JPH06140185A

JPH06140185A - プラズマ・トーチの制御装置

Info

Publication number: JPH06140185A
Application number: JP5084718A
Authority: JP
Inventors: Jean-Marie Lambert; ジャン−マリ・ランベール
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1992-04-10
Filing date: 1993-04-12
Publication date: 1994-05-20
Also published as: FR2690037B1; DE69300534D1; DE69300534T2; EP0565423A1; US5294773A; EP0565423B1; CA2093703A1; FR2690037A1

Abstract

(57)【要約】【目的】電力供給を行う整流器(4)と、調整弁(9)によ
り制御されるプラズマ発生ガスを供給する回路(8)と、
アーク電流及びプラズマ発生ガスの流量を制御するよう
整流器及び調整弁を制御する手段(14)とを含んだプラズ
マ・トーチ(1)の制御装置において、アークが安定化さ
れるのを可能とするだけではなく、１つ以上の基準デー
タに従った動作をトーチに行わせるよう、該トーチを完
全にかつ自動的に制御されるのをも可能とすることを目
的とする。【構成】アーク電圧及びアーク電流をそれぞれ連続的
に測定する第１及び第２の手段(19,20)を含み、調整弁
(9)は空気流れ増幅器(49)と関連した電気空気位置付け
器(44)により作動され、そして制御手段(14)は、アーク
電圧及びアーク電流の測定値を受けて、基準電力の関数
として計算されるアーク電流及びプラズマ発生ガスの流
量基準値を、それぞれ整流器(4)及び電気空気位置付け
器(44)に出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電力プラズマ・トーチ
を制御するための電力プラズマ・トーチの制御装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】電力プラズマ・トーチを制御するための
装置は仏国特許 FR-A-2,588,145 号から既知であり、該
装置は、以下のものを含んでいる。 ◎ 電気幹線（メイン）により供給され、前記トーチの
電極に直流電圧を供給する整流器； ◎ 流量が調整弁により制御されるプラズマ発生ガス
を、前記トーチに供給する回路；及び ◎ アーク電流及びプラズマ発生ガスの流量を制御する
ために、前記整流器及び前記調整弁を制御するための手
段。

【０００３】実際は、このような制御装置はアークが消
えること、すなわち消弧を避けるよう意図されているだ
けである。事実、かかるプラズマ・トーチにおいて、ア
ーク電圧が増加するときにアーク電流は減少し、その逆
もまた同様であることが知られている。アーク電圧はト
ーチの供給整流器の電圧性能特性により上方が制限され
るので、アーク電圧が増加して前記供給整流器により与
えられることができる最大電圧に接近するや否や、アー
クは不安定になる。

【０００４】さらに、前述の特許においては、前記制御
手段は、アーク電圧閾値検出器及び可変利得増幅器だけ
を含んだ電子装置により構成されており、該電子装置
は、アーク電圧が不安定閾値に達するや否や、アーク電
流を瞬間的に増加させることにより、かつ前記プラズマ
・トーチに供給されるプラズマ発生ガスの流量を減少す
ることにより、アーク電圧を下げるよう意図されたもの
である。従って、これは、アークが安定化されるのを可
能とするだけの固定装置である。

【０００５】

【発明の概要】本発明の主題は、アークが安定化される
のを可能とするだけではなく、１つまたは２つ以上の基
準データ項目に従った動作をトーチに行わせるように、
該トーチが完全にかつ自動的に制御されるのをも可能と
する柔軟な装置にある。

