KR100296056B1 - 플라즈마 장치 및 그 동작방법 - Google Patents

플라즈마 장치 및 그 동작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 장치는 전극과, 이 전극을 공작물에 노출시키는 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐을 포함하고, 1차 권선 네트워크와 이 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크가 마련된 입력 트랜스(transformer)와, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 노즐에 걸쳐 파일럿 아크를 발생시키는 제1 회로 수단과, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 공작물에 걸쳐 플라즈마 아크를 발생시키는 제2 회로 수단과, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 사이에서 선택적으로 시프트되는 전환 수단이 마련된 플라즈마 장치로서, 상기 2차 권선 네트워크에는 상기 제1 회로 수단을 구동시키기 위한 제1 유효 권취수의 제1 권선 수단과, 상기 제2 회로 수단을 구동시키기 위한 제2 유효 권취수의 제2 권선 수단이 포함되며, 상기 제1 유효 권취수와 제2 유효 권취수는 상이할 수 있다.

Description

플라즈마 장치 및 그 작동 방법{PLASMA SYSTEM AND METHOD OF OPERATING SAME}
본 발명은 전기 아크 플라즈마 기술에 관한 것으로서, 특히 이송 아크 플라즈마 장치(transferred arc plasma system)의 파일럿 아크 동작 모드 및 절단 동작 모드를 최적화하는 개선된 플라즈마 장치 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 첫째로 전원이 플라즈마 토치의 노즐과 전극 사이에 파일럿 아크를 발생시키고, 다음에 상기 노즐의 플라즈마 아크 개구 부근으로 이동되는 공작물에 상기 아크를 이송시키는 전기 아크 플라즈마 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 쿠치(Couch)의 미국 특허 제3,641,308호, 특히 도 4에 개시되어 있다. 전원은 플라즈마 토치의 전극과, 인접 공작물에 걸쳐 직류 전압을 인가한다. 공작물이 플라즈마 토치에 가까워질 때까지 전원은 전극과 노즐 사이에 아크를 발생시킨다. 파일럿 아크로서 알려진 상기 아크는 큰 저항기와 닫혀 있는 이송 스위치를 통해 흐르는 전류에 의해 유지된다. 공작물을 절단할 목적으로, 근접하게 이격된 공작물에 상기 아크를 이송시키면, 상기 저항기는 노즐과 접속이 해제되어 그 저항기는 공작물 및 노즐과 더 이상 병렬 상태로 있지 않게 된다. 이러한 일이 일어나면,상기 전기 아크는 공작물이 플라즈마 토치의 플라즈마 출력부에 인접하고 있는 한, 공작물 쪽으로 이송된다. 이 표준 플라즈마 기술은 본 명세서에 참고로 포함시킨 쿠치의 미국 특허 제3,641,308호와 타탐(Tatham)의 미국 특허 제5,530,220호의 도 2에 도시되어 있다.
플라즈마 장치에서 전극과 공작물에 전압을 거는 전원은 직류 전원이지만, 실제로 직류 전원은 이 전원이 트랜스의 1차 네트워크 또는 1차 권선을 통해 반대 방향으로 신속히 전환되는 풀 브릿지 인버터의 정류 출력(rectifying output)이다. 트랜스의 2차 네트워크는, 쵸크(choke)에 의해 안정화되는 맥동 직류 출력을 생성하도록 정류되는 2개의 대향하여 권취된 2차 권선이다. 이러한 직류 출력 생성용 풀 브릿지 인버터는 직류 출력을 생성하는 풀 브릿지 인버터를 설명하기 위해 본 명세서에 참고로 포함시킨 빌조(Bilczo)의 미국 특허 제4,897,522호에 개시되어 있다. 전류 흐름은 쵸크에 의해 접속된 정류 회로를 통해 소정 극성의 출력 펄스를 생성하도록 전환되어 직류 장치를 작동시킨다. 본 발명에 있어서, 직류 장치는 플라즈마 장치이다. 빌조의 특허에 개시된 바와 같이, 전환된 1차 펄스는 반대 방향으로 2차 펄스를 발생시키고, 그 펄스 폭은 출력 전류를 제어하기 위해 조정된다. 조정 회로는 통상적으로 약 20 kHz 내지 약 40 kHz에서 동작하는 펄스폭 변조기(pulse width modulator)이다. 다른 풀 브릿지 인버터가 본 명세서에 참고로 포함시킨 빌조의 미국 특허 제4,897,773호에 도시되어 있는데, 상기 특허에는 정류된 풀 브릿지 인버터용 출력 네트워크가 정류된 출력 펄스 사이에 프리휠링(freewheeling) 전류를 포함하고, 상기 펄스가 트랜스의 1차 섹션의 신속히 전환된 전류 펄스에 의해 생성되는 것이 설명되어 있다.
본 명세서에 참고로 포함시킨 상기 3개의 특허는 직류 용접에 이용되는 플라즈마 아크 토치 및 임의의 풀 브릿지 정류 인버터에 관한 기술의 현상황을 나타내고, 이들 인버터는 본 발명이 특히 관계되는 전원이다.
풀 브릿지 또는 하프 브릿지 인버터에 의해 동작되든지 또는 다른 직류 전원에 의해 동작되든지, 이송 아크형 전기 아크 플라즈마 장치에는 전극과, 단부에 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐이 포함되어 있다. 상기 개구는 상기 플라즈마 토치의 단부 부근에 있는 공작물에 상기 전극을 노출시킨다. 공작물이 토치로부터의 플라즈마 아크에 의해 절단되거나 그 이외의 가공 처리되기 전에, 파일럿 아크가 전극의 단부와 노즐의 내면 사이에 생성되는 개시 순서(starting sequence)가 채용된다. 이 파일럿 아크를 생성하기 위해서는, 전원과의 전기 직렬 회로를 만들 필요가 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 전원의 공작물 도선과 노즐 사이에 큰 저항기를 접속한다. 플라즈마 토치의 개시 중에, 상기 큰 저항기가 포함된 상기 직렬 회로에 전압이 인가된다. 파일럿 아크가 플라즈마 토치 내에 생성되자마자 전류가 상기 저항기를 통해 흐른다. 별도의 저항기는 노즐과 공작물 사이의 간극에 병렬인 회로이다. 파일럿 아크 동작 모드 중에, 상기 저항기를 통해 흐르는 전류는 공작물과 노즐 사이에 전압을 생성한다. 이 전압이 충분히 크고 상기 공작물이 토치에 충분히 가까우면, 절단 동작이 개시된다. 선택적으로 시프트된 스위치가 공작물과 노즐 사이에서의 병렬 관계로부터 저항기와의 접속이 해제됨으로써, 파일럿 아크는 노즐로부터 공작물로 이송되어 공작물과 전극 그리고 직류 전원의출력 단자와의 직렬 회로를 생성한다. 이러한 장치는 통상, 저항기에 걸쳐 약 60 V의 전압을 필요로 하며, 절단 동작을 개시하여야 할 때, 파일럿 아크를 공작물 쪽으로 이송하기 위해서는 공작물이 노즐에 인접해 있어야 한다. 큰 저항기를 사용하면 곤란함 점이 수반된다. 저항으로 인해 장치에 열 손실이 초래된다. 전압은 전류 ×저항이다. 열 손실은 저항 ×전류2값이다. 저항기의 치수는 공작물과 전극 사이에 이용할 수 있는 전압을 결정하기 때문에, 상기 아크의 이송 동작은 항상 확고한 것은 아니다. 실제로 몇 가지 경우에 있어서, 상기 아크는 상기 스위치가 개방될 때, 파일럿 모드에서 절단 모드로 옮겨지지 않는다. 대신에, 공작물과 노즐 사이 및 노즐과 전극 사이에 이중 아크(double arc)가 생성된다. 이 이중 아크 상태는 구리 노즐에 손상을 준다. 저항기에 걸쳐 약 60 V의 전압만이 생성되므로, 이송을 가능하게 하면서 공작물이 상기 토치로부터 이격될 수 있는 스탠드오프(standoff) 거리는 다소 제한된다. 파일럿 모드로부터 절단 모드로의 신뢰할 수 있는 아크 이송에는 상기 아크가 이송되기 전에 공작물과 전극 사이에 약 150 mA의 전류가 필요하다는 것이 밝혀졌다. 저항기의 전압이 상기 크기의 전류를 생성하기에 충분하지 않다면, 상기 아크는 아크 이송 처리가 행해지는 중에 소멸될 수 있다. 따라서, 아크 이송에는 최소한의 전류가 요구되어, 병렬의 저항기를 접속 단절시키도록 스위치가 개방될 때, 확실한 아크 이송을 할 수 있는 충분한 전류가 존재한다. 이것은 본 발명이 관계하는 종래 기술의 문제점이다. 상기 플라즈마 장치에 병렬인 저항기를 통과하는 약 60 V의 전압을 발생시키기 위해서는, 실질적인 양의 열이 생성된다. 저항기에 걸친 전압은 아크 이송에 이용할 수있는 스탠드오프 거리를 결정한다. 이것은 절단할 공작물이 노즐의 단부에 부주의하게 접촉하기에 충분히 가깝게 있으면 안되기 때문에 중요하다. 노즐과의 이러한 해로운 접촉이 발생할 가능성은 상기 이송 스탠드오프 거리를 증가시킴으로써 줄일 수 있다. 증가된 스탠드오프 거리는 상기한 단점이 있는 저항기에 걸친 전압을 증가시킴으로써 달성된다.
