ES2312180T3 - Sistema de plasma y su metodo de funcionamiento. - Google Patents
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN SISTEMA DE PLASMA QUE INCLUYE UN SOPLETE CON UN ELECTRODO, Y UNA BOQUILLA CON UNA ABERTURA DEL ARCO DE PLASMA EXPONIENDO EL ELECTRODO A UNA PIEZA DE TRABAJO, Y UN TRANSFORMADOR DE ENTRADA CON UNA RED DE BOBINADO PRIMARIO, Y UNA RED DE BOBINADO SECUNDARIO MANEJADA POR LA RED DE BOBINADO PRIMARIO, UN PRIMER CIRCUITO MANEJADO POR LA RED DE BOBINADO SECUNDARIO, PARA CREAR UN ARCO PILOTO A TRAVES DEL ELECTRODO Y DE LA BOQUILLA, UN SEGUNDO CIRCUITO MANEJADO POR LA RED DE BOBINADO SECUNDARIO, PARA CREAR UN ARCO DE PLASMA A TRAVES DEL ELECTRODO Y DE LA PIEZA DE TRABAJO, Y UN CONMUTADOR PARA EL DESPLAZAMIENTO SELECTIVO ENTRE EL PRIMER CIRCUITO Y EL SEGUNDO CIRCUITO ESTA MEJORADO DE MANERA TAL QUE LA RED DE BOBINADO SECUNDARIO INCLUYE UN PRIMER BOBINADO, CON UN PRIMER NUMERO EFECTIVO DE ESPIRAS PARA MANEJAR EL PRIMER CIRCUITO, Y UN SEGUNDO BOBINADO CON UN SEGUNDO NUMERO EFECTIVO DE ESPIRAS PARA MANEJAR EL SEGUNDO CIRCUITO, EN DONDE EL PRIMER Y EL SEGUNDO NUMERO EFECTIVO DE ESPIRAS PUEDEN SER DIFERENTES, PARA MANEJAR EL SOPLETE MEDIANTE UNOS BOBINADOS DIFERENTES, DURANTE EL MODO DE ARCO PILOTO Y EL MODO DE CORTE.
Description
Sistema de plasma y su método de
funcionamiento.
La presente invención se refiere a tecnología de
plasma de arco eléctrico y más particularmente a un sistema de
plasma mejorado de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y
un método de funcionamiento del sistema para optimizar el modo de
operación de arco piloto y el modo de operación de corte en un
sistema de plasma de arco transferido.
La invención se refiere a un sistema de plasma
de arco eléctrico donde un suministro de energía crea en primer
lugar un arco piloto entre la boquilla y el electrodo de la antorcha
de plasma y después transfiere el arco a una pieza de trabajo que
se mueve en las proximidades de la abertura del arco de plasma de la
boquilla. Dicho sistema se describe en el documento US 3.641.308
(Couch), especialmente en la Figura 4. Un suministro de energía
aplica una tensión C.C. a través del electrodo de la antorcha de
plasma y una pieza de trabajo adyacente. Hasta que la pieza de
trabajo se lleva cerca de la antorcha de plasma, el suministro de
energía crea un arco entre el electrodo y la boquilla. Este arco,
conocido como arco piloto se mantiene mediante corriente ahora a
través de un gran resistor y un interruptor de transferencia que
está cerrado. Para transferir el arco a un espacio cercano a la
pieza de trabajo con el fin de cortar la pieza de trabajo, el
resistor se desconecta de la boquilla de manera que el resistor ya
no es paralelo a la pieza de trabajo y el noble. Cuando ocurre
esto, el arco eléctrico se transfiere a la pieza de trabajo, siempre
y cuando la pieza de trabajo sea adyacente a la salida de plasma de
la antorcha de plasma. Esta tecnología de plasma convencional se
ilustra en el documento US 3.641.308 (Couch) y en la Figura 2 del
documento US 5.530.220 (Tatham).
El suministro de energía para dirigir una
tensión a través del electrodo y la pieza de trabajo en un sistema
de plasma es un suministro de energía C.C.; sin embargo, en la
práctica, el suministro de energía C.C. a menudo rectifica la
salida de un invertidor de puente completo en el que un suministro
de energía C.C. se intercambia rápidamente en direcciones opuestas
a través de una red primaria o bobinado de un transformador. La red
secundaria del transformador son dos bobinados secundarios de polos
opuestos rectificados para producir una salida C.C. pulsátil,
estabilizándose dicha salida C.C. pulsátil normalmente mediante un
reductor. Dicho invertidor de puente completo para producir una
salida C.C. se describe en el documento US 4.897.522 (Bilczo), dicha
patente ilustra un invertidor de puente completo para producir una
salida C.C. El flujo de corriente se intercambia para crear pulsos
de salida con una polaridad dada a través de circuitos de
rectificación acoplados mediante un reductor con el equipo C.C. que
está funcionando. En la presente invención el equipo C.C. es un
sistema de plasma. Como se ilustra en la patente de Bilczo, los
pulsos primarios interrumpidos crean pulsos secundarios en
direcciones opuestas ajustándose la anchura de pulso para controlar
la corriente de salida. El circuito de ajuste generalmente es un
liberador de anchura de pulso que funcionará a aproximadamente
20-40 kHz. Otro invertidor de puente completo se
muestra en el documento US 4.897.773 (Bilczo) que se incorpora como
referencia en este documento para ilustrar como la red de salida
para un invertidor de puente completo rectificado incluye flujo de
corriente de auto-rotación entre los pulsos de
salida rectificados, dichos pulsos se crean mediante pulsos
interrumpidos rápidamente de corriente en la sección primaria de un
transformador.
Las tres patentes citadas anteriormente muestran
el estado de la técnica para el funcionamiento de antorchas de arco
de plasma y los invertidores rectificados de puente completo usados
para soldadura C.C., dichos invertidores son los suministros de
energía a los que la presente invención se refiere
particularmente.