【０００６】この目的のため、本発明によれば、電力プ
ラズマ・トーチを制御するための装置であって、電気幹
線により供給されると共に、前記トーチの電極に直流電
圧を供給する整流器と、流量が調整弁により制御される
プラズマ発生ガスを前記トーチに供給する回路と、アー
ク電流及びプラズマ発生ガスの流量を制御するために、
前記整流器及び前記調整弁を制御するための制御手段
と、アーク電圧を連続的に測定するための第１の測定手
段と、アーク電流を連続的に測定するための第２の測定
手段とを備え、プラズマ発生ガスを調整するための前記
調整弁は、空気作動型のものであり、空気流れ増幅器と
関連した電気空気位置付け器により作動され、そして前
記制御手段は、一方では、前記第１及び第２の測定手段
によりそれぞれ与えられるるアーク電圧及びアーク電流
の測定値を受け、他方では、それぞれ前記整流器及び前
記電気空気位置付け器に、基準電力の関数として、プロ
グラムに従って計算されたアーク電流及びプラズマ発生
ガス流量の基準値を与える電力プラズマ・トーチの制御
装置が提供される。

【０００７】従って、アーク電流及びプラズマ発生ガス
の流量を連続的に制御することにより、パワーもしくは
電力（power）により前記プラズマ・トーチを制御する
ことが可能である。空気流れ増幅器と関連した電気空気
位置付け器により作動される、プラズマ発生ガスの流量
を調整するための空気作動弁の選択により、該弁の開閉
における変動が、前記制御手段により与えられる基準値
における変動と両立可能にされるということが注目され
る。実際、加速器（アクセラレータ）として動作する流
れ増幅器により、前記弁の開閉応答時間は大いに縮めら
れる。

【０００８】前記制御手段は、コンピュータにより、も
しくは他には自動機械により構成され得る。それらはト
ーチを所定のパワーもしくは電力で動作させ、かつそれ
らはアーク電流及びプラズマ発生ガスの流量を制御する
ことによりパワーもしくは電力の増加もしくは減少を制
御する。トーチの実際の電力が前記基準電力に接近した
とき、前記制御手段は、消弧を避けるようにアーク電圧
を制御しつつ、アーク電流及びプラズマ発生ガスの流量
を制御することにより連続的に調整を行う。

【０００９】前記制御手段は、例えば２〜３秒に等しい
期間のサイクルに従って順次に働くが、しかしながら、
消弧の危険性の場合には、アーク電流及びプラズマ発生
ガスの流量に即座にかつ優先的に作用する。

【００１０】前記基準電力は、前記プラズマ・トーチが
含まれている、制御されるべきプロセスのパラメータを
考慮して、オペレータもしくは監視コンピュータにより
選択され得、そして該基準電力を前記制御手段に入れ得
る。しかしながら、トーチの動作に含まれる熱損失のた
めに、トーチにより実際に供給される熱パワーは、前記
表示された基準電力に理論的に対応するものよりも小さ
いことが分かる。

【００１１】さらに、異なった実施例に従って、本発明
による装置は、トーチを冷却するための流体（例えば、
鉱物除去された水）の流量、入口温度及び出口温度を決
定するための追加の測定手段を含んでおり、これらの追
加の測定手段は、それら測定値を前記制御手段に供給
し、前記入口及び出口温度と結合して冷却流体の流量
は、第１の近似に対して、トーチの熱損失が決定される
のを可能とし、これにより熱基準パワーから基準電力を
定めるよう、前記制御手段が、それらを考慮することが
できる。

【００１２】従って、基準電力は、トーチの動作に含ま
れる損失を考慮し、所望のものと一致した熱力もしくは
熱パワーが得られる。

【００１３】得られる実際の熱パワーの正確さを一層改
善するために、前記回路におけるプラズマ発生ガスの流
量、温度及び圧力を決定し、それら測定値を前記制御手
段に供給する追加の第６、第７及び第８の測定手段が設
けられ、制御手段は、前記熱基準パワーから前記基準電
力を定める際にそれら測定値を考慮する。従って、プラ
ズマ発生ガスのエンタルピが考慮される。

【００１４】前記熱基準パワーは、制御されるべきプロ
セスのパラメータを考慮して、オペレータもしくは監視
コンピュータにより選択されて、前記制御手段に入れら
れ得る。

