ES2234049T3 - Dispositivo de plasma de arco. - Google Patents

Abstract

Un modulo de circuito de transición de arco para lámpara de plasma. El módulo incluye un par de ramas de circuito (40, 50, La rama de circuito (40) se utiliza para generar un arco piloto entre el electrodo y una boquilla de lámpara (20) La rama de circuito (50) se utiliza para generar un arco operativo entre el electrodo y la boquilla. La rama de circuito (50) lleva un detector de corriente. Cuando la corriente detectada en la rama (50) sobrepasa un nivel predeterminado, se activa un conmutador para conmutar a la rama (40). Un circuito de detección emite dos señales que representan un valor de la corriente existente y de la corriente objetivo a alcanzar, respectivamente. Un circuito comparador compara las dos señales. Basado en el resultado de la comparación, se ajusta el valor de corriente de la rama (40). Cuando la corriente detectada en la rama es superior a un valor de umbral pero inferior al valor objetivo, el valor de corriente continua de la fuente de alimentación se incrementa utilizando la salid de un circuito de formación de ondas.

Description

Dispositivo de plasma de arco.

La invención se refiere a un sistema de circuito para un dispositivo de arco eléctrico de plasma con un electrodo y un elemento de boquilla que presenta un orificio para el arco eléctrico de plasma, a través del cual se puede dirigir el electrodo sobre una pieza situada delante, y se refiere en particular a un circuito de transmisión del arco eléctrico para ese dispositivo de plasma. La invención está dirigida además a un procedimiento para regular ese sistema de circuito o para el funcionamiento de un dispositivo de arco eléctrico de plasma.

Los dispositivos conocidos de arco eléctrico de plasma, por ejemplo para la soldadura por plasma, corte por arco eléctrico de plasma o similares llevan un electrodo y tienen una boquilla con un orificio para el arco eléctrico de plasma, a través del cual se orienta el electrodo sobre la pieza situada delante. Los dispositivos conocidos se alimentan con corriente continua desde una fuente de alimentación adecuada. Una primera parte del circuito, a través de la cual la fuente de alimentación está conectada al quemador de plasma, sirve para generar un arco eléctrico piloto entre el electrodo y la boquilla. Si se reduce la distancia entre la pieza y la boquilla, empieza a fluir la corriente aplicada a la pieza a través de la capa ionizada que se forma entre el electrodo y la pieza debido al arco eléctrico piloto. En este momento se abre o desemborna la citada primera parte del circuito de conexión y la fuente de alimentación aplica entre el electrodo y la pieza una corriente continua para convertir el arco eléctrico piloto en un arco eléctrico de trabajo, para cortar la pieza, soldarla o someterla a otros mecanizados que se puedan realizar sirviéndose del dispositivo de plasma.

Se conocen diversos circuitos mediante los cuales el quemador de plasma está conectado a la fuente de alimentación, por ejemplo por la patente US-5.530.220. Por esta patente algo antigua ya se conoce el hecho de prever una resistencia en el ramal del arco eléctrico piloto del circuito de conexión para generar una tensión elevada entre la pieza y la boquilla durante la fase del arco eléctrico piloto. La magnitud de la resistencia determina la tensión estándar entre la pieza y la boquilla, que a su vez es una magnitud que indica cuál es la distancia de descarga eléctrica a la cual todavía puede saltar la chispa del arco eléctrico cuando el dispositivo se conmuta del régimen de arco eléctrico piloto al régimen de trabajo o corte. Se han propuesto diversos sistemas para aumentar esta tensión disponible y permitir con ello también una distancia de descarga eléctrica mayor. En una de estas propuestas se prevé que en la conducción que va al electrodo haya una inductividad (bobina) que acumula la corriente y genera una descarga inductiva, lo que tiene como consecuencia una tensión elevada que se emplea para incrementar la distancia de la descarga eléctrica. Esta propuesta para incrementar la tensión de descarga del arco eléctrico se describe en la patente norteamericana antes citada, a la cual se recurre aquí para explicar la base técnica sobre la que se mueve la invención. Esta publicación algo antigua describe un circuito de conexión con diversos circuitos para determinar y regular o controlar la corriente y para efectuar la conmutación entre el régimen de arco eléctrico de cebado y el régimen de mecanizado del
dispositivo de plasma.

Por la patente US-A-5.630.952 se conoce un dispositivo de arco eléctrico de plasma que comprende un electrodo principal, un electrodo de boquilla y una conexión para una pieza. El electrodo principal está conectado a una fuente de corriente continua, que tiene también una segunda salida. Entre la segunda salida y el electrodo de la boquilla va intercalado un circuito de arco eléctrico piloto que lleva un conmutador. Entre la conexión a la pieza y la segunda salida está situado un circuito de arco eléctrico de plasma. Un detector de corriente, conectado mediante una conexión al circuito de arco eléctrico de plasma y con una segunda conexión al circuito del arco eléctrico piloto, genera una señal que corresponde al valor de la corriente piloto o a la corriente del plasma respectivamente. Cuando pasa la corriente piloto, una unidad reguladora cierra el conmutador en el circuito del arco eléctrico piloto, regulando la corriente momentánea suministrada por la fuente de corriente continua a un valor teórico de corriente piloto predeterminado. Cuando pasa la corriente del plasma, la unidad reguladora abre el conmutador y regula la corriente efectiva suministrada por la fuente de corriente continua a un valor teórico predeterminado de la corriente del plasma.

La presente invención se puede emplear para los dispositivos de plasma más diversos. Para facilitar la comprensión, a continuación se explicará la invención únicamente con relación a un dispositivo, en el cual se controla o regula la tensión entre la pieza y el electrodo mediante una resistencia en el circuito del arco eléctrico piloto. La invención sin embargo tiene un campo de aplicación considerablemente más amplio y se puede utilizar prácticamente en todos los dispositivos de arco eléctrico de plasma en los que se determine la corriente de la pieza y donde el circuito que conecta la fuente de alimentación al quemador de plasma conmuta en uno y otro sentido entre un régimen de arco eléctrico de cebado y un régimen de trabajo.