파일럿 아크에 걸친 전압은 약 150 V 내지 160 V인 것이 보통이고, 50 V 내지 70 V의 전압은 쵸크 또는 인덕터에 걸친 통상의 전압 강하이므로, 전원은 아크 이송을 일으키는 양에 의해, 파일럿 아크 및 쵸크 전압의 합보다 큰 전압을 발생시켜야 한다. 저항기에 걸친 전압이 100 V로 증가되면, 약 300 V 내지 350 V 전압의 전원 출력이 요구된다. 이러한 수준의 전압 및 전류로 인해, 저항기 및 트랜스 출력 권선의 용량은 극히 커야 한다. 또한, 저항기에 걸친 전압이 60 V인 통상의 플라즈마 장치는 비교적 작은 거리, 즉 스탠드오프 거리에서 파일럿 아크를 이송할 수 있기 때문에, 작동자는 토치를 공작물에 매우 근접시키려 하게 되고, 따라서 플라즈마 토치의 단부와의 맞물림 또는 접촉이 일어날 수 있다.
요약하자면, 공작물 및 전극과 병렬인 큰 저항기를 사용하면, 아크 이송 거리가 제한되고 열손실이 발생한다.
이송 아크형 전기 아크 플라즈마를 조작하는 종래 장치의 다른 문제점은 직류 전원이 통상, 1차 교류가 고속의 전환 장치에 의해 생성되는 인버터라는 점이다. 전류 펄스는, 직류 전원을 생성하기 위해 적당한 정류기와 2차 권선이 마련된트랜스의 1차 권선에서 이용된다. 플라즈마 기술에서 흔히 이용되는 이러한 유형의 전원에는 상기 트랜스에 관계되는 2차 권선 네트워크가 있으며, 이 네트워크에는 단일 권선이 있다. 상기 트랜스는 파일럿 동작 모드와 절단 모드 중에 사용되는 단일 전압/전류 곡선을 발생시킨다. 따라서, 트랜스의 2차 권선 네트워크는 몇 개의 권선 혹은 단일 권선이든지 간에 절충물이어야 한다. 이것은 권취수가 고정된 단 하나의 와이어 치수만을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 2차 권선은 동일한 권선이 절단 동작 모드에서 사용되어야 하기 때문에 파일럿 동작 모드에 대해 최적화될 수 없다. 또한, 파일럿 동작 모드 및 절단 동작 모드 중에 전압과 전류를 제어하는 회로는 고전류 및 저전압뿐만 아니라 저전류 및 고전압의 플라즈마 아크를 수용할 수 있도록 조정 범위가 커야 한다. 파일럿 동작 모드에서, 전류의 범위는 약 15 A 내지 약 25 A이며, 트랜스 전압의 범위는 통상 300 V 내지 350 V이다. 절단 동작에서는 이송된 아크에 의해, 전류는 약 50 A로 증가되고 트랜스 전압은 약 250 V로 감소된다. 그 결과, 현재 보통 실제로 행해지는, 플라즈마 장치를 구동하는 교류 동작형 인버터 트랜스의 출력은 고전압과 저전류에 의한 파일럿 동작 모드와 고전류 및 저전압에 의한 이송 아크 동작 모드 사이에서 절충되어야 한다. 이러한 출력의 2중 사용은 뚜렷한 단점이 있고 상기 두 동작 모드를 제어함에 있어 복잡성을 증대시킨다. 따라서, 인버터의 출력에 실질적으로 서로 다른 2개의 뚜렷한 전압/전류 동작 영역을 필요로 하는 단일 권선 트랜스 기술을 이용하는 종래 장치는 파일럿 아크 동작 및 이송 아크 동작에 적합하지 않다. 또한, 이러한 종래 장치는 큰 병렬 저항기 때문에 스탠드오프 거리 또는 이송 거리가 비교적 작고 열손실이 비교적 크다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 두 가지의 전원을 사용하는 것이 제안되었다. 이러한 개념은 고가이고 복잡하며 크기 및 중량이 증대된다.
도 1은 본 발명이 관련되는 종래 기술에 대한 개략적인 배선도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 개략적인 배선도이다.
도 3a는 파일럿 아크 동작 모드와 절단 아크 동작 모드에 대해 요구되는 동작 영역을 나타내는 전압 전류 그래프이다.
도 3b는 도 1에 도시한 종래 기술에 사용된 단일 전압/전류 특성 곡선을 갖는 도 3a에 도시된 것과 같은 그래프이다.
도 3c는 도 2에 도시한 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 생기는 두 별개의 전압/전류 특성 곡선을 나타내는 도 3b와 유사한 그래프이다.
도 4a는 단일의 전압/전류 동작 곡선을 갖는 본 발명의 종래 기술에서 두 동작 모드 사이에서의 이송 제어를 나타내는 도 3b와 유사한 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예의 제어 시프트 특성을 나타내는 도 4a와 유사한 그래프이다.
도 4c는 도 4a에 도시한 종래 기술의 제어 이송과 도 4b에 도시한 본 발명의 바람직한 실시예의 제어 이송 사이의 기능적 차이를 나타내는 개략적인 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예의 전류 감지 특성과 파일럿 아크와 절단 아크 사이의 시프트에 사용되는 전류 분류기의 제2 구조를 나타내는 개략적인 배선도이다.
도 6은 도 5에 도시힌 본 발명의 실시예의 스탠드오프 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 개략적으로 나타낸 권선이 있는 본 발명의 실시예에 사용되는 인버터 트랜스를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 팽창된 금속 시트 형태의 일련의 금속 요소를 절단하는 데에 본 발명을 이용하는 것을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 9는 실제로 종종 사용되는 2개의 반대 방향으로 극성화된 권선을 포함하도록 도시된 2차 권선 네트워크가 마련된 바람직한 실시예를 나타내는 도 5와 유사한 개략적인 배선도이다.
도 10a와 도 10b는 도 9에 도시한 본 발명의 바람직한 실시예의 동작 특성을 간단히 나타낸 개략적인 배선도이다.
