專利名稱：等離子體系統與操作等離子體系統的方法
技術領域：
本發明涉及一種電弧等離子體技術，尤其涉及一種改進的等離子體系統及其操作方法，用于使在轉移電弧等離子體系統中的操作的引導電弧方式和操作的切割方式最佳化。
本發明涉及一種電弧等離子體系統。其中電源首先在等離子噴槍的噴嘴和電極之間產生引導電弧，然后，把電弧轉移到在噴嘴的等離子電弧噴口附近移動的工件上。這種系統在Couch3,641,308中描述了，尤其是其中的圖4。電源提供加在等離子噴槍的電極和附近工件上的直流電壓。當工件接近等離子噴槍時，電源便在電極和噴嘴之間產生電弧。這電弧被稱為引導電弧，其被通過一個大電阻和閉合的轉移開關的電流維持。為了把電弧轉移到附近的工件上以便切割工件，使電阻從噴嘴斷開，從而電阻不再和工件與噴嘴并聯。此時，只要工件在等離子噴槍的等離子出口附近，電弧就被轉移到工件上。這種標準的等離子技術在Couch3641308中以及Tatham5530220的圖2中描述了，這些文件在此列為參考。
用于把電壓加到等離子系統中的電極和工件上的電源是直流電源；然而，在實際上，直流電源通常是全波橋式逆變器的整流輸出，其中直流電源通過一次網絡或變壓器繞組被快速地變為相反方向。變壓器的二次網絡是通過整流產生脈沖直流輸出的兩個極性相反的二次繞組，其脈沖直流輸出通常由扼流圈穩定。這種用于產生直流輸出的全橋逆變器在Bilczo4897522中描述了，該專利也在此列為參考，用于說明產生直流輸出的全橋逆變器。電流被轉換，從而通過由扼流圈和被操作的直流設備相連的整流電路產生具有給定極性的輸出脈沖。在本發明中，直流設備是等離子體系統。如Bilczo的專利所述，被轉換的一次脈沖產生方向相反的二次脈沖，其脈寬可被調整，以便控制輸出電流。調整電路一般是一種工作在20-40kHz附近的脈寬調制器。另一種全橋逆變器在Bilczo4897773中描述了，在此列為參考，用于說明被整流的全橋逆變器的輸出網絡是如何在整流輸出脈沖之間產生慣性電流的，其中的脈沖通過快速地轉換在變壓器的一次部分中的電流脈沖而產生。
此處給出的三件專利表明用于操作等離子電弧噴槍和用于直流焊接的全橋逆變器的技術的狀態，所述逆變器是和本發明尤其相關的電源。
不論由全橋或半橋逆變器或其它直流電源操作，轉移電弧型的電弧等離子系統包括電極和噴嘴，在噴嘴的端部具有等離子電弧噴槍噴口。該噴口使電極暴露于在等離子噴槍端部附近的工件。在工件被切割或由來自噴槍的等離子電弧處理之前，使用啟動程序，其中在電極端部和噴嘴的內表面之間產生引導電弧。為產生引導電弧，需要形成一個和電源串聯的電路。為此，一個大電阻被連接在噴嘴和電源的工件引線之間。在等離子噴槍啟動期間，把電壓加在包括上述大電阻的串聯電路上。只要在等離子噴槍內一產生引導電弧，電流便通過電阻。單獨的電阻是一個在噴嘴和工件之間的間隙上并聯的電路，在操作的引弧方式期間，電流通過電阻，在工件和噴嘴之間產生電壓。當電壓足夠高并且工件足夠接近噴槍時，便開始切割操作。選擇地轉換的開關把工件和噴嘴之間的電阻由其并聯關系斷開，使得引導電弧從噴嘴轉移到工件上，從而和工件、電極以及直流電源的輸出端形成串聯電路。這種系統一般需要電阻上的電壓為60V，并且工件必須接近噴嘴，以便當需要開始切割操作時把引導電弧轉移到工件上。使用大的電阻存在許多困難。電阻引起系統的熱損失。電壓是電流和電阻的乘積。熱損失是電阻和電流平方的乘積。因為電阻的大小決定在工件和電極之間可得到的電壓，所以電弧的轉移操作并不總是可靠的。