【００１５】さらに、多くの工業プロセスにおいて、プ
ラズマ・トーチは、羽口（例えば、溶鉱炉やキュポラ等
の羽口）に注入される一次送風を過熱するように用いら
れることが知られている。一次送風の流量及び後者の温
度は、時間に依存した変数であり、該変数は、プロセス
の運転及び溶融された生成物の安定化に対ししばしば有
害である量を変化するように温度負担（the temperatur
e of the burden）を生じさせる結果を有する。

【００１６】従って、トーチのパワーにおける増大量の
柔軟性及び急速性を利用することにより、得られる電力
の限界内で送風及びプラズマの混合において一定の温度
を確実にすることが必要である。

【００１７】従って、かかる適用に対し、前記送風の流
量、温度及び圧力を決定し、それら測定値を前記制御手
段に供給する追加の第９、第１０及び第１１の測定手段
を設けることが有利であり、制御手段は、前記トーチの
プラズマにより加熱された前記送風に対する基準温度か
ら前記熱基準パワーをそして次に前記基準電力を定め
る。

【００１８】かかる基準温度は、好ましくは、制御され
るべきプロセスのパラメータを考慮してオペレータもし
くは監視コンピュータにより選択され、そして前記制御
手段に入れられる。

【００１９】

【実施例】添付図面は、本発明がいかに行われ得るかを
明瞭に理解させるであろう。これら添付図面において、
同一の参照数字は同様の要素を示す。

【００２０】本発明に従って図１に示される制御装置
は、両電極間にアークを生成する上流電極２及び下流電
極３を含んだ電力プラズマ・トーチ１のために意図され
ている。これを行うため、メインもしくは幹線路（main
s）５から供給される整流器４により発生される電圧
が、前記電極２及び３間に与えられる。この目的で、電
極２及び３は、それぞれ接続線６及び７を介して整流器
４に接続される。

【００２１】トーチ１には、空気作動型の流量調節弁９
が装着されている回路８を介してプラズマ発生ガス（例
えば圧縮空気）が供給される。この弁は、例えば、Fren
chCompany MASONEILAN により製造される Camflex 型の
ものである。

【００２２】さらに、例えば鉱物除去された冷却水が、
パイプ１０を介して入り、トーチ１を通って流れ、パイ
プ１１を介して出て行く。

【００２３】図１に示される実施例において、トーチ１
は、溶鉱炉の送風（矢印Ｆにより象徴されている）をあ
らかじめ熱するよう意図されている。これを行うため、
前記送風及びトーチ１により吹き付けられるプラズマ・
ジェット（矢印Ｊにより象徴されている）が、混合羽口
１２において接触させられる。

【００２４】制御装置は、トーチ１を制御するための例
えばコンピュータまたは自動機械であるプログラム制御
手段１４を含んでいる。オペレータまたは処理監視コン
ピュータ（図示せず）は、インターフェース装置１８の
入力１５、１６、１７においてディスプレイにより制御
手段１４に所望の基準値を入れ得る。入力１５、１６及
び１７は、例えば、電力、熱力（thermal power）、及
び送風／プラズマ・ジェット混合物の温度に対する基準
値がディスプレイされるのを可能とする。

【００２５】さらに、制御装置は以下のものを含んでい
る。 ◎ 接続線６及び７間に配列される、アーク電圧Ｕａを
測定するための装置１９； ◎ 接続線６に配列される、アーク電流Ｉａを測定する
ための装置２０； ◎ 回路８に配列される、プラズマ発生ガスの流量Ｑａ
を測定するための装置２１； ◎ 回路８内のプラズマ発生ガスの温度Ｔａを測定する
ための装置２２； ◎ 回路８内のプラズマ発生ガスの圧力Ｐａを測定する
ための装置２３； ◎ パイプ１０を介して到達した冷却流体の温度Ｔｅを
測定するための装置２４； ◎ パイプ１１を介して出て行く冷却流体の温度Ｔｓを
測定するための装置２５； ◎ 出口パイプ１１内の冷却流体の流量Ｑｅを測定する
ための装置２６； ◎ 送風Ｆの温度Ｔｖを測定するための装置２７； ◎ 送風Ｆの圧力Ｐｖを測定するための装置２８；そし
て ◎ 前記送風Ｆの流量Ｑｖを測定するための装置２９。

