KR20150082631A - 엔진 발전기 및 배터리를 포함하는 아크 용접 시스템과, 이러한 아크 용접 시스템 내에서 배터리 재충전을 제어하는 방법 - Google Patents

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앤드류 피 메클러
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링컨 글로벌, 인크.
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Abstract

용접 전원 장치(10)는 스위칭 타입의 전력 변환기(32)를 포함한다. 용접 전극(22)은 전력 변환기로부터 전기 에너지를 수신하도록 그리고 전기 아크를 생성하도록 전력 변환기(32)에 연결된다. 아크(20)를 생성하기 위해 전기 에너지를 공급하도록 용접 전원 장치(10)에 엔진 발전기가 연결된다. 엔진 발전기는 복수의 전기자 권선들(26, 28, 30), 및 계자 권선(32)을 포함한다. 아크(20)를 생성하기 위해 추가적인 전기 에너지를 용접 전원 장치(10)에 동시에 공급하도록 그리고 용접 전원 장치를 통해 엔진 발전기로부터 전기 에너지를 수신하여 배터리(18)를 재충전하도록, 용접 전원 장치(10)에 배터리(18)가 연결된다. 센서(54, 58)는 배터리 전압 및/또는 전류를 감지하고, 배터리 전압 및/또는 전류에 대응하는 신호를 재충전 동안 출력한다. 계자 권선(32)에 그리고 센서(54, 58)에 계자 컨트롤러(50)가 연결된다. 계자 컨트롤러(50)는 센서(54, 58)로부터 신호를 수신하고 센서(54, 58)로부터의 신호에 기초하여 재충전 동안 계자 권선(32)을 통하는 전류 흐름의 레벨을 자동적으로 조정한다.

Description

엔진 발전기 및 배터리를 포함하는 아크 용접 시스템과, 이러한 아크 용접 시스템 내에서 배터리 재충전을 제어하는 방법{ARC WELDING SYSTEM COMPRISING A ENGINE GENERATOR AND A BATTERY；METHOD OF CONTROLLING BATTERY RECHARGING IN SUCH ARC WELDING SYSTEM}
관련 출원에 대한 교차 참조
2012년 11월 13일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/725,667호의 이점이 본원에 의해 청구되며 그 개시는 참조에 의해 본원에 통합된다.
발명의 분야
본 발명은 용접기에 전력을 공급하기 위한 발전기 및 배터리 뱅크 둘 다를 구비하는 하이브리드 구동식 아크 용접기(hybrid powered arc welder)에 관한 것이다.
하이브리드 구동식 아크 용접기는 전력을 용접기에 제공하기 위한 배터리 뱅크를 포함할 수 있다. 용접기는 배터리 뱅크 단독으로부터, 발전기 단독으로부터, 또는 (예를 들면, 부하 관리(peak shaving)를 위해) 발전기와 배터리 뱅크에 의해 동시적으로 전력을 제공받을 수 있다. 용접 전력(welding power)과 제어 회로부(control circuitry) 및 엔진 발전기(engine-generator) 제어 회로부를 구비하는 것 외에, 하이브리드 구동식 아크 용접기는 발전기에 의해 제공되는 전력으로부터 배터리 뱅크를 충전하기 위한 배터리 충전 회로부(battery charging circuitry)를 포함한다. 충전 회로부는 용접기의 비용과 복잡성을 증가시킨다. 하이브리드 용접기에서, 배터리 뱅크를 충전하는 데 전용되는 회로부의 양을 최소화하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 청구항 1에 따른 아크 용접 시스템(arc welding system) 또는 청구항 12에 따른 방법에 의해 이 문제를 해결한다. 바람직한 실시형태는 종속항에서 개시된다. 청구항 12에 따른 방법은, 제어의 단계가 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나에 기초하여 배터리 재충전(recharging) 동안 계자 권선(field winding)을 통하는 전류 흐름의 레벨을 자동적으로 조정하는 것을 포함하면 특히 바람직하다. 청구항 13에 따른 방법은, 계자 컨트롤러(field controller)에 의해 주변 온도를 모니터링하는 단계를 더 포함하면(계자 컨트롤러는 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 상기 하나를 주변 온도에 기초하여 선택함) 및/또는 계자 컨트롤러에 의해 배터리 온도를 모니터링하는 단계를 더 포함하면(계자 컨트롤러는 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 상기 하나를 배터리 온도에 기초하여 선택함) 특히 바람직하다. 하기의 개요는 본원에서 논의되는 시스템 및 방법의 몇몇 양태들의 기본 이해를 제공하기 위해 단순화된 개요를 제시한다. 이 개요는 본원에서 논의되는 시스템 및 방법의 광대한 개관은 아니다. 그것은 중요한 엘리먼트를 식별하거나 또는 이러한 시스템 및 방법의 범위를 기술하도록 의도된 것은 아니다. 그 유일한 목적은 하기에 제시되는 상세한 설명에 대한 전조(prelude)로서 몇몇 개념들을 단순화된 형태로 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 양태 및 실시형태는 하기에 요약된다. 예시적인 양태들 및/또는 실시형태들은 개별적으로 또는 서로 결합하여 제공될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 스위칭 타입의 전력 변환기를 포함하는 용접 전원 장치(welding power supply)가 제공된다. 스위칭 타입의 전력 변환기로부터 전기 에너지를 수신하도록 그리고 아크 용접 시스템으로부터 전기적 아크를 생성하도록 스위칭 타입의 전력 변환기에 용접 전극(welding electrode)이 동작적으로(operatively) 연결된다. 아크 생성을 위해 전기 에너지를 용접 전원 장치에 공급하도록 엔진 발전기가 용접 전원 장치에 동작적으로 연결된다. 엔진 발전기는 용접 전원 장치에 전기 에너지를 공급하기 위한 복수의 전기자 권선(armature winding)들, 및 계자 권선을 포함한다. 아크 생성을 위해 추가적인 전기 에너지를 용접 전원 장치에 동시에 공급하도록 그리고 용접 전원 장치를 통해 엔진 발전기로부터 전기 에너지를 수신하여 배터리를 재충전하도록, 배터리가 용접 전원 장치에 동작적으로 연결된다. 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나를 감지하도록 그리고 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나에 대응하는 신호를 배터리 재충전 동안 출력하도록, 센서가 구성된다. 엔진 발전기의 계자 권선에 그리고 센서에 계자 컨트롤러가 동작적으로 연결된다. 계자 컨트롤러는 센서로부터 신호를 수신하도록 그리고 센서로부터의 신호에 기초하여 배터리 재충전 동안 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 자동적으로 조정하도록 구성된다.