確實，在某些情況下，當開關斷開時，電弧并不從引導方式轉移到切割方式。而是在工件和噴嘴之間和噴嘴與電極之間形成雙電弧。這雙電弧狀態將使銅噴嘴破壞。因為在電阻上只有60V電壓，所以工件可以離開噴槍同時又可以轉移電弧的距離距離受到某些限制。已經發現，從引弧方式到切割方式的可靠的電弧轉移，在電弧轉移之前大約需要在電極和工件之間具有150mA的電流。如果加在電阻上的電壓不足以產生這一電流，則在試圖電弧轉移的過程中電弧便可能熄滅。因而，對于轉移，需要一個最小電流，使得當開關斷開而切斷電阻時，可以產生足夠的電流，以便進行可靠的電弧轉移。這是一個和本發明涉及的現有技術有關的問題。為了在和等離子系統中并聯的電阻上產生60V的電壓，要產生一個基本數量的熱量。加在電阻上的電壓決定了為轉移而可得到的離開距離。這是重要的，因為要被切割的工件不應該離噴嘴太近而無意中和噴嘴的端部接觸。通過增加轉移的離開距離可以減少這種和噴嘴進行這種有害的接觸的可能性。這增加的離開距離通過增加電阻上的電壓來實現，這又帶來上述缺點。
因為引導電弧上的電壓通常大約為150-160V，在扼流圈或電抗器上的電壓為50-75V，電源必須產生一個比引導電弧和扼流圈電壓的總和大一個引起電弧轉移的電壓。如果電阻上的電壓增加到100V，則需要大約為300-350V的電源輸出。當在這一電壓下流過電流時，電阻和變壓器輸出繞組必須具有極高的容量。此外，一般的具有60V電阻電壓的等離子系統只能在相當短的距離內轉移電弧，使得操作者使工件距離噴槍極近，因而極有可能和等離子噴槍的端部接觸。
綜上所述，使用和工件與電極并聯的大的電阻具有電弧轉移距離和產生熱損失的限制。
現有技術中用于操作電弧轉移型等離子系統的另一個缺點在于，直流電源一般是通過高速開關系統產生一次交流電流的逆變器。在變壓器的一次側使用電流脈沖，變壓器的二次繞組具有合適的整流器，從而產生直流電源。這種通常用于等離子技術中的電源具有用于變壓器的二次繞組網絡，該網絡具有一個繞組。在操作的引導和切割方式期間，變壓器產生一個電壓電流曲線。因而，變壓器上的二次繞組網絡，不論一個繞組或幾個繞組，必須進行折中。它可以是只具有匝數固定的一種規格的導線的繞組。因而，這些二次繞組不能優化，尤其是對于引導操作方式，因為必須和切割操作方式使用同一個繞組。此外，在引導操作方式和切割操作方式期間用于控制電流和電壓的曲線必須具有大的調整范圍，以便適應低電流高電壓和高電流低電壓的等離子電弧。在引導操作方式中，電流的范圍一般為15-25A，變壓器電壓一般為300-350V。對于切割操作方式，由于電弧的轉移，電流增加到大約50A，而變壓器電壓減少到大約250V。因而目前通常用于驅動等離子系統的交流操作的逆變器變壓器的輸出必須在高電壓低電流的引導操作方式和高電流低電壓的轉移電弧的操作方式之間折中。這種一個輸出兩種用途具有明顯的缺點，并且增加了控制兩種操作方式的復雜性。因而，使用單繞組變壓器技術的現有技術的系統，其中逆變器的輸出要求兩個不同的電壓電流操作區域，不能較好地適用于引導電弧操作方式和轉移電弧操作方式。這些現有技術的系統還具有相當低的遠離距離或轉移距離，以及由于大的并聯電阻而帶來的相當高的熱損失。為了解決這些問題，已經建議使用兩個電源。這種方法是昂貴的，復雜的，并且增加體積和重量。
