CN1143853A - 等离子电弧电源装置 - Google Patents

Abstract

一种等离子电弧电源装置，包括主电极端，喷嘴电极端以及工件端，分别与一个等离子电弧装置的主电极，喷嘴电极以及工件电极连接。一个直流电源有其与该主电极端连接的第一输出端，以及第二输出端。一个导引电弧通路连接在该第二输出端与喷嘴电极端之间。一个开关连接在该导引电弧通路中。一个等离子电弧通路连接在该第二输出端与工件端之间。一个电流探测器其第一输入端与等离子电弧通路连接，第二输入端与导引电弧通路连接，还包括一个控制装置。

Description

等离子电弧电源装置

本发明涉及一种等离子电弧电源装置，用于一个用等离子电弧来切割或焊接工件的等离子电弧系统，比如一个等离子电弧切割机及一个等离子电弧焊接机。

例如，一个具有等离子电弧电源装置的现有技术等离子电弧切割机利用主电极与喷嘴电极之间产生的一个导引电弧，在主电极与工件之间产生一个等离子电弧。主电极与喷嘴电极安排在一个等离子喷枪上。例如，日本审查的专利出版物No.HEI 6-75791叙述了一种稳定导引电弧与等离子电弧的技术。按照这个日本专利出版物中所公开的技术，一个把交流电源变换成直流电源的直流电源装置的第一输出端，通过一个包括电弧电流探测装置、一个电流限制电阻以及一个开关的串联电路，与等离子喷枪上的一个喷嘴电极连接，而该直流电源装置的第二输出端通过一个高频发生器与等离子喷枪上的一个主电极连接。高频发生器是用来对主电极与喷嘴电极之间施加一个高频电压，以在它们之间产生一个导引电弧。这些元件构成一个在主电极与喷嘴电极之间用于产生一个导引电弧的导引电弧产生电路。通过该导引电弧产生电路的直流电流，亦即导引电流Ip，由电弧电流探测装置探测。

直流电源的第一输出端还通过电弧电流探测装置及切割电流探测装置与一个工件连接，这样构成一个在主电极与工件之间用于产生一个等离子电弧的等离子电弧产生电路。在等离子电弧产生电路中的直流电流，亦即等离子电弧电流Ic，由电弧电流探测装置及切割电流探测装置探测。

电弧电流探测装置输出的表示所探测的导引电流Ip或等离子电流Ic的探测信号被施加到一个恒定电流控制电路。该恒定电流控制电路接收参考值设定装置输出的一个参考值。该恒定电流控制电路以这样方式控制直流电源，以使电弧电流探测装置输出的探测信号等手该参考值。当切割电流探测装置输出的探测信号的电平达到一个预定电平时，由参考值设定装置设定的参考值被转换到一个用于控制等离子电流Ic的参考值。

在上述等离子切割机的操作中，当开关闭合且高频发生器激活时，在主电极与喷嘴电极之间产生一个导引电弧，因此一个导引电流Ip流通。在这个阶段，在主电极与工件之间还没有等离子电弧产生，并且通过电弧电流探测装置的电流Ia仅是导引电流Ip。因此，电弧电流探测装置只探测到导引电流Ip。恒定电流控制电路以这样方式控制直流电源装置，以便由电弧电流探测装置探测的导引电流Ip为一个由参考值设定装置设定的参考值所确定的恒定值。

在导引电弧存在的同时使等离子喷枪更靠近工件，在主电极与工件之间产生一个等离子电弧，因此等离子电流流通。然后，断开开关以使导引电弧熄灭，这样通过电弧电流探测装置的电流Ia仅由等离子电流Ic提供。同时，等离子电流探测装置的探测信号的电平达到预定电平。因此，由参考值设定装置设定的参考值被转换到用于控制等离子电流Ic的参考值。于是，恒定电流控制电路以这样方式控制直流电源装置，以使等离子电流Ic保持在一个由用于控制等离子电流Ic的参考值所确定的恒定值。

按照上述现有技术装置，等离子电流Ic在电弧电流探测装置与切割电流探测装置两者中流通。通常，等离子电流Ic要比导引电流Ip大得多，并且例如是几百个安培的强电流。为了探测这样的强电流Ic，探测装置必须有大的电流容量。那么，上述现有技术装置要求两个这样大容量的电流探测装置，这又不利地使得等离子电弧切割机的尺寸变得更大。

因此，本发明的一个目的是提供一种等离子电弧电源装置，通过使用具有适于分别探测导引电流Ip与等离子电流Ic的电流容量的电流探测装置，它能比现有技术装置的尺寸小，这样在上述现有技术装置中所要求的大电流容量的探测装置的数目能减少到一个，因此整个等离子电弧切割机能构造得更小。本发明的另一目的是提供一种等离子电弧电源装置，其中导引电流Ip与等离子电流Ic能由单个电流探测装置探测。

按照本发明的第一方面，提供一种对一个等离子负载供给一个直流电流的等离子电弧电源装置。该等离子负载包括一个主电极，一个环绕主电极在它们之间安排有一个间隙的喷嘴电极，以及一个在主电极与工件之间安排有一个间隙的待处理工件。