Cuando funciona mediante un invertidor de puente
completo o semi-completo u otros suministros de
energía C.C., un sistema de plasma de arco eléctrico del tipo de
arco transferido incluye un electrodo y una boquilla de arco de
plasma en un extremo de la boquilla. Esta abertura expone el
electrodo a una pieza de trabajo que está cerca del extremo de la
antorcha de plasma. Antes de que el trabajo se corte o se procese de
otra manera mediante el arco de plasma desde la antorcha, se emplea
una frecuencia de inicio en la que un arco piloto se crea entre el
extremo del electrodo y la superficie interior de la boquilla. Para
permitir la creación de este arco piloto, es necesario crear un
circuito de serie eléctrica con el suministro de energía. Para
conseguir este objetivo, se conecta un resistor entre la boquilla y
el plomo de la pieza de trabajo del suministro de energía. Durante
el inicio de la antorcha de plasma, se aplica una tensión a través
de este circuito en serie que incluye el gran resistor mencionado
anteriormente. La corriente fluye a través del resistor tan pronto
como un arco piloto se cree dentro de la antorcha de plasma. El
resistor separado es un circuito en paralelo entre la boquilla y la
pieza de trabajo. El flujo de corriente a través del resistor,
durante el modo de operación de arco piloto, crea una tensión entre
la pieza de trabajo y la boquilla. Cuando esta tensión es
suficientemente alta y la pieza de trabajo está suficientemente
cerca de la antorcha, la operación de corte puede iniciarse. Un
interruptor desplazado selectivamente desconecta el resistor de su
relación en paralelo entre la pieza de trabajo y la boquilla de
manera que el arco piloto se transfiere desde la boquilla a la
pieza de trabajo para crear un circuito en serie con la pieza de
trabajo y el electrodo y los terminales de salida del suministro de
energía C.C.. Dicho sistema normalmente requiere aproximadamente 60
voltios a través del resistor, y la pieza de trabajo debe estar
cerca de la boquilla para transferir el arco piloto a la pieza de
trabajo cuando se va a iniciar la operación de corte. El uso de un
gran resistor presenta dificultades. La resistencia provoca
pérdidas de calor en el sistema. La tensión es el producto de la
corriente y la resistencia. La pérdida de calor es el producto de
la resistencia por la corriente al cuadrado. Como el tamaño del
resistor determina la tensión disponible entre la pieza de trabajo
y el electrodo, la operación de transferencia para el arco no
siempre es robusta. De hecho, en algunos casos, el arco no se
transfiere desde el modo piloto al modo de corte cuando el
interruptor está abierto. En lugar de ello, un doble arco se crea
entre la pieza de trabajo y la boquilla y la boquilla y el
electrodo. Este estado de doble arco causará daño a la boquilla de
cobre. Como solo aproximadamente 60 voltios se crea a través del
resistor, la distancia de separación que la pieza de trabajo puede
separarse de la antorcha mientras que aún permite la transferencia
está algo limitada. Se ha descubierto que una transferencia de arco
fiable desde el modo piloto al modo corte requiere aproximadamente
150 mA de corriente entre la pieza de trabajo y el electrodo antes
de que el arco se transfiera. Si la tensión a través del resistor
no es suficiente para crear esta magnitud de corriente, el arco
puede escindirse durante el proceso de transferencia de arco. En
consecuencia, se necesita una corriente mínima para la transferencia
de manera que cuando el interruptor se abre, para desconectar el
resistor en paralelo, hay suficiente corriente que permitirá una
transferencia de arco positiva. Este es un problema con la técnica
anterior al que la presente invención se refiere. Para desarrollar
60 voltios a través del resistor en paralelo con el sistema de
plasma, se crea una cantidad sustancial de calor. La tensión a
través del resistor determina la distancia de separación disponible
para la transferencia de arco. Esto es importante ya que la pieza de
trabajo a cortar no debe ponerse demasiado cerca del contacto
involuntario con el extremo de la boquilla. La probabilidad de dicho
contacto destructivo con la boquilla puede reducirse aumentando la
distancia de separación de transferencia. Esta mayor separación se
consigue aumentando la tensión a través del resistor con las
desventajas resultantes analizadas.
Como aproximadamente 150-160
voltios son algo común a través del arco piloto y una tensión de
50-75 voltios es una caída de tensión normal a
través del reductor o inductor, el suministro de energía debe
producir una tensión mayor que la tensión combinada del arco piloto
y reductor en una cantidad que provocará la transferencia de arco.
Si la tensión a través del resistor aumenta a 100 voltios, se
requiere una salida para el suministro de energía de
aproximadamente 300-350 voltios. Con este nivel de
tensión y flujo de corriente, los bobinados de salida del resistor
y transformador deben tener una capacidad extremadamente alta.
Además, el sistema de plasma normal con 60 voltios a través del
resistor solo puede transferir el arco piloto a través de una
distancia relativamente pequeña, es decir, una distancia de
separación resultante en una tendencia del operario a llevar la
antorcha extremadamente cerca de la pieza de trabajo de manera que
la conexión o contacto con el extremo de una antorcha de plasma es
una posibilidad distinta.
En resumen, el uso de un gran resistor en
paralelo con la pieza de trabajo y electrodo presenta limitaciones
en las distancias de transferencia de arco, junto con la creación de
pérdida de calor.
Otra desventaja de los sistemas de la técnica
anterior para hacer funcionar una plasma de arco eléctrico del tipo
de arco transferido es que los suministros de energía C.C.
generalmente son invertidores en los que una corriente alterna
primaria se crea mediante un sistema de interrupción de alta
velocidad. Los pulsos de corriente se usan en el transformador
primario que tiene bobinados secundarios con los rectificadores
apropiados para crear un suministro de energía C.C.. Este tipo de
suministro de energía que se usa habitualmente en tecnología de
plasma tiene una red de bobinado secundaria para el transformador,
dicha red tiene un solo bobinado. El transformador produce una sola
tensión y curva de corriente usada durante el modo de operación
piloto y de corte. En consecuencia, la red de bobinado secundaria
en el transformador, tenga varios bobinados o sea de un solo
bobinado, debe ser un compromiso. Puede tener solo un tamaño de
cable con un número fijo de vueltas de esta manera, estos bobinados
secundarios no pueden optimizarse específicamente para el modo de
operación piloto ya que los mismos bobinados deben usarse en el
modo de operación de corte. Además, el circuito para controlar la
tensión y corriente durante tanto el modo de operación piloto como
el modo de operación corte debe tener un intervalo de ajuste para
acomodar una baja corriente y una alta tensión así como una alta
corriente y una baja tensión de arcos de plasma. En el modo de
operación piloto la corriente está a menudo en el intervalo de
aproximadamente 15-25 amperios y la tensión del
transformador en el intervalo general de 300-350
voltios. Para una operación de corte con el arco transferido, la
corriente aumenta a aproximadamente 50 amperios y la tensión de
transformador disminuye a aproximadamente 250 voltios. En
consecuencia, la salida de un transformador invertidor operado por
A.C. para accionar un sistema de plasma, que ahora es algo habitual
en la práctica, debe ser un compromiso entre el modo de operación
piloto con su alta tensión y baja corriente y el modo de operación
de arco transferido con alta corriente y baja tensión. Este uso
doble de la producción presenta desventajas distintas y aumenta la
complejidad de controlar los dos modos de operación. De esta manera,
los sistemas de la técnica anterior que usan una tecnología de
transformador de un solo bobinado donde la producción de un
invertidor requiere dos áreas operativas de tensión/corriente
distintas, dichas áreas son sustancialmente diferentes entre sí y
no son muy adecuadas para ambas operaciones de arco piloto y de arco
transferido. Estos sistemas de la técnica anterior también tienen
distancias de separación o de transferencia relativamente bajas y
una pérdida relativamente alta debido al gran resistor paralelo.
Para superar este problema, se ha sugerido usar dos suministros de
energía. Este concepto es caro, complejo y añade tamaño y peso.
El documento EP 0 436 021 A1 describe un máquina
de corte con arco de plasma y un método para controlar la misma, en
el que un aumento del circuito de compensación y una transferencia
del circuito de compensación compuesto por un capacitor de
carga/descarga y un resistor se insertan en paralelo entre una
conexión de lado del electrodo y una conexión del lado de la
boquilla entre la conexión del lado del electrodo y una conexión
del lado del material a cortar. En la conexión del lado del material
a cortar, adicionalmente, se inserta un diodo entre un punto de
conexión de la conexión del lado de la boquilla y un punto de
conexión del circuito de compensación de transferencia. En la
conexión del lado del electrodo, se proporciona un detector para
control de corriente. En la conexión del lado del material a
cortar, se proporciona un detector para detectar la transferencia.
Una tensión entre el material a cortar y el electrodo o la boquilla
se detecta y la fuente de energía se detiene cuando la tensión
supera un valor preestablecido.
El objeto principal de la presente invención es
proporcionar un sistema para hacer funcionar un sistema de plasma
de arco eléctrico, dicho sistema permite aumentar la distancia de
transferencia, es decir, la separación, transferencia rápida del
arco desde el modo piloto al modo de corte y no requiere el resistor
en paralelo ineficaz de los sistemas de la técnica anterior.
Adicionalmente, las corrientes primarias menores deben obtenerse
para las mismas corrientes de salida requeridas.
Este objeto se consigue mediante la invención
con un sistema de plasma de acuerdo con la reivindicación 1 y un
método de funcionamiento igual de acuerdo con la reivindicación 12.