本發明涉及一種用于操作電弧等離子系統的系統，這種系統使得可以增加轉移距離，即遠離距離，使電弧快速地從引導方式轉移到切割方式，并且不需要現有技術中的效率低的并聯電阻。此外，因為二次繞組網絡而可以獲得較低的一次電流。通過使用本發明，對同一個要求的輸出電流可以具有較低的一次電流。
按照本發明，提供一種等離子系統，包括電極和具有等離子電弧噴口的噴嘴，所述噴口使電極暴露于其附近的要被切割或處理的工件。這新的系統使用這樣的輸出變壓器，所述輸出變壓器用于全橋逆變器的輸出側，所述逆變器具有一個轉換的直流電源作為其輸入級。這種變壓器包括一次繞組網絡和由使相反極性的電流脈沖通過變壓器的一次繞組網絡而驅動的二次繞組網絡。使用由二次繞組網絡驅動的第一電路裝置產生電極和噴嘴之間的引導電弧。使用由二次繞組網絡驅動的第二電路裝置產生電極和工件之間的電弧。一個開關裝置在第一電路裝置和第二電路裝置之間轉換。如上所述，這種新的等離子系統基本上是現有技術中使用的系統。按照本發明，這種現有的等離子系統通過改變二次繞組網絡使其包括具有第一有效匝數的用于驅動第一電路裝置的第一繞組裝置和具有第二有效匝數的用于驅動第二電路裝置的第二繞組裝置而進行了改進。第一和第二有效匝數可以不同，從而使得在引導方式和切割方式期間的電壓電流操作曲線不同。“有效”匝數指的是在系統的二次繞組中被提供用于在變壓器的輸出產生所需的電壓電流曲線的匝數。本發明使用術語“第二繞組網絡”進行說明，以便使得為變壓器的二次網絡或二次繞組所選擇的特定結構并不是重要的。本發明的基本構思是，使用兩個單獨繞組驅動等離子系統，使第一繞組對于第一引導操作方式最佳化，而第二繞組對于切割操作方式最佳化。通過使用這種發明構思，在引導操作方式期間，等離子系統可以在高電壓低電流區域工作，而在切割方式期間在低電壓高電流區域工作。這樣，不需要折中，也不需要當系統在引導方式和切割方式之間轉移時所需的復雜的控制設備。
通過使用本發明，輸出繞組可以被最佳化，使得用于引導操作方式的二次繞組和用于高電流的切割操作方式的相對大的繞組相比而相當小。實際上，對于和用于產生引導電弧的電路裝置相連的二次繞組，可以使用較細的例如14-16號的導線。大號的銅帶狀電纜可用作用于驅動在切割操作方式中使用的電路裝置的二次繞組。通過使用本發明，對于在切割方式中使用的繞組，可以使用較低的匝數比。這樣，為了提供特定的切割電流，需要的一次電流較小。實際上，引導匝數比，一次對二次是26∶26，而切割匝數比是26∶24。這產生大約25V的電壓差，使得兩種輸出曲線大不相同。
對于工件電壓可以使用較大的噴嘴，從而增加遠離距離，使得具有較大的電弧轉移距離。由于系統中沒有電阻，所以功率損失和發熱被大大減小。通過在變壓器二次繞組使用兩個單獨的線圈，可以產生允許大的轉移距離的高的轉移電壓。可以使用專用的控制系統在由對于每種操作方式的各個二次繞組的結構確定的兩個獨立的區域中操作。因而控制設備可在通用的中間范圍內操作而比需要具有大的控制范圍，而大的控制范圍對于用于控制必須執行引導電弧和切割電弧雙重功能的單輸出繞組網絡是必須的。對于等離子系統使用兩個單獨的不同的二次繞組使得可以從一個電壓電流操作區域直接轉移到另一個電壓電流操作區域。因而，引導電弧和切割電弧通過單獨的分別最佳化的電壓電流曲線進行控制。對于引導操作方式和切割操作方式兩種方式不需要使用一個電壓電流曲線。這個控制優點增加了在引導和切割方式之間的轉移速度。控制設備也相對簡單，并且引導電弧和切割電弧之間的反應也減小了。