电源包括一个适应与主电极连接的主电极端，一个适应与喷嘴电极连接的喷嘴电极端，以及一个适应与工件连接的工件端。

电源还包括具有第一及第二输出端的可变直流电源装置。该可变直流电源装置响应一个电流控制信号，提供一个可变的直流输出电流。第一输出端与主电极端连接。

开关装置安排在第二输出端与喷嘴电极端之间。开关装置分别响应一个断开控制信号及一个闭合控制信号，断开及闭合。

在第二输出端与喷嘴电极端之间，导引电弧电流探测装置与开关装置串联连接，以探测通过喷嘴电极与主电极的导引电弧电流。

等离子电弧电流探测装置连接在第二输出端与工件端之间，以探测主电极与工件之间的等离子电弧电流，并且对所探测的等离子电弧电流产生一个等离子电弧电流探测信号。

控制装置在等离子电弧电流等于或小于一个预定电平时，对开关装置提供闭合控制信号，并且还根据导引电弧电流探测信号与一个预定导引电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供电流控制信号，由此控制导引电弧电流为一个与该导引电弧参考信号相对应的值。

当等离子电弧电流大于预定电平时，控制装置对开关装置提供断开控制信号，并且还根据等离子电弧电流探测信号与一个预定等离子电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供电流控制信号，由此控制等离子电弧电流为一个与等离子电弧参考信号相对应的值。

控制装置可能包括用于开关装置的控制装置，以及用于可变直流电源装置的控制装置。开关装置控制装置在等离子电弧电流等于或小于预定电平时，对开关装置提供闭合控制信号，以及在等离子电弧电流大于预定电平时，对开关装置提供断开控制信号。当等离子电弧电流等于或小于预定电平时，可变直流电源装置控制装置根据导引电弧电流探测信号与导引电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供电流控制信号，以便控制导引电弧电流为一个与导引电弧参考信号相对应的值。当等离子电弧电流大于预定电平时，可变直流电源装置控制装置根据等离子电弧探测信号与等离子电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供电流控制信号，以便控制等离子电弧电流为一个与等离子电弧参考信号相对应的值。

按照本发明的第二方面，提供一种对一个等离子负载供给一个直流电流的等离子电弧电源装置。该等离子负载包括一个主电极，一个环绕主电极在它们之间安排有一个间隙的喷嘴电极，以及一个在主电极与工件之间安排有一个间隙的待处理工件。

该电源包括一个适应与主电极连接的主电极端，一个适应与喷嘴电极连接的喷嘴电极端，以及一个适应与工件连接的工件端。

该电源还包括具有第一及第二输出端的可变直流电源装置，第一输出端与主电极端连接。一个导引电弧通路连接在可变直流电源装置的第二输出端与喷嘴电极端之间。该导引电弧通路从可变直流电源装置供给一个在主电极与喷嘴电极之间流通的导引电弧电流，以使得在它们之间产生一个导引电弧。

开关装置连接在导引电弧通路中。开关装置分别响应断开及闭合控制信号，断开及闭合。

一个等离子电弧通路连接在第二输出端与工件端之间。该等离子电弧通路从可变直流电源装置供给一个在主电极与工件之间流通的等离子电弧电流，以使得在主电极与工件之间产生一个等离子电弧。

电流探测装置使它的第一输入端与等离子电弧通路连接，以及使它的第二输入端与导引电弧通路连接。电流探测装置在它的输出端产生一个与导引电弧和等离子电弧电流的值相对应的探测信号。

当电流探测装置输出的探测信号指示导引电弧电流存在时，控制装置对开关装置提供闭合控制信号，并且根据探测信号与一个预定导引电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供一个电流控制信号，以便控制导引电弧电流为一个与导引电弧参考信号相对应的值。当探测信号指示等离子电弧电流流通时，控制装置对开关装置提供断开控制信号，并且还根据探测信号与一个预定等离子电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供电流控制信号，以便控制等离子电弧电流为一个与等离子电弧参考信号相对应的值。

电流探测装置可能包括一个直流互感器以及探测信号输出装置。直流互感器包括缠绕在一个芯子上，为导引电弧通路及等离子电弧通路的一次绕组，以及一个缠绕在该芯子上，用于提供一个与各一次绕组中通过的电流相对应的二次电流的二次绕组。探测信号输出装置探测该二次电流，并且根据二次电流的大小产生一个探测信号。

直流互感器可能对等离子电弧通路要比对导引电弧通路有更多的导线匝数。

等离子电弧通路导线可能以与导引电弧通路导线相反的方向缠绕在芯子上。

控制装置可能包括开关装置控制装置及可变直流电源装置控制装置。当探测信号等于或大于一个参考电平，指示导引电弧电流正在流通时，开关装置控制装置对开关装置提供闭合控制信号，以及当探测信号小于参考电平时，对开关装置提供断开控制信号。

当探测信号等于或大于参考电平，指示导引电弧电流正在流通时，可变直流电源装置控制装置根据探测信号与导引电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供直流电流控制信号，以便控制导引电弧电流为一个与导引电弧参考信号相对应的值。当探测信号小于参考电平时，可变直流电源装置控制装置根据探测信号与等离子电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供直流电流控制信号，以便控制等离子电弧电流为一个与等离子电弧参考信号相对应的值。

