KR102701846B1

KR102701846B1 - 인버터 방식의 dsp를 이용한 micro 용접장치

Info

Publication number: KR102701846B1
Application number: KR1020230114583A
Authority: KR
Inventors: 김병헌
Original assignee: 내쇼날시스템(주)
Priority date: 2023-08-30
Filing date: 2023-08-30
Publication date: 2024-09-04
Anticipated expiration: 2043-08-30

Abstract

본 발명은 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접 진행 중 초기 설정된 전류값이 일정하게 유지되지 않고 유동적이여서 균일한 용접 품질을 실현하기 어려우며 장시간 용접시 발열로 인한 출력 저하도 나타나며 박판 용접시 변형 제어가 불리한 종래의 문제점을 해소할 수 있는 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치는 본체와, 상기 본체에 연결되고 내부에 전극이 구비되는 용접토치와, 상기 본체에 연결되고 피용접재에 접속되는 용접전극, 및 상기 본체 내에 설치되고 용접토치의 전극과 용접전극에 용접을 위한 전류를 인가하는 전류공급수단을 포함한다.
또한, 상기 전류공급수단은, 상용 교류전류와 연결되는 전원입력부와, 상기 전원입력부에서 입력되는 교류전류를 직류전류로 정류하는 제1 정류부와, 상기 제 1 정류부에서 출력되는 직류전류를 평활시키는 평활부와, 상기 평활부에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시키는 인버터부와, 상기 인버터부에서 출력되는 교류전류를 용접에 적합한 저전압 고전류로 변압시키는 트랜스부와, 상기 트랜스부를 통해 출력되는 교류전류를 다시 정류하여 직류전압으로 변환시키는 제 2 정류부와, 상기 용접토치의 전극 및 용접전극에 연결되어 (+)출력 및 (-)출력을 내보는 출력단자, 및 상기 전류공급수단의 전체 작동을 제어하는 마이크로프로세서를 포함한다.

Description

인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치{MICRO welding machine using inverter type DSP}

본 발명은 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접 진행 중 초기 설정된 전류값이 일정하게 유지되지 않고 유동적이여서 균일한 용접 품질을 실현하기 어려우며 장시간 용접시 발열로 인한 출력 저하도 나타나며 박판 용접시 변형 제어가 불리한 종래의 문제점을 해소할 수 있는 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치에 관한 것이다.

이하에서 기술되는 내용은 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술만을 기재한 것은 아니다.

일반적으로, 티그(TIG, Tungsten Inert Gas) 용접은 비소모성 전극을 사용하고 모재와 전극이 일정간격 거리를 유지한 채 그 사이에서 고주파, 고전압을 인가하여 아크를 발생시키며, 여기서 발생된 아크열을 이용하여 모재와 투입되는 용가재를 녹여서 용접하는 것이다.

이때, 용접 부위에는 헬륨(He), 아르곤(Ar), 이들의 혼합가스 등이 포함된 불활성 가스가 공급된다.

티그 용접은 때로는 이면 비드까지 생성하여야 하는 기술로 상당한 기량이 요구되는 용접기술이다.

또한, 티그 용접은 아크가 안정되고, 용접부 품질이 우수하므로, 산화나 질화 등에 민감한 재질의 용접 및 피복 아크 용접을 적용하기 곤란한 경우에 주로 사용된다.

따라서, 티그 용접은 고급 용접 및 각종 배관의 초층 용접에 주로 사용되고 있다.

한편, 티그 용접의 경우, 비소모성 전극이 모재와 일정한 간격을 유지하여 아크를 발생시키려면 대략 1012V/m의 높은 전압 기울기가 필요하다.

이와 같이 높은 전압 기울기를 얻기 위하여 용접봉과 모재의 거리를 줄이고 전압을 증가시켜야 한다.