通過使用本發明，當等離子噴槍被移近要被切割的工件時，可以快速地開始切割操作。的確，可以在相對大的距離上進行轉移。這在某些切割操作中是很有用的，例如在切割多孔金屬網中，其中沿著多孔金屬網移動的等離子噴槍必須在引導電弧方式和切割方式之間快速地轉換。本發明有助于這種操作，因為本發明允許較大的遠離距離和快速地電弧轉移。
此外，轉移電壓可以增加到300V以上。和現有技術中一般為60V的情況相比，可以看出，通過使用本發明的這一方面可以增加遠離距離并使轉移變得極其容易。
按照本發明的另一方面，具有在引導方式和切割方式之間轉換的開關的兩個單獨的二次繞組的使用可通過測量或檢測工件電流進行控制。當工件電流達到某個值時，通過操作轉移開關而使得發生電弧轉移。通過使工件向噴槍移動而使這一電流增加。當然，當工件被移開時，則這電流值減少。當檢測的電流值超過某個值時，轉移開關被打開從而使電弧轉移到工件上。隨著電弧長度的增加，電壓將增加到變壓器不能提供這一電壓和電流時的值。此時，輸出電流將減少而使轉移開關閉合，因而，重新開始引導操作方式。這在操作方式之間的自動地來回轉換通過使用按照本發明的另一方面中的電路裝置的電流分流而方便地完成。
本發明的主要目的在于提供一種用于操作電弧等離子設備的系統和方法，該系統和方法不需要并聯電阻，能夠產生大的遠離距離，并且能夠快速地進行電弧轉移。
按照本發明的另一方面，在用于操作電弧等離子噴槍的系統和方法中使用單獨的輸出或使用二次繞組。使用兩個繞組使得系統和方法可以對引導方式和切割方式兩種方式進行優化。用這種方式，可以設計電壓電流控制設備，使得在每種操作方式的中心范圍內操作，而不需要在兩種方式中在極其大的范圍內操作。這樣，電弧等離子裝置在電壓電流曲線的兩個區域內操作，這些區域由單獨的不同輸出繞組的不同的特性曲線確定。
本發明的另一方面是提供一種使用單獨的電流檢測裝置用于在引導方式和切割方式之間進行轉換的系統，所述系統能夠非常精確地控制發生轉移的定時。按照這一方面，可以選擇一個精確的轉移時刻，并且僅僅通過響應特定測量或檢測的電流操作一個開關進行控制。
本發明的另一個目的在于提供一種系統和方法，如上所述，該系統和方法對于在引導方式期間的工件電壓允許使用大的噴嘴，從而允許較大的遠離距離。
本發明的另一個目的在于提供一種單一的電源，用于以不同的電壓電流特性曲線向引導方式和切割方式兩種方式供電。
發明的另一個目的在于提供一種系統和方法，如上所述，該系統和方法允許使用不同大小的輸出繞組和不同號的繞組導線，以便控制等離子裝置的單獨的操作方式。
發明的另一個目的在于提供一種系統和方法，如上所述，該系統和方法對于引導方式和切割方式使用兩個單獨的繞組，具有在電弧轉移過程中的電流控制功能，并能夠增加電弧轉移的遠離距離。
這些和其它的特點和優點通過結合下面的附圖進行的說明將更加清楚地看出
圖1是和本發明有關的現有技術的電路示意圖；圖2是本發明的最佳實施例中的電路示意圖；圖3A是表示引導電弧操作方式和切割電弧操作方式所需的操作區域的電壓電流曲線圖3B是表示例如圖3A所示的具有在圖1的現有技術中使用的一個電壓電流特性曲線的曲線；圖3C是類似于圖3B的表示如圖2所示的本發明的最佳實施例中產生的兩個單獨的電壓電流特性曲線的圖；圖4A是類似于圖3B表示在具有一個電壓電流操作曲線的本發明的現有技術中兩種操作方式之間的轉移控制的曲線；圖4B是類似于圖4A的表示本發明的最佳實施例的控制轉換特點的曲線圖；圖4C是說明圖4A所示的現有技術的控制轉換和圖4B所示的本發明的最佳實施例的控制轉換的區別的示意圖；圖5是本發明的最佳實