Las disposiciones preferidas de la invención son el asunto de las
características de las subreivindicaciones.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un sistema de plasma que incluye un electrodo y una
boquilla con un abertura de arco de plasma que expone el electrodo
a una pieza de trabajo espaciada cercana, dicha pieza de trabajo
debe cortarse o procesarse de otra manera. Este nuevo sistema usa un
transformador de salida del tipo usado en la salida de un
invertidor de puente completo que tiene como etapa de entrada un
suministro de energía C.C. interrumpido. Dichos transformadores
incluyen un bobinado primario y un bobinado secundario accionado
mediante pulsos de polaridad opuesta que pasan de corriente a través
del bobinado primario del transformador. Un primer medio de
circuito de arco piloto accionado por el bobinado secundario se usa
para crear un arco piloto a través del electrodo y la boquilla. Un
segundo medio de circuito de arco de plasma accionado por la red de
bobinado secundario se usa para crear un arco de plasma a través del
electrodo y la pieza de trabajo. Los medios para desplazar
selectivamente los inductores entre el primer medio de circuito de
arco piloto y el segundo medio de circuito de arco de plasma. Como
se ha descrito este sistema de plasma es esencialmente el sistema
usado en la técnica anterior. De acuerdo con la invención, dicho
sistema de plasma anterior se mejora cambiando el bobinado
secundario para incluir un primer medio de bobinado de arco piloto
con un número de vueltas eficaz para accionar el primer medio de
circuito de arco piloto y un segundo medio de bobinado de arco de
plasma con un número de vueltas eficaz para accionar el segundo
medio de circuito de arco de plasma. El medio de bobinado de arco
piloto y el medio de bobinado de arco de plasma son bobinados
separados en el mismo transformador y el número de vueltas del
medio de bobinado del arco piloto y el del medio de bobinado del
arco de plasma son diferentes de manera que la curva operativa
tensión/corriente es diferente durante el modo piloto y durante el
modo corte. El número "eficaz" de vueltas indica que las
vueltas en el bobinado secundario del sistema se proporciona con un
número de vueltas para crear la curva de tensión/corriente deseada
en la salida del transformador. La invención se describe usando la
expresión "red de bobinados secundarios" de manera que la
arquitectura particular seleccionada para las redes secundarias o
los bobinados secundarios del transformador no es importante. El
concepto básico de la invención es que se usan dos bobinados
separados para dirigir el sistema de plasma con un primer bobinado
optimizado para modo de operación piloto y el segundo bobinado
optimizado para el modo de operación de corte. Usando este concepto
inventivo, el sistema de plasma puede hacerse funcionar con una
alta tensión, un área de baja corriente durante el modo de operación
piloto y a una alta tensión, al área de alta corriente para el modo
de operación de corte. De esta manera, no es necesario comprometer,
ni es necesario proporcionar un equipo de control complicado para el
suministro de energía cuando el sistema se desplaza entre el modo
piloto y el modo de corte.
Usando la presente invención, los bobinados de
salida pueden optimizarse de manera que el bobinado secundario para
el modo de operación piloto puede ser relativamente pequeño
comparado con los bobinados relativamente grandes para el modo de
operación de corte de alta corriente. En la práctica, un pequeño
cable tal como de calibre 14-16, se usa para el
bobinado secundario conectado al medio de circuito para crear el
arco piloto. Una cinta de cobre de calibre pesado se usa como
bobinado secundario para accionar el medio de circuito usado en el
modo de operación de corte. Usando la presente invención, una menor
proporción de vueltas puede usarse para los bobinados usados en el
corte. De esta manera, se requiere menos corriente primaria para
proporcionar una corriente de corte particular. En la práctica, la
proporción de vueltas piloto, primaria a secundaria es 26:26 y la
proporción de corte es 26:24. Esto da una diferencia de tensión de
aproximadamente 25 voltios que hace una diferencia sustancial en
las dos curvas de salida.
Mayores tensiones de boquilla a la pieza de
trabajo pueden producirse para aumentar la separación para permitir
una mayor diferencia transferencia de arco. Sin resistor en el
sistema, la pérdida de energía y la generación de calor se reducen
drásticamente. Usando dos bobinas separadas en el transformador
secundario, puede crearse una mayor tensión de transferencia que
permite mayores distancias de transferencia. Puede usarse un equipo
de control específico para funcionamiento en dos áreas diferentes
determinadas por la arquitectura de los bobinados secundarios
individuales para cada uno de los modos de operación. En
consecuencia, el equipo de control puede funcionar en un intervalo
generalmente medio y no necesita tener un gran intervalo
generalmente medio y no necesita tener un gran intervalo de control
que dicho gran intervalo se requiere para controlar una red de
bobinado de una sola salida que debe realizar la función doble de
arco piloto y arco de corte. El uso de dos bobinados secundarios
diferentes y distinguibles para el sistema de plasma permite el
desplazamiento inmediato de un área de tensión/corriente de
operación a otra área de operación tensión/corriente. De esta
manera, el arco piloto y el arco de corte se controla mediante una
curva de tensión para corriente diferente y optimizada
distinguible. Una sola curva tensión/corriente no se requiere para
usar con ambos modo de operación piloto y modo de operación corte.
Esta ventaja de control aumenta la velocidad de desplazamiento entre
los modos de piloto y corte. El equipo de control es relativamente
menos complicado y el tiempo de reacción entre el arco piloto y el
corte disminuye.
\newpage
Usando la presente invención, como la antorcha
de plasma se mueve más cerca de una pieza de trabajo a cortar, la
presión de corte puede iniciarse rápidamente. De hecho, la
transferencia puede realizarse sobre una distancia relativamente
grande. Esta capacidad para transferir sobre una distancia mayores
es muy útil en ciertas operaciones de corte tal como el metal
expandido donde una antorcha de plasma se mueve a lo largo de metal
expandido debe desplazarse rápidamente entre el modo de arco piloto
y el modo de corte. Dicha operación se facilita mediante la
presente invención, dicha invención permite una mayor distancia de
separación y transferencia de arco rápida.
Adicionalmente, la tensión de separación puede
aumentarse a más de 300 voltios. Cuando se compara con los 60
voltios normalmente disponibles en el sistema de la técnica
anterior, se entiende que la separación puede aumentarse y la
facilidad de transferencia de arco puede aumentarse notablemente
usando este aspecto adicional de la presente invención.
De acuerdo con otro aspecto de la presente
invención, el uso de los bobinados secundarios separados con un
interruptor para convertir del modo piloto al modo de corte puede
controlarse midiendo o detectando la pieza de trabajo actual.
Cuando la corriente de la pieza de trabajo actual alcanza un cierto
nivel, ocurre transferencia de arco abriendo el interruptor de
transferencia. Este nivel aumenta moviendo la pieza de trabajo hacia
la antorcha de corte. Por supuesto, cuando la pieza de trabajo se
mueve lejos, este nivel de corriente disminuye. Cuando el nivel de
corriente detectado está por encima de un valor seleccionado, el
interruptor de transferencia se abre para transferir el arco a la
pieza de trabajo. Según aumenta la longitud del arco, la tensión
aumentará hasta un punto donde el transformador no puede
suministrar la misma tensión y corriente. En este momento, la
corriente de salida disminuirá y el interruptor de transferencia se
cerrará, reteniendo de esta manera el modo de operación piloto.
Esta interrupción automática hacia atrás y hacia delante entre los
modos de operación se consigue convenientemente de acuerdo con otro
aspecto de la presente invención usando derivaciones de corriente
en el medio de circuito de la presente invención.
Como ya se ha indicado, el objeto principal de
la presente invención es proporcionar un sistema y un método para
hacer funcionar un dispositivo de plasma de arco eléctrico. Dicho
sistema y método no requieren un resistor en paralelo, producen una
alta distancia de separación y tienen la capacidad para una
transferencia de arco rápida.