소정의 실시형태에서, 계자 컨트롤러는 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하기 위해 계자 권선으로 펄스 변조 신호를 제공한다. 소정의 실시형태에서, 센서는 배터리 전류를 감지하도록 구성되고, 계자 컨트롤러는 배터리 전류의 흐름 방향으로부터 배터리가 재충전되고 있는지를 결정하도록 구성된다. 소정의 실시형태에서, 계자 컨트롤러는 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 하나에 기초하여 배터리 재충전 동안 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하도록 구성되는데, 제1의 계자 전류 레벨은 제2의 계자 전류 레벨보다 더 높고 제1의 재충전 속도는 제2의 재충전 속도보다 더 빠르다. 다른 실시형태에서, 제1의 재충전 속도 및 제2의 재충전 속도는 유저가 선택가능한 재충전 속도이다. 다른 실시형태에서, 제1의 재충전 속도는 용접 동안의 배터리의 방전 속도를 초과한다. 다른 실시형태에서, 제2의 재충전 속도는 용접 동안의 배터리의 방전 속도와 거의 동일하다. 다른 실시형태에서, 스위칭 타입의 전력 변환기는 정류기, 스위칭 회로 및 정류기와 스위칭 회로를 연결하는 DC 버스를 포함하는데, 배터리는 DC 버스에 연결되고, 제1의 계자 전류 레벨에서 계자 권선에 의한 전기자 권선의 여자(excitation)로 인한 DC 버스의 전압 레벨은, 제2의 계자 전류 레벨에서 계자 권선에 의한 전기자 권선의 여자로 인한 DC 버스의 전압 레벨보다 더 높다. 다른 실시형태에서, 아크 용접 시스템은 계자 컨트롤러에 온도 신호를 제공하도록 계자 컨트롤러에 동작적으로 연결되는 온도 센서를 포함하는데, 계자 컨트롤러는 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 하나를 온도 신호에 기초하여 자동적으로 선택하도록, 그리고 제1의 계자 전류 레벨 및 제2의 계자 전류 레벨 중 선택된 하나에 기초하여 배터리 재충전 동안 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하도록 구성된다. 또 다른 실시형태에서, 계자 컨트롤러는 온도 임계치를 저장하고 온도 신호를 온도 임계치에 비교하고, 온도 신호를 온도 임계치에 비교한 결과에 기초하여 제1의 계자 전류 레벨 및 제2의 계자 전류 레벨 중 상기 하나를 자동적으로 선택한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 스위칭 타입의 전력 변환기를 포함하는 용접 전원 장치가 제공된다. 스위칭 타입의 전력 변환기로부터 전기 에너지를 수신하도록 그리고 아크 용접 시스템으로부터 전기적 아크를 생성하도록 스위칭 타입의 전력 변환기에 용접 전극이 동작적으로 연결된다. 아크 생성을 위해 전기 에너지를 용접 전원 장치에 공급하도록 엔진 발전기가 용접 전원 장치에 동작적으로 연결된다. 엔진 발전기는 용접 전원 장치에 전기 에너지를 공급하기 위한 복수의 전기자 권선(armature winding)들, 및 계자 권선을 포함한다. 아크 생성을 위해 추가적인 전기 에너지를 용접 전원 장치에 동시에 공급하도록 그리고 용접 전원 장치를 통해 엔진 발전기로부터 전기 에너지를 수신하여 배터리를 재충전하도록, 배터리가 용접 전원 장치에 동작적으로 연결된다. 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나를 감지하도록 그리고 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나에 대응하는 신호를 배터리 재충전 동안 출력하도록, 센서가 구성된다. 엔진 발전기의 계자 권선에 그리고 센서에 계자 컨트롤러가 동작적으로 연결된다. 계자 컨트롤러는 센서로부터 신호를 수신하도록 그리고 센서로부터의 신호에 기초하여 배터리 재충전 동안 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하도록 구성되는데, 계자 컨트롤러는, 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 하나가 되도록, 배터리 재충전 동안 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하도록 구성된다. 제1의 계자 전류 레벨은 제2의 계자 전류 레벨보다 높고 제1의 재충전 속도는 제2의 재충전 속도보다 빠르다.
소정의 실시형태에서, 계자 컨트롤러는 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하기 위해 펄스 변조 신호를 계자 권선으로 제공한다. 소정의 실시형태에서, 센서는 배터리 전류를 감지하도록 구성되고, 계자 컨트롤러는 배터리 전류의 흐름 방향으로부터 배터리가 재충전되고 있는지를 결정하도록 구성된다. 소정의 실시형태에서, 제1의 재충전 속도 및 제2의 재충전 속도는 유저가 선택가능한 재충전 속도들이다. 소정의 실시형태에서, 제1의 재충전 속도는 용접 동안의 배터리의 방전 속도를 초과한다. 소정의 실시형태에서, 제2의 재충전 속도는 용접 동안의 배터리의 방전 속도와 거의 동일하다. 소정의 실시형태에서, 스위칭 타입의 전력 변환기는 정류기, 스위칭 회로 및 정류기와 스위칭 회로를 연결하는 DC 버스를 포함하는데, 배터리는 DC 버스에 연결되고, 제1의 계자 전류 레벨에서 계자 권선에 의한 전기자 권선의 여자로 인한 DC 버스의 전압 레벨은, 제2의 계자 전류 레벨에서 계자 권선에 의한 전기자 권선의 여자로 인한 DC 버스의 전압 레벨보다 더 높다. 소정의 실시형태에서, 아크 용접 시스템은 계자 컨트롤러에 온도 신호를 제공하도록 계자 컨트롤러에 동작적으로 연결되는 온도 센서를 포함하는데, 계자 컨트롤러는 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 하나를 온도 신호에 기초하여 자동적으로 선택하도록, 그리고 제1의 계자 전류 레벨 및 제2의 계자 전류 레벨 중 선택된 하나에 기초하여 배터리 재충전 동안 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하도록 구성된다. 다른 실시형태에서, 계자 컨트롤러는 온도 임계치를 저장하고 온도 신호를 온도 임계치에 비교하고, 온도 신호를 온도 임계치에 비교한 결과에 기초하여 제1의 계자 전류 레벨 및 제2의 계자 전류 레벨 중 상기 하나를 자동적으로 선택한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템에서 배터리 재충전을 제어하는 방법이 제공된다. 그 방법은 아크 용접 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 아크 용접 시스템은 스위칭 타입 전력 변환기를 포함하는 용접 전원 장치; 스위칭 타입의 전력 변환기에 동작적으로 연결되는 용접 전극; 용접 전원 장치에 동작적으로 연결되며, 복수의 전기자 권선들과 계자 권선을 포함하는 엔진 발전기; 용접 전원 장치에 동작적으로 연결되는 배터리; 및 계자 권선에 동작적으로 연결되는 계자 컨트롤러를 포함한다. 그 방법은 용접 동작 동안 엔진 발전기 및 배터리 둘 다에 의해 용접 전원 장치로 동시에 전기 에너지를 공급하는 단계를 포함한다. 배터리는 용접 전원 장치를 통해 엔진 발전기에 의해 재충전된다. 계자 컨트롤러는 재충전 동안 배터리의 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나를 모니터링한다. 그 방법은, 재충전 동안 계자 컨트롤러에 의해, 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나에 기초하여 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하는 단계를 포함한다.
