JP2961657B2 - 改良されたアーク後退回路及び方法 - Google Patents

改良されたアーク後退回路及び方法

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JP2961657B2 JP10212278A JP21227898A JP2961657B2 JP 2961657 B2 JP2961657 B2 JP 2961657B2 JP 10212278 A JP10212278 A JP 10212278A JP 21227898 A JP21227898 A JP 21227898A JP 2961657 B2 JP2961657 B2 JP 2961657B2
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマアークシ
ステムの技術に関し、そして特にアークの長さが電源か
ら利用できる電力を超えようとするとき切断アークをト
ーチに後退させる、改良されたアーク後退回路及び方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】プラズマアークシステムの操作におい
て、トーチは、操作の二つの異なるモードを有する。パ
イロットアークモードにあるとき、トーチのアークは、
トーチの電極及びノズルの間にあり、金属工作物を切断
するか又は他の処理を行うために使用されるのを待つこ
とになる。切断又は操作のモードでは、プラズマアーク
は、電極から工作物に延びる。工作物が切断されつつあ
るとき、アークは、その長さがトーチを駆動する直流電
源の電力容量を超えて長くなれば、消えてしまう。その
ため、プラズマアークシステムにアーク後退回路を備え
るのが標準のやり方であり、その場合、アークは、アー
クの長さがアークを消す条件に向かって長くなるとき、
工作物から電極及びノズルの間のトーチに確実に後退す
る。トーチが遭遇する条件に応じて切断モードからパイ
ロットアークモードへアークを後退させることに関する
従来の情報及び技術を説明するために、従来の技術の特
許のあるものが、本明細書に参考として引用される。
【０００３】Ｔｒａｘｌｅｒの特許第４９９６４０７号
では、プラズマアークトーチのノズル及び工作物の間の
電圧をモニターする従来技術の回路が説明されている。
電源からのこの電圧が所定のレベルを越えるとき、パイ
ロットアークブランチのスイッチが閉じられて、工作物
からノズルにアークを変える。この特許は、比較器が、
電源の電圧を示す信号に応じてプラズマアークトーチの
パイロットアーク回路の電気スイッチの操作をコントロ
ールする回路に関する。ノズル及び工作物の間の電圧が
予め選択されたレベルより低いとき、電気スイッチは開
いて、プラズマアークトーチを操作の切断モードに変え
る。比較器は、工作物及びノズルの間の電圧が予め選択
された値を越えるとき、パイロットアーク回路の電気ス
イッチを閉じることにより、プラズマアークトーチを操
作のパイロットアークモードに変える。この従来技術の
特許は、本明細書に参考として引用されて、感知された
電圧の値の使用を教示し、その電圧の値は、感知された
電圧が参照電圧より高いとき、工作物からノズルにアー
クを後退させる目的で、参照電圧を表す信号と比較され
る。この回路の欠点は、それが電源の電圧によりコント
ロールされることである。その結果、電圧は、工作物及
びノズルの間でモニターされねばならない。しかし、プ
ラズマアークトーチ後退回路の操作は、この従来技術の
特許において説明されしかも論議されている。
【０００４】Ｂｏｒｏｗｙの特許第５６２０６１７号で
は、標準誤差増幅器の出力が、電源をコントロールする
のに使用される。この出力を、電源のための最大の出力
電圧であることを示す選択された固定された電圧と比較
することにより、アーク後退信号が発生する。この比較
は、誤差増幅器の出力が直流電源の特性として設定され
た固定した電圧に増大するとき、アークを工作物からノ
ズルへ後退させるのに使用される。これらの特許は、本
明細書に参考として引用され、そして操作の切断モード
中切断アークの電圧が所定の値を越えて増大するとき、
アークを後退させる理由及び有利さを開示する目的で簡
単に説明されている。プラズマアークシステムは、従っ
て、切断アークを消す代わりに、操作のパイロットアー
クモードに自動的に変えることができる。これらの特許
の技術、プラズマアークシステムに関するアーク後退回
路の必要性及び有利さを繰り返す必要はない。
【０００５】本明細書に参考として引用される従来技術
の特許の論議は、本発明が関する背景を説明している。
周知のアーク後退回路及びアークを後退させる方法は、
複雑であり、実行するのに高価であり、そして切断操作
中プラズマアークシステムの有効性を低下させる。切断
操作間のプラズマアークの一体性の維持は、極めて重要
である。切断操作間にアークを後退させる能力なしに
は、それぞれの切断操作は、トーチのためのアーク開始
の一連の動作を先行させねばならない。アークのこの動
きは、時間を消費し、高価であり、非能率でありそして
プラズマアークトーチを工業的に受け入れられなくす
る。
【０００６】トーチの切断操作が完了した後、アーク
は、プラズマアークトーチの能率的な操作のために、ノ
ズル及び電極の間の位置にトーチを維持しそして戻さね
ばならない。アークをノズルに戻すことは、パイロット
アークを維持し、そして切断操作間にアークを再び発生
させる必要をなくす。プラズマアークシステムに関する
この特徴は、膨脹した金属を切断するか又は二三の異な
る片の金属を早く切断するときに特に有用である。アー
クは、電源からの電力の供給が断たれることによって切
断アークが確かに消される前に、電流をノズルに流すこ
とにより、維持される。電極が工作物から取り除かれそ
して必要なアーク電圧がトーチを駆動するのに使用され
る電源の容量を越えて増大するとき、切断アークは失わ