De acuerdo con otro objeto de la presente
invención, dos bobinados de salida o secundarios separados se
emplean en un sistema y método para hacer funcionar una antorcha de
plasma de arco eléctrico. Los dos bobinados permiten que el sistema
y método de funcionamiento se optimice en ambos modo piloto y modo
de corte. De esta manera, el equipo de control de tensión/corriente
puede diseñarse para funcionar en un intervalo central para cada
modo operativo y no necesita funcionar en los límites externos
extremos en ambos modos. De esta manera, el dispositivo de plasma
de arco funciona en dos áreas del gráfico de tensión/corriente,
dichas áreas se determinan mediante curvas características
separadas y distinguibles de los diferentes bobinados de salida.
Otro objeto más de la presente invención es un
sistema que usa un dispositivo de detección de corriente separado
para desplazamiento entre el arco piloto y el arco de corte, dicho
sistema permite un control muy preciso del tiempo para
transferencia de arco hacia y desde la pieza de trabajo. De acuerdo
con este objeto, el instante exacto del factor de transferencia de
arco puede seleccionarse y controlarse simplemente haciendo
funcionar un interruptor como respuesta a una corriente particular
medida o detectada.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un sistema y método, como se ha definido anteriormente,
dicho sistema y método permite una alta tensión de boquilla a la
pieza de trabajo durante el modo de arco piloto de manera que se
permite una mayor distancia de separación.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar un suministro de energía único que suministra tanto al
modo de arco piloto como al modo principal o de corte con diferentes
curvas características de tensión/corriente.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un sistema y método, como se ha definido anteriormente,
dicho sistema y método permite el uso de bobinados de salida de
diferentes tamaños y diferentes calibres de cable para los
bobinados de salida para controlar los diferentes modos de operación
del dispositivo de plasma.
Otro objeto más de la presente invención es
proporcionar un sistema y método, como se ha definido anteriormente,
dicho sistema y método usa dos bobinados separados para el arco
piloto y operaciones de arco de corte, tiene un control de
corriente sobre el proceso de transferencia de arco y permite
distancias de separación mayores para la transferencia de arco.
Estos y otros objetos y ventajas resultarán
evidentes a partir de la siguiente descripción tomada junto con los
dibujos adjuntos:
\vskip1.000000\baselineskip
La Figura 1 es un diagrama de cableado
esquemático de la técnica anterior al que se refiere la presente
invención;
La Figura 2 es un diagrama de cableado
esquemático de la realización preferida de la presente
invención,
La Figura 3A es un gráfico de corriente y
tensión que muestra las áreas operativas requeridas para el modo de
operación de arco piloto y arco de corte;
La Figura 3B es un gráfico, tal como el mostrado
en la Figura 3A, con una sola curva característica tensión/corriente
usada en la técnica anterior mostrada en la Figura 1;
La Figura 3C es un gráfico tal como el de la
Figura 3B que muestra dos curvas características diferentes
tensión/corriente generadas mediante la realización preferida de la
invención mostrada en la Figura 2;
La Figura 4A es un gráfico similar al de la
Figura 3B que muestra la transferencia de control entre dos modos
de operación en la técnica anterior de la presente invención con una
sola curva operativa tensión/corriente;
La Figura 4B es un gráfico similar al de la
Figura 4A que muestra la característica de desplazamiento de control
de la realización preferida de la presente invención;
La Figura 4C es un diagrama esquemático que
ilustra las diferencias funcionales entre la transferencia de
control de la técnica anterior mostrada en la Figura 4A y la
transferencia de control de la realización preferida mostrada en la
Figura 4B;
La Figura 5 es un diagrama de cableado
esquemático de la característica sensible a corriente de la
realización preferida de la presente invención y que ilustra una
segunda configuración de las derivaciones de corriente usadas para
desplazar entre arco piloto y corte,
La Figura 6 es un gráfico que ilustra
características de separación de la realización de la invención
mostrada en la Figura 5;
La Figura 7 es un diagrama esquemático del
transformador invertidor usado en la realización de la presente
invención con el bobinado ilustrado esquemáticamente,
La Figura 8 es una vista en alzado lateral que
muestra el uso esquemático de la invención para cortar una serie de
elementos metálicos en forma de una lámina de metal expandido,
La Figura 9 es un diagrama de cableado
esquemático similar a la Figura 5 que ilustra la realización
preferida con la red de bobinado secundario mostrada como que
incluye dos bobinados de polos opuestos como se usa a menudo en la
práctica;
Las Figuras 10A y 10B son diagramas de cableado
esquemático simplificados que muestran características operativas
de la realización preferida de la invención ilustrada en la Figura
9;
La Figura 11 es una diagrama de pulsos que
muestra la operación de la realización de la invención ilustrada en
las Figuras 10A y 10B; y
La Figura 12 es otra modificación de la
realización preferida de la presente invención.
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Haciendo referencia a los dibujos, se muestra
con propósito de ilustración las realizaciones preferidas únicamente
y no solo con propósito de limitar la misma, la Figura 1 muestra la
técnica anterior en la que el sistema de plasma A incluye una
antorcha de plasma 10 que tiene un electrodo convencional 12 con una
punta 14 montada dentro de una boquilla 20 que tiene una abertura
de plasma 22 que expone la pieza de trabajo 30 a la punta del
electrodo 14. El arco piloto P se crea entre el electrodo y la
boquilla y tiene una tensión Va que en la práctica es de
aproximadamente 150-160 voltios. Durante el
funcionamiento del sistema A, la pieza de trabajo 30 se separa de
la boquilla 20. La tensión Vw entre la pieza de trabajo y la
boquilla se crea desde la corriente de arco piloto e Ip que fluye a
través del resistor 40. El resistor 40 está conectado en paralelo
entre la pieza de trabajo 30 y la boquilla 20 y está en un circuito
en serie establecido cerrando el interruptor SW. La corriente Iw es
la corriente de la pieza de trabajo, que fluye cuando pieza de
trabajo se acerca a la boquilla y se mide mediante la derivación
42. El flujo de corriente total Ir es la corriente de arco piloto Ip
más la corriente de la pieza de trabajo Iw. El inductor 44 mantiene
el flujo de corriente entre los pulsos de entrada al sistema de
plasma desde el suministro de energía 50. En la técnica anterior
ilustrada, el suministro de energía CC 50, que es un invertidor de
puente completo, tiene un bobinado primario 52 para accionar el
transformador T para crear pulsos de salida en bobinados secundarios
de polos opuestos 54, 56. Se entiende que rectificadores de puente
completo pueden incluir cuatro bobinados secundarios; sin embargo,
para los fines de descripción de la invención el número de bobinas
secundarios y la arquitectura de los bobinados primarios 9 es
importante. Los pulsos se dirigen a través de un bobinado primario
52 para crear pulsos en los bobinados secundarios 54, 56. A medida
que un pulso de corriente en una dirección pasa a través de un
bobinado primario 52, un pulso de corriente de polaridades opuestas
se creará en los bobinados secundarios separados 54, 56. Los diodos
60, 62 rectifican los pulsos de corriente de salida espaciados para
pasar únicamente a aquellos pulsos de corriente que darán una
operación CC al suministro de energía según está conectado a la
pieza de trabajo 30 y la antorcha 10. Durante el funcionamiento, el
arco piloto P tiene una tensión de aproximadamente 150 voltios. El
interruptor SW se abre para transferir el arco a la pieza de trabajo
30. La tensión a través del resistor 40 es la tensión V_{W} que
es la misma que la tensión entre la boquilla y la pieza de trabajo.