소정의 실시형태에서, 제어의 단계는 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나에 기초하여 배터리 재충전 동안 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 자동적으로 조정하는 것을 포함한다. 소정의 실시형태에서, 그 방법은, 계자 컨트롤러에 의해, 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 하나를, 계자 전류 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨로서 선택하는 단계를 더 포함하는데, 제1의 계자 전류 레벨은 제2의 계자 전류 레벨보다 더 높고 제1의 재충전 속도는 제2의 재충전 속도보다 더 빠르다. 다른 실시형태에서, 제1의 재충전 속도는 용접 동작 동안의 배터리의 방전 속도를 초과하고, 제2의 재충전 속도는 용접 동작 동안의 배터리의 방전 속도와 거의 동일하다. 다른 실시형태에서, 스위칭 타입의 전력 변환기는 정류기, 스위칭 회로 및 정류기와 스위칭 회로를 연결하는 DC 버스를 포함하는데, 배터리는 DC 버스에 연결되고, 제1의 계자 전류 레벨에서 계자 권선에 의한 전기자 권선의 여자로 인한 DC 버스의 전압 레벨은, 제2의 계자 전류 레벨에서 계자 권선에 의한 전기자 권선의 여자로 인한 DC 버스의 전압 레벨보다 더 높다. 다른 실시형태에서, 그 방법은, 계자 컨트롤러에 의해, 주변 온도를 모니터링하는 단계를 포함하는데, 계자 컨트롤러는 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 상기 하나를 주변 온도에 기초하여 선택한다. 다른 실시형태에서, 그 방법은, 계자 컨트롤러에 의해, 주변 온도를 모니터링하는 단계를 포함하는데, 계자 컨트롤러는 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 상기 하나를 배터리 온도에 기초하여 선택한다.
도 1은 예시적인 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템의 개략도이다;
도 2는 예시적인 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템의 개략도이다;
도 3은 예시적인 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템의 개략도이다;
도 4는 예시적인 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템의 일부의 개략도이다; 그리고
도 5는 배터리 재충전을 제어하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
본 발명은 용접기에 전력을 공급하기 위한 발전기 및 배터리 뱅크 둘 다를 구비하는 하이브리드 구동식 아크 용접기에 관한 것이다. 이제, 도면을 참조로 본 발명이 설명될 것인데, 도면 전체에 걸쳐 동일한 엘리먼트를 가리키기 위해 동일한 도면 부호가 사용된다. 다양한 도면들은, 도면들 사이가, 또한, 특히 컴포넌트의 사이즈가 도면의 이해를 용이하게 하기 위해 임의적으로 묘사되는 주어진 도면에서도, 반드시 일정 비율로 묘사될 필요는 없음을 알 수 있을 것이다. 하기의 설명 설명에서, 설명을 위한 목적으로, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 상세(details)가 설명된다. 그러나, 본 발명은 이들 특정 상세 없이도 실시될 수 있음이 명백할 수도 있다. 추가적으로, 본 발명의 다른 실시형태도 가능하며 본 발명은 설명된 것과 다른 방식으로 실시되고 수행될 수 있다. 본 발명을 설명하는 데 사용되는 용어 및 어구(phraseology)는 본 발명의 이해를 촉진하기 위한 목적으로 활용되며 제한하는 것으로 간주되어선 안된다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "용접"은 아크 용접 프로세스를 지칭한다. 예시적인 아크 용접 프로세스는 SMAW(shielded metal arc welding; 피복 아크 용접)(예를 들면, 스틱 용접), FCAW(flux cored arc welding; 플럭스 코어드 아크 용접), 및 GMAW(gas metal arc welding; 가스 금속 아크 용접), GTAW(gas tungsten arc welding; 가스 텅스텐 아크 용접) 등과 같은 다른 용접 프로세스를 포함한다.
예시적인 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템(10)이 도 1에 개략적으로 도시된다. 용접 시스템(10)은 엔진(14)에 의해 구동되어 엔진 발전기를 형성하는 발전기(12)를 포함한다. 예시적인 엔진은 디젤 엔진, 가솔린 엔진, LP 가스 엔진 등을 포함한다. 발전기(12)는 용접 전원 장치(16)(이하, "용접기")에 전력을 제공하기 위한 전기 에너지를 생성한다. 발전기(12)는 동기식 3상 교류발전기(synchronous 3-phase alternator)인 것으로 개략적으로 도시된다. 그러나, 발전기는 동기식 3상 교류발전기일 필요는 없다. 예를 들면, 발전기는 필요에 따라 단상 교류발전기이거나 DC 발전기일 수 있을 것이다.
하이브리드 구동식 아크 용접 시스템(10)은 용접기에 전력을 제공하기 위해 용접기(16)에 동작적으로 연결되는 배터리(18)를 더 포함한다. 배터리(18)는, 통상적으로, 아크 용접에 적합한 DC 전압 레벨(예를 들면, 80-100 VDC)을 제공하도록 연결되는 복수의 배터리들을 포함하는 배터리 뱅크의 형태이다. 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "배터리"는 개개의 배터리 및 배터리의 뱅크(예를 들면, 일렬로 연결된 복수의 배터리들) 둘 다를 지칭한다. 용접기(16)는 용접 동작을 수행할 때 엔진 발전기 단독에 의해, 배터리(18) 단독에 의해, 또는 발전기와 배터리에 의해 동시에 전력을 제공받을 수 있다. 용접 동작은, 용접 전극(22)(소모성 또는 비소모성)과 워크피스(24) 사이에서 연장하는 전기 아크(20)로서 도 1에 개략적으로 도시된다. 따라서, 엔진 발전기와 배터리는 필요 전기 에너지를 용접기에 동시에 공급하여 아크(20)를 생성할 수 있다.
하이브리드 구동식 아크 용접 시스템은 종래의 발전기 구동식 용접기(generator-powered welders)에 비해 여러 이점들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 실내 용접시, 엔진을 동작시킬 필요 없이 배터리 전력만을 사용하여 용접하는 것이 바람직하다. 또한, 하이브리드 시스템에서는, 여전히 동일한 최대 용접 전류를 제공하면서, 종래의 발전기 구동식 시스템과 비교하여 더 작은 엔진이 종종 사용될 수 있는데, 최대 용접 전류가 적어도 부분적으로 배터리 뱅크에 의해 공급될 것이기 때문이다. 작은 엔진은 큰 엔진에 비해 상당히 저렴할 수 있다. 예를 들면, 큰 엔진은 작은 엔진보다 더 고가의 배기 가스 제어부(emissions control)를 가질 수도 있다. 미국에서, 25HP 이상의 디젤 엔진을 활용하는 용접기는 미국환경보건국(Environmental Protection Agency)의 T4F(Tier 4 Final; 티어4파이널) 규정을 준수해야 할 것이다. T4F 규제를 충족하는 데 필요한 배기 가스 제어부와 관련된 비용의 관점에서, 엔진을 25 HP 아래로 유지하는 것이 바람직할 것이다. 따라서, 엔진의 사이즈를 줄이는 것이 유익할 것이다.