여기서, 일반적으로 사용되는 아크 발생 방법으로는 접촉을 이용하는 아크 발생 방법과, 고주파 아크 발생기를 이용하는 아크 발생 방법을 들 수 있다.

접촉을 이용하는 아크 발생 방법은 텅스텐 용접봉을 모재에 순간적으로 접촉시키고, 다시 떨어뜨림으로써, 아크를 발생시키는 방법이고, 용접봉과 모재가 떨어지는 순간의 거리가 아주 작기 때문에 용접기에서 출력되는 수십 볼트(V)의 무부하 전압으로도 아크 발생에 필요한 전압 기울기를 얻을 수 있다.

이 방법은 특별한 장치가 필요 없으나 모재와의 접촉에 의한 용접부의 오염 가능성이 있고, 항시 아크가 발생된다는 보장이 없다.

또한, 수작업에서 주로 사용되고, 고주파 방법을 적용할 수 없는 경우에 사용되지만, 현재에는 거의 사용되지 않고 있다.

고주파 아크 발생기를 이용하는 아크 발생 방법은 접촉을 이용하는 아크 발생 방법의 단점을 보완한 비접촉식이며, 아크의 발생이 보장되므로, 널리 사용되고 있다.

여기서, 고주파 아크 발생기는 고전압과 고주파에 의하여 아크를 발생시키는 것으로, 고전압으로 아크 발생에 필요한 전압 기울기를 얻고, 고주파에 의하여 전류가 쉽게 흐를 수 있도록 한다.

또한, 작업자가 감전되어도 고주파 전류는 표피 효과에 의하여 인체에 표면을 흐르므로, 안전사고를 방지하는 장점이 있다.

고주파 아크 발생기를 사용함에 있어서, 주의할 점은 고주파에 의한 간섭으로써, 이를 차단하지 못하면 주변의 다른 기기에 영향을 미치게 된다.

특히, 계측 기기나 로봇 등의 자동화 장비를 사용하는 경우에 주의하여야 한다.

그러나 일단 아크가 발생하면, 직류의 경우에는 아크가 안정하게 유지되지만, 교류 용접에서는 연속적으로 소멸되고, 재발생시켜야 하므로 고주파 아크 발생기를 항상 작동시켜야 한다.

아크 스타트시 이와 같은 고압 고주파 신호는 높은 수준의 전자파 노이즈신호로 작용하여 티그 용접의 자동화를 곤란하게 하여 대부분의 티그 용접을 수작업에 의해 이루어지도록 하는 원인이 되는 문제점이 있었다.

이에 따라, 티그 용접에 의한 용접부의 품질 평가 역시 작업자의 감각에 의존하거나, 많은 비용을 투입한 비파괴 검사 등에 의존하고 있는 문제점이 있다.

티그 용접에서의 아크 스타트 특성은 고주파, 고전압의 과도응답특성과 저주파, 저전압의 정상 상태 특성을 가지는 것을 알 수 있으며, 과도응답상태의 고주파, 고전압 특성으로 인하여 티그 용접 주변의 전자기기에 대해서도 손상을 가하는 것이다.

실제 티그 용접에서는 아크 스타트 시에 발생되는 스타트 실패 및 지연으로 인하여 그 용접 특성이 많이 나빠지는 것으로 보고되고 있어서 그 과도응답특성에 대한 문제점이 있다.

또한, 티그 용접에서 토치 전극과 피용접부 사이에서 아크를 안정적으로 발생시키는 것이 어렵고, 아크 스타트시에 발생되는 스타트의 실패 및 지연으로 인하여 용접 특성이 나빠지고, 저전류에서의 아크 스타트 시에 급속한 전류의 증대로 인하여 박판의 소손 및 파괴 현상이 발생되었다.

그리고 용접 케이블의 길이에 따라서 아크 스타트의 불량률이 증대되거나, 아크 스타트의 실패가 현저하게 증대되며, 아크가 발생하지 않는 경우도 발생하였다.