施例的電流檢測特征并說明用于在引導方式和切割方式之間轉換的分流裝置的第二種結構的圖；圖6是說明圖5所示的本發明的實施例的遠離距離特征的曲線圖；圖7是用于本發明的實施例中的具有示意地表示的繞組的逆變器變壓器的示意圖；圖8是表示本發明用于切割呈多孔金屬網板的形式的一系列金屬件的側剖視圖；圖9是類似于圖5的線路圖，說明具有第二繞組網絡的最佳實施例，其中如通常使用的那樣包括兩個相反極性的繞組；圖10A和圖10B是表示圖9所示的本發明的最佳實施例的操作特性的簡化示意線路圖；圖11是表示圖10A和10B所示的本發明的實施例的操作的脈沖圖；以及圖12是本發明的實施例的另一種改型。
參見附圖，其中所示僅用于說明本發明而不是對其進行限制，圖1表示和本發明相關的現有技術，其中等離子系統A包括等離子噴槍10，其具有標準電極12，電極具有安裝在噴嘴20內的尖端14，噴嘴具有電弧噴口22，把工件30暴露于電極尖端14。在電極和噴嘴之間產生引導電弧P，具有大約150-160V的電壓Va。在系統A操作期間，工件30離開噴嘴20。由流過電阻40的引導電弧電流Ip產生工件和噴嘴之間的電壓Vw。電阻40并聯在工件30和噴嘴20之間并位于由開關SW閉合而形成的串聯電路中。電流Iw是工件電流，它在工件接近噴嘴時流過，并通過分流器42進行測量。總電流Ir是引導電弧電流Ip加上工件電流Iw。電抗器44維持從電源50到等離子系統的輸入脈沖之間的電流。在所示的現有技術中，直流電源50是全橋逆變器，其具有一次繞組52，用于驅動變壓器T在極性相反的二次繞組54，56中產生輸出脈沖。可以理解，全橋整流器可以包括4個二次繞組；不過，為了說明本發明二次繞組的數量和結構并不是重要的。使脈沖通過一次繞組52，從而在二次繞組54,56中產生脈沖。當一個方向的電流脈沖通過一次繞組52時，將在單獨的二次繞組54,56中產生相反極性的電流脈沖。二極管60,62整流間隔輸出的電流脈沖，當電源連接于工件30和噴槍10時使其進行直流操作。此外，引導電弧P具有大約為150V的電壓。開關SW打開以便使電弧轉移到工件30上。電阻40上的電壓是電壓Vw，它和噴嘴與工件之間的電壓相同。實際上，電阻40上的電壓大約為60V。因而在本例中工件30和電極12之間的電壓是210V。實際上，在電極和變壓器T之間通常包括電抗器。在這種情況下，在電抗器上將產生一個電壓用于維持在繞組54,56中的單獨的間隔輸出的脈沖之間的引導電弧。為了開始切割操作，當在工件和噴嘴之間的電壓至少為60V時把開關SW打開。利用可用于電弧轉移的60V電壓，只有在工件30相當接近噴嘴20時才能進行電弧轉移。這是本發明涉及的一般現有技術的操作。現有技術的和本發明的電源可以取任何通常的形式。利用各種輸出繞組結構可以是全橋和或半橋的。
本發明最佳實施例的附圖用于說明本發明而不是對其進行限制。圖2表示按照本發明第一實施例構成的等離子系統B，其中第一二次電路裝置100用于在電極12和噴嘴20之間產生和維持引導電弧。該電路裝置包括其自身的在輸出變壓器110的鐵心上的單獨的二次繞組102，并且包括整流二極管112和慣性二極管150。實際上，在這種電路中可使用一個以上的繞組，使繞組的極性相反，從而使得當變壓器110的輸入被逆變器供給相反方向的電流脈沖時產生其極性被控制的離散的整流脈沖。為了簡化只用一個繞組進行說明。合適的繞組結構在Bilczo4897522和Bilczo4897773中披露了。