TW533753B - Plasma arc power system and method of operating same - Google Patents

Description

533753 A7 B7 五、發明説明（1 ) 本發明係有關於電漿技術，詳言之是有關於一種改良電 漿系統及在一轉換電弧電漿系統中操作該系統以最佳化導 向電孤操作模式及切割操作模式之方法。 併入參考 本發明說明一種電弧電漿系統，其一電源供應器首先在 噴嘴與電漿噴燈電極之間產生一導向電弧且將此電弧轉換 至接近噴嘴電漿電狐開口之工件。此一系統說明於Couch 3,641，308中，詳見圖 一電源供應器跨越電漿噴燈電極 及一鄰近工件提供一 D.C.電壓。直到該工件被帶到接通電 漿噴燈，電源供應器在電極與噴嘴之間產生一電弧。此電 孤，稱為導向電孤（pilot arc )，是由電流通過一大電哩及 一接通的轉換開關所維持。為了將該電弧轉換至一用於切 割工件目的之緊密空間工件，電阻自噴嘴被分離以致於該 電阻不再與工件及噴嘴並聯。當此狀況發生時，只要工件 鄰接電漿噴燈之電漿輸出，電弧轉換至工件。此標準電漿 技術說明於Couch 3,641，308及在此併入參考Tatham 5,530,220 之圖 2 中。 在一電漿系統中用於控制跨越電極與工件電壓之電源供 應器是一種D.C.電源供應器；然而，實際地D.C.電源供應 器通常是一全橋式反流器之整流輸出，其中一 D.C.電源供 應器透過一、變壓器之主要網路或繞線快速切換至相反方 向。變壓器之次要網路是兩個相對電極次要繞線整流以產 生一脈動D.C.輸出，脈動D.C.輸出一般是被一抗流器 (choke)安定。此一用於產生D.C.輸出之全橋式反流器發 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 533753

明於BU:Z“，897,522，此專利在此亦併入參考說明一全橋 式輸出Q電流被切換經由被_抗流圈所連 接铋作使用< D，C.設備之整流電路以產生具有已知極性之 輸出脈衝。在本發明中，D.c•設備是一電漿系統。如同 BUczo專利中所說明，開關主要脈衝在相反方向產生次要 脈衝，其脈衝寬度被調整以控制輸出電流。調整電路通常 疋一脈衝寬度調變器，其大約在2〇_4〇 kHz操作。另一種全 橋式反流器顯示於在此併入參考之Bilcz〇 4,897,773中，其 中过明一整流全橋式反流器之輸出網路在整流輸出脈衝之 間包含飛輪電流，其脈衝由電流之快速開關脈衝在一變壓 器之主要部份建立。 在此併入參考之三個專利顯示操作電漿電弧噴燈及某種 使用於D.C·焊接之全橋式反流器的技藝狀態，此反流器是 本發明特別說明之電源供應器。 發明背景 不論是否由一全橋式反流器或其他DC•電源供應器，一 轉換電弧式之電弧電漿系統包含一電極及在末端具有電漿 電弧開口之噴嘴。此開口將電極暴露在一接近電漿噴燈末 ^7之工件。在工作切割或其他以來自噴燈之電漿電弧處理 之‘ ’一開始序列被使用，其中一導向電弧在電極末端與 噴嘴内部表面間產生。為了允許此導向電弧的產生，建立 具’笔源供應器之電串聯電路是必須的。為了達到此目 的，一大電阻被連接在噴嘴與電源供應器工件前緣之間。 在電衆噴燈之開始時，一電壓被應用跨越包含前述電阻之 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 533753 A7

此串聯電路。電流通過電阻的 收一、 f —導向電弧在電漿噴 k内產生。此分離電阻器是一和 、士 P貧為與工件間的間隙並聯

<電路。電流通過電阻器，在壤A ^ , 在導向電弧模式操作時，在工 件與噴嘴之間建立一電壓。當此雷 , 田此兒蜃是十分地高且工件夠 接近噴燈，切割操作將開始。一潠摟 + 選擇偏移開關自它工件斑 嘴嘴之間並聯關係與電阻器脫離， 一 ^ 以致導向電弧自噴嘴轉 換至工件以建立-與工件及電㈣聯電路及及該d.c.電源 供應器之輸出終端U統正常需要大約6G伏特橫跨該 電阻器，且工件必須接近噴嘴，當切割操作被初始時以轉 換導向電弧至工件。大電阻器的使用出現困難。該電阻在 系統中導致熱損（heat loss)。電壓是電流及電阻之積。熱 偵疋電阻乘上電流平方之積。因為電阻器大小決定工件與 電極之間的有效電壓，電弧之轉換操作不是永遠不變的了 事實上，在某些例子中，當開關開路時電弧不是自導向模 式轉換至切割模式。替代地，一雙倍電弧產生於工件與喷 嘴之間及噴嘴與電極之間。此雙倍電弧狀況將導致銅製噴 嘴損壞。因為跨越電阻器只有大約6 〇伏特，工件可以與喷 燈分離而依然允許轉換之疏遠距離會受一些限制。我們已 經發現一可靠電弧從導向模式轉換至切割模式在電弧被轉 換前在工件與電極之間需要大約丨50 mA電流。如果跨越電 阻器之電壓不夠充足產生此電流量，則在嘗試電弧轉換過 程中電旅將消失。接著，需要一最小電流用於轉換以致當 開關開路時，脫離並聯電阻，有足夠的電流其將允許—正 電孤被轉換。這是先前技藝所碰到的問題而本發明可以解 -6 -