한국 특허등록번호 제10-2043394호, 발명의 명칭 "용접용 직류 고압 고주파 발생장치와 이것을 이용한 용접용 아크 발생장치"(등록일자 2019.11.05.)

본 발명은 상기한 문제점 및 필요성을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 용접 진행 중 초기 설정된 전류값이 일정하게 유지되지 않고 유동적이여서 균일한 용접 품질을 실현하기 어려우며 장시간 용접시 발열로 인한 출력 저하도 나타나며 박판 용접시 변형 제어가 불리한 종래의 문제점을 해소하기 위한 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치는 본체와, 상기 본체에 연결되고 내부에 전극이 구비되는 용접토치와, 상기 본체에 연결되고 피용접재에 접속되는 용접전극, 및 상기 본체 내에 설치되고 용접토치의 전극과 용접전극에 용접을 위한 전류를 인가하는 전류공급수단을 포함한다.

또한, 상기 전류공급수단은, 상용 교류전류와 연결되는 전원입력부와, 상기 전원입력부에서 입력되는 교류전류를 직류전류로 정류하는 제1 정류부와, 상기 제 1 정류부에서 출력되는 직류전류를 평활시키는 평활부와, 상기 평활부에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시키는 인버터부와, 상기 인버터부에서 출력되는 교류전류를 용접에 적합한 저전압 고전류로 변압시키는 트랜스부와, 상기 트랜스부를 통해 출력되는 교류전류를 다시 정류하여 직류전압으로 변환시키는 제 2 정류부와, 상기 용접토치의 전극 및 용접전극에 연결되어 (+)출력 및 (-)출력을 내보는 출력단자, 및 상기 전류공급수단의 전체 작동을 제어하는 마이크로프로세서를 포함한다.

본 발명에 따르면, 인버터 용접기의 가장 큰 장점 중 하나는 작고 컴팩트하며 휴대가 간편하고 가벼운 무게의 서류 가방처럼 휴대할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 더 적은 전력을 소모하고 정상적인 가정용 전류에서 작동할 수 있으므로 유지비가 절약되고 원가경쟁력에 도움을 줄 수 있는 이점이 있다.

또한, 인버터 출력 전력은 전자식으로 조절되기 때문에 100%까지 넓은 전력 조정 범위를 가지므로, 특정 요구에 맞게 미세 조정할 수 있으며 출력이 안정되어 균일한 품질의 용접을 할 수 있고 용접 불량을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 20kHz 규모의 고주파 인버터 전원 회로를 적용하여 용접기를 기성 제품의 1/3 ~ 1/2 정도로, 소형 및 경량화 하여 전력비용을 기존 동급 장비의 약 60 ~ 70% 수준으로 유지할 수 있는 이점이 있다.

또한, 현재 가장 널리 사용되고 있는 탄소강을 비롯 스테인리스강, 고합금강 및 고강도강 뿐만 아니라 0.5mm 이하의 매우 얇은 소재의 하스텔로이, 인코넬 등 특수 합금 판재, 관재의 고품질용접에 적용 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류공급수단을 도시한 회로구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류공급수단의 구성 중 IGBT에 대한 예시적인 타임챠트(time chart)이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치의 구성 일부를 촬영한 사진들이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시 예의 구성 요소가 해당 실시 예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시 예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시 예가 통합된 하나의 실시 예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류공급수단을 도시한 회로구성도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전류공급수단의 구성 중 IGBT에 대한 예시적인 타임챠트(time chart)이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치의 구성 일부를 촬영한 사진들이다.

상기한 도면들을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치(100)는 본체(110)와, 상기 본체(110)에 연결되고 내부에 전극이 구비되는 용접토치(120)와, 상기 본체(110)에 연결되고 피용접재(BM)에 접속되는 용접전극(130), 및 상기 본체(110) 내에 설치되고 용접토치(120)의 전극과 용접전극(130)에 용접을 위한 전류를 인가하는 전류공급수단(200)을 포함한다.