도 11은 도 10a와 도 10b에 도시한 본 발명의 실시예의 동작을 나타내는 펄스도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예의 다른 변형예를 나타내는 도면이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
20 : 노즐
30 : 공작물
100 : 제1 회로 수단
102 : 제1 회로 수단의 2차 권선
200 : 제2 회로 수단
202 : 제2 회로 수단의 2차 권선
본 발명은 이송 거리, 즉 스탠드오프 거리를 증가시키고, 파일럿 모드에서 절단 모드로 아크를 신속히 이송할 수 있으며, 종래 장치의 비효율적인 병렬 저항기를 필요로 하지 않는 전기 아크 플라즈마 장치를 작동시키는 장치에 관한 것이다. 또한, 2차 권선 네트워크 때문에 보다 낮은 1차 전류를 얻을 수 있다. 본 발명을 이용하여, 요구되는 동일한 출력 전류에 대해 보다 낮은 1차 전류를 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극과, 이 전극을 근접하게 이격되어 있는 공작물에 노출시키는 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐을 포함하는 플라즈마 장치가 제공되며, 상기 공작물은 절단되거나 그렇지 않으면 다른 가공 처리된다. 이 신규의 장치는 입력 스테이지로서 전환된 직류 전원이 마련된 풀 브릿지 인버터의 출력에 사용되는 형태의 출력 트랜스를 이용한다. 이러한 트랜스에는 1차 권선 네트워크와, 이 네트워크를 통해 반대 극성의 전류 펄스를 통과시킴으로써 구동되는 2차 권선 네트워크가 포함된다. 2차 권선 네트워크에 의해 구동되는 제1 회로 수단은 전극과 노즐에 걸쳐 파일럿 아크를 발생시키는 데에 사용된다. 2차 권선 네트워크에 의해 구동되는 제2 회로 수단은 전극과 공작물에 걸쳐 플라즈마 아크를 발생시키는 데에 사용된다. 전환 수단(switching means)은 상기 제1 회로 수단과 제2 회로 수단 사이에서 선택적으로 전환된다. 지금까지 설명한 바와 같이, 상기 신규의 플라즈마장치는 본질적으로 종래 기술에서 사용되는 장치이다. 본 발명에 따르면, 이러한 종래의 플라즈마 장치는 제1 회로 수단을 구동하기 위해 제1의 유효한 권취수(a first effective number of turns)를 갖는 제1 권선 수단과, 제2 회로 수단을 구동하기 위해 제2의 유효한 권취수를 갖는 제2 권선 수단을 포함하도록 상기 2차 권선 네트워크를 변경함으로써 개선된다. 상기 제1 권취수 및 제2 권취수는 상이할 수 있으므로, 전압/전류 동작 곡선은 파일럿 모드와 절단 모드 중에 다르게 된다. 상기 "유효한" 권취수는 상기 장치의 2차 권선의 권취수에 트랜스의 출력에 있어서 원하는 전압/전류 곡선을 생성하는 권취수가 제공되는 것을 나타낸다. 본 발명은 트랜스의 제2 네트워크 또는 2차 권선에 대해 선택한 특정의 구조가 중요하지 않도록 "2차 권선 네트워크"라는 어구를 사용하여 설명한다. 본 발명의 기본적인 개념은 플라즈마 장치를 구동시키기 위해 두 가지 별개의 권선을 사용한다는 것인데, 제1 권선은 파일럿 동작 모드에 대해 최적화되어 있고, 제2 권선은 절단 동작 모드에 대해 최적화 되어 있다. 이러한 본 발명의 개념을 이용하여, 상기 플라즈마 장치는 파일럿 동작 모드 중에는 고전압 및 저전류 영역에서 동작하고, 절단 동작 모드 중에는 저전압 및 고전류 영역에서 동작될 수 있다. 따라서, 절충의 필요성도 없고, 상기 장치가 파일럿 모드와 절단 모드 사이에서 시프트될 때 전원에 대해 복잡한 제어 장치를 마련할 필요도 없다.
본 발명을 이용하여, 출력 권선을 최적화할 수 있으므로, 파일럿 동작 모드 동작에 관계되는 2차 권선은 고전류의 절단 동작 모드에 관계되는 큰 권선과 비교하여 상대적으로 작게 할 수 있다. 실제로, 14 게이지 내지 16 게이지 정도의 작은 와이어가 파일럿 아크를 생성하는 회로 수단에 접속된 2차 권선에 사용된다. 큰 게이지의 구리 리본이 절단 동작 모드에 사용되는 회로 수단을 구동하는 2차 권선으로서 사용된다. 본 발명을 이용함으로써, 절단시 이용되는 권선에 대해 낮은 권취수의 비를 이용할 수 있다. 따라서, 특정의 절단 전류를 제공하는 데에 보다 작은 전류가 필요하다. 실제로, 파이럿 권취비, 1차 대 2차는 26:26이고 절단비는 26:24이다. 이는 2개의 출력 곡선에서 실질적인 차이를 야기하는 약 25 V의 전압차를 부여한다.
보다 큰 아크 이송 거리를 가능하게 하는 스탠드오프를 증가시키기 위해, 노즐로부터 공작물로의 보다 큰 전압을 생성할 수 있다. 장치에 저항기가 없으므로, 전력 손실 및 열 발생이 현저하게 감소된다. 트랜스의 2차 권선에 두 가지 별개의 권선을 사용함으로써, 큰 이송 전압이 발생하여 이송 거리를 더욱 크게 할 수 있다. 사용되는 제어 장치는 각 동작 모드에 대하여 개개의 2차 권선 구조에 의해 정해지는 두 가지 별개의 영역에서의 동작에 사용될 수 있다. 그 결과, 상기 제어 장치는 대체로 중간 범위에서 작동할 수 있고, 파일럿 아크와 절단 아크의 이중 기능을 수행해야 하는 단일 출력 권선 네트워크를 제어하는 데에 요구되는 큰 제어 범위를 필요로 하지 않는다. 플라즈마 장치에 대해 두 가지 별개의 상이한 2차 권선을 사용하면 하나의 전압/전류 동작 영역에서 다른 전압/전류 동작 영역으로 재빨리 시프트할 수 있다. 따라서, 파일럿 아크 및 절단 아크는 별개의 상이한 최적 전압/전류 곡선에 의해 제어된다. 단일의 전압/전류 곡선은 파일럿 동작 모드와 절단 동작 모드 양자의 사용에 요구되지 않는다. 이러한 제어의 장점은 파일럿 모드와 절단 모드 사이에서의 시프트 속도를 증가시킨다. 또한, 상기 제어 장비는 비교적 덜 복잡하고, 파일럿 아크와 절단 사이의 반응 시간은 짧아진다.
본 발명을 이용함으로써, 플라즈마 토치를 절단할 공작물에 더 가깝게 이동시킬 때, 절단 동작을 신속하게 개시할 수 있다. 또한, 비교적 큰 거리에 걸쳐 이송이 이루어질 수 있다. 보다 큰 거리에 걸쳐 이송할 수 있는 이러한 능력은 절단 동작, 예컨대 팽창된 금속을 따라 이동되는 플라즈마 토치가 파일럿 아크 모드와 절단 모드 사이에서 신속히 시프트 되어야 하는 팽창 금속에 매우 유용하다. 이러한 동작은 보다 큰 스탠드오프 거리와 신속한 아크 이송을 가능하게 하는 본 발명에 의해 용이해진다.
또한, 스탠드오프 전압은 300 볼트 이상으로 증가될 수 있다. 종래 장치에서 보통 이용할 수 있는 60 볼트와 비교해 볼 때, 스탠드오프는 증가되고, 본 발명의 이러한 면을 이용하여 아크를 극히 용이하게 이송할 수 있을 것이라 이해된다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 파일럿 모드에서 절단 모드로 전환시키는 스위치가 마련된 두 가지 별개의 2차 권선을 사용하는 것은 공작물 전류를 측정 또는 감지함으로써 제어할 수 있다. 공작물 전류가 어떤 수준에 도달하면, 이송 스위치를 개방함으로써 아크 이송이 일어난다. 이러한 전류 수준은 공작물을 절단 토치 쪽으로 이동시킴으로써 증가된다. 물론, 공작물이 멀리 이동될 때, 이러한 전류 수준은 감소한다. 감지된 전류 수준이 선정한 수준보다 크면, 이송 스위치가 개방되어 아크는 공작물 쪽으로 전달된다. 아크 길이가 증가함에 따라, 전압은 트랜스가 동일한 전압 및 전류를 전달할 수 없는 정도까지 증가된다. 이 때, 출력 전류는 감소하고, 이송 스위치는 닫히며, 따라서 파일럿 동작 모드가 재개된다. 동작 모드 사이를 왕래하는 이러한 자동 전환은 본 발명의 회로 수단에 전류 분류기(shunt)를 사용함으로써 본 발명의 다른 양태에 따라 쉽게 달성된다.
본 발명의 주목적은 전기 아크 플라즈마 장치를 작동시키는 장치와 방법을 제공하는 것이며, 이러한 장치 및 방법은 병렬 저항기를 필요로 하지 않고, 큰 스탠드오프 거리를 발생시키며, 빠른 아크 이송 능력도 있다.
본 발명의 다른 목적에 있어서, 두 가지 별도의 출력 권선 또는 2차 권선이 전기 아크 플라즈마 토치를 조작하는 장치 및 방법에 사용된다. 상기 두 가지 권선은 상기 장치와 방법을 파일럿 모드와 절단 모드에서 최적으로 동작할 수 있게 해준다. 이러한 방식으로, 상기 전압/전류 장비는 각 동작 모드의 중앙 범위에서 동작할 수 있도록 설계될 수 있고, 두 가지 동작 모드의 극단의 외측 한계에서의 동작을 필요로 하지 않는다. 따라서, 아크 플라즈마 장치는 전압/전류 그래프의 두 개의 영역, 즉 다른 출력 권선의 별개의 상이한 특성 곡선에 의해 정해지는 영역에서 동작된다.
