KR19980080233A - 플라즈마 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

플라즈마 시스템 및 그 작동 방법 Download PDF

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프레드릭 지. 스튜버
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Abstract

플라즈마 시스템은 1차 권선 네트워크에 의해 구동되는 1차 권선 네트워크 및 2차 권선 네트워크로된 입력 변압기와 워크피이스에 전극을 접하게 하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 노즐을 갖는 토치와 전극을 포함하고, 제1 회로는 전극과 노즐을 통해서 파일럿 아크를 생성하기 위해 제2 권선 네트워크에 의해 구동되며, 제2 회로는 제1 회로와 제2 회로사이에서 선택적으로 시프팅되기위해 전극, 워크피이스 및 스위치를 통해서 프라스마를 생성하기 위한 2차 권선 네트워크에 의해 구동되는데 이 제2 회로는 2차 권선 네트워크가 제1 회로를 구동하기 위한 제1 유효 회전수를 갖는 1차 권선과 제2 회로를 구동하기 위한 제2 유효 회전수를 갖는 2차 권선을 포함하는 것으로 향상되고 제1 및 제2 유효 회전수는 파일럿 아크 모드와 절단 모드동안 상이한 권선에 의해 토치를 동작하는 것이 상이할 수 있다.

Description

플라즈마 시스템 및 그 작동 방법
본 발명은 전기 아크 플라즈마 기술에 관한 것이며, 특히 전이 아크 플라즈마 시스템의 파일럿 아크 모드 동작 및 절단 모드 동작을 최적화하기 위한 개선된 플라즈마 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전력 공급기가 우선, 노즐과 플라즈마 토치의 전극 사이에 파일럿 아크를 발생시킨 후, 이 아크를 상기 노즐의 플라즈마 아크 개구에 근접하게 이동된 워크피이스에 전이시키는 전기 아크 플라즈마 시스템에 관한 것이다. 이러한 시스템은 Couch 3,641,308호에 개시되어 있으며, 도 4에 가장 잘 나타나 있다. 전력 공급기는 플라즈마 토치의 전극과 인접하는 워크피이스의 양단에 D.C.전압을 인가한다. 워크피이스가 플라즈마 토치에 가까워질 때까지 전력 공급기는 전극과 노즐 사이에 아크를 발생시킨다. 파일럿 아크로서 알려진 상기 아크는 큰 저항과 닫혀 있는 전이 스위치를 통해 전류를 흐르게 함으로써 유지딘다. 워크피이스를 절단하기 위해, 근접하게 이격된 워크피이스에 상기 아크를 전이시키면, 저항이 노즐로부터 분리되어 상기 저항은 더 이상 워크피이스 및 노즐에 평행하지 않게된다. 이러한 현상이 일어나면, 전기 아크는 상기 워크피이스가 플라즈마 토치의 플라즈마 출력부에 인접하고 있는 한, 워크피이스에 전이된다. 이 표준 플라즈마 기술은 본 명세서에 참조로서 개시된 Couch 3,641,308호와 Tatham 5,530,220호의 도 2에 도시되어 있다.
플라즈마 시스템의 전극과 워크피이스의 양단에 전압을 공급하기 위한 전력 공급기는 D.C.전력 공급기이지만, 실상, D.C.전력 공급기는 흔히 풀브리지 인버터의 출력을 정류하며 D.C.전력 공급기는 변압기의 1차 네트워크 또는 1차 권선을 통하여 반대 방향으로 신속히 스위칭된다. 맥동 D.C.출력을 생성하기 위해 정류되는 변압기의 2차 네트워크는 2개의 대향 배치된 2차 권선이며, 상기 맥동 D.C.출력은 통상 쵸크(choke)에 의해 안정된다. 이러한 D.C.출력 생성용 풀브리지 인버터는 Bilczo 4,897,522호에 개시되어 있으며, D.C.출력을 생성하는 풀브리지 인버터를 도시하기 위해 본 명세서에 통합되어 있다. 전류 흐름은 쵸크에 의해 결합되는 정류 회로를 통해 소정 극성의 출력 펄스를 생성하도록 스위칭되어 D.C.장치를 작동시킨다. 본 발명에서, D.C.장치는 플라즈마 시스템이다. Bilczo의 특허에 도시된 바와 같이, 스위칭된 1차 펄스는 대향 방향으로의 2차 펄스를 생성하는데, 그 펄스폭은 출력 전류를 제어하기 위해 조정된다. 조정 회로는 통상, 약 20-약 40kHz에서 동작하는 펄스폭 변조기이다. 또 다른 풀브리지 인버터는 본 명세서에 통합된 Bilczo 4,897,773호에 도시되어 정류 풀브리지 인버터용 출력 네트워크가 변압기의 1차 섹션에서 전류의 급속히 스위칭된 펄스에 의해 생성되는 펄스인, 정류 출력 펄스 사이에서 어떻게 프리휠링(freewheeling) 전류를 포함하는지를 나타낸다.
본 명세서에 통합된 3개의 특허는 D.C.용접에 이용되는 플라즈마 아크 토치 및 임의의 풀브리지 정류 인버터의 작동 방법에 관한 당업계의 현황을 나타내며, 상기 인버터는 본 발명에 직결되는 전력 공급기이다.
풀브리지 또는 하프브리지 인버터에 의해 동작되든지, 또는 다른 D.C.전력 공급기에 의해 동작되든지, 전이 아크형 전기 아크 플라즈마 시스템은 전극과 노즐의 단부에 플라즈마 아크 개구가 있는 노즐을 포함한다. 이 개구는 전극을 상기 플라즈마 토치의 단부 가까이에 있는 워크피이스에 노출시킨다. 토치로부터의 플라즈마 아크에 의해 워크피이스가 절단되거나 달리 처리되기 전에, 개시 순서가 채택되어 파일럿 아크가 전극의 단부와 노즐의 내면 사이에 생성된다. 이 파일럿 아크를 생성하려면, 전력 공급기를 가진 전기 직렬 회로를 만들 필요가 있다. 상기 회로를 구성하기 위해, 큰 저항이 전력 공급기의 노즐과 워크피이스 리드간에 접속된다. 플라즈마 토치를 개시하는 동안, 전압은 전술된 큰 저항을 포함하는 상기 직렬 회로 양단에 인가된다. 전류는 파일럿 아크가 플라즈마 토치에서 생성되는 즉시 상기 저항을 통해 흐른다. 별도의 저항은 노즐과 워크피이스 사이의 갭에 평행한 회로이다. 저항을 통해 흐른 전류는 파일럿 아크 동작 모드 동안 워크피이스와 노즐간에 전압을 생성한다. 상기 전압이 충분히 높고 상기 워크피이스가 토치에 충분히 가까우면, 절단 동작이 개시된다. 선택적으로 시프트된 스위치는 워크피이스와 노즐간의 평행 관계로부터 저항을 분리시켜, 파일럿 아크가 노즐로부터 워크피이스로 전이되므로써 워크피이스와 전극, 그리고 D.C.전력 공급기의 출력 단자를 가진 직렬 회로를 생성한다. 이러한 시스템은 통상, 저항 양단에 약 60V의 전압을 필요로하며, 절단 동작이 초기화될 때, 워크피이스로 파일럿 아크를 전이하기 위해서는 워크피이스가 노즐에 인접해야 한다. 큰 저항의 사용은 몇 가지 문제점을 수반한다. 그 저항값은 시스템에 열 손실을 초래한다. 그 전압은 전류×저항이다. 열 손실은 저항×전류2값이다. 저항의 사이즈는 워크피이스와 전극간의 유효 전압을 결정하기 때문에, 상기 아크에 관한 전이 동작은 항상 불변은 아니다. 실제로 예를 들어, 상기 아크는 상기 스위치가 개방일 때, 파일럿 모드에서 절단 모드로 전이되지 않는다. 대신에, 2중 아크가 워크피이스와 노즐간에, 노즐과 전극간에 생성된다. 이 2중 아크 상태는 구리 노즐에 손상을 주게 된다. 저항 양단에 약 60V의 전압만이 생성되기 때문에, 상기 워크피이스가 계속 전이 가능한 상태를 유지하면서 상기 토치로부터 이격될 수 있는 스탠드오프(standoff) 거리는 다소 제한된다. 파일럿 모드로부터 절단 모드로의 확실한 아크 전이는 상기 아크가 전이되기 전에 워크피이스와 전극간에 약 150mA의 전류를 필요로 한다는 것이 밝혀졌다. 저항 양단의 전압이 상기 전류 크기를 생성시키기에 충분하지 못한 경우, 상기 아크는 아크 전이 처리가 행해지는 동안 소멸될 수 있다. 따라서, 스위치가 개방인 경우의 전이에는 최소의 전류가 필요하므로, 병렬 저항을 분리시킴으로써 정(positive)의 아크 전이를 허용할 수 있는 충분한 전류가 존재하게 된다. 이것은 본 발명이 다루는 종래 기술의 문제점이다. 상기 플라즈마 시스템에 병렬인 저항을 통해 60V의 전압이 발생하면, 실질적인 양의 열이 생성된다. 저항 양단의 전압은 아크 전이에 대해 허용 가능한 스탠드오프 거리를 결정한다. 이것은 절단될 워크피이스가 우연히 노즐의 단부를 접촉하지 않도록 너무 근접하게 되지 않아야 하기 때문에 중요하다. 노즐과의 이러한 해로운 접촉이 발생할 가능성은 상기 전이 스탠드오프 거리를 증가시킴으로써 줄일 수 있다. 증가된 스탠드오프 거리는 상기한 단점들을 가진 저항 양단의 전압을 증가시킴으로써 달성된다.
