KR19980080346A

KR19980080346A - 아크 전이 회로

Info

Publication number: KR19980080346A
Application number: KR1019980008962A
Authority: KR
Inventors: 알렌 다니엘 조셉
Original assignee: 프레드릭 지. 스튜버; 더 링컨 일렉트릭 컴패니
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1998-11-25
Also published as: MY116729A; ID20080A; TW366300B; KR100286502B1

Abstract

본 발명은 전류 조절 입력 장치를 갖는 전원에서 나오는 D.C. 전류를 전극과, 이 전극을 병치된 워크피스(workpiece)에 표출하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 노즐을 구비한 플라즈마 시스템에 제공하는 회로 장치에 관한 것이다. 이 회로 장치는 상기 전극과 노즐을 가로질러 파일럿 아크를 생성하는 제1 회로 분기와, 상기 전극과 워크피스를 가로질러 실시되는 플라즈마 아크를 생성하는 제2 회로 분기와, 상기 제2 회로 분기에서 이 분기 안에 있는 워크피스 전류를 감지하는 전류 감지 수단과, 상기 감지된 워크피스 전류가 소정 전류를 초과했을 때, 상기 파일럿 아크를 실시되는 플라즈마 아크에 전달하기 위해 상기 제1 회로 분기를 개방하는 스위치 수단과, 상기 아크 전이까지 제1 회로 분기 내의 전류를 조절하는 수단 및 감지된 워크피스 전류가 하위 임계값을 초과할 때 상기 전원을 제1 회로 분기로 제공된 파일럿 전류를 증가시키는 수단을 포함한다.

Description

아크 전이 회로

본 발명은 전극을 병렬 배치된 워크피스에 표출하는 플라즈마 아크 개구를 갖는 전극과 노즐을 구비한 형태의 플라즈마 아크 시스템에 관한 것으로서, 특히 이러한 플라즈마 시스템용 아크 전이 회로에 관한 것이다.

본 발명에 따른 플라즈마 아크 시스템은 전극과 이 전극을 병렬 배치된 워크피스에 표출하기 위한 플라즈마 아크 개구를 가진 노즐을 구비하며, 적당한 전원에서 나오는 DC 전류에 의해 구동된다. 전원을 플라즈마 토치(torch)에 연결하는 제1 회로 분기는 전극과 노즐 사이에서 파일럿 아크를 생성하는데 사용된다. 워크피스가 노즐에 점차적으로 가깝게 이동할 때, 워크피스 전류는 전극과 워크피스 사이의 이온층을 통해 도통하기 시작한다. 이때, 접속 회로의 제1 분기는 개방되고 단속되며, 전원은 DC 전류를 플라즈마 시스템으로 처리하는 다른 금속 처리 공정이나 절단 처리를 위해 가동중인 아크에 파일럿 아크를 전송하도록 전극과 워크피스 사이에 공급한다. Tatham 5,530,220에 개시된 회로와 같이 전원을 플라즈마 토치에 접속시키는 여러 가지 회로가 개시되고, 본 명세서에서 참조된다. 이러한 종래 기술은 파일럿 아크 동작 모드 동안, 워크피스와 노즐 사이에 높은 전압을 생성하기 위해 동작 접속 회로의 파일럿 아크 분기에 저항장치를 사용하는 것을 나타낸다. 이러한 저항장치의 크기는 워크피스와, 전압이 파일럿 모드의 동작에서 동작이나 절단 모드의 동작까지 이동할 때, 아크가 전이될 수 있는 스탠드오프 거리를 나타내는 노즐까지의 정상 전압을 결정한다. 여러 가지 회로 배열은 전극의 도선에 유도자를 사용하는 것과 같이, 격리 애자 거리를 증가시키도록 유효 전압을 증가시키는 것을 제안하고, 이 유도자는 전류를 저장하고 스탠드오프 거리를 증가시키는데 사용되는 높은 전압을 생성하는 유도 방전을 생성한다. 아크 전이용 전압을 증가시키는 이러한 개념은 본 발명이 나타내는 배경 기술로 참조하였다. 본 발명은 여러 가지의 전류 감응 회로, 전류 제어 회로, 플라즈마 시스템 내의 파일럿 아크 모드와 절단 모드 사이의 이동 회로를 포함하는 접속 회로를 나타낸다.