れる。この場合、アークは、代わりの低い電圧の路が生
じない限り、失われるか又は消されるだろう。この低い
電圧の路は、パイロットアーク回路に設けられた標準の
電気スイッチを閉じることによって、ノズルを電源に再
接続することにより生ずる。従来のアーク後退回路は、
電圧測定を含み、そして所定の電源から利用できる容量
の利用を低下させている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、切断トーチ
を有するプラズマアークシステムの後退回路、並びにこ
のトーチのアークを後退させる新しい方法における改良
に関する。改良されたアーク後退回路は、切断モード及
びパイロットアークモードの間を変えるために、開いた
条件から閉じた条件に電気スイッチを変えるのに使用さ
れる。本発明は、プラズマトーチを駆動する電気回路に
電源から適用される実電流を表す第一の信号を発生さ
せ、切断操作のための設定電流レベルより下の電流のレ
ベルを表す第二の信号を発生させ、そして第一の信号が
第二の信号に本質的に等しいときパイロットアーク回路
の電気スイッチを閉じる概念を含む。このやり方では、
電源により調整されつつある出力電流が電源が調整しつ
つある切断電流よりも下に低下するとき、切断アークは
ノズルに移される。本発明の態様によれば、電源からの
実電流が比較される電流レベルは、電源が調整しつつあ
る設定切断電流についてパーセンテージの関係を有する
電流レベルである。実際には、このパーセンテージは、
６０−８０％の範囲にある。本発明を使用することによ
り、トーチを駆動する電源は、切断操作中に使用される
種々の電流の設定よりその最大の容量で操作するだろ
う。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の他の態様によれ
ば、切断トーチを有するプラズマアークシステムに操作
のパイロットモードを確定するためにアークを後退させ
る新規な方法が提供される。この方法は、該電気回路に
該電源により適用される実電流を表す第一の信号を発生
する段階、前記の第二の設定電流より低い電流レベルを
表す第二の信号を発生する段階、前記の第一の信号が前
記の第二の信号に実質的に等しいとき該電気スイッチを
閉じる段階からなる。本発明のさらに制限された態様に
よれば、電源の実際の出力電流が比較される電流レベル
は、操作の切断モードに使用される設定電流のパーセン
テージである。このパーセンテージは、実際には、６０
−８０％の一般的な範囲にある。
【０００９】本発明の主な目的は、改良されたアーク後
退回路及びプラズマアークトーチに関する新規なアーク
後退方法の提供であり、その回路及び方法は、誤差増幅
器からのすべての電圧信号に関係なく、そして電源用の
設定出力電圧に関係なく操作する。本発明の他の態様に
よれば、上記の回路及び方法は、アークをノズルに後退
させる目的でプラズマアークトーチのコントロール回路
の電圧を感知することを必要としない。本発明のさらな
る目的は、回路及び方法が、切断アークの操作中束縛な
しに直流電源からすべての利用しうる電力を利用する、
上記の回路及び方法の提供である。
【００１０】本発明の他の目的は、電源が任意の所定の
切断電流についてその最大の出力電力を実際に使い果た
すまで、回路及び方法がプラズマアークシステムのトー
チについて切断操作を行う、上記の回路及び方法の提供
である。本発明のさらなる目的は、回路及び方法が、切
断操作中より長い使用可能な切断アークを発生し、アー
クがノズルに戻るか又は後退するときノズル中への電流
のオーバシュートを低下させ、パイロット回路の電気ス
イッチの必要なサイズを減少させ、そしてプラズマアー
クトーチのノズルへの過剰な電流の損傷を防ぐ、上記の
回路及び方法の提供である。
【００１１】本発明の種々な態様は、例えば以下の通り
である。 （１）ノズル中の電極、直流電流を供給する電源、該電
極及び切断すべき工作物に該電源を接続する電気回路、
トーチのパイロットモードを規定する閉じた条件にある
とき該電源に該ノズルを接続しさらに切断アークモード
を規定する開いた条件にあるとき該工作物から該ノズル
の接続を切るための電気スイッチ、該電源を該パイロッ
トアークモードにあるとき第一の設定電流に調節しそし
て該切断アークモードにあるとき第二の設定電流に調節
するための増幅器手段、並びに該電気スイッチを前記の
開いた条件から前記の閉じた条件に切り替えるためのア
ーク後退回路を有するプラズマアークトーチにおいて、
該電気回路に該電源により適用される実際の電流を代表
する第一の信号を生ずるための電流感知手段、前記の第
二の設定電流より低い電流レベルを代表する第二の信号
を生ずるための手段、並びに前記の第一の信号が前記の
第二の信号に実質的に等しいとき、該電気スイッチを閉
じるためのスイッチ操作手段を含む該アーク後退回路か
らなることを特徴とするプラズマアークトーチ。 （２）該電流レベルが前記の第二の設定電流のパーセン
テージである上記（１）のプラズマアークトーチ。 （３）該パーセンテージが６０−８０％の一般的な範囲
にある上記（２）のプラズマアークトーチ。
【００１２】（４）該スイッチ操作手段が、前記の第一
の信号が前記の第二の信号に実質的に等しいとき電気ス
イッチを閉じる出力信号を有する比較器を含む上記
（３）のプラズマアークトーチ。 （５）該スイッチ操作手段が、前記の第一の信号が前記
の第二の信号に実質的に等しいときスイッチを閉じる出
力信号を有する比較器を含む上記（２）のプラズマアー
クトーチ。 （６）該スイッチ操作手段が、前記の第一の信号が前記
の第二の信号に実質的に等しいときスイッチを閉じる出
力信号を有する比較器を含む上記（１）のプラズマアー
クトーチ。 （７）前記の第二の信号発生手段が、前記の第二の設定
電流を表す電圧を有する端末、並びに前記の第二の信号
を発生するための該分圧器の中間の位置における出力に
接続する分圧器である上記（２）のプラズマアークトー