파일럿 아크 양단에 약 150-160V의 전압은 보통이고 50-70V의 전압은 쵸크 또는 인덕터 양단의 통상적인 전압 강하이므로, 전력 공급기는 결합된 파일럿 아크와 쵸크 전압보다 큰 전압을 아크 전이를 일으킬 만한 양까지 발생시켜야 한다. 저항 양단의 전압이 100V로 증가되면, 약 300-약 350V의 전력 공급기의 출력이 요구된다. 이러한 레벨의 전압 및 전류가 흐르면, 저항 및 변압기 출력 권선은 초고용량이어야 한다. 또한, 저항 양단에 60V의 전압이 걸리는 통상의 플라즈마 시스템은 비교적 작은 거리, 즉 스탠드오프 거리에 관하여 상기 파일럿 아크를 전이시킬 수 있기 때문에, 토치를 워크피이스에 매우 근접시키고자하는 운전자의 의도에 따라 플라즈마 토치의 단부와의 맞물림 또는 접촉이 가능하다.
요약하자면, 워크피이스 및 전극과 평행으로 큰 저항을 사용하면, 아크 전이 거리에 대한 한계와 함께 열 손실이 발생한다.
전이 아크형 전기 아크 플라즈마를 작동하기 위한 종래의 시스템이 갖고 있는 또다른 문제점은 D.C.전력 공급기가 통상, 1차 교류 전류가 고속 스위칭 시스템에 의해 생성되는 인버터라는 점이다. 전류 펄스는 D.C.전력 공급기를 생성하기 위해 적당한 정류기를 구비한, 2차 권선을 가진 변압기의 1차 권선에서 이용된다. 플라즈마 기술에 흔히 이용되는 이러한 타입의 전력 공급기는 상기 변압기에 2차 권선 네트워크가 있으며, 이 네트워크에는 단일 권선이 있다. 상기 변압기는 파일럿 모드와 절단 모드 동작 동안 사용되는 단일 전압/전류 곡선을 발생시킨다. 따라서, 변압기상의 2차 권선은 몇 개의 권선이든지 단일 권선이든지간에 절충물이어야 한다. 상기 권선은 회전수가 고정된 하나의 와이어 사이즈만을 가질 수 있다. 그러므로, 이러한 2차 권선들은 최적화될 수 없으며, 특히 파일럿 모드의 동작에 있어서는 동일한 권선이 절단 모드의 동작에도 사용되어야 하기 때문에 최적화될 수 없다. 또한, 파일럿 모드 동작과 절단 모드 동작 동안 전압 및 전류를 제어하는 회로는 낮은 전류와 높은 전압 뿐만 아니라 높은 전류와 낮은 전압의 플라즈마 아크도 조정하기 위해 큰 조정 범위를 가져야만 한다. 파일럿 모드 동작에서, 전류는 약 15-약 25A의 범위에 있으며, 변압기 전압은 통상 300-350V의 범위에 있게된다. 절단 동작에 있어서, 아크 전이시에 전류는 약 50A 가량 증가되고 변압기 전압은 약 250V 가량 감소된다. 그 결과, 이제는 다소 실용되는 플라즈마 시스템 구동용 A.C.동작 인버터 변압기의 출력은 높은 전압과 낮은 전류로 동작하는 파일럿 모드 동작과 높은 전류와 낮은 전압으로 동작하는 전이 아크 모드 동작간의 절충물이어야 한다. 상기 출력의 2중의 용도는 별개의 단점을 제공하고 상기 2개 모드의 동작을 제어함에 있어 복잡성을 증가시킨다. 그러므로, 인버터의 출력에 실질적으로 서로 다른 2개의 별도의 전압/전류 동작 영역을 필요로 하는 단일 권선 변압기 기술을 사용하는 종래의 시스템은 파일럿 아크 동작과 전이 아크 동작 모두에 매우 적합한 것은 아니다. 이러한 종래의 시스템은 또한 큰 병렬 저항 때문에 비교적 낮은 스탠드오프 거리 또는 전이 거리와 비교적 높은 열 손실을 가진다. 이 때문에, 고가이고, 복잡하며 사이즈 및 중량이 크다.
본 발명은 전이 거리, 즉 스탠드오프 거리를 증가시켜 파일럿 모드에서 절단 모드로 아크를 신속히 전이할 수 있고, 종래의 시스템의 비효율적인 병렬 저항을 필요로하지 않는 전기 아크 플라즈마 시스템을 작동하는 시스템에 관한 것이다. 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.
도 1은 본 발명이 추구하는 종래 기술에 대한 개략적인 배선도.
도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대한 개략적인 배선도.
도 3a는 파일럿 아크와 절단 아크 동작 모드를 요구하는 동작 영역을 나타내는 전압 전류 그래프.
도 3b는 도 1에 도시된 종래 기술에 사용된 단일 전압/전류 특성 곡선을 갖는 도 3a에 도시된 것과 같은 동작 영역을 나타내는 전압 전류 그래프.
도 3c는 도 2에 도시된 본 발명에 대한 바람직한 실시예로 발생될 때, 2개의 분리된 전압/전류 특성 곡선을 나타내는 도 3b와 유사한 전압 전류 그래프.
도 4a는 단일 전압/전류 동작 곡선을 갖는 본 발명의 종래 기술의 2가지 동작 모드간의 제어 전이를 나타내는 도 3b와 유사한 전압 전류 그래프.
도 4b는 본 발명에 대한 바람직한 실시예의 제어 이동 특성을 나타내는 도 4a와 유사한 전압 전류 그래프.
도 4c는 도 4a에 도시된 종래 기술의 제어 전이와 도 4b에 도시된 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 제어 전이 사이의 기능적 차이를 나타내는 개략적인 도면.
도 5는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 전류 감지 특성과 파일럿 아크와 절단 아크 사이의 이동에 사용되는 전류 분류기의 제2 구성을 나타내는 개략적인 배선도.
도 6은 도 5에 도시된 본 발명에 대한 실시예의 스탠드오프 특성을 나타내는 도면.
도 7은 개략적으로 도시된 권선을 갖는 본 발명에 대한 실시예에 사용되는 인버터 전이에 대한 개략적인 도면.
도 8은 확대된 금속 시트를 형성하는데 있어서 연속하는 금속 성분을 절단하기 위한 본 발명의 개략적인 사용을 나타내는 측입면도.
도 9는 실제로 종종 사용되는 대향하여 극형성된 2개의 권선으로 도시된 2차 권선 네트워크를 갖는 바람직한 실시예를 나타내는 도 5와 유사한 개략적인 배선도.
도 10a와 도 10b는 도 9에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예의 동작 특성을 나타내는 간략화된 개략적인 배선도.