본 발명의 다른 목적은 파일럿 아크와 절단 아크 사이에서의 시프트용의 별개의 전류 감지 장치를 사용하는 장치이고, 이 장치는 공작물 쪽으로 그리고 공작물로부터의 아크 이송을 위한 타이밍을 매우 정확하게 제어할 수 있게 해준다. 이러한 목적에 따르면, 아크 이송의 정확한 순간은 특별한 측정 또는 감지된 전류에 응답하여 단순히 스위치를 조작함으로써 선택 및 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 큰 스탠드오프 거리가 가능하도록 파일럿 아크 모드 중에 노즐로부터 공작물로의 높은 전압을 가능하게 하는 상기 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상이한 전압/전류 특성 곡선을 갖는 파일럿 모드와, 주 모드 즉 절단 모드 모두에 전력을 부여하는 단일 전원을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 장치의 별도의 동작 모드를 제어하기 위하여, 출력 권선에 대해 다른 치수의 출력 권선 및 다른 게이지를 사용할 수 있게 하는 상기 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 파일럿 아크 동작과 절단 아크 동작에 관계되는 두 별개의 권선을 사용하고, 아크 이송 과정에 대해 전류를 제어하며, 아크 이송에 대해 스탠드오프 거리를 증대시킬 수 있는 상기 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적과 기타의 목적 및 이점은 첨부 도면을 참조로 한 이하의 상세한 설명을 통해 명확해질 것이다.
발명을 제한하는 것이 아니라 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 도면을 참조하면, 도 1에는 본 발명이 관련되는 종래 기술이 도시되어 있는데, 플라즈마 장치(A)에는 공작물(30)을 전극 팁(14)에 노출시키는 아크 개구(22)가 있는 노즐(20) 내에 장착되고 상기 전극 팁(14)이 마련된 표준 전극(12)이 포함되어 있다. 파일럿 아크(P)는 전극과 노즐 사이에 생성되고, 그 전압(Va)은 실제 약 150 볼트 내지 160 볼트이다. 플라즈마 장치(A)의 동작 중에, 공작물(30)은 노즐(20)로부터 이격되어 있다. 공작물과 노즐 사이에는 저항기(40)를 통해 흐르는 파일럿아크 전류(Ip)로부터 전압(Vw)이 생성된다. 저항기(40)는 공작물(30)과 노즐(20) 사이에 병렬로 연결되어 있고, 스위치(SW)를 닫음으로써 성립하는 직렬 회로에 있다. 전류(Iw)는 공작물 전류이고, 공작물이 노즐에 가까워짐에 따라 흐르고 분류기(42)에 의해 측정된다. 전체 전류(Ir)는 파일럿 아크 전류(Ip)와 공작물 전류(Iw)의 합이다. 인덕터(44)는 전원(50)으로부터 플라즈마 장치로의 입력 펄스 사이의 전류 흐름을 유지한다. 도시된 종래 기술에 있어서, 풀 브릿지 인버터인 직류 전원(50)에는 대향하여 권취된 2차 권선(54, 56)에 입력 펄스를 발생시키기 위하여 트랜스(T)를 구동시키는 1차 권선(52)이 있다. 풀 브릿지 정류기는 4개의 2차 권선을 포함할 수 있지만, 본 발명을 설명하는 데에 2차 권선의 수와 2차 권선의 구조는 중요하지 않다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 펄스는 1차 권선(52)을 통과하여 2차 권선(54, 56)에 펄스를 생성한다. 한 방향의 전류 펄스가 1차 권선(52)을 통과할 때, 반대 극성의 전류 펄스가 별도의 2차 권선(54, 56)에 생성된다. 다이오드(60, 62)는 이격된 출력 전류 펄스를 정류하여 전원이 공작물(30) 및 토치(10)에 접속될 때 전원에 직류 동작을 부여하는 전류 펄스만을 통과시킨다. 동작시, 파일럿 아크(P)의 전압은 약 150 볼트이다. 스위치(SW)는 개방되어 아크를 공작물(30) 쪽으로 전달한다. 저항기(40)에 걸친 전압은 전압(Vw)이고, 이는 노즐과 공작물 사이의 전압과 동일하다. 실제로, 저항기(40)에 걸친 전압은 약 60 볼트이다. 따라서, 이 실시예에 있어서, 공작물(30)과 전극(12) 사이의 전압은 약 210 볼트이다. 실제로, 전극과 트랜스(T) 사이에는 보통 인덕터가 포함되어 있다.이러한 경우에, 언덕터에 걸쳐 전압이 발생되어 2차 권선(54, 56)의 별개의 이격된 출력 펄스 사이에 파일럿 아크를 유지한다. 절단 동작을 개시하기 위해, 적어도 60 볼트가 공작물과 노즐 사이에서 이용 가능할 때 스위치(SW)가 개방된다. 아크 이송에 이용 가능한 60 볼트의 전압에 의해, 노즐(20)에서 비교적 가깝게 이격되어 있는 공작물(30)에 의해서만 아크 이송을 달성할 수 있다. 이는 본 발명이 관련되는 종래 기술의 통상적인 동작이다. 종래 기술과 바람직한 실시예의 전원은 많은 통상의 구조 중 임의의 것일 수 있다. 또한, 이것은 각종 출력 권선 구성이 마련된 전 전방향(full forward) 또는 반 전방향(half forward)일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 도면은 본 발명을 설명하기 위한 것이지 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 도 2에는 본 발명의 제1 실시예에 따라 구성된 플라즈마 장치(B)가 도시되어 있는데, 전극(12)과 노즐(20) 사이에 파일럿 아크를 생성 및 유지하는 데에 제1 회로 수단(100)이 사용된다. 이 제1 회로 수단은 출력 트랜스(110)의 코어 상에 그 자체로 별도의 2차 권선(102), 정류 다이오드(112) 및 프리휠링 다이오드(150)를 포함한다. 실제로, 하나 이상의 권선이 상기 회로에 사용되고, 이 권선은 대항하여 권취되어 있어, 트랜스(110)의 입력이 인버터에 의해 반대 방향으로의 전류 펄스에 의해 펄스화될 때 제어된 극성으로 별개의 정류된 펄스를 생성한다. 간략하게 나타내기 위해 단지 하나의 권선만을 나타내었다. 빌조의 미국 특허 제4,897,522호와 제4,897,773호에는 적절한 권선 배치가 도시되어 있다. 권선은 파일럿 아크를 발생시키고 유지하기 위해 필요한 고전압을 제공하는 권취수를 갖는다. 도 3c와 도 4b에는 특정의 전압/전류 곡선 영역에서 플라즈마 장치(B)의 동작이 도시되어 있다. 스위치(SW1)는 트랜지스터 또는 IGBT(120)로서 나타내었다. 스위치(SW1)가 닫히면, 제1 회로 수단(100)은 토치(10)의 전극 및 노즐과 직렬로 된다. 이러한 방법으로, 상기 제1 회로 수단의 2차 권선(102)으로부터 이용할 수 있는 전압에 의해 파일럿 아크가 발생될 수 있다. 분류기(132)는 전체 전류(IA)를 측정하고, 조절을 위해 사용된다. 분류기(130)는 파일럿 아크 전류를 감지하는 데에 사용된다. 쵸크 또는 인덕터(140)는 전류의 흐름을 유지하여, 이격된 입력 펄스와 트랜스(110)의 이격된 출력 펄스 사이의 기간 중에 파일럿 아크를 유지한다. 동작시, 스위치(SW1)는 닫히게 되어 트랜스(110)가 상기 제1 회로 수단의 2차 권선(102)[2개의 2차 권선(102)이 바람직함]에 전류를 통하게 할 수 있다. 상기 2차 권선(102)의 전류 펄스는 전극과 노즐 사이의 간극 및 인덕터 또는 쵸크(140)에 걸쳐 전압을 생성한다. 실제로, 파일럿 아크 전압은 대략 150 볼트이고, 쵸크(140)의 전압은 약 50 볼트이다. 따라서, 상기 2차 권선(102)의 출력은 약 200 볼트가 된다. 공작물(30)을 절단하려고 하면, 공작물은 토치(10)에 근접하게 이동된다. 이러한 접근은 분류기(130,132)의 전류에 의해 감지되어, 스위치(SW1)를 개방시켜 제2 회로 수단(200)에 전류를 통하게 한다. 이러한 제2 회로 수단은 2차 권선(202)과 정류 다이오드(204) 및 프리휠링 다이오드(206)를 포함한다. 스위치(SW1)가 개방되면, 상기 제2 회로 수단의 2차 권선(202)에 걸친 전압은 아크를 공작물(30)에 즉각적으로 이송하는 데에 이용할 수 있다. 콘덴서(210)는 공작물로부터 전극까지 전류가 전혀 흐르지 않는 경우, 즉 공작물(30)이 위치에서 벗어날 때에 피크 전압을유지한다. 본 발명의 한 양태에 따르면, 공작물(30)을 통해 흐르는 전류는 분류기(132)에서의 전류 흐름에서 파일럿 아크 분류기에서의 전류 흐름을 뺀 것이다. 본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 공작물 전류(작업 전류)(Iw)는 이러한 특정 전류를 측정하기 위한 별개의 분류기 없이 간접적으로 측정된다. 후술하는 바와 같이, 공작물 전류는 스위치(SW1)를 개방시킴으로써 아크를 이송할 수 있게 하는 적절한 조건의 지표이다.