本紙蒗尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) 533753 A7 B7 五、發明説明（4 ) 決。為了要在與電漿系統並聯之電阻器上產生6 0伏特之電 壓，一相當量之熱產生。電阻器上之壓降決定用於電孤轉 換有效之疏遠距離。這是重要的，因為要工件切割將不需 要被移至足夠接近以不注意地接觸噴嘴之一端。此與噴嘴 破壞性接觸的機率可以以增加轉換疏遠距離而減少。此增 加疏遠距離是以討論結果優點增加電阻器上壓降完成。 因為大致150-160伏特在導向電弧上是有一些普通且一 50-75伏特電壓跨越抗流器或電感器是一正常壓降，所以 電源供應器必須產生一大於以導致電弧轉換電弧與抗流器 組合電壓之電壓。如果跨越電阻器之電壓增加至100伏 特，一電源供應器之輸出大致需要300-350伏特。具有此 等級之電壓及電流，該電阻器及變壓器輸出繞線必須是非 常高容量。此外，正常具有6 0伏特跨越電阻器之電漿系統 可以只有在一相當小的距離轉換導向電弧，即疏遠距離 (standoff distance )，導致操作者之傾向以將噴燈帶到非常 地接近工件的地方，所以預定或與電漿噴燈之一端接觸是 一明顯可能的事。 簡言之，大電阻器並聯工件及電極之使用在電弧轉換距 離上呈現限制，並有熱損耗產生， 用於操作轉換電弧型式之電弧電漿之先前技藝系統之另 一個缺點是D.C.電源供應器通常是反流器，其中一主要交 互電流是由一高速開關系統產生。電流脈衝被使用於一具 有次級繞線之變壓器與適當的整流器產生一 D.C.電源供應 器。此種通常用於電漿科技之源供應器具有變壓器之次級 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 533753 A7 B7 五、發明説明（5 ) 繞線網路，其網路具有一單一繞線。該變壓器產生一同時 使用於導向及切劉操作模式之單電壓及電流曲線。因此， 變壓器上次級繞線網路，不論是多種繞線或單一繞線，必 須是一折衷案。它可以只有具有一個固定圈數之線圈大 小。於是，這些次級繞線不能被最佳化，特別是導向操作 模式，因為在切割操作模式中必須使用相同的繞線。此 外，同時在導向操作模式及切割操作模式中控制電壓及電 流之電路必須具有一調整範圍以調節低電流高電壓，和高 電流低電壓的電漿電弧。在導向操作模式中，電流常常在 大約15-25安培之範圍内且變壓器電壓一般在300-3 50伏特 之範圍内。為一切割操作模式，具有電弧轉換，電流增加 至大約5 0安培且變壓器電壓下降至大約250伏特。因此， 一 A.C.操作反流器變壓器以驅動一電漿系統之輸出，其現 在是有些實行，必須是具有高電壓低電流之導向操作模式 與具有高電流低電壓之轉換電弧操作模式之一折衷案。此 輸出之雙重使用造成明顯的缺點且增加控制兩操作模式之 複雜性。於是，使用單一繞線變壓器技術其一反流器之輸 出需要兩不同的電壓/電流操作區域而此區域彼此實質上 是不同的之先前技藝系統不會同時適用於導向電弧及轉換 電弧操作。這些先前的系統亦具有相當低的疏遠或轉換距 離及因大並聯電阻器所導致相當高的熱損耗。為了克服此 問題，已經有建議使用兩個電源供應器。但此概念是花費 高、複雜且增加體積及重量。 發明說明 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 533753 A7 B7 五、發明説明（6 ) 本發明是有關一操作電弧電漿系統之系統，此系統允許 在轉換距離（即：疏遠）之增加、電孤從導向模式至切割模 式之快速轉換及不需要先前技藝系統之無效率的並聯電 阻。進一步，因為次級繞線網路可以得到較低的主電流。 利用本發明有可能相同需求輸出電流具有較低的主電流。 根據本發明提供一種電漿系統，其包含一電極及具有將 電極暴露至接近工件電漿電弧開口之噴嘴，其工件將被截 段或其他方式處理。此嶄新系統使用一用在全橋反流器輸 出型式之輸出變壓器，此反流器具有如它的輸入狀態一開 關D.C.電源供應器。此種變壓器包含一主繞線網路及一以 傳送電流相對極性脈衝通過變壓器主繞線網路所驅動之次 繞線網路。使用一由次繞線網路所驅動之第一電路裝置以 產生一導向電弧跨越電極及噴嘴。使用一由主繞線網路所 驅動之第二電路裝置以產生一電漿電弧跨越電極及工件。 一切換裝置在第一電路裝置與第二電路裝置之間選擇性地 切換。如到此所說明的，此嶄新的電漿系統本質上是使用 於先前技藝中之系統。根據本發明，此一先前電漿系統之 改良是改變次繞線網路以包含一具有第一有效圈數用於驅 動第一電路裝置之主繞線裝置及具有第二有效圈數用於驅 動第二電路裝置之次繞線裝置。該第一及第二有效圈數可 以不同所以電壓/電流操作曲線在導向模式及切割模式時 是不同的。該’f有效"圈數代表系統次繞線中提供圈數以在 變壓器輸出產生所想要之電壓/電流曲線。本發明以使用 慣用與”次繞線網路說明以致於變壓器之次網路或次繞線 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 533753 A7 —— —_ B7 五、發明説明（7一) ' ' 所選擇之特殊架構是不重要的。本發明之基本概念是使用 兩個分離繞線驅動電漿系統，其主繞線為導向操作模式最 佳化且次繞線為切割操作模式最佳化。使用本發明概念， 該電漿系統可以在導向操作模式時以於高電壓低電流區域 中操作且在切割操作模式時以於低電壓高低電流區域中操 ^。於是，當系統在導向模式與切割模式之間偏移時，不 需要折衷案也不需要提供複雜控制裝備用於電源供應器。 #使用本發明，輸出繞線可以最佳化以致於用於導向操作 模式之次繞線比起用於高電流切割操作模式之相當大繞線 可月匕是相印小。貝作上，諸如14·16片，一小繞線使用於 連接產生導向電弧之電路裝置之次擾繞線。一大量銅片被 使用當作次繞線用於驅動切割操作模式所使用之電路裝 置。使用本發明，一較低圈數比率可以使用於切割中所用 繞線。於是，較低主電流需求提供一特別切割電流。在實 作中，一導向圈數比率，主繞線比次繞線是Μ:%且切割 圈數比率是26:24。此得到一大約2 5伏特之電壓差，其使 得在兩輸出曲線中有實質地不同。 車又同的賣為至工件電壓可以產生以增加疏遠距離允許更 大的電孤轉換距_。系、统中沒有電阻器時”力率損耗及熱 ^生將徹底地減少。在次級變壓器中使用兩個分離繞線 時i一高轉換電壓可以產生允許更大的轉換距離。專用控 制4備可以以兩由各操作模式獨立次繞線架構決定之分離 區域使用於操作。因此，該控制設備可以以一通常中等範 圍操作且不需具有一大控制範圍，其大範圍是控制一單輸 -10-

