인버터형 아크 용접 전원 기본 사항

아크 용접 인버터라고도 하는 인버터 아크 용접 전원은 새로운 유형의 용접 전원입니다. 이 유형의 전원은 일반적으로 3상 주 주파수(50Hz) AC 네트워크 전압을 가져와 입력 정류기를 통해 정류 및 필터링하여 DC로 변환합니다.

그런 다음 고전력 스위칭 전자 부품(예: 사이리스터 SCR, GTO 트랜지스터, MOSFET 또는 IGBT)을 사용하여 스위치 상태를 번갈아 가며 수 kHz에서 수십 kHz 범위의 중주파 교류 전압으로 반전시킨 다음 변압기를 통해 용접에 적합한 전압으로 낮춥니다.

인덕턴스를 통해 정류 및 필터링한 후 안정적인 DC 용접 전류를 출력합니다.

1. 인버터 및 인버터 아크 용접 전원

인버터는 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 정교한 전자 장치입니다. 아크 용접 전원의 맥락에서 인버터 기술은 보다 효율적이고 컴팩트하며 다양한 용도의 용접 장비를 제공함으로써 업계에 혁신을 가져왔습니다.

인버터 아크 용접 전원의 변환 순서는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

1. 주 주파수 AC(50/60Hz) → DC(정류 및 필터링)
2. DC → 고주파 AC(반전, 일반적으로 20~100kHz)
3. 고주파 교류 → 저전압 교류(변압기 강압)
4. 저전압 AC → DC(용접 출력을 위한 정류 및 필터링)

이 프로세스는 상징적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

AC → DC → AC → DC

이 다단계 변환 시스템은 몇 가지 중요한 이유로 사용됩니다:

1. 효율성: 고주파 AC 스테이지를 사용하면 더 작은 변압기를 사용할 수 있어 용접 전원의 전체 크기와 무게를 크게 줄일 수 있습니다.
2. 역률 개선: 초기 정류 및 고주파 반전으로 높은 역률을 유지하여 주 전원 공급 장치의 무효 전력 소비를 줄입니다.
3. 정밀한 제어: 인버터 스테이지의 빠른 전환으로 용접 전류를 보다 정확하게 제어할 수 있어 아크 안정성과 용접 품질이 향상됩니다.
4. 적응성: 인버터 시스템은 다양한 부하 조건에 빠르게 적응할 수 있어 다양한 용접 공정 및 재료에 적합합니다.

최종 DC 출력은 아크 용접 애플리케이션에 매우 중요합니다. 이론적으로는 고주파 AC로 용접하는 것이 가능하지만, DC를 사용하면 몇 가지 장점이 있습니다:

1. 아크 안정성: DC는 특히 GMAW(MIG/MAG) 및 GTAW(TIG)와 같은 공정에서 보다 안정적인 아크를 제공합니다.
2. 전자기 간섭 감소: 용접 회로의 고주파 교류는 심각한 전자기 간섭을 유발하여 주변 전자 장비에 영향을 미칠 수 있습니다.
3. 향상된 전력 효율: 이 시스템은 고주파 AC를 DC로 다시 변환하여 용접 회로의 무효 전력을 최소화함으로써 용접에 사용할 수 있는 유효 전력을 최대화합니다.
4. 프로세스 유연성: DC 출력을 통해 다양한 용접 공정과 재료에 필수적인 극성(DCEP 또는 DCEN)을 쉽게 선택할 수 있습니다.

최신 인버터 용접 전원은 종종 마이크로프로세서 제어 및 고급 전력 전자 장치를 통합하여 펄스 출력, 시너지 제어 및 다중 프로세스 기능과 같은 기능을 구현하여 다양한 용접 애플리케이션에서 활용성과 성능을 더욱 향상시킵니다.

2. 인버터 전원의 특성

인버터의 기본 기능 아크 용접 는 고주파에서 작동하기 때문에 많은 이점을 제공합니다.

이는 1차 권선이든 2차 권선이든 변압기의 전위 E가 전류의 주파수 f, 자속 밀도 B, 철심 단면 면적 S, 권선의 회전 수 W와 다음과 같은 관계를 갖기 때문입니다:

E = 4.44fBSW

그리고 권선 단자 전압 U는 E와 거의 같습니다:

U ≈ E = 4.44fBSW

U와 B가 결정되었을 때 주파수 f가 증가하면 S는 감소하고 W는 감소합니다. 따라서 변압기의 무게와 부피를 크게 줄일 수 있습니다. 이렇게 하면 전체 기계의 무게와 부피가 훨씬 작아집니다.