Es de por sí conocido que la distancia de la descarga eléctrica que se aumenta al elevar la tensión disponible al pasar del régimen de arco eléctrico piloto al régimen de trabajo debería ser la mayor posible, dentro de unos límites admisibles. La presente invención sin embargo se refiere también a otra característica de los dispositivos de plasma. Y es que la mayoría de esos sistemas trabajan con una corriente de arco eléctrico piloto relativamente grande, de manera que permite conseguir la máxima distancia de la descarga eléctrica posible debido a la gran tensión disponible en la transmisión del arco eléctrico. El empleo de unas corrientes grandes de cebado para el arco eléctrico tiene sin embargo como consecuencia el inconveniente de que la vida útil de la boquilla es relativamente corta. La vida útil se puede aumentar notablemente reduciendo la corriente del arco eléctrico de cebado, lo cual sin embargo tiene el notable inconveniente, cuando está en funcionamiento el quemador de plasma, en particular en las aplicaciones automáticas como por ejemplo en un quemador con robot, de que la distancia que puede salvar el arco eléctrico al conmutar del régimen piloto al régimen de corte o soldadura se reduce correspondientemente.

En un quemador de plasma de gas típico se prevé entre la fuente de alimentación y el quemador un circuito cuya rama del arco eléctrico piloto trabaja con una corriente regulada de unos 20 a 30 amperios. Para conseguir una distancia mayor de la descarga eléctrica o de transmisión se puede aumentar la corriente y la tensión entre la boquilla y la pieza del circuito del arco eléctrico piloto; ahora bien, al aumentar la corriente del arco eléctrico piloto a un nivel que permita también una mayor distancia de la descarga eléctrica, esto tiene como consecuencia un desgaste notable, dando lugar a que se reduzca la vida útil de los componentes del quemador de plasma.

El objetivo de la invención es el de crear un circuito para conectar un quemador de plasma a una fuente de corriente continua cuyo empleo permita aumentar la distancia de la descarga eléctrica o transmisión sin adolecer de los inconvenientes debidos a una corriente elevada del arco eléctrico piloto. Este objetivo se resuelve mediante la invención con las características indicadas en las reivindicaciones.

El dispositivo de plasma objeto de la invención trabaja con corriente continua, que puede ser facilitada por una fuente de corriente continua de impulsos, como por ejemplo un convertidor u otra fuente de corriente continua adecuada. El circuito que une la fuente de alimentación con el dispositivo de plasma o el quemador presenta generalmente un primer tramo del circuito para generar un arco eléctrico piloto que arde entre el electrodo y la tobera, y una segunda rama del circuito que sirve para generar un arco eléctrico de plasma de trabajo entre el electrodo y la pieza. Un sensor de corriente dispuesto en el segundo ramal del circuito determina la corriente instantánea de la pieza en el segundo ramal del circuito y hay un dispositivo conmutador, que conmuta en función de la corriente de la pieza, que se emplea para abrir el ramal del circuito correspondiente al arco eléctrico piloto cuando la corriente de la pieza aumenta por encima de un determinado valor preseleccionado. De esta manera, la corriente comienza a pasar por el segundo ramal del circuito cuando la pieza y la tobera se desplazan acercándose entre sí. Este flujo de corriente resulta posible gracias a los gases ionizados por el arco eléctrico piloto y es un indicio de la proximidad entre la pieza y el quemador de plasma. Cuando de este paso de corriente se deduce que la pieza se encuentra a una distancia de la descarga eléctrica predeterminada respecto al quemador, previamente determinada, se abre el ramal o circuito del arco eléctrico de cebado y la corriente suministrada por la fuente de alimentación queda aplicada a la pieza. El arco eléctrico piloto salta a la pieza para cortar ésta o para someterla a otro tratamiento térmico, como por ejemplo soldadura, revenido, etc. Esta clase de circuitos de conexión regulan la corriente en el ramal del arco eléctrico piloto a un valor predeterminado, que generalmente está en la gama de 10 a 30 amperios. La corriente del arco eléctrico de cebado se hace cero, cuando se abre el ramal del arco eléctrico piloto del circuito de conexión. Para regular el arco eléctrico piloto al valor predeterminado se emplea un regulador de corriente estándar. Una señal que representa el valor instantáneo de la corriente, que fluye desde la fuente de alimentación al arco eléctrico piloto del circuito, se compara con una segunda señal que corresponde al valor deseado de la corriente del arco eléctrico piloto. Mediante esta comparación entre el valor deseado o de ajuste de la corriente del arco eléctrico piloto y el valor de la corriente del arco eléctrico de cebado instantáneo se tiene la posibilidad de ajustar la entrada de regulación de la fuente de alimentación, regulando de esta manera la corriente instantánea del arco eléctrico de cebado al valor preajustado deseado de corriente del arco eléctrico de cebado. En un dispositivo de regulación de la corriente de esta clase se propone con la presente invención una mejora, mediante un dispositivo para generar una señal de disparo (trip signal), cuando la tensión de la pieza que se ha determinado sube por encima de una corriente umbral baja, que es claramente inferior a la corriente de la pieza que se necesita para conseguir una descarga eléctrica fiable del arco eléctrico de cebado. La invención presenta además un dispositivo con ayuda del cual se eleva el nivel de la señal que indica la corriente del arco eléctrico piloto deseado a un valor que está por encima del valor de ajuste previamente elegido, con lo cual se incrementa correspondientemente la corriente del arco eléctrico piloto momentáneo aplicada por la fuente de alimentación al circuito del arco eléctrico piloto. De este modo se aumenta rápidamente el valor deseado para la corriente del arco eléctrico piloto, si ya se comprueba que hay una pequeña corriente a través de la pieza. La consecuencia de esto es que también se incrementa correspondientemente la corriente que fluye a la pieza, con lo cual se acelera o mejora el paso del arco eléctrico piloto al arco eléctrico de trabajo en la pieza. Mediante la invención se mantiene una corriente reducida del arco eléctrico piloto hasta que aparezca un síntoma de que la pieza y la boquilla se están aproximando entre sí. En este caso se incrementa el valor teórico para la corriente del arco eléctrico piloto, y con ello aumenta también la salida de la fuente de alimentación para acelerar el salto de chispa del arco eléctrico y de esta manera incrementar notablemente la distancia que puede salvar el arco eléctrico (distancia de la descarga eléctrica).