본 발명은 매우 다양한 플라즈마 시스템에 유용하고, 시스템과 간단하게 연결되며, 워크피스에서 전극으로의 전압이 파일럿 아크 회로 분기의 저항에 의해 제어된다. 하지만, 본 발명은 훨씬 더 폭넓은 응용장치를 가지며, 워크피스 전류가 감지되고 전원과 토치를 연결하는 회로가 파일럿 아크 동작 모드와 절단 동작 모드 사이에서 시프트되는 형식의 근본적으로 모든 플라즈마 아크 시스템에 사용될 수 있다. 파일럿 모드에서 절단 모드로 전이시 이용 가능한 전압을 증가시킴으로써 증가된 스탠드오프 거리는 적용 가능한 규칙 내에서 실시 가능한 높이가 되야 한다. 하지만, 본 발명은 플라즈마 시스템의 또다른 측면을 나타낸다. 대부분의 플라즈마 시스템은 아크 전이 처리에 이용할 수 있는 전압용으로 가능한 가장 높은 스탠드오프 거리를 생성할 수 있도록 상대적으로 높은 파일럿 아크 전류를 유지한다. 따라서, 대체로 높은 파일럿 아크 전류가 사용되고, 실질적으로 높은 전류가 노즐의 수명을 감소시킨다. 만일 파일럿 아크 전류가 감소되면, 플라즈마 토치가 작동할 때 특히 로봇식 절단 장치와 같은 자동 시스템에 분명하게 불이익이 되는 스탠드오프 거리가 감소된다.

일반적인 가스 플라즈마 토치는 공급 전원과 대략 20 내지 30 암페어의 규정 전류로 유지되는 파일럿 아크 분기 사이에 회로를 갖는다. 더 큰 전이 거리를 달성하도록 파일럿 회로의 노즐 전압으로의 전류와 워크피스는 감소할 수 있다. 하지만, 파일럿 아크 전류를 더 큰 전이 거리를 따르는 레벨까지 증가시키는 것은 부가적으로 사용하여 낡게 되는 원인이 되고, 플라즈마 토치로 구성된 소자의 수명을 감소시킨다.

따라서, DC 전원을 플라즈마 토치에 연결하는 회로가 요구된다. 이 회로는 높은 파일럿 아크 전류를 발생시키는 불이익 없이 스탠드오프 거리나 전이 거리를 증가시킨다. 본 발명은 이러한 불이익을 개선하는 플라즈마 시스템에 DC 전류 전원을 접속시키는 회로로 나타낸다.

플라즈마 시스템은 인버터나 다른 적절한 DC 전원과 같은 맥동 전원이 공급하는 DC 전류에 의해 구동된다. 전원을 플라즈마 시스템이나 토치에 접속시키는 회로는 전극과 노즐을 가로지르는 파일럿 아크를 생성하는 제1 회로 분기와, 전극과 워크피스를 가로지르는 작동 플라즈마 아크를 생성하는 제2 회로 분기를 포함한다. 제2 회로 분기의 전류 센서는 제2 분기의 현재의 워크피스 전류를 감지하고, 워크피스 전류가 미리 선택된 측정 전류를 초과할 때, 워크피스로의 전류에 응답하는 스위치 수단이 파일럿 아크 분기를 개방하는데 사용될 수 있다. 이러한 방법으로, 워크피스가 노즐에 점점 가깝게 이동할 때, 전류는 회로의 제2 분기에서 도통되기 시작한다. 이러한 전류의 흐름은 파일럿 아크의 이온화된 가스로 인가되고, 워크피스와 플라즈마 토치 사이에 근접성을 표시한다. 이러한 전류의 흐름은 워크피스가 미리 선택된 스탠드오프 거리에 존재하는 것을 표시할 때, 파일럿 아크 분기나 회로는 개방되고, 전원은 워크피스에 전류를 공급한다. 파일럿 아크는 절단이나 다른 열처리 공정을 위해 워크피스로 이동된다. 이러한 접속 회로는 파일럿 아크 분기의 전류를 10 내지 30암페어의 범위에서 미리 선택된 레벨로 조절한다. 접속 회로의 파일럿 아크 분기가 개방될 때, 이러한 파일럿 아크 전류는 0으로 이동한다. 파일럿 아크 전류를 소정의 설정 값으로 조절하기 위해, 표준 전류 조절 배열을 이용한다. 전원에서 파일럿 아크 회로나 분기로 제공된 실제 전류를 나타내는 신호는 소정 파일럿 아크 전류를 나타내는 제2 신호와 비교된다. 소정의 설정 파일럿 아크 전류와 실제 파일럿 아크 전류의 이러한 비교는 전원의 조절 입력을 제어하는데 사용된다. 실제 파일럿 아크 전류를 소정의 또는 설정된 파일럿 아크 전류로 조절하기 위해 전원의 조절 입력을 제어하는데 사용된다. 이러한 표준 전류 조절 배열에 있어서, 검출된 워크피스 전류는 제2 워크피스 전류가 파일럿 아크를 정확하게 전이하기 위해 요구되는 워크피스 전류 이하의 낮은 레벨 임계 전류를 초과할 때, 본 발명은 트립 신호를 생성하는 수단을 포함하고 제공한다. 본 발명은 전원에서 파일럿 아크 분기에 제공된 실제 파일럿 아크 전류를 증가시키도록 소정의 또는 설정된 레벨 이상의 레벨로 소정의 파일럿 아크 전류를 표시하는 신호의 레벨을 증가시키는 수단을 이용한다. 이러한 방법으로, 약간의 워크피스 전류가 존재할 때, 파일럿 아크 전류에 대한 소정의 값은 빠르게 증가된다. 이러한 증가된 소정 전류는 워크피스에 작동 아크로 파일럿 아크를 전이하는 워크피스에 대한 전류 흐름에 응답하여 증가하는 원인이 된다. 본 발명을 이용함으로써, 낮은 레벨의 파일럿 아크 전류는 워크피스가 노즐에 다가서는 표시가 있을 때까지 유지된다. 이러한 단계에서, 설정된 파일럿 전류는 증가하여, 전원 출력의 스탠드오프 거리를 증가시키도록 전원의 출력을 증가시킨다.

