이 글은 3상 위상 제어 정류기, 200A 아크 용접기 점호각과 정전류 제어 계산을 2편으로 나누어 정리한 시리즈의 1편입니다. 이번 편에서는 3상 위상 제어 정류기의 구조와 점호각 제어 원리, 200A 아크 용접 부하와 점호각 계산 예제, 전이 인덕턴스와 중첩각에 의한 전압 강하 및 노칭 해석을 다룹니다.
3상 위상 제어 정류기의 구조와 점호각 제어 원리
아크 용접 공정에서는 모재와 용접봉 사이의 간격 변화에도 불구하고 일정한 용접 비드 형상과 아크 안정성을 유지하기 위해 수하 특성을 갖는 직류 전원이 요구됩니다. 3상 위상 제어 정류기는 6개의 사이리스터(SCR)로 구성된 6펄스 전교량 토폴로지를 사용하여 교류 계통 전력을 직류 전력으로 변환하며, 게이트 트리거 신호의 점호각(α)을 제어하여 출력 전압과 전류를 정밀하게 조절합니다.
SCR 브리지는 상단 3개 소자(T1, T3, T5)와 하단 3개 소자(T4, T6, T2)로 나뉘며, 각 상의 선간 전압 교차점을 기준으로 60° 간격으로 순차 점호됩니다. 자연 전이 시점인 선간 전압 교차각을 α = 0°로 정의하며, 점호각 α를 지연시킴으로써 부하에 인가되는 직류 순시 전압의 도통 구간을 제어합니다.
이상적인 연속 도통 모드(CCM)에서 3상 전교량 위상 제어 정류기의 무부하 평균 직류 출력 전압 V_dc0은 다음과 같은 수식으로 유도됩니다.
식 (1)에서 V_LL은 정류기 입력단 3상 선간 전압의 실효값(RMS)을 나타내며, 전압 변환 계수는 약 1.3505의 값을 갖습니다. 점호각 α가 0°일 때 직류 전압은 최댓값에 도달하며, α가 90°에 근접할수록 평균 출력 전압은 0V로 수렴합니다. 아크 용접기는 작업 중 단락과 아크 발생이 반복되는 급격한 동적 부하 특성을 가지므로, 정류기는 빠른 위상 제어 응답을 통해 출력 전류를 일정하게 유지해야 합니다.
200A 아크 용접 부하와 점호각 계산 예제
산업용 아크 용접 표준 규격(KS/IEC 60974-1)에서는 정격 용접 전류에 따른 부하 동작 전압 관계식을 규정하고 있습니다. 용접 전류 I_dc가 인가될 때 아크 부하 단자 전압 V_arc는 다음 식과 같이 정의됩니다.
식 (2)에 따라 200A 정격 용접 전류를 공급할 때 요구되는 아크 부하 동작 전압은 28.0V로 산출됩니다. 이때 부하에 전달되는 유효 전력은 5600W(5.6kW)입니다.
상용 3상 380V 또는 220V 계통 전압을 직접 정류기에 인가하면 28.0V 출력을 얻기 위해 점호각 α를 80° 이상으로 크게 설정해야 하며, 이는 계통 역률을 극도로 저하시키는 원인이 됩니다. 따라서 실제 아크 용접기에서는 3상 강압 변압기를 사용하여 2차측 선간 전압 V_LL을 60.0V로 낮춘 후 3상 위상 제어 정류기에 공급합니다.
선간 실효 전압 V_LL = 60.0V를 적용할 때, 식 (1)에 따른 무부하 최대 직류 전압 V_dc0은 81.03V입니다. 이상적인 무부하 상태에서 28.0V를 출력하기 위한 점호각 α_ideal의 코사인 값 cos(α_ideal)은 0.3455이며, 이상 점호각 α_ideal은 69.78°로 산출됩니다. 그러나 실제 회로에서는 변압기 누설 인덕턴스와 계통 선로 인덕턴스로 인한 전압 강하가 발생하므로 이를 반드시 보정해야 합니다.
전이 인덕턴스와 중첩각에 의한 전압 강하 및 노칭 해석
실제 전력 계통과 변압기에는 선로 인덕턴스 L_s가 존재합니다. 인덕턴스는 전류의 급격한 변화를 방해하므로, 한 SCR 소자에서 다음 SCR 소자로 전류가 전환될 때 두 소자가 동시에 도통하는 전이 구간이 발생합니다. 이 기간 동안 회로가 일시적으로 선간 단락 상태가 되며 도통 각도인 중첩각 μ가 형성됩니다.
전이 현상으로 인해 직류 출력단에서는 전압 손실이 발생하며, 평균 직류 전압 강하량 ΔV_dc는 전이 인덕턴스 L_s와 직류 출력 전류 I_dc에 비례합니다.
식 (3)에서 ω는 전원 각주파수이며, 60Hz 계통에서 각주파수는 376.99rad/s입니다. 변압기 누설 및 선로 인덕턴스가 50μH이고 부하 전류가 200A일 때의 전이 전압 강하량 ΔV_dc는 3.6V로 계산됩니다. 전이 전압 강하를 반영한 실제 부하 출력 전압 관계식은 다음과 같이 정리됩니다.
식 (4)에 목표 단자 전압 28.0V와 전이 전압 강하량 3.6V를 대입하면 무부하 전압 성분은 31.6V가 요구됩니다. 따라서 점호각 코사인 값 cos(α)는 0.3900이 되며, 실제 보정된 점호각 α는 67.05°로 결정됩니다. 이때의 중첩각 μ는 SCR 소자 간 전이 방정식으로부터 도출됩니다.
식 (5)에 L_s = 50μH, V_LL = 60.0V, I_dc = 200A를 대입하면 cos(α + μ) = 0.3011이 되며, α + μ는 72.47°가 됩니다. 따라서 중첩각 μ는 72.47°에서 67.05°를 뺀 5.42°로 계산됩니다. 전이 기간(5.42°) 동안 교류 입력단 선간 전압이 0V 근처로 순간 강하하는 전이 노칭 현상이 발생합니다. 노칭 전압 강하는 계통의 고조파 왜곡을 심화시키고 인접 제어 장비의 위상 검출 오동작을 유발하므로 적절한 교류 리액터와 RC 스너버 설계가 필수적입니다.
다음 편에서는 이어지는 내용을 계속 설명합니다.