En una realización preferida de la invención se incrementa el valor preajustado (valor teórico) de la corriente del arco eléctrico piloto mediante un circuito que genera una señal base de tiempo (time base signal) con un nivel en aumento y con un perfil preseleccionado, de manera que el aumento preajustado se suma a la señal de corriente que está ajustada, dando lugar correspondientemente a que aumente el valor instantáneo de la corriente aplicada por la fuente de alimentación en el ramal del arco eléctrico piloto del circuito. En la práctica ha resultado ventajoso como perfil preajustado un perfil en rampa que se inicia en cuanto se compruebe que la corriente de trabajo aumenta por encima de un valor umbral preajustado bajo de unos 20 a 80 miliamperios. En esta realización, al alcanzarse o rebasarse la corriente umbral baja, la corriente de la pieza genera una señal de disparo que pone en marcha un generador de rampas o un generador en diente de sierra, que tiene una tensión de salida que va aumentando y que se suma a la tensión que representa el valor teórico para la corriente del arco eléctrico piloto. De esta manera se incrementa la corriente del arco eléctrico piloto en forma de rampa hasta que la corriente de la pieza alcanza un valor de descarga eléctrica preajustado, que debería ser mayor de unos 150 miliamperios, y que generalmente es del orden de hasta 3 amperios. Cuando la corriente de la pieza alcanza el valor preajustado para que se produzca el salto de chispa del arco eléctrico, el arco eléctrico se pasa a la pieza (descarga del arco eléctrico) y se reinicia el generador de rampas o diente de sierra hasta que comience el siguiente régimen del arco eléctrico piloto.

El circuito de conformado de ondas puede tener cualquier clase y número de perfiles preajustados, por ejemplo una rampa, rampa rectilínea, rampa escalonada, curva cóncava o convexa, curva constante en el tiempo o un perfil conforme a una función de escalera, sin que esto influya sobre la realización de principio y el volumen de la invención. De hecho cabe también imaginar que al alcanzarse el reducido valor umbral, la corriente del arco eléctrico piloto deseada aumenta inmediatamente desde un primer valor teórico bajo de por ejemplo 15 amperios a un valor alto de por ejemplo 25 amperios, es decir, a modo de una función de salto. En cualquier caso se mantiene reducida la corriente del arco eléctrico piloto hasta que disminuya la distancia entre el quemador de plasma y la pieza. Solamente entonces se incrementa la señal que representa la corriente del arco eléctrico piloto deseada, y que sirve para regular la corriente de la fuente de alimentación, para aumentar de esta manera correspondientemente la corriente aplicada a la pieza, haciendo posible de esta manera una distancia de la descarga eléctrica tal como se alcanza con un nivel alto de la corriente del arco eléctrico piloto, y no con un nivel bajo. Con la invención se prolonga notablemente la vida útil del quemador, y para un determinado valor básico de la corriente del arco eléctrico piloto se incrementa la distancia de salto de chispa.

Se ha puesto de manifiesto que la corriente de la pieza para la cual se transmite el arco eléctrico debería estar ajustada a un valor que sea superior a 150 miliamperios. La reducida corriente umbral elegida se ajusta por lo tanto convenientemente a un valor inferior a 100 miliamperios. En la práctica ha resultado especialmente ventajoso ajustar el valor umbral de la corriente de la pieza, que empieza a pasar antes de que se produzca el salto de chispa del arco, a un valor de 20 a 80 miliamperios. Cuando se ha alcanzado el valor umbral bajo y se incrementa el valor teórico del circuito del arco eléctrico piloto, sin que se haya comprobado que se ha alcanzado la corriente necesaria para que se produzca el salto de chispa del arco eléctrico, se reduce preferentemente el circuito de conformado de ondas (Wave form circuit) para volver a conmutar el regulador de corriente de la fuente de alimentación al valor reducido de la corriente piloto preajustado. Eventualmente sucede que salta el arco eléctrico antes de que se haya incrementado la corriente del arco eléctrico piloto conforme a la invención. En otros casos se ha podido observar también que la corriente del arco eléctrico piloto deseada se había incrementado a un valor situado por encima del valor teórico, sin que se llegara a producir el salto de chispa del arco eléctrico. En estos casos simplemente se reduce con la invención el circuito de conformado de ondas y se espera a que aparezca un nuevo indicio de que se vaya a producir un salto de chispa del arco eléctrico.

Con la invención se crea de forma especialmente ventajosa un circuito y un procedimiento mediante los cuales es posible combinar la fuente de alimentación de corriente continua y el dispositivo de plasma de tal manera que resulte posible una separación del salto de chispa (stand off) mayor de la que normalmente se puede alcanzar con la corriente preajustada en el ramal del arco eléctrico piloto del circuito, con lo cual se consigue un mejor rendimiento con un menor desgaste del quemador de plasma. Con la invención se consigue de forma ventajosa una distancia de transmisión o de descarga eléctrica que corresponde a una corriente piloto mayor que la corriente piloto normal preajustada, tal como está ajustada en el circuito objeto de la invención o en el procedimiento objeto de la invención. Con la invención se reduce notablemente la energía consumida en el régimen de arco eléctrico piloto durante el funcionamiento del dispositivo de plasma. Con la invención resulta además posible de forma especialmente ventajosa conseguir el salto de chispa del arco eléctrico cuando solamente se ha alcanzado una corriente de 160 a 500 miliamperios, mientras que en los sistemas más antiguos generalmente se necesitaban unas corrientes de descarga entre 2 y 3 amperios.