En la práctica, la tensión a través del resistor 40 es de
aproximadamente 60 voltios, de esta manera, en este ejemplo la
tensión entre la pieza de trabajo 30 y el electrodo 12 es de
aproximadamente 210 voltios. En la práctica, un inductor se incluye
normalmente entre el electrodo y el transformador T. En este caso,
una tensión se generará a través del inductor para mantener el arco
de piloto entre pulsos de salida espaciados separados, en los
bobinados 54, 56. Para iniciar la operación de corte, el interruptor
SW se abre cuando al menos 60 voltios están disponibles entre la
pieza de trabajo y la boquilla. Con 60 voltios disponibles para la
transferencia de arco, la transferencia del arco puede conseguirse
únicamente con la pieza de trabajo 30 relativamente espaciado
cercano de la boquilla 20. Este es el funcionamiento normal de la
técnica anterior al que la presente invención se refiere. El
suministro de energía en la técnica anterior y en las realizaciones
preferidas pueden tomar cualquier construcción normal. Puede ser
totalmente delantero o semi-delantero con diversas
disposiciones de bobinado de salida.
Los dibujos de la realización preferida de la
invención pretenden ilustrar la invención y no limitar la misma. La
Figura 2 muestra un sistema de plasma B construido de acuerdo con la
primera realización de la presente invención, en el que un primer
medio de circuito secundario 100 se usa para crear y mantener un
arco piloto entre el electrodo 12 y la boquilla 20. Este medio de
circuito incluye su propio bobinado secundario separado 102 sobre
el núcleo de transformador de salida 110 e incluye un diodo de
rectificación 112 y un diodo de auto-rotación 150.
En la práctica, se usaría más de un bobinado en este circuito,
siendo los bobinados de polos opuestos se manera que crearían
pulsos rectificados discretos en una polaridad controlada como
entrada del transformador 110 se pulsa mediante pulsos de corriente
en direcciones opuestas mediante el invertidor. Solo se ilustra un
único bobinado por simplicidad. Las disposiciones de bobinado
apropiadas se muestran en los documentos US 4.897.522 Bilczo y US
4.897.773 Bilczo. Los bobinados tienen un número de vueltas para
proporcionar la alta tensión necesaria para crear y mantener el
arco piloto. El funcionamiento del sistema B en las áreas
particulares de las curvas de tensión/corriente se muestra en las
Figuras 3C y 4B. El interruptor SW1 se muestra como un transistor o
IGBT 120. Cuando el interruptor SW1 está cerrado, el medio de
circuito 100 está en serie con el electrodo y la boquilla de la
antorcha 10. De esta manera, puede crearse un arco piloto mediante
la tensión disponible desde el bobinado o bobinados 102. La
derivación 132 mide la corriente total I_{A} y se usa para
regulación. La derivación 130 se usa para detectar la corriente
piloto. Un reductor o inductor 140 mantiene el flujo de corriente
para mantener el arco piloto durante periodos entre los pulsos de
entrada espaciado y de esta manera pulsos de salida espaciados del
transformador 110. Durante el funcionamiento, el interruptor SW1 se
cierra de manera que el transformador 110 puede activar el bobinado
secundario 102, (se prefieren dos bobinados 102). Los pulsos de
corriente de bobinado 102 crean una tensión a través del hueco
entre el electrodo y la boquilla y a través del inductor o reductor
140. En la práctica, la tensión del arco piloto es de
aproximadamente 150 voltios y el reductor 140 tiene una tensión de
aproximadamente 50 voltios; por lo tanto, la salida del bobinado
102 es de aproximadamente 200 voltios. Si la pieza de trabajo 30
tiene que cortarse, se mueve cerca de la antorcha 10. Esta
proximidad se detecta mediante la corriente en las derivaciones 130
y 132 para abrir el interruptor SW1 y activar el segundo medio de
circuito 200. Este segundo medio de circuito incluye bobinado o
bobinados secundarios 202, el diodo de rectificación 204 y un diodo
de auto-rotación 206. Cuando el interruptor SW1 se
abre, la tensión a través del bobinado secundario o bobinados 202
está disponible para transferir inmediatamente el arco a la pieza
de trabajo 30. El capacitor 210 mantiene una tensión de pico cuando
no hay corriente que pase desde la pieza de trabajo al electrodo, es
decir, en los momentos cuando la pieza de trabajo 30 está fuera de
su posición. De acuerdo con un aspecto de la invención, el flujo de
corriente a través de la pieza de trabajo 30 es el flujo de
corriente en la derivación 132 menos el flujo de corriente en la
derivación del arco piloto 130. En esta realización de la invención,
la corriente de trabajo I_{W} se mide indirectamente sin tener
una derivación individual para medir esta corriente particular. Como
se explicará posteriormente, la corriente de la pieza de trabajo es
indicativa de las condiciones apropiadas para permitir la
transferencia de arco abriendo el interruptor SW1.
Los gráficos de tensión/corriente en las Figuras
3A-3C y 4A-4C se usan para ilustrar
la diferencia entre la técnica anterior mostrada en la Figura 1 y
la realización preferida de la presente invención como se muestra
en la Figura 2. Todos estos gráficos incluyen un área X de operación
del arco piloto y un área Y de operación para el arco de corte.
Estas son las áreas de operación que son óptimas y ajustables para
usar en los dos modos de operación a los que se refiere la presente
invención. Haciendo referencia a la Figura 3A, el área X se
caracteriza por ser de alta tensión y baja corriente para el arco
piloto. El área Y se caracteriza por ser de baja tensión y alta
corriente. Esta área es el estado operativo que define la operación
de corte. En la Figura 3B, se ilustra una sola curva característica
230 del sistema de la técnica anterior. Como se emplea un solo
bobinado 54, 56, se crea una sola curva característica 230 que está
diseñada para cortar ambas áreas X e Y. Esta única curva
característica no es necesariamente óptima para el área X o el área
Y. Haciendo referencia ahora a la Figura 3C, la curva
característica para el bobinado 102 es la curva 232 para el medio de
circuito 100. Esta curva está optimizada para el área X en el modo
de operación piloto para el sistema B. La curva característica 234
se desarrolla mediante el bobinado 202 por el medio de circuito y es
óptima para el área Y. En las Figuras 4A-4C, los
puntos de control 250, 252 en las áreas X, Y respectivamente son los
puntos operativos seleccionados para el equipo de control cuando
está en el modo de operación piloto o el modo de operación corte,
respectivamente. Como se muestra en la Figura 4A, el desplazamiento
desde el punto 250 al punto 252 es a lo largo de la línea 260. De
esta manera, cuando el interruptor SW de la Figura 1, el equipo de
control cambia la operación del sistema a lo largo de la línea 260
desde el punto 250 al punto 252. La misma operación del equipo de
control ocurre cuando el interruptor de abertura SW1 del sistema B,
mostrado en la Figura 2. Esto se ilustra en la Figura 4B; sin
embargo, la ventaja entre la invención y la técnica anterior se
ilustra esquemáticamente en la Figura 4C. Cuando se realiza un
desplazamiento desde el punto operativo 250 hacia el punto
operativo 252, la salida del transformador salta a una distancia 262
y después se desplaza gradualmente mediante el equipo de control de
corriente al punto 252. Se distingue de la técnica anterior que
requiere que el equipo de control de corriente se desplaza
inmediatamente directamente desde el punto 250 al punto 252, dicha
distancia se ilustrará como la dimensión 264. Puede observarse que
la dimensión de desplazamiento 263 de la presente invención es
sustancialmente menor que la dimensión 264 de la técnica anterior.