等离子电弧通路与导引电弧通路可能包括按相反方向缠绕在一个芯子上的导线，等离子电弧通路的导线匝数比导引电弧通路的导线导线匝数大，以及控制装置可能包括极性判断装置及可变直流电源装置控制装置。当探测信号是第一极性时，极性判断装置对开关装置提供闭合控制信号，以及当探测信号是第二极性时，对开关装置提供断开控制信号。当探测信号是第一极性时，可变直流电源装置控制装置根据探测信号与导引电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供直流电流控制信号。当探测信号是第二极性时，可变直流电源装置控制装置根据探测信号与等离子电弧参考信号之间的差，对可变直流电源装置提供直流电流控制信号。

可变直流电源装置控制装置可能包括第一误差放大装置，用于提供一个表示探测信号与导引电弧参考信号之间差的输出信号，极性反相装置，用于反相探测信号的极性，第二误差放大装置，用于提供一个表示极性反相装置的输出信号与等离子电弧参考信号之间差的输出信号，以及选择装置，当探测信号是第一极性时用于选择第一误差放大装置的输出信号，以及当探测信号是第二极性时用于选择第二误差放大装置的输出信号。

可变直流电源装置控制装置可能包括探测信号施加其上的绝对值变换装置，选择装置，用于响应极性判断装置输出的闭合控制信号来选择导引电弧参考信号，以及用于响应极性判断装置输出的断开控制信号来选择等离子电弧参考信号，以及误差放大装置，用于提供一个表示绝对值变换装置的输出信号与一个由选择装置已作选择的所选参考信号之间差的输出信号。

图1是一个包括按照本发明的第一实施例的等离子电弧电源装置的等离子电弧切割机的方框图；

图2是图1等离子电弧电源装置中使用的一个电流探测器的示意图；以及

图3是一个包括按照本发明的第二实施例的等离子电弧电源装置的等离子电弧切割机的方框图。

现在参照图1与图2叙述一个具有按照本发明的第一实施例的等离子电弧电源装置的等离子电弧切割机。

该等离子电弧切割机包括一个具有一个主电极4和一个喷嘴电极5的等离子喷枪。喷嘴电极5环绕主电极4，在它们之间安排一个间隙。在喷嘴电极5与主电极4之间产生一个导引电弧，以及此后等离子喷枪3更靠近地移向一个工件6，这样在主电极4与工件6之间由导引电弧诱导一个等离子电弧。主电极4、喷嘴电极5以及工件6构成一个等离子负载。

等离子电弧切割机包括可变直流电源装置，例如一个把交流电源1输出的交流电流变换成直流输出电流的直流电源2。直流电源2输出的直流输出电流是用于导引和等离子电弧8的能源。直流电源2包括一个输入整流电路，它整流施加到该处的交流电流，以及一个输入平滑电路，用于平滑输入整流电路的输出。直流电源2还包括一个变换器，它把平滑电路的输出变换成高频交流电流。该变换器例如可能包括控制开关装置。此外，直流电源2包括一个输出整流电路，用于整流高频交流电流，以及一个输出平滑电路，用于平滑输出整流电路的输出。变换器响应后文将作叙述的一个控制装置20提供的一个电流控制信号，以便控制高频交流电流。

直流电源2的输出端之一，例如正极，通过一个导引电弧通路12与喷嘴电极端60连接，喷嘴电极端60与喷嘴电极5连接。开关10、电流探测器11以及电流限制电阻9串联连接在导引电弧通路12中。直流电源的另一端，例如负极，通过一个公共通路15与主电极端62连接，主电极端62与主电极4连接。一个高频发生器7连接在公共通路15中。通过导引电弧通路12的电流，亦即导引电流Ip，由电流探测器11探测。高频发生器7在主电极4与喷嘴电极5之间供给高频电压，以使得在它们之间产生一个导引电弧。

直流电源2的正极还通过一个等离子电弧通路13与一个工件端64连接。工件端64与工件6连接。电流探测器11接入等离子电弧通路13中。电流探测器11还探测等离子电弧通路13中的电流或等离子电流Ic。

如图2所示，电流探测器11包括一个直流互感器66。直流互感器66包括一个环形芯子14，在它上面缠绕作为一次绕组的导引电弧通路12的导线及等离子电弧通路13的导线。探测绕组70作为二次绕组也缠绕在芯子14上。例如包括一个霍尔元件72的探测信号输出装置72与探测绕组70连接，以便探测通过绕组70的电流，并且它产生一个表示电流的值的探测信号。

如图2所示，导引电弧通路12的导线与等离子电弧通路13的导线相互之间按相反方向缠绕。因此，导引电弧电流Ip在绕组70中产生的互感电流与等离子电流Ic在绕组70中产生的互感电流相互之间按相反方向流通。探测各个互感电流的探测信号输出装置72提供与极性相反的各个互感电流相对应的探测信号。在所说明的实施例中，一次绕组与二次绕组以这样方式缠绕，以使导引电弧电流Ip的探测信号有负极性，而等离子电流Ic的探测信号相互为正极性。

由导引及等离子电流Ip及Ic在探测绕组70中感应的各个互感电流按相反方向流通。因此，当电流Ip与Ic分别在导引电弧通路12与等离子电弧通路13中流通时，与电流Ip和Ic感应的互感电流之间差相对应的电流在探测绕组70中流通，并且探测信号输出装置72产生一个与互感电流之间差相对应的探测信号。电流探测器11具有足够的电流容量，能处理相对大的导引与等离子电流Ip与Ic。