도 11은 도 10a와 도 10b에 도시된 본 발명의 실시예의 동작을 나타내는 펄스도.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변형을 나타내는 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
14 : 팁
20 : 노즐
30 : 워크피이스
40 : 저항 장치
42 : 분류기
44 : 유도자
54,56 : 2차 권선
60,62 : 다이오드
본 발명에 따라, 전극을 근접하게 이격되어 절단 또는 달리 처리될 워크피이스에 노출시키는 플라즈마 아크 개구를 가지며, 전극과 노즐을 포함하는 플라즈마 시스템이 제공된다. 이 새로운 시스템은 입력 스테이지로서 스위칭된 D.C.전력 공급기를 가지는 풀브리지 인버터의 출력에 사용되는 형태의 출력 변압기를 이용한다. 상기 변압기는 변압기의 1차 권선 네트워크를 통해 전류의 반대 극성의 펄스를 통과시킴으로써 구동되는 1차 권선 네트워크 및 2차 권선 네트워크를 포함한다. 2차 권선 네트워크에 의해 구동되는 제1 회로 수단은 전극과 노즐 양단에 파일럿 아크를 생성하는데 사용된다. 2차 권선 네트워크에 의해 구동되는 제2 회로 수단은 전극과 워크피이스 양단에 플라즈마 아크를 생성하는데 사용된다. 스위칭 수단은 상기 제1 회로 수단과 상기 제2 회로 수단간에 선택적으로 스위칭된다. 지금까지 설명한 바와 같이, 새로운 플라즈마 시스템은 핵심적으로는 종래 기술에 사용되는 시스템이다. 본 발명에 따라, 이러한 종래의 플라즈마 시스템은 제1 회로 수단을 구동하는데 효과적인 제1 회전수를 가진 1차 권선 수단과 제2 회로 수단을 구동하는데 효과적인 제2 회전수를 가진 2차 권선 수단을 포함하도록 2차 권선 네트워크를 변경함으로써 개선된다. 효과적인 제1 및 제2 회전수는 파일럿 모드와 절단 모드 동안 전압/전류 동작 곡선이 달라지므로, 역시 달라질 수 있다. 효과적인 회전수는 상기 시스템의 2차 권선에서의 회전이 변압기의 출력에서 소정의 전압/전류 곡선을 생성하는 회전수로 제공됨을 나타낸다. 본 발명은 2차 권선 네트워크라는 표현을 사용함으로써 설명될 수 있으므로, 변압기의 제2 네트워크 또는 2차 권선으로 선택된 특정한 구조는 중요하지 않다. 본 발명의 기본 개념은 2개의 별개 권선이 파일럿 모드의 동작에 최적인 1차 권선과 절단 모드의 동작에 최적인 2차 권선을 가진 플라즈마 시스템을 구동하는데 사용된다는 것이다. 이러한 개념을 이용하여, 상기 플라즈마 시스템은 파일럿 모드 동작 동안에는 높은 전압, 낮은 전류 영역에서 동작될 수 있고, 절단 모드 동작 동안에는 낮은 전압, 높은 전류 영역에서 동작될 수 있다. 그러므로, 상기 시스템이 절충될 필요가 없으며, 시스템이 파일럿 모드와 절단 모드간에 시프트될 때, 전력 공급기의 제어 장치를 복잡하게 할 필요도 없다.
본 발명을 이용하면, 출력 권선이 최적화될 수 있어서, 파일럿 모드 동작을 위한 2차 권선은 높은 전류의 절단 모드 동작을 위한 큰 권선에 대해 상대적으로 작게 될 수 있다. 실제로, 14-16게이지와 같은 작은 와이어가 파일럿 아크를 생성하기 위한 회로 수단에 접속되는 2차 권선에 사용된다. 무거운 게이지 구리 리본이 절단 모드 동작에 사용되는 회로 수단을 구동하는 2차 권선으로서 사용된다. 본 발명을 이용함으로써, 낮은 회전 비율로 절단에 이용되는 권선을 사용할 수 있다. 그러므로, 작은 1차 전류가 특정한 절단 전류를 제공하는데 필요하다. 실제로, 1차 전류 대 2차 전류의 비로서, 파일럿 회전비는 26:26이고 절단 회전비는 26:24이다. 이러한 비율은 2개의 출력 곡선이 실질적으로 상이하게 하는 약 25V의 전압차를 야기한다.
워크피이스로 노즐을 더욱 높이면, 스탠드오프를 증가시키는 전압이 발생되어 아크 전이 거리를 더욱 크게할 수 있다. 시스템에 저항이 없으면, 전력 손실 및 열 발생은 현저하게 감소된다. 변압기의 2차 권선에 2개의 별개의 권선을 사용함으로써, 전이 거리를 더욱 커지게 하는 높은 전이 전압이 생성될 수 있다. 제공된 제어 장치는 각 모드의 동작에 각각 2차 권선이 개별적으로 제공되는 구조에 의해 결정되는 2개의 별도 영역에서의 동작에 이용될 수 있다. 그 결과, 상기 제어 장치는 파일럿 아크와 절단 아크의 2중 기능을 수행하는 단일 출력 권선 네트워크를 제어하는데 필요한 큰 제어 범위를 가질 필요 없이 통상의 중간 범위에서 동작될 수 있다.
플라즈마 시스템에 뚜렷하게 분리된 두 개의 2차 권선을 사용하면 하나의 전압/전류 동작 영역에서 다른 전압/전류 동작 영역으로 즉각적으로 이동시킬 수 있다. 따라서, 파일럿 아크 및 절단 아크는 뚜렷하게 분리된 최적 전압/전류 커브로 제어된다. 단일 전압/전류 커브는 파일럿 동작 모드와 절단 동작 모드 사용에 요구되지 않는다. 이러한 제어의 장점은 파일럿과 절단 모드 사이를 이동하는 속도를 증가시킨다. 또한 이 제어 장비는 상대적으로 복잡하지 않으며, 파일럿 아크와 절단 사이의 반응 시간을 감소시킨다.
본 발명을 사용함으로써, 플라즈마 토치를 절단할 워크피이스에 더 가깝게하기 때문에, 절단을 빠르게 실시할 수 있다. 또한, 상대적으로 원거리로 전달할 수 있다. 더욱 원거리로 전달하는 이러한 기능은 절단 동작에 매우 유용하고, 확장된 금속처럼, 이 확장된 금속을 따라 이동된 플라즈마 토치는 파일럿 아크 모드와 절단 모드 사이를 빠르게 이동해야 한다. 본 발명에 의해 이러한 동작이 실시되며, 본 발명은 더 큰 스탠드오프 거리와 빠른 아크 전이를 가능하게 한다.
또한, 스탠드오프 전압은 300볼트 이상으로 증가시킬 수 있다. 종래의 시스템에 대체로 사용된 60볼트와 비교해 볼 때, 스탠드오프가 증가되고, 본 발명을 사용함으로써 아크 전이가 용이하게 증가될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 측면에 있어서, 파일럿 모드에서 절단 모드로 전환시키는 스위치를 갖는 2개의 분리된 2차 권선을 사용하는 것은 작업 전류를 측정하고 감지함으로써 제어될 수 있다. 작업 전류가 어떤 레벨에 도달하게 될 때, 아크 전이는 전이 스위치를 개방함으로써 발생된다. 이러한 전류 레벨은 워크피이스을 절단 토치 방향으로 이동시킴으로써 증가된다. 물론 워크피이스을 멀리 이동시킬 때, 이러한 전류 레벨은 감소하게 된다. 감지된 전류 레벨이 소정치 이상이 될 때, 전이 스위치는 아크를 워크피이스에 전달하도록 개방된다. 아크 길이가 증가하기 때문에, 전압은 전이가 동일한 전압과 전류를 전달할 수 없는 부분으로 증가될 것이다. 이때, 출력 전류는 감소하고, 전이 스위치는 폐쇄되며, 따라서 파일럿 동작 모드를 재가동하게 된다. 동작 모드 사이를 전후방으로 전환시키는 이러한 자동 스위칭은 본 발명의 회로 수단의 전류 분류기(shunt)를 이용함으로써 본 발명의 다른 측면에 따라 편리하게 달성된다.
