KR100286502B1

KR100286502B1 - 아크전이회로

Info

Publication number: KR100286502B1
Application number: KR1019980008962A
Authority: KR
Inventors: 알렌 다니엘 조셉
Original assignee: 엘리오트 에이치. 제이; 더 링컨 일렉트릭 컴패니
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 2001-04-16
Also published as: ID20080A; KR19980080346A; TW366300B; MY116729A

Abstract

본 발명은 전류 조절용 입력이 있는 전원으로부터, 전극과 이 전극을 병치된 워크피스에 노출시키는 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐을 구비한 플라즈마 시스템에 D.C. 전류를 제공하는 회로에 관한 것이다. 이 회로는 상기 전극과 노즐을 가로질러 파일럿 아크를 생성하는 제1 분기와, 상기 전극과 워크피스를 가로질러 활성 플라즈마 아크를 생성하는 제2 분기와, 상기 제2 분기에서 이 분기의 워크피스 전류를 감지하는 전류 감지 수단과, 상기 감지된 워크피스 전류가 소정 전류를 초과했을 때 상기 파일럿 아크를 활성 플라즈마 아크로 전이시키기 위해 상기 제1 분기를 개방하는 스위치 수단과, 상기 아크의 전이까지 제1 분기의 전류를 조절하는 수단과, 감지된 워크피스 전류가 하위 임계값을 초과할 때 상기 전원으로부터 제1 분기에 제공된 파일럿 전류를 증가시키는 수단을 포함한다.

Description

아크 전이 회로{ARC TRANSFER CIRCUIT}

본 발명은 전극과 이 전극을 병치된 워크피스에 노출시키는 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐을 포함하는 유형의 플라즈마 아크 시스템에 관한 것으로서, 특히 이러한 플라즈마 시스템을 위한 아크 전이 회로(arc transfer circuit)에 관한 것이다.

본 발명에 따른 플라즈마 아크 시스템은 전극(electrode)과 이 전극을 병치된 워크피스에 노출시키기 위한 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐(nozzle)을 구비하며, 적당한 전원으로부터 제공되는 DC 전류에 의해 구동된다. 전원을 플라즈마 시스템에 연결하는 제1 분기는 전극과 노즐 사이에서 파일럿 아크(pilot arc)를 생성하는데 사용된다. 워크피스를 노즐에 더 가깝게 이동시키면, 전극과 워크피스 사이의 이온층을 통해 워크피스 전류가 흐르기 시작한다. 이때, 접속용 회로의 제1 분기는 개방, 즉 비접속되며, 전원으로부터 전극과 워크피스 사이에 DC 전류가 제공됨으로써, 파일럿 아크가 플라즈마 시스템에 의해 절단 또는 다른 금속 처리를 위한 활성 플라즈마 아크로 전이될 수 있다. 전원을 플라즈마 시스템에 접속시키는 다양한 회로가 타탐(Tatham)의 특허 제5,530,220에 개시되어 있고, 본 명세서에서 참조한다. 이 특허 명세서에 개시된 종래 기술은 파일럿 아크의 동작 모드 동안 워크피스와 노즐 사이에 높은 전압을 생성하기 위해 전원을 플라즈마 시스템에 접속하는 회로의 파일럿 아크 분기에 저항을 사용하고 있다. 파일럿 동작 모드로부터 활성 또는 절단 동작 모드로 변환될 때 아크가 전이될 수 있는 전이 거리, 즉 스탠드오프 거리(standoff distance)를 나타내는 워크피스와 노즐 사이의 정상 전압은 상기 저항의 크기에 의해 결정된다. 전류를 저장하고 스탠드오프 거리를 증가시키는데 사용되는 고전압을 생성하는 유도성 방전을 행하는 인덕터를 전극에 대한 리드에 사용하는 것과 같이, 스탠드오프 거리를 증가시키기 위해 이용 가능한 전압을 증가시키는 다양한 회로 배치가 제안되어 왔다. 이처럼 아크를 전이시키기 위해 전압을 증가시키는 생각은 본 발명에 대해 종래의 대표적인 기술로써 본 명세서에서 참조한 상기 특허에 개시되어 있다. 상기 특허에는 전류를 감지하여 제어하고, 플라즈마 시스템에서 파일럿 아크 동작 모드와 절단 동작 모드 사이를 변환시키는 다양한 회로 소자를 포함하는 접속용 회로가 개시되어 있다.

본 발명은 매우 다양한 플라즈마 시스템에 사용할 수 있고, 간략히 나타내기 위해 시스템과 관련하여 개시될 것인데, 여기서, 워크피스로부터 전극으로 제공되는 전압은 파일럿 아크 회로의 분기에 있는 저항에 의해 제어된다. 그러나, 본 발명은 더 넓게 응용이 가능하고, 모든 유형의 플라즈마 아크 시스템에 필수적으로 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이며, 이러한 유형에서 워크피스 전류가 감지되어 전원과 플라즈마 토치를 접속하는 회로는 파일럿 동작 모드와 절단 동작 모드 사이에서 변환된다. 이해되어야 할 것은, 파일럿 동작 모드로부터 절단 동작 모드로 변환될 때 이용되는 전압을 증가시킴으로써 증가되는 스탠드오프 거리는 응용 가능한 정격 내에서 이용할 수 있을 만큼 높아야 한다는 것이다. 그러나, 본 발명은 플라즈마 시스템의 다른 양태에 관한 것이다. 즉, 대부분의 플라즈마 시스템은 비교적 높은 파일럿 아크 전류를 유지함으로써, 아크 전이 공정에 이용되는 전압에 대해 가능한 가장 높은 스탠드오프 전이 거리가 만들어질 수 있다. 요컨대, 높은 파일럿 전류가 사용되는 것이 일반적이며, 이 높은 전류는 노즐의 수명을 실질적으로 감소시키게 된다. 만일 파일럿 전류가 감소되면, 스탠드오프 거리도 그에 따라 감소하는데, 이것은 플라즈마 시스템의 동작, 특히 자동 절단 설비와 같은 자동 동작에 명백한 문제점이 된다.