繞組具有許多匝，以便產生為引起和維持引導電弧所需的高電壓。圖3C和4B示出了系統B在特定電壓電流曲線的區域內的操作。開關SW1圖中所示為晶體管或IGBT120。當開關SW1閉合時，電路裝置100和噴槍10的電極與噴嘴串聯。用這種方式，借助于從繞組102得到的電壓可以產生引導電弧。分流器132測量總電流IA并用于調節。分流器130用于檢測引導電流。扼流圈或電抗器140用于維持電流，從而在間隔的輸入脈沖之間即變壓器10的間隔的輸出脈沖之間維持引導電弧。在操作時，開關SW1被閉合，使得變壓器110的二次繞組102被激勵(最好兩個繞組102)。繞組102內的電流脈沖在電極和噴嘴之間的間隙上以及電抗器上產生電壓。實際上，引弧電壓大約為150V，扼流圈140的電壓大約為50V；因此，繞組102的輸出大約為200V。如果工件30要被切割，則把其移近噴槍10。這種接近由分流器130和132中的電流檢測到，從而打開開關SW1，并激勵二次電路裝置200。這二次電路裝置200包括二次繞組202，整流二極管204和慣性二極管206。當開關SW1打開時，二次繞組上的電壓被用于立即把電弧轉移到工件30上。電容器210用于在沒有電流從工件通過電極時即在工件30不在其位時維持峰值電壓。按照本發明的這一方面，通過工件30的電流是分流器132的電流減去引弧分流器130的電流。在本發明的這一實施例中，工作電流Iw是非直接測量的，而不用一個單獨的分流器測量這一特定電流。如后面所要解釋的，工件電流表示通過打開開關SW1使電弧轉移發生的合適的條件。
圖3A-3C和圖4A-4C所示的電壓電流曲線用于說明圖1所示的現有技術和圖2所示的本發明的最佳實施例之間的區別。這些曲線包括引弧操作的X區域和切割電弧操作區域Y。這些區域是和本發明的兩種操作方式有關的可調節的最佳操作區域。現在參看圖3A，區域X的特征是高電壓低電流，用于引弧。區域Y的特征是低電壓大電流。該區域是確定切割操作的操作條件。在圖3B中，說明了現有技術的系統的一個特性曲線230。因為使用一個繞組54,56，所以產生一個特性曲線230，其被設計和區域X與Y相交。這一個特性曲線不可能對X和Y區域的每一個進行優化。現在參看圖3C，對于繞組102，電路裝置100的特性曲線是曲線132，其被對于X區域在系統B的引弧操作方式下優化。特性曲線234由繞組202和電路裝置200產生，并對于區域Y優化。在圖4A-4C中，在區域X,Y中的控制點分別是當在引弧方式或切割方式下為控制設備選擇的操作點。如圖4A所示，從點250到點252的位移是線260。因而，當圖1的開關SW打開時，控制設備沿著線260從點250移動到點252。當圖2所示的系統B的開關SW1打開時，控制設備發生相同的操作。這在圖4B中示出了；不過，本發明和現有技術相比的優點在圖4C中示意地示出了。當從操作點250向操作點252移動時，變壓器輸出跳過距離262，然后，由電流控制設備逐漸地移動到點252。這和現有技術的區別是明顯的，現有技術要求電流控制設備立即直接地從點250移動到點252，其距離如線段264所示。可以看出本發明的移動線段263大大小于現有技術的線段264。因而，通過使用本發明，首先控制點沿著線260立即跳躍，然后逐漸地移動到點252。現有技術要求控制設備沿著總距離線260操作。圖4A-4C所示的曲線是定性的示意曲線，用于理解本發明的優點。實際的電流控制設備不是本發明的部分。只需要認識到，對于引弧方式和切割方式使用單獨的繞組在允許系統具有不同的電壓電流曲線方面具有明顯的優點。