チ。 （８）前記の第二の信号発生手段が、前記の第二の設定
電流を表す電圧を有する端末、並びに前記の第二の信号
を発生するための該分圧器の中間の位置における出力に
接続する分圧器である上記（１）のプラズマアークトー
チ。 （９）該スイッチ操作手段が、前記の第二の信号の最大
値を制限するための制限手段を含む上記（８）のプラズ
マアークトーチ。 （１０）該制限手段が、チェナーダイオードである上記
（９）のプラズマアークトーチ。 （１１）該スイッチ操作手段が、前記の第二の信号の最
大値を制限するための制限手段を含む上記（１）のプラ
ズマアークトーチ。 （１２）該制限手段が、チェナーダイオードである上記
（１１）のプラズマアークトーチ。
【００１３】（１３）ノズル中の電極、直流電流を供給
する電源、該電極及び切断すべき工作物に該電源を接続
する電気回路、トーチのパイロットモードを規定する閉
じた条件にあるとき該電源に該ノズルを接続しさらに切
断アークモードを規定する開いた条件にあるとき該工作
物から該ノズルの接続を切るための電気スイッチ、並び
に該電源を該パイロットアークモードにあるとき第一の
設定電流に調節しそして該切断アークモードにあるとき
第二の設定電流に調節するための増幅器手段を有するト
ーチを備えたプラズマアークシステムにおける操作のパ
イロットアークモードを設定するために切断アークを後
退させる方法において、該方法が、（ａ）該電気回路に
該電源により適用される実電流を表す第一の信号を発生
する段階、（ｂ）前記の第二の設定電流より低い電流レ
ベルを表す第二の信号を発生する段階、（ｃ）前記の第
一の信号が前記の第二の信号に実質的に等しいとき該電
気スイッチを閉じる段階からなることを特徴とする切断
アークを後退させる方法。
【００１４】（１４）（ｄ）前記の第二の設定電流のパ
ーセンテージとして該電流レベルを発生させる追加の段
階を含む上記（１３）の方法。 （１５）該パーセンテージが６０−８０％の一般的な範
囲にある上記（１４）の方法。 （１６）（ｅ）前記の第二の信号の最大値を制限する追
加の段階を含む上記（１３）の方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】図が示していることは本発明の好
ましい態様のみを説明する目的のためであり、そしてそ
れを制限する目的ではない。それらの図に関して、図１
は、標準の回路を示し、プラズマアークシステムのトー
チ１０は、正の出力端末２２及び負の出力端末２４を備
えた直流電源２０により駆動されるコントロール回路１
２を有する。この電源は、通常、インバータであり、そ
して操作の切断モード中の高いレベル（即ち４０−６０
アンペア）を有しさらに操作のパイロットモード中の低
いレベル（即ち１５−３０アンペア）を有する所望の設
定電流を維持するために、電圧をパルス幅変調器（ＰＷ
Ｍ）で調整することにより調節される。トーチ１０は、
プラズマアーク出口オリフィス３６を有するノズル３４
により囲まれる尖端３２を備えた電極３０を含む。工作
物４０は、金属コンポーネントであり、そして直流電流
が導線５２、５４を含む電気回路５０を経て供給される
とき、切断操作中回路の一部を形成する。導線５２は工
作物４０に接続され、そして導線５４は電極３０に接続
される。電気回路５０は、また、工作物の電流Ｉｗ及び
電源の合計出力電流Ｉａをそれぞれ検出するために、標
準チョーク５６及び電流感知分流器６０、６２を含む。
工作物がノズル３４から取り出されるか又は全く除かれ
るとき、導線５２を経て工作物４０に電流は流れない。
パイロットアーク操作中、電流は、ライン７４に接続さ
れた電気スイッチ７２を経て回路７０に流れる。このラ
インは、また、図示されていない限流抵抗器を含むこと
ができる。ライン８０の論理は、電気スイッチ７２の条
件をコントロールする。説明された態様では、ライン８
０の論理１は、電気スイッチ７２を閉じる。同様なやり
方で、ライン８０の論理０は、電気スイッチ７２を開け
て、ライン７４によって電源２０の出力にノズル３４を
接続し、操作のパイロットアークモードを確定する。ス
イッチ７２を閉じると、電流は、図１においてパイロッ
トアークＡとして画かれている、電極及びノズルの間を
流れる。操作のパイロットモードへの切り替え中、スイ
ッチ７２は、先ず閉じられそして次にアークＡは、図１
に示されているように、パイロットアーク位置に移され
る。スイッチ７２が開けられるとき、電圧は、トーチ１
０に隣接する切断位置に工作物が存在するとして、電極
３０及び工作物４０の間に電源２０から適用される。ア
ークの抵抗は、予め選択された切断電流を維持するため
に必要な電圧を決定する。
【００１６】電源２０は、パルス幅変調器によりコント
ロールされて、出力電流は、出力１０２を有する誤差増
幅器１００によって供給される入力９０の電圧により調
整される。出力１０２の電圧は、トーチ１０に伝達され
つつある利用可能な電流を増大させるために、電源のデ
ューティサイクルを増加する目的で電源２０のパルス幅
変調器コントロール（ＰＷＭ）に適用される電圧であ
る。誤差増幅器１００は、入力１０４及び入力１０６の
電圧によってコントロールされる。入力１０４は、回路
１２の合計電流Ｉａを表す信号を有する。この実電流
は、ライン又は入力１０６の設定電流と比較され、それ
は、操作のパイロットアークモードの第一の設定電流又
は切断モードの第二の設定電流の何れかである。標準モ
ード選択スイッチ１２０は、図２においてスイッチ１２
２及び１２４として示される追加のスイッチを含む。ス
イッチ１２０が、入力１３０及び１３２の間を選択的に
移動するとき、スイッチ１２２又はスイッチ１２４の何
れかが閉じられる。モード選択スイッチ１２０が端末１
４０で電流入力１３０に接続されるとき、トーチ１０
は、設定電流をコントロールする誤差増幅器１００によ
り切断モードで操作するように設定される。パイロット
アーク電流コントロールである電流入力１３２が、端末
１４２にモード選択スイッチ１２０を移動することによ