전형적인 가스 플라즈마 시스템은 전원과 상기 토치 사이에 대략 20∼30 암페어의 정격 전류로 유지되는 파일럿 아크 분기를 갖는 회로를 포함한다. 더 큰 전이 거리, 즉 스탠드오프 거리를 달성하기 위해, 전류와 파일럿 회로의 노즐에 대한 워크피스 전압을 증가시킬 수 있지만, 파일럿 아크 전류를 더 큰 스탠드오프 거리를 허용하는 레벨로 증가시키게 되면, 플라즈마 시스템을 구성한 소자들의 수명이 실질적으로 감소된다는 것이 공지되어 있다.

따라서, DC 전원을 플라즈마 시스템에 접속시키고, 플라즈마 아크 전류를 높게 함으로써 발생되는 문제점이 없이 스탠드오프 거리를 증가시킬 수 있는 회로가 필요하다. 본 발명은 DC 전류 전원을 플라즈마 시스템에 접속하여 상기 문제점들을 해결하는 회로에 관한 것이다.

플라즈마 시스템은 DC 전류로 구동되며, 이 전류는 인버터 또는 다른 적절한 DC 전원과 같은 맥동 전원(pulsating power supply)에 의해 제공될 수 있다. 전원을 플라즈마 시스템에 접속하는 회로 소자는 전극과 노즐을 가로질러 파일럿 아크를 생성하는 제1 분기와 전극과 워크피스를 가로질러 활성 플라즈마 아크를 생성하는 제2 분기를 포함하는 것이 일반적이다. 제2 분기의 전류 센서는 제2 분기의 현재의 워크피스 전류를 감지하고, 워크피스 전류가 미리 선택된 측정 전류를 초과할 때, 워크피스로의 전류에 응답하여 파일럿 아크 분기를 개방하는데 스위치 수단이 사용될 수 있다. 이러한 방법으로, 워크피스를 노즐에 더 가깝게 이동시키면, 회로의 제2 분기에서 전류가 흐르기 시작한다. 이러한 전류의 흐름은 파일럿 아크의 이온화된 가스로 인가되고, 워크피스와 플라즈마 시스템 사이가 근접했음을 나타낸다. 이러한 전류의 흐름에 의해 워크피스가 미리 선택된 스탠드오프 거리에 있음을 나타낼 때, 파일럿 아크 분기 또는 회로는 개방되고, 전원은 워크피스에 전류를 공급한다. 파일럿 아크는 절단이나 다른 열처리 공정을 위해 워크피스로 전달된다. 이러한 접속용 회로는 파일럿 아크 분기의 전류를 10 내지 30 암페어의 범위에서 미리 선택된 레벨로 조절한다. 접속용 회로의 파일럿 아크 분기가 개방될 때, 이러한 파일럿 아크 전류는 0으로 변환된다. 파일럿 아크 전류를 소정의 설정값으로 조절하기 위해, 표준 전류 조절 구조를 이용한다. 전원으로부터 파일럿 아크 회로 또는 분기로 제공된 실제 전류를 나타내는 신호는 소망의 파일럿 아크 전류(대략 10~50 amp)를 나타내는 제2 신호와 비교된다. 소망의 설정 파일럿 아크 전류와 실제 파일럿 아크 전류의 비교는 전원의 조절용 입력을 제어하여 실제 파일럿 아크 전류를 소망의 또는 설정된 파일럿 아크 전류로 조절하는데 사용된다. 이러한 표준 전류 조절 구성에 있어서, 검출된 워크피스 전류는 제2 워크피스 전류가 파일럿 아크를 정확하게 전이하기 위해 요구되는 워크피스 전류 이하의 낮은 레벨 임계 전류를 초과할 때, 트립 신호(trip signal)를 생성하는 수단이 포함된다. 본 발명은 소망의 또는 설정된 레벨 이상의 레벨로 소망의 파일럿 아크 전류를 나타내는 신호의 레벨을 증가시킴으로써 전원으로부터 파일럿 아크 분기로 제공된 실제 파일럿 아크 전류를 그에 대응하여 증가시키는 수단을 이용한다. 이러한 방법으로, 워크피스 전류가 약간이라도 있으면, 파일럿 아크 전류에 대한 소망의 값은 급격히 증가한다. 이러한 증가된 소망의 전류에 의해 워크피스에에서 파일럿 아크로부터 활성 플라즈마 아크로의 전이를 가속하는 워크피스에서의 전류 흐름도 그에 따라 증가하게 된다. 본 발명을 이용함으로써, 워크피스를 노즐쪽으로 근접해가고 있다는 것을 나타낼 때까지 낮은 레벨의 파일럿 아크 전류가 유지된다. 이 때, 설정된 파일럿 전류가 증가하고, 그에 대응하여 전원의 출력이 증가하여, 아크 전이를 가속시킴으로써 스탠드오프 거리를 실질적으로 증가시키는 것이 된다.