Éstas y otras características y ventajas de la invención se deducen de la siguiente descripción y de los dibujos, donde junto al estado de la técnica se describen con mayor detalle, por medio de un ejemplo algunas formas de realización preferidas de la invención. Las figuras muestran:

Fig. 1 una representación esquemática de un circuito ya conocido para conectar una fuente de alimentación a un dispositivo de plasma, donde el salto de la chispa del arco eléctrico tiene lugar a 2 a 3 amperios y la corriente del arco eléctrico de cebado está ajustada a 25 amperios;

Fig. 2 una representación esquemática, correspondiente a la Fig. 1, de una forma de realización preferida del circuito objeto de la invención;

Fig. 3 un gráfico de corriente que representa las características de trabajo de la forma de realización preferida según la Fig. 2, donde la corriente deseada para el arco eléctrico piloto está representada a una primera escala, y la corriente de la pieza está representada en la misma línea de tiempos pero a otra escala;

Fig. 4 una curva de corriente que representa la corriente del arco eléctrico piloto en el circuito conocido según la Fig. 1, y en la forma de realización preferida de la invención según la Fig. 2;

Fig. 5 una representación correspondiente a la distancia del salto de chispa del dispositivo de arco eléctrico de plasma conforme a la invención;

Fig. 6a una curva de tensión que representa un primer perfil preferido de la señal de salida del circuito de conformado de ondas representado en la Fig. 2; y

Fig. 6b una curva de tensión que representa unos perfiles de señal de salida alternativos elegidos para el circuito de onda según la Fig. 2.

En la Fig. 1 se designa por A un circuito conocido por el estado de la técnica para un dispositivo de plasma o un quemador de plasma 20, que está conectado a una fuente de alimentación de corriente continua 10 en sus conexiones de salida 12 y 14 y a una entrada de regulación de corriente 16. La fuente de alimentación 10 suministra una corriente continua con una intensidad de corriente que viene determinada por la tensión en la entrada del regulador de corriente 16, que es controlada de forma conocida por un modulador de amplitud de impulsos (PWM). La tensión aplicada a la entrada 16 controla de forma conocida la corriente suministrada por la fuente de alimentación 10. La alimentación de corriente 10 puede suministrar una corriente continua pulsante o uniforme, siendo por ejemplo un convertidor o un rectificador trifásico con regulación SCR. Para entender mejor la presente invención debe suponerse que en las conexiones 12, 14 está aplicada una corriente continua uniforme; sin embargo, es perfectamente posible que tanto el circuito A como el circuito conforme a la invención trabajen con una fuente de alimentación que suministre una corriente continua pulsante.

El quemador de plasma 20 presenta un electrodo 22 y una boquilla 24, dotada de un orificio para el arco eléctrico de plasma 26, a través del cual se alinea el electrodo en dirección hacia una pieza situada delante del quemador 20. De manera de por sí conocida se ceba primeramente entre el electrodo 22 y la boquilla 24 un arco eléctrico piloto P. Cuando se alcanza el estado de trabajo previamente determinado, es decir, cuando el quemador y la pieza se encuentran en una posición mutua en la que se mantiene entre ellas una distancia previamente determinada, lo cual normalmente se comprueba por medio de la corriente de la pieza que fluye a través de la pieza, se transmite el arco eléctrico piloto P y salta a la pieza 30, de manera que se forma un arco eléctrico de trabajo T, tal como está representado esquemáticamente en la Fig. 1. Para generar el arco eléctrico piloto P se hace pasar a través de un primer ramal del circuito 30 una corriente I_{P}. El primer ramal del circuito lleva una resistencia 42 y un conmutador de estado sólido 44 (conmutador semiconductor, solid state switch), por ejemplo un IGT o un elemento de conmutación similar. En los circuitos de plasma se emplea con frecuencia la resistencia 42 para generar una tensión entre la pieza 30 y la boquilla 24. La magnitud de la resistencia 42 y la de la corriente del arco eléctrico piloto I_{P} determinan la tensión que hay presente entre la pieza y la boquilla. La tensión en la resistencia 42 es importante para el "stand off", es decir para la distancia de transmisión o de salto de chispa entre el quemador 20 y la pieza 30. La resistencia solamente está representada con fines ilustrativos, ya que la invención no está basada en la tensión efectiva que se puede regular o controlar por medio de diversas clases de circuitos. Para aclarar la invención se supone que la magnitud de la resistencia 42 es de 5,0 ohmios, para que con una corriente de arco eléctrico piloto I_{P} de 25 amperios se obtenga una tensión de unos 125 voltios.

En el circuito conocido representado en la Fig. 1 se emplea un segundo ramal del aparato 50 para que pase una corriente entre la pieza 30 y el electrodo 22 cuando el arco eléctrico piloto P haya ionizado el intersticio entre el electrodo y la pieza. Para medir este flujo de corriente de la pieza I_{w} se ha previsto un sensor de corriente 52, que en una salida 54 tiene una tensión que da la medida de la magnitud de la corriente de la pieza I_{w}. La tensión aplicada a la línea de salida 54 se conduce a un comparador 56 que tiene una salida de conmutación lógica 58, la cual adopta un valor lógico 1 cuando la tensión aplicada a la línea 54 alcanza un valor equivalente a una corriente preseleccionada, que se puede ajustar por medio de un circuito de valor umbral 60 y que tiene una salida de tensión 62 que también está aplicada al comparador 56, de manera que se puedan comparar entre sí las dos tensiones aplicadas a las líneas 54 y 62. Cuando la tensión aplicada a la línea 54 llega a ser mayor que la tensión de la línea 56 la salida del comparador adopta un valor lógico 1, abriendo de esta manera el conmutador 44 en el circuito del arco eléctrico piloto 40. La tensión suministrada por el circuito de valor umbral 60, que representa la tensión de la pieza, debería ser relativamente grande, según las experiencias con los circuitos conocidos, equivaliendo a un valor superior a unos 160 miliamperios. En los dispositivos de plasma conocidos, este valor umbral generalmente se encuentra en un valor preajustado de 2 a 3 amperios. Por lo tanto, el conmutador 54 generalmente está cerrado, hasta que la pieza 30 se encuentre ya muy próxima delante de la boquilla 24. Con este ajuste del circuito del valor umbral 60 se consigue, con una corriente de arco eléctrico piloto de 25 amperios, una distancia de salto de chispa de unos 6,3 mm (0,25 pulgadas), tal como está representado en principio en el diagrama de distancia de salto de chispa de la Fig. 5. Si se ajusta el circuito de valor umbral 60 a dos amperios, entonces la distancia de salto de chispa o transmisión aumenta hasta unos 8,5 mm (1/3 pulgada). Con un valor de corriente preajustado de 2 amperios para salto de chispa, una corriente de arco eléctrico piloto más reducida, de 15 amperios, todavía permitirá el salto de chispa a la pieza a una distancia de unos 6,3 mm. En cambio, un arco eléctrico piloto de solamente 10 amperios jamás provocará un salto de chispa del arco eléctrico a la pieza para un valor umbral preajustado de 2,0 amperios, si la pieza está situada a la misma distancia de 6,3 mm delante del quemador, si se utiliza el circuito representado en la Fig. 1. Las distancias de salto de chispa que se pueden conseguir en función de la corriente del arco eléctrico piloto y del valor umbral preajustado son parámetros conocidos en el funcionamiento del circuito para un quemador de arco eléctrico de plasma según la Fig. 1.