도 3a 내지 도 3c와 도 4a 내지 도 4c에 도시한 전압/전류 그래프는 도 1에 나타낸 종래 기술과 도 2에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예의 차이점을 설명하는 데에 사용된다. 모든 그래프에는 파일럿 아크 동작을 위한 영역(X)과 절단 아크 동작을 위한 영역(Y)이 있다. 이들 영역은 본 발명이 관계되는 두 동작 영역에서 사용하기 위해 최적이면서 조정 가능한 영역이다. 도 3a를 참조하면, 파일럿 아크에 대한 영역(X)은 고전압 및 저전류인 것을 특징으로 한다. 영역(Y)은 저전압과 고전류인 것을 특징으로 한다. 이 영역은 절단 동작을 정하는 동작 조건이다. 도 3b에서, 종래 기술 장치의 단일 특성 곡선(230)이 도시되어 있다. 단일의 2차 권선(54,56)이 사용되기 때문에, 영역(X, Y)을 가로지르도록 구성된 단일 특성의 곡선이 만들어진다. 이 단일 특성의 곡선은 영역(X) 또는 역역(Y)에 최적일 필요는 없다. 도 3c를 참조하면, 상기 제1 회로 수단의 2차 권선(102)에 관계하는 특성 곡선은 제1 회로 수단(100)에 관계하는 곡선(232)이다. 이 곡선은 플라즈마 장치(B)에 관계하는 파일럿 동작 모드에서 영역(X)에 대해 최적이다. 특성 곡선(234)은 제2 회로 수단(200)에 관계하는 상기 2차 권선(202)에 의해 전개되고영역(Y)에 대해 최적이다. 도 4a 내지 도 4c에서, 영역(X,Y)의 제어점(250,252)은 각각 파일럿 동작 모드나 절단 동작 모드일 때 제어 기구에 대해 선택한 동작점이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제어점(250)으로부터 제어점(252)으로의 시프트는 라인(260)을 따른다. 따라서, 도 1의 스위치(SW)가 개방되면, 제어 장치는 제어점(250)으로부터 라인(260)을 따라 제어점(252)으로 플라즈마 장치(A)의 동작을 시프트한다. 도 2에 도시한 플라즈마 장치(B)의 스위치(SW1)를 개방하면, 동일한 제어 장치 동작이 일어난다. 이는 도 4b에 나타내었다. 그러나, 본 발명과 종래 기술 사이의 이점은 도 4c에 개략적으로 도시되어 있다. 동작점(250)으로부터 동작점(252)을 향해 시트프가 이루어질 때, 트랜스 출력은 거리(262)를 점프하고, 다음에 전류 제어 장치에 의해 동작점(252) 쪽으로 점차 시프트된다. 이는, 동작점(250)에서 동작점(252)으로 직접 시프트시키는 것을 필요로 하는 종래 기술과는 구별되며, 상기 시트프 거리는 치수(264)로 나타내었다. 본 발명의 시프트 치수(263)는 실질적으로 선행 기술의 치수(264)보다 작다는 것을 볼 수 있다. 결과적으로, 본 발명을 이용하면, 먼저 라인(260)을 따라 제어점의 즉각점인 점프가 있고, 다음에 제어점(252) 쪽으로의 점차적인 시프트가 있다. 종래 기술은 라인(260)의 전체 거리를 따라 제어 장치를 조작할 것을 필요로 한다. 도 4a 내지 도 4c에 도시한 그래프는 사실상 개략적인 것이고, 본 발명을 채용할 때 플라즈마 아크 장치의 동작을 제어하는 이점을 이해할 목적으로 주어진 것이다. 실제의 전류 제어 장치는 본 발명의 일부가 아니다. 파일럿 아크 모드와 절단 모드에 관계되는 권선을 별도로 사용하면, 상이한 전압/전류 곡선을 갖는 장치의 동작을 가능하게 하기 때문에 명백한 이점이 있다는 것을 이해하기만 하면 된다.
파일럿 아크 동작 모드와 절단 동작 모드 사이에서의 시프트를 제어하기 위해, 도 2에 도시한 것과 같이 공작물 전류의 간접적인 측정이 플라즈마 장치(B)에서 이용된다. 공작물 전류(IW)의 보다 직접적인 사용은 도 5에 도시되어 있는데, 플라즈마 장치(C)에는 공작물 전류 센서 또는 분류기 및 전술한 아크 분류기(130)에 의해 제어되는 전류 응답식의 전환 회로(300)가 포함되어 있다. 상기 전환 회로(300)는 분류기(302)에서의 작업 전류가 주어진 수준 이상으로 감지되면 스위치(SW1)를 개방한다. 분류기(130)에서의 전류가 주어진 수준으로 감소되면, 스위치가 닫히고 따라서 파일럿 아크 모드가 재설정된다. 상기 전환 회로(300)는 작업물 전류(IW)를 대표하는 제1 입력(312)을 갖는 고이득 동작 증폭기(high gain operational amplifier)(310)에 의해 상기 목적을 달성한다. 라인(314)에서의 스탠드오프 기준 신호가 라인(312)에서의 전압 신호와 비교되어 증폭기(310)의 출력을 제어한다. 증폭기가 논리 1을 생성하면, 스위치 스테이션(320)은 토글되어 스위치(SW1)를 개방하는 출력(322)에 신호를 발생시킨다. 이는 파일럿 아크를 끄고 즉각적으로 아크를 이송한다. 작업 전류를 직접 측정함으로써, 플라즈마 장치(C)는 공작물(30)이 적당한 위치에 있고 이송 아크를 유지하기에 충분히 가까이 있을 때를 검출한다. 이것은 실제 공작물 전류의 직접적인 측정이고 라인(314)의 기준 전압이나 임계 전압(threshold voltage)에 의해 정확하게 제어되어 제1 회로 수단(100)으로부터 제2 회로 수단(200) 쪽으로 토치(10)의 동작을 정확히 시프트할수 있다. 공작물이 제거됨에 따라, 전류(IA)는 트랜스의 함수로서 감소되고, 전류는 분류기(130)에 의해 측정 또는 감지되는데, 상기 분류기는 아크 전류를 나타내는 전압에 의해 고이득 동작 증폭기(330)를 제어한다. 라인(334)의 기준 전압 신호는 증폭기(330)의 출력에 논리 1을 생성하여 스위치 스테이션(320)을 토글시켜 분류기(130)에서의 전류가 임계치 미만으로 감소되면 스위치(SW1)를 동작시키는 신호를 라인(324)에 발생시킨다. 이러한 방식으로, 아크의 이송은 공작물의 위치에 의해 정해진다. 공작물이 토치를 향해 이동됨에 따라, 아크는 이송된다. 공작물이 토치로부터 멀리 이동됨에 따라, 아크는 파일럿 아크 모드로 다시 시프트된다. 도 6을 참조하면, 기준 라인(314)에 대한 전압 수준이 일반적인 표현 방식으로 도시되어 있다. 실제 사용되는 것과 같은 절단으로의 시프트를 수행하는 일반적인 개요를 나타내기 위해, 파일럿 아크에 대해 28 암페어에서 동작되는 장치의 동작을 나타내는 라인(340)을 참조한다. 상기 전환 회로(300)가 토치와 공작물 사이의 0.30 간격에서 절단 모드로 시프트되도록 조정된다고 하면, 점(342)을 선택한다. 라인(314)에서의 기준은 공작물 전류(IW)에 대해 약 1.7 암페어로 조절된다. 이 공작물 전류가 증폭기(310)에 의해 감지되면, 스위치(SW1)는 개방되고 제1 회로 수단(100)에서 제2 회로 수단(200)으로 시프트되어 절단 동작이 개시된다. 실제, 아크는 2 암페어 이하에서 이송된다. 도 1에 도시한 바와 같이 Ir에 의해 유지되는 28 암페어의 파일럿 아크 전류에서, 이송 거리 또는 스탠드오프는 0.30 인치보다 약간 작다. 라인(314)에서 보다 낮은 이송점은 스탠드오프 거리를 더 크게 할 수있도록 하지만, 보다 큰 전압(VW)을 필요로 한다.