본 발명에 따라, 파일럿 전류의 설정 레벨은 레벨이 증가하는 타임 베이스 신호를 생성하고 미리 선택된 프로파일을 갖는 회로에 의해 증가됨으로써, 설정된 전류 신호가 미리 선택된 값만큼 증가하고, 그에 따라, 전원으로부터 접속용 회로의 파일럿 아크 분기에 제공된 실제 전류를 증가시키게 된다. 실제로, 바람직하게 선택된 프로파일은 램프(ramp)인데, 이 램프는 미리 선택된 낮은 레벨의 임계값, 즉 20∼80 ㎃ 에 도달하는 동작 전류를 검출함으로써 초기화된다. 이 구성에 있어서, 낮은 레벨의 임계 전류가 워크피스 전류에 도달하게 되면, 설정된 파일럿 전류를 나타내는 전류에 부가되는 출력 전압을 갖는 램프 생성기를 개시 또는 초기화하는 트립 신호가 발생한다. 이러한 방식으로, 워크피스 전류가 정상의 정격은 2∼3 암페어이지만 대략 150 ㎃를 반드시 초과하게 되는 미리 선택된 스탠드오프 거리에 도달하게 될 때까지 파일럿 전류는 증가(ramped rise)된다. 워크피스 전류가 아크 전이용의 설정값에 이르게 되면, 아크 전이가 달성되고, 램프 생성기는 다음의 파일럿 아크 동작 모드를 대기하도록 리셋된다

본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 파형 회로는 램프, 직선 램프, 계단 램프, 오목한 곡선, 볼록한 곡선, 시상수 곡선 또는 계단 기능과 같은 모든 선택된 프로파일을 가질 수 있다. 실제로, 낮은 레벨 임계 전류를 검출함으로써, 15 암페어의 설정된 값에서 25 암페어의 높은 값까지 소정의 파일럿 아크 전류를 즉각적으로 변환시킬 수 있다. 모든 이러한 상황에서, 파일럿 아크 전류는 워크피스가 가까워질 때까지 낮은 레벨로 유지된다. 따라서, 전원의 전류 조절에 사용되는 소망의 파일럿 아크 전류를 나타내는 신호는 증가되어, 워크피스에 전류를 대응하게 증가시키고, 낮은 레벨을 대신하여 높은 파일럿 전류 레벨로 스탠드오프 거리를 제어한다. 이러한 발명은 플라즈마 시스템의 수명을 연장시키고, 파일럿 아크 설정값에서 스탠드오프 거리를 증가시킨다.

아크가 전이되는 미리 선택된 워크피스 전류는 대략 150㎃ 이상이 되어야 한다. 따라서, 낮은 레벨의 임계 전류는 실질적으로는 100㎃ 이하가 된다. 실제로, 실행될 아크 전이를 나타내는 낮은 레벨의 임계 전류는 20 내지 80 ㎃의 범위가 된다. 만일 낮은 레벨 임계 전류가 도달되고, 파일럿 아크 분기의 소정 전류가 아크 전이에 요구되는 미리 조절된 전류를 검출하지 않고 감소되면, 본 발명은 파형 회로를 리셋시키고 전원의 전류 조절을 낮은 레벨로 설정된 파일럿 전류로 다시 변환시킨다. 파일럿 아크 전류가 본 발명에 의해 증가되기 전에 아크 전이가 될 수 있는 일부 예가 발견되었다. 다른 예에 있어서, 본 발명은 아크 전이를 하지 않고 설정값 이상으로 소망의 파일럿 아크 전류를 증가시킨다. 이러한 예에 있어서, 본 발명은 단지 실행될 새로운 아크 전이 표시를 기다리는 파형 회로를 재 설정한다.

DC 전류 전원을 플라즈마 시스템에 연결하는 회로 및 방법을 제공하는 것이 본 발명의 주된 목적이며, 이 회로와 시스템은 파일럿 아크 분기의 설정 전류와 관련하여 정상보다 증가된 전이 거리, 스탠드오프 거리를 가짐으로써, 성능을 향상시키고 플라즈마 시스템의 손상을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 다른 목적은 DC 전류 전원을 플라즈마 시스템에 연결하는 회로 및 방법에서 사용된 정상적인 설정 파일럿 전류보다 더 높은 파일럿 전류와 관련된 전이 거리를 갖는 회로 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 또다른 목적은 플라즈마 시스템의 파일럿 아크 동작 모드 동안 소비되는 에너지를 감소시키는 회로 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 종래의 시스템이 대체로 2 내지 3암페어 범위의 전이 전류를 요구하는 반면에, 대체로 160 내지 500㎃인 범위값에서 아크 전이를 효과적으로 실시할 수 있는 전술한 회로 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 이러한 이점은 첨부된 도면과 설명을 통해 명백해질 것이다.

도 1은 아크 전이가 2 내지 3 암페어로 달성되고, 파일럿 아크가 25 암페어로 설정된 플라즈마 시스템에 전원을 연결한 종래 기술에 대한 회로도.

도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 나타내는 회로도.

도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 특성을 나타내는 전류 그래프로서, 파일럿 아크의 소정 전류를 치수로 나타내고, 워크피스 전류를 상이한 치수로 동일 시간 축상에 나타낸 전류 그래프.