하기에 설명되는 바와 같이, 엔진 발전기는 용접기 (6) 내의 DC 버스 전압을 통해 배터리(18)를 충전하도록 구성되고, 충전은 발전기의 여자 자계(excitation field)(이하, "자계(field)")를 조절하는 것에 의해 제어된다. 배터리 충전을 제어하도록 발전기의 자계를 조절함으로써, 추가적인 전용 충전 회로에 대한 필요성은 감소된다. 발전기의 자계는, 배터리(18)가 존재했는지에 무관하게, 발전기의 출력 전압을 제어하도록 적절한 계자 제어 회로부에 의해 제어될 것이다. 용접 시스템(10)은 계자 제어 회로부를 활용하고, 또한 배터리 충전을 제어하기 위해 그것을 사용하여 추가적인 충전 회로부에 대한 필요성을 최소화한다.
하이브리드 구동식 아크 용접 시스템(10)의 더 상세한 개략도가 도 2에 도시된다. 발전기의 3개의 전기자 권선들(26, 28, 30)은 용접기 내의 스위칭 타입의 전력 변환기(32)로 전기 에너지를 공급한다. 전기자 권선들(26, 28, 30)은 통상적으로 회전 자계(rotating field)에 의한 여자를 위해 발전기의 고정자 부분 상에 위치될 것이다. 회전 여자 자계(rotating excitation field)를 생성하기 위한 회전자 부분에 계자 권선(52)이 위치될 수 있다. 대안적으로, 필요하다면, 전기자 권선이 회전자 부분 위치될 수 있을 것이고 계자 권선이 고정자 부분에 위치될 수 있을 것이다.
용접기(16)(도 1)는 스위칭 타입의 전력 변환기(32)를 포함한다. 예시적인 스위칭 타입 전력 변환기(32)는 DC 쵸퍼, 인버터 등을 포함한다. 발전기로부터의 AC 전력은 전력 변환기 내의 정류기(34)에 의해 정류된다. 정류기(34)로부터의 DC 출력은 용접기의 DC 버스(37)에 공급된다. 그 다음, DC 버스(37)는 전력을 스위칭 회로, 예컨대 쵸퍼 또는 인버터(36)로 공급한다. DC 버스(37)는 또한 엔진 발전기로부터 배터리(18)로 재충전 전력을 공급하고, 또한 배터리로부터 DC 전력을 수신하여 쵸퍼/인버터(36)로 공급한다.
쵸퍼/인버터(36)로부터의 전기 리드들(38, 40)은 아크 용접 전류에 대한 완전한 회로를 제공한다. 아크 용접 전류는 쵸퍼/인버터(36)로부터 전극(22)을 통해, 아크(20)를 가로질러 워크피스(24)를 통해 흐른다. 용접 전극(22)은, 아크(20) 생성을 위해 (엔진 발전기 및/또는 배터리에 의해 공급되는 바와 같이) 스위칭 타입의 전력 변환기로부터 전기 에너지를 수신하도록, 전기 리드들(38, 40)을 통해 스위칭 타입의 전력 변환기(32)에 동작적으로 연결된다.
용접 시스템(10)은 용접 파형 컨트롤러(42)를 포함한다. 용접 파형 컨트롤러(42)는 스위칭 타입의 전력 변환기(32)에 동작적으로 연결되고 파형 제어 신호(44)를 스위칭 타입의 전력 변환기(32)에 제공한다. 용접 파형 컨트롤러(42)는 파형 제어 신호(44)를 통해 스위칭 타입의 전력 변환기(32)의 출력을 제어하여, 소망의 용접 파형, 용접 전압, 용접 전류 등을 달성한다. 용접 파형 컨트롤러(42)는 용접 프로세스의 다양한 양태들을 피드백 신호를 통해 모니터링한다. 예를 들면, 변류기(current transformer; CT)(46) 또는 분류기(shunt)와 같은 전류 센서가 용접 전류 피드백 신호를 용접 파형 컨트롤러(42)로 제공할 수 있고, 전압 센서(48)가 용접 전압 피드백 신호를 컨트롤러로 제공할 수 있다.
용접 파형 컨트롤러(42)는 전자 컨트롤러일 수 있고 프로세서를 포함할 수도 있다. 용접 파형 컨트롤러(42)는 하나 이상의 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, DSP(digital signal processor; 디지털 신호 프로세서), ASIC(application specific integrated circuit; 주문형 반도체), FPGA(field-programmable gate array; 필드 프로그래머블 게이트 어레이), 이산 로직 회로부 등을 포함할 수 있다. 용접 파형 컨트롤러(42)는, 본원에서 컨트롤러에 부여된 기능성을 컨트롤러로 하여금 제공하게 하는 프로그램 명령을 저장하는 메모리부(예를 들면, RAM 또는 ROM)를 포함할 수 있다.
용접 파형 컨트롤러(42) 외에, 용접 시스템(10)은 계자 컨트롤러(50)를 포함한다. 계자 컨트롤러(50)는 발전기의 계자 권선에 연결되고 계자 권선(52)에서의 전류(If)를 액티브하게 제어하여, 최종 DC 버스(37) 전압을 제어하게 된다. 계자 전류(If)의 레벨을 조정 또는 조절하는 것에 의해, 발전기의 전압 출력은 제어될 수 있고, 그 결과 DC 버스(37) 전압을 조정하게 된다. 다양한 계자 전류(If) 레벨에서 계자 권선(52)에 의한 전기자 권선들(26, 28, 30)의 여자는 DC 버스(37)에서 각각의 다양하고 상이한 전압 레벨들로 귀결된다. 계자 컨트롤러(50)는 계자 전류(If)에 따라 DC 버스(37) 전압을 제어하는 자신의 능력을 사용하여 DC 버스(37)로부터 배터리(18)의 재충전을 또한 제어한다. 즉, 계자 컨트롤러(50)는 계자 전류(If)를 제어하는 것에 의해 배터리 재충전을 제어한다. 용접 동안 또는 용접 동작 사이에서 엔진 발전기가 동작하고 있는 동안, 계자 컨트롤러(50)는 배터리(18)가 재충전되게 하거나 또는 재충전되는 것을 멈추게 하도록 계자 전류의 레벨을 제어 또는 조정할 수 있다. 소정 레벨의 계자 전류(If)에서, 최종(resulting) DC 버스 전압은 배터리(18)를 재충전하기에 충분히 높을 것이다. 낮은 레벨의 계자 전류(If)에서, 최종 DC 버스 전압은 배터리(18)를 충전하기에 너무 낮을 것이다. 계자 컨트롤러(50)는 배터리(18)가 재충전되는지의 여부 및 배터리가 얼마나 빨리 재충전되는지를 제어하도록 계자 전류(If)의 레벨을 제어한다.