본 발명에 따라, 파일럿 전류의 설정된 레벨은 증가하는 레벨로 시간 베이스 신호를 생성하는 회로에 의해 증가되고, 소정의 증가를 소정의 전류 신호에 부가하여 접속 회로의 파일럿 아크 분기에 전원이 공급된 실제 전류에 대응하는 증분의 원인이 되도록 설정 전류 신호에 부가하도록 소정의 프로파일을 갖는다. 실질적으로, 소정의 선택된 프로파일은 소정의 낮은 레벨 임계(20 내지 80㎃)에 도달하는 작업 전류를 검출할 때 초기화되는 램프이다. 이러한 배열에 있어서, 낮은 레벨 임계 전류는 워크피스 전류에 의해 도달될 때, 설정된 파일럿 전류를 나타내는 전압에 부가되는 출력 전압을 갖는 램프 발생기를 가동하거나 초기화하는 트립 신호를 생성한다. 이러한 방식으로, 파일럿 전류는 대략 150㎃를 초과하는 소정의 스탠드오프 값에 워크피스 전류가 도달할 때까지 상향 조정되지만, 반면에 보통의 실행은 2 내지 3암페어를 사용한다. 워크피스 전류가 아크 전이용 설정값에 도달할 때, 이 아크 전이는 성취되고, 램프 발생기는 재 설정되어 다음 파일럿 아크 동작 모드를 기다린다.

본 발명의 의도된 범주에서 벗어나지 않고, 파형 회로는 램프(ramp), 직선 램프, 계단 램프, 오목한 곡선, 볼록한 곡선, 시상수 곡선 또는 계단 기능과 같은 모든 선택된 프로파일을 가질 수 있다. 실로, 낮은 레벨 임계 전류를 검출하는 것은 15암페어의 설정된 값에서 25암페어의 높은 값까지 소정의 파일럿 아크 전류를 즉각적으로 이동시킬 수 있다. 모든 이러한 상황에서, 파일럿 아크 전류는 워크피스가 가까워질 때까지 낮게 유지된다. 따라서, 전원의 전류 조절에 사용되는 소정의 파일럿 아크 전류를 나타내는 신호는 증가되어, 워크피스에 전류를 대응하게 증가시키고, 낮은 레벨을 대신하여 높은 파일럿 전류 레벨로 스탠드오프 거리를 제어한다. 이러한 발명은 토치의 수명을 연장시키고, 파일럿 아크 설정값에서 스탠드오프 거리를 증가시킨다.

