인버터제어방식특성 1. 인버터 (Inverter) 1.1 개요용접산업에있어최근에개발된제품중의하나가 인버터 용접전원 (Power Supply) 이다. 종래인버터는항공산업, 계측제어, 관광차분야등에서조금씩사용되고있었으나, 근래에와서신뢰도가향상되고에너지효율이향상된 IGBT(Insulated gate Biopolar Transistor) 스위칭소자의개발은높은전력의용접전원에적용할수있는기술을탄생시켰다. 인버터제어방식의용접전원은 1차동력 (460/230Volt., 1Ph 또는 3Ph, 60Hz) 을용접가능한직류전류로변화하는기존의용접전원과거의비슷하다. 그러나인버터는기존기기로부터는얻을수없는고유한장점을가지고있다. 그림 1 은인버터와기존용접전원의주된요소들의단순화된계통도이고, 각요소들의전기적에너지변환형태를볼수있다. Trans- Rectifier Filter Weld former Output Conventional Power Source Primary Power Line Sensing, Control Control 460V 100V Input 3Ph 3Ph 60Hz 60Hz 90V AC AC DC Input IGBT or Trans- Rectifier Filter Weld Rectifier Transistor former Output Inverter Power Source Primary Power Line Sensing, Control 600V 460V 3Ph 60Hz AC 600V DC 1Ph 20KHz AC 80V 1Ph 20KHz AC 60V DC [ 그림 1. 기존방식과인버터입. 출력전원의구성요소 ] Control Input
1.2 기존용접기와차이기존용접전원에서초기전원은상 (Phase) 과주파수 (Frequency) 의변화없이직접변압기 (Transformer) 로들어가고전압만낮아진다. 그다음단계인정류기 (Rectifier) 에서 AC 전류는 DC 전류로변환하고, 이것은필터 (Filter) 로전송되어 DC 로출력된다. 출력감지회로망 (Sensing Circuit Monitor) 은 Power Source 에서셋팅된입력제어신호와출력을비교한뒤, 정류기의출력을조정함으로서전체회로는제어된다. 인버터용접전원에서초기전원은정류기로직송되어 AC 는 DC 로변환한다. 그리고 DC 는고전력, 전원트랜지스터 (Transistor) 또는 IGBT 로들어가다시 AC 로변환되며, 20KHz 의매우높은주파수를형성한다. 고주파의 AC 는전압을낮추기위해변압기로직송하고, 저전압고주파수의 AC 는두번째정류기로가고 DC 로변환한다. 이후에는기존용접전원과같이필터로들어가 DC 로출력된다. 출력제어회로에서는입력신호와출력을비교하고, 트랜지스터또는 IGBT 를제어하여입력신호에맞게출력한다. 두가지경우모두초기전원은최종 DC 용접출력으로변환된다. 1.3 인버터와싸이리스터용접전원의회로구성및출력제어싸이리스터 (Thyristor 또는 SCR) 제어용접전원과인버터제어용접전원의회로구성에서의가장큰특징은출력제어의소자의위치인데, 싸이리스터제어의 SCR 소자는변압기의출력측에위치하지만인버터제어의출력소자 (Transistor) 는변압기의입력측에위치한다. 기존방식의용접전원에서는상용교류를감압시킨후싸이리스터에의한도통각제어로출력전류또는전압을제어하지만인버터제어에서의출력은스위칭방식의분류에따라보통주파수를제어하는방법 (PFM, Pulse Frequency Modulation) 과진폭을제어하는방법 (PWM, Pulse Width Modulation) 이사용되고있다. 1 펄스주파수변조 (PFM) : 콘버터에서출력전압을제어하여인버터부로주파수를제어하는방식. 2 펄스폭변조 (PWM) : 인버터부에서주파수와출력전압 ( 전류 ) 을제어한다. 반도체소자를주파수로스위칭하여스위칭펄스폭을변경하는것으로전압 ( 전류 ) 을제어하는방식으로현재범용인버터에서가장많이적용되는인버터이다. 구분 회로구성 종래방식 상용교류위상제어직류