트랜스(110)가 도 7에 개략적으로 도시되어 있는데, 제1 권선(P1/P2)은 권선(350)으로 나타내었고, 이는 도 2 및 도 5에서 입력 권선으로도 나타내었다. 파일럿 아크 제1 회로 수단(100)에 관계되는 2차 권선(102)은 파일럿 동작 모드에 관계되는 저전류 및 고전압을 발생하도록 트랜스(110)의 코어(110a)에 둘러싸인 비교적 얇은 와이어이다. 풀 브릿지 인버터가 사용되기 때문에, 두 별도의 권선, 즉 상기 제1 회로 수단의 2차 권선의 두 권선(SP1,SP2)이 사용된다. 이들 와이어는 도 9에 도시한 바와 같이 대향하여 권취되어 있다. 유사한 방식으로, 상기 제2 회로 수단의 2차 권선(202)에는 도 7에 도시한 바와 같이 대향하여 감긴 권선(S1/S2)이 포함되어 있다. 제1 회로 수단(100) 및 제2 회로 수단(200)에 사용되는 권선의 수는 전원과 트랜스의 입력 네트워크에 의해 정해진다는 것을 도 7로부터 이해하여야 한다. 본 발명은 별개의 동작 모드에 대해 두 개의 상이한 권선 네트워크를 사용한다. 그러나, 네트워크의 권선의 수 및 배치는 변할 수 있다.
도 8은 이격된 요소(362)가 있는 팽창된 금속 시트(360)를 절단하기 위해 플라즈마 토치(10)를 사용하는 것을 나타낸다. 노즐이 요소(362) 위에 있을 때, 간격(z)은 비교적 짧다. 따라서, 분류기(302)의 전류는 라인(314)의 스탠드오프 전압에 의해 결정되는 임계치 이상으로 증가된다. 간격(z)이 도 5 및 도 6과 관련하여 설명한 선택된 스탠드오프 거리보다 작으면, 아크는 이송되어 공작물 또는 요소(362)를 절단한다. 요소(362)를 통과한 후에, 간격(z)은 무한대로 되고, 따라서 분류기(130)의 전류는 감소되며 파일럿 아크는 도 5에서 상기 전환 회로(300)의동작에 의해 설명한 것과 같이 유지된다. 팽창된 금속 시트(360) 위로 토치를 신속히 이동시키는 것은 전환 회로(300)의 분류기(130,302)에 의해 감지되는 것과 같이 토치(10)와 관련하여 공작물의 위치에 의해 규정되는 절단 모드 및 파일럿 모드로의 아크 이송에 의해 반복적으로 그리고 정밀하게 제어된다. 이것은 종래 기술에 비해 이점이고, 고정밀 아크 이송에 의해 가능하다. 이러한 양태의 본 발명은 전류 감지 수단에 의해 파일럿 모드와 절단 모드 사이에서 시프트가 허용되는 도 1의 종래 기술에서 실행될 수도 있을 것이다.
본 발명의 또 다른 양태가 도 9 내지 도 11에 도시되어 있는데, 상기 플라즈마 장치(C)를 변경하여 플라즈마 장치(D)를 제작한다. 이 장치에서, 두 개의 대향하여 권취된 상기 2차 권선(102 및 202)이 각각 권선(SP1,SP2 및 SC1,SC2), 즉 플라즈마 2차 권선으로서 개략적으로 도시되어 있다. 병렬 상태의 대향 권취된 두 개의 2차 권선을 사용하는 것은 통상의 인버터 개념으로 이미 설명하였다. 본 발명은 동작 전류를 발생하는 데에 필요한 트랜스 권선의 상세한 것에 의존하지 않는다. 인버터 전원은 조절된 전류(Ir)를 제어하도록 변화된 길이의 2차 권선에 펄스를 제공한다. 플라즈마 장치(D)에서, 프리휠링 다이오드(150,206)는 제거되어 도 2에 도시한 것과 같은 권선(350), 즉 1차 권선에 프리휠링 전류 흐름이 발생한다. 권선(SP1, SP2), 즉 파일럿 아크 권선은 대향하여 권취되어 있고 정류 다이오드(220) 및 스너버 회로(snubber circuit)(230)를 포함한다. 권선(SC1,SC2), 즉 절단 권선은 대향하여 권취되어 있고, 저장 콘덴서(242)가 마련된 특정의 스너버 회로(240)가 있으며, 상기 콘덴서는 플라즈마 장치(D)가 파일럿모드에서 동작될 때 아크 이송을 위해 권선(350), 즉 1차 권선의 오프 사이클 중에 공작물과 노즐 사이에 고전압을 저장한다. 저장 콘덴서(242)를 사용함으로써, 제2 회로 수단(200)은 공작물로부터 노즐로의 큰 전압을 생성하며, 이는 실제 약 340 볼트이다. 이 피크 전압은 권선(350)에서의 1차 전압이 오프일 때, 즉 1차 프리휠링이 마련된 푸쉬-풀 트랜스의 펄스 사이에 있을 때 존재한다. 공작물로부터 노즐로의 평균 전압은 약 200 볼트이다. 다이오드 스너버 회로(240)는 1차 오프 타임 중에 에너지를 저장하고 공작물로부터 노즐로의 전압을 최대화한다. 1차가 온일 때 파일럿 아크는 권선(SP1,SP2), 즉 파일럿 아크 권선에 의해 유지된다. 이것이 발생하면 파일럿 아크 권선은 실제 약 250 볼트의 전압을 발생하는데, 이는 파일럿 아크와 인덕터(140)에 걸친 전압 사이에서 분할된다. 파일럿 아크 전압은 약 160 볼트이고 쵸크나 인덕터 전압은 약 125 볼트이다. 절단 권선에는 완전한 회로가 없어, 개방 회로 전압은 권선(SC1,SC2), 즉 절단 권선에서 발생한다. 이들 권선은 약 275 볼트를 생성하고, 턴 온시에 오버슈트(overshoot)는 약 25%이다. 이 전압 오버슈트 피크는 저장 콘덴서(242)를 약 340 볼트로 충전한다. 이 콘덴서 전압은 파일럿 아크 전압(160 볼트) 및 쵸크 전압(125 볼트)과 직렬이어서, 공작물과 노즐 사이에 약 50 볼트 내지 60 볼트를 생성한다. 1차 전압이 꺼지면, 파일럿 회로, 즉 제1 회로 수단(100)에서 흐르는 전류는 출력 쵸크(140)에 저장된 에너지에 의해 유지된다. 전류는 권선(SP1,SP2), 즉 파일럿 아크 권선을 통해 계속 흐르고, 약간의 전압 강하가 있다. 트랜스의 1차면 상의 클램프 다이오드는 2차 회로로부터 생성된 전류를 프리휠링 함으로써 1차 전압을 제한한다. 160 볼트 파일럿 아크는 유지되고 -160 볼트가 출력 쵸크(140)에 걸쳐 나타난다. 권선(SP1,SP2)은 이 상태 중에 제로 볼트로 클램프되지만, 절단원은 340 볼트를 생성한다. 이 전압은 인버터의 온 상태 중에 충전된 스너버 회로의 저장 콘덴서(242)로부터 기인하는 것이다. 절단 회로, 즉 제2 회로 수단(200)에는 어떠한 전류 경로도 존재하지 않아 저장 콘덴서(242)는 방전되지 않는다. 절단 다이오드(D1,D2)는 프리휠링 전류를 전달하지 않는다. 파일럿원 전압은 거의 제로이므로 공작물로부터 노즐로의 전압은 저장 콘덴서(242) 상의 전압과 동일하고 공작물로부터 노즐로의 340 볼트 전압을 생성한다.