533753 A7 B7 五、發明説明（8 ) 出繞線網路其必須執行導向電弧及切割電弧雙功能才需要 用到。電漿系統兩分離式且不同的次繞線之使用允許自操 作電壓/電流區域直接偏移至另一操作電壓/電流區域。、令 是，導向電弧及切割電弧由一分離式且不同最佳化的電慝 /電沉曲線所控制。一單此電壓/電流曲線不須要同時使用 於導向操作模式及切割操作模式。控制優點增加導向與切 割模式之間偏移的速度。該控制設備亦是較不複雜且在導 向電？瓜與切割電派之間的反應時間將減少。 i 利用本發明，當電漿噴燈被移動更靠近工件被切割時， 切割操作快速地被初始。事實上，該轉換可以在一相當大 的距離上完成。此在較大距離上轉換之能力在某些切割操 作是非常有幫忙的’諸如展開金屬，一沿該展開金屬移動 之電漿噴燈必須在導向電弧模式與切割模式之間快速地偏 移。此操作由本發明所實現，此發明允許一更大疏遠距離 及快速電孤轉換。 進—一步，離開電壓可以增加超過3〇〇伏特。當比較先前 技蟄系統中正常有效的6〇伏特時，離開距離可能增加且利 用本發明進一步的形式電弧轉換之安定可能徹底增加。 根據本發明另-個形式，兩個具有開關自導向模式轉換 至切割模式之分離次繞線使用可以以測量或感測工件電流 控制。當工件電流達到某一等級時，打開轉換開關，電派 轉換1生此％流等級是隨工件朝向切割噴燈移動而增 1口 °當然’ #工件移開時’此電流等級下降。當感應電流 等、及在選擇值〈上時，轉換開關打開將電弧轉換至工 —尺度^瓣標準 -11 - 533753 A7 B7 五、發明説明（9 ) 件°當電孤長度增加時，該電壓將增加至一點，此點變壓 器不能給與相同的電壓及電流。此時，輸出電流將下降且 轉換開關將接通，於是，增強導向操作模式。此在操作模 式之間自動來回切換根據本發明另一形式方便地達到，其 利用本發明之電路裝置中電流分流器達成。 本發明主要的目的是提供一種用於操作一電弧電漿裝置 之系、’先及方法，#亥系統及方法不需要一並聯電阻器、產生 南疏遠距離且具有快速電弧轉換能力。 根據本發明之另一個目的，在一系統及方法中利用兩個 輸出或次繞線操作一f弧電漿喷燈。此兩繞、線允許該系統 及方法同時在導向模式與切割模式中最佳化操作。以此方 法，可以設計電壓/電流控制設備在各操作模式之中心範 圍中操作且不需要在兩模式中以極端超出限制操作。於 =，電弧電漿裝置在電壓/電流圖之兩區域操作，該區域 疋由不同輸出繞線之分離且不同特性曲線所決定。 本發明尚有另一個目的是提供一系統使用分離式電流感 應配置在導向電弧與切割電弧之間偏移，該系統允許電弧 轉換至或自工件之時序非常準確地控制。根據此一目的， 電派轉換的-瞬間可以被選擇且單單以操作一開關回應一 特別測量或感應電流控制。 本發明尚有另一個目的是提供—系統及方法，如上文所 足義’該系統及方法在導向電派模式時允許一高喷嘴至工 件電壓以致於允許一更大的疏遠距離。 本發明尚有另一個目的是提供-單電源供應器，其以不 -12- 本紙張尺度通用中國標準Μ規格(训X 297公复「 -------- «3753

=的私壓/電流特性曲線同時供應導向電弧及主或切割模 式電源。 + =發明尚有另一個目的是提供一系統及方法，如上文所 、我忒系統及方法允许不同大小輸出繞線之使用且允許 同％、’泉计量器（gaUge)用於輸出繞線以控制電漿裝置操 作之分離模式。

a =發明尚有另一個目的是提供一系統及方法，如上文所 疋義，該系統及方法使用兩個分離的繞線於導向電弧及切 d思弧操作，在電弧轉換處理之上具有電流控制且允許增 力口電弧轉換之疏遠距離。 裝 崚些及其他目的及優點由接下來的說明配合參考附圖將 更清楚明白： 附圖摘要說明 圖1疋一與本發明有關先前技藝之配線簡圖； 訂

線 圖2是一本發明較佳實施例之配線簡圖； 圖3 A是一顯示導向電弧及切割電弧操作模式所需操作區 域之電壓電流圖； 圖3B是圖1中所示先前技藝中所使用單電壓/電流特性曲 線圖，諸如圖3 A所示； 圖3C是像圖3B之圖，其顯示如由圖2中所示發明較佳實 施例所產生之兩分離電壓/電流特性曲線圖； 圖4 A是一類似圖3 B之圖，其顯示本發明先前技藝具有 單電壓/電流操作曲線在兩操作模式之間控制之轉換1 〃 圖4B是一類似圖4A之圖，其顯示本發明較佳實施例之 -13-