[ 계속 ] P W M 방식 상용교류직류고주파 20kHz 펄스전류직류 [ 그림 2. 용접전원의회로구성비교 ] 2. 스위칭소자의발전 현재까지개발된스위칭소자는싸이리스터 (SCR), GTO(Gate Turn Off Thyristor), Power BJT, Power MOSFET(Metal Oxide Semeconductor Field Effect Transistor) 및 MCT(MOSFET Controlled Thyristor) 등이있으며전력변환기에많이쓰이는전력용스위치의적용범위는다음과같다. 작동주파수 (Hz) 10 용량 8 (VA) GTO 10 7 10 6 10 5 IGBT 10 4 10 3 10 2 MOSFET 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 [ 그림 12. 전력용스위칭소자의적용범위 ] 스위칭소자는인버터뿐만아니라모든전력전자제품의성능을결정짓는가장기본적인요소로서이상적인스위칭소자는다음과같은조건을만족해야한다. 1 스위칭속도가빠를것 2 내압이높을것 3 전력손실이적을것 4 사용이편리할것
60~70 년대에인버터의스위칭소자로주종을이루었던싸이리스터는내압은높으나스위칭속도가느리고자기소호가어려워지금은수 MAV 급이상의대용량에만한정적으로쓰이고있으며, 80 년대에이후에는자기소호 (Commutation Circuit) 가가능한 GTO 를이용한중대용량의인버터가개발되고소용량의인버터는내압을향상시킨 BJT 를적용하여현재까지널리쓰이고있는실정이다. MOSFET 의스위칭속도는타소자에비해매우빠르나 ON 상태에서전력손실이커서일부소용량인버터에쓰이고있다. 근래에와서인버터용으로주목받는스위칭소자는 IGBT 와 MCT 로서현재까지개발된스위칭소자중 1MAV 급이하의중 소용량의인버터에는 IGBT 가최적의스위칭소자인것으로평가되고있으며, 대용량의인버터에많이쓰이는 MCT 는 SCR 과 GTO 를대체할차세대스위칭소자로개발이활발히진행중이다. 3. 인버터의특징 3.1 소형경량화 60Hz 에서작동하는기존용접장치의변압기는매우크고무겁기때문에실적용에있어비효율적인요소로작용된다. 사진 1 은기존 DC 450 Amp (100% Duty Cycle) 의변압기와 DC 500Amp(100% Duty Cycle) 의인버터변압기의크기를나타내었다. Conventional Inverter [ 사진 1. 기존변압기와인버터변압기의크기 ] 변압기의크기는작동주파수에역비례하는데, 작동주파수가높을수록변압기의크기는작
아진다. 변압기의권선수, 코어, 전압및출력의관계식은 N = V 4BSF N : 권선수 V : 전압 F : 주파수 A : 전류 B : 자속밀도 W : 출력 S B N A = W F S : 코어단면적 와같이표현된다. 여기에서주파수를높이면코어단면적과권선수가작은변압기의설계가가능하므로수 KHz ~ 수십 KHz 의주파수를사용하는인버터용접전원이상용주파수를사용하는기존싸이리스터방식의용접기보다변압기의크기를대폭줄일수있으므로, 그림 1 에서나타나듯이인버터에서의작동주파수는초기 60Hz 로부터 20,000Hz 까지변화하며기존의 60Hz 의작동범위보다 300 배이상증가한다. 이러한특성을가진인버터의변압기는결국전체인버터 Power Source 의크기를기존보다더욱작고경량화할수있게되는것이다. 인버터의작아진크기와가벼워진무게는용접기의이동을용이하게하고설치공간이줄어드는이점을가져다주며, 출력측평활회로의직류리액터를소형 경량화할수도있다. 그러나인버터제어에서는방열판등이필요하게되므로실제의전원의크기는싸이리스터제어전원의 ⅓~½이된다. [ 그림 3. Arc 기동시전류파형 ] 3.2 에너지효율인버터의에너지효율은기존의용접전원보다훨씬크게발생하는데, 그이유는변압기에서의전력손실이낮아서정격입력이적어도되므로에너지손실을절감할수있으며, 또한인버터제어형은작업휴지중에는무부하전력손실을차단하는기능이있기때문이다. 그림 4 는일정용접출력을기준하였을때, 입력 KW, 입력 KVA 그리고에너지효율을나타낸다. 데이타에서, 300 ~ 500Amps. 출력범위에서에너지효율의차이는 7 ~ 8% 로거의일정하지만,