La alimentación de corriente 10 facilita una corriente de salida regulada, para lo cual ésta se controla por medio de un amplificador de error 100, cuya señal de tensión de salida regula en una línea 102 la amplitud de impulsos en la entrada modulada del regulador de corriente 16 de la fuente de alimentación. Para ello se determina de forma conocida la corriente instantánea a través de una resistencia en derivación 110, estando aplicada la tensión que representa un valor de la magnitud de la corriente instantánea I_{R} a la primera entrada del amplificador de error 100 a través de una línea 112. La segunda entrada de este amplificador viene determinada por la tensión presente en la línea 120, que representa un valor de la corriente deseada en cada momento dado en el circuito A. Mediante un selector de cuerpo sólido 130 se puede ajustar este valor teórico sirviéndose de un contacto móvil 132, accionándose este contacto en función del valor lógico aplicado a la línea de conmutación 134. El conmutador 130 conmuta entre una primera fuente de tensión 140, para ajustar la corriente de corte o trabajo, y una segunda fuente de tensión 150 para ajustar la corriente del arco eléctrico piloto, pudiendo tomarse las tensiones suministradas por las dos fuentes de tensión por el elemento conmutador 132 en los contactos 142 y 152. La tensión aplicada en el contacto 142 representa por lo tanto la medida de la corriente de trabajo o de corte deseada del quemador 20, que en el circuito es de 50 amperios. En el contacto 152 está aplicada una tensión que representa la corriente deseada del arco eléctrico I_{P} en el primer ramal del circuito 40, y que en el caso del circuito de la Fig. 1 es de 25 amperios. El circuito A para el funcionamiento del dispositivo de plasma o del quemador 20 mediante la fuente de alimentación de corriente continua 10 se completa por medio de una bobina principal 160 entre el electrodo 22 y el "Shunt" 110.

En la forma de realización preferida de la invención, representada en la Fig. 2, los elementos y componentes que se corresponden con los del estado de la técnica según la Fig. 1 aparecen denominados con las referencias correspondientes. En el circuito B representado en la Fig. 2, el circuito de valor umbral 60' está ajustado de tal manera que su tensión de salida corresponda en la línea 62 a una corriente de la pieza de 210 miliamperios, mientras que el generador de valor teórico 150' para la corriente piloto facilita en el contacto 152 una tensión que equivale a una corriente de arco eléctrico piloto I_{P} de 15 amperios, en lugar de los 25 amperios elegidos en el estado de la técnica según la Fig. 1. Por lo demás, los componentes del circuito B prácticamente no se diferencian de los del circuito A según la Fig. 1, en la medida en que también estén presentes en aquél.

De acuerdo con la invención, el circuito conforme al estado de la técnica queda mejorado esencialmente por el hecho de que está previsto un circuito de conformado de ondas adicional 200 en forma de un generador basculante de tensión usual, que suministra una señal de salida de tensión en forma de rampa en una línea 202, para lo cual recibe la correspondiente señal de liberación en su conexión de liberación G a través de la línea 204. Cuando la señal de liberación lógica en la línea 204 adopta el valor 1 se libera el generador basculante 200 y aplica a la línea 202 una señal de salida en forma de una tensión que asciende en forma de rampa. El generador 200 tiene, además, una conexión de reposición R para recibir una señal lógica que está aplicada a una línea de control 206 y que adopta un valor para la reposición cuando se acciona el conmutador de selección 130 a través de la línea de conmutación 134, lo que sucede cuando la señal lógica en la línea 58 abre el circuito de conmutación piloto 40. De este modo, con independencia del estado de régimen instantáneo del generador de rampas 200, éste se vuelve a reposicionar siempre nuevamente a un estado en el que la línea 202 genera una señal "cero" o una señal de "nivel bajo", cuando se abre el conmutador 44 y se cambia el conmutador selector 130 a una posición en la que está aplicado a la borna 142 para el valor teórico de la corriente de trabajo o de corte.

El valor lógico aplicado a la línea de liberación 204 es determinado por la tensión en la línea 54, que representa un valor para la corriente de pieza I_{w}, tal como se ha descrito ya anteriormente con relación al circuito A. Esta tensión aplicada a la línea 54 se compara con una tensión aplicada a una línea 210, que viene determinada por un circuito de valor teórico 212 y que tiene un valor de tensión que representa un nivel de corriente relativamente bajo, que en la práctica generalmente es inferior a 100 miliamperios, y que preferentemente está entre 20 y 80 miliamperios. Las dos tensiones aplicadas a las líneas 54 y 210 se comparan en un comparador 214, de manera que la señal de conmutación emitida a través de la línea 204 conmuta el generador basculante cuando la tensión en la línea 54, que representa la corriente de la pieza, se hace mayor que la tensión preajustada en la línea 210. De esta manera, en la línea de salida 202 se genera una tensión que aumenta en forma de rampa y que constituye la primera entrada para un dispositivo sumador 220. La segunda entrada de este dispositivo sumador 220 está conectada a una línea 222, a través de la cual se conduce la tensión desde el conmutador selector 130 al dispositivo sumador. La señal de salida del dispositivo sumador viene dada por lo tanto por la suma de la tensión en la línea 220 y la tensión ascendente en la línea 202, para formar una tensión en la línea 120 que constituye la segunda entrada al regulador de tensión o amplificador de error 100.