533753 A7 _________B7 五、發明説明（11 ) 控制偏移功能； 圖4 C是說明圖4 A中所示先前技藝控制轉換之間功能差 井及圖4 B中所示本發明較佳實施例控制轉換之示意圖； 圖5是本發明較佳實施例電流感應功能及說明一導向電 弧與切割間偏移所使用電流分流器第二組態之示意圖； 圖6是說明圖5中所示發明實施例疏遠特性之圖； 圖7是本發明實施例中所使用具有繞線之反流器變壓器 之示意圖； 圖8疋顯示本發明概要使用於切割一連串金屬元件以展 開金屬工作表格式之側面視圖； 圖9是類似圖5之概要圖，其說明較佳實施例具有次繞線 、.罔路，所示包含兩相對極繞線如同常常使用於實作中； 圖10A及10B是顯示圖9所解說發明較佳實施例操作特徵 之配線簡圖； 圖11是一顯示圖10A及1〇β所解說發明實施例操作之脈 衝圖；且 圖1 2是一本發明較佳實施例之更進一步修改。 發明說明 參考附圖，其中顯示的目的只是說明較佳實施例而不是 限制，圖1顯示先前技藝其本發明被說明，其中電聚系統 A包含一電漿噴燈丨〇具有一標準電極！ 2，此電極i 2具有 一尖頂1 4 ,其置於噴嘴2 〇之内，而此嘴嘴具有一電弧開 口 22 ’其暴露工件30至電極尖頂14。導向電弧p產生於 電極與嘴嘴之間且具有一電壓Va，Va在實作中大約是15〇_ -14-

533753 A7 B7 五、發明説明（12 ) 160伏特。在系統A操作時，工件3 0與噴嘴2 0留有間隔。 工件與喷嘴之間電壓Vw由導向電弧電流％流經電阻器40而 產生。電阻器4 0並聯在工件3 0與噴嘴2 〇之間且是在一開 關關上所建立之串聯電路中。電流Iw是工件電流，其當工 件接近嘴嘴時流動，且由分流器4 2測量。總電流Ιτ是導向 電孤電流Ip加上工件電流Iw。電感器4 4維持來自電源供應 ☆ 5 0輸入脈衝至電漿系統之間的電流。在說明之先前技藝 中，D.C.電源供應器50，其是一全橋式反流器，具有一用 於驅動變壓器T之主繞線5 2以在相對電極次繞線5 4、5 6 中產生輸出脈衝。全橋式整流器可以包含四個次繞線，然 而’為了說明本發明，次繞線之數目及主繞線之架構是不 重要的。脈衝被引導經過一主繞線5 2以建立次繞線5 4、 5 6中的脈衝。當一電流脈衝以一方向傳送經過主繞線5 2 時’一相反極性之電流脈衝將建立在分離的次繞線5 4、 5 6中。二極體6 〇、6 2將間隔輸出電流脈衝整流以只有傳 运那些在它連接工件3 〇及噴燈1 〇時提供D · c .操作至電源 供應器之電流脈衝。在實作上，導向電弧p具有一大約 1 5 0伏特的電壓。開關s w被打開轉換電弧至工件3 〇。跨 越電阻器4 〇的電壓是Vw，其和噴嘴與工件之間的電壓相 同。在實作上，跨越電阻器4 〇的電壓大約是6 〇伏特。於 疋’在此範例中，工件3 〇與電極1 2之間的電壓大約是21 〇 伏特。在貫作上，一電感器正常地包含於電極與變壓器丁 之間。在此例中，產生一跨越電感器的電壓以維持繞線 5 4、5 6中分離間隔輸出脈衝之間的導向電弧。為了初始 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 533753

d祛作备至少6 〇伏特在工件與噴嘴之間有效時開關 SW^打開。具有60伏特有效用於電弧轉換，電弧之轉換可 以=以工件3 0相當接近噴嘴2 0之間隔完成。此是本發明 所扎先則技蟄正常的操作。先前技藝與較佳實施例中之電 源供應器可以以許多正常解釋之任何一種。它可能是以不 同的輸出繞線配置全向前或半向前。 本發明較佳實施例之附圖嘗試說明本發明且不限於相同 的。圖2顯示電漿系統B，根據本發明第一實施例所架 構，其中第一次級電路10〇使用於產生及維持電極12與喷 嘴20足間的導向電弧。此電路裝置包含它本身在變壓器 110核心上分離次繞線102且包含一整流二極體i 12及飛輪 一極姐1 50。在實作上，超過一個繞線將使用於此電路 中，具有繞線相對極所以當變壓器11〇輸出被電流脈脈以 反流器相反方向有規律輸送時它們將在一控制極性中產生 不連、¥的整流脈衝。為了簡化，只有說明單一繞線。特有 的繞線配置顯示於 Bilczo 4,897,522 及 Bilczo 4,897,773 中。 該繞線有一圈數提供用於產生及維持導向電弧所需要的高 電壓。系統B在電壓/電流曲線特殊區域中之操作顯示於圖 3C及4B。開關SW1顯示當作一電晶體或IGBT 12〇。當開 關SW1接通時’電路1 〇〇與電極及噴燈1 〇之喷嘴串聯。以 此方式’一導向電弧可以由得自繞線1〇2之電壓產生。分 流器132測量總電流IA且使用於調節β分流器13〇用於感測 導向電流。抗流圈或電感器14〇在變壓器丨1()間隔輸入脈衝 及間隔輸出脈衝之間周期時維持電流以加強導向電弧。在 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公董)_ 533753 A7 B7 五、發明説明（14 ) 實作上，開關SW1接通所以變壓器1 10可以激勵次級繞線 1 02，（最好具有兩個繞線1 02 )。繞線1 02中電流脈衝在跨 越電極與噴嘴之間的間隙及跨越電感器或抗流圈140產生 電壓。在實作上，導向電弧電壓大約150伏特且抗流圈140 具有大約5 0伏特電壓；因此，繞線102之輸出大約200伏 特。如果工件3 0將切割，它移動靠近噴燈1 0。此接近由 抗流器1 30及132中電流感測以打開開關SW 1且激勵第二電 路裝置200。此第二電路裝置包含次級繞線202、整流二極 體204及一飛輪二極體206。當開關SW1打開時，跨越第二 繞線202之電壓是有效的立即地將電弧轉換至工件。當電 流從工件傳送至電極時，即在當工件移位時，電容器2 10 維持一峰值電壓。根據本發明之方向，通過工件3 0之電流 是在分流器13 2之電流減去在導向電弧分流器13 0之電流。 在本發明之此實施例中，工作電流Iw是間接地測量而不具 有一特有分流器用於測量此特殊電流。如稍後將解釋的， 工件電流是適當條件之指示以允許以打開開關SW1電弧之 轉換。 圖3A-3C及4A-4C中所示之電壓/電流圖使用於說明圖1 中所示先前技藝與圖2中所示本發明較佳實施例之間的差 異。所有這些圖包含一用於導向電弧之操作區域X及用於 切割電弧之操作區域Y。這些是用於本發明所指兩操作模 式中最佳化及調整之操作區域。現在參考圖3 A，區域X的 特徵是導向電弧之高電壓且低電流。區域Y的特徵是低電 壓且較高的電流。此區域是定義切割操作之操作條件。在 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