【００２６】測定装置１９〜２９の各々は、それぞれ参
照数字３０〜４０を有する接続線を介して制御手段１４
に接続される。

【００２７】従って、制御手段１４は、パラメータＵ
ａ、Ｉａ、Ｑａ、Ｐａ、Ｔｅ、Ｔｓ、Ｑｅ、Ｔｖ、Ｐｖ
及びＱｖの測定値を連続的に知っている。

【００２８】さらに、それぞれ電気接続線４１及び４２
を介して、前記制御手段１４は整流器４を制御しかつ弁
９を作動させる。

【００２９】制御手段１４による弁９の作動は空気加速
作動装置４３により行われる。

【００３０】作動装置４３は、電気空気的な弁位置付け
器４４を含んでおり、該位置付け器４４は、一方では、
前記制御手段１４により発生される電気指令を（接続線
４２を介して）受け、他方では、導管４５を介して低圧
の空気供給を受ける。例として、電気空気位置付け器４
４は、フランスの会社 MASONEILAN により製造される８
０１３型のものであって良く、導管４５を通る空気供給
の圧力は、１.４バー程度であって良い。この低圧の空
気供給は、減圧弁４６から来るものであり、減圧弁４６
自体は、導管４８を介して供給源４７からの高圧の高流
量空気供給を受ける。供給源４７の空気圧力は、例え
ば、７バー程度である。

【００３１】それ自体弁９を作動させる流れ増幅器４９
が、電気空気位置付け器４４と弁９との間に挿間されて
いる。増幅器４９は、該増幅器を供給源４７に接続する
導管５０を介して高圧を受け、かつ該増幅器を電気空気
位置付け器４４に接続する導管５１を介して低い作動圧
力を受ける。増幅器４９は、導管５２を介して弁９を作
動させる。

【００３２】弁９を作動させるための流れ増幅器４９
は、例えば、フランスの会社 MAREGにより製造される６
１型のものである。

【００３３】かかる流れ増幅器の線図が図２に示されて
いる。

【００３４】この図に示される既知の流れ増幅器４９
は、２つのダイアフラムもしくは膜板６２、６３の配列
により２つの室６１Ａ及び６１Ｂに分けられた内部容積
を限定するボディ６０を含んでいる。２つの平行な膜板
６２及び６３は、これら両膜板間に、通路６５を介して
外側と連通する空間６４を限定する。２つの膜板６２及
び６３は、スペーサ６６によって一緒に機械的に連結さ
れるが、或る程度まで、他方に対して一方を変形し得
る。

【００３５】連結器６７は、室６１Ａが低圧導管５１に
接続されるのを可能として、流れ増幅器４９を電気空気
位置付け器４４に接続する。

【００３６】連結器６８及び６９は、高圧導管５０及び
導管５２にそれぞれ接続するために設けられている。連
結器６９は、通路７０を介して室６１Ｂと直接連通す
る。他方、連結器６８は、両端の一方に第１の弁７２が
設けられ、ばね７３により押圧されるニードル７１を介
して室６１Ｂと連通する。ニードル７１の他端には、室
６１Ｂと空間６４との間の連通を制御する第２の弁７４
が設けられる。

【００３７】作動しているどんな低圧も導管５１を通し
て与えられないとき、増幅器４９は図２に示される位置
にあり、すなわち、弁７２は、導管５０と室６１Ｂとの
間の連通を遮断し（従って、出口導管５２は導管５０か
ら孤立し）、そして弁７４は、室６１Ｂと空間６４との
間の連通を遮断している。