본 발명의 일차적인 목적은 전기 아크 플라즈마 장치를 동작시키는 시스템과 방법을 제공하는데 있으며, 이러한 시스템 및 방법은 병렬 저항기를 필요로하지 않으며, 높은 스탠드오프 거리를 생성하고, 빠른 아크 전이 능력을 갖는다.
본 발명에 따른 다른 목적에 있어서, 2개의 분리된 출력 권선 또는 2차 권선은 전기 아크 플라즈마 토치를 작동시키는 시스템과 방법에 사용된다. 2개의 권선은 파일럿 모드와 절단 모드에서 동작을 최적화하는 시스템과 방법을 가능하게 한다. 이러한 방법으로, 각 동작 모드의 중간 영역에서 동작하고 전환되는 양측 모드에서 동작하지 않도록 전압/전류 제어 장치를 설계할 수 있다. 따라서, 플라즈마 장치는 전압/전류 그래프의 두 영역에서 동작하고, 이 두 영역은 상이한 출력 권선의 뚜렷하게 분리된 특성 곡선에 의해 결정된다.
본 발명의 다른 목적은 파일럿 아크와 절단 아크 사이를 이동시키는 분리된 전류 감지 배열장치를 사용하는 시스템이고, 이 시스템은 워크피이스이나 워크피이스로 아크 전이를 위한 타이밍을 매우 정확하게 제어하는 것이 가능하다. 본 발명에 따라, 아크 전이의 정확한 단계를 선택할 수 있고, 각 측정되거나 감지된 전류에 따라 스위치를 동작시킴으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기된 시스템과 방법을 제공하는 것이고, 이 시스템과 방법은 더 큰 스탠드오프 거리가 가능하도록 파일럿 아크 모드동안 워크피이스 전압에 높은 노즐을 인가 가능하다.
본 발명의 다른 목적은 상이한 전압/전류 특성 곡선을 갖는 주 모드 또는 절단 모드와 파일럿 아크에 전력을 공급하는 단일 전원을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 상기된 시스템과 방법을 제공하는 것이고, 이 시스템과 방법은 출력 권선이 플라즈마 장치의 분리된 동작 모드를 제어하도록 상이한 규격의 전선과 상이한 크기의 출력 권선을 사용가능하게 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기된 시스템과 방법을 제공하는 것이고, 이러한 시스템과 방법은 파일럿 아크와 절단 아크 동작을 위한 2개의 분리된 권선을 이용하고, 아크 전이 처리 과정중 전류 제어를 하고, 아크 전이를 위한 스탠드오프 거리를 증가시킨다.
이러한 다른 목적과 장점은 계속되는 도면을 통해 명백해진다.
언급된 도면은 본 발명을 제한 하려는 것이 아니라 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 나타내기 위한 것이다. 도 1은 본 발명이 추구하는 종래의 기술을 나타내고, 여기서 플라즈마 시스템 A는 전극 팁(14)에 워크피이스를 배치한 아크 개구(22)를 갖는 노즐(20) 내에 장착된 팁(14)을 갖는 표준 전극(12)을 갖는 플라즈마 토치(10)를 포함한다. 파일럿 아크 P는 전극과 노즐 사이에 생성되고, 실제로 대략 150 내지 160볼트인 전압 Va를 갖는다. 시스템 A 동작동안, 워크피이스(30)은 노즐(20)로부터 이격된다. 워크피이스과 노즐 사이의 전압 Vw는 저항 장치(40)를 통해 도통되는 파일럿 아크 전류 Ip로부터 생성된다. 저항 장치(40)는 워크피이스(30)과 노즐(20)사이에 병렬로 연결되고, 스위치 SW를 폐쇄시킴으로써 직렬 회로에 생성된다. 전류 Iw는 워크피이스 전류이고, 이 워크피이스가 노즐에 근접할 때 도통되며, 분류기(42)에 의해 측정된다. 전체 전류 흐름 Ir은 파일럿 아크 전류 Ip+ 워크피이스 전류 Iw이다. 유도자(44)는 전원(50)으로부터 플라즈마 시스템으로의 입력 펄스 사이에 전류 흐름을 유지한다. 도시된 종래의 기술에 있어서, 전원(50)은 전 전교 인버터(全電橋:full bridge inverter)이고, 대향하여 극형성된 2차 권선(54, 56)에 출력 펄스를 생성하기 위해 구동 전이 T를 위한 1차 권선(52)을 갖는다. 전 전교 정류기는 4개의 2차 권선을 포함하지만, 본 발명을 설명하기 위해 2차 권선의 수와 2차 권선의 구조는 중요하지 않다. 펄스는 2차 권선(54, 56)에 펄스를 생성하기 위해 1차 권선을 통해 설정된다. 한 방향의 전류 펄스는 1차 권선(52)을 통과할 때, 대향하는 극성의 전류 펄스는 분리된 2차 권선(54, 56)에서 생성될 것이다. 다이오드(60, 62)는 워크피이스(30)와 토치(10)에 연결될 때, 전원에 D.C. 동작을 제공하는 전류 펄스만을 통과시키도록 이격된 출력 전류 펄스를 정류한다. 동작시, 파일럿 아크 P는 대략 150볼트의 전압을 갖는다. 스위치 SW는 아크를 워크피이스(30)에 전달하도록 개방된다. 저항 장치(40)를 가로지르는 전압은 전압 Vw이고, 노즐과 워크피이스 사이의 전압과 동일하다. 실제로, 저항 장치(40)를 가로지르는 전압은 대략 60볼트이다. 따라서, 이러한 실시예에 있어서, 워크피이스(30)와 전극(12) 사이의 전압은 대략 210볼트가 된다. 실제로, 유도자는 대체로 전극과 변압기 T 사이에 포함된다. 이러한 실시예에 있어서, 전압은 권선 내에 분리되고 이격된 출력 펄스 사이에 파일럿 아크를 유지시키도록 유도자를 가로질러 생성될 것이다. 절단 동작을 실시하기 위해, 스위치 SW는 적어도 60볼트가 워크피이스와 노즐 사이에 인가될 때 개방된다. 60볼트가 아크 전이에 이용되고, 이 아크 전이는 상대적으로 노즐(20)로 부터 가깝게 이격된 워크피이스(30)를 갖고 성취될 수 있다. 이러한 것이 본 발명이 추구하는 종래 기술의 일반적인 동작이다. 종래 기술과 바람직한 실시예의 전원은 많은 일반적인 구조를 갖을 수 있다. 또한 이것은 여러 가지 출력 권선 배열을 갖고 전 전방(full forward) 또는 반 전방(half forward)이 될 수 있다.