계자 컨트롤러(50)는 재충전 동안의 배터리 전압 및/또는 배터리 전류에 기초하여 배터리 재충전 동안 계자 전류의 레벨을 자동적으로 조정하거나 제어할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 전압 센서(54)를 통해 배터리 전압을 그리고 전류 센서(CT(56))를 통해 배터리 전류(Ib)를 모니터링한다. 전압 센서(54) 및 전류 센서는 배터리 전압 및 배터리 전류에 대응하는 신호들을 계자 컨트롤러(50)로 각각 출력한다. 계자 컨트롤러(50)는 용접기의 정규 동작 동안의 그리고 엔진 발전기에 의해 배터리(18)가 재충전되고 있을 때의 신호들을 모니터링할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 배터리(18)가 방전하고 있는 때(예를 들면, 용접 동작 동안 전력을 공급하고 있는 때) 및 배터리가 배터리 전류 흐름의 방향에 의해 충전되고 있는 때를 결정할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 전압 센서(58)를 통해 DC 버스(37) 전압을 모니터링할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 계자 전류(If)를 조정하여 DC 버스 전압(37) 및/또는 배터리 충전 전류(Ib)를 조절할 수 있다.
계자 컨트롤러(50)는 주어진 계자 전류 범위 내에서 계자 전류(If)를 조정할 수 있다. 계자 전류 범위의 하단(low end)에서, 최종 DC 버스(37) 전압은 배터리 전압보다 낮고 배터리(18)는 충전되지 않는다. 계자 전류 범위의 상단에서, 최종 DC 버스(37) 전압은 배터리(18)의 빠른 재충전을 제공할 수 있다. 계자 전류 범위의 중간에서, 최종 DC 버스(37) 전압은 용접 동안의 배터리의 방전 속도와 거의 동일한(예를 들면, 배터리의 방전 속도의 20% 내에 있는) 또는 용접 동안의 배터리의 방전 속도와 실질적으로 동일한(예를 들면, 배터리의 방전 속도의 10% 내에 있는) 배터리 재충전 속도를 제공할 수 있고, 거의 또는 실질적으로 배터리의 50%의 듀티 싸이클로 나타나게 된다. 예시적인 실시형태에서, 계자 컨트롤러(50)는 계자 전류가 약 4A 내지 약 6.25A의 범위 내에 있도록 계자 전류를 조정하고; 대략 5A의 계자 전류는 대략 85A의 충전 전류(Ib)의 배터리(18)에 대해 대략 50%의 듀티 싸이클을 제공한다.
계자 컨트롤러(50)는 소망의 배터리 충전 전류(Ib)를 달성하도록 계자 전류를 조정하는 것에 의해 배터리(18)가 얼마나 빨리 재충전되는지를 제어할 수 있다. 배터리(18)가 얼마나 빨리 재충전되는지는 배터리의 듀티 싸이클을 결정한다. 배터리(18)를 빨리 재충전하는 것은 배터리에 대한 높은 듀티 싸이클로 나타나게 되고, 한편 배터리(18)를 느리게 재충전하는 것은 낮은 듀티 싸이클로 나타나게 된다. 듀티 싸이클을 낮추는 것은 배터리 수명을 연장시킬 수 있다. 소정의 실시형태에서, 계자 컨트롤러(50)는 배터리에 대한 소망의 듀티 싸이클 및/또는 소망의 배터리 수명에 기초하여 계자 전류(If) 및 배터리 재충전을 제어할 수 있다.
계자 컨트롤러(50)는 배터리(18)에 대한 상이한 재충전 속도들(예를 들면, 고속, 중속, 저속 등)에 기초하여 배터리 재충전 동안 계자 전류의 레벨을 제어할 수 있다. 예를 들면, 계자 컨트롤러(50)는 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨에서 또는 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨에서 계자 전류(If)를 선택적으로 제어할 수 있다. 제1의 계자 전류 레벨이 제2의 계자 전류 레벨보다 더 높으면, 제1의 재충전 속도는 제2의 재충전 속도보다 더 빠를 것이다. 예를 들면, 제1의 계자 전류 레벨은 용접 동안의 배터리의 방전 속도를 초과하는 배터리의 빠른 재충전을 제공할 수 있어서, 50%보다 더 큰 배터리 듀티 싸이클을 제공하게 된다. 제2의 계자 전류 레벨은 용접 동안의 배터리의 방전 속도와 거의 동일한(즉, 대략 50%의 듀티 싸이클을 제공하는) 또는 용접 동안의 배터리의 방전 속도보다 더 느린(즉, 50% 미만의 듀티 싸이클을 제공하는) 배터리의 느린 재충전을 제공할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 배터리에 대한 듀티 싸이클들 또는 각각의 상이한 재충전 속도들에 대응하는 여러 상이한 계자 전류 레벨들(예를 들면, 3개 이상의 상이한 계자 전류 레벨들) 중에서 선택하도록 구성될 수 있다. 선택은 계자 컨트롤러(50)에 의해 자동적으로 또는 용접기(16)(도 1) 상의 입력을 통한 유저 선택에 따라 이루어질 수 있다. 예를 들면, 유저는 용접기 상의 입력을 통해 각각의 상이한 계자 전류(If) 레벨들에 대응하는 여러 상이한 재충전 속도들 중에서 선택할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)에 의한 계자 전류(If)의 자동 선택은, 하기에 논의되는 바와 같은 배터리 온도 또는 주변 온도와 같은 모니터링되는 컨디션에 기초할 수 있다.
배터리 전압, 배터리 전류 및 DC 버스(37) 전압을 모니터링하는 것 외에, 계자 컨트롤러(50)는 온도 센서(59)를 통해 주변 및/또는 배터리 온도를 모니터링할 수 있다. 온도 센서(59)는 온도 신호를 계자 컨트롤러로 제공하도록 계자 컨트롤러(50)에 동작적으로 연결된다. 소정의 실시형태에서, 계자 컨트롤러(50)는 주변 및/또는 배터리 온도에 기초하여 계자 전류(If)를 선택 또는 조정하고 결과적으로 주변 및/또는 배터리 온도에 기초하여 배터리(18)의 재충전 속도를 제어하게 된다. 낮은 주변/배터리 온도에서, 배터리(18)는, 배터리의 수명 단축 없이, 높은 온도에서 보다 더 빨리 재충전될 수 있다. 높은 주변/배터리 온도에서, 배터리(8)를 더 느리게 재충전하여 배터리의 수명을 보존하는 것이 바람직할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 소망의 배터리 재충전 속도 및 관련 계자 전류 레벨을 결정하기 위해 관측된 온도를 하나 이상의 미리 정의된 온도 임계치와 비교할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 계자 컨트롤러의 메모리부에 온도 임계치(들)를 저장하고, 온도 신호를 온도 임계치(들)에 비교하고 온도 신호를 온도 임계치(들)에 비교한 결과에 기초하여 계자 전류 레벨을 자동적으로 선택할 수 있다.