為了控制在引弧方式和切割方式之間移動，在系統B中使用工作電流的季節測量，如圖2所示。更直接地使用工件電流的情況示于圖5，其中系統C包括由工件電流檢測器或分流器302和以前說明的分流器130控制的電流響應開關電路300。電路300在分流器302上檢測到工作電流超過給定值時打開開關SW1。當分流器130中的電流減少到給定值時開關閉合，從而重新建立引弧方式。電路300通過使用具有代表工作電流Iw的第一輸入312的高增益運算放大器實現這種功能。在線314上的遠離參考信號和在線312上的電壓信號比較，從而控制放大器310的輸出。當這放大器產生邏輯信號1時，開關點320被觸發從而在輸出322中產生用于打開開關SW1的信號。這切斷引導電弧并立即轉移電弧。通過直接測量工作電流，系統C檢測工件30處于合適的位置并足夠接近以便維持轉移電弧的時刻。這是實際工作電流的直接測量，并可以通過在線314上的參看電壓或門限電壓精確地控制，從而給出噴槍10從電路裝置100轉移到電路裝置200的精確的轉移操作。當工件被除去時，電流IA由于變壓器的功能而減少，該電流由分流器130測量或檢測，該分流器控制代表電弧電流的電壓的高增益運算放大器330。在線334上的參看電壓信號在運算放大器330的輸出產生邏輯1，從而觸發點320在線324產生信號，該信號在分流器130中的電流減少到門限值以下時啟動開關SW1。用這種方式，通過工件位置確定電弧轉移。當工件移近噴槍時，電弧被轉移。當工件從噴槍移開時，電弧返回引弧方式。現在參看圖6，其中以一般的表達方式說明參看線314的電壓值。為了表示如實際上使用的實現向切割方式轉移的一般方法，可參看線340，它表示工作在28A的引導電弧的系統的操作。假定電路300要被調整到在噴槍342和工件點342之間距離0.3時轉移到切割方式。在線314中的參考值被調整到大約為1.7A的工作電流Iw。當這個工件電流被放大器310檢測到時，開關SW1被打開，從而從第一電路裝置100轉移到第二電路裝置200而開始切割操作。實際上，電弧在2A或更小時轉移。在圖1所示的由Ir維持的28A的引導電流下轉移距離或遠離距離略小于0.3英寸。在線314上較低的轉移點允許較大的遠離距離，但是也需要較高的轉移電壓Vw。
圖7示意地示出了變壓器110，其中一次繞組P1/P2被表示為繞組350，它在圖2和圖5中也被表示為輸入繞組。用于引導電弧電路裝置100的二次繞組102以相對細的線繞在變壓器110的鐵心110a上，用于產生引導操作方式的高電壓和低電流。因為使用全橋逆變器，所以使用兩個單獨的繞組SP1,SP2。這些繞組極性相反，如圖9所示。用類似方式，大的二次繞組202包括極性相反的繞組S1/S2，也如圖9所示。從圖7應該理解，在電路裝置100和電路裝置200中使用的繞組數由電源和變壓器的輸入網絡確定。本發明涉及對于不同的操作方式使用兩個不同的繞組網絡，不過，在網絡中的繞組的結構和數量可以改變。
圖8說明使用等離子噴槍10切割具有分開的元素的多孔金屬網板360時的情況。當噴嘴在元素362的上方時，間距z相對較短；因此，分流器302中的電流增加而超過由在線314中的遠離電壓確定的門限值。如果間距z小于結合圖5和圖6說明的所選擇的遠離距離，則電弧被轉移從而切割工件或元素362。在通過元素362之后，則具有一個無限的間距z，因此，分流器130的電流減少并維持引導電弧，如結合圖5中電路300的操作所解釋的那樣。噴槍在多孔金屬網板360上的快速運動按照電弧由切割方式轉移到引弧方式而被重復并被精確地控制，其轉移由通過電路300的分流器130和302檢測的工件相對于噴槍的位置確定。這是相對于現有技術的優點，并且是借助于高精度的電弧轉移實現的。本發明的這一方面應當在圖1所示的現有技術中實現，其中電流檢測裝置可以進行引導方式和切割方式之間的轉換。