또한, 상기 전류공급수단(200)은, 상용 교류전류(AC)와 연결되는 전원입력부(210)와, 상기 전원입력부(210)에서 입력되는 교류전류를 직류전류로 정류하는 제1 정류부(220)와, 상기 제 1 정류부(220)에서 출력되는 직류전류를 평활시키는 평활부(230)와, 상기 평활부(230)에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시키는 인버터부(240)와, 상기 인버터부(240)에서 출력되는 교류전류를 용접에 적합한 저전압 고전류로 변압시키는 트랜스부(250)와, 상기 트랜스부(250)를 통해 출력되는 교류전류를 다시 정류하여 직류전압으로 변환시키는 제 2 정류부(260)와, 상기 용접토치(120)의 전극 및 용접전극(130)에 연결되어 (+)출력 및 (-)출력을 내보는 출력단자(270), 및 상기 전류공급수단(200)의 전체 작동을 제어하는 마이크로프로세서(280)를 포함한다.

또한, 상기 인버터부(240)는 적어도 20kHz 이상의 주파수로 변환된 교류전류를 만들 수 있다.

또한, 상기 인버터부(240)는 4개의 IGBT가 풀브릿지 형태로 배열되어 교차 스위칭을 통해 상기 평활부(240)에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시킬 수 있다.

또한, 상기 인버터부(240)는 Q1(1/2) 및 Q2(1/2)가 동시에 구동되고, Q1(2/2) 및 Q2(2/2)도 동시에 구동되는 풀브릿지 방식의 스위칭 회로일 수 있다.

또한, 상기 인버터부(240)는 IGBT가 온(on)되는 시간에 의해 전류의 흐름 방향이 바뀌고 AC 출력전압을 얻게 되며, 각 IGBT의 턴온(turn on) 시간을 조절하므로 출력전압의 크기를 변화시키는 펄스폭변조(PWM)일 수 있다.

그럼, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치(100)의 구성 및 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치의 전체구조도이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치(100)는 용접토치(120)의 전극과 용접전극(130) 사이에 고전류를 제공하여 용접봉(미도시)을 용해시켜 피용접재를 용접하는 장치이다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명이 제안하는 용접장치(100)는 본체(110)와, 본체(110)에 연결되고 내부에 전극이 구비되는 용접토치(120)와, 본체(110)에 연결되고 피용접재에 접속되는 용접전극(130)과, 본체(110) 내에 설치되고 용접토치(120)의 전극과 용접전극(130)에 용접을 위한 전류를 인가하는 전류공급수단(200)을 포함한다.

여기서, 본체(110)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치(100)의 바디프레임(body fame)을 형성하는 것으로, 용접토치(120)의 전극, 용접전극(130) 및 전류공급수단(200)의 설치프레임을 형성한다.

본체(110)의 전방 하측에는 용접토치(120)가 전기적으로 접속되어 고정된다.

용접토치(120) 내에는 전극이 구비되는데, 용접토치(120)의 전극은 용접전극(130)과 함께 피용접재를 용접하기 위한 용접전극을 형성하는 것으로, 그 자체가 용접봉을 형성할 수도 있고, 용접봉과 별개로 형성될 수 있다.

본체(110)의 전방 하측에는 용접전극(130)이 전기적으로 접속된다.

용접전극(130)은 피용접재에 접하여 피용접재에 용접전류가 흐를 수 있도록 하는 것으로, 단부에는 집게 또는 체결플레이트 형태의 접속부재가 포함된다.

상기 본체(110), 용접토치(120) 및 용접전극(130)은 일반적인 용접기의 구성과 동일·유사하므로, 본 발명에서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본체(110) 내에는 용접 전류의 인가를 위한 인버터식 전류공급수단(200)이 설치된다.