如图2所示，在芯子14上等离子电弧通路13的导线匝数比导引电弧通路12的导线匝数大。然而，在所说明的实施例中，导引电弧通路13的导线实际上并不是环绕芯子14缠绕，而是它仅仅穿过环形芯子14中的窗口，而等离子电弧通路13的导线环绕芯子14缠绕一匝。因此，如果导引与等离子电流Ip与Ic两者同时流通，并且如果导引电流Ip比等离子电流Ic稍微大一些，例如，如果导引电流Ip比等离子电流Ic大，但是小于等离子电流Ic的两倍，那么差电流在绕组70中以与等离子电流Ic感应的互感电流相同的方向流通，这样探测信号输出装置72就产生一个正探测信号。

电流探测器11输出的探测信号施加到一个比较器51以及一个误差放大器25的反相输入端，它们包括在控制装置20之中。该探测信号还通过一个极性反相器21施加到误差放大器24的反相输入端，极性反相器21设计成反相电流探测器11输出的探测信号的极性。

比较器51把电流探测器11输出的探测信号与一个参考电平，例如0电平相比较。当电流探测器11输出的探测信号为零或小于零或为负时，比较器51对开关控制装置52提供一个闭合控制信号，例如一个ON信号，以及当探测信号大于零或为正时，对开关控制装置52提供一个断开控制信号或OFF信号。因此，比较器51起到判断探测信号的极性的装置的作用。开关控制装置52分别响应ON与OFF信号，有选择地断开与闭合开关10。

误差放大器24的非反相输入端接收一个导引电弧参考信号源22输出的正极性导引电弧参考信号。误差放大器25的非反相输入端接收一个等离子电弧参考信号源23输出的正极性等离子电弧参考信号。误差放大器25放大电流探测器11输出的探测信号与等离子电弧参考信号之间的差，以及误差放大器24放大探测信号的反相形式与导引电弧参考信号之间的差。误差放大器24与25由一个电路电源V驱动。

当电流探测器11输出的探测信号为正时，误差放大器25产生一个输出电压，它是探测信号与等离子电弧参考信号之间差的一个放大形式，这个输出电压比电路电源V的电压小。当电流探测器11输出的探测信号为负时，误差放大器25产生一个输出电压，这个电压等于电路电源V的电压。

当极性反相器21的输出为正时，也就是当探测信号为负时，误差放大器24产生一个输出电压，这个电压是极性反相器21的输出与导引电弧参考信号之间差的一个放大形式，并且它比电路电源V的电压小。当反相器输出为负时，也就是当探测信号为正时，误差放大器24产生一个输出电压，这个电压等于电路电源V的输出电压。

误差放大器24与25的输出端分别通过二极管26与27同一个PWM(脉冲宽度调制)控制电路的输入端连接。二极管26与27使它们的阳极与PWM控制电路连接，以及使它们的阴极分别与放大器24及25的输出端连接。二极管26与27的阳极还通过一个电阻28与电路电源V连接。

当电流探测器11输出的探测信号为正时，误差放大器24的输出电压等于电路电源V的电压，并且因此二极管26不导电。其时，误差放大器25的输出电压是电流探测器11输出的探测信号与等离子电弧参考信号之间差的一个放大形式，并且比电路电源V的电压小。因此，二极管27导电，并且输出电压耦合到PWM控制电路31。

从另一方面来说，如果电流探测器11输出的探测信号为负，误差放大器25的输出电压等于电路电源V的电压，并且二极管27不导电。其时，误差放大器24的输出电压是极性反相器21的输出与导引电弧参考信号之间差的一个放大形式，并且比电路电源V的电压小。因此，二极管26变成导电，并且输出电压耦合到PWM控制电路31。

PWM控制电路31对一个驱动电路32提供一个电流控制信号，这个电流控制信号取决于误差放大器24与25的一个输出信号，这个输出信号不等于电路电源V的电压。结果，驱动电路32被驱动，以便控制直流电源2的变换器。更具体地说，当误差放大器24的输出电压耦合到PWM控制电路31，PWM控制电路31就以这样方式控制直流电源2的变换器，以便极性反相器21的输出信号变成与导引电弧参考信号相等。从另一方面来说，如果误差放大器25的输出电压施加到PWM控制电路31，它就以这样方式控制直流电源2的变换器，以便电流探测器11输出的探测信号变成与等离子电弧参考信号相等。

现在叙述等离子电弧切割机的操作。假定主电极4与喷嘴电极5之间的间隙小些，以及主电极4与待切割工件6之间的间隙保持更大些。还假定从直流电源2输出的一个直流电压施加在主电极4与喷嘴电极5之间，以及施加在主电极4与工件6之间，但是既没有导引电弧也没有等离子电弧产生。在这种状态下，既没有导引电流Ip也没有等离子电流Ic流通。那么，电流探测器11输出的探测信号为零，并且因此比较器51产生ON信号，这个ON信号使开关控制装置52闭合开关10。

在这种状态下，高频发生器7被激活，以在主电极4与喷嘴电极5之间施加一个高频电压，这个电压使两个电极之间产生一个导引电弧。这样使一个导引电流Ip在导引电弧通路12中流通。由于主电极4与工件6之间的间隙大，还没有等离子电弧8产生。因此，没有等离子电弧电流Ic流通。直流电源2的直流输出电流Ia仅通过导引电弧通路12与公共通路15流通，并且整个直流输出电流Ia是导引电流Ip。