도 2는 플라즈마 시스템 B를 나타내며, 본 발명에 따른 제1 실시예에 따라 구성되고, 제1 2차 회로 수단(100)은 전극(12)과 노즐(20) 사이에 파일럿 아크를 생성하여 유지하는데 사용된다. 이러한 2차 회로 수단은 출력 변압기 (110)의 코어상에 자신의 분리된 2차 권선(102)을 포함하고, 정류 다이오드(112)와 프리휠링 다이오드(150)을 포함한다. 실제로, 하나 이상의 권선이 이 회로에 사용되고, 이 권선은 변압기(110)의 입력이 인버터에 의해 반대 방향의 전류 펄스에 의해 펄스화될 때, 제어된 극성 내의 정류된 펄스를 이산 발생시키기 위해 대향하여 극성된다. 단일 권선만 간략하게 도시한다. Bilczo 4,897,522와 Bilczo 4,897,773은 적절한 권선 배열을 도시한다. 권선은 파일럿 아크를 생성하고 유지하기 위해 필요한 높은 전압을 제공하기 위해 다수의 회전을 갖는다. 도 3c와 도 4b는 전압/전류 곡선의 특정 영역의 시스템 B의 동작을 도시한다. 스위치 SW1은 트랜지스터나 IGBT(120)로서 도시된다. 스위치 SW1은 폐쇄될 때, 회로 수단(100)은 전극과 토치(10)의 노즐과 직렬이 된다. 이러한 방법으로, 파일럿 아크는 권선이나 복수의 권선(102)으로부터 이용할 수 있는 전압에 의해 생성될 수 있다. 분류기(132)는 전체 전류 IA를 측정하고, 조절하는데 사용된다. 분류기(130)는 파일럿 전류를 감지하는데 사용된다. 쵸크나 유도자(140)는 이격된 입력 펄스와 변압기(110)의 이격된 출력 펄스 사이의 구간 동안 파일럿 아크를 유지하기 위해 전류 흐름을 유지한다. 동작시, 스위치 SW1는 변압기(110)가 2차 권선(102)에 전류를 통할 수 있도록 근접된다(2개의 권선(102)이 바람직함). 권선(102)의 전류 펄스는 전극과 노즐 사이의 갭을 가로지르고 유도자나 쵸크(140)를 가로질러 전압을 생성한다. 실제로, 파일럿 아크 전압은 대략 150볼트가 되고, 쵸크(140)는 대략 50볼트 전압을 갖는다. 따라서, 권선(102)의 출력은 대략 200볼트가 된다. 만일 워크피이스(30)가 절단되면, 워크피이스는 토치(10)로 근접하게 이동한다. 이러한 근접도는 스위치 SW1을 개방하기 위해 분류기(130,132)의 전류에 의해 감지되고, 제2 회로 수단(200)에 전류를 통한다. 이러한 제2 전류 수단은 2차 권선이나 복수의 2차 권선(202), 정류 다이오드(204) 및 프리휠링 다이오드(206)를 포함한다. 스위치 SW1이 개방될 때, 2차 권선이나 복수의 2차 권선(202)을 가로지르는 전압은 아크를 워크피이스(30)에 즉각적으로 전달하도록 이용가능하다. 콘덴서(210)는 워크피이스에서 전극으로 전류가 흐르지 않을 때, 즉 워크피이스(30)가 위치를 떠날 때, 피크 전압을 유지한다. 본 발명에 따라, 워크피이스(30)를 통하는 전류 흐름은 파일럿 아크 분주기의 전류 흐름을 제외한 분류기(132)의 전류 흐름이 된다. 본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 워크 전류 Iw는 이러한 특정 전류를 측정하기 위해 각각 분주기를 갖지 않고 간접적으로 측정된다. 후에 설명되는 것처럼, 워크피이스 전류는 스위치 SW1을 개방시킴으로써 아크를 전달 가능하게 하는 적절한 상태를 표시한다.
도 3a 내지 도 3c와 도 4a 내지 도 4c에 도시된 전압/전류 그래프는 도 1에 도시된 종래 기술과 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예와의 차이점을 나타낸다. 모든 그래프는 파일럿 아크 동작의 X영역과 절단 아크 동작의 Y영역을 포함한다. 본 발명에서 유도된 동작의 두가지 모드에서 사용되기에 적절한 동작의 영역이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 영역 X는 파일럿 아크에 대한 고전압과 저전류로서 특성지어진다. 영역 Y는 저전압과 고전류로 특성지어진다. 이 영역은 절단 동작을 제한하는 동작 상태에 있다. 도 3b에서는 선행 기술 시스템의 단일 특성 커브(230)가 도시된다. 단일 권선(54,56)이 사용되기 때문에, 단일 특성 커브(230)는 영역 X 및 Y를 가로지르도록 설계되어 생성된다. 이 단일 특성 커브는 영역 X나 Y 모두에 최적으로 필요한 것은 아니다. 도 3c에서와 같이, 권선(102)에 대한 특성 커브는 회로 수단(100)에 대한 커브(232)이다. 이 커브는 시스템 B에 대한 동작의 파일럿 모드에서 영역 X에 적당하다. 특성 커브(234)는 회로 수단(200)에 대한 권선(202)에 의해 개발되고 영역 Y에 대해 적격이다. 도 4a 내지 4c에서, 영역 X,Y내 제어 포인트(250,252)는 동작의 파일럿 모드나 동작의 절단 모드가 각각일 때 제어 기구로 선택되는 동작 포인트이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 포인트(250)에서 포인트(252)로 시프팅되는 것은 라인(260)을 따라서이다. 그래서, 도 1의 스위치 SW가 개방되면, 제어 장치는 라인(260)을 따라 포인트(250)에서 포인트(252)로 시스템 A의 동작을 시프팅한다. 제어 장치의 동일한 동작은 도 2에 도시된 바와 같이 시스템 B의 스위치 SW1이 개방될 때 발생한다. 이는 도 4b에 도시된다. 그러나, 본 발명과 선행 기술사이의 장점은 계략적으로 도 4c에 도시된다. 시프트가 동작 포인트(250)에서 동작 포인트(252)로 만들어 질 때 변압기 출력은 간격(262)로 점프하여 포인트(252)로 전류 제어 장치에 의해 점차적으로 시프트된다. 전류 제어 장치가 즉각적으로 포인트(250)에서 포인트(252)로 시프트되는 선행의 기술로부터 구별되고 간격은 치수(264)로 도시된다. 본 발명의 시프트 치수(263)는 실질적으로 선행 기술의 치수(264)보다 적다. 결과적으로, 본 발명의 사용에 의해 라인(260)을 따라 제어 포인트의 즉각적인 점프를 하고 포인트(252)로 점차적으로 시프트한다. 선행의 기술은 전체 거리 라인(260)을 따라 동작하기 위해 제어 장치를 필요로 한다. 도 4a 내지 도 4c에 도시된 그래프는 사실상 계략적인 것이고 본 발명을 사용할 때 플라즈마 아크 시스템의 동작을 제어하는 장점을 이해하는 목적이 있다. 실제적인 전류 제어 장치는 본 발명의 일부가 아니다. 파일럿 아크 모드와 절단 모드에 대한 권선을 구별하는 용법은 상이한 전압/전류 커브를 갖는 시스템의 다음의 동작에서 명확한 장점을 갖는다는 것을 알수 있다.
동작의 파일럿 아크 모드와 동작절단 모드사이에서 시프트를 제어하기 위해 워크피이스 전류의 간접적인 측정은 도 2에 도시된 바와 같이 시스템 B에서 사용된다. 워크피이스 전류 IW의 더욱더 직접적인 사용은 시스템 C가 워크피이스 전류 센서에 의하고 이전의 도시된 아크 분류기(130)에 의해 제어되는 전류 응답 스위칭 회로(300)를 포함하는 도 5에 도시된다. 회로(300)는 분류기(302)에서 워크 전류가 주어진 레벨상에서 감지될 때 스위치 SW1은 개방된다. 스위치가 페쇄되면, 분류기(130)의 전류가 저감할 때 파일럿 아크 모드를 재복구한다. 회로(300)는 위크 전류 IW를 나타내는 제1 입력(312)을 갖는 고이득 동작 증폭기(310)에 의해 목적을 달성한다. 라인(314)에서 스탠드오프 기준 신호는 라인(312)내의 전압 신호를 증폭기(310)의 출력을 제어하는데에 비교된다. 증폭기가 논리 1을 발생하면, 스위치 위치(320)는 스위치 SW1를 개방하는 출력(322)에서 신호를 발생하기 위해 토글된다. 이는 파일럿 아크를 끄고 즉각적으로 아크를 변환한다. 워크 전류를 측정하는 것에 의해 시스템 C는 워크피이스(30)가 적당한 위치에 있고 변환 아크를 유지하기에 충분할 정도로 폐쇄될 때 검출한다. 이것은 실제적인 워크피이스 전류의 직접적인 측정이고 회로 수단(100)에서 회로 수단(200)으로 토치(10)의 동작의 정확한 시프트를 주기위해 라인(314)에서 기준 전압이나 문턱 전압에 의해 정확하게 제어된다. 워크피이스를 제거함에 따라서, 전류 IA는 변압기의 기능으로서 감소되고 전류는 분류기(130)에 의해 측정되거나 감지되는데 분류기는 아크 전류를 나타내는 전압과 같이 고이득 동작 증폭기(330)을 제어한다. 라인(334)에서 기준 전압 신호는 분류기(130)에서 전류가 문턱 전압치보다 감소될 때 스위치 SW1이 동작되는 라인(324)에서 신호를 발생하기 위해 토글 위치(320)로 동작 증폭기(330)의 출력에서 논리 1을 야기한다. 이러한 방식으로, 아크의 변환은 워크피이스의 위치에 의해 결정된다. 워크피이스가 토치쪽으로 이동됨에 따라서, 아크는 변환된다. 워크피이스가 토치로부터 이동됨에 따라서, 아크는 파일럿 아크 모드로 다시 시프트된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 기준 라인(314)에 대한 전압 레벨은 일반적인 표현 방법으로 도시된다. 실제적으로 사용함으로서 절단되도록 시프트를 실행하는 일반적인 구성을 도시하기 위해 기준은 파일럿 아크에 대한 28암페어에서 동작되는 시스템의 동작의 라인을 표시하는 라인(340)를 만든다. 회로(300)는 토치와 워크피이스(342)가 선택되는 것 사이의 0.30 간격에서 절단 모드로 시프팅되도록 조절된다. 라인(314)의 기준은 원크 전류 IW에 대한 약 1.7암페어로 조절된다. 이 워크피이스 전류가 증폭기(310)에 의해 검출될 때 스위치 SW1는 제1 회로 수단(100)에서 제2 회로 수단(200)으로 절단 동작을 개시하기 위해 시프트되도록 개방된다. 실제적으로, 아크는 2암페어보다 더 적은 값에서 변환된다. 파일럿 아크 전류의 28암페어에서, 도 1에 도시된 바와 같이 Ir에 의해 유지되고 변환 거리나 스탠드오프는 0.30인치보다 약간 작다. 라인(314)에서 저전이 포인트는 더 큰 스탠드오프 거리를 허용하지만 고전압 VW를 필요로한다.