인버터식 전류공급수단(200)의 전류를 공급받아 용접토치(120)의 전극과 용접전극(130)에 용접을 위한 전류를 인가하는 역할을 하는 것으로, 도 2에는 이러한 인버터식 전류공급수단(200)의 회로구성도가 도시된다.

인버터식 전류공급수단(200)은, 도 2에 도시되는 바와 같이, 상용 교류전류(AC)를 공급하는 전원입력부(210)와, 상기 전원입력부(210)에서 입력되는 교류전류를 직류전류로 정류하는 제1 정류부(220)와, 제 1 정류부(220)에서 출력되는 직류전류를 평활시키는 평활부(230)와, 평활부(230)에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시키는 인버터부(240)와, 인버터부(240)에서 출력되는 교류전류를 용접에 적합한 저전압 고전류로 변압시키는 트랜스부(250)와, 트랜스부(250)를 통해 출력되는 교류전류를 다시 정류하여 직류전압으로 변환시키는 제 2 정류부(260)와, 모재(BM) 및 용접기토치(TC)에 연결되어 (+)출력 및 (-)출력을 내보는 출력단자(270), 및 인버터식 전류공급유닛(200)의 전체 작동을 제어하는 마이크로프로세서(280)를 포함한다.

전원입력부(210)는 일반적인 상용 교류전류(AC)를 공급받기 위해서 배선선로에 연결되어 상용 전원(AC) 380V, 또는 220V 60Hz를 입력(input)받는다.

제1 정류부(220)는 전원입력부(210)로부터 입력되는 상용 전원(AC) 380V, 또는 220V 60Hz를 받아 인버터(inverter)로 변환하기 위하여 직류전류를 만드는 것으로, 3상으로 입력되는 교류전류를 직류전류로 정류한다.

제1 정류부(220)는 다이오드가 애노드(+)에서 캐소드(-)로 일방향으로만 전류가 흐르므로, 이러한 특징을 이용하여 AC전류의 (+)측의 전위만 통과되고 반대쪽의 전위는 다른 쪽에 연결된 다이오드에 의해 (+)쪽으로 끌어올리는 전파정류 방식이다.

제1 정류부(220)는 (+)쪽만 몰린 파형을 맥류라고 하고 이것을 평활시키는 콘덴서가 연결되면 직류전류(DC)를 얻을 수 있다.

또한, 제1 정류부(220)는 실시예에 따라 4개의 다이오드를 포함하는 전파정류브릿지회로로 형성될 수도 있다.

평활부(230)는 제1 정류부(220)에서 출력되는 맥동 전류를 정류 또는 검파하여 직류전류로 출력하기 위해 제1 정류부(220)의 출력부에 연결되는 평활용 콘덴서로 구현 가능하다.

인버터부(240)는 평활부(230)에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시키는 것으로, 적어도 20kHz 이상의 높은 주파수로 변환된 교류전류를 만들 수 있다.

즉, 인버터부(240)는 고주파 AC전압으로 변환한 후, 트랜스부(250)의 1차측에 인가한다.

또한, 인버터부(240)는 4개의 IGBT(절연 게이트형 양극성 트랜지스터)가 풀브릿지 형태로 배열되어 교차 스위칭을 통해 평활부(240)에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시키는 형태로 구현 가능하다.

인버터부(240)는 직류전류에서 교류전류를 얻는 스위치 과정을 타임차트로 설명하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바와 같이, Q1(1/2), Q2(1/2)가 동시에 구동되고, Q1(2/2), Q2(2/2)도 동시에 구동되는 풀브릿지 방식의 스위칭 회로이다.

IGBT가 온(on)되는 시간에 의해 전류의 흐름 방향이 바뀌고 AC 출력전압을 얻게 되며, 각 IGBT의 턴온(turn on) 시간을 조절하므로 출력전압의 크기를 변화시킬 수 있다. 이러한 방식이 PWM(pulse width modulation)이다.