아크가 전이되는 소정의 워크피스 전류는 대략 150㎃ 이상이 되야 한다. 따라서, 낮은 레벨 임계 전류는 대체로 100㎃ 이하가 된다. 실제로, 절박한 아크 전이 신호를 보내는 낮은 레벨 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 고쳐놓아 전원의 전류 조절을 낮은 레벨로 설정된 파일럿 전류로 되돌려 이동시킨다. 파일럿 아크 전류가 본 발명에 의해 증가되기 전에 아크 전이가 될 수 있는 몇몇 예를 설명한다. 다른 예에 있어서, 본 발명은 아크 전이를 하지 않고 설정값 이상으로 소정 파일럿 아크 전류를 증가시킨다. 이러한 예에 있어서, 본 발명은 단지 박두한 새로운 아크 전이 표시를 기다리는 파형 회로를 재 설정한다.

DC 전류 전원을 플라즈마 시스템에 접속시키는 방법 및 회로를 제공하는 것이 본 발명의 주된 목적이며, 이 회로와 시스템은 파일럿 아크 분기의 설정된 전류와 연관되고 증가된 전이 거리나 스탠드오프를 감소시켜, 수행도를 증가시키고 플라즈마 토치의 마모를 감소시킨다.

본 발명의 다른 목적은 일상적으로 사용되는 파일럿 전류보다 더 높은 파일럿 전류와 관련한 전이 거리를 갖는 전술한 회로 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 또다른 목적은 파일럿 아크 모드가 플라즈마 시스템을 동작시키는 동안 소비되는 에너지를 감소시키는 전술한 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 25암페어로 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 작동 특성을 나타내는 전류 그래프로서, 파일럿 아크 소정 전류를 치수로 나타내고, 워크피스 전류를 상이한 치수로 동일시간 축 상에 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 거리와 스탠드오프(standoff) 그래프를 나타내는 도면.

도 6a는 도 2에 도시된 파형 회로의 출력 신호에 대한 바람직한 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 터미널

16: 입력 라인

20: 토치(torch)

30: 워크피스(workpiece)

40: 제1 회로 분기

42: 저항 장치

50: 제2 회로 분기

60: 임계 회로

62: 출력 라인

100: 에러 증폭기

도 1은 DC 전류 전원(10)과 출력 터미널(12,14)을 서로 접속시키고 전류 조절 입력 라인(16)을 플라즈마 시스템 또는 토치(20)에 접속시키는 종래 기술의 회로 A를 나타낸다. 전원(10)은 표준 실시에 따라 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 검사된 전류 조절 입력 라인(16) 상의 전압으로 결정된 레벨로 DC 전류를 공급한다. 입력 라인(16) 상의 전압은 표준 실시에 따라 전원(10)에 의해 공급된 전류를 제어한다. 전원(10)은 인버터나 SCR 제어 3상 정류기와 같은 맥동 혹은 안정 상태 장치가 될 수 있다. 본 발명을 이해하기 위하여, 안정 상태 DC 전류는 터미널(12,14)로부터 제공된다. 하지만, 회로 A와 본 발명의 바람직한 실시예는 맥동 DC 전원과 동등하게 잘 동작할 것이다. 플라즈마 토치 또는 시스템(20)은 전극을 토치(20)와 병치된 워크피스(30)에 플라즈마 아크 개구를 갖는 전극(22)과 노즐(24)을 포함한다. 표준적인 실시에 따라, 파일럿 아크 P가 전극(22)과 노즐(24) 사이에 첫 번째로 생성된다. 소정의 사건 이후에, 대체로, 워크피스에 의해 제한되고, 파일럿 아크 P는 도 1에 도시된 것처럼 동작하거나 전이된 아크 T에 전이된다. 파일럿 아크를 생성하기 위해, 전류 I_P는 IGBT나 다른 유사한 스위칭 장치와 같은 저항 장치(42)와 고체 상태 스위치(44)로 도시된 제1 회로 분기(40)를 통해 방향 지워진다. 종종 저항 장치(42)는 워크피스(30)와 노즐(24) 사이에 전압을 생성하기 위해 플라즈마 회로에 사용된다. 저항 장치(42)의 저항과 파일럿 아크 전류 I_P는 워크피스와 노즐 사이에 이용 가능한 전압을 결정한다. 저항 장치(42)를 가로지르는 전압은 토치(20)에 대한 전이 거리나 스탠드오프를 생성하는데 중요하다. 본 발명은 실제 전압에 입각하지 않기 때문에, 저항 장치를 이용하는 것은 사실상 예에 관한 것이고, 이러한 실제 전압은 여러 가지 회로에 의해 제어될 수 있다. 본 발명을 나타내기 위해, 저항 장치(42)의 저항은 파일럿 아크 전류 I_P가 25암페어에서 대략 125볼트의 전압을 제공하기 위해 5.0옴이 되는 것으로 가정할 수 있다.