소정의 실시형태에서, 계자 컨트롤러(50)는 배터리에 대한 소망의 듀티 싸이클, 소망의 배터리 수명, 및/또는 주변/배터리 온도에 기초하여 계자 전류(If) 및 배터리 재충전을 제어할 수 있다.
DC 버스로부터 배터리를 선택적으로 분리하기 위해 배터리(18)와 DC 버스(37) 사이의 전기 도체를 따라 접촉기(contactor; 60)와 같은 스위치가 위치된다. 계자 컨트롤러(50)는 접촉기(60)의 동작을 제어한다. 계자 컨트롤러(50)는 비정상 컨디션에 기초하여 DC 버스(37)로부터 배터리(18)를 분리할 수 있다. 예를 들면, 배터리 전압이 너무 낮게 저하되면, 계자 컨트롤러(50)는 DC 버스(37)로부터 배터리(18)를 분리하도록 접촉기(60)를 동작시킬 수 있다. 배터리(18)는, 용접 회로에서의 단락과 같은, 용접 회로에서의 비정상 또는 고장에 기초하여 DC 버스(37)로부터 또한 분리될 수 있다.
계자 컨트롤러(50)는 전자 컨트롤러일 수 있고 프로세서를 포함할 수도 있다. 계자 컨트롤러(50)는 하나 이상의 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, DSP(digital signal processor; 디지털 신호 프로세서), ASIC(application specific integrated circuit; 주문형 반도체), FPGA(field-programmable gate array; 필드 프로그래머블 게이트 어레이), 이산 로직 회로부 등을 포함할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는, 본원에서 컨트롤러에 부여된 기능성을 컨트롤러로 하여금 제공하게 하는 프로그램 명령을 저장하는 메모리부(예를 들면, RAM 또는 ROM)를 포함할 수 있다.
용접 파형 컨트롤러(42)와 계자 컨트롤러(50)는 별개의 컨트롤러일 수 있다. 예를 들면, 용접 파형 컨트롤러(42)는 용접 동작을 제어하기 위한 전력 변환기(32)에 대한 전용 제어 시스템의 일부일 수 있고, 한편 계자 컨트롤러(50)는 발전기 및/또는 엔진에 대한 전용 제어 시스템의 일부일 수 있다. 또한, 용접 파형 컨트롤러(42)와 계자 컨트롤러(50)는 전력 변환기(32) 및 발전기 및/또는 엔진 둘 다의 동작들을 제어하기 위한 공통 컨트롤러(62)의 일부일 수 있다. 소정의 실시형태에서, 용접 파형 컨트롤러(42)와 계자 컨트롤러(50)는 통신 버스(64)를 통해 통신한다. 예를 들면, 용접 파형 컨트롤러(42)는, 용접 동작이 발생하고 있는지의 여부, 용접 전류 레벨, 용접 고장 등과 같은 상태 정보를 계자 컨트롤러(50)로 전달할 수 있다.
도 3으로 돌아가면, 도 3은 예시적인 정류기(34)와 DC 쵸퍼 회로(36a)의 상세를 포함하는 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템(10)의 개략도를 도시한다. 정류기(34)는 복수의 다이오드들(66, 68, 70, 72, 74, 76)에 의해 형성된 3상의 전파 정류기(three-phase, full-wave rectifier)일 수 있다. 정류기(34)는 다이오드 이외의 반도체 디바이스에 의해, 예컨대 용접 파형 컨트롤러(42)에 의해 제어되는 사이리스터에 의해 형성될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 3에서, 용접 파형을 생성하는 스위칭 회로는 DC 쵸퍼 회로(36a)(이하, "쵸퍼")이다. 쵸퍼는 커패시터(78), 다이오드(80) 및 제어 스위치(controlled switch; 82)(예를 들면, 트랜지스터)를 포함한다. 쵸퍼(36a)는 용접 전류를 평활화하기 위한 쵸크(86)를 더 포함할 수 있다. 제어 스위치(82)는 용접 파형 컨트롤러(42)에 동작적으로 연결되는 제어 입력(84), 예컨대 게이트를 구비한다. 제어 스위치(82)의 동작은 용접 파형 컨트롤러(42)로부터의 파형 제어 신호(44)를 통해 제어되고, 결과적으로 용접 동작 동안 소망의 용접 파형을 생성하게 된다.
전력 변환기가 쵸퍼(36a) 대신 인버터를 포함하는 실시형태에서, 파형 제어 신호(44)는 PWM(pulse-width modulation; 펄스 폭 변조) 신호를 전력 변환기로 제공할 수 있다.
DC 버스(37)에 연결되는 배터리 뱅크는 복수의 배터리들(18a, 18b)을 포함한다. 도 3에서 2개의 배터리들(18a, 18b)이 도시되지만, 배터리 뱅크는 필요한 DC 용접 전압을 제공하기 위해, 예를 들면 8개의 배터리들과 같이, 2개보다 많은 배터리들을 통상 구비할 것이다. 배터리는, 예를 들면 1시간과 같은 소망의 기간 동안 충분한 양의 용접 전류를 제공하도록 사이즈가 정해지기 때문에, 용접은 엔진 가동과 함께 또는 엔진 가동 없이 일어날 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 복수의 전압 센서들(54a, 54b)을 통해 각각의 개별 배터리 양단의 전압을 모니터링할 수 있다. 용접 시스템(10)은 하나 이상의 배터리들(18a, 18b)의 전압 레벨에 기초하여 배터리들(18a, 18b)을 충전하기 위해 엔진을 자동적으로 기동시키도록 구성될 수 있다. 용접 시스템(10)은, 예컨대 용접 시스템이 실내에 위치될 때, 엔진이 가동하는 것을 방지하기 위한 락아웃 스위치를 또한 포함할 수 있다. 배터리 전압이 너무 낮게 저하되면, 또는 용접 파형 컨트롤러(42)에 의해 용접 회로에서 고장이 검출되면, 계자 컨트롤러(50)는 배터리들(18a, 18b)을 DC 버스(37)로부터 분리하도록 접촉기(60)를 동작시킬 수 있다.