또한 주파수 및 기타 요인의 증가로 인해 기존 아크에 비해 많은 이점을 제공합니다. 용접력 소스. 주요 특징은 다음과 같습니다:

(1) 작은 크기, 가벼운 무게, 재료 절약, 휴대 및 이동이 용이합니다.

(2) 고효율 및 에너지 절약, 최대 80% ~ 90%의 효율로 기존 용접기에 비해 1/3 이상의 전력을 절약할 수 있습니다.

(3) 우수한 동적 특성, 쉬운 아크 시작, 안정적인 아크, 아름다운 용접 형성 및 스패 터가 적습니다.

(4) 로봇과 결합하여 자동 용접 생산 시스템을 구성하는 데 적합합니다.

(5) 다양한 용접 및 절단 공정을 완료하여 다목적으로 사용할 수 있습니다.

위에서 언급한 인버터 전원의 일련의 장점으로 인해 1970년대 후반에 등장한 이후 급속도로 발전해 왔습니다. 미국이나 일본과 같은 선진국에서는 그 적용 범위가 매우 광범위합니다.

현재 인버터 전원에 사용되는 스위칭 소자로는 SCR(사이리스터), GTR(트랜지스터), MOSFET(전계 효과 트랜지스터), IGBT(GTR과 MOSFET의 장점을 결합한 일종의 전자 소자)가 있습니다.

IGBT는 다른 스위칭 소자를 대체할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. IGBT 인버터 용접기는 다음과 같은 분야에서 중요한 진전을 이루었습니다. 용접 기술 그리고 새로운 개발 트렌드입니다.

용접기 헤드는 용접 전원에서 출력되는 에너지를 용접 열로 변환하여 용접기 헤드에 지속적으로 공급합니다. 용접 재료 를 누르면 기계 헤드가 앞으로 이동하여 용접이 이루어집니다.

수동 아크 용접에 사용되는 전기 용접 집게는 수동으로 아래로 밀고 앞으로 이동하여 용접 비드를 형성해야 합니다. 용접봉 녹습니다. 자동 용접기에는 자동 와이어 공급 메커니즘과 기계 헤드를 앞으로 이동시키는 기계 헤드 이동 메커니즘이 있습니다.

일반적으로 사용되는 유형에는 캐리지 유형과 서스펜션 유형의 두 가지가 있습니다.

스폿 용접용 용접 헤드 및 프로젝션 용접 는 전극과 그 누름 메커니즘으로, 공작물에 압력과 전기를 가하는 데 사용됩니다.

For 심 용접에는 공작물이 움직이도록 구동하는 전송 메커니즘이 있습니다. For 맞대기 용접정적 및 동적 고정 장치와 고정 장치 클램핑 메커니즘은 물론 움직이는 고정 장치와 업셋 메커니즘이 필요합니다.

3. 인버터 전원의 발전 방향

용접 기술에서 인버터 전원의 진화는 용량 증가, 무게 감소, 효율성 향상, 모듈화 및 지능형 제어 시스템에 중점을 둔 다각적인 접근 방식이 특징입니다. 이러한 발전은 아크 용접, 저항 용접, 절단 작업을 포함한 다양한 용접 공정에서 신뢰성과 성능을 개선하고 적용 분야를 확대하는 것을 목표로 합니다.

효율성 최적화와 높은 전력 밀도(소형화)는 전 세계 아크 용접 인버터 제조업체의 주요 목표입니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 두 가지 주요 기술 전략이 사용됩니다:

1. 고주파 작동: 가청 범위(일반적으로 20kHz 이상)보다 훨씬 높은 스위칭 주파수를 활용하면 자기 부품이 작아지고 제어 응답이 빨라집니다.
2. 구성 요소 전력 손실 감소: 첨단 반도체 기술(예: SiC 또는 GaN 디바이스)과 최적화된 열 관리를 구현하여 핵심 구성 요소의 에너지 손실을 최소화합니다.