종래의 기술에 있어서, 파일럿 아크 P가 전극과 워크피스 사이에 간격을 이온화하기 때문에, 제2 회로 분기(50)는 워크피스(30)에서 전극(22)으로 전류를 보내는데 사용된다. 워크피스 전류 흐름 I_W를 측정하기 위하여, 전류 센서(52)를 제공한다. 전류 센서(52)의 출력은 라인(54) 상의 전압을 나타내고, 이 전류는 I_W의 크기를 나타낸다. 출력 라인(54) 상의 전압은 출력(54) 전압이 출력 라인(62) 상에 전압을 갖는 임계 회로(60)에 의해 설정된 소정의 회로를 배합하는 전압으로 도달할 때, 토글을 논리 1로 출력하는 논리 토글 출력(59)을 갖는 비교기(56)의 한 출력으로 보내진다. 라인(54)상의 전압이 라인(62)상의 전압을 초과할 때, 논리 1은 파일럿 아크 회로(40) 내에 스위치(54)를 개방하기 위하여 토글 출력(58)상에 나타낸다. 이것은 임계 회로(60)로 부터의 대표적인 워크피스 전압이 대략 160㎃보다 더 커야하는 것을 결정한다. 종래 기술의 플라즈마 시스템에 있어서, 이러한 임계 전류 레벨은 대체로 2 내지 3암페어의 소정의 전류가 된다. 따라서, 대체로 스위치(44)는 워크피스(30)가 노즐(24)에 매우 가까워질 때까지 근접된다. 이러한 임계 회로(60)의 설정을 위해, 25암페어의 파일럿 아크 전류는 대략 1/4인치의 스탠드오프 거리를 제공한다. 이것은 대체로 도 5에 도시된 전이 거리 도표로 표시된다. 이러한 임계 회로(60)가 대략 2암페어로 설정될 때, 스탠드오프나 전이 거리는 1/3인치로 증가된다. 소정의 전류는 2.0암페어의 스탠드오프를 설정하고, 15암페어의 하위 파일럿 전류는 대략 1/4인치의 스탠드오프를 제공한다. 2.0암페어의 설정시, 10암페어의 파일럿 아크 전류는 도 1에 도시된 바람직한 실시예에서 1/4인치 스탠드오프로 아크를 전이하지 않는다. 이러한 전이 거리 값은 도 1에 도시된 것처럼 플라즈마 아크 토치 인지된 회로의 동작에 파라미터를 잘 개시한다.

전원(10)은 라인(102)상에 출력 전압 신호를 갖고 에러 앰프(100)에 의해 제어되는 통제된 출력 전류를 갖고, 이 신호는 전원의 펄스 폭 변조된 전류 조절 입력 라인(16)을 제어한다. 플라즈마 시스템의 표준 전류 조절에 따라, 실제 전류는 실제 전류 I_R의 크기를 나타내는 라인(112)상에 전압을 갖는 분류기(shunt)에 의해 감지되고, 이러한 전류는 에러 증폭기(100)에 제1 입력 신호나 실제 전류 레벨 신호가 된다. 이러한 증폭기에 대한 제2 입력은 회로 A에 대한 주어진 시간에 소정의 전류를 나타내는 값을 갖는 라인(120)상의 전압이다. 고체 상태의 선택기 스위치(130)는 이동 가능한 접점(132)에 의해 설정된 포인트를 변경할 수 있고, 이러한 접점은 스위치 라인(134)상의 논리에 의해 토글 된다. 스위치(130)는 터미널(142)상에 전압을 생성하는 절단 세트 포인트 전압 소스(140)와 터미널(152)상에 세트 포인트 전압을 생성하는 파일럿 세트 포인트 전압 소스(150) 사이를 이동시킨다. 터미널(142) 상의 전압은 50암페어를 나타내는 토치(20)의 소정 절단 전류를 나타낸다. 터미널(152)의 전압은 제1 회로 분기(40)의 소정의 파일럿 아크 전류 I_P를 나타내는 전압이고, 전원(10)으로 부터 나오는 25암페어의 소정 전류를 나타내는 전압처럼 도시된다. 메인 유도자(160)는 플라즈마 시스템을 구동하는 회로 A나 도 1에 도시된 것처럼 DC 전류 전원(10)에 의해 토치(20)를 갖춘다.