도 4는 도 1에 도시된 종래의 회로의 파일럿 아크 전류를 나타내는 전류 곡선과 본 발명을 사용하여 절약되는 에너지를 나타내는 차단된 영역을 갖는 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 전류 곡선.

도 5는 본 발명에 따른 이점을 나타내는데 사용되는 플라즈마 아크 시스템에 대한 전이 거리, 즉 스탠드오프 거리(standoff distance) 그래프를 나타내는 도면.

도 6a는 도 2에 도시된 파형 회로의 출력 신호에 대한 소정의 선택된 프로파일을 나타내는 전압 곡선을 나타내는 도면.

도 6b는 도 2에 도시된 파형 회로의 출력에 대한 또다른 선택된 프로파일을 나타내는 전압 곡선을 나타내는 도면.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: DC 전류 전원

12,14: 출력 단자

16: 입력 라인

20: 이동

30: 워크피스

40: 제1 분기

42: 저항

50: 제2 분기

60: 임계 회로

62: 출력 라인

100: 에러 증폭기

도 1은 전류 조절용 입력(16)과 출력 단자(12, 14)를 갖는 DC 전류 전원(10)을 플라즈마 시스템(20)에 접속하는 종래의 회로(A)를 도시하고 있다. 전원(10)은 표준 실시에 따라 펄스 폭 변조기(Pulse Width Modulator: PWM)에 의해 모니터된 전류 조절용 입력 라인(16)상의 전압으로 결정된 레벨로 DC 전류를 제공한다. 입력 라인(16)상의 전압에 의해, 표준 실시에 따라 전원(10)에 의해 공급된 전류가 제어된다. 전원(10)은 인버터 또는 SCR 제어식 3상 정류기와 같은 맥동 혹은 안정한 상태를 갖는 장치가 될 수 있다. 본 발명을 이해하기 위하여, 안정한 상태를 갖는 DC 전류는 단자(12, 14)로부터 제공되지만, 회로(A)와 본 발명의 바람직한 실시예는 맥동 DC 전원과 동등하게 잘 동작할 것이다. 플라즈마 시스템(20)은 전극(22)과, 토치(20)와 병치된 워크피스(30)에 전극을 노출시키는 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐(24)을 포함한다. 표준적인 실시에 따라, 전극(22)과 노즐(24) 사에에서 첫번째로 파일럿 아크 P가 생성된다. 미리 선택된, 즉 워크피스 전류에 의해 정상적으로 제어된 후, 파일럿 아크 P 가 전이되어 활성 플라즈마 아크 또는 전이된 아크 T 가 되며, 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 파일럿 아크를 생성하기 위해, IGBT 또는 다른 유사한 스위칭 소자와 같은 솔리스 스테이트 스위치(44)와 저항(42)을 포함하는 것으로 도시된 회로의 제1 분기(40)를 통해 파일럿 아크 전류 I_P가 흐른다. 워크피스(30)와 노즐(24) 사이에 전압을 생성하기 위해 저항(42)이 플라즈마 회로에 사용될 수도 있다. 저항(42)의 저항값과 파일럿 아크 전류 I_P에 의해 워크피스와 노즐 사이에서 이용 가능한 전압이 결정된다. 저항(42) 양단의 전압은 플라즈마 시스템(20)에 대한 스탠드오프 거리를 생성하는데 중요하다. 본 발명은 다양한 회로에 의해 제어될 수 있는 실제 전압에 입각하지 않기 때문에, 저항을 이용하는 것은 사실상 예에 관한 것이다. 본 발명을 나타내기 위해, 저항(42)의 저항값은 파일럿 아크 전류 I_P가 25 암페어일 때 대략 125 볼트의 전압을 제공하기 위해 5.0 옴이 되는 것으로 가정할 수 있다.

종래의 기술에 있어서, 파일럿 아크 P 에 의해 전극과 워크피스 사이의 갭이 이온화 될 때, 회로의 제2 분기(50)는 워크피스(30)로부터 전극(22)으로 전류를 보내는데 사용된다. 워크피스 전류 흐름 I_W를 측정하기 위하여, 전류 센서(52)가 제공된다. 이 전류 센서(52)의 출력은 라인(54)상의 전압이 되고, 이 전압은 워크피스 전류 I_W의 크기를 나타낸다. 출력 라인(54)상의 전압은 출력 라인(62)상의 전압을 갖는 임계 회로(60)에 의해 설정된 미리 선택된 전류를 정합하는 전압에 도달할 때, 논리값 1로 출력하는 논리적 토글 출력(58)을 갖는 비교기(56)의 하나의 출력에 제공된다. 라인(54)상의 전압이 라인(62)상의 전압을 초과하면, 논리적 토글 출력(58)은 논리값 1 이 되어, 파일럿 아크 회로(40)의 스위치(54)를 개방시키게 된다. 임계 전압(60)으로부터 제공되는 워크피스 전압은 대략 160 mA 이상이 되도록 결정되었었다. 종래의 플라즈마 시스템에 있어서, 이러한 임계 전류 레벨은 대체로 2∼3 암페어의 미리 정해진 전류가 된다. 따라서, 스위치(44)는 워크피스(30)를 노즐(24)에 아주 가깝게 이동시킬 때까지 정상적인 폐쇄 상태를 갖는다. 이러한 임계 회로(60)의 설정에 대해, 25 암페어의 파일럿 아크 전류는 대략 1/4 인치의 스탠드오프 거리, 즉 전이 거리를 제공한다. 이것은 도 5에 도시된 전이 거리 도표로서 일반적으로 표시되어 있다. 이러한 임계 회로(60)가 대략 2 암페어로 설정되면, 스탠드오프 거리는 1/3 인치로 증가된다. 스탠드오프를 위한 미리 설정된 전류 설정값을 2.0 암페어로 함에 따라, 15 암페어의 하위 파일럿 전류는 대략 1/4 인치의 스탠드오프를 계속해서 제공한다. 2.0 암페어의 설정시, 10 암페어의 파일럿 아크 전류는 도 1에 도시된 바람직한 실시예에 있어서 1/4 인치의 스탠드오프 거리에서는 결코 아크 전이가 발생하지 않을 것이다. 이들 스탠드오프 거리값은 도 1에 도시된 것과 같은 플라즈마 토치의 동작에 있어서의 공지된 파마리터들이다.