Durante el funcionamiento del circuito descrito se regula la corriente del arco eléctrico piloto a un valor de 15 amperios mediante la alimentación de tensión del valor teórico piloto 150'. Por lo tanto, por el primer ramal del aparato 40 pasa una corriente de arco eléctrico piloto I_{P} relativamente reducida. Cuando la pieza 30 y el quemador 20 se desplazan, aproximándose entre sí, el dispositivo explorador de la corriente 52 determina una corriente de pieza I_{w} que fluye entre la pieza y el quemador, y que pasa a través del gas ionizado debido al arco eléctrico primario. Por lo tanto, sobre la línea 54 está aplicada una tensión equivalente a esta corriente que se ha determinado. Cuando esta tensión se llega a hacer mayor que la tensión umbral de nivel bajo en la línea 210, entonces el comparador 214 conmuta a la otra señal lógica en la línea 204, con lo cual se libera el generador basculante 200 que emite sobre la línea 202 una tensión en rampa. Esta tensión ascendente se suma a la tensión del valor teórico en la línea 22, en el punto de adición 220. De esta manera se produce un aumento de la tensión de la segunda señal o del valor teórico en la línea 120, de manera que el regulador de corriente 100 incrementa en rampa la corriente alimentada al circuito B. Esto a su vez tiene como consecuencia un aumento de la corriente del arco eléctrico piloto I_{P} que sube a 25 amperios. El aumento de corriente del arco eléctrico piloto a su vez provoca el correspondiente aumento en la corriente de pieza I_{w}, con lo cual se produce muy rápidamente un cambio de arco eléctrico piloto entre el electrodo y la boquilla al arco eléctrico de trabajo, que arde entre el electrodo 22 y la pieza 30. Este cambio de arco eléctrico ya tiene lugar para un valor umbral de 200 miliamperios en el circuito umbral 60' según la Fig. 2.

Las características de trabajo de la forma de realización preferida de la invención representada en la Fig. 2 están reproducidas en el gráfico según la Fig. 3. Aquí la corriente piloto I_{P}, que inicialmente es de 15 amperios, está dibujada a mayor escala que la corriente de trabajo I_{w}. Al alcanzar una corriente umbral reducida de 40 miliamperios en la línea 54 se libera el generador basculante 200 en la entrada I. Este punto está representado en la Fig. 3 por la intersección entre la curva de corriente I_{w} y el valor umbral en la línea 210 y lleva la designación 300. Al alcanzar o rebasar este punto 300, la corriente piloto I_{P} aumenta a lo largo de la línea 302 hasta que la señal para la corriente de pieza I_{w} en la línea 54 alcanza la tensión que es emitida por el circuito de valor umbral 60' en la línea 62, y que corresponde a un valor umbral de 200 miliamperios, el cual se alcanza en el punto 306 en la línea vertical 310 en la Fig. 3. El comparador 56 abre entonces el conmutador 54 y corta la corriente piloto, que por lo tanto desciende a cero a lo largo de la línea 312. Por este motivo vuelve a producirse una señal lógica en la línea 206 que rearma el generador basculante 202 de manera que éste no continúa suministrando en la línea 202 una tensión que continúe aumentando. La corriente de trabajo sigue aumentando a lo largo de la línea 314 hasta los 50 amperios, que vienen dados por la tensión aplicada a la borna 142 del conmutador selector 130. Esta tensión es entonces la segunda señal en la línea 120 y controla la corriente de salida de la fuente de alimentación 10. En la práctica ha resultado conveniente que el generador basculante 200 trabaje de tal manera que en un período de unos 15 milisegundos se alcance el nivel de tensión que representa los 25 amperios de corriente piloto deseados, tal como se indica por la línea de trazos 320. Si no se conmuta la señal lógica a la línea 58, y por lo tanto a la línea 206, el generador basculante se rearma al alcanzar el punto 330 y entonces espera de nuevo una indicación de un salto de arco eléctrico inminente.

Tal como se deduce de la Fig. 4, con la invención se reduce el consumo de energía necesario para el funcionamiento de un dispositivo de plasma, por ejemplo de un quemador 20. La energía consumida en el circuito conocido conforme al estado de la técnica equivale a la zona rectangular 340, que viene definida por la línea horizontal de los 25 amperios y la línea vertical en la que la corriente del arco eléctrico piloto vuelve a cero al cortar. La zona 342 representada sombreada equivale al ahorro de energía que la presente invención permite por el hecho de que la corriente del arco eléctrico piloto se mantiene en 15 amperios hasta alcanzar el punto 300, y solamente entonces sube a 25 amperios. Entre el momento cero, es decir entre el inicio del arco eléctrico piloto y el paso del arco eléctrico a la pieza en el punto 306 se está por lo tanto ahorrando energía durante todo este tiempo.

La Fig. 5 es un diagrama con gráficos que muestran la distancia de transmisión de algunos valores representativos. Así, en este diagrama la línea 350 representa una línea de distancia de transmisión para un arco eléctrico piloto con una intensidad de corriente de 25 amperios. La línea 352 es la línea correspondiente para el funcionamiento a 15 amperios, y la línea 354 para el funcionamiento a 10 amperios. Viendo esta representación se deduce fácilmente que la distancia de transmisión para un valor umbral predeterminado del circuito de valor umbral 60 (Fig. 1) o 60' (Fig. 2) se hace tanto mayor cuanto mayor sea la corriente del arco eléctrico piloto. Para un valor umbral preajustado de, por ejemplo, 500 miliamperios, la distancia de transmisión para una corriente de arco eléctrico piloto de 10 amperios es inferior a 8,5 mm (1/3 pulgada), compárese con el punto 354a, donde para una corriente piloto de 15 amperios la distancia de transmisión está entre 8,5 - 12,7 mm (1/3 y 1/2 pulgada) (véase el punto 352a), y con una corriente piloto de 25 amperios ya se puede salvar una separación que es de aproximadamente 19,05 mm (0,75 pulgadas). El punto correspondiente está designado con 350a en la Fig. 5. Cuando el generador basculante 20 incrementa la tensión aplicada a la línea 120, una vez que la corriente de pieza en la línea 54 ha alcanzado el valor reducido preajustado en la línea 210, cambia la distancia de transmisión que puede conseguirse pasando del punto 352a al punto 350a, ya que se incrementa la corriente piloto. Este aumento muy notable del "stand off", es decir de la distancia que puede salvar el arco eléctrico al pasar del régimen piloto al régimen de trabajo o corte, se consigue gracias al circuito especialmente ventajoso, objeto de la invención.