り選択されるとき、誤差増幅器１００は電源２０をコン
トロールして、設定パイロットアーク電流に調整する。
パイロットアーク電流は、通常、１５−３０アンペアの
範囲にある。切断電流は、通常、５０−６０アンペアの
範囲にある。電気スイッチ７２が閉じた条件及び開いた
条件の間を切り替えるとき、図２にも示されているコン
トロールライン１５０は、電気スイッチ７２の条件に従
ってモード選択スイッチ１２０の設定を確定する。
【００１７】操作では、プラズマアークトーチ１０は、
スイッチ７２が閉じられると、電極及びノズルの間にパ
イロットアークＡを確定することにより、開始される。
これは、接触開始装置により、又は高周波の使用によ
り、達成できる。これらの開始する概念は周知であり、
そして本発明の一部ではない。モード選択スイッチ１２
０は、端末１４２に切り替えられ、誤差増幅器１００を
して電源２０に調節させ、出力電流Ｉａを１５−３０ア
ンペアのような設定パイロットアーク電流に調整する。
工作物４０がノズル３４に近づくにつれ、工作物及び電
極の間のギャップはイオン化されて、電流センサー６０
を経る低い電流を生じさせる。工作物が十分に閉じられ
そして切断が望まれるとき、電気スイッチ７２は開けら
れ、そしてモード選択スイッチ１２０は図１に示される
位置に切り替えられる。誤差増幅器１００は、電流Ｉａ
を好ましい態様では５５アンペアである切断電流Ｉｃに
調整する。既述したように、プラズマアークトーチ１０
は、標準の技術に従って操作される。工作物４０がノズ
ル３４から取り除かれるとき、電源２０は、さらなる電
圧をもたらすために増大したデューティサイクルを有す
る。過去において、切断アークは、工作物が除かれるか
又はアークの長さ（スタンドオフ）がコントロール可能
な長さを越えて増大するとき、消されていた。アークの
一体性は、アークが消される前にスイッチ７２を閉じる
アーク後退回路により維持され、パイロットアークは維
持されそしてトーチは再開始することなく操作可能なま
まである。これらのアーク後退回路はプラズマでは周知
であり、しかし、本発明は、改良された回路であり、そ
してアークを後退する新規な方法をもたらす。
【００１８】図２に関して、電気スイッチ７２を操作の
切断モードに切り替えるのに使用されるコントロール論
理は、上方の回路に画かれている。比較器２００は、入
力２０２、２０４及び出力２０６を有する。入力２０２
の電圧は、電流センサー６０により決定されるレベルを
有し、そのセンサーは、工作物４０を経る工作物電流Ｉ
ｗを表す信号を与える。この電流のレベル又は大きさ
は、入力２０４にもたらさられる参照信号Ｉｒと比較さ
れる。入力２０２の工作物電流が、入力２０４の参照電
流Ｉｒ（その電流は実際には２００ｍＡに設定される）
を越えるとき、出力２０６の論理は論理１に切り替えら
れる。インバータ２１０は、論理を論理０に反対にす
る。選択スイッチ１２０が操作のパイロットアークモー
ドにあるとき、スイッチ１２２は閉じられる。その結
果、論理０はライン８０に現れて、閉じられていたスイ
ッチ７２を開ける。スイッチ７２を開けるために、スイ
ッチ１２２は、閉じられ（パイロットモード）そしてＩ
ｗはＩｒに増大する。工作物の電流Ｉｗは、工作物４０
がトーチ１０に近づくにつれ、増大する。工作物４０及
び電極３０の間のギャップは、イオン化されて、工作物
の電流Ｉｗを流れさす。この電流は、ライン８０の論理
０によりトーチを操作のパイロットモードから操作の切
断モードに切り替えさせる。同様なやり方で、比較器２
２０は、選択スイッチ１２０が切断モードにあるとき、
本発明を構成する新規な方法及びアーク後退回路の改良
の一部である。比較器２２０は、スイッチ１２４が閉じ
て切断モードから切り替えるとき機能的である。スイッ
チ１２４は、切断操作中閉じられ、その場合、プラズマ
アークは工作物から後退しそしてノズルによりパイロッ
トアークとして維持される。変換を達成するために、比
較器２２０は、本発明を実施するやり方で機能する。入
力２２２は、分圧器２２４の中間の電圧レベルによりコ
ントロールされる。分圧器は、端末１４０に接続したそ
の上端を有する。端末１４０の電圧レベルは、入力１３
０によりもたらされる操作の切断モードに関する設定電
圧である。分圧器２２４の下端は接地され、それにより
セクション２２４ａ及び２２４ｂは、入力２２２を端末
１４０の電圧の固定したパーセンテージにする。その結
果、入力２２２は、電源２０が操作の切断モード中調整
される設定電流Ｉｃの所定のパーセンテージを表す信号
である。比較器２２０に関する第二の入力は、好ましい
態様では誤差増幅器１００の入力でもあるライン１０４
である。入力１０４は、誤差増幅器及び比較器２２０の
相互接続は必須ではないので、誤差増幅器と関係のない
モードで実電流を感知できるだろう。比較器２２０は、
回路１２を流れる電源からの実電流及び設定電流値のパ
ーセンテージを比較する。実電流は、種々の位置で感知
できる。実際には、電流のパーセンテージは７０％であ
るが、しかし、それは好ましくは６０−８０％の範囲に
ある。操作では、比較器２２０は、実電流Ｉａが電流設
定点Ｉｃの７０％より低くなるまで、出力２３０におい
て論理０を有する。通常の操作では、実電流Ｉａは、誤
差増幅器１００が電源２０をこの電流レベルに調整する
ため、操作の切断モード中設定電流Ｉｃに等しい。しか
し、アークの長さ又はスタンドオフが増大するにつれ、
その抵抗は増大しそして電源２０は、調整された電流Ｉ
ｃを維持するのに十分な電流を供給できない。それが生
じたとき、実電流Ｉａは調整された電流Ｉｃ以下に低下
する。電流の低下が、操作の切断モード中（スイッチ１
２４が閉じられる）調整された電流Ｉｃの７０％に達し
たとき、論理１が出力２３０に現れる。この論理１は、
ライン８０によりスイッチ７２に向けられて、スイッチ
７２が閉じられる。それが生じたとき、プラズマアーク
は、図１に示されるように、ノズルに後退する。本発明