입력 펄스는 초당 수백 펄스일 수 있는 속도이기 때문에, 파일럿 아크 동작 모드에서 생기는 출력 펄스 사이에는 프리휠링 기간이나 단계가 존재한다. 대표적인 전압을 사용하는 도 10a 및 도 10b와 관련하여 본 발명의 이점을 설명한다. 도 10a에 도시한 바와 같이, 스위치(SW)는 닫혀 있고 파일럿 아크(P)가 성립된 상태에서, 파일럿 아크의 전압은 실제 약 160 볼트이다. 인덕터(140)의 대표적인 전압은 140 볼트이다. 그 결과, 2차 펄스가 제1 회로 수단의 2차 권선(102)에 발생하면, 그 2차 권선(102)에 걸친 전압은 약 300 볼트이다. 제2 회로 수단(200)의 2차 권선(202)에 걸친 개방 회로 전압은 턴 온시에에 25%의 오버슈트가 있는 약 275 볼트이고, 그 피크는 도 9에 도시한 바와 같이 콘덴서(210)나 스너버 콘덴서(저장 콘덴서)(242)를 340 볼트로 충전한다. 이들 전압에 의해, 공작물에서 노즐로의 전압은 약 60 볼트이다. 출력 펄스가 입력 펄스의 중단에 의해 꺼지면, 제1 회로 수단(100)은 프리휠링을 시도한다. 그러나 도 5에 도시한 다이오드(150)는 제1 회로 수단의 2차 권선(102)에서 제거하였다. 따라서, 제1 회로 수단(100)의 프리휠링은 제1 회로 수단의 2차 권선(102)을 통해 발생하고, 이것은 상기 권선(350)에 의해 트랜스 코어(110a) 상에 결합되어 약 10 볼트의 전압 강하를 야기한다. 프리휠링 단계 중에, 전류는 쵸크(140)에 의해 유지된다. 이는 -160 볼트를 쵸크에 발생시킨다. 제1 회로 수단의 2차 권선(102)에 걸친 전압 강하는 10 볼트이고 잔여 150 볼트는 노즐과 전극에 걸쳐 발생한다. 콘덴서(210)는 온 상태에서부터 충전된 상태로 남아 있고 제1 회로 수단의 2차 권선(102)에 걸친 전압은 약 10 볼트이다. 이는 공작물에서 노즐로의 약 310 볼트 전압을 발생시킨다. 그 결과, 파일럿 아크 동작 모드 중에, 극히 높은 전압이 공작물과 노즐 사이에 인가된다. 이 과정은 도 11에 도시되어 있는데, 1차 전류 펄스(P)가 오프일 때 출력 펄스 사이에 고전압 펄스(360)가 생성된다. 펄스(360)의 비율은 수 KHZ이다. 이러한 과정은 도 11에 도시되어 있고 스위치(SW)가 닫혀 있는 한 계속된다. 스위치가 아크를 절단 모드로 이송할 목적으로 개방될 때, 아크 이송 과정에 고전압을 이용할 수 있다. 이는 종래 기술의 실질적인 개선이고 공작물로의 아크 이송을 현저히 개선한다. 공작물에서 노즐로의 높은 전압에 의해, 전원은 0.5 인치 이상 긴 신뢰할 수 있는 아크 이송을 발생시킬 수 있다. 실제, 공작물에서 노즐로의 전압은 IEC974-1 규정을 만족하도록 제한된다. 이 규정은 공작물에서 노즐로의 전압이 113 VDC 피크로 한정될 것을 요구한다. 113V 피크로 제한되어 있어, 이송 거리는 감소하지만 전원은 상기 규정을 충족한다. 따라서, 표준 전압 한정 회로가 공작물과 노즐 사이에 추가된다.
실제로, 파일럿 아크 권선의 권취수는 절단 권선의 권취수보다 크다. 파일럿 아크 스위치가 개방되면, 공작물로의 아크 이송과 전원의 부하는 고전압 저전류에서 저전압 고전류로 변화한다. 이점에서 변화의 일부는 상이한 트랜스 권선의 함수로서 발생한다. 변화의 나머지는 제어 장치에 의해 조절된다. 아크가 노즐(파일럿 아크)로 후퇴하면, 동일하게 증대된 변화가 일어난다. 부하는 저전압 고전류로에서 고전압 저전류로 변한다. 변화의 일부는 파일럿 권선이 다시 온 상태로 전환되면 즉시 발생한다. 제어 장치의 응답 시간은 감소될 수 있고 초당 최대 이송수는 증가할 수 있다.
최대 1차 전류가 설계의 주안점이라면, 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이 이중 권선 회로가 유리하다. 예를 들어, 종래의 단일 권선 출력 회로에서 권선의 비는 전술한 파일럿 비와 유사하다. 그러나 큰 권취비는 절단을 위해서도 사용되고 다량의 1차 전류를 필요로 한다. 이중 권선 회로와 비교하여, 종래의 단일 권선 회로는 더 많은 1차 회로를 필요로 한다. 이중 권선 회로는 권취비가 더 낮은 절단용 권선을 마련함으로써 1차 전류의 최대량을 감소시킨다.
본 발명의 범위를 설명하기 위해서, 플라즈마 장치(E)를 도 12에 도시하였는데, 전원(400)은 교류 펄스를 생성하여 그 펄스를 1차 권선(412)을 통해 흐르도록 함으로써 출력 트랜스(410)를 구동한다. 전술한 바와 같이 대향하여 권취된 한 조의 권선을 포함할 수 있는 2차 권선(414)에는 중간 탭(420)이 포함되어 보다 낮은 2차 권선 섹션(422)을 규정한다. 이러한 2차 출력 네트워크를 사용함으로써, 플라즈마 아크 회로 수단(100a)은 정류 다이오드(430)와 스위치(432)를 사용함으로써형성된다. 상기 회로 수단(100a)에 흐르는 전류는 파일럿 아크 전류(IP)를 측정하는 분류기(130)에 의해 검출된다. 상기 회로 수단(100a)은 본 발명의 바람직한 실시예에서 전술한 제1 회로 수단(100)의 기능을 수행한다. 유사한 방식으로, 회로 수단(200a)에는 절단 모드 중에 동작하는 정류 다이오드(440)와 분류기(302)가 있다. 따라서, 단일의 2차 권선(414)은 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 것과 같은 두 별도의 상기 2차 권선(102,202)과 유사한 개념을 생성할 수 있다.
본 발명의 실시에 있어, 파일럿 모드와 절단 모드에 관계되는 권취수의 비는 상이하다. 예를 들어 파일럿 아크에서는 26:26이고, 절단에서는 26:24이다. 본 발명은 동일한 권취수의 비로 사용될 수 있지만, 이러한 구성으로 하면 본 발명의 이점을 일부 상실하는데, 왜냐하면 본 발명의 기본적인 특징을 이루는 두 가지 별개의 권선이 본질적으로 동일한 출력 곡선에서 동작하기 때문이다. 그러나, 본 발명은 공작물이 노즐에 인접하게 이동될 때 아크 이송을 위해 노즐에서 공작물로의 큰 전압을 생성한다. 본 발명의 실시예는 고전압의 동작이 유리한 경우, 즉 고우징(gouging)할 때에, 절단 모드에 대해 고전압 출력을 발생시키기 위해, 파일럿 권선의 권취수보다 권취수가 더 큰 절단 모드를 채용한다.
본 발명은 이송 거리, 즉 스탠드오프 거리를 증가시켜 파일럿 모드에서 절단 모드로 아크를 신속히 이송할 수 있고, 종래의 장치의 비효율적인 병렬 저항을 필요로 하지 않는 전기 아크 플라즈마 장치를 작동시키는 장치를 제공한다. 또한, 낮은 1차 전류는 2차 권선 네트워크 때문에 얻어질 수 있다. 본 발명을 이용함으로써, 동일한 필요 출력 전류에 대해 낮은 1차 전류를 갖는 것이 가능하다.