도 4로 돌아가면, 도 4는 예시적인 계자 컨트롤러(50)의 개략도를 제공한다. 계자 컨트롤러(50)는 발전기의 전기자 권선으로부터 전력을 수신한다. 전기자 권선은 전력을 DC 버스로 공급하는 권선들 중 하나일 수 있거나, 또는 전기자 권선은 발전기의 보조 권선일 수 있다. 정류기(88)는 전기자 권선으로부터의 AC 전압을 정류한다. 정류된 전압은 펄스 변조 스위칭 디바이스(90), 예컨대 PWM 또는 PFM(pulse-frequency modulation; 펄스 주파수 변조) 스위칭 디바이스에 제공된다. 펄스 변조 스위칭 디바이스(90)의 출력은, 계자 권선(52)에서 계자 전류(If)를 생성하는 펄스 변조된 신호(PWM 또는 PFM)이다. 계자 컨트롤러(50)는 제어 신호(94)를 펄스 변조 스위칭 디바이스(90)로 제공하여, 결과적으로 계자 전류(If)의 크기를 제어하는 PWM 또는 PFM 컨트롤러를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 계자 컨트롤러(50)는 배터리 전압, 배터리 전류, DC 버스 전압, 주변/배터리 온도 등과 같은 다양한 입력 신호들을 수신한다. 또한, 계자 컨트롤러(50)는 전류 센서(96)를 통해 계자 전류(If)를 모니터링하고 전압 센서(98)를 통해 계자 권선 양단의 전압을 모니터링할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 배터리 전압, 배터리 전류(Ib), DC 버스 전압, 주변/배터리 온도, 모니터링되는 계자 전류 레벨, 및 계자 권선 양단의 전압의 일부 또는 모두에 기초하여 계자 전류(If)를 제어할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 출력 신호를 다양한 디바이스들, 예컨대 배터리 뱅크를 DC 버스로부터 분리하기 위한 접촉기로 제공할 수 있다. 계자 컨트롤러(50)는 프로그램 명령, 동작 파라미터 등을 저장하기 위한 메모리부(99)를 더 포함한다.
도 5는 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템에서 배터리 재충전을 제어하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템의 컴포넌트가 하기에 논의된다. 단계 S10에서, 용접 동작 동안 엔진 발전기 및 배터리 둘 다에 의해 전기 에너지가 용접 전원 장치로 동시에 공급된다. 단계 S12에서, 계자 컨트롤러는 주변 온도 및/또는 배터리 온도를 모니터링한다. 단계 S14에서, 계자 컨트롤러는 배터리 재충전 속도에 대응하는 계자 전류 레벨을 선택한다. 예를 들면, 계자 컨트롤러는 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 사이에서 선택할 수 있다. 선택은 모니터링되는 주변 온도 및/또는 배터리 온도에 기초할 수 있다. 제1의 계자 전류 레벨은 제2의 계자 전류 레벨보다 높을 수 있고 제1의 재충전 속도는 제2의 재충전 속도보다 빠를 수 있다. 예를 들면, 제1의 재충전 속도는 용접 동작 동안의 배터리의 방전 속도를 초과하고, 제2의 재충전 속도는 용접 동작 동안의 배터리의 방전 속도와 거의 동일하다. 단계 S16에서, 배터리는 용접 전원 장치를 통해 엔진 발전기에 의해 재충전되고; 단계 S18에서 계자 컨트롤러는 재충전 동안 배터리 전압 및/또는 배터리 전류를 모니터링한다. 단계 S20에서, 계자 컨트롤러는 배터리 전압 및/또는 배터리 전류에 기초하여 재충전 동안 계자 전류의 레벨을 제어한다. 계자 전류의 레벨을 제어하는 것은 배터리 전압 및/또는 배터리 전류에 기초하여 재충전 동안 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 자동적으로 조정하는 것을 포함할 수 있다.
본 개시는 예시이며 본 개시에 포함된 교시의 정당한 범위를 벗어나지 않으면서 상세를 추가, 수정 또는 제거하는 것에 의해 다양한 변형들이 이루어질 수도 있음을 알 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명은 하기의 특허청구범위가 필연적으로 한정되는 범위를 제외하면 본 개시의 특정 상세에 제한되지 않는다.
10 용접 시스템 58 전압 센서
12 발전기 59 온도 센서
14 엔진 60 접촉기
16 용접 전원 장치 62 공통 컨트롤러
18 배터리 64 통신 버스
18a 배터리 66 다이오드
18b 배터리 68 다이오드
20 전기 아크 70 다이오드
22 용접 전극 72 다이오드
24 워크피스 74 다이오드
26 전기자 권선 76 다이오드
28 전기자 권선 78 커패시터
30 전기자 권선 80 다이오드
32 스위칭 타입의 전력 변환기 82 스위치
34 정류기 84 제어 입력
36 쵸퍼/인버터 88 정류기
36a 쵸퍼 회로 90 디바이스
37 DC 버스 98 전압 센서
38 전기 리드
40 전기 리드 Ib 충전 전류
42 파형 컨트롤러 If 계자 전류
44 제어 신호 S10 단계
50 계자 컨트롤러 S12 단계
52 계자 권선 S14 단계
54 전압 센서 S16 단계
54a 전압 센서 S18 단계
54b 전압 센서 S20 단계
56 CT

Claims (15)

  1. 아크 용접 시스템으로서,
    스위칭 타입의 전력 변환기를 포함하는 용접 전원 장치(welding power supply);
    상기 스위칭 타입의 전력 변환기로부터 전기 에너지를 수신하도록 그리고 상기 아크 용접 시스템으로부터 전기 아크를 생성하도록 상기 스위칭 타입의 전력 변환기에 동작적으로(operatively) 연결되는 용접 전극(welding electrode);
    상기 아크를 생성하기 위해 전기 에너지를 상기 용접 전원 장치에 공급하도록 상기 용접 전원 장치에 동작적으로 연결되며, 상기 용접 전원 장치에 상기 전기 에너지를 공급하기 위한 복수의 전기자 권선(armature winding)들, 및 계자 권선(field winding)을 포함하는 엔진 발전기(engine-generator);
    상기 아크를 생성하기 위해 추가적인 전기 에너지를 상기 용접 전원 장치에 동시에 공급하도록 그리고 상기 용접 전원 장치를 통해 상기 엔진 발전기로부터 전기 에너지를 수신하여 배터리를 재충전(recharging)하도록 상기 용접 전원 장치에 동작적으로 연결되는 상기 배터리;
    배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나를 감지하도록 그리고 배터리 전압 및 배터리 전류 중 상기 적어도 하나에 대응하는 신호를 배터리 재충전 동안 출력하도록 구성되는 센서; 및
    상기 엔진 발전기의 상기 계자 권선에 그리고 상기 센서에 동작적으로 연결되는 계자 컨트롤러(field controller)를 포함하고,