电流探测器11探测导引电流Ip，产生一个大小取决于导引电流Ip的大小的负极性探测信号。这个负探测信号耦合到误差放大器25的反相输入端，并且还通过极性反相器21耦合到误差放大器24的反相输入端。

由于电流探测器11的探测信号为负，所以比较器51对开关控制装置52提供一个ON信号，并且因此开关控制装置52保持开关10为闭合。因此，导引电流Ip继续通过导引电弧通路12流通，这样维持了导引电弧。

误差放大器25放大负探测信号与正等离子电弧参考信号之间的差。因此，误差放大器25的输出等于电路电源V的电压，这样使二极管27变成不导通。误差放大器24放大极性反相器21输出的为负探测信号的极性反相形式的正输出信号与导引电弧参考信号之间的差，并且通过导电二极管26把一个比电路电源V的电压小的输出信号施加到PWM控制电路31。

PWM控制电路31根据误差放大器24的输出电压，通过驱动电路32以这样方式控制直流电源2，以便极性反相器21的输出信号变成等于导引电弧参考信号。这样使得直流电源2输出的直流输出电流Ia，并且因此使得导引电弧电流Ip有一个取决于导引电弧参考信号的恒定值。因此，导引电弧得以稳定。

在导引电弧存在情况下，当使等离子喷枪3更靠近工件6时，在主电极4与工件6之间就由导引电弧点燃产生等离子电弧8。这样使得等离子电流Ic通过等离子电弧通路13流通。

在等离子电弧8产生的一刹那间，也就是说，在等离子电流Ic开始流通的一刹那间，直流输出电流Ia在导引电弧通路12与等离子电弧通路13中分路。在这种情况下，导引电弧电流比等离子电弧电流大。电流探测器11探测导引电流Ip与等离子电流Ic两者。如前面所述，由于电流探测器11这样安排，使得等离子电流Ic感应的互感电流比导引电流Ip感应的互感电流大，所以电流探测器11产生正极性的探测信号。从电流探测器11输出的正探测信号被耦合到比较器51及误差放大器25的反相输入端，并且还通过极性反相器21耦合到误差放大器24的反相输入端。

因为电流探测器11输出的探测信号为正，所以比较器51对开关控制装置52产生一个OFF信号。那么，开关控制装置52断开开关10。因此，通过导引电弧通路12的导引电流Ip被切断，并且导引电弧熄灭。于是，直流电源2的直流输出电流Ia只通过等离子电弧通路13与公共通路15流通。整个直流输出电流Ia供给等离子电流Ic，并且电流探测器11只探测到这个等离子电流Ic。电流探测器11产生一个大小取决于等离子电流Ic的大小的正探测信号。

误差放大器25产生一个探测信号与等离子电弧参考信号之间差的放大形式。从另一方面来说，误差放大器24放大极性反相器21的为正探测信号的负反相形式的输出与源22输出的正参考信号之间的差，并且因此误差放大器24的输出电压等于电路电源V的电压。因此，误差放大器25的输出电压耦合到PWM控制电路31的输入端。

PWM控制电路31根据误差放大器25的输出电压，通过驱动电路32以这样方式控制直流电源2，以便电流探测器11输出的探测信号变成等于等离子电弧参考信号。因此，使得直流电源2的直流输出电流Ia，以及因此使得等离子电流Ic有一个与等离子电弧参考信号相对应的恒定值。这样，等离子电弧8得以稳定。

如上所述，本发明的等离子电弧电源装置使用单个电流探测器来探测两个导引电流Ip与等离子电流Ic。当没有等离子电流Ic流通，以及因此没有等离子电弧8产生时，等离子电弧电源装置控制导引电流Ip为恒定，由此稳定了导引电弧。当等离子电流Ic流通，以及因此等离子电弧8产生时，等离子电流Ic控制为恒定，由此稳定了等离子电弧8。因此，不同于现有技术装置，无需使用两个大电流容量的电流探测器，这样使得有可能以低成本制造小尺寸的等离子电弧电源装置。

即使当导引与等离子电流Ip与Ic两者同时流通时，在导引电流Ip比等离子电流Ic大，例如导引电流Ip比等离子电流Ic的两倍小，这种情况例如当等离子电弧起燃时可能出现，电流探测器11仍能产生一个与等离子电弧电流相对应的正探测信号。利用这样安排，从导引电弧到等离子电弧8的转变就平稳地进行。

本发明已经用一个等离子电弧切割机中使用的等离子电弧电源装置作了说明，但是该等离子电弧电源装置可以用于其它等离子电弧装置，比如一个等离子电弧焊接机。

在上述实施例中，一个变换器类型的电源用作直流电源2，但是直流电源2不限于变换器类型，而是可以使用其它类型，比如一个可控硅整流器类型的直流电源。此外，构成电流探测器11的直流互感器66已叙述为等离子电弧通路13在芯子14上缠绕的导线匝数比导引电弧通路12在芯子14上缠绕的匝数大，但是只要等离子电流Ic在探测绕组中感应的互感电流比导引电流Ip感应的电流大，导线匝数中这样的关系就可以不重要。此外，电流探测器11已经叙述包括一个直流互感器及一个探测信号输出装置，但是它可以是任何其它适当的电流探测器，比如一个使用并联电路的电流探测器。