線 533753 A7

裝

線 圖3B中，說明先前技藝系統之單特性曲線23〇。因為使用 一單繞線54、56，一單特性曲線23〇產生，其設計同時與 區域=及區域Y相交。&單特性曲線不需要為區域χ或區 域Υ最佳化。現在參考圖3C，繞線1〇2之特性曲線是電路 裝置100之曲線232。此曲線在系統β導向操作模式中對區 域X最佳化。特性曲線234是由電路裝置2〇〇之繞線2〇2所 發展且對區域Υ最佳化。在圖4A-4C中，分別在區域X、γ 中之控制點250、252是當它分別在導向操作模式或切割操 作模式時用於控制設備所選擇之操作點。如圖4 Α所示， 自點250至點252之偏移是沿著線26〇。於是，當圖i之開 關sw打開時，控制設備沿著線26〇自點25〇至點252偏移 系統A之操作。當打開系統B之開關sw 1時控制設備之相 同操作發生，如圖2所示。此於圖4 B中說明，然而，本發 明與先前技藝之間的優點概要說明於圖4 c。當自操作點 2 5 0元成朝向操作點2 5 2之偏移時，變壓器輸出上跳一距離 262且被電流控制設備逐漸地偏移至點252。自先前技藝看 來這是顯著地，其需要電流控制設備立即直接地自點25〇 偏移至點252 ’該距離稱為尺寸264。可以看出來本發明偏 移尺寸263實質上是小於先前技藝尺寸264。因此，利用本 發明’有一控制點之沿著線260直接跳升及逐漸偏移至點 252 °先前技藝需要控制設備沿著總距離線26〇操作。圖 4A-4C所說明之圖是一概要且當利用本發明時表現在控制 電漿電派系統操作之優點。實際電流控制設備不是本發明 之部分。只需要實現導向電弧模式及切割模式分離繞線之 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 533753 A7 一 B7 五、發明説明（16 ) 使用具有一不同的優點允终系統以不同的電壓/電流曲線 操作。 為了控制導向操作模式與切割操作模式之間的偏移，系 統B使用一種間接的工件電流測量法，如圖2所示。一工 件電流Iw之更直接使用顯示於圖5，綰系統c包含一回應 開關電路3 0 0之電流’此開關電路受工件電流感靡器咬分 流器302及先前所述之電弧分流器13〇控制。當在分流器 302之工作電流在一已知等級之上時，電路3〇〇打開開關 S W1。當在分流器13 0之電流降至一已知等級之下時，開 關接通且恢復導向電弧模式。電路3〇〇以使用一高增益操 作放大器3 10達到此目標，該放大器具有代表工作電流^ 之第一輸出312。線314中一疏遠參考信號與線312中電壓 信號比較以控制放大器3 10輸出。當此放大器產生邏輯J 時，開關站320被toggle以在打開開關swi之輸出322產生 一信號。這樣接通導向電弧且立即轉換電弧。利用直接測 量工作電流，系統C偵測何時工件3 〇是在適當的位置且足 夠靠近以維持一轉換電弧。此是一種實際工件電流之直接 測量且可以用線3 14中一參考電壓或臨界電壓精確地控制 以得到噴燈1 0自電路裝置1〇〇至電路裝置2〇〇之精確操作 偏移。當工件移動時，電流Ia下降當作變壓器之一功能， 電流由分流器130感應或測量，該分流器以一代表電弧電 流之電壓控制高增益操作放大器33〇 ^線334中一參考電壓 #號在操作放大器330輸出中產生邏輯1至toggle站3 2 0， 當分流器1 30之電流減少到一臨界值之下時，在激勵開關 -19- 本紙張尺纽财s S家ϋ^Π^Γ4(21〇Χ297公釐) 533753

SW1之線324中產生一信號。 在此方法中，電弧轉換是由

到，開關SW1打開自第一 當此工件電流被放大器3丨〇偵測 '電路裝置100偏移至第二電路裝 置200以開始切割操作。實作中，電弧在2安培或更少下轉 換。在導向電弧電流為28安培時，如圖丨中所示由〗丁維 持，轉換距離或疏遠將稍低於〇·3〇英吋。線314中一較低 轉換點允4 一較大的疏遠距離，但亦需要較高的電壓。 變壓器110概要地說明於圖7中，其中主繞線P i/P2以繞 線3 50表示，其亦顯示當成圖2及5中之輸入繞線。導向電 孤電路裝置100之次繞線1〇2是一相當稀疏的繞線，其纏繞 在變壓器110之鐵心ll〇a以產生用於導向操作模式之高電 壓及低電流。因為使用一全橋式反流器，所以兩分離繞線 SP 1、SP2被使用。這些繞線是相對電極，如圖9中所示。 以一類似方法，沉重的次繞線202包含相對極性的繞線 S 1/S2，如圖9中所示。從圖7中我們應該明白，使用於電 路裝置100及電路裝置200之繞線數目受電源供應器及變壓 器之輸入網路影響。本發明意味兩不同用於分離操作模式 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董) 533753 A7