【００３８】作動している低圧指令が位置付け器４４を
介して導管５１において与えられるならば、膜板６２及
び６３は、ばね７３の作用に対抗してニードル７１を押
圧し、弁７２を開放し（弁７４は閉じたままである）、
そして室６１Ｂと通路７０を介して導管５０及び５２間
の連通を設定する。弁７２は、室６１Ｂ及び導管５２内
の圧力が、導管５１からの作動している低圧指令と平衡
するに充分になるまで開放している。導管５２内の圧力
信号は、導管５０から、すなわち高圧高流量源４７から
得られるので、それは急速である。従って、加速器（ア
クセラレータ）すなわち増幅器４９は、空気作動弁９を
開放するに際し、応答時間を早める。

【００３９】さて、上述した態様で、弁７２が開放して
いる間に導管５１内の低圧指令の圧力が減少したなら
ば、膜板６２及び６３は連結器６７の方向に移動し弁７
４を開放する。従って、室６１Ｂは空間６４及び通路６
５を介して排気され、これにより、導管５２内の圧力
は、導管５１内の入口圧力と再度平衡するまで減少され
る。

【００４０】従って、ここでもまた、増幅器４９は、急
速な排気によって、空気作動弁９を閉成する際の応答時
間を速める。

【００４１】増幅器４９により、概して１秒程度である
弁９の応答時間は、開放する際及び閉成する際の双方に
おいて、約２００ｍ秒まで縮められ得る。

【００４２】図１の装置は３つのモードで動作し得る：Ａ／第１のモードにおいては、オペレータもしくはプ
ロセス監視コンピュータは入力１５において所望の基準
電力を表示する。この場合、装置１９及び２０によりそ
れぞれ供給されるパラメータＵａ及びＩａから、そして
入力１５において表示されるこの基準電力から、制御手
段１４は、整流器４を制御するためのかつ弁９を作動さ
せるための電気指令を順次計算し、これら指令は、接続
線４１及び４２に現れる。接続線４２の電気指令は、位
置付け器４４により空気指令に変換され、流れ増幅器す
なわち加速器４９を介して弁９に与えられる。

【００４３】Ｂ／第２のモードにおいては、オペレー
タもしくはプロセス監視コンピュータは入力１６におい
て所望の熱基準パワーを表示する。制御手段１４は、次
に、パラメータＵａ及びＩａに加えるに、装置２１、２
２、２３、２４、２５及び２６によりそれぞれ限定され
るパラメータＱａ、Ｉａ、Ｐａ、Ｔｅ、Ｔｓ及びＱｅを
受ける。これらすべてのパラメータ及び表示された熱基
準パワーから、制御手段１４は、基準電力を決定し、そ
して整流器４を制御するためのかつ弁９を作動させるた
めの電気指令を順次定め、これら指令は、上述したよう
に与えられる。

【００４４】Ｃ／第３の動作モードにおいては、オペ
レータもしくはプロセス監視コンピュータは、入力１７
において、プラズマ・ジェットＪにより加熱される送風
Ｆに対する所望の基準温度を表示する。制御手段１４
は、Ｂ／において述べたパラメータに加えて、装置２
７、２８及び２９によりそれぞれ供給されるパラメータ
Ｔｖ、Ｐｖ及びＱｖを受ける。前記パラメータのすべて
から、かつ表示された基準温度から、制御手段１４は、
熱基準パワー、従って与えられるべき基準電力を決定
し、そして整流器４を制御するためのかつ弁９を作動さ
せるための電気指令を順次定め、これら指令は上述した
ように与えられる。