전원(10)은 에러 증폭기(100)에 의해 출력 전압 신호로 제어된 라인(102)상의 정격 출력 전류를 가지며, 이 신호에 의해 전원의 펄스폭 변조된 전류 조절용 입력(16)이 제어된다. 플라즈마 시스템의 표준 전류 정격에 따라, 실제 전류 I_R의 크기를 나타내는 라인(112)상의 전압을 갖는 분류기(shunt)에 의해 실제 전류가 감지되고, 이러한 전류는 에러 증폭기(100)에 대한 제1 입력 신호 또는 실제 전류 레벨 신호가 된다. 이러한 증폭기에 대한 제2 입력은 회로(A)에 대한 주어진 시간에 소망의 전류를 나타내는 값을 갖는 라인(120)상의 전압이다. 솔리드 스테이트 선택기 스위치(130)는 이동 가능한 접점(132)에 의해 설정된 포인트를 변경할 수 있는데, 이러한 접점은 스위치 라인(134)상의 논리값에 의해 토글된다. 스위치(130)는 단자(142)상에 전압을 생성하는 절단 아크 설정용 포인트 전압 소스(140)와 단자(152)상에 세트 포인트 전압을 생성하는 파일럿 아크 설정용 포인트 전압 소스(150) 사이에서 스위칭된다. 단자(142) 상의 전압은 50 암페어로 표시된 토치(20)의 바람직한 절단 전류를 나타낸다. 단자(152)의 전압은 회로의 제1 분기(40)의 소망의 파일럿 아크 전류 I_P를 나타내는 전압이고, 전원(10)으로부터 나오는 25 암페어의 소정 전류를 나타내는 전압으로서 도시되어 있다. 메인 유도자(160)는 도 1에 도시된 것과 같이 DC 전원(10)에 의해 플라즈마 시스템(20)을 구동시키는 회로(A)를 완성한다.

도 1에 도시된 소자들의 도면 부호는 도 2에 도시된 시스템(B)의 동일한 소자들에 사용되고, 시스템(B)은 본 발명에 따른 바람직한 실시예이다. 임계 회로(60')는 200 ㎃ 의 워크피스 전류를 나타내는 라인(62)의 출력 전압으로 설정되고, 파일럿 설정용 포인트(150')는 종래의 회로(A)에 사용된 25 암페어 대신에 15 암페어의 파일럿 아크 전류 I_P를 나타내는 단자(152) 상의 전압으로 조절된다. 이러한 중요하지 않은 예외와 더불어, 도 2에 도시된 것처럼, 회로(B)의 회로 소자들은 종래의 회로(A)에 도시된 것처럼 동일한 도면 부호를 갖는다. 본 발명에 따라, 종래 기술은 라인(202)상의 램프 전압 출력과 라인(204)상의 논리값에 의해 제어되는 인에이블 단자(E)를 갖는 표준 전압 램프 발생기의 형태인 파형 회로(200)를 포함함으로써 변경되거나 개선된다. 라인(204)상의 논리값이 '1'로 토글되면, 램프 생성기(200)는 라인(202)상에 램프 전압을 출력하도록 인에이블된다. 외부 리셋 단자(R)는 라인(206) 상의 논리값에 의해 제어되고, 이 논리값은 회로(40)가 라인(58) 상의 논리값에 의해 개방될 때 스위치 라인(134)이 선택기 스위치(130)를 토글하면 리셋 상태로 토글된다. 따라서, 램프 발생기(200)의 스테이지에 관계없이, 스위치(44)가 개방되고 선택기 스위치(130)가 세트 차단 전류 단자(142)로 스위칭되면, 램프 생성기(200)는 라인(202)상의 로우 레벨로 리셋될 것이다. 인에이블 라인(204)상의 논리값은 상기 설명되어진 것처럼 워크피스 전류 I_W를 나타내는 라인(54)상의 전압에 의해 제어된다. 라인(210)상의 전압은 하위 레벨 설정 포인트 회로(212)에 의해 상대적으로 하위 전류 레벨을 나타내는 전압으로 설정되고, 실제로 이 하위 전류 레벨은 100 ㎃ 이하이고, 20 내지 80 ㎃인 것이 바람직하다. 라인(54, 210)상의 전압은 비교기(214)의 입력이 되고, 라인(204)상의 논리값은 라인(54)상의 전압에 의해 표시된 워크피스 전류가 라인(210)상의 설정 전압을 초과할 경우에 변환한다. 이로써, 가산 명령(220)에 대해 제1 입력을 형성하는 출력 라인(202)에서의 램프 전압이 개시된다. 다른 입력은 가산 명령(220)에 선택기 스위치(130)의 전압을 보내는 라인(222)이다. 가산 명령의 출력은 라인(120)의 전압을 증가시키기 위하여 라인(222)상의 전압과 라인(202)상의 증가된 전압을 가산한 것이고, 이 라인은 전류 생성기나 에러 증폭기(100)의 제2 전압 신호가 된다.