도 7에 도시된 변압기(110)는 1차 권선 P1/P2는 권선(350)으로 도시되고, 도 2 및 도 5에서 입력 권선으로 도시된다. 파일럿 아크 회로 수단(100)에 대한 제2 권선(102)은 동작의 파일럿 모드에 대한 저전류 및 고전압을 발생하기 위해 변압기(110)의 코어(110a)상에서 둘러싸여진 비교적 얇은 와이어이다. 전체 브릿지 인버터가 사용되어, 두 개의 분리 권선(SP1,SP2)이 사용된다. 이 와이어는 도 9에 도시된 바와 같이 대향 배치된다. 이러한 방식으로 두꺼운 제2 권선(202)은 도 9에 도시된 바와 같이 대향 배치된 권선(S1/S2)을 포함한다. 회로 수단(100)에서 사용되는 다수의 권선은 도 7에서부터 이해될 것이고 회로 수단(200)은 변압기의 입력 네트워크와 전원에 의해 설명된다. 본 발명은 분리 동작 모드에 대한 두 개의 별개의 권선 네트워크의 사용을 포함한다. 그러나 네트워크에서 권선의 수와 배열은 다양할 것이다.
도 8은 이격된 소자(362)를 갖는 확장된 금속 시트(360)를 절단하기 위해 플라즈마 토치(10)의 사용을 설명한다. 노즐이 소자(362)를 오버할 때 간격 z는 비교적 짧다. 그러므로 분류기(302)에서 전류는 라인(314)에서 스탠드오프 전압에 의해 결정되는 문턱 전압을 넘어서 중가된다. 간격 z가 도 5 및 도 6에 관련하여 설명된 선택된 스탠드오프 거리보다 작으면, 아크는 워크피이스나 소자(362)를 절단하기 위해 변환된다. 소자(362)를 통과한 후에, 간격 z는 무한대로 되고, 분류기(130)의 전류는 감소하며 파일럿 아크는 도 5에서 회로(300)의 동작에 의해 설명된 바와 같이 유지된다. 확장된 금속 시트(360)을 통해서 토치의 빠른 이동이 반복되고 회로(300)의 분류기(130,302)에 의해 감지되는 토치(10)에 관한 워크피이스의 위치에 의해 설명된 절단 모드와 파일럿 모드로 아크의 변환에 의해 정확하게 제어된다. 이것은 선행의 기술을 통한 장점이고 매우 정확한 아크 변화에 의해 인정된다. 본 발명의 관점은 전류 감지 수단이 파일럿 모드와 절단 모드사이에서 시프트를 허용하는 도 1에 도시된 선행의 기술에서 실행된다.
본 발명의 또 다른 관점은 시스템 C가 시스템 D를 발생하도록 변경되는 도 9 내지 도 11에서 설명된다. 이 시스템에서, 두 개의 대향 배치된 권선(102,202)은 각각 플라즈마 2차 권선 SP1,SP2,SC1,SC2으로서 계략적으로 설명된다. 병렬의 두 개의 대향 배치된 2차 권선의 사용법은 일반적인 인버터 컨셉트로서 설명된다. 본 발명은 동작 전류를 발생하기 위해 필요한 변압기 권선의 세세한 것에 의존하지 않는다. 인버터 전원은 정격 전류 Lr을 제어하는 변화된 길이를 갖는 2차에서 펄스를 제공한다. 시스템 D에서, 프리휠링 다이오드(150,206)은 제거되어 프리휠링 전류는 도 2에 도시된 바와 같이 1차 권선(350)에서 발생하여 흐른다. 파일럿 아크 권선 SP1. SP2는 대향 배치된 정류기 다이오드(220) 및 완충기 회로(230)을 포함한다. 절단 권선 SC1,SC2는 시스템 D가 파일럿 모드에서 동작할 때 아크 변환을 위해 1차(350)의 사이클을 오프하는 동안 워크피이스와 노즐사이에서 고전압을 저장하는데 사용되는 저장 캐패시터(242)와 같이 특정 완충 회로(240)와 같은 대향 배치된다. 캐패시터(242)를 사용함에 따라서, 회로(200)는 약 340볼트의 노즐 전압에 높은 워크피이스을 생성한다. 피크 전압은 권선(350)에서 1차 전암이 오프될 때 1차 프리휠링과 같은 푸쉬-풀 변압기의 펄스사이에서 존재한다. 노즐 전압의 평균 워크피이스는 약 200볼트이다. 다이오드 완충 회로(240)는 1차가 오프 타임이고 워크피이스를 노즐 전압으로 최대화하는 동안 에너지를 저장한다. 1차가 온될 때 파일럿 아크는 파일럿 권선 SP1,SP2에 의해 유지된다. 이것이 발생하면 파이럿 권선은 실제적으로 약 250볼트의 전압을 발생하여 인덕터(140)를 지나서 파일럿 아크와 전압사이에서 나누어진다. 파일럿 아크 전압은 약 160 볼트이고 쵸크나 인덕터 전압은 약 125볼트이다. 절단 권선은 개방 회로 전압이 권선 SC1,SC2에서 야기되는 완전한 회로를 갖지 않는다. 이 권선은 약 25%정도 되는 약 275볼트의 오버슈트(overshoot)를 발생한다. 이 전압 오버슈트 피크는 캐패시터(242)를 약 340볼트로 충전한다. 캐패시터 전압은 워크피이스와 노즐사이에서 약 50-60볼트를 생성하는 파일럿 아크 전압(160 볼트)과 쵸크 전압(125 볼트)과 같이 직렬이다. 1차 전압이 꺼지면, 파일럿 회로(100)내에 흐르는 전류는 출력 쵸크(140)에서 저장된 에너지에 의해 유지될 것이다. 전류는 매우 작은 전압 강하와 같이 파일럿 권선 SP1,SP2를 통해 흐르는 것을 계속할 것이다. 변압기의 1차면상의 클램프 다이오드는 2차 회로로부터 생성된 모든 전류를 프리휠링함으로서 1차 전압을 제한한다. 160볼트 파일럿 아크는 유지되고 -160볼트는 출력 쵸크(140)를 통해 나타날 것이다. 변압기 권선 SP1,SP2는 이 상태동안 제로 볼트로 클램프되지만, 절단원은 340볼트를 발생한다. 이 전압은 인버터의 상태에서 동안 충전되는 완충 캐패시터(242)이다. 어떤 전류 경로도 절단 회로(200)에서 존재하지 않고 캐패시터(242)는 방전되지 않는다. 절단 다이오드 D1,D2는 프리휠링 전류를 실행하지 않는다. 파일럿원 전압은 제로에 가까워져서 노즐 전압으로 워크피이스는 캐패시터(242)상의 전압과 동일하고 340볼트의 노즐 전압에 워크피이스를 발생한다.