Tal como ya se ha mencionado anteriormente, el circuito de conformado de ondas 200 puede facilitar diferentes perfiles según los cuales se puede ampliar la corriente del arco eléctrico de plasma con muchas formas de onda diferentes. Algunos ejemplos de estas formas de onda están representados esquemáticamente en las figuras 6a y 6b. En la forma de realización preferida, antes descrita, la onda tiene forma de una rampa, es decir que el circuito de conformado de ondas se compone esencialmente del generador basculante que genera una rampa de tensión 360 tal como está representada en la Fig. 6a. En la forma de realización preferida, esta rampa se reinicia después de 15 milisegundos. Naturalmente cabría también la posibilidad de no realizar el reinicio sino después de un tiempo adicional x, con lo cual resultaría una rampa más larga 362, que en la Fig. 6 está indicada de trazos.

Las variaciones de tensión representadas en la Fig. 6b muestran una selección de formas de onda que también se pueden emplear en la presente invención. Así, por ejemplo, se puede aumentar la tensión siguiendo una curva convexa 400 o una curva cóncava 402. También cabe imaginar aumentar la tensión a modo de una función de salto, en la que se incrementa inmediatamente desde un valor cero al valor final predeterminado. También sería similar un aumento de la tensión en varios escalones, tal como está representado por la línea de trazos y puntos 406. Se pueden imaginar también otras formas de onda mediante las cuales se puede aumentar la corriente deseada para el circuito del arco eléctrico piloto 40, si la tensión en la línea 54 alcanza o rebasa el valor umbral en la línea 210.

Claims (24)

1. Sistema de circuito para un dispositivo de arco eléctrico de plasma (20), con un electrodo (22) que se puede posicionar frente a una pieza (30) y una boquilla de quemador que rodea a éste (24), con una alimentación de corriente regulable (10), con un dispositivo de medición para determinar la corriente de pieza (I_{w}) que fluye a través de la pieza (30), un dispositivo regulador para ajustar la corriente piloto (I_{P}), que durante una fase piloto fluye entre el electrodo y la boquilla a través de un arco eléctrico piloto (P), a un valor teórico de corriente piloto preajustado, así como con un dispositivo conmutador para abrir el ramal de la corriente del arco eléctrico piloto (40) cuando la corriente de pieza (I_{w}) rebasa un determinado valor de salto preajustado, caracterizado por un dispositivo conmutador (200) para incrementar el valor teórico de la corriente piloto y ajustar la alimentación de corriente (10) a una corriente piloto mayor, controlado por el dispositivo de medición para la corriente de pieza (I_{w}) al rebasar un valor de corriente umbral bajo.

2. Sistema de circuito según la reivindicación 1, caracterizado porque la alimentación de corriente (10) está conectada al dispositivo de arco eléctrico (20) a través de un circuito de mando o regulación (B), donde el circuito (B) presenta el ramal de corriente de arco eléctrico piloto (40) para generar el arco eléctrico piloto (P) entre el electrodo (22) y la boquilla (24), así como un segundo ramal del aparato (50) para generar un arco eléctrico de trabajo (T) entre el electrodo (22) y la pieza (30), donde en el segundo ramal del circuito (50) se encuentra el citado dispositivo de medición (52) para determinar la corriente de pieza (I_{w}) y unos medios de conmutación (56, 58, 44) para abrir el primer ramal del circuito (40) cuando la corriente de pieza (I_{w}) sube por encima de una corriente de conmutación (60, 60') preajustada, para cambiar el arco eléctrico piloto (P) en el arco eléctrico de trabajo (T), y con un dispositivo para regular la corriente en el primer ramal del circuito (40) hasta el paso del arco eléctrico piloto a arco eléctrico de trabajo, donde el dispositivo de regulación de la corriente dispone de los medios (110) para generar una primera señal representativa de la corriente instantánea en el primer ramal del circuito (40) así como de los medios (150, 152) para generar el valor teórico de corriente piloto para la corriente deseada en el primer ramal del circuito (40), así como un comparador (100) que compara entre sí las dos señales y conduce a la entrada del regulador de corriente (16) de la alimentación de corriente (10) una señal de ajuste (102), con ayuda de la cual se regula la corriente instantánea (I_{R}) al valor deseado de corriente, donde el valor teórico de la corriente piloto tiene un valor preajustado y donde en el dispositivo de conmutación citado (200) para aumentar el valor teórico de la corriente piloto están previstos los medios para generar una señal de transmisión cuando la corriente de pieza (I_{w}) determinada aumenta por encima del valor de corriente umbral bajo, que es inferior a la corriente de conmutación preajustada (60'), y donde están previstos los medios de conmutación (220) para incrementar el valor teórico de la corriente piloto a un valor situado por encima del valor preajustado, con el fin de aumentar correspondientemente la corriente instantánea alimentada por la alimentación de corriente (10) al primer ramal del circuito (40).

3. Sistema de circuito según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dispone de un circuito de disparo (212, 214) para generar una señal de conmutación cuando la corriente de pieza rebasa un valor de corriente umbral bajo, que es inferior a la corriente de conmutación preajustada (60'); un elemento de conmutación para el conformado de ondas (200) en el dispositivo de conmutación citado para incrementar el valor teórico de la corriente piloto para generar una señal base de tiempo con un nivel que aumenta conforme a un perfil predeterminado (360; 400-406), que se puede activar por la señal de conmutación; y por un dispositivo sumador (220) para sumar la señal base de tiempo con la segunda señal de manera que la segunda señal se incrementa en la señal base de tiempo de acuerdo con el perfil seleccionado y por lo tanto se aumenta la corriente instantánea alimentada al primer ramal del circuito (40).