동작시, 파일럿 아크 전류는 15 암페어인 파일럿 아크 설정용 포인트 전원(150')에 의해 제어된다. 따라서, 상대적으로 하위 파일럿 아크 전류 I_P는 회로의 제1 분기(40)로 흐른다. 워크피스(30)를 토치(20)로 더 가깝게 이동시키면, 전류 감지 장치(52)는 라인(54)상의 대응하는 전압을 적용하도록 전류를 감지한다. 이러한 전류를 나타내는 전압이 라인(210)상의 하위 레벨 임계 전압에 도달하게 되면, 비교기(214)는 라인(204)상의 논리값의 변환의 원인이 된다. 램프 발생기(200)는 인에이블되고, 램프 전압이 라인(202)상에 생성된다. 이러한 증가하는 전압은 가산 명령(220)에 의해 라인(222)에서 설정 포인트 전압에 부가된다. 이러한 증가된 전압은 제2 신호의 전압이 증가하거나 라인(120)상에 나타나는 소정 전류 신호를 증가시키는 원인이 된다. 따라서, 전류 조절부(100)는 회로(B)에 대헤 공급된 전류를 상승시키고, 이 증가된 전류에 의해 파일럿 아크 전류 I_P가 25 암페어로 증가된다. 파일럿 아크 전류의 이러한 증가는 워크피스 전류 I_W의 대응하는 상승이 급속하게 아크 전이를 파일럿 아크에서 활성 플라즈마 아크로 초기화하는 원인이 된다. 이러한 전이는 도 2에 도시된 것처럼 임계 전류 회로(60')에 설정된 200 ㎃의 임계 레벨로 성취된다. 도 2에 도시된 바람직한 실시예의 동작 특징은 도 3에 도시된 전류 그래프를 이용하여 설명하고, 여기서 파일럿 전류 I_P는 15 암페어로 설정되며, 작업 전류 I_W보다 더 크게 설정된다. 램프 발생기(200)는 40 ㎃로 초기화된다. I_W곡선과 라인(210)의 임계의 교차점은 포인트 300이 된다. 이 상호 교차점이 발생할 때, 파일럿 전류는 라인(54)의 작업 전류 I_W신호가 라인(62)의 전압에 도달할 때까지 라인(302)을 따라 램핑된다. 이러한 전압은 수직선(310)상에 표시되는 포인트 306에서 발생되는 200 ㎃를 나타내는 임계값으로 설정된다. 비교기(56)는 전류가 라인(312)을 따라 감소하여 전류값이 0 이 되는 파일럿 전류를 정지시키도록 스위치(44)를 개방한다. 이러한 것이 발생되면, 라인(206)상의 논리 회로는 라인(202)에서 증가하는 전압을 중지시키기 위하여 램프 생성기(200)를 리셋한다. 작업 전류는 라인(314)을 따라 선택 스위치(130)의 단자(142)상에 전압에 의해 표시되는 50 암페어로 계속된다. 이러한 전압은 전원(10)의 출력 전류를 제어하기 위해 라인(120)상에 제2 신호로서 인가된다. 실제로, 램프 생성기(200)는 15 ms에 25 암페어를 나타내는 전압 레벨까지 램핑하도록 설정되고, 파선(320)으로 도시된다. 만일 라인(58)과 라인(206)상의 논리값이 변하지 않는다면, 램프 생성기는 포인트(330)에서 리셋하고 아크 전이의 다음 조건을 기다린다.

도 4에 도시된 것처럼, 본 발명은 플라즈마 시스템이나 토치(20)를 동작시키는데 필요한 에너지를 감소시킨다. 종래 기술에서 증가된 에너지는 25암페어 수평 라인과 파일럿 아크 전류의 수직 라인에 의해 한정된 직사각형 영역(340)이고, 이러한 전류는 절단 모드 동안 0으로 변환된다. 음영 영역(342)은 본 발명에 따른 절약된 에너지를 나타내고, 전류가 25 암페어로 램핑될 때 포인트 300까지 파일럿 아크 전류는 15암페어로 유지된다. 시간 0과, 파일럿 아크의 개시부 및 포인트 306 에서의 전이 사이에서 절약되는 계속되는 에너지가 존재한다. 도 5는 대표값을 이용하는 표준 전이 거리 도표를 나타낸다. 이러한 그래프에서, 라인(350)은 25암페어에서 생성된 파일럿 아크에 대한 전이 거리를 나타내는 라인이다. 라인(352)은 15암페어에서의 동작에 대한 라인이고, 라인(354)은 10 암페어에서의 동작에 대한 라인을 나타낸다. 도시된 바와 같이 파일럿 전류가 높아지면 높아질수록, 도 1에 도시된 회로(60)와 도 2에 도시된 회로(60')의 주어진 임계 설정에 대한 전이 거리는 더 커진다. 만일 회로(60')가 500 ㎃로 설정되었을 때, 포인트 350a, 352a 및 354a는 스탠드오프 거리를 나타낸다. 라인(54)의 워크피스 전류가 라인(210)의 설정된 하위 레벨을 초과하고 난 후 램프 생성기(200)가 라인(120)상의 전압을 증가시킬 때, 마치 파일럿 전류가 증가하는 것처럼, 스탠드오프 거리는 포인트 352a에서 포인트 350a로 변환한다.