200Amps 보다낮은범위에서는인버터가매우효율적임을알수있다. Output Weld Output Input Input Efficiency Amps. KW KW KVA Inv. Conv. Inv. Conv. Inv. Conv. Inv. Conv. 0 0 0 0.2 0.8 0.505 1.600 0 0 100 2.4 2.4 3.0 3.6 3.426 9.455 80.0 66.7 200 5.6 5.6 6.6 7.4 7.011 15.590 84.9 75.7 300 9.6 9.6 10.9 12.0 11.712 20.981 88.1 80.0 400 14.4 14.4 16.2 17.7 17.210 26.000 88.9 81.4 500 20.0 20.0 22.4 24.3 23.823 30.807 89.3 82.3 [ 그림 4. 기존방식과인버터용접전원의에너지효율 ] 입력 KVA 는 1차선에서요구되는전류양을결정한다. 1 차선전류가높을수록케이블의크기는증가하고, 정해진 1 차케이블의치수에서는접속할수있는기기 (Unit) 의수가작아진다. 이러한부분에인버터는우수한특성을가지고있다. 출력 200 Amps. 일경우인버터는기존보다입력 KVA 의약절반을사용하므로, 이미설치된 1 차선에더많은기기를연결할수있고새로운장비의설치에는더작은케이블을사용이가능하기때문이다. 그러므로인버터의활용은용접에소비되는에너지비용을절감시킬수있으며, 다음의몇가지조건에따라효과의증대를꾀할수있다. 1 전원공급방법 2 현재사용되고있는장비 3 용접기정격사용율 (Duty Cycle) 4 용접방법등 3.3 성능 (Performance) 인버터의주된특성은아크성능 ( 아크안정성과제어기능 ) 의뚜렷한향상에있다. 그림 1. 에서살펴보면기존 Power Source 는 3상, 초당 60 Cycle 에서감지및제어회로가정류기로피드백되고있고, 인버터에서는초당 20,000 Cycle 로작동되는트랜지스터로피드백되고있다. 제어회로망은기존출력을초당 360 배, 인버터에서는초당 20,000 배만큼출력을변화시킬수있다. 그이유는인버터의작은변압기보다더큰변압기를가진기존은내부인덕턴스 (Inductance, 변화에대한저항성 ) 가크기때문이다. 그러므로인버터제어식은스위칭반도체소자로수 KHz ~ 수십 KHz 의고주파로스위칭되므로그제어속도및응답속도도상용주파수의수백배의고속제어를가능하게한다. 결국이러한특성은인버터의성능을강화시킴으로아크가안정되어고속용접및고품질의용접을수행할수있게한다.
4. 인버터제어의적용 4.1 다기능용접전원 (Multiprocess Units) 기존용접전원은몇가지의용접프로세스에만사용가능하도록제작되어있다. 그러나이러한용접기는각프로세스에따라한정된범위내에서만사용가능하므로전체범위를수행할수없으며, 어떤것은 1 개의프로세스에절충시켜다른프로세스의결과를얻어내기도한다. 또한각프로세스마다출력단자와셋팅조건을변경해야만되므로작업자의이해력이요구된다. 그래서기존의용접전원은 1가지프로세스에적합하게제작되어사용되는것이일반적이다. [ 사진 2. 다기능인버터용접전원의제어 ] 그렇지만인버터에서는이러한문제를 1 개의접속단자로여러공정의프로세스를최대성능까지출력가능하게됨으로서해결될수있다. 1 셋트의출력단자 (+, ) 를모든프로세스에사용하고, 단순한스위치조작은프로세스의선택이용이하게되어있다. 출력전류는 SMAW 와 GTAW 의값이같고, GMAW 와 FCAW 는출력전압이같으며, 펄스를이용한 GTAW 와 GMAW 가가능하다. 사진 2 에는단순화된인버터용접기를나타내었다. 아크스타트는용접봉이모재에접촉될때순간적인고펄스전류의발생으로시작된다. 이것 은스타트가매우쉬울뿐아니라순간적으로이루어지므로용접사에게감지되지않으며, 모재
에미치는영향도거의없다. 또한인버터는아크집중력을증가하는데아크집중력의증가형태는용접봉끝의용융방울이커질때 Power Source 로부터출력전류가상승하는것으로알수있다. 용접전류는용융방울이모재의용융금속에접촉될때최대가된다. 전자기력 (Electromagnetic Force) 의영향은용융방울의이송속도를증가시켜아크를더욱지향적이고용입을깊게한다. 그림 5 는아크집중력를제어한 SMAW 의전압-전류곡선을나타낸다. 이러한특성곡선은수동용접에서아크의길이를인위적으로짧게유지하여용접전류를높이는경우와거의유사하며, 실용접에서는아아크가측벽으로쏠리는현상이방지되기때문에두꺼운파이프의초층용접에유리하다. 1 2 3 4 Arc Length Base Metal Volts 16 1 2 3 4 1 2 3 4 Min Arc Force Control Max [ 그림 5. SMAW 에서의아크집중력제어 ] 4.2 GTAW 인버터용접기가소형화되면서 GTAW 에사용되는인버터는다음과같은특성을제공한다. 1 저전류의아크안정성 2 리프트또는터치 (Lift or Touch) 스타트기능 3 정밀한입열제어 4 아크길이변화에도안정된아크 5 고전류펄스기능등 인버터의빠른응답성은출력전류범위내제어회로작동이용이하고, 전류의조정을약 1 Amp 까지가능하게한다.