도 1에 도시된 소자나 성분상의 도면 부호는 도 2에 도시된 시스템 B의 동일 소자나 성분에도 동일한 도면 부호로 표기하고, 시스템 B는 본 발명에 따른 바람직한 실시예이다. 임계 회로(60')는 200㎃의 워크피스 전류를 나타내는 라인(62)의 출력 전압에 설치하고, 파일럿 세트 포인트(150')는 종래 기술의 회로 A에 사용된 25암페어 대신에 15암페어의 파일럿 아크 전류 I_P를 나타내는 터미널(152) 상의 전압으로 조절한다. 이러한 중요치 않은 예외와 더불어, 도 2에 도시된 것처럼, 회로 B의 회로 성분은 종래 기술의 회로 A에 도시된 것처럼 동일한 도면 부호를 갖는다. 본 발명에 따라, 종래 기술은 변경되거나, 라인(202) 상에 램프 전압 출력을 갖는 표준 전압 램프 발생기를 형성하는 파형 회로(200)를 구비함으로써 개선되며, 라인(204) 상의 논리 회로에 의해 제어되는 터미널 E를 인가할 수 있다. 라인(204) 상의 논리 회로가 논리 1로 토글될 때, 램프 생성기(200)는 라인(202)상의 램프 전압을 출력하도록 인가된다. 외부 리셋 터미널 R은 라인(206) 상의 논리 회로에 의해 제어되고, 이 논리 회로는 회로(40)가 라인(58) 상의 논리 회로에 의해 개방될 때 스위치 라인(134)이 선택기 스위치(130)를 토글할 때 리셋 상태로 토글 된다. 따라서, 램프 발생기(200)의 단계를 나타내고, 스위치(44)가 개방되고 선택기 스위치(130)가 세트 차단 전류 터미널(142)로 이동될 때, 라인(202) 상의 로우 레벨로 리셋할 것이다. 인에이블 라인(204) 상의 논리 회로는 상기 설명되어진 것처럼 워크피스 전류 I_W를 나타내는 라인(54) 상의 전압에 의해 제어된다. 라인(210) 상의 전압은 하위레벨 세트 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 논리는 라인(54) 상의 전압에 의해 표시된 워크피스 전류가 라인(210) 상의 설정 전압을 초과할 경우에 이동한다. 이러한 사실은 제1 입력을 합계 명령(220)을 형성하는 출력 라인(202)에 램프 전압을 초기화한다. 다른 입력은 합계 명령(220)에 선택기 스위치(130)의 전압을 보내는 라인(222)이다. 합계 명령의 출력은 라인(120)의 전압을 증가시키기 위하여 라인(222) 상에 전압과 라인(202) 상의 증가된 전압을 더한 것이고, 이 라인은 전류 생성기나 에러 증폭기(100)의 제2 전압 신호가 된다.

작동시, 파일럿 아크 전류는 15암페어인 파일럿 세트 포인트 전압 공급(150')에 의해 제어된다. 따라서, 상대적으로 하위 파일럿 아크 전류 I_P는 WP1 회로 분기(40)로 도통한다. 워크피스(30)는 토치(20)로 점점 이동됨에 따라, 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 논리 회로로 이동하는 원인이 된다. 램프 발생기(200)는 인가되고, 램프 전압은 라인(202) 상에 생성된다. 이러한 증가하는 전압은 합계 명령(220)에 의해 라인(222)에서 세트 포인트 전압에 부가된다. 이러한 증가된 전압은 제2 신호의 전압이 증가하거나 라인(120) 상에 나타나는 소정 전류 신호를 증가시키는 원인이 된다. 따라서, 전류 단속자(100)는 회로 B에 제공된 전류를 상위 램핑(ramp)하고, 증가된 전류는 파일럿 아크 전류 I_P를 25암페어로 증가시키는 원인이 된다. 파일럿 아크 전류의 이러한 증가는 워크피스 전류 I_W의 대응하는 상승이 급속하게 아크 전이를 파일럿 아크에서 동작 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 15암페어로 설정되며, 작업 전류 I_W보다 더 크게 설정된다. 램프 발생기(200)는 40㎃로 개시된다. 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 램핑 된다. 이러한 전압은 수직선(310) 상에 표시되는 포인트 306에서 발생되는 200㎃를 나타내는 임계값으로 설정된다. 비교기(56)는 전류가 라인(312)을 따라 감소하여 0전류 값이 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 터미널(142) 상에 전압에 의해 표시되는 50암페어로 계속된다. 이러한 전압은 전원(10)의 출력 전류를 제어하기 위해 라인(120) 상에 제2 신호로서 인가된다. 실제로, 램프 생성기(200)는 15ms에 25암페어를 나타내는 전압 레벨까지 램핑 하도록 설정되고, 파선(320)으로 도시된다. 만일 라인(58)과 라인(206) 상의 논리 회로에서 이동하지 않는다면, 램프 생성기는 포인트(330)에서 리셋하고 아크 전이의 다음 징후를 기다린다.