を使用することにより、電源２０の完全な容量が、或る
仮定の参照電圧を入れたり切ったりすることなく、実現
される。電流の基準でアーク後退回路をコントロールす
ることにより、電源２０の最大の能率及び利用が得られ
る。
【００１９】実際には、分圧器２２４は、設定切断電流
Ｉｃのパーセンテージとして入力２２２を事前設定する
のに使用される。しかし、別なやり方として、ライン２
２２は、Ｉｃより低い予め選択されたレベルに設定で
き、それは、パーセンテージでなく操作の切断モード中
調整された電流Ｉｃより低い電流に過ぎない。電流Ｉａ
が低下すると、それは低下した電流（Ｉｃ−ｘ）と交差
し、電源を最大に利用する。設定電流のパーセンテージ
又は予め選択された低下の何れかが、比較器２２０で使
用される。チェナーダイオード２４０は、入力２２２及
び接地との間に接続されて、入力２２２の最大の電圧レ
ベルを制限する。このチェナーダイオードの結果は、図
７に示される。
【００２０】図３のグラフは、ライン３００により示さ
れる約２５０ボルトの定格電圧値を有する電源２０を示
す。２５３Ｖ交流の入力により駆動されるこの電源は、
グラフ３０２に沿って実際に変化する出力電圧を生成す
るだろう。電源への入力電圧及び変圧器の巻数比は、電
源２０に対する電圧曲線３０２を支配する。出力電流が
増大するにつれ、出力電圧が低下する。もし電源２０か
らのこの電圧が、固定された電圧３００により表さられ
る従来技術（Ｂｏｒｏｗｙの５６２０６１７号）におけ
るように固定した電圧に制限されるならば、この電源の
合計の容量は得られない。より高い電流では、電源２０
について利用可能な電圧は、ライン３０２で示されるよ
うに減少する。曲線３００により表さられる固定した電
圧に電源の操作を制限することは非能率である。電源２
０は、２５３Ｖ交流の入力により、２５アンペアで２７
５ボルトを生成できる。１８７Ｖ交流の入力では、電源
２０の出力は、図３の下方の部分で曲線３０４により表
さられる。この曲線により、１６８ボルトが５５アンペ
アで生成できる。曲線３０２及び３０４は、異なる入力
電圧（２５３Ｖ交流及び１８７Ｖ交流）で電源２０につ
いて利用可能な出力電圧を表す。顧客の電気サービスが
電源の入力を決定するため、すべての操作条件に正確に
アーク後退回路を調節するのは実際的ではない。出力電
圧における大きな振れ及び種々の入力電圧のために、過
去において使用されたようなアーク後退回路の電圧のコ
ントロールは、変数及び非能率に悩まさられる。本発明
は、アーク後退回路を操作する電流下降の概念を用い
る。
【００２１】電圧レベルがアーク後退回路に使用される
とき、電源はライン３００に沿って操作する。電源から
の電圧が２５０ボルトの達したときはいつでも、ライン
３００において、アークは後退しそして操作のパイロッ
トアークモードが確定する。より低い電流レベルでは、
電源２０は、事実、２５０ボルトであるライン３００の
固定した電圧より実質的に上の電圧容量である２５５ボ
ルトを生成できる。２５アンペアでは、電源２０は約２
７５ボルトを生成できる。電源２０は、２５０ボルトで
カットオフされてはならない。アーク後退回路のこの従
来技術のコントロールは、電源の利用ファクターを１０
％低下させる。本発明によれば、比較器２２０は、特に
より低い操作電流で、より高い出力電圧でアークを後退
させる。
【００２２】本発明は、電源２０が端末１４０の電圧に
より設定されるように必要な出力電流をもはや生成でき
ないとき、アークをしてノズルに後退させる。本発明の
操作は、本発明を使用して回路のパラメータに対する増
大した長さ又はスタンドオフの効果を説明する図４のグ
ラフに関して説明される。曲線３１０は、比較器２２０
に接続された実電流Ｉａである。位置＃１及び＃２の間
に、実電流は切断電流Ｉｃに調整される。点＃２後、実
電流は、それが点＃３に向かって移動するにつれ低下し
始める。低下Ｉａが電流Ｉｃの７０％であるとき、点＃
３で発生する後退信号が存在する。曲線３１２は、切断
操作中電流Ｉｃを設定するために、電流Ｉａを調整する
ことを試みる電源２０により発生する電圧である。アー
クの長さ（スタンドオフ）が図４で左から右に増大する
につれ、電流Ｉａは点＃２まで実質的に一定のままであ
る。この目的を達成するために、曲線３１２により示さ
れる電圧は増大して、曲線３１４により示されるより長
いアークの増大した抵抗と一致する。アークの長さが増
大し続けるにつれ、システムは、最終的に点＃３に達
し、入力１０４の電流Ｉａを表す信号は、設定電流Ｉｃ
のパーセンテージを表す入力２２２の信号と一致する。
Ｉｃのパーセンテージに対するＩａの比較は、出力２３
０に論理１を生じさせる。スイッチ１２４は、操作の切
断モード中コントロールライン１５０により閉じられ
る。このやり方で、論理１は、点＃３でライン８０に現
れて、スイッチ７２を閉じそしてアークを後退させる。
【００２３】図４の操作点＃２で、電源２０は、５５ア
ンペアで設定電流Ｉｃを生成するように調整される。電
源２０の電圧は、一般に、約１８０ボルトで一定であ
る。点＃１のスタンドオフに対する切断アーク操作は、
電源の操作範囲内で十分である。点＃１で、電源の電圧
（１８０ボルト）は、５５アンペアでその最大の電圧容
量の下の約７５ボルトである。アークの長さ又はスタン
ドオフが増大すると、操作点は点＃２に向かって切り替
える。この操作点で、アーク電圧は、電源２０が５５ア
ンペアで伝達できる絶対最大電圧に増大する。本発明の
アーク後退回路が電圧に依存していないので、アーク
は、たとえ最大電圧が生成されつつありそしてパルス幅
変調器が１００％オンでも、点＃２で後退しない。これ
は、電源に対して最大の利用可能な電圧である。しか
し、本発明を用いることにより、本発明のアーク後退が
アーク電流の下降によりコントロールされそしてすべて
の特別な電圧のレベルによるものではないため、アーク
の長さは、点＃３に増大できる。事実、予め選択された