En consecuencia, usando la presente invención hay un salto
inmediato del punto de control a lo largo de la línea 260 y después
un desplazamiento gradual al punto 252. La técnica anterior requiere
el equipo de control para operar a lo largo de la línea de
distancia total 260. Los gráficos ilustrados en las Figuras
4A-4C son de naturaleza esquemática y se presentan
con fines de entender la ventaja para controlar la operación de un
sistema de arco de plasma cuando se emplea en la presente
invención. El equipo de control de corriente actual no es parte de
la presente invención. Solamente es necesario indicar que el uso de
bobinados separados para el modo arco piloto y el modo corte tiene
una ventaja distinguible para permitir la operación del sistema con
diferentes curvas de tensión/corriente.
Para controlar el desplazamiento entre el modo
de operación de arco piloto y el modo de operación de corte, se
emplea una medida indirecta de la corriente de la pieza de trabajo
en el sistema B como se muestra en la Figura 2. Un uso más directo
de la corriente de la pieza de trabajo Iw se muestra en la Figura 5
donde el sistema C incluye un circuito de interruptor sensible a
corriente 300 controlado mediante el detector de corriente de pieza
de trabajo o derivación 302 y mediante la derivación de arco
descrita anteriormente 130. El circuito 300 abre el interruptor SW1
cuando la corriente de trabajo de derivación 302 se detecta que está
por encima de un nivel dado. El interruptor se cierra y de esta
manera restablece el modo arco piloto cuando la derivación 130
disminuye a un nivel dado. El circuito 300 realiza este objetivo
usando un amplificador objetivo de alta ganancia 310 que tiene una
primera entrada 312 que es representativa de la corriente de trabajo
I_{W}. Una señal de referencia de separación en la línea 314 se
compara con la señal de tensión en la línea 312 para controlar el
amplificador de salida 310. Cuando está amplificado produce una
lógica 1, estación de interrupción 320 se conmuta para crear una
señal de salida 322 que abre el interruptor SW1. Esto desconecta el
arco piloto e inmediatamente transfiere el arco. Midiendo
directamente la corriente de trabajo, el sistema C detecta cuando
la pieza de trabajo 30 está en la posición apropiada y cierra
suficientemente para mantener el arco de transferencia. Esto es una
medida directa de la corriente de trabajo actual y puede controlarse
con precisión mediante una tensión de referencia o tensión de
umbral de una línea 314 para dar un desplazamiento preciso de la
operación de la antorcha 10 desde el medio de circuito 100 al medio
de circuito 200. A medida que la pieza de trabajo se retira, la
corriente I_{A} disminuye como una función del transformador, la
corriente se detecta o se mide mediante la derivación 130, dicha
derivación controla el amplificador operativo de alta ganancia 330
con una tensión representativa de la corriente de arco. Una señal de
tensión de referencia en la línea 334 crea un lógica 1 en la salida
del amplificador operativo 330 para conmutar la estación 320 para
producir un señal en la línea 324 que activa el interruptor SW1
cuando la corriente a la derivación 130 se reduce por debajo de un
valor umbral. De esta manera la transferencia del arco se determina
mediante la posición de la pieza de trabajo. A medida que la pieza
de trabajo se mueve hacia la antorcha, el arco se transfiere. A
medida que la pieza de trabajo se mueve lejos de la antorcha el
arco se desplaza hacia atrás hacia el modo de arco piloto. Haciendo
referencia ahora a la Figura 6, los niveles de tensión para la línea
de referencia 314 se ilustran de una manera general representativa
(1 pulgada = 25,4 mm). Para mostrar el esquema general de
implementación del cambio para corte como se usa en la práctica, se
hace referencia a la línea 340 que es una línea indicativa de la
operación de un sistema que funciona a 28 amperios para el arco
piloto. Suponiendo que el circuito 300 debe ajustarse para cambio
al modo corte se selecciona un espaciado de 0,30 entre la antorcha y
el punto de la pieza de trabajo 342. La referencia en la línea 314
se ajusta a aproximadamente 1,7 amperios para la corriente de
trabajo I_{W}. Cuando esta corriente en la pieza de trabajo se
detecta mediante el amplificador 310, el interruptor SW1 se abre
para desplazar desde el primer medio de circuito 100 al segundo
medio de circuito 200 para empezar la operación de corte. En la
práctica, el arco se transfiere a 2 amperios o menos. A 28 amperios
de la corriente de arco piloto mantenida mediante I, como se muestra
en la Figura 1, la distancia de transferencia de separación sería
un poco menor que 0,30 pulgadas (7,6 mm). Un punto de transferencia
inferior en la línea 314 permite una mayor distancia de separación
aunque requiere también una mayor tensión V_{W}. El transformador
110 se ilustra esquemáticamente en la Figura 7 en la que los
bobinados primarios P1/P2 se ilustran como bobinados 350, que
también se muestran como bobinados de entrada en la Figuras 2 y 5.
El bobinado secundario 102 para el medio de circuito de arco piloto
100 es un cable relativamente fino enrollado sobre el núcleo 110a
del transformador 110 para producir una alta tensión y una baja
corriente para el modo de operación piloto. Como se emplea un
invertidor de puente completo, se usan dos bobinados separados SP1,
SP2. Estos bobinados tienen polos opuestos como se muestra en la
Figura 9. De una manera similar, el bobinado secundario pesado 202
incluye bobinados de polos opuestos S1/S2 como se muestra también
en la Figura 9. Debe entenderse a partir de la Figura 7 que el
número de bobinados usados en el medio de circuito 100 y el medio de
circuito 200 está dictado por el suministro de energía y la red de
entrada del transformador. La invención implica el uso de dos redes
de bobinado distintas para modos de operación diferentes; sin
embargo, el número y disposición de bobinados en la red puede
variar.
La Figura 8 ilustra el uso de una antorcha de
plasma 10 para cortar una lámina de metal expandido 360 que tiene
elementos espaciados 362. Cuando la boquilla está sobre un elemento
362, el espaciado Z es relativamente corto. Por lo tanto, la
corriente en la derivación 302 aumenta más allá del umbral
determinado por la tensión de separación en la línea 314. Si el
espaciado 7 es menor que la distancia de separación seleccionada
explicada en relación con las Figuras 5 y 6, el arco se transfiere
para cortar la pieza de trabajo o elemento 362. Después de pasar
más allá del elemento 362, hay un espacio infinito z; por lo tanto,
la corriente en la derivación 130 se reduce y el arco piloto se
mantiene como se ha explicado mediante el funcionamiento del
circuito 300 en la Figura 5. El movimiento rápido de la antorcha
sobre la lámina de metal expandido 360 se controla repetidamente y
con precisión mediante transferencia del arco al modo de corte y al
modo piloto dictado por la posición de la pieza de trabajo con
respecto a la antorcha 10 como se detecta mediante las derivaciones
130 y 302 del circuito 300. Esto es una ventaja sobre la técnica
anterior y permite una alta precisión de transferencia de arco.
Este aspecto de la invención se implementaría en la técnica anterior
mostrada en la Figura 1 donde el medio de detección de corriente
permitiría un desplazamiento entre el modo piloto y el modo del
corte.
Otro aspecto adicional de la presente invención
se ilustra en las Figuras 9-11 en las que el sistema
C se modifica para producir un sistema D. En este sistema, los dos
bobinados de polos opuestos 102 y 202 se ilustran esquemáticamente
como bobinados secundarios de plasma SP1/SP2 y SC1/SC2
respectivamente. El uso de dos bobinados secundarios de polos
opuestos en paralelo se ha analizado anteriormente como un concepto
de invertidor normal. La invención no depende de los detalles de
los bobinados de transformado necesarios para producir las
corrientes operativas. El suministro de energía al invertidor
proporciona pulso en el secundario que tiene una longitud que varía
para controlar la corriente regulada I_{r}. En el sistema D, los
diodos de auto-rotación 150, 206 se retiran de
manera que el flujo de corriente de auto-rotación
ocurre en el bobinado primario 350 como se muestra en la Figura 2.