약 20kHz의 주파수에서 작동하는 아크 용접 인버터 기술의 성숙은 특히 일본과 유럽과 같은 지역에서 두드러지게 나타났습니다. 그 결과 다음과 같은 특징을 가진 고품질의 직렬화된 제품 라인이 탄생했습니다:

• 다양한 재료와 두께에서 용접 품질 향상을 위한 정밀한 아크 제어
• 열 입력 감소, 왜곡 최소화 및 얇은 재료 용접 기능 확장
• 향상된 역률 보정(PFC)으로 그리드 호환성 및 에너지 효율성 향상
• 적응형 용접 파라미터를 위한 고급 제어 알고리즘 통합
• 디지털 디스플레이 및 사전 설정 용접 프로그램으로 사용자 인터페이스 개선
• 인더스트리 4.0 통합을 위한 로봇 및 자동화 용접 시스템과의 호환성

기술이 계속 발전함에 따라 다음과 같은 새로운 트렌드가 등장하고 있습니다:

• 더 큰 소형화를 위한 초고주파 작동(>100kHz)에 대한 추가 탐색
• AI 기반 용접 파라미터 최적화 구현
• 용접, 절단 및 기타 열 공정 간에 원활하게 전환할 수 있는 다중 공정 인버터 전원 개발
• 실시간 모니터링, 데이터 로깅 및 원격 진단을 위한 향상된 연결 기능

인버터 용접기 전원 공급장치의 고조파 억제 분석

1. 아크 용접 인버터 전원 공급 장치의 고조파 분석

1.1 고조파 발생의 이유

최초의 300A 사이리스터 아크 이후 용접 인버터 전원 공급 장치, 아크 용접 인버터 전원 공급 장치는 사이리스터 반전, 고전력 트랜지스터 반전, 전계 효과 반전 및 IGBT 반전을 경험하면서 상당한 발전을 거쳤습니다. 용량과 성능이 크게 향상되었습니다.

현재 아크 용접 인버터 전원 공급 장치는 선진국에서 용접 장비의 주류 제품이되었습니다.

일반적인 전력 전자 장치로서 아크 용접 인버터 전원 공급 장치는 소형, 경량 및 우수한 제어 성능의 장점을 가지고 있지만 회로에 정류 및 반전 링크가 포함되어있어 전류 파형 왜곡을 유발하고 많은 고차 고조파를 생성합니다.

고차 전압과 전류 고조파 사이에 심각한 위상 이동이 발생하여 용접기의 역률이 매우 낮아집니다. 고조파 발생의 주요 원인은 다음과 같습니다:

(1) 인버터 전원 공급장치의 내부 간섭원

인버터 전원 공급 장치는 강전류와 약전류를 결합한 시스템입니다. 인버터 전원 공급장치는 용접 프로세스용접 전류는 수백 또는 수천 암페어에 달할 수 있습니다. 전류는 큰 전자기장을 생성하기 때문에 특히 반전 주파수가 높은 용접 전원 공급 시스템에서 정류기 튜브, 고주파 변압기, 제어 시스템 진동, 고주파 아크 점화 및 전원 튜브 스위치는 강한 고조파 간섭을 생성합니다.

또한 텅스텐이 아르곤 아크 용접기 고주파 아크 점화는 최대 수십만 헤르츠의 주파수와 수 킬로볼트의 고전압을 사용하여 공극을 뚫고 아크를 형성하기 때문에 고주파 아크 점화는 고조파 간섭의 강력한 원인이기도 합니다.

컴퓨터로 제어되는 지능형 아크 용접 인버터 전원 공급 장치의 경우 사용되는 컴퓨터 제어 시스템의 작동 속도가 증가함에 따라 제어 보드 자체가 고조파 간섭의 원인이되었으며 제어 보드의 배선에 더 높은 요구 사항이 적용되었습니다.

(2) 인버터 전원 공급 장치의 외부 간섭원

전력망의 오염은 전력망에 가해지는 부하가 지속적으로 변화하여 전력망에 어느 정도 고조파 간섭을 일으키기 때문에 전력 공급 시스템에 심각한 간섭을 일으킵니다.

대형 전력 장비는 전력망 전압 파형의 왜곡을 유발할 수 있고, 우발적인 요인으로 인해 순간적인 정전이 발생할 수 있으며, 고주파 장비는 전력망 전압 파형에서 고주파 펄스 및 피크 펄스 성분을 생성할 수 있습니다.

또한 용접 작업장에서는 사용 중 서로 다른 용접 전원 공급 장치의 접지선이 상호 연결될 수 있으므로 해당 조치를 취하지 않으면 고주파 성분이 있는 고조파 신호가 제어 시스템에 쉽게 유입되어 전원 공급 장치가 오작동하거나 손상될 수 있습니다.

1.2 고조파의 특성 및 위험성

아크 용접 인버터 전원 공급 장치는 고효율 에너지 변환으로 유명합니다. 전력 제어 장치가 실용적이고 대용량 방향으로 발전함에 따라 아크 용접 인버터 전원 공급 장치도 고주파 및 대용량 시대에 접어들 것입니다.