固定した出力電圧を感知することによるだけで生ずる後
退信号は存在しない。切断アークは、スタンドオフ点＃
２に達した電源に関する最大の電圧を十分に越えて維持
される。電源が点＃２で図３に示されるように５５アン
ペアについてその最大の電圧に達した後、アークの長さ
又はスタンドオフは増大する。誤差増幅器１００を含む
電流コントロールシステムは、点＃２でコントロールを
失い、電流の設定レベルは５５アンペアであり、電源は
最大２５５ボルトである。電源２０は、完全にオンであ
りそしてパルス幅変調は１００％オンである。アークの
長さが増大するにつれ、点＃２を越えて電流Ｉａは図４
に示されるように下降し始める。点＃１及び＃３の間の
アーク抵抗曲線３１４により示されるように、アークの
抵抗は、長さ又はスタンドオフとともに増大する。増大
した抵抗は、アーク電圧を増大させる。５５アンペアの
一定の電流で調整された電源により、抵抗が曲線３１４
に沿って変化するとき、アーク電圧における線状の変化
が生ずる。これは、曲線３１２において点３１６後で示
される。点＃２を越えて、電源２０は完全にオンであり
そして出力電圧は特定の出力電流について最大のレベル
であるが、しかし、アークの抵抗は、スタンドオフの増
大とともに増大し続ける。点＃１及び＃２の間では、電
流が調整されている間、出力電圧の増大が存在する。操
作点＃２後、電源２０に関するコントロールシステム
は、もはや電流をコントロールしない。
【００２４】電源は、ライン１０２の最大の信号により
完全にオンである。出力電流は、スタンドオフの増大に
つれ下降し始める。出力電流が、設定電流の設定ラベル
の予め選択されたパーセンテージより下に低下又は下降
するとき、アークは点＃３で後退する。ライン１０２の
パルス幅変調された信号は、プラズマアークトーチ用の
一定電流電源で使用される代表的な電流コントロール誤
差増幅器からの出力である。ライン１０２の電圧のレベ
ルは、電源２０のパルス幅変調器をコントロールする。
実際には、ライン１０２の０ボルトの信号は、最小のパ
ルス幅変調されたデューティサイクルを生成するだろ
う。ライン１０２において３．５ボルトのレベルを有す
る信号により、パルス幅変調器は１００％のデューティ
サイクルを有するだろう。パルス幅変調器は、コントロ
ールシステムが電流を能動的に調整しているとき、０ボ
ルト及び３．５ボルトの間を操作する。点＃２後、アー
クの抵抗は、点＃３の後退信号まで、切断電流を減少さ
せる。このアーク後退信号は、図２の下方の回路に示さ
れる比較器２２０により発生する。この電流への最初の
入力は、実アーク電流Ｉａである。第二の入力２２２
は、操作の切断モード中の設定電流Ｉｃのパーセンテー
ジである。このパーセンテージは、７０％に設定される
だろうが、しかし、それは用途に応じて４０−８０％の
範囲にある。好ましくは、それは６０−８０％の範囲に
ある。０．７Ｉｃの電流レベル及び５５アンペアに設定
された切断電流の後退信号は、実電流Ｉａが約３８．５
アンペアであるとき、後退信号を発するだろう。実電流
が３８．５アンペアより低いとき、ライン２３０のアー
ク後退信号は、アーク後退の一連の動作を開始する。
【００２５】図５は、切断アークが工作物から非常に早
く取り去られるとき生ずる事象を記録するオッシロスコ
ープのトレースを示す。上方のトレースは、比較器２２
０の出力２３０に現れるアーク後退信号３２０を示す。
第二のトレース３２２は、位置３２４で閉じる電気スイ
ッチの条件である。トレース３２６はアーク電流Ｉａで
ある。トレース３２８は、パルス幅変調器をコントロー
ルするライン１０２の電圧である。点＃１を経る操作
は、電源の操作範囲内で十分であるように示される。曲
線３２８により表さられるようなパルス幅変調器への入
力は、点＃２まで、ライン３２９により表さられる３．
５ボルト以下である。アークの長さが増大すると、アー
ク抵抗は、図４に示されるように曲線３１４に沿って増
大する。アーク電圧が増大しそして電源２０は、曲線３
２８で示されるようにパルス幅変調器の電圧を増大する
ことにより反応する。操作点＃２で、パルス幅変調器
は、ライン３２９と交差することにより最大の使用可能
なレベルに増大する。これは、電源が電源に関する最大
の電圧で切断アークを維持しつつある操作の領域であ
る。もしアーク後退回路が電圧に敏感であったならば、
アーク後退信号３２０は、点＃２で生ずるだろう。出力
電圧は、もし電圧がコントロールパラメータであるなら
ば、その最大の値に達する。もしアーク後退回路が、図
３の曲線３００により示されるような固定した電圧との
比較によりコントロールされるならば、少なくともスタ
ンドオフが点＃２に達する時間まで後退信号が存在する
だろう。本発明によれば、図５に示されるように、切断
アークは操作点＃２を越えて十分に維持される。本発明
は、操作点＃３により表さられるスタンドオフまで切断
アークを維持する。この点で、アーク電流Ｉａは、曲線
３１４に沿う増加したアーク抵抗のために、低下又は下
降する。電流が設定電流Ｉｃ即ち３８．５アンペアの７
０％以下に低下又は下降するとき、アーク後退の一連の
動作が達成される。これは、アークをしてノズルに再接
続させ、そしてパイロットアークは、切断アークが消さ
れるとき、維持される。
【００２６】図６に関し、オッシロスコープのトレース
は、切断アークが操作点＃２及び＃３の間に電源２０の
絶対的最大出力電圧で長期間維持されるとき生ずる事象
を示す。もし本発明が電圧コントロールアーク後退回路
であるならば、アークを電源の最大出力電圧に維持する
ことは不可能であろう。図４に示されるような点＃２及
び＃３の間の領域の操作は、不可能であろう。固定され
た電圧に達したとき、アークは後退するだろう。本発明
によれば、切断アークは、点＃２の最大の電圧レベルよ
り上で操作する。点＃２に達した後、電流は図４に示さ
れるように低下し、その結果、利用可能な最大電圧は、
電流が左に切り替えるために、図３に示されるように増