【００４５】教示の目的で、本発明による装置により制
御されるプラズマ・トーチのパラメータに対する値の例
を以下に与えておく： ◎ アーク電流：１００Ａ〜２５００Ａ ◎ アーク電圧：３００Ｖ〜５０００Ｖ ◎ 電力：５０ＫＷ〜１２.５Ｍ
Ｗ ◎ トーチの内部圧力：０.１バー〜７バ
ー ◎ プラズマ発生ガスの流量：４バーから１５バーの圧
力下で４０Ｎｍ³／ｈ〜２５００Ｎｍ³／ｈ

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ・トーチの制御装置を示
すブロック回路図である。

【図２】本発明において用いられる既知の空気流れ増幅
器を示す断面図である。

【符号の説明】

１トーチ２，３電極４整流器５電気幹線８回路９調整弁１４制御手段１９〜２９測定手段４４位置付け器４９空気流れ増幅器Ｆ送風Ｊプラズマ・ジェット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力プラズマ・トーチ（１）を制御する
ための装置であって、電気幹線（５）により供給されると共に、前記トーチの
電極（２，３）に直流電圧を供給する整流器（４）と、流量が調整弁（９）により制御されるプラズマ発生ガス
を前記トーチに供給する回路（８）と、アーク電流及びプラズマ発生ガスの流量を制御するため
に、前記整流器及び前記調整弁を制御するための制御手
段（１４）と、アーク電圧を連続的に測定するための第１の測定手段
（１９）と、アーク電流を連続的に測定するための第２の測定手段
（２０）とを備え、プラズマ発生ガスを調整するための前記調整弁（９）
は、空気作動型のものであり、空気流れ増幅器（４９）
と関連した電気空気位置付け器（４４）により作動さ
れ、そして前記制御手段（１４）は、一方では、前記第
１及び第２の測定手段（１９，２０）によりそれぞれ与
えられるアーク電圧及びアーク電流の測定値を受け、他
方では、それぞれ前記整流器（４）及び前記電気空気位
置付け器（４４）に、基準電力の関数として、プログラ
ムに従って計算されたアーク電流及びプラズマ発生ガス
流量の基準値を与える電力プラズマ・トーチの制御装
置。
【請求項２】前記基準電力は選択されて前記制御手段
（１４）に入れられる請求項１の電力プラズマ・トーチ
の制御装置。
【請求項３】前記トーチ（１）は冷却流体の循環によ
り冷却され、当該電力プラズマ・トーチの制御装置は、
前記冷却流体の流量、トーチ入口温度及びトーチ出口温
度を決定し、それら測定値を前記制御手段（１４）に供
給する追加の第３、第４及び第５の測定手段（２４、２
５、２６）を含み、前記制御手段は、熱基準パワーから
前記基準電力を定める請求項１の電力プラズマ・トーチ
の制御装置。
【請求項４】前記回路（８）におけるプラズマ発生ガ
スの流量、温度及び圧力を決定し、それら測定値を前記
制御手段（１４）に供給する追加の第６、第７及び第８
の測定手段（２１、２２、２３）を含み、前記制御手段
（１４）は、前記熱基準パワーから前記基準電力を定め
る際にそれら測定値を考慮する請求項３の電力プラズマ
・トーチの制御装置。
【請求項５】前記熱基準パワーは選択されて前記制御
手段（１４）に入れられる請求項３の電力プラズマ・ト
ーチの制御装置。
【請求項６】前記トーチは送風（Ｆ）を加熱するため
に用いられ、当該電力プラズマ・トーチの制御装置は、
前記送風の流量、温度及び圧力を決定して、それら測定
値を前記制御手段（１４）に供給する追加の第９、第１
０及び第１１の測定手段（２７、２８、２９）を含み、
前記制御手段は、前記トーチのプラズマにより加熱され
た前記送風に対する基準温度から前記熱基準パワーを定
める請求項３の電力プラズマ・トーチの制御装置。
【請求項７】前記基準温度は選択されて前記制御手段
（１４）に入れられる請求項６の電力プラズマ・トーチ
の制御装置。