Claims (26)

  1. 전극(12)과, 이 전극을 공작물(30)에 노출시키는 플라즈마 아크 개구(22)가 있는 노즐(20)을 포함하고, 1차 권선 네트워크와 이 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크가 마련된 입력 트랜스(110)와, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 노즐에 걸쳐 파일럿 아크를 발생시키는 제1 회로 수단(102, 112,150)과, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 공작물에 걸쳐 플라즈마 아크를 발생시키는 제2 회로 수단(202,204,206)과, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 사이에서 선택적으로 시프트되는 전환 수단(120)이 마련된 플라즈마 장치로서,
    상기 2차 권선 네트워크에는 상기 제1 회로 수단을 구동시키기 위한 제1 유효 권취수의 제1 권선 수단(102)과, 상기 제2 회로 수단을 구동시키기 위한 제2 유효 권취수의 제2 권선 수단(202)이 포함되며, 상기 제1 유효 권취수와 제2 유효 권취수는 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 권선 수단은 제1 일반 전류 범위를 제1 전압 범위(영역 X)에 제공하고, 상기 제2 권선 수단은 제2 일반 전류 범위를 제2 전압 범위(영역 Y)에 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1 전압 범위는 상기 제2 전압 범위보다 실질적으로 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 권선 수단(102)은 반대 방향으로 권취된 두 가지 별개의 권선(SP1,SP2)을 포함하고, 이 각각의 권선은 상기 제1 유효 권취수를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 권선 수단(202)은 반대 방향으로 권취된 두 가지 별개의 권선(SC1, SC2)을 포함하고, 이 각각의 권선은 상기 제2 유효 권취수를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류 수준을 감지하는 수단(130,302)과 상기 감지된 전류 수준이 소정의 전류를 초과하는 경우 상기 제2 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 감지된 전류 수준은 상기 공작물과 전극 사이의 전류인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류치를 감지하기 위한 수단(130)과 상기 감지된 전류치가 소정의 전류보다 작은 경우 상기 제1 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류 수준을 감지하기 위한 수단(130)과 상기 감지된 전류 수준이 소정의 전류를 초과하는 경우 상기 제2 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 감지된 전류치는 상기 공작물로부터 전극 쪽으로의 전류인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  11. 청구항 6에 있어서, 상기 전류 수준은 상기 공작물로부터 전극 쪽으로 의 전류인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 권선 수단은 제1 권선 수단의 일부인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  13. 청구항 2에 있어서, 상기 제2 권선 수단은 제1 권선 수단의 일부인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  14. 청구항 4에 있어서, 상기 제2 권선 수단은 제1 권선 수단의 일부인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류 수준을 감지하기 위한 제1 감지 수단(130)과 상기 감지된 전류 수준이 소정의 전류를 초과하는 경우 상기 제2 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에 의 전류치를 감지하기 위한 제2 감지 수단(302)과 상기 감지된 전류치가 소정의 전류보다 작은 경우 상기 제1 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류치를 감지하기 위한 제2 감지 수단(302)과 상기 감지된 전류치가 소정의 전류보다 작은 경우 상기 제1 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  18. 전극(12)과, 이 전극을 공작물(30)에 노출시키는 플라즈마 아크 개구(22)가 있는 노즐(20)을 포함하고, 1차 권선 네트워크와 이 네트워크에 의해 구동되는 2차권선 네트워크가 마련된 입력 트랜스(110)와, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 노즐에 걸쳐 파일럿 아크를 발생시키는 제1 회로 수단(102,112,150)과, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 공작물에 걸쳐 플라즈마 아크를 발생시키는 제2 회로 수단(202,204,206)과, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 사이에서 선택적으로 시프트하는 전환 수단(120)이 마련된 유형의 플라즈마 장치의 작동 방법으로서,
    (a) 상기 제1 회로 수단을 구동시키기 위해 제1의 유효한 권취수를 갖는 제1 권선 수단(102)으로서 상기 2차 권선 네트워크를 제공하고, 상기 제2 회로 수단을 구동시키기 위해 상기 제1 권취수와는 상이한 제2의 유효한 권취수를 갖는 제2 권선 수단을 제공하는 단계와,
    (b) 상기 제1 회로 수단과 제2 회로 수단 중 하나에서의 전류 수준을 감지하는 단계와,
    (c) 상기 감지된 전류 수준이 소정의 전류치를 초과하는 경우 상기 제2 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, (d) 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류치를 감지하는 단계와; (e) 상기 감지된 전류치가 소정의 전류치보다 작은 경우 상기 제1 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 전극(12)과, 이 전극을 공작물(30)에 노출시키는 플라즈마 아크 개구(22)가 있는 노즐(20)을 포함하고, 1차 권선 네트워크와 이 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크가 마련된 입력 트랜스(110)와, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 노즐에 걸쳐 파일럿 아크를 발생시키는 제1 회로 수단(102,112,150)과, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 공작물에 걸쳐 플라즈마 아크를 발생시키는 제2 회로 수단(202,204,206)과, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 사이에서 선택적으로 시프트되는 전환 수단(120)이 마련된 플라즈마 장치로서,
    상기 제1 회로 수단과 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류 수준을 감지하기 위한 제1 감지 수단(130)과, 상기 감지된 전류 수준이 소정의 전류 수준을 초과하는 경우 상기 제2 회로 수단에 상기 전환 수단을 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류치를 감지하기 위한 제2 감지 수단(302)과 상기 감지된 전류치가 소정의 전류치보다 작은 경우 상기 제1 회로에 상기 전환 수단을 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  22. 전극(12)과, 이 전극을 공작물(30)에 노출시키는 플라즈마 아크 개구(22)가있는 노즐(20)을 포함하고, 1차 권선 네트워크와 이 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크가 마련된 입력 트랜스(110)와, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 노즐에 걸쳐 파일럿 아크를 발생시키는 제1 회로 수단(102,112,150)과, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 공작물에 걸쳐 플라즈마 아크를 발생시키는 제2 회로 수단(202,204,206)과, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 사이에서 선택적으로 시프트되는 전환 수단(120)이 마련된 플라즈마 장치로서,
    상기 2차 권선 네트워크는 상기 제1 회로 수단을 구동시키기 위하여 유효한 권취수를 갖는 제1 권선 수단(102)과, 상기 제2 회로 수단을 구동시키기 위하여 유효한 권취수를 갖는 제2 권선 수단(202)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  23. 전극(12)과, 이 전극을 공작물(30)에 노출시키는 플라즈마 아크 개구(22)가 있는 노즐(20)을 포함하고, 1차 권선 네트워크와 이 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크가 마련된 입력 트랜스(110)와, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 노즐에 걸쳐 파일럿 아크를 발생시키는 제1 회로 수단(102,112,150)과, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 공작물에 걸쳐 플라즈마 아크를 발생시키는 제2 회로 수단(202,204,206)과, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 사이에서 선택적으로 시프트되는 전환 수단(120)이 마련된 유형의 플라즈마 장치의 작동 방법으로서,
    (a) 상기 제1 회로 수단을 구동하기 위한 유효 권취수를 갖는 제1 권선 수단(102)으로서 상기 2차 권선 네트워크를 제공하고, 상기 제2 회로 수단을 구동하기 위한 유효 권취수를 갖는 제2 권선 수단을 제공하는 단계와;
    (b) 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류 수준을 감지하는 단계와;
    (c) 상기 감지된 전류 수준이 소정의 전류 수준을 초과하는 경우 상기 제2 회로 수단에 시프트하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 청구항 23에 있어서, (d) 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류치를 감지하는 단계와; (e) 상기 감지된 전류치가 소정의 전류치보다 작은 경우 상기 제1 회로 수단에 시프트하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 전극(12)과, 이 전극을 공작물(30)에 노출시키는 플라즈마 아크 개구(22)가 있는 노즐(20)을 포함하고, 1차 권선 네트워크와 이 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크가 마련된 입력 트랜스(110)와, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 노즐에 걸쳐 파일럿 아크를 발생시키는 제1 회로 수단(102,112,150)과, 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되어 상기 전극과 공작물에 걸쳐 플라즈마 아크를 발생시키는 제2 회로 수단(202,204,206)과, 상기 제1회로 수단 및 제2 회로 수단 사이에서 선택적으로 시프트되는 전환 수단(120)이 마련된 플라즈마 장치로서, 상기 제1 회로 수단과 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류 수준을 감지하기 위한 제1 감지 수단(130)과, 상기 감지된 전류 수준이 소정의 전류 수준을 초과하는 경우 상기 제2 회로 수단에 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 제1 회로 수단 및 제2 회로 수단 중 어느 하나에서의 전류치를 감지하는 제2 감지 수단(302)과 상기 감지된 전류치가 소정의 전류치보다 작은 경우 상기 제1 회로에 시프트하는 수단(300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
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