Los bobinados de arco piloto SP1 y SP2 tienen polos opuestos e
incluyen diodos del rectificador 220 y circuitos amortiguadores
230. Los bobinados de corte SC1 y SC2 tienen polos opuestos con un
circuito amortiguador específico 240 con un capacitor de
almacenamiento 242 que se usa para almacenar alta tensión entre la
pieza de trabajo y la boquilla durante los ciclos de desconexión del
primario 350 para transferencia de arco cuando el sistema funciona
en modo piloto. Usando el capacitor 242, el circuito 200 produce
una alta tensión de pieza de trabajo a boquilla que en la práctica
es de aproximadamente 340 voltios. Este valor de pico está presente
cuando la tensión primaria en el bobinado 350 está desconectada, es
decir entre los pulsos del transformador de
empuje-tracción con auto-rotación
primaria. La tensión media de la pieza de trabajo a la boquilla es
de aproximadamente 200 voltios. El circuito amortiguador del diodo
240 almacena energía durante el tiempo de desconexión primario y
maximiza la tensión de pieza de trabajo a boquilla. Cuando el
bobinado primario está conectado, el arco piloto se mantiene
mediante los bobinados piloto SP1, SP2. Cuando esto ocurre, los
bobinados piloto producen una tensión en la práctica de
aproximadamente 285 voltios que se divide entre el arco piloto y la
tensión a través del inductor 140. La tensión del arco piloto es de
aproximadamente 160 voltios y la tensión del reductor o inductor es
de aproximadamente 125 voltios. Los bobinados de corte no tienen un
circuito completo de manera que la tensión de circuito abierto se
crean los bobinados SC1, SC2. Estos bobinados producen
aproximadamente 275 voltios con una sobretensión a su vez de
aproximadamente el 25%. Este pico de sobretensión carga el
capacitor 242 a aproximadamente 340 voltios. Esta tensión del
capacitor está en serie con la tensión del arco piloto 160 voltios
y la tensión del reductor (125 voltios) para producir
aproximadamente 50-60 voltios entre la pieza de
trabajo y la boquilla. Cuando la tensión primaria se desconecta, la
corriente que fluye en el circuito piloto 100 se mantendrá mediante
la energía almacenada en el reductor de salida 140. La corriente
continuará fluyendo a través de los bobinados de piloto SP1, SP2 con
una caída de tensión muy pequeña. Los diodos de sujeción en el lado
primario del transformador limitan la tensión primaria por
auto-rotación de cualquier corriente producida desde
los circuitos secundarios. Los 160 voltios del arco piloto se
mantienen y aparecerán 160 voltios a través del reductor de salida
140. Los bobinados del transformador SP1, SP2 se sujetan a cero
voltios durante este estado aunque la fuente de corte aún produce
340 voltios. Esta tensión viene desde el capacitor amortiguador 242
que se cargó durante el estado conectado del invertidor. No existe
trayectoria de corriente en el circuito de corte 200 de manera que
el capacitor 242 no se descarga. Los diodos de corte D_{1} y
D_{2} nunca conducen a una corriente de
auto-rotación. La tensión de la fuente piloto está
muy próxima a cero de manera que la tensión de la pieza de trabajo a
la boquilla es igual a la tensión sobre el capacitor 242 que
produce una tensión de pieza de trabajo a boquilla de 340
voltios.
Como los pulsos de entrada son a una velocidad
que puede ser tan alta como varios cientos de pulsos por segundo,
hay un periodo de auto-rotación o etapa entre los
pulsos de salida que ocurren en el modo de operación de arco
piloto. La ventaja de la invención se explicará en relación con las
Figuras 10A y 10B usando tensiones representativas. Con el
interruptor SW cerrado y el arco piloto P establecido, como se
muestra en la Figura 10A, el arco piloto tiene una tensión, que en
la práctica es de aproximadamente 160 voltios. El inductor 140
tiene una tensión representativa de 140 voltios. A consecuencia,
cuando un pulso secundario se crea en el bobinado 102, la tensión a
través del bobinado 102 es de aproximadamente 300 voltios. La
tensión del circuito abierto a través del bobinado 202 del medio de
circuito 200 es de aproximadamente 275 voltios con un 25% de
sobretensión en la vuelta sobre la que el pico carga el capacitor
210 o el capacitor amortiguador 242 como se muestra en la Figura 9
a 340 voltios. La tensión de la pieza de trabajo a boquilla es de
aproximadamente 60 voltios. Cuando el pulso de salida se desconecta
desconectando un pulso de entrada, el medio de circuito 100 intenta
auto-rotar. Sin embargo, el diodo 150 mostrado en la
Figura 5 se ha retirado del bobinado 102. En consecuencia, la
auto-rotación del medio de circuito 100 ocurre a
través del bobinado 102 que está acoplado fuertemente al núcleo del
transformador 110a con el bobinado primario 350 y produce una
pérdida de tensión de aproximadamente 10 voltios. Durante la etapa
de auto-rotación, la corriente se mantiene mediante
el reductor 140. Esto provoca que 160 voltios aparezcan a través
del reductor. La caída a través del bobinado 102 es de 10 voltios y
los 150 voltios restantes aparecen a través de la boquilla y el
electrodo. El capacitor 210 permanece cargado desde el estado
conectado y el bobinado 102 tiene aproximadamente 10 voltios a
través del mismo. Esto produce una tensión de pieza de trabajo a
boquilla de aproximadamente 310 voltios. En consecuencia, durante
el modo arco piloto de operación, se aplica una tensión
extremadamente alta entre la pieza de trabajo y la boquilla. Este
proceso se ilustra en la Figura 11 donde los pulsos de alta tensión
360 se crean entre los pulsos de salida cuando los pulsos de
corriente primaria P están desconectados. La velocidad de los pulsos
360 está a varios kHz. El proceso se muestra en la Figura 11 y es
continuo siempre y cuando el interruptor SW esté cerrado. Cuando el
interruptor se abre con los fines de transferir el arco al modo
corte, una alta tensión está disponible para el proceso de
transferencia de arco. Esto es un avance sustancial en la técnica y
mejora notablemente la transferencia de arco a la pieza de trabajo.
Las altas tensiones de pieza de trabajo a boquilla permiten el
suministro de energía que se produzcan transferencias de arco
fiables por encima de 13 mm (0,5 pulgadas). En la práctica, esta
tensión de pieza de trabajo a boquilla se limita a satisfacer las
especificaciones IEC974-1. Esta especificación
requiere una tensión de pieza de trabajo a boquilla que esté
limitada a un pico de 130 VDC. Con un límite 113 V de pico, las
distancias de transferencia disminuirán aunque el suministro de
energía satisfará esta especificación. Por lo tanto, un circuito
limitante de tensión convencional se añade entre la pieza de
trabajo y la boquilla.
En la práctica, los bobinados del arco piloto
tienen una mayor proporción de vuelta que los bobinados de corte.