大する。図６に示されるトレースは、図５に示されてい
るトレースと同じであるが、但しそれらは点＃２でより
長時間でありそして数字の後にａを含むことを除く。ト
レース３２６ａのアーク電流の変動は、アークが操作点
＃３に向かって移動しつつあることを示す。これが生ず
るとき、利用可能な出力電圧は僅かに増大し、そして電
源２０は、低下電流で切断アークを維持するように回復
する。この作用は、追加の出力電圧を生ずる。それは、
出力電流が低下するとき、図３に示されるように利用可
能な電圧が上昇するからである。二つの電源を同じ出力
電圧と比較するとき、本発明を使用する電源は、従来技
術のアーク後退回路より最大のアークの長さにおける顕
著な増大を有する。
【００２７】図５及び６に示されるように、パイロット
アークは、切断アークが消されるとき維持される。後退
信号が図５で信号３２０として示されそして図６で３２
０ａとして示されるライン２３０で生ずるとき、スイッ
チ７２は閉じられる。本発明によれば、アークは、電源
の設定切断出力電流より低い伝達電流でノズルに後退す
るだろう。これは点＃３で図４で示される。従来の回路
では、後退信号は設定電流Ｉｃでである。本発明は、設
定電流より低い値でアークを後退する。電源の定格電流
より低い電流におけるアークの後退及び実際には切断電
流設定点端末１４０は、従来のアーク後退回路により経
験されるようなノズル中への高電流のオーバーシュート
を排除する。低下した操作電流におけるパイロットアー
クモードへのこの切り替えは、スイッチ７２に必要なサ
イズを小さくする。ノズル３４に対する過電流の損傷も
減少する。過去において、アークは、端末１４０に現れ
る操作電流で後退する。その結果、５５アンペアのプラ
ズマアークトーチでは、アークは５５アンペアで後退す
る。アークが５５アンペアで後退した後、モード選択ス
イッチ１２０が切り替えて電流レベルを低下させる。し
かし、実際の伝達は、より高いレベルである。本発明に
よれば、アーク後退は３８．５アンペアであってスイッ
チ７２のサイズを小さくしそしてノズルへの損傷を減ら
す。
【００２８】図２に示されるようなチェナーダイオード
２４０は、後退電流の最大値を制限するために使用され
て、ノズルの電流のオーバーシュートをコントロールす
る。最大の後退電流は、４０アンペアに制限される。設
定切断電流が増大すると、本発明は、比較器２２０の入
力２２２の信号をして、それに応じて増大させる。設定
電流Ｉｃがダイオード２４０の値を越えるレベルより上
であるときチェナーダイオードを使用することによっ
て、入力２２２がその値に押しつけられる。これは図７
に示され、後退信号は約５５アンペアより高く固定され
て約３８アンペアで後退信号を生ずる。
【図面の簡単な説明】
【図１】操作のパイロットモード及び操作の切断又は操
作モードの間を切り替えるための電極、ノズル及び電気
スイッチを有するタイプのプラズマアークトーチ用の標
準の回路を示す線図である。
【図２】操作のパイロットモードから操作の切断モード
へ切り替える第一の回路、並びにアークを後退しそして
操作の切断モード及び操作のパイロットモードの間を切
り替えるための本発明の好ましい態様からなる第二の回
路を示す部分線図である。
【図３】２５３Ｖ交流又は１８７Ｖ交流の何れかの入力
電圧で動かされるプラズマアークトーチを駆動するのに
使用される標準直流電源の電流電圧出力特性を示すグラ
フである。
【図４】アーク又はスタンドオフの距離が増大するとき
そして２５３Ｖ直流の入力電圧で操作されるとき、図２
で示される本発明の好ましい態様の操作特性を示すグラ
フである。
【図５】図２で概略的に示されるような本発明の好まし
い態様の操作特性を示す電圧グラフである。
【図６】図２で概略的に示されるような本発明の好まし
い態様の操作特性を示す電圧グラフである。
【図７】本発明の好ましい態様のための後退電流による
切断アーク電流をプロットするグラフである。
【符号の説明】
１０ トーチ １２ コントロール回路 ２０ 電源 ２２ 端末 ２４ 端末 ３０ 電極 ３２ 尖端 ３４ ノズル ３６ オリフィス ４０ 工作物 ５０ 電気回路 ５２ 導線 ５４ 導線 ５６ チョーク ６０ 分流器 ６２ 分流器 ７０ 回路 ７２ 電気スイッチ ７４ ライン ８０ ライン ９０ 入力 １００ 誤差増幅器 １０２ 出力 １０４ 入力 １０６ 入力 １２０ モード選択スイッチ １２２ スイッチ １２４ スイッチ １３０ 入力 １３２ 入力 １４０ 端末 １４２ 端末 １５０ コントロールライン ２００ 比較器 ２０２ 入力 ２０４ 入力 ２０６ 出力 ２１０ インバータ ２２０ 比較器 ２２２ 入力 ２２４ 分圧器 ２２４ａ セクション ２２４ｂ セクション ２３０ 出力 ２４０ チェナーダイオード ３００ ライン ３０２ グラフ ３０４ 曲線 ３１０ 曲線 ３１２ 曲線 ３１４ 曲線 ３２０ アーク後退信号 ３２２ 第二のトレース ３２４ 位置 ３２６ トレース ３２８ トレース ３２９ ライン
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−243743（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−68385（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−15457（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−86379（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−284950（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−257973（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−216861（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−279077（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−228270（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−20173（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B23K 10/00 503 B23K 10/00 504 H05H 1/34