그림 6 은 GTAW 의전압 - 전류관계의동적특성을나타내는것으로, 고전류에서는전압의변 화가적은데비해저전류에서는전압이급속하게상승한다. Volts Amps [ 그림 6. GTAW 의전압 - 전류특성곡선 ] 리프트 (lift) 또는터치 (touch) 스타트는텅스텐봉을모재에접촉한후상승시켜아크를일으 키는방식으로, 수동용접에서많이사용되는스크래치 (Scratch) 스타트방식과비교한차이점은다 음과같다. 1 텅스텐봉을흔들어모재에긁지않고한점에접촉시킨다. 2 용접시작전류는용접사가아닌 Powr Source 에서제어된다. 3 아아크가조용히발생한다. 그림 7 은리프트스타트방식의전류-시간관계를나타낸다. 텅스텐봉이모재의한점 (P) 에접촉했을때용접기는즉시내부적으로용접시작전류가흐르게된다. 용접사가텅스텐봉을들어올려아아크를안정시키는데는 1 초가량의시간만주어진다. 그런다음제어기나용접사에의해용접전류가흐른다. 아크는항상일정한시작전류에서일어남으로조용히발생된다. 만약용접사가 1 초이내에텅스텐봉을들어올리지않으면, 아크는발생하지않고용접기는정지되므로재시도를해야한다. 그러나이러한리프트스타트방식은고주파가완전히제거되고용접사가원하는정확한지점에아크를발생할수장점이있다. 정밀한용접을위해서인버터는제어회로에서출력전류의조정을 1 Amp. 단위보다낮게유지 할수있으나, 일반적인아크길이의변화는인버터출력에영향을주지않는다. 이와같은두특징은박판이나용접이난이한재료에효과적이다.
Amps 20 P Start Current Weld Current 1Sec Max Time to Lift Time [ 그림 7. GTAW 의리프트스타트방식 ] 그리고저펄스비 ( 초당 30 펄스이하 ) 의 GTAW 펄스는용접사가용융푸울을제어하는데자주 쓰이며, 인버터의빠른응답성은수백전류의변화에서초당 500 펄스의비율을가능하게한다. 그림 8 은시간에대한 GTAW 전류의파형을나타내었다. 500 Amps 0.001Sec Average current 50 Time 0.001Sec [ 그림 8. GTAW 의고 저펄스전류파형 ] 고펄스와저펄스의제어는매우중요하며, 그림 8 은적절히제어된출력파형의형태이다. 수 동 GTAW 에서는고펄스로인한장점이크게나타나지는않지만자동용접에서는용접속도가약 25% 증가하고, 용입의제어가용이하여고품질의용접부를형성할수있게된다. 4.3 GMAW 인버터 비교적저전류용접봉의 Short Circuit 이행형태에대한수용성은용접부에서발생하는다량의 스패터와언더컷이문제시되고, 실질적으로대부분의용접절차사양서 (WPS) 에서는 Short Circuit 의
사용을허락하지않는다. 특히, 정전압특성의용접기가요구되는기존 Power Source 의작동에있어서 Short Circuit 이행동안용접전류의상 하비율은변압기형태와인덕턴스간의성능으로결정되지만, 인버터의빠른응답성은인덕턴스의제어가가능하므로 Short Circuit 최대전류를변화시킬수있다. 인덕턴스의제어는용접사가아크를더욱지향적이고집중적으로조절가능하게한다. 인버터의 GMAW 아크특성은 Power Source 에반영이되고용접사에의해조정된다. 이러한특성은 Short Circuit 이행의단점을보완할수있는요소로서작용한다. 4.4 GMAW 펄스인버터인버터 Power Source 개발의주된이유중의하나가 GMAW 펄스사용율의증가에있으며 GMAW 펄스에요구되는주요공정은다음과같다. 1 와이어의스프레이이행형태시 Power Source 의펄스는최대전류 (Ip) 가되고 ; 2 최대전류의고정시간 (Tp) 에서스프레이용융방울은와이어로부터떨어지며 ; 3 펄스전류는아아크를충분히유지시키며금속이행을하지않는저전류준위 (Ib) 까지내려간후 ; 4 다음용융방울이떨어질때까지최저전류시간 (Tb) 이유지되고 ; 5 공정은반복된다. 