^繞線網路之使用’然而，網路中繞線之數目及配置可能 是多變化的。 圖8說明一電漿嘴燈1 〇之使用以截斷-具有間隔元件 362之展開金屬薄板。當嘴嘴是在—元件如之上時，間隙 z是相當短的。因此，分流器3〇2中電流增加超過由線Η# 中疏遠電壓所決定之臨界點。如果間隙“、於圖5及6中所 解釋之選擇疏遠距離，電弧被轉換切割工件或元件362。 傳迗越過元件362之後，具有一無限的間隔z。因此，分流 器130中電流被降低且導向電弧被維持如由圖$中電路 操作所說明的。噴燈在展開金屬薄板36〇上快速移動是重 複且由電弧之轉換精確地控制至切割模式及至導向模式， 該模式是受有關噴燈1 〇之工件位置當被電路3〇〇之分流器 130及302感應所指揮。這是先前技藝之一優點且被高精確 電弧轉換認可。本發明之此形式可以以圖1中所示之先前 技藝貫現，該電流感應裝置將允許在導向模式與切割模式 之間偏移。 本發明之另一形式說明於圖9-11中，其中系統C被修改 產生系統D。此系統中，兩相對極性繞線1 〇2及202概要地 說明分別當作電漿次繞線SP1、SP2及SCI、SC2。以並聯 兩相對極性次繞線之使用已經先前討論過當成一般反流器 概念。本發·明不依照變壓:器繞線需要之細目產生操作電 流。反流器電源供應器在具有長度變化之次繞線中提供脈 衝以控制調節電流Ιτ。系統D中，飛輪二極體1 50、206被 移動，所以飛輪電流發生在圖2中所示主繞線3 50中。導向 -21 -

裝 訂

本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 533753 A7 B7 五、發明説明（19 ) 電弧繞線SP1及SP2是相對電極且包含整流二極體220及緩 衝電路230。切割繞線SCI及SC2是相對電極，其具有一特 殊的緩衝電路240，該電路具有當系統D操作於導向電弧 模式中時用於儲存工件與噴嘴之間的高電壓之儲存電容器 242。利用電容器242，電路200產生一高工件至喷嘴電 壓，其實作上大約是340伏特。當在繞線350之主電壓接通 時此峰值會出現，即在具有主飛輪之推拉變壓器脈衝之 間。平均工件至喷嘴電壓大約是200伏特。二極體緩衝電 路240在主接通時間儲存能量且將工件至喷嘴電壓最大 化。當主繞線打開時，導向電弧由導向繞線SP1及SP2維 持。當此發生時，導向繞線產生一電壓，實作中大約是 2 85伏特，其被分開在導向電弧之間且該電壓跨越電感器 140。導向電弧電壓大約是160伏特且抗流器或電感器電壓 大約是125伏特。切割繞線不具有一完整電路，所以開路 電壓產生於繞線SCI、SC2。這些繞線在打開大約25%產 生一尖峰大約275伏特。此電壓尖峰峰值將電容器242充電 至大約340伏特。此電容器電壓與導向電弧電壓（160伏特） 及抗流器電壓（125伏特）串聯以在工件與喷嘴之間產生大 約50-60伏特。當主電壓接通時，導向電路100中電流將由 儲存於輸出抗流器140中之能量所維持。電流將繼續以一 非常小的壓降流經導向繞線SP 1、SP2。變壓器主要邊上 之箝位二極體以將任何產生自次電路之電流穩流限制電 壓。維持1 6 0伏特導向電弧且-160伏特將出現於跨越輸出 抗流器1 4 0。變壓器繞線SP 1、SP2在此狀態被箝位至零伏 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

裝 訂

533753

特電切割源依舊產生340伏特。在反流器打開的狀態時， 此電壓來自被充電的緩衝電容器242。在切割電路2〇〇中不 存在電流路徑所以電容器242不放電。切割二極體d i及 D 2決不傳導任何飛輪電流。導向源電壓非常接近零所以 工件至噴嘴電壓等於電容器242上電壓，產生34〇伏特之一 工件至噴嘴電壓。 因為輸入脈衝是在一速率，其可能高達每秒數千個脈 衝，所以發生在導向電弧操作模式中之輸出脈衝之間會有 一飛輪周期或階段。本發明的優點將結合圖1〇A及ι〇Β使 用代表包壓解釋。如果開關S w接通且導向電孤p建立，如 圖10A中所示，導向電弧具有一電壓，實作上大約是16〇 伏特。電感器140具有一代表電壓14〇伏特。因此，當一次 脈衝在繞線102中建立時，跨越繞線1〇2之電壓大約是3〇〇 伏特。跨越電路裝置2〇〇繞線202之開路電壓大約275伏特 在圖9中所示峰值充電電容器21〇或緩衝電容器242打開 -5 /〇笑辛至3 4 0伏特。具有此電壓，工件至嘴嘴電壓接近 6〇伏特。當輸出脈衝被一不連續的輸入脈衝接通時，電路 裝置100試圖穩流。然而，圖5中所示二極體15〇已經從繞 線102被移開。因此，電路裝置1〇〇之穩流經由繞線1〇2發 生，其與主繞線350緊緊地連接在變壓器鐵心11〇a之上且 產生一大約10伏特的壓降。在此穩流狀態時，該電流被抗 流器140維持。此導致·16〇伏特出現跨越在抗流器。跨越 、.堯線102之签降是1 〇伏特且剩餘1 5〇伏特出現在跨越噴嘴 及電極。電容器210從開狀態保持充電且繞線1〇2具有10 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) M規格x 297公董) 州753 A7