    상기 계자 컨트롤러는 상기 센서로부터 상기 신호를 수신하도록 그리고 상기 센서로부터의 상기 신호에 기초하여 상기 배터리 재충전 동안 상기 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 자동적으로 조정하거나 제어하도록 구성되는, 아크 용접 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계자 컨트롤러는 상기 계자 권선을 통하는 상기 전류 흐름의 레벨을 제어하기 위해 펄스 변조 신호를 상기 계자 권선으로 제공하는, 아크 용접 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서는 배터리 전류를 감지하도록 구성되고, 상기 계자 컨트롤러는 상기 배터리가 상기 배터리 전류의 흐름 방향으로부터 재충전되고 있다는 것을 결정하도록 구성되는, 아크 용접 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 기초하여 상기 배터리 재충전 동안 상기 계자 권선을 통하는 상기 전류 흐름의 레벨은 자동적으로 조정되고, 상기 계자 컨트롤러는 상기 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 상기 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 하나에 기초하여 상기 배터리 재충전 동안 상기 계자 권선을 통하는 상기 전류 흐름의 레벨을 제어하도록 구성되고, 상기 제1의 계자 전류 레벨은 상기 제2의 계자 전류 레벨보다 더 높고 상기 제1의 재충전 속도는 상기 제2의 재충전 속도보다 더 빠른, 아크 용접 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 기초하여 상기 배터리 재충전 동안 상기 계자 권선을 통하는 상기 전류 흐름의 레벨은 제어되고, 상기 계자 컨트롤러는, 상기 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 상기 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 하나가 되도록, 상기 배터리 재충전 동안 상기 계자 권선을 통하는 상기 전류 흐름의 레벨을 제어하도록 구성되고, 상기 제1의 계자 전류 레벨은 상기 제2의 계자 전류 레벨보다 더 높고 상기 제1의 재충전 속도는 상기 제2의 재충전 속도보다 더 빠른, 아크 용접 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항, 특히, 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1의 재충전 속도 및 상기 제2의 재충전 속도는 유저가 선택가능한 속도들인, 아크 용접 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항, 특히, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1의 재충전 속도는 용접 동안의 상기 배터리의 방전 속도를 초과하는, 아크 용접 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항, 특히, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2의 재충전 속도는 용접 동안의 상기 배터리의 방전 속도와 거의 동일한, 아크 용접 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항, 특히, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 타입의 전력 변환기는 정류기, 스위칭 회로 및 상기 정류기와 상기 스위칭 회로를 연결하는 DC 버스를 포함하고, 상기 배터리는 상기 DC 버스에 연결되고, 상기 제1의 계자 전류 레벨에서 상기 계자 권선에 의한 상기 전기자 권선의 여자(excitation)에 기인하는 상기 DC 버스의 전압 레벨은, 상기 제2의 계자 전류 레벨에서 상기 계자 권선에 의한 상기 전기자 권선의 여자에 기인하는 상기 DC 버스의 전압 레벨보다 더 높은, 아크 용접 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항, 특히, 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계자 컨트롤러에 온도 신호를 제공하도록 상기 계자 컨트롤러에 동작적으로 연결되는 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 계자 컨트롤러는 상기 배터리의 상기 제1의 재충전 속도에 대응하는 상기 제1의 계자 전류 레벨 및 상기 배터리의 상기 제2의 재충전 속도에 대응하는 상기 제2의 계자 전류 레벨 중 하나를 상기 온도 신호에 기초하여 자동적으로 선택하도록, 그리고 상기 제1의 계자 전류 레벨 및 상기 제2의 계자 전류 레벨 중 상기 선택된 하나에 기초하여 상기 배터리 재충전 동안 상기 계자 권선을 통하는 상기 전류 흐름의 레벨을 제어하도록 구성되는, 아크 용접 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 계자 컨트롤러는 온도 임계치를 저장하고 상기 온도 신호를 상기 온도 임계치에 비교하고, 상기 온도 신호를 상기 온도 임계치에 비교한 결과에 기초하여 상기 제1의 계자 전류 레벨 및 상기 제2의 계자 전류 레벨 중 상기 하나를 자동적으로 선택하는, 아크 용접 시스템.
  12. 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템에서 배터리 재충전을 제어하는 방법으로서,
    상기 아크 용접 시스템 - 상기 아크 용접 시스템은:
    스위칭 타입의 전력 변환기를 포함하는 용접 전원 장치;
    상기 스위칭 타입의 전력 변환기에 동작적으로 연결되는 용접 전극;
    상기 용접 전원 장치에 동작적으로 연결되며 복수의 전기자 권선들 및 계자 권선을 포함하는 엔진 발전기;
    상기 용접 전원 장치에 동작적으로 연결되는 배터리; 및
    상기 계자 권선에 동작적으로 연결되는 계자 컨트롤러를 포함함 - 을 제공하는 단계;
    용접 동작 동안 상기 엔진 발전기 및 상기 배터리 둘 다에 의해 상기 용접 전원 장치에 전기 에너지를 동시에 공급하는 단계;
    상기 용접 전원 장치를 통해 상기 엔진 발전기에 의해 상기 배터리를 재충전하는 단계;
    상기 계자 컨트롤러에 의해, 상기 재충전 동안 상기 배터리의 배터리 전압 및 배터리 전류 중 적어도 하나를 모니터링하는 단계; 및
    상기 재충전 동안 상기 계자 컨트롤러에 의해, 상기 배터리 전압 및 상기 배터리 전류 중 상기 적어도 하나에 기초하여 상기 계자 권선을 통하는 전류 흐름의 레벨을 제어하는 단계를 포함하는, 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템에서 배터리 재충전을 제어하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 계자 컨트롤러에 의해, 상기 배터리의 제1의 재충전 속도에 대응하는 제1의 계자 전류 레벨 및 상기 배터리의 제2의 재충전 속도에 대응하는 제2의 계자 전류 레벨 중 하나를, 상기 계자 전류 권선을 통하는 상기 전류 흐름의 레벨로서 선택하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1의 계자 전류 레벨은 상기 제2의 계자 전류 레벨보다 더 높고 상기 제1의 재충전 속도는 상기 제2의 재충전 속도보다 더 빠른, 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템에서 배터리 재충전을 제어하는 방법.
  14. 제12항 또는 특히 제13항에 있어서,
    상기 제1의 재충전 속도는 상기 용접 동작 동안의 상기 배터리의 방전 속도를 초과하고, 상기 제2의 재충전 속도는 상기 용접 동작 동안의 상기 배터리의 상기 방전 속도와 거의 동일한, 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템에서 배터리 재충전을 제어하는 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항, 특히, 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 스위칭 타입의 전력 변환기는 정류기, 스위칭 회로 및 상기 정류기와 상기 스위칭 회로를 연결하는 DC 버스를 포함하고, 상기 배터리는 상기 DC 버스에 연결되고, 상기 제1의 계자 전류 레벨에서 상기 계자 권선에 의한 상기 전기자 권선의 여자에 기인하는 상기 DC 버스의 전압 레벨은, 상기 제2의 계자 전류 레벨에서 상기 계자 권선에 의한 상기 전기자 권선의 여자에 기인하는 상기 DC 버스의 전압 레벨보다 더 높은, 하이브리드 구동식 아크 용접 시스템에서 배터리 재충전을 제어하는 방법.
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