在上述实施例中，芯子14上导引电弧通路12的导线缠绕方向与等离子电弧通路13的导线缠绕方向相反。这是为了对导引电流Ip与等离子电流Ic提供相反的极性，以便单个比较器51能判断电流探测器11输出的探测信号是零电平还是大于零，这样区别电流Ip与Ic。然而，它们可以按相同方向缠绕。然而，在这样情况下，芯子14上等离子电弧通路13的导线匝数应该比导引电弧通路12的导线匝数大，以便当等离子电流Ic流通时在探测绕组中感应的电流比导引电流Ip感应的电流大。利用这样安排，有可能通过把探测信号的电平与一个适当值的参考信号相比较，以得知等离子电流Ic正在流通，以及因此等离子电弧8已经产生。因此，提供了一个功能与控制装置20类似的电路。

已经叙述电流探测器11响应导引电流Ip产生一个负极性的探测信号，以及响应等离子电流Ic产生一个正极性的探测信号，但是它可以构成产生相反极性的探测信号。在这种情况下，电流探测器11输出的探测信号直接耦合到误差放大器24，而极性反相器21的输出则施加到误差放大器25及比较器51。

在导引电弧通路12与等离子电弧通路13中可以使用分离的电流探测器。在这种情况下，如果导引电流Ip比等离电流Ic小得足够多，用于导引电弧通路12的电流探测器可以比用于等离子电弧通路13的电流探测器电流容量小。

假设考虑或者在高频发生器7的输入侧或者在输出侧，或者在直流电源2的正极与导引电弧通路12和等离子电弧通路13的分支结点之间，放置电流探测装置。然而，在这种情况下，当导引电弧产生时，电流探测装置将探测导引电流Ip，并且因此即便使等离子喷枪3更靠近工件6以使等离子电弧8产生，控制装置20将趋于保持电流探测装置探测的电流为一个能维持导引电弧的电流。因此，等离子电弧电流Ic不会增加，并且因此不能完成从导引电弧到等离子电弧8的转变。

按照本发明，电流探测器11接入通路12与13中，以便探测各个导引与等离子电流，由此确定何时等离子电弧8点燃，也就是何时等离子电流Ic开始流通。

导引与等离子参考信号源22与23可以构成提供可变的参考信号。调整各个参考信号源将改变导引电流Ip与等离子电流Ic，这样能提供用于调整导引电弧能量与等离子电弧能量的装置。

开关10可以是一个半导体开关器件。

图3表示一个使用按照本发明的第二实施例的等离子电弧电源装置的等离子电弧切割机。第二实施例的等离子电弧电源装置使用一个控制装置20a，以代替第一实施例的控制装置20。由于剩余部分大体上与第一实施例的装置相同，所以对相同或相似的元件使用了同样的标号，并且对它们不作详细的说明。

控制装置20a包括绝对值变换器33，开关34和35，误差放大器37，PWM控制电路31，驱动电路32，比较器51，以及开关控制装置52a。

电流探测器11输出的探测信号耦合到比较器51，并且还通过绝对值变换器33耦合到误差放大器37的反相输入端。不管电流探测器11输出的探测信号的极性如何，绝对值变换器33例如总把探测信号变换成一个正信号。绝对值变换器33例如可以是一个全波整流电路。

每当电流探测器11输出的探测信号等于或小于一个参考电平，例如零时，或者换句话说，当探测信号为零或负时，比较器51就对开关控制装置52a提供一个闭合控制信号，例如一个ON信号。当探测信号大于零或为正时，比较器51就对开关控制装置52a提供一个断开控制信号，例如一个OFF信号。

开关控制装置52a响应比较器51的输出信号，断开或闭合开关10，并且还控制选择装置，例如一个参考信号开关电路36的开关34和35。当它接收到来自比较器51的ON信号时，开关控制装置52a闭合开关10和34，并且断开开关35。当接收到来自比较器51的OFF信号时，开关控制装置52a断开开关10和34，并且闭合开关35。

误差放大器37的非反相输入端接收导引电弧参考信号源22输出的导引电弧参考信号与等离子电弧参考信号源23输出的等离子电弧参考信号中所选择的一个。该选择由参考信号开关电路36完成。误差放大器37放大绝对值变换器33的输出信号，亦是电流探测器11输出的探测信号的绝对值变换形式，与参考信号开关电路36所选择的导引电弧与等离子电弧参考信号中所选择的一个之间的差。误差放大器37的输出被耦合到PWM控制电路31。

PWM控制电路31按照误差放大器37的输出信号起动驱动电路32，由此控制直流电源2。PWM控制电路31以这样方式控制直流电源2，以便绝对值变换器33的输出信号，亦是电流探测器11输出的探测信号的绝对值变换形式，变成等于等离子电弧参考信号或导引电弧参考信号。

具有上述安排的等离子电弧切割机按下述方式操作。假定主电极4与喷嘴电极5之间的间隙小，而主电极4与工件6之间的间隙大，并且没有导引电弧或等离子电弧存在。在这种状态下，既没有导引电流Ip也没有等离子电流Ic流通，并且因此电流探测器11输出的探测信号为零。于是，比较器51产生ON信号，这样开关控制装置52a闭合开关10和参考信号开关电路36的开关34，并且断开开关35。

在这种状态下，高频发生器7被激活，以在主电极4与喷嘴电极5之间施加一个高频电压。结果在这两个电极产生一个导引电弧，并且导引电流Ip在导引电弧通路12中流通。

电流探测器11探测导引电流Ip，它产生一个与导引电流Ip的大小相对应的负极性探测信号。该探测信号施加到比较器51，并且还通过绝对值变换器33施加到误差放大器37。