伏特跨越它。這様遂& 锒屋生一工件至贺嘴電壓 因此在導向電弧操作槿十卩去i大、，勺310伙特 噴嘴之間。此方法诗 向的電壓應用於工件與 時，言啦π脈务S、月於圖11中，當主電流脈衝ρ接通 θ冋屯i厂360產生於輸出脈衝之間。脈衝360之速率 )是數KH:。該方法顯示於圖11中且是連續的直到開關S: 接通0當開關為了轉換雨孤s , . τ . 1j得換私弧至一切割模式時，一高電壓有 效用於電轉換程序。這是在該技藝中實質地進步且徹底 地改良電派至工件的隸拖。合γγ t w、 轉換同工件土噴嘴電壓致能電源供 應斋產生一可信賴的電弧轉換在0.5英吋以上。實作中， 此工件至嘴嘴電壓被限制以符合IEC974领格。此規格需 要工件至噴嘴電壓被限制在113 VDC峰值。具有113 V峰 值限制，轉換距離將減少但電源供應器將符合此規格。因 此，一標準電壓限制電路被加在工件與噴嘴之間。 只作中，導向電弧繞線比切割繞線具有一較高圈數比 率。當Λ導向電弧開關打開，電弧轉換至工件且電源供應器 上負載由咼電壓-低電流改變至低電壓_高電流。在此點， 部份轉換發生當作不同變壓器繞線之一功能。轉換的餘項 由控制系統掌控。當電弧撤回嘴嘴時（導向電孤），相同增 強轉換發生。該負載由低電壓-高電流改變至高電壓-低電 流。當導向繞線切換回開啟時，部份的此轉換瞬間發生。 控制系統的回應時間可以減少且每秒最大轉換數可以增 加0 當最大主電流是主要的設計考量時，該雙繞線電路，如 圖5及9所示，將是有利的。例如，在一傳統單繞線輸出 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐) 533753 A7 B7 五、發明説明（22 ) 電路中，繞線比率將類似上文所使用之導向比率。然而， 此高圈數率繞線亦使用於切割且將需要大量的主電流。當 與雙繞線電路比較時，傳統單繞線電路將需要更多的主電 流。雙繞線電路以具有較低圈數比率之切割繞線減少最大 量之主電流。 為了說明說明本發明之寬度，一電將系統E說明於圖1 2 中，其中電源供應器400建立一交互電流脈衝利用傳送電 流脈衝通過主繞線4 12以驅動輸出變壓器410。次繞線 4 14，其可包含一組相對極性繞線如先前所述，包含一中 間接頭420定義一低次繞線部分422。使用此輸出次網路， 一電漿電弧電路裝置100a以使用整流二極體430及一開關 432。電路100a内電流由分流器130偵測以測量導向電弧電 流Ip。電路裝置100a執行本發明較佳實施例所說明電路裝 置10 0之功能。以一相似的方法，電路裝置2 0 0 a具有整流 二極體440及分流器302以在切割模式時操作。於是，一單 次繞線4 14可以產生一概念相似如本發明較佳實施例所使 用之兩分離繞線102、202。 在本發明之實作中，導向模式及切割模式之圈數比率是 不同的，即26:26用於導向電弧而26:24用於切割。本發明 可以使用相同的圈數比率。然而，此一配置將損失一些本 發明的好處，因為構成本發明基本功能之該兩分離繞線本 質上將在相同曲線上操作。然而，當工件接近喷嘴移動 時，本發明依然將產生用於電弧轉換之高嘴嘴至工件電 壓。本發明之一實施例利用一具有比導向繞線更高圈數之 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

裝 訂

533753 A7 B7 五、發明説明（23 ) 切割繞線以產生高電壓輸出用於切割模式，諸如當高電壓 操作是有利時，即在溶刮（gouging )中。 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

1. A BCD 533753 申請專利範圍 1. 一種電漿系統，其中包含一電極及具有一暴露該電極至 一工件之電漿電弧缺口的噴嘴，且具有一有主繞線網路 及由該主繞線網路所驅動次繞線之輸入變壓器、一由該 次繞線網路所驅動用於產生跨越該電極和噴嘴之導向電 弧的第一電路裝置、一由該次繞線網路所驅動用於產生 跨越孩電極和該工件之電漿電弧的第二電路裝置，及在 該第一電路裝置和該第二電路裝置之間用於選擇性地偏 移（切換裝置，改良包括··該次繞線網路係包含具有第 一有效圈數用於驅動該第一電路裝置之第一繞線裝置， 及具有第二有效圈數用於驅動該第二電路裝置之第二繞 線裝置，該第一與第二有效圈數不同。 2·如T請專利範圍第丨項之電漿系統，其中該第一繞線裝 置提供具有第一通用電流範圍之第_電壓範圍，且該第 二繞線裝置提供具有第二通用電流範圍之第二電壓範 圍。 3. 如申請專利範圍第2項之電漿系統，該第一電壓範圍實 質上高於該第二電壓範圍。 4. 如申請專利範圍第！項之電漿系統，其中該第—繞線裝 置包含兩個分離繞線，其電極在相對方向且各具有該第 一有效圈數。 5. 如申請專利範圍第4項之電漿系統，其中該第二繞線裝 置包含兩個分離繞線’其電極在相對方向I各具有該第 二有效圈數。 6_如申請專利範圍第i項之電漿系統，其中包含用於感應 -27 - 本紙張尺度適财g g家標準(CNS)A4規格(2ι〇χ297公着)

   8 8 8 8 A B c D 533753 六、申請專利範圍 該第一及第二電路裝置其中之一内電流等級之裝置，及 用於當該感應電流等級超過一已知電流時將該開關裝置 偏移至該第二電路裝置之裝置。 7. 如申請專利範圍第6項之電漿系統，其中該感應電流等 級是該工件與該電極之間的電流。 8. 如申請專利範圍第1項之電漿系統，其包含用於感應該 第一及第二電路裝置其中之一内電流值之裝置，及用於 當該感應電流值低於一已知電流時將該開關裝置偏移至 該第一電路裝置之裝置。 9. 如申請專利範圍第8項之電漿系統，其中包含用於感應 該第一及第二電路裝置其中之一内電流等級之裝置，及 用於當該感應電流等級超過一已知電流時將該開關裝置 偏移至該第二電路裝置之裝置。 10. 如申請專利範圍第8項之電漿系統，其中該感應電流值 是該工件至該電極之電流。 11. 如申請專利範圍第1項之電漿系統，其中該第二繞線裝 置是第一繞線裝置的一部分。 12. 如申請專利範圍第2項之電漿系統，其中該第二繞線裝 置是第一繞線裝置的一部分。 13. 如申請專利範圍第4項之電漿系統，其中該第二繞線裝 置是第一繞線裝置的一部分。 14. 如申請專利範圍第1項之電漿系統，其包含用於感應該 第一及第二電路裝置其中之一内電流等級之第一裝置， 及用於當該感應電流等級超過一已知電流時將該開關裝 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