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ノズル中の電極、直流電流を供給する電
    源、該電極及び切断すべき工作物の間に該電源を接続す
    る電気回路、トーチのパイロットモードを規定する閉じ
    た条件にあるとき該電源に該ノズルを接続しさらに切断
    アークモードを規定する開いた条件にあるとき該工作物
    から該ノズルの接続を切るための電気スイッチ、該パイ
    ロットアークモードにあるとき該電源を第一の設定電流
    に調節しそして該切断アークモードにあるとき第二の設
    定電流に調節するための増幅器手段、並びに該電気スイ
    ッチを前記の開いた条件から前記の閉じた条件に切り替
    えるためのアーク後退回路を有するプラズマアークトー
    チにおいて、該電気回路に該電源により適用される実電
    流を表す第一の信号を生ずるための電流感知手段、前記
    の第二の設定電流より低い電流レベルを表す第二の信号
    を生ずるための手段、並びに前記の第一の信号が前記の
    第二の信号に実質的に等しいとき該電気スイッチを閉じ
    るためのスイッチ操作手段を含む該アーク後退回路から
    なることを特徴とするプラズマアークトーチ。
  2. 【請求項２】 該電流レベルが前記の第二の設定電流の
    パーセンテージである請求項１のプラズマアークトー
    チ。
  3. 【請求項３】 該パーセンテージが６０−８０％の一般
    的な範囲にある請求項２のプラズマアークトーチ。
  4. 【請求項４】 該スイッチ操作手段が、前記の第一の信
    号が前記の第二の信号に実質的に等しいとき電気スイッ
    チを閉じる出力信号を有する比較器を含む請求項３のプ
    ラズマアークトーチ。
  5. 【請求項５】 該スイッチ操作手段が、前記の第一の信
    号が前記の第二の信号に実質的に等しいときスイッチを
    閉じる出力信号を有する比較器を含む請求項２のプラズ
    マアークトーチ。
  6. 【請求項６】 該スイッチ操作手段が、前記の第一の信
    号が前記の第二の信号に実質的に等しいときスイッチを
    閉じる出力信号を有する比較器を含む請求項１のプラズ
    マアークトーチ。
  7. 【請求項７】 前記の第二の信号を生ずるための手段
    が、前記第二の設定電流を表す電圧を有する端末に接続
    されている分圧器であり、その分圧器の中間に位置する
    出力が前記の第二の信号を発生する請求項２記載のプラ
    ズマアークトーチ。
  8. 【請求項８】 前記の第二の信号を生ずるための手段
    が、前記の第二の設定電流を表す電圧を有する端末に接
    続されている分圧器であり、その分圧器の中間に位置す
    る出力が前記の第二の信号を発生する請求項１記載のプ
    ラズマアークトーチ。
  9. 【請求項９】 該スイッチ操作手段が、前記の第二の信
    号の最大値を制限するための制限手段を含む請求項８の
    プラズマアークトーチ。
  10. 【請求項１０】 該制限手段が、チェナーダイオードで
    ある請求項９のプラズマアークトーチ。
  11. 【請求項１１】 該スイッチ操作手段が、前記の第二の
    信号の最大値を制限するための制限手段を含む請求項１
    のプラズマアークトーチ。
  12. 【請求項１２】 該制限手段が、チェナーダイオードで
    ある請求項１１のプラズマアークトーチ。
  13. 【請求項１３】 ノズル中の電極、直流電流を供給する
    電源、該電極及び切断すべき工作物に該電源を接続する
    電気回路、トーチのパイロットモードを規定する閉じた
    条件にあるとき該電源に該ノズルを接続しさらに切断ア
    ークモードを規定する開いた条件にあるとき該工作物か
    ら該ノズルの接続を切るための電気スイッチ、並びに該
    電源を該パイロットアークモードにあるとき第一の設定
    電流に調節しそして該切断アークモードにあるとき第二
    の設定電流に調節するための増幅器手段を有するトーチ
    を備えたプラズマアークシステムにおける操作のパイロ
    ットアークモードを設定するために切断アークを後退さ
    せる方法において、該方法が、（ａ）該電気回路に該電
    源により適用される実電流を表す第一の信号を発生する
    段階、（ｂ）前記の第二の設定電流より低い電流レベル
    を表す第二の信号を発生する段階、（ｃ）前記の第一の
    信号が前記の第二の信号に実質的に等しいとき該電気ス
    イッチを閉じる段階からなることを特徴とする切断アー
    クを後退させる方法。
  14. 【請求項１４】 （ｄ）前記の第二の設定電流のパーセ
    ンテージとして該電流レベルを発生させる追加の段階を
    含む請求項１３の方法。
  15. 【請求項１５】 該パーセンテージが６０−８０％の一
    般的な範囲にある請求項１４の方法。
  16. 【請求項１６】 （ｅ）前記の第二の信号の最大値を制
    限する追加の段階を含む請求項１３の方法。
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