[논문]듀얼 인버터를 이용한 대용량 SAW 시스템의 설계

반충환; 은종목; 권완성; 이영진; 한동화; 김승열; 최규하

듀얼 인버터를 이용한 대용량 SAW 시스템의 설계
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반충환 (건국대학교 전력전자연구실) , 은종목 (건국대학교 전력전자연구실) , 권완성 (건국대학교 전력전자연구실) , 이영진 (건국대학교 전력전자연구실) , 한동화 (건국대학교 전력전자연구실) , 김승열 (건국대학교 전력전자연구실) , 최규하 (건국대학교 전력전자연구실)

In this paper, design relatively lightweight dual inverter SAW welding power system, compared to former large and weight system. In addition, we propose welding system topology with pulse frequency, width and current management through applying inverter to ouput.

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문제 정의

특수금속의 배관 등의 두께는 20mm에서 200mm 이상의 경우도 있기 때문에 중, 후판의 용접을 위해서 SAW용접이나 MIG 용접기를 이용하여 용접와이어로 용융하여 용접 갭을 채우는 방식이 많이 적용되며, 용접 품질의 중요한 요소가 되어지고 있다. 이에 본 논문에서는 출력측의 인버터에 의해 출력 펄스의 주파수, 폭, 전류를 변화하여 용접할 수 있는 50[kW] SAW 시스템을 설계하여 연구를 진행하였다.

제안 방법

본 논문에서 제안하는 50[kW] 서브머지드 아크 용접 시스템의 구성은 그림 1과 같으며, 3상 다이오드 정류기와 풀브릿지 컨버터, 하프 브릿지 인버터로 구성하였다. 하프 브릿지 인버터를 사용하여 출력측의 펄스폭 변화를 가능하게 하였으며, 50[V] 1000[A] 용량으로 설계하였다.
본 논문에서는 듀얼 하프브릿지 인버터를 적용한 PIPO 풀브리지 컨버터를 이용하여 50[kW] 서브머지드 아크 용접 시스템을 설계하여 시뮬레이션 하였다. PIPO 풀브릿지 컨버터를 적용함으로써 전력을 분배하여 각 부 스위칭 소자 및 내부 소자들의 용량을 줄임으로써 스위칭 손실의 저감과 원가 절감을 이루었다.
본 절에서 사용되어진 SAW 시스템은 내부 소자들의 발열로 인한 소손 방지와 스위칭 손실을 줄이기 위해 전류를 분배할 수 있는 PIPO 토폴로지를 적용하였다.
출력 정류다이오드를 사용하여 고주파변압기의 출력을 직류로 만들며, 다이오드 선정 시에는 최대 전압, 전류 및 스위칭 주파수를 고려하였으며, 수식(5).(6)을 고려하여 1600[V], 200[A]급 Fast Recovery 다이오드를 사용하였다.
출력 필터 인덕터, 표 1의 사양과 식(7),(8)을 고려하여, 인덕터 800[uH]와 출력 전압 리플 ±2%를 만족하는 커패 시터 3300[uH]를 설계하였으며, 출력 전류 리플±2%(±A)를 만족하게 설계하였다.
풀브릿지 컨버터의 설계는 각 부에 걸리는 구동전류와 전압, 주파수, 듀티 등을 고려하여 스위칭 소자와, 고주파 변압기, 출력 정류 다이오드, 출력 저역 통과 필터를 설계한다.
본 논문에서 제안하는 50[kW] 서브머지드 아크 용접 시스템의 구성은 그림 1과 같으며, 3상 다이오드 정류기와 풀브릿지 컨버터, 하프 브릿지 인버터로 구성하였다. 하프 브릿지 인버터를 사용하여 출력측의 펄스폭 변화를 가능하게 하였으며, 50[V] 1000[A] 용량으로 설계하였다.

대상 데이터

출력 정류다이오드를 사용하여 고주파변압기의 출력을 직류로 만들며, 다이오드 선정 시에는 최대 전압, 전류 및 스위칭 주파수를 고려하였으며, 수식(5).(6)을 고려하여 1600[V], 200[A]급 Fast Recovery 다이오드를 사용하였다.

성능/효과

본 논문에서는 듀얼 하프브릿지 인버터를 적용한 PIPO 풀브리지 컨버터를 이용하여 50[kW] 서브머지드 아크 용접 시스템을 설계하여 시뮬레이션 하였다. PIPO 풀브릿지 컨버터를 적용함으로써 전력을 분배하여 각 부 스위칭 소자 및 내부 소자들의 용량을 줄임으로써 스위칭 손실의 저감과 원가 절감을 이루었다. 차후 연구에서는 SAW 시스템을 실제 구축하여 용접 시 이음부의 신뢰도를 높이기 위한 연구를 진행할 예정이다.

후속연구

PIPO 풀브릿지 컨버터를 적용함으로써 전력을 분배하여 각 부 스위칭 소자 및 내부 소자들의 용량을 줄임으로써 스위칭 손실의 저감과 원가 절감을 이루었다. 차후 연구에서는 SAW 시스템을 실제 구축하여 용접 시 이음부의 신뢰도를 높이기 위한 연구를 진행할 예정이다.

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