특히, 인버터부(240)는 기존의 PLC 개념의 제어 방법에서 한 차원 진전된 DSP(Digital Signal Processor, 디지털신호처리장치)를 이용하여 매우 짧은 시간 내 신속응답체계로 제어함으로써 피용접재에 대한 용접 입열량을 최소화하면서 균일하게 유지할 수 있도록 하여 박판을 용락 없이 변형을 제어하며 안전하게 용접할 수 있다.

인버터부(240)는 1ms(1/1000 sec)까지 제어를 가능하게 하는 디지털 처리 시스템을 설계하여 통합시킴으로써 자동용접은 물론 수동용접을 진행할 때도 정밀 자동 제어 시스템의 작동으로 초박판 용접의 저변형 정밀용접이 가능하게 하며 펄스 용접 모드로 용접 아크가 안정적이고 높은 전류와 낮은 전류의 속도를 변화시켜 용입과 열 배분을 효과적으로 제어할 수 있다.

한편, IGBT는 고전력 스위칭을 위한 전력용 반도체의 일종이다.

전기의 흐름을 막거나 통하게 하는 스위칭 기능은 다른 부품이나 회로로도 구현할 수 있지만 정밀한 동작을 필요로 하는 제품일수록 동작속도가 빠르고 전력의 손실이 적은 전용부품을 필요로 한다.

IGBT는 가격이 저렴한 대신 회로구성이 복잡하고 동작속도가 느린 기존의 스위칭 반도체인 트랜지스터와, 저전력이고 속도가 빠른 대신 비싼 MOSFET의 단점을 보완하고 장점만 결합한 전력스위칭용 반도체이다.

트랜스부(250)는 2차측으로 전압을 출력하여 제2 정류부(260)로 인가하여 주는 것으로, 전자기유도현상을 이용하여 교류전류를 용접에 적합한 저전압 고전류로 변압시키는 교류변압기로 구현 가능하다.

특히, 20kHz이상의 IGBT 전력 변환에 의해 트랜스부(250)는 소형 경량화가 가능하고 종래 용접기의 중량에 비해 1/4로 줄일 수 있고, 크기를 1/3으로 줄일 수 있으며, 취급이나 이동이 더욱 용이해질 수 있다.

제2 정류부(260)는 트랜스부(250)를 통해 출력되는 교류전류를 다시 정류하여 직류전압으로 변환시키는 것으로, 4개의 다이오드를 포함하는 공지 구조의 전파정류브릿지회로로 구현 가능하다.

또한 제 2 정류부(250)는 실시예에 따라 제너다이어드(zener diode)로도 구현될 수 있다.

참고로, 제너다이오드는 정전압 다이오드로, 일정한 전압을 얻을 목적으로 사용되는 소자이다.

제너다이오드는 정방향에서는 일반 다이오드와 동일한 특성을 보이지만 역방향으로 전압을 걸면 일반 다이오드보다 낮은 특정 전압(항복 전압 혹은 제너 전압)에서 역방향 전류가 흐르는 소자이다.

제너다이오드는 정전압을 얻을 목적으로 항복 전압이 크게 낮아지도록 설계되어 있으며, 전기 회로에 공급되는 전압을 안정화하기 위한 정전압원을 구성하는 데 많이 사용된다.

출력단자(270)는 모재(BM) 및 용접기토치(TC)에 연결되어 제2 정류부(260)를 통해 직류전류(DC)로 변환된 출력의 (+)출력, (-)출력을 내보내어 지고, 용접기토치(TC)를 이용하여 용접을 수행하게 된다.

마이크로프로세서(280)는 인버터식 전류공급수단(200)의 전체 작동을 제어함과 동시에, 홀센서 등을 통해 이상 전류의 공급여부를 모니터링하고 크리닝제어, 크레이터전류 제어, 전격방지 작동, 방열팬의 구동 등을 제어하는 역할을 한다.

