Welding Power Source", Journal of the KWJS 29-6 (2011), 9-14 (in Korean)

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C. J. LEE, Y. C. KIM, J. D. KIM, "Technology on Arc Welding Machine of Aluminum by Digital Control", Journal of KWJS, 31-1 (2013), 26-32 (in Korean)

원문보기 상세보기
J. S. Gho, K. N. Kim, "A Study on Welding Performance Improvement of $CO_2$ Inverter Arc Welding Machine by Short Circuiting Delay Control and Arc Reignition Detection Control", Journal of Power Electronics 7-3 (2002), 275
D. H. Woo, Y. M. Chae, G. H. Choe, "Design of Digital Controller for Thyristor controlled Arc Welding Machine", Journal of Power Electronics 3-2 (1998), 93

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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