입력 펄스가 초당 수백 펄스만큼 높은 비율이어서 동작의 파일럿 아크내에서 발생하는 출력 펄스사이에서 프리휠링 기간이나 단계이다. 본 발명의 장점은 대표 전압을 사용하여 도 10a 및 도 10b와 관련하여 설명될 것이다. 스위치 SW는 폐쇄되고 파일럿 아크 P가 설정되면 도 10a에 도시된 바와 같이 파일럿 아크는 실제적으로 약 160볼트의 전압을 갖는다. 인덕터(140)는 140볼트의 대표 전압을 갖는다. 결과적으로 2차 펄스가 권선(102)에서 야기될 때 권선(102)을 통한 전압은 약 300볼트이다. 회로 수단(200)의 권선(202)을 가로지르는 개방 회로 전압은 도 9에 도시된 바와 같이 피크 전하 캐패시터(210)나 완충 캐패시터(242) 340볼트로 회전시 25%의 오버슈트를 갖는 약 275볼트이다. 이 전압과 같이 노즐 전압에 워크피이스는 약 60볼트이다. 출력 펄스가 입력 펄스의 중지에 의해 정지될 때 회로 수단(100)은 프리휠링을 시도한다. 그러나 도 5에 도시된 다이오드(150)는 권선(102)으로부터 제어된다. 결과적으로 회로 수단(100)의 프리휠링은 권선(102)을 통해 발생하여 약 10볼트의 전압 하강을 발생하고 권선(350)과 같이 변압기 코어(110a)와 결합한다. 프리휠링 단계동안 전류는 쵸크(140)에 의해 유지된다. 이는 쵸크를 통해서 나타나는 -160볼트를 야기한다. 권선(102)을 통한 강하는 10볼트이고 잔여 150볼트는 노즐과 전극을 통해 나타난다. 캐패시터(210)는 온 상태에서부터 충전되고 권선(102)은 이것을 통해 약 10볼트를 갖는다. 이는 약 310볼트의 노즐 전압으로 워크피이스를 생산한다. 결과적으로 동작의 파일럿 아크 모드동안 극히 높은 전압은 워크피이스와 노즐사이에서 공급된다. 이 공정은 1차 전류 펄스 P가 오프될 때 고전압 펄스(360)가 출력 펄스사이에서 생성되는 도 11에서 설명된다. 펄스(360)의 비율은 몇 KHZ이다. 이 공정은 도 11에 도시되고 스위치 SW가 폐쇄되는 한 계속된다. 스위치가 절단 모드에서 아크를 변환하는 목적으로 개방될 때 고전압은 아크 변환 공정을 이용할 수 있다. 이는 종래의 기술에서 실질적으로 발전한 것이고 아크의 변환은 워크피이스로 개선한다. 노즐 전압의 높은 위크피이스는 0.5인치이상 아크를 발생하기 위한 전원을 변환할 수 있다. 실제적으로 노즐 전압의 워크피이스는 IEC974-1 명세서에서 한정된다. 이 명세서는 노즐 전압의 워크피이스를 113 VDC 피크를 한정되도록 요구한다. 113V 피크 한계와 같이 변환 거리는 감소하지만 전원은 이 명세서에서 설명된다. 그러므로 표준 전압 한정 회로는 워크피이스와 노즐사이에서 추가된다.
실제적으로 파일럿 아크 권선은 절단 권선보다 회전 비율이 더 높다. 파일럿 아크 스위치가 개방될 때 전원상의 부하와 워크피이스에 대한 아크 변환은 고전압 저전류에서 저전압 고전류로 변할 것이다. 이점에서 부분 변환은 상이한 변환 권선의 기능으로서 발생한다. 나머지 변환은 제어 시스템에 의해 조절된다. 아크가 노즐(파일럿 아크)로 다시 수축되면, 동일하게 향상된 변환이 발생한다. 부하는 저전압 고전류로부터 고전압 저전류로 변한다. 부분 변환은 파일럿 권선이 다시 스위치가 온될 때 즉각적으로 발생된다. 제어 시스템의 응답 시간은 감소되고 초당 최대 변환수는 증가할 수 있다.
도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이 최대 1차 전류는 주설계 관련, 이중 권선 회로이다. 예를 들어, 선행의 단일 권선 출력 회로에서 권선의 비율은 이하에서 사용된 파일럿 비율과 유사할 것이다. 그러나 고회전 비율 권선은 절단용이고 1차 회로의 많은 양을 요구할 것이다. 이중 권선 회로와 비교할 때 선행의 단일 권선 회로는 더 많은 1차 회로를 요구할 것이다. 이중 권선 회로는 저회전 비율을 갖는 절단 권선을 가지므로써 1차 전류의 최대 양을 감소한다.
본 발명의 폭을 설명하기 위해서, 플라즈마 시스템 E는 전원(400)이 초기 권선(412)을 통해 전류 펄스를 지나감으로써 출력 변압기(410)를 구동하기 위한 전류 펄스를 선택적으로 생성하는 것을 도 12에서 설명한다. 선행에서 설명한 바와 같이 대향 배치된 전극 세트를 포함하는 제2 권선(414)은 하위 제2 권선 섹션(422)을 제한하기 위해 중간 테이프(420)을 포함한다. 출력 2차 네트워크를 사용함으로써 플라즈마 아크 회로 수단(100a)은 정류 다이오드(430)와 스위치(432)를 사용함으로써 야기된다. 회로(100a)를 흐르는 전류는 파일럿 아크 전류 IP를 측정하기 위해 분류기(130)에 의해 검출된다. 회로 수단(100a)은 본 발명의 바람직한 실시예에서 설명된 회로 수단(100)의 기능을 실행한다. 이러한 방식으로 회로 수단(200a)은 절단 모드동안 동작하기 위해 정류 다이오드(440)와 분류기(302)를 갖는다. 그래서 단일 2차 권선(414)은 본발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 두 개의 분리된 권선(102,202)과 유사한 컨셉트를 발생할 수 있다.
사실상 본 발명의 파일럿 모드와 절단 모드에 대한 회전수는 예를 들어 파일럿 아크에 대한 26:26 및 절단에 대한 26:24로 상이하다. 본 발명은 동일한 회전율을 사용할 수 있다. 그러나 본 발명의 기본적인 형태를 구성하는 두 개의 분리된 권선이 동일한 출력 커브로 동작하기 때문에 이러한 배열은 본 발명의 몇 개의 장점을 손실할 것이다. 그러나 본 발명은 워크피이스가 노즐로 인접하게 이동될 때 아크 변환에 대한 워크피이스 전압으로 높은 노즐을 발생할 것이다. 본 발명의 실시예는 고 전압 동작이 예를 들어 고우징(gouging)과 같이 이로울 때, 절단 모드에 대한 고전압 출력을 발생하기 위해 파일럿 권선보다 회전수가 더 높은 절단 모드를 사용할 것이다.