전력망의 경우 아크 용접 인버터 전원 공급 장치는 본질적으로 대형 정류기 전원 공급 장치입니다. 정류 중에 전력 전자 부품에서 생성되는 펄스의 급격한 상승과 하강으로 인해 심각한 고조파 간섭이 발생합니다.

인버터 전원 공급 장치의 입력 전류는 일종의 스파이크 파형으로, 전력망에 고차 고조파가 많이 포함되어 있습니다.

고차 전압과 전류 고조파 사이에 심각한 위상 변화가 발생하여 용접기의 역률이 매우 낮아집니다. 저주파 왜곡은 현재 전력 전자 장비의 일반적인 문제로 통신 및 가전 산업에서 큰 관심을 끌고 있습니다.

또한 현재 인버터 용접기는 대부분 하드 스위칭 방식을 사용하기 때문에 전력 부품의 스위치 공정 중 공간에서 고조파 간섭이 발생할 수밖에 없습니다.

이러한 간섭은 근거리 및 원거리 결합을 통해 전도 간섭을 형성하여 주변 전자기 환경과 전원 공급 환경을 심각하게 오염시켜 인버터 회로 자체의 신뢰성을 저하시킬 뿐만 아니라 전력망 및 인접 장비의 작동 품질에도 심각한 영향을 미칩니다.

2. 아크 용접 인버터 전원 공급 장치에 일반적으로 사용되는 고조파 억제 조치

2.1 패시브 필터(PF)

고조파 억제 및 무효 전력 보상을 위한 전통적인 방법은 간접 필터링 방법이라고도 하는 전기 패시브 필터 기술입니다. 이 방법은 전기 커패시터 또는 기타 수동 장치를 사용하여 보상이 필요한 비선형 부하가 병렬로 연결된 패시브 필터를 구성하여 고조파에 대한 낮은 임피던스 경로를 제공하는 동시에 부하에 필요한 무효 전력을 공급하는 방식입니다.

구체적으로, 왜곡된 50Hz 사인파를 기본파와 다양한 관련 주 고조파 성분으로 분해한 다음 직렬 공진 원리를 사용하여 L, C(또는 R)로 구성된 각 필터링 분기를 다양한 주 고조파 주파수로 튜닝(또는 바이어스 튜닝)하여 낮은 임피던스 경로를 형성하고 이를 걸러냅니다[2-3]. 이미 생성된 전기 장비에 대한 고조파의 피해를 수동적으로 방어하고 감소시킵니다.

패시브 필터링 방식은 비용이 저렴하고 성숙한 기술이지만 다음과 같은 단점도 있습니다:

(1) 필터링 효과는 시스템 임피던스의 영향을 받습니다;

(2) 공진 주파수가 고정되어 있기 때문에 주파수 편차가 있는 경우 효과가 떨어집니다;

(3) 시스템 임피던스와 직렬 또는 병렬 공진으로 인해 과부하가 발생할 수 있습니다. 중소 전력 상황에서는 패시브 필터가 점차 액티브 필터로 대체되고 있습니다.

2.2 액티브 필터(AF)

1970년대 초에 학자들은 능동형 전력 필터의 기본 원리를 제안했습니다. 그러나 당시에는 고전력 스위칭 장치와 해당 제어 기술이 부족하여 선형 증폭기 등에서 발생하는 보상 전류만 사용할 수 있었기 때문에 효율이 낮고 비용이 높으며 대용량화가 어렵다는 치명적인 약점을 가지고 있었습니다.

전력 반도체 스위칭 소자의 성능 향상과 이에 대응하는 PWM 기술 개발로 대용량 저손실 고조파 전류 발생기 개발이 가능해져 액티브 필터링 기술이 실용화될 수 있었습니다.

시스템에 고조파 소스가 나타나면 어떤 방법으로 고조파 전류와 크기가 같고 위상이 반대인 보상 전류가 생성되고 고조파 소스가 되는 회로와 병렬로 연결되어 고조파 소스의 고조파 성분을 상쇄하여 DC 측 전류가 고조파 성분 없이 기본 성분만 포함할 수 있도록 합니다.

고조파 소스에서 발생하는 고조파 전류가 어떤 상위 고조파 전류인지 예측할 수 없거나 수시로 변하는 경우 부하 전류 IL에서 고조파 전류 신호 IH를 감지한 다음 변조기에서 변조하고 지정된 방법에 따라 스위칭 모드 제어 전류로 변환하여 전류 인버터를 작동시켜 보상 전류 IFM을 생성하고 회로에 주입하여 고조파 전류 IH를 상쇄하는 방식이 있습니다.