따라서, 본 발명이 제안하는 용접장치(100)는 소형 경량화를 구현하면서도 미세 조정 용접전류 기능과 보호 기능(과입열, 과전류, 과전압, 저전압, 저상)을 모두 포함하며 고출력 IGBT, 특수 제어 회로 및 보호 회로를 사용하고 고주파 아크 점화, 크레이터 전류, 크레이터 반복, 펄스, 스폿 용접, 상향경사시간, 하향경사시간이 포함되어 다기능, 고품질 용접기의 성능을 갖출 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치(100)는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

또한, 더 적은 전력을 소모하고 정상적인 가정용 전류(상용 전류)에서 작동할 수 있으므로 유지비가 절약되므로 원가경쟁력에 도움을 줄 수 있는 이점이 있다.

또한, 새로운 차원의 제품 출시로 시장의 동종 제품군 대비 경쟁 우위의 확보로 구형 제품 세대교체 및 매출 확대를 기대할 수 있는 이점이 있다.

또한, 기성 제품과 호환성이 높은 신기술의 접목으로 생산 제품군의 종류를 축소할 수 있으므로, 제조 단가를 저감하는 효과로 갱쟁력을 제고할 수 있게 되는 이점이 있다.

또한, 인버터 방식의 기술을 기반으로 여타 아크 용접 장비 제작에 대한 응용이 가능하므로, 고품질의 아크 용접기 제조로 파급할 수 있는 이점이 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 본 발명이 제안하는 용접장치
110 : 본체
120 : 용접토치
130 : 용접전극
200 : 전류공급수단 210 : 전원입력부
220 : 제1 정류부 230 : 평활부
240 : 인버터부 250 : 트랜스부
260 : 제2 정류부 270 : 출력단자
280 : 마이크로프로세서
BM : 모재

Claims

본체;
상기 본체에 연결되고 내부에 전극이 구비되는 용접토치;
상기 본체에 연결되고 피용접재에 접속되는 용접전극; 및
상기 본체 내에 설치되고 용접토치의 전극과 용접전극에 용접을 위한 전류를 인가하는 전류공급수단;을 포함하고,
상기 전류공급수단은,
상용 교류전류와 연결되는 전원입력부와, 상기 전원입력부에서 입력되는 교류전류를 직류전류로 정류하는 제1 정류부와, 상기 제 1 정류부에서 출력되는 직류전류를 평활시키는 평활부와, 상기 평활부에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시키는 인버터부와, 상기 인버터부에서 출력되는 교류전류를 용접에 적합한 저전압 고전류로 변압시키는 트랜스부와, 상기 트랜스부를 통해 출력되는 교류전류를 다시 정류하여 직류전압으로 변환시키는 제 2 정류부와, 상기 용접토치의 전극 및 용접전극에 연결되어 (+)출력 및 (-)출력을 내보는 출력단자, 및 상기 전류공급수단의 전체 작동을 제어하는 마이크로프로세서를 포함하며,
상기 인버터부는 적어도 20kHz 이상의 주파수로 변환되는 교류전류를 만들되 DSP를 이용하여 1ms까지 제어되고, 4개의 IGBT가 풀브릿지 형태로 배열되어 교차 스위칭을 통해 상기 평활부에서 평활된 직류전류를 가변 고주파 교류전류으로 변환시키는, 인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 인버터부는 Q1(1/2) 및 Q2(1/2)가 동시에 구동되고, Q1(2/2) 및 Q2(2/2)도 동시에 구동되는 풀브릿지 방식의 스위칭 회로인,
인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치.
제 1 항에 있어서,
상기 인버터부는 IGBT가 온(on)되는 시간에 의해 전류의 흐름 방향이 바뀌고 AC 출력전압을 얻게 되며, 각 IGBT의 턴온(turn on) 시간을 조절하므로 출력전압의 크기를 변화시키는 펄스폭변조(PWM)인,
인버터 방식의 DSP를 이용한 MICRO 용접장치.