상기 기술된 것처럼, 파형 회로(200)는 여러 가지 상이한 파형에 관계하여 플라즈마 아크 전류를 증가시키는 여러 가지 선택된 프로파일을 제공할 수 있다. 이러한 형태는 도 6a 및 도 6b에 개략적으로 도시된다. 바람직한 실시예에 있어서, 파형 회로는 도 6a에 도시된 전압 램프(360)를 생성하는 램프 생성기이다. 바람직한 실시예에 있어서, 이러한 램프는 15ms 로 리셋된다. 물론, 이러한 리셋은 도 6a에 파선으로 도시된 좀더 긴 램프(362)를 제공하기 위하여, 부가적인 시간 x를 부가하도록 조절될 수 있다. 도 6b에 따라, 이러한 전압 곡선은 다양한 파형이 본 발명을 실시하는데 사용되는 것을 나타내는데 이용한다. 실선(400)은 볼록한 곡선이다. 파선(402)은 오목한 곡선이다. 부가적으로, 즉각적인 전압 상승은 곡선(404)에 도시된 것처럼 획득될 수 있고, 일련의 단계를 곡선(406)에 도시하는데 사용할 수 있다. 다른 파형은 라인(210)상의 임계값이 라인(54)상의 전압에 의해 초과될 때, 파일럿 아크 분기(40)에 대한 소정의 전류를 증가시키는데 사용될 수 있다.

본 발명은 파일럿 아크 전류를 감소시켜 노즐의 수명을 연장시키고, 워크피스의 전극으로의 전압을 파일럿 아크 분기의 저항으로 제어하며, 매우 다양한 플라즈마 시스템에 적용하고 용이하게 시스템과 접속시킬 수 있다.

Claims

전극(22)과 이 전극을 병치된 워크피스(30)에 대해 노출시기는 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐(24)을 갖는 플라즈마 시스템(20)에 대해 전류 조절용 입력(16)을 갖는 전원(10)으로부터 DC 전류를 제공하고, 상기 전극과 노즐을 가로질러 파일럿 아크(P)를 생성하는 제1 분기(40)와, 상기 전극과 워크피스를 가로질러 활성 플라즈마 아크(T)를 생성하는 제2 분기(50)와, 상기 제2 분기에서 상기 제2 분기의 워크피스 전류를 감지하는 전류 센서 수단(52)과, 상기 감지된 워크피스 전류(Iw)가 소정의 전류(60, 62)를 초과할 때 상기 제1 분기를 개방시킴으로써 상기 파일럿 아크를 상기 활성 플라즈마 아크로 전이하는 스위치 수단(56, 58, 44)과, 상기 아크가 전이될 때까지 상기 제1 분기의 전류를 조절하는 수단을 구비하는데,

상기 전류 조절 수단은 상기 전원에서 제1 분기에 제공된 실제 전류(I_R)를 나타내는 레벨을 갖는 제1 신호(112)를 생성하는 감지 수단(110)과, 상기 제1 분기의 소망의 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제2 신호(120)를 제공하는 수단과, 상기 전원의 전류 조절용 입력(16)에 입력 신호를 제공하여 상기 실제 전류를 상기 소망의 전류로 조절하기 위해 상기 제1 신호와 제2 신호를 비교하는 회로(A)에 있어서,

상기 감지된 워크피스 전류가 상기 미리 선택된 전류(212)보다 실질적으로 작은 하위 레벨 임계 전류(210)를 초과할 때 트립 신호(204)를 생성하는 수단과;

상기 트립 신호에 응답하여 선택된 프로파일의 증가하는 레벨을 갖는 타임 베이스 신호(202)를 생성하는 파형 회로(200)와;

상기 타임 베이스 신호를 상기 제2 신호에 부가함으로써, 상기 선택된 프로파일에 의해 상기 제2 신호의 레벨을 증가시키고, 이에 대응하여 상기 전원으로부터 상기 제1 분기에 제공된 실제 전류를 증가시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 램프(360, 400)인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제2항에 있어서, 상기 램프는 직선 램프(360)인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제2항에 있어서, 상기 램프는 여러 개의 계단(406)을 포함한 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 오목한 곡선(402)인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 볼록한 곡선(400)인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 시상수 곡선(400, 402)인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 계단 함수(404, 406)인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 소정의 전류는 150㎃ 내지 3A의 범위인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 소정의 전류는 150 ㎃ 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 하위 레벨 임계 전류는 실질적으로 100 ㎃ 이하인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 하위 레벨 임계 전류는 20 내지 80 ㎃의 범위인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 아크 전이에 응답하여 상기 파형 회로(200, 206)를 리셋하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제13항에 있어서, 미리 선택된 시간 구간 동안 아크 전이가 존재하는 상기 트립 신호에 후속하는 상기 시간 구간이 지난 후에, 상기 파형 회로(200) 내에서 이 파형 회로(200)를 리셋하는 수단(330)을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
전극과, 이 전극을 병치된 워크피스에 노출시기는 플라즈마 아크 개구를 갖는 노즐을 구비하는 플라즈마 시스템에 전류 조절 입력을 갖는 전원으로부터 DC 전류를 제공하는 방법으로서, 상기 전극과 노즐을 가로질러 파일럿 아크를 생성하는 제1 회로 분기와, 상기 전극과 워크피스를 가로질러 활성 플라즈마 아크를 생성하는 제2 회로 분기를 갖는 DC 전류 제공 회로에 의해 DC 전류를 제공하는 방법에 있어서,