그림 9 는전류 - 시간간의펄스파형을나타내고, 평균전류 (Iavg) 는 Short Circuit 전류범위내최 고 저전류의시간에대한평균값이다. Power Source 의펄스파형이최고전류에서정전류 (CC) 방식 을최저전류에서는정전압 (CV) 방식을취하고있슴이주목된다. Amps Ip Wire Tp CC Mode Peak Spray Globular Tb Iavg CV Mode Background Ib Time [ 그림 9. GMAW 의전류-시간전류파형 ] 4.5 SMAW 인버터인버터가도입된 SMAW 용접기는응답성이매우빠르기때문에, 이것은아크스타트와집중력 (Arc Force) 을향상시켜용접사에게더나은조건을제공할수있다. 와이어송급장치에서와이어가송급되는동안 Power Source 에서는아크에너지가발산되고,
Power Source 로부터의출력에너지는와이어송급속도와균형을이룬다. 와이어송급속도의변화에따른평균전류와펄스의변화가그림 10 에나타나있고, 이그림 에서인버터 Power Source 가 GMAW 펄스용접을제어할수있는형태를이해할수있다. Amps Iavg Iavg Iavg Tb Tb Tb Time WFS#1 WFS#2 WFS#3 [ 그림 10. 와이어속도조절 (WFS) 과저펄스시간 (Tb) 의관계 ] GMAW-P 의장점 파이프용접시저전류 - 정전압적용 - Short Circuit 전류준위에서전자세 Spray 이행 - Short Circuit 의문제점을보완, 다층용접에서형태가능용착량증대. 고정또는회전하는파이프에사용가능. - 대부분의재질에적용가능 - 현재 GTAW, SMAW 기법을적용하는고합금강, 고장력강에사용. 아아크발생이쉽고용접속도향상. - Short Circiut 전류에비해스패터발생량감소 - 후열시간감소 - 입열제어향상 - 입열제어가필요한재질 - 더큰와이어지름사용 - 와이어송급문제감소 [ 그림 11. GMAW 펄스를파이프용접에적용할경우효과 ] 5. 인버터와자동제어
인버터의빠른응답성을컴퓨터와로보트등에접속하여제어기능을더욱강화할수있다. 대부분의상업용인버터용접기는출력을제어하기위해아날로그입력방식을요구한다. 그렇지만인버터의향상된아크생성신호는용접전원에서발생되고자동제어패널로전송된다. 이신호는동시적으로토치를움직이게하거나다른부품을구동하는데쓰이며, 용접전원은아크를중지없이쉽게제어하고변화한다. 그러므로인버터의장점을최대한활용하기위해서는최소한다음과같은자동제어요소가필요하다. 1 디지털출력방식 : 전류는 1amp 씩조정, 전압은 0.1volt 씩조정가능 2 시간은최소한 0.1 초단위의증분조정가능 3 디지털제어방식의피드백와이어송급비 4 아크생성신호를감지하고전송하는드라이버 5 설정시간내아아크가발생하지않을경우자동으로전원차단 6 접지오류감지회로 7 아크가중단되었을경우자동으로전원차단등 6. 결언 인버터에대해서는그적용분야를비롯해서제어기술의발전추세, 인버터회로의설계, 인버터에쓰이는스위칭소자의개발동향등이미많은연구가이루어지고있으나실제용접전원부문에이용되는적용성에대해서는관련된자료가미비하여본문에는기본적인원리와주요특성에중점을두었다. 또한인버터용접기와일반용접기의상호원리적성능을비교해봄으로서인버터와용접전원에관련된기술적특성에대한이론적인사항을개략적으로고찰해보았다. 인버터제어방식용접전원이기존용접장치에비해가격이고가인것과기존의용접전원과호환성을이루지못하는부분이구매자들에게부담이되고있으나, 최근에와서용접기의수요가점차고속 정밀제어, 소형 경량화로요구됨에따라인버터용접전원의높은에너지효율성및고품질의제품제작가능성의이점은기존용접기보다우수한특성을나타냄으로서인버터용접기의보급은급수적으로확대될전망되며, 실제대부분의생산현장에서서히적용되고있는상황이다. 현재에는전류형인버터보다는효율이높고무게가가벼운전압형인버터를선호하고있지만, 인버터의성능을제한하는스위칭소자의내압과스위칭속도의한계의근본적인요소는결국스위칭소자가갖는특성을최대한도으로활용하려는한인버터의대용량화, 고속스위칭화를위한기술의개발도지속될것이다.