도 4에 도시된 것처럼, 본 발명은 플라즈마 시스템이나 토치(20)를 작동시 요구되는 에너지를 감소시킨다. 종래 기술에서 확대된 에너지는 25암페어 수평 라인과 파일럿 아크 전류의 수직 라인에 의해 한정된 직사각형 영역(340)이고, 이러한 전류는 단전 모드동안 0으로 이동한다. 음영 영역(342)은 본 발명에 따른 절약된 에너지를 나타내고, 전류가 25암페어로 램핑될 때 포인트 300까지 파일럿 아크 전류는 15암페어로 유지된다. 시간 0과, 파일럿 아크의 개시부 및 포인트 306에서의 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 작동에 대한 라인이고, 라인(354)은 10암페어에서의 작동에 대한 라인을 나타낸다. 보는바와 같이 파일럿 전류가 높아지면 높아질수록, 도 1에 도시된 회로(60)와 도 2에 도시된 회로(60')의 주어진 임계 세팅에 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 이동한다.

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 15ms로 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 회로 분기(40)에 대한 소정의 전류를 증가시키는데 사용될 수 있다.

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

Claims

병치된 워크피스에 전극을 노출시기는 플라즈마 아크 개구를 갖는 노즐과 상기 전극을 구비하는 플라즈마 시스템에 전류 조절 입력을 갖는 전원으로부터 DC 전류를 제공하고, 상기 전극과 노즐을 가로지르는 파일럿 아크를 생성하는 제1 회로 분기와, 상기 전극과 워크피스를 가로질러 실시되는 플라즈마 아크를 생성하는 제2 회로 분기와, 상기 제2 회로 분기 내의 워크피스 전류를 감지하기 위한 상기 제2 회로 분기내의 전류 센서 수단과, 상기 감지된 워크피스 전류가 상기 실시되는 플라즈마 아크에 상기 파일럿 아크를 전이하기 위해 소정의 전류를 초과할 때 상기 제1 회로 분기를 개방하는 스위치 수단과, 상기 아크 전이까지 상기 제1 회로 분기 내에 전류를 조절하는 수단을 구비하고, 상기 전류 조절 수단은 상기 전원에서 제1 회로 분기에 제공된 실제 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제1 신호를 생성하는 감지 수단과, 상기 제1 회로 분기 내에 소정 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제2 신호를 제공하는 수단 및 상기 소정 전류에 상기 실제 전류를 조절하도록 상기 전원의 전류 조절 입력과 입력 신호를 제공하기 위한 상기 제1 및 제2 신호를 비교하는 수단을 구비하는 회로 장치에 있어서,

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

상기 트립 신호에 응답하여 선택된 프로파일의 증가하는 레벨을 갖는 시간 베이스 신호를 생성하는 파 정형 회로와;