(a) 상기 제2 회로 분기에서 워크피스 전류를 감지하는 단계와;

(b) 상기 감지된 워크피스 전류가 소정의 전류를 초과할 때 상기 파일럿 아크를 상기 활성 플라즈마 아크로 전이하기 위해 상기 제1 회로 분기를 개방하는 단계와;

(c) 상기 아크 전이까지 상기 제1 회로 분기에서 상기 전류를 조절하는 단계를 포함하고,

(d) 상기 전류 조절 단계는,

(e) 상기 전원으로부터 제1 회로 분기에 전이된 실제 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제1 신호를 생성하는 단계와,

(f) 상기 제1 회로 분기에서 소망의 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제2 신호를 제공하는 단계와,

(g) 상기 전원의 상기 전류 조절 입력에 입력 신호를 제공하여 상기 제1 회로 분기 내의 실제 전류를 상기 소망의 전류로 조절하기 위해 상기 제1 신호와 제2 신호를 비교하는 단계와,

(h) 상기 감지된 워크피스 전류가 상기 소정의 전류보다 작은 하위 레벨 임계 전류를 초과할 때 트립 신호를 생성하는 단계와,

(i) 상기 트립 신호에 응답하여 선택된 프로파일의 레벨이 증가하는 타임 베이스 신호를 생성하는 단계와,

(j) 상기 타임 베이스 신호를 상기 제2 신호에 부가함으로써, 상기 선택된 프로파일에 의해 상기 제2 신호의 레벨을 증가시키고, 이에 대응하여 상기 전원으로부터 상기 제1 회로 분기에 제공된 실제 전류를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 소정의 전류는 150 ㎃ 내지 3 A의 범위인 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 소정의 전류는 150 ㎃ 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 하위 레벨 임계 전류는 실질적으로 100 ㎃ 이하인 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 하위 레벨 임계 전류는 20 내지 80 ㎃의 범위인 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 아크 전이에 응답하여 상기 파형 회로를 리셋하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제20항에 있어서, 미리 선택된 시간 구간 동안 아크 전이가 존재하지 않는 상기 트립 시간에 후속하여 상기 시간 구간 후에 상기 파형 회로를 리셋하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 미리 선택된 시간 간격 동안 아크 전이가 없는 상기 트립 신호에 후속하여 상기 시간 구간 후에 상기 파형 회로를 리셋하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
전극(22)과 이 전극을 병치된 워크피스(30)에 대해 노출시기는 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐(24)을 갖는 플라즈마 시스템(20)에 대해 전류 조절용 입력(16)을 갖는 전원(10)으로부터 DC 전류를 제공하고, 상기 전극과 노즐을 가로질러 파일럿 아크(P)를 생성하는 제1 분기(40)와, 상기 전극과 워크피스를 가로질러 활성 플라즈마 아크(T)를 생성하는 제2 분기(50)와, 상기 제2 분기에서 상기 제2 분기의 워크피스 전류를 감지하는 전류 센서 수단(52)과, 상기 감지된 워크피스 전류(Iw)가 소정의 전류(60, 62)를 초과할 때 상기 제1 분기를 개방시킴으로써 상기 파일럿 아크를 상기 활성 플라즈마 아크로 전이하는 스위치 수단(56, 58, 44)과, 상기 아크가 전이될 때까지 상기 제1 분기의 전류를 조절하는 수단을 구비하는데,

상기 전류 조절 수단은 상기 전원에서 제1 분기에 제공된 실제 전류(I_R)를 나타내는 레벨을 갖는 제1 신호(112)를 생성하는 감지 수단(110)과, 상기 제1 분기의 소망의 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제2 신호(120)를 제공하는 수단과, 상기 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 입력 신호를 상기 전원의 전류 조절용 입력(16)에 제공하고, 상기 실제 전류를 상기 소정 전류로 조정하는 회로(A)에 있어서,

상기 제2 신호는 설정 레벨을 가지며;

상기 감지된 워크피스 전류가 상기 소정의 전류보다 작은 하위 레벨 임계 전류를 초과할 때 전이 신호를 생성하는 수단과;

상기 전원으로부터 상기 제1 분기로 제공된 상기 실제 전류를 증가시키기 위해 상기 설정 레벨 이상으로 상기 제2 신호의 레벨을 증가시키는 회로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제23항에 있어서, 상기 소정의 전류는 150 ㎃ 내지 3A의 범위인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제23항에 있어서, 상기 하위 레벨 임계 전류는 100 ㎃ 이하인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제23항에 있어서, 상기 아크 전이에 응답하여 상기 증가된 레벨로부터 상기 제2 설정 레벨로 제2 신호를 변환시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제23항에 있어서, 소정의 시간 구간 동안 아크 전이가 있는 전이 신호에 후속하여 상기 시간 구간 후에 상기 증가된 레벨로부터 설정된 레벨까지 상기 제2 신호를 변환시키는 회로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.