   533753 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 置偏移至該第二電路裝置之裝置。 15. 如申請專利範圍第1 4項之電漿系統，其包含用於感應該 第一及第二電路裝置其中之一内電流值之第二裝置，及 用於當該感應電流值低於一已知電流時將該開關裝置偏 移至該第一電路裝置之裝置。 16. 如申請專利範圍第7項之電漿系統，其包含用於感應該 第一及第二電路裝置其中之一内電流值之第二裝置，及 用於當該感應電流值低於一已知電流時將該開關裝置偏 移至該第一電路裝置之裝置。 17. —電漿系統之操作方法，該電漿系統包含一電極及具有 一暴露該電極至一工件之電漿電弧缺口的噴嘴，且具有 一有主繞線網路及由該主繞線網路所驅動次繞線之輸入 變壓器、一由該次繞線所驅動用於產生跨越電極和噴嘴 之導向電弧的第一電路裝置、一由該次繞線所驅動用於 . 產生跨越該電極和該工件之電漿電弧的第二電路裝置及 在該第一電路裝置和該第二電路裝置之間用於選擇性地 偏移之切換裝置；該方法包含步驟： (a) 提供該次繞線網路當作一具有第一有效圈數用於 驅動該第一電路裝置之第一繞線裝置，及一具有第二有 效圈數用於驅動該第二電路裝置之第二繞線裝置，該第 一和第二有效圈數是不同的； (b) 感應該第一或第二電路裝置其中之一内的電流等 級；且 (c) 當該感應電流等級超過一已知值時，用於將該切 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 533753 A B c D 六、申請專利範圍 換裝置偏移至該第二電路裝置之裝置。 18. 如申請專利範圍第1 7項之電漿系統之操作方法，其包含 額外步驟： (d) 感應該第一或第二電路裝置其中之一内的電流 值；且 (e) 當該感應電流值低於一已知等級時，用於將該切 換裝置偏移至該第一電路裝置。 19. 一種電漿系統，其中包含一電極及具有一暴露該電極至 一工件之電漿電弧缺口的喷嘴，且具有一有主繞線網路 及由該主繞線網路所驅動次繞線之輸入變壓器、一由該 次繞線所驅動用於產生跨越該電極和噴嘴之導向電弧的 第一電路裝置、一由該次繞線所驅動用於產生跨越該電 極和該工件之電漿電弧的第二電路裝置，及在該第一電 路裝置和該第二電路裝置之間用於選擇性地偏移之切換 裝置，改良部分包括：用於感應該第一或第二電路裝置 其中之一内的電流等級之第一感應裝置，及用於當該感 應電流等級超過一已知值時將該切換裝置偏移至該第二 電路裝置之裝置。 20. 如申請專利範圍第1 9項之電漿系統，其中包含用於感應 該第一及第二電路裝置其中之一内電流值之第二裝置， 及用於當該感應電流值低於一已知等級時將該開關裝置 偏移至該第一電路裝置之裝置。. 21. —種電漿系統，其中包含一電極及具有一暴露該電極至 一工件之電漿電弧缺口的噴嘴，且具有一有主繞線網路 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 533753 A B c D 六、申請專利範圍 及由該主繞線網路所驅動次繞線之輸入變壓器、一由該 次繞線所驅動用於產生跨越該電極和喷嘴之導向電孤的 第一電路裝置、一由該次繞線所驅動用於產生跨越該電 極和該工件之電漿電弧的第二電路裝置，及在該第一電 路裝置和該第二電路裝置之間偏移之裝置，改良部分包 括：次繞線網路包含一具有有效圈數用於驅動該第一電 路裝置之第一繞線裝置，及一具有有效圈數用於驅動該 第二電路裝置之第二繞線裝置。 22. —種電漿系統之操作方法，該電漿系統包含一電極及具 有一暴露該電極至一工件之電漿電弧缺口的噴嘴，且具 有一有主繞線網路及由該主繞線網路所驅動次繞線之輸 入變壓器、一由該次繞線所驅動用於產生跨越電極和噴 嘴之導向電弧的第一電路裝置、一由該次繞線所驅動用 於產生跨越該電極和該工件之電漿電弧的第二電路裝 置，及在該第一電路裝置和該第二電路裝置之間偏移之 裝置，該方法包含步驟： (a) 提供該次繞線網路當作一具有一有效圈數用於驅 動該第一電路裝置之第一繞線裝置及一具有一有效圈數 用於驅動該第二電路裝置之第二繞線裝置； (b) 感應該第一或第二電路裝置其中之一内的電流等 級；且 (c) 當該感應電流等級超過一已知值時，用於將該切 換裝置偏移至該第二電路裝置之裝置。 23. 如申請專利範圍第2 2項之電漿系統之操作方法，其包含 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 533753 8 8 8 8 A B c D 六、申請專利範圍 額外步驟： (d) 感應該第一或第二電路裝置其中之一内的電流 值；且 (e) 當該感應電流值低於一已知等級時，用於將該切 換裝置偏移至該第一電路裝置。 24. —種電漿系統，其中中包含一電極及具有一暴露該電極 至一工件之電漿電弧缺口的噴嘴，且具有一有主繞線網 路及由該主繞線網路所驅動次繞線之輸入變壓器、一由 該次繞線所驅動用於產生跨越該電極和喷嘴之導向電弧 的第一電路裝置、一由該次繞線所驅動用於產生跨越該 電極和該工件之電漿電弧的第二電路裝置，及在該第一 電路裝置和該第二電路裝置之間偏移之裝置，改良部分 包括：用於感應該第一或第二電路裝置其中之一内的電 流等級之第一感應裝置，及用於當該感應電流等級超過 一已知值時將該切換裝置偏移至該第二電路裝置之裝 置。 25. 如申請專利範圍第2 4項之電漿系統，其中包含用於感應 該第一及第二電路裝置其中之一内電流值之第二裝置及 用於當該感應電流值低於一已知等級時將該開關裝置偏 移至該第一電路裝置之裝置。 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210X297公釐）