因为电流探测器11输出的探测信号为负极性，所以比较器51对开关控制装置52a产生ON信号。开关控制装置52a保持开关10为闭合。同时，开关控制装置52a闭合参考信号开关电路36的开关34，并且断开开关35。结果，导引电流Ip继续通过导引电弧通路12流通，以维持导引电弧。

误差放大器37放大绝对值变换器33的输出信号，它亦是负探测信号的正形式，与通过参考信号开关电路的开关34所耦合的导引电弧参考信号之间的差。误差放大器37把放大的信号施加到PWM控制电路31的输入端。

PWM控制电路31按照误差放大器37的输出信号，通过驱动电路32以这样方式控制直流电源2，以便绝对值变换器33的输出变成等于所选择的参考信号。这样，导引电弧得以稳定。

在导引电弧产生情况下，当使等离子喷嘴3更靠近工件6时，导引电弧点燃主电极4与工件6之间的等离子电弧8，因此等离子电流Ic在等离子电弧通路13中流通。探测等离子电流Ic的电流探测器11产生一个正探测信号。

于是，因为电流探测器11输出的探测信号为正，所以比较器51对开关控制装置52a提供OFF信号。开关控制装置52a断开开关10，这样切断导引电流Ip的流通，并且导引电弧熄灭。结果，直流电源2的直流输出电流Ia全部分配给等离子电流Ic，并且因此电流探测器11只探测到等离子电流Ic，它产生一个与等离子电流Ic的大小相对应的正极性探测信号。于是，开关控制装置52a断开参考信号开关电路36的开关34，并且闭合开关35，因此选择了耦合到开关35的等离子电弧参考信号。

误差放大器37放大具有正极性的绝对值变换器33的输出信号与所选择的等离子电弧参考信号之间的差，并且把放大的信号施加到PWM控制电路31的输入端。

PWM控制电路31按照误差放大器37的输出，通过驱动电路32以这样方式控制直流电源2，以便绝对值变换器33的输出信号变成等于等离子电弧参考信号。那么，亦是等离子电流Ic的直流电源2的直流输出电流Ia保持在一个由等离子电弧参考信号所确定的恒定值。这样，等离子电弧得到稳定。

控制装置20a仅使用一个误差放大器，并且等离子电弧参考信号与导引电弧参考信号之间的转接可以按照由比较器51所确定的探测信号的极性执行。这样简化了等离子电弧电源装置的电路布置。

Claims (10)

1.一种用于对一个等离子负载供给直流电流的等离子电弧电源装置，该等离子负载包括一个主电极，一个环绕所述主电极在它们之间安排有一个间隙的喷嘴电极，以及一个与所述主电极留有间隙的工件，所述等离子电弧电源装置包括：

一个适应与所述主电极连接的主电极端；

一个适应与所述喷嘴电极连接的喷嘴电极端；

一个适应与所述工件连接的工件端；

可变直流电源装置，具有第一及第二输出端，用于按照施加其中的一个电流控制信号，提供可变的输出直流电流，所述第一输出端与所述主电极端连接；

开关装置，连接在所述可变直流电源装置的所述第二输出端与所述喷嘴电极端之间，所述开关装置响应断开与闭合控制信号，有选择地断开与闭合；

导引电弧电流探测装置，与所述开关装置串联连接在所述第二输出端与所述喷嘴电极端之间，用于探测通过所述喷嘴电极与主电极的导引电弧电流，并且产生一个与导引电弧电流的值相对应的导引电弧电流探测信号；

等离子电弧电流探测装置，连接在所述第二输出端与所述工件端之间，用于探测通过所述主电极与所述工件的等离子电弧电流，并且产生一个与等离子电弧电流的值相对应的等离子电弧电流探测信号；以及

控制装置，当所述等离子电弧电流等于或小于一个预定电平时，对所述开关装置提供所述闭合控制信号，并且还对应所述导引电弧电流探测信号与一个预定导引电弧参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，由此控制所述导引电弧电流为一个与所述导引电弧参考信号相对应的值；

当所述等离子电弧电流大于所述预定电平时，所述控制装置对所述开关装置提供所述断开控制信号，并且还对应所述等离子电弧电流探测信号与一个预定等离子电弧参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，由此控制所述等离子电弧电流为一个与所述等离子电弧参考信号相对应的值。

2.按照权利要求1的等离子电弧电源装置，其中所述控制装置包括：

开关装置控制装置，当所述等离子电弧电流等于或小于所述预定电平时，用于对所述开关装置提供所述闭合控制信号，以及当所述等离子电弧电流大于所述预定电平时，用于对所述开关装置提供所述断开控制信号；以及

可变直流电源装置控制装置，当所述等离子电弧电流等于或小于所述预定电平时，对应所述导引电弧电流探测信号与所述导引电弧参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，由此控制所述导引电弧电流为一个与所述导引电弧参考信号相对应的值，以及当所述等离子电弧电流大于所述预定电平时，对应所述等离子电弧电流探测信号与所述等离子电弧参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，由此控制所述等离子电弧电流为一个与所述等离子电弧参考信号相对应的值。

3.一种用于对一个等离子负载供给直流电流的等离子电弧电源装置，该等离子负载包括一个主电极，一个环绕所述主电极在它们之间安排有一个间隙的喷嘴电极，以及一个与所述主电极留有间隙的工件，所述等离子电弧电源装置包括：