Cuando el interruptor de arco piloto está abierto, el arco se
transfiere a la pieza de trabajo y la carga sobre el suministro de
energía cambia desde una alta tensión-baja corriente
a baja tensión-alta corriente. En este punto, parte
de la transición ocurre como una función de los diferentes bobinados
del transformador. El resto de la transición se manipula mediante
el sistema de control. Cuando el arco se repliega hacia la boquilla
(arco piloto) ocurre la misma transición potenciada. La carga cambia
de baja tensión-alta corriente a alta
tensión-baja corriente. Parte de esta transición
ocurre instantáneamente cuando el bobinado piloto se conecta de
nuevo. El tiempo de respuesta del sistema de control puede reducirse
y el número máximo de transferencias puede aumentar. Cuando la
corriente primaria máxima es un aspecto principal del diseño, el
circuito de bobinado doble como se muestra en las Figuras 5 y 9
será ventajoso. Por ejemplo, en un circuito de salida de bobinado
único convencional la proporción de bobinado será similar a la
proporción piloto usada anteriormente. Sin embargo, esta alta
proporción de vueltas de bobinado también se usa para corte y
requerirá una gran cantidad de corriente primaria. Cuando se
compara con el circuito de bobinado doble, el circuito de bobinado
sencillo convencional requerirá más corriente primaria. El circuito
de bobinado doble reduce la cantidad máxima de corriente primaria
teniendo un bobinado de corte con una menor proporción de
vueltas.
Para ilustrar la amplitud de la presente
invención, un sistema de plasma E se ilustra en la Figura 12 en el
que el suministro de energía 400 crea pulsos de corriente alterna
para accionar un transformador de salida 410 haciendo pasar los
pulsos de corriente a través del bobinado primario 412. El bobinado
secundario 414 que puede incluir un conjunto de bobinados de polo
opuesto como se ha descrito previamente incluye una espita
intermedia 420 para definir una sección de bobinado secundario
inferior 422. Usando esta red secundaria de salida, un medio de
circuito de arco de plasma 100a se crea usando un diodo rectificado
430 y un interruptor 432. El flujo de corriente en el circuito 100a
se detecta mediante la derivación 130 para medir la corriente de
arco piloto I_{p}. El medio de circuito 100a realiza la función
del medio de circuito 100 ilustrada en la realización preferida de
la invención. De una manera similar, el medio de circuito 200a tiene
un diodo de rectificación 440 y derivación 302 para funcionar
durante el modo de corte. De esta manera, un bobinado secundario
414 puede producir un concepto similar a los dos bobinados separados
102, 202 como se usa en las realizaciones preferidas de la presente
invención.
En la práctica de la invención, las proporciones
de vuelta para el modo piloto y el modo de corte son diferentes, es
decir 26:26 para el arco piloto y 26:24 para el de corte. La
invención puede usarse con las proporciones de vuelta iguales; sin
embargo, dicha disposición perderá alguna ventaja de la invención
porque los dos bobinados separados constituyen la característica
básica de la invención funcionarán esencialmente sobre la misma
curva de salida. Sin embargo, la invención aún producirá la alta
tensión de boquilla a pieza de trabajo para transferencia de arco
cuando la pieza de trabajo se mueve cerca de la boquilla. Una
realización de la invención emplea un bobinado de corte con un
mayor número de vueltas que el bobinado piloto para producir una
alta tensión de salida para el modo de corte, tal como cuando la
operación a alta tensión es beneficiosa, es decir, en acanalado.
Claims (13)
1. Sistema de plasma que incluye un electrodo
(12) y boquilla (20) con una abertura de arco de plasma (22) que
expone dicho electrodo (12) a una pieza de trabajo (30) y que tiene
un transformador de entrada (110, 410) con un bobinado primario
(350, 412) y un bobinado secundario (102, 202, 414) accionado
mediante dicho bobinado primario, un medio de circuito de arco
piloto (100, 100a) accionado por dicho bobinado secundario para
crear un arco piloto (P) a través de dicho electrodo (12) y boquilla
(20), un medio de circuito de arco de plasma (200, 200a) accionado
por dicho bobinado secundario para crear un arco de plasma a través
de dicho electrodo (12) y dicha pieza de trabajo (30) y un medio
para cambiar (120, 300, 432, SW) entre dicho medio de circuito de
arco piloto y dicho medio de circuito de arco de plasma,
caracterizado porque dicho bobinado secundario comprende un
medio de bobinado de arco piloto (102, 414) con un número de vueltas
eficaz para accionar dicho medio de circuito de arco piloto (100) y
un medio de bobinado de arco de plasma (202, 422) con un número de
vueltas eficaz para accionar dicho medio de circuito de arco de
plasma (200), dicho medio de bobinado de arco piloto y dicho medio
de bobinado de arco de plasma son bobinados separados en el mismo
transformador y dicho número de vueltas de dicho medio de bobinado
de arco piloto (102) es diferente de dicho número de vueltas de
dicho medio de bobinado de arco de plasma (202).
2. Sistema de plasma como se ha definido en la
reivindicación 1 caracterizado porque dichos medios de
bobinado de arco piloto (102) están adaptados para proporcionar un
primer intervalo de tensión con un primer intervalo de corriente
general y dicho medio de bobinado de arco de plasma (102) están
adaptados para proporcionar un segundo intervalo de tensión con un
segundo intervalo de corriente general.
3. Sistema de plasma como se ha definido en la
reivindicación 2, caracterizado porque dicho intervalo de
tensión es sustancialmente mayor que dicho segundo intervalo de
tensión.
4. Sistema de plasma como se define en una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque
dicho medio de bobinado de arco piloto (102) incluye dos bobinados
secundarios diferentes con polos en direcciones opuestas y cada un
tiene un primer número eficaz de vueltas.
5. Sistema de plasma como se ha definido en una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado por
que dicho medio de bobinado de arco de plasma (202) incluye dos
bobinados diferentes (S1, S2) con polos en direcciones opuestas y
cada uno tiene un segundo número eficaz de vueltas.
6. Sistema de plasma como se ha definido en una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que incluye medios (130,
132) para detectar un nivel de corriente en uno de dicho medio de
circuito piloto (100) y plasma (200) mientras que dicho medio para
desplazamiento (SW1) desplaza a dicho medio de circuito de plasma
(200) cuando dicho nivel de corriente detectado supera una
corriente dada.
7. Sistema de plasma como se ha definido en la
reivindicación 6, caracterizado porque dicho nivel de
corriente detectado es la corriente entre dicha pieza de trabajo
(30) y dicho electrodo (12).
8. Sistema de plasma como se ha definido en una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 que incluye un medio (130,
132) para detectar un valor de corriente en una de dicho medio de
circuito piloto (100) y plasma (200) mientras que dicho medio para
desplazamiento (SW1) desplaza a dicho medio de circuito piloto (100)
cuando dicho valor de corriente detectada es menor que una
corriente dada.
9. Sistema de plasma como se ha definido en la
reivindicación 8 caracterizado porque dicho valor de
corriente detectado es la corriente desde dicha pieza de trabajo
(30) a dicho electrodo (12).
10. Sistema de plasma como se ha definido en la
reivindicación 6, caracterizado porque dicho nivel de
corriente es la corriente desde dicha pieza de trabajo (30) a dicho
electrodo (12).
11. Sistema de plasma como se ha definido en una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado
porque dicho medio de bobinado de arco de plasma (202; 422) es una
parte de dicho medio de bobinado de arco piloto (102; 414).
12. Método de operación de un sistema de plasma
como se ha definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
11, comprendiendo dicho método las etapas de:
a) detectar un nivel de corriente en uno de
dicho medio de circuito de arco piloto (100, 100a) y un medio de
circuito de arco de plasma (200, 200a); y
b) desplazar dicho medio para desplazamiento
(120, 300, 432, SW) a dicho medio de circuito de arco de plasma
(200) cuando dicho nivel de corriente detectada supera un valor
dado.
13. El método como se ha definido en la
reivindicación 12, que incluye las etapas adicionales de:
c) detectar un valor de corriente en uno de
dicho medio de circuito de arco piloto (100) y arco de plasma
(200); y
d) desplazar dicho medio para desplazamiento
(SW1) a dicho medio de circuito de arco piloto (100) cuando dicho
valor de corriente detectada es menor que un nivel dado.
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