본 발명은 전이 거리, 즉 스탠드오프 거리를 증가시켜 파일럿 모드에서 절단 모드로 아크를 신속히 전이할 수 있고, 종래의 시스템의 비효율적인 병렬 저항을 필요로하지 않는 전기 아크 플라즈마 시스템을 작동하는 시스템에 관한 것이다. 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. 플라즈마 시스템에 있어서, 워크피이스에 전극을 접하게 하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 전극과 노즐을 포함하고 1차 권선 네트워크를 갖는 입력 변압기와 상기 1차 권선 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크를 가지며, 제1 회로 수단은 상기 전극과 노즐을 통해서 파일럿 아크를 생성하기 위한 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되고, 제2 회로 수단은 상기 전극과 상기 워크피이스를 통해 플라즈마 아크를 생성하기 위한 상기 제2 권선 네트워크에 의해 구동되며, 스위칭 수단은 상기 제1 회로 수단과 제2 회로 수단사이에서 선택적으로 시프팅되는데 상기 2차 권선 네트워크는 상기 제1 회로 수단을 구동하기 위해 제1 유효 회전수를 갖는 1차 권선 수단과 상기 제2 회로 수단을 구동하기 위해 제2 유효 회전수를 갖는 2차 권선 수단을 포함하고, 상기 제1 및 제2 유효 회전수는 서로 상이하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차 권선 수단이 제1 일반 전류 범위를 갖는 제1 전압 범위를 제공하고 상기 2차 권선 수단이 제2 일반 전류 범위를 갖는 제2 전압 범위를 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 전압 범위가 상기 제2 전압 범위보다 실질적으로 더 높은 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 1차 권선 수단이 반대 방향으로 전극된 2개의 분리된 2차 권선을 포함하고 각각은 상기 제1 유효 회전수를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 2차 권선 수단은 반대 방향으로 전극된 2개의 분리된 권선을 포함하고 각각은 상기 제2 유효 회전수를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에서 전류를 감지하기 위한 수단과 상기 감지 전류 레벨이 주어진 전류를 초과할 때 상기 스위칭 수단이 상기 제2 회로 수단으로 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 감지 전류 레벨이 상기 워크피이스와 상기 전극사이에서의 전류인 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에서 전류치를 감지하기 위한 수단과 상기 감지된 전류치가 주어진 전류보다 적을 때 상기 스위칭 수단이 상기 제1 전류 수단에 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 감지된 전류 레벨이 주어진 전류를 초과할 때 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에서 전류 레벨을 감지하기 위한 수단과 상기 스위칭 수단이 상기 제2 회로 수단에 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 감지 전류치가 상기 워크피이스에서 상기 전극으로 흐르는 전류인 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 상기 전류 레벨이 상기 워크피이스에서 상기 전극으로 흐르는 전류임을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 2차 권선 수단이 상기 1차 권선 수단의 부분임을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  13. 제2항에 있어서, 상기 2차 권선 수단이 상기 1차 권선 수단의 부분임을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  14. 제4항에 있어서, 상기 2차 권선 수단이 상기 1차 권선 수단의 부분임을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 감지 전류 레벨이 주어진 전류를 초과할 때 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에서 전류 레벨을 감지하기 위한 제1 감지 수단과 상기 스위칭 수단이 상기 제2 회로 수단에 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 감지 전류치가 주어진 전류보다 적을 때 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에 전류치를 감지하기 위한 제2 감지 수단과 상기 스위칭 수단이 상기 제1 회로 수단에 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 감지 전류치가 주어진 전류보다 적을 때 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에 전류치를 감지하기 위한 제2 감지 수단과 상기 스위칭 수단이 상기 제1 회로 수단에 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  18. 상기 전극을 워크피이스에 접하게 하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 전극과 노즐을 포함하고 1차 권선 네트워크를 갖는 입력 변압기와 상기 1차 권선 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크를 가지며, 제1 회로 수단은 상기 전극과 노즐을 통해서 파일럿 아크를 생성하기 위해 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되고, 제2 회로 수단은 상기 전극과 상기 워크피이스를 통해 플라즈마 아크를 생성하기 위한 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되며, 스위칭 수단은 상기 제1 회로 수단 및 상기 제2 회로 수단사이에서 선택적으로 시프팅되는 플라즈마 시스템의 작동 방법에 있어서,
    (a) 상기 제1 회로 수단을 구동하기 위한 제1 유효 회전수를 갖는 1차 권선 수단과 상기 제2 회로 수단을 구동하기 위한 제2 유효 회전수를 갖는 2차 권선 수단으로서 상기 제1 및 제2 유효 회전수가 서로 상이한 상기 2차 권선 네트워크를 제공하는 단계와;
    (b) 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에 전류 레벨을 감지하는 단계와;
    (c) 상기 감지 전류 레벨이 주어진 값을 초과할 때 상기 스위칭 수단이 상기 제2 회로 수단으로 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    (a) 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에서 전류치를 감지하는 단계와;
    (b) 상기 감지된 전류치가 주어진 레벨보다 적을 때 상기 스위칭 수단이 상기 제1 회로 수단으로 시프팅되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 플라즈마 시스템에 있어서, 워크피이스에 전극을 접하게 하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 전극과 노즐을 포함하고 초기 권선 네트워크를 갖는 입력 변압기와 상기 초기 권선 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크를 가지며, 제1 회로 수단은 상기 전극과 노즐을 통해서 파일럿 아크를 생성하기 위한 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되고, 제2 회로 수단은 상기 전극과 상기 워크피이스를 통해 플라즈마 아크를 생성하기 위한 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되며, 스위칭 수단은 상기 제1 회로 수단과 제2 회로 수단사이에서 선택적으로 시프팅되는데 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에서 전류 레벨을 감지하기 위한 제1 감지 수단 및 상기 감지 회로 레벨이 주어진 값을 초과할 때 상기 스위칭 수단이 상기 제2 회로 수단으로 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에서 전류치를 감지하기 위한 제2 감지 수단과 상기 감지 전류치가 주어진 레벨보다 적을 때 스위칭 수단이 상기 제1 회로로 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  22. 플라즈마 시스템에 있어서, 워크피이스에 전극을 접하게 하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 전극과 노즐을 포함하고 초기 권선 네트워크를 갖는 입력 변압기와 상기 초기 권선 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크를 가지며, 제1회로 수단은 상기 전극과 노즐을 통해서 파일럿 아크를 생성하기 위한 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되고, 제2 회로 수단은 상기 전극과 상기 워크피이스를 통해 플라즈마 아크를 생성하기 위한 상기 제2 권선 네트워크에 의해 구동되며, 상기 제1 회로 수단 및 상기 제2 회로 수단사이에서 시프팅되는 수단을 포함하고, 상기 제1 회로 수단을 구동하기 위한 유효 회전수를 갖는 1차 권선 수단 및 상기 제2 회로 수단을 구동하기 위한 유효 회전수를 갖는 2차 권선 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  23. 상기 전극을 워크피이스에 접하게 하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 전극과 노즐을 포함하고 초기 권선 네트워크를 갖는 입력 변압기와 상기 초기 권선 네트워크에 의해 구동되는 2차 권선 네트워크를 가지며, 제1 회로 수단은 상기 전극과 노즐을 통해서 파일럿 아크를 생성하기 위해 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되고, 제2 회로 수단은 상기 전극과 상기 워크피이스를 통해 플라즈마 아크를 생성하기 위한 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되며, 스위칭 수단은 상기 제1 회로 수단 및 상기 제2 회로 수단사이에서 선택적으로 시프팅되는 플라즈마 시스템의 작동 방법에 있어서,
    (a) 상기 제1 회로 수단을 구동하기 위한 유효 회전수를 갖는 1차 권선 수단과 상기 제2 회로 수단을 구동하기 위한 유효 회전수를 갖는 2차 권선 수단을 제공하는 단계와;
    (b) 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에 전류 레벨을 감지하는 단계와;
    (c) 상기 감지된 전류 레벨이 주어진 값을 초과할 때 상기 제2 회로 수단에 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    (a) 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에 전류치를 감지하는 단계와;
    (b) 상기 제2 전류치가 주어진 레벨보다 적을 때 상기 제1 회로 수단이 시프팅되는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 플라즈마 시스템에 있어서, 워크피이스에 전극을 접하게 하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 전극과 노즐을 포함하고 초기 권선 네트워크를 갖는 입력 변압기와 상기 초기 권선 네트워크에 의해 구동되는 제2 권선 네트워크를 가지며, 제1 회로 수단은 상기 전극과 노즐을 통해서 파일럿 아크를 생성하기 위한 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되고, 제2 회로 수단은 상기 전극과 상기 워크피이스를 통해 플라즈마 아크를 생성하기 위한 상기 2차 권선 네트워크에 의해 구동되며, 상기 제1 회로 수단과 제2 회로 수단사이에서 시프팅되는 수단을 포함하고, 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에 전류 레벨을 감지하기 위한 제1 감지 수단과 상기 감지 전류 레벨이 주어진 값을 초과할 때 상기 제2 회로 수단이 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 제1 및 제2 회로 수단중 어느 하나에 전류치를 감지하는 제2 감지 수단과 상기 감지 전류치가 주어진 레벨보다 적을 때 상기 제1 회로로 시프팅되는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
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