4. Sistema de circuito según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la corriente de conmutación preajustada es mayor que 150 mA.

5. Sistema de circuito según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la corriente de conmutación preajustada está entre 0,15 y 3 A.

6. Sistema de circuito según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el valor de corriente umbral bajo es inferior a 100 mA.

7. Sistema de circuito según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el valor de corriente umbral está entre 20 y 80 mA.

8. Sistema de circuito según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por un circuito de reposición (44, R), para reiniciar el valor teórico de corriente piloto o la segunda señal, desde el valor incrementado al valor preajustado, cuando el arco eléctrico piloto pasa a ser arco eléctrico de trabajo.

9. Sistema de circuito según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por un segundo circuito de reposición para reiniciar el valor teórico de la corriente piloto o la segunda señal desde el valor incrementado al valor preajustado después de un tiempo preajustado, durante el cual el arco eléctrico piloto no pasa a ser arco eléctrico de trabajo.

10. Sistema de circuito según la reivindicación 9, caracterizado porque el segundo circuito de reposición reinicia al elemento conmutador de conformado de ondas (200) si después de un tiempo preajustado, después de activarse la señal de conmutación, el arco eléctrico piloto no ha saltado para pasar a ser arco eléctrico de trabajo.

11. Sistema de circuito según la reivindicación 3 o la reivindicación 3 y una de las reivindicaciones 4 a 10, caracterizado porque el perfil predeterminado (360) tiene forma de rampa.

12. Sistema de circuito según la reivindicación 11, caracterizado porque el perfil en forma de rampa (360) aumenta en línea recta.

13. Sistema de circuito según la reivindicación 3 o la reivindicación 3 y una de las reivindicaciones 4 a 12, caracterizado porque el perfil predeterminado presenta varios tramos y/o escalones.

14. Sistema de circuito según la reivindicación 3 o la reivindicación 3 y una de las reivindicaciones 4 a 11, caracterizado porque el perfil predeterminado forma una curva cóncava (420).

15. Sistema de circuito según la reivindicación 3 o la reivindicación 3 y una de las reivindicaciones 4 a 11, caracterizado porque el perfil predeterminado forma una curva convexa (400).

16. Sistema de circuito según la reivindicación 3 o la reivindicación 3 y una de las reivindicaciones 4 a 15, caracterizado porque el perfil predeterminado está realizado de acuerdo con una función constante en el tiempo.

17. Sistema de circuito según la reivindicación 3 o la reivindicación 3 y una de las reivindicaciones 4 a 13, caracterizado porque el perfil predeterminado está realizado a modo de una función de pasos.

18. Procedimiento para alimentar una corriente continua desde una fuente de alimentación regulable a un dispositivo de plasma, cuyo electrodo se puede alinear a través de un orificio de una boquilla sobre una pieza dispuesta delante, empleando un circuito con un primer ramal del aparato para generar un arco eléctrico piloto entre el electrodo y la boquilla y con un segundo ramal del aparato para generar un arco eléctrico de trabajo entre el electrodo y la pieza, donde el procedimiento incluye las siguientes fases:

a)

Exploración de la corriente de pieza (I_{w}) que fluye a través de la pieza (30) en el segundo ramal del circuito (50);

b)

abrir el primer ramal del circuito (40) si la corriente de pieza (I_{w}) que se ha explorado rebasa una corriente de salto preajustada para pasar del arco eléctrico piloto (P) al arco eléctrico de trabajo de plasma (T);

c)

regular la corriente del primer ramal del aparato (40) hasta el momento del salto del arco eléctrico; para lo cual

d)

se genera una primera señal con una intensidad de señal que representa una medida de la corriente instantánea que la fuente de alimentación (10) conduce al primer ramal del aparato (40);

e)

se genera una segunda señal con una intensidad de señal que representa una medida del valor teórico de la corriente en el primer ramal del aparato (40);

f)

se comparan entre sí la primera y la segunda señal y a partir de ahí se determina una señal de entrada como valor de ajuste para la entrada de regulación (16) de la fuente de alimentación de corriente (10) para ajustar la corriente instantánea en el primer ramal del circuito al valor de la corriente deseada;

g)

generación de una señal de disparo en un momento en el que la corriente de pieza (I_{w}) explorada rebasa una corriente umbral baja, siendo la corriente umbral menor que la corriente de salto preajustada;

caracterizado por los siguientes pasos del procedimiento:

h)

generación de una señal base de tiempo según un perfil que aumenta con un perfil predeterminado como reacción a la señal de disparo;

i)

suma de la señal base de tiempo y de la segunda señal para incrementar la intensidad de señal de ésta, de acuerdo con el perfil predeterminado y aumentar con ello la corriente instantánea que desde la fuente de alimentación se conduce al primer ramal del circuito.

19. Procedimiento según la reivindicación 18, caracterizado porque la corriente de salto preajustada se ajusta a un valor que es superior a 150 mA.

20. Procedimiento según las reivindicaciones 18 ó 19, caracterizado porque la corriente de salto preajustada se ajusta a un valor entre 150 mA y 3 A.

21. Procedimiento según una de las reivindicaciones 18 a 20, caracterizado porque la corriente umbral baja se ajusta a un valor inferior a 100 mA.

22. Procedimiento según una de las reivindicaciones 18 a 21, caracterizado porque la corriente umbral baja se ajusta a valor entre 20 mA y 80 mA.

23. Procedimiento según una de las reivindicaciones 18 a 22, caracterizado porque la generación de la señal base de tiempo se termina en cuanto el arco eléctrico piloto pasa a arco eléctrico de trabajo.

24. Procedimiento según una de las reivindicaciones 18 a 23, caracterizado porque la generación de la señal base de tiempo se termina cuando una vez transcurrido un intervalo de tiempo predeterminado, después de generar la señal de disparo, no tiene lugar el salto del arco eléctrico para pasar de arco eléctrico piloto a arco eléctrico de trabajo, durante el intervalo de tiempo.