상기 전원으로부터 상기 제1 회로 분기로 제공된 실제 전류를 대응하게 증가시키도록 상기 선택된 프로파일에 의해 상기 제2 신호의 레벨을 증가시키는 제2 신호에 상기 시간 베이스 신호를 부가하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 램프인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제2항에 있어서, 상기 램프는 직선 램프인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제2항에 있어서, 상기 램프는 여러개의 계단을 포함한 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 오목한 곡선인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 볼록한 곡선인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 시상수 곡선인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 선택된 프로파일은 계단 기능인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 소정의 전류는 150㎃ 내지 3암페어의 범위인 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 소정의 전류는 대략 150㎃ 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제1항에 있어서, 상기 하위 레벨 임계 전류는 대체로 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 응답하는 상기 파형 회로를 리셋하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제13항에 있어서, 상기 시간 구간 동안 아크 전이가 존재하는 상기 트립 신호에 후속하는 소정의 시간 구간이 지난 후에, 상기 파 정형 회로를 상기 파형 회로에서 리셋하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
병치된 워크피스에 전극을 노출시기는 플라즈마 아크 개구를 갖는 노즐과 상기 전극을 구비하는 플라즈마 시스템에 전류 조절 입력을 갖는 전원으로부터 DC 전류를 제공하는 방법으로서, 상기 전극과 노즐을 가로지르는 파일럿 아크를 생성하는 제1 회로 분기와, 상기 전극과 워크피스를 가로질러 실시되는 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 상기 실시되고 있는 플라즈마 아크에 상기 파일럿 아크를 전이하기 위해 소정의 전류를 초과할 때 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 소정 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제2 신호를 제공하는 단계와,

(g) 입력 신호를 제공하는 상기 제1 및 제2 신호와, 상기 소정 전류에 상기 제1 회로 분기 내의 실제 전류를 조절하는 상기 전원의 상기 전류 조절 입력과 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 응답하는 선택된 프로파일의 증가하는 레벨을 갖는 시간에 따른 신호를 생성하는 단계와,

(j) 상기 전원에서 상기 제1 회로 분기에 공급되는 상기 실제 전류를 증가시키는 상기 선택된 프로파일에 의해 상기 제2 신호의 레벨을 증가시키기 위해 상기 시간에 따른 신호를 상기 제2 신호에 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 소정의 전류는 150㎃ 내지 3암페어의 범위인 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 소정의 전류는 대략 150㎃ 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 하위 레벨 임계 전류는 대체로 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 파 정형 회로를 리셋하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제20항에 있어서, 상기 시간 구간동안 아크 전이가 존재하는 상기 트립 시간에 후속하여 소정 시간 구간 후에 상기 파 정형 회로를 리셋하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
제15항에 있어서, 상기 시간 간격동안 아크 전이가 있는 상기 트립 신호에 후속하여 소정의 시간 구간 후에 상기 파 정형 회로를 리셋하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 제공 방법.
병치된 워크피스에 전극을 노출시기는 플라즈마 아크 개구를 갖는 노즐과 상기 전극을 구비하는 플라즈마 시스템에 전류 조절 입력을 갖는 전원으로부터 DC 전류를 제공하고, 상기 전극과 노즐을 가로지르는 파일럿 아크를 생성하는 제1 회로 분기와, 상기 전극과 워크피스를 가로질러 실시되는 플라즈마 아크를 생성하는 제2 회로 분기와, 상기 제2 회로 분기 내의 워크피스 전류를 감지하기 위한 상기 제2 회로 분기내의 전류 센서 수단과, 상기 감지된 워크피스 전류가 상기 실시되는 플라즈마 아크에 상기 파일럿 아크를 전이하기 위해 소정의 전류를 초과할 때 상기 제1 회로 분기를 개방하는 스위치 수단과, 상기 아크 전이까지 상기 제1 회로 분기 내에 전류를 조절하는 수단을 구비하고, 상기 전류 조절 수단은 상기 전원에서 제1 회로 분기에 제공된 실제 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제1 신호를 생성하는 감지 수단과, 상기 제1 회로 분기 내에 소정 전류를 나타내는 레벨을 갖는 제2 신호를 제공하는 수단 및 상기 소정 전류에 상기 실제 전류를 조절하도록 상기 전원의 전류 조절 입력과 입력 신호를 제공하기 위한 상기 제1 및 제2 신호를 비교하는 수단을 구비하는 회로 장치에 있어서,

한 세트의 레벨을 갖는 상기 제2 신호와;

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

상기 전원으로부터 상기 제1 회로 분기로 제공된 상기 실제 전류를 증가시키기 위해 상기 세트 레벨 이상으로 상기 제2 신호의 레벨을 증가시키는 회로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제23항에 있어서, 상기 소정의 전류는 150㎃ 내지 3암페어의 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 이동시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
제23항에 있어서, 상기 시간 구간동안 아크 전이가 있는 전이 신호에 후속하여 소정의 시간 구간 후에 상기 증가된 레벨로부터 설정된 레벨까지 상기 제2 신호를 이동시키는 회로 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.