인버터의 주 회로는 일반적으로 DC/AC 풀 브리지 인버터 회로를 사용하며, 스위칭 장치는 GTO, GTR, SIT 또는 IGBT 및 기타 고전력 제어 가능 전력 반도체 장치로 스위칭 장치의 온-오프 상태에 따라 출력 전류 파형을 제어하여 필요한 보상 전류를 생성할 수 있습니다.

전기 능동 필터는 전력망 고조파를 억제하고 무효 전력을 보상하여 전력 공급 품질을 개선하는 가장 유망한 전력 장치입니다.

전기 패시브 필터와 비교했을 때 다음과 같은 장점이 있습니다:

(1) 동적 보상이 이루어지고 고조파 및 무효 전력의 주파수 및 크기 변화가 보상 대상의 변화에 매우 빠르게 반응하여 보상할 수 있습니다;

 (2) 고조파와 무효 전력에 대한 동시 보상이 가능하며 보상되는 무효 전력의 크기를 지속적으로 조정할 수 있습니다;

(3) 무효 전력 보상 시 에너지 저장 장치가 필요하지 않으며, 고조파 보상 시 필요한 에너지 저장 장치 용량이 크지 않습니다;

(4) 보상 전류가 너무 크더라도 전기 활성 필터는 과부하가 걸리지 않으며 보상을 위해 정상적으로 작동할 수 있습니다;

(5) 전력망 임피던스의 영향을 쉽게 받지 않으며 전력망 임피던스와 쉽게 공명하지 않습니다;

(6) 전력망 주파수의 변화를 추적할 수 있으며 보상 성능은 주파수 변화에 영향을 받지 않습니다;

(7) 단일 고조파 및 무효 전력을 보상하거나 여러 고조파 및 무효 전력을 보상하는 데 집중할 수 있습니다.

3. 소프트 스위칭 기술

전력 전자 기술이 고주파 및 고전력 밀도로 발전함에 따라 하드 스위칭의 스위치 손실과 고조파 간섭이 점점 더 두드러지고 있습니다.

소프트 스위칭 기술은 변환 효율, 디바이스 활용도, 전자기 호환성 및 디바이스 안정성 향상 측면에서 모든 스위치 전력 컨버터에 유용합니다.

특히 일부 특수한 경우(예: 전력 밀도 요구 사항 또는 제한된 열 방출 조건)에 필요합니다. 두 가지 유형의 소프트 스위칭 기술 중 추가 스위칭 장치, 감지 방법 및 제어 전략이 없는 패시브 소프트 스위칭은 낮은 추가 비용, 높은 신뢰성, 높은 변환 효율, 높은 가격 대비 성능 등 많은 장점을 가지고 있습니다.

싱글 엔드 컨버터 제조 분야에서는 기본적으로 주류 입지를 구축했습니다.

토폴로지는 직렬 인덕턴스와 병렬 커패시턴스 방식이 유일한 패시브 소프트 스위칭 수단이며, 여기서 파생된 소위 패시브 소프트 스위칭 기술은 실제로 무손실 흡수 기술입니다.

브리지 인버터 회로는 초기 에너지 흡수형부터 이후 제안된 부분 피드포워드형, 무손실 솔루션까지 모두 부하 의존성이 강하고 작동 주파수 범위가 좁으며 추가 응력이 높고 네트워크가 지나치게 복잡해지는 등의 문제가 있어 실용성이 상대적으로 떨어집니다.

동시에 스위치 전력 장치의 모듈화 추세에 따라 흡수 소자를 배치 할 수있는 공간은 점점 더 작아지고 있으며 인버터 모듈에 적합한 무손실 흡수 기술은 문헌에서 거의 찾아 볼 수 없습니다.

전반적으로 인버터 모듈 애플리케이션에 적합한 패시브 흡수 기술은 특수한 구조와 난이도 때문에 아직 추가 연구 개발이 진행 중입니다.

4. 결론

아크 용접 인버터 전원 공급 장치는 다량의 고조파를 발생시켜 심각한 피해를 유발할 수 있습니다.

고조파를 억제하고 역률을 개선하기 위해서는 그에 상응하는 억제 조치를 취해야합니다. 기존의 패시브 필터 방식은 명백한 한계가있어 적용이 제한되는 반면 액티브 필터 방식은 패시브 필터의 단점을 보완하여 아크 용접 인버터 전원 공급 장치의 고조파를 효과적으로 억제 할 수 있으며 널리 사용되었습니다. 소프트 스위칭 기술도 어느 정도 좋은 필터링 효과를 얻을 수 있습니다.