一个适应与所述主电极连接的主电极端；

一个适应与所述喷嘴电极连接的喷嘴电极端；

一个适应与所述工件连接的工件端；

可变直流电源装置，具有第一及第二输出端，用于按照施加其中的一个电流控制信号，提供可变的输出直流电流，所述第一输出端与所述主电极端连接；

一个导引电弧通路，连接在所述可变直流电源装置的所述第二输出端与所述喷嘴电极端之间，用来使所述可变直流电源装置输出的导引电弧电流在所述主电极与所述喷嘴电极之间流通，由此使它们之间产生一个导引电弧；

开关装置，连接在所述导引电弧通路之中，并且响应一个断开控制信号及一个闭合控制信号，有选择地断开及闭合；

一个等离子电弧通路，连接在所述第二输出端与所述工件端之间，用于使所述可变直流电源装置输出的等离子电弧电流在所述主电极与所述工件之间流通，由此使它们之间产生一个等离子电弧；

电流探测装置，有一个连接到所述等离子电弧通路的第一输入端，以及一个连接到所述导引电弧通路的第二输入端，用于产生一个与所述导引电弧和等离子电弧电流的值相对应的探测信号；以及

控制装置，当所述探测信号指示所述导引电弧电流正在流通时，对所述开关装置提供所述闭合控制信号，并且还对应所述探测信号与一个预定导引电弧参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，由此控制所述导引电弧电流为一个与所述预定导引电弧参考信号相对应的值；

当所述探测信号指示所述等离子电弧电流正在流通时，所述控制装置对所述开关装置提供所述断开控制信号，并且还对应所述探测信号与一个预定等离子电弧参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，由此控制所述等离子电弧电流为一个与所述预定等离子电弧参考信号相对应的值。

4.按照权利要求3的等离子电弧电源装置，其中所述电流探测装置包括：

一个直流电流互感器，有作为一次绕组缠绕在一个芯子上构成所述导引电弧通路与等离子电弧通路的导线，以及有一个缠绕在所述芯子上的二次绕组，其中通过与所述各个一次绕组中流通的电流相对应的二次绕组互感电流；以及

探测信号输出装置，用于探测所述互感电流，并且产生一个与所述探测的互感电流相对应的探测信号。

5.按照权利要求4的等离子电弧电源装置，其中所述直流互感器对所述等离子电弧通路的导线匝数要比对所述导引电弧通路的导线匝数大。

6.按照权利要求4的等离子电弧电源装置，其中所述等离子电弧通路的导线以与所述导引电弧通路的导线相反的方向缠绕在所述芯子上。

7.按照权利要求3的等离子电弧电源装置，其中所述控制装置包括：

开关装置控制装置，当所述探测信号等于或大于一个参考电平，指示导引电弧电流正在流通时，对所述开关装置提供所述闭合控制信号，以及当所述探测信号小于所述参考值时，对所述开关装置提供所述断开信号；以及

可变直流电源装置控制装置，当所述探测信号等于或大于所述参考电平时，对应所述探测信号与所述导引电弧参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，由此控制所述导引电弧电流为一个与所述导引电弧参考信号相对应的值，以及当所述探测信号小于所述参考电平时，对应所述探测信号与所述等离子电弧参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，由此控制所述等离子电弧电流为一个与所述等离子电弧参考信号相对应的值。

8.按照权利要求4的等离子电弧电源装置，其中：

所述等离子电弧通路在所述芯子上缠绕的导线匝数比所述导引电弧通路缠绕的导线匝数大，所述等离子电弧通路导线的缠绕方向与所述导引电弧通路导线的缠绕方向相反；

所述控制装置包括：

极性判断装置，当所述探测信号为第一极性时，对所述开关装置提供所述断开控制信号，以及当所述探测信号为第二极性时，对所述开关装置提供所述闭合控制信号；以及

可变直流电源装置控制装置，当所述探测信号为所述第一极性时，对应所述探测信号与所述导引电弧电流参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号，以及当所述探测信号为所述第二极性时，对应所述探测信号与所述等离子电弧电流参考信号之间的差，对所述可变直流电源装置提供所述电流控制信号。

9.按照权利要求8的等离子电弧电源装置，其中所述可变直流电源装置控制装置包括：

第一误差放大装置，用于产生一个表示所述探测信号与所述导引电弧参考信号之间差的输出信号；

极性反相装置，用于反相所述探测信号的极性；

第二误差放大装置，用于产生一个表示所述极性反相装置的一个输出信号与所述等离子电弧参考信号之间差的输出信号；以及

选择装置，当所述探测信号是所述第一极性时，选择所述第一误差放大装置的输出信号，以及当所述探测信号是所述第二极性时，选择所述第二误差放大装置的输出信号。

10.按照权利要求8的等离子电弧电源装置，其中所述可变直流电源装置控制装置包括：

所述探测信号耦合其上的绝对值变换装置；

选择装置，响应所述极性判断装置输出的所述闭合控制信号，选择所述导引电弧参考信号，以及响应所述极性判断装置输出的所述断开控制信号，选择所述等离子电弧参考信号；以及

误差放大装置，用于产生一个输出信号，表示所述绝对值变换装置的输出信号与所述选择装置所选择的所述导引电弧和等离子电弧参考信号中一个之间的差。

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