本發明的另一方面如圖9-11所示，其中系統C被修改產生系統D。在該系統中，兩個相反極性的繞組102和202分別被示意地表示為等離子二次繞組SP1,SP2和SC1,SC2。使用兩個極性相反的并聯的繞組以前作為一般的逆變器構思已經討論過。本發明不依賴于所需用于產生操作電流的變壓器繞組的細節。逆變器電源在具有可變長度以便進行調整電流Ir的控制的二次繞組中提供脈沖。在系統D中，除去了慣性二極管150,206，使得慣性電流在一次繞組350中流動，如圖2所示。引導電弧繞組SP1,SP2極性相反，并且包括整流二極管220和緩沖電路230。切割繞組SC1,SC2極性相反，并具有含有存儲電容器202的專用緩沖電路240，用于存儲工件和噴嘴之間的高電壓，這高電壓發生在當系統D工作在引弧方式時因為電弧轉移而使一次繞組350截止的期間。通過使用電容器242，電路200產生高的工件對噴嘴的電壓，在實際上大約為340V。當在繞組350的一次電壓被切斷時即在具有一次慣性二極管的推拉變壓器的脈沖之間出現這種峰值電壓。工件到噴嘴的平均電壓大約為200V。二極管緩沖電路240在一次截止時間存儲能量，并使工件對噴嘴電壓最大。當一次導通時，由引弧繞組SP1,SP2維持引弧。此時，引弧繞組產生實際上大約為285V的電壓，其在引導電弧和電抗器140上分配。引弧電壓大約為160V，電抗器電壓大約為125V。切割繞組沒有閉合的電路，從而在繞組SC1,SC2產生開路電壓。這些繞組產生大約為275V的電壓，在接通時刻具有大約為25％的過沖。這過沖電壓的峰值把電容器242充電到大約為340V。這電容器電壓是和引弧電壓(160V)以及電抗器電壓(125V)串聯的，從而在工件和噴嘴之間產生大約為50-60V的電壓。當一次電壓截止時，流過引弧電路100中的電流將由存儲在輸出電抗器140中的能量維持。電流繼續以非常小的電壓降流過引弧繞組SP1,SP2。在變壓器一次側上的嵌位二極管通過允許由二次電路產生的任何電流流過來限制一次側電壓。160V的引弧被維持，并在輸出電抗器140上出現-160V電壓。變壓器繞組SP1,SP2在這狀態期間被嵌位為0V，但是切割電源仍然維持340V。這電壓來自在逆變器的一個狀態期間被充電的緩沖電容器242。在切割電路200中沒有電流通路，使得電容器242不能放電。切割二極管D1和D2永不流過任何慣性電流。引弧電源電壓非常接近于0，使得工件到噴嘴的電壓等于電容器242上的電壓，從而產生340V的工件到噴嘴的電壓。
因為輸入脈沖的速率為每秒幾百個脈沖，在發生在引弧操作方式中的輸出脈沖之間存在放電間隔或期間。本發明的優點將使用有代表性的電壓結合圖10A-10B進行說明。當開關SW閉合并且引弧P被建立時，如圖10A所示，引弧具有實際上大約為160V的電壓。電抗器140具有140V的電壓。因而，在繞組102中產生二次脈沖，二次繞組102的電壓大約為300V。電路裝置200的繞組202的開路電壓大約為275V，在接通時具有25％的過沖，其峰值使電容器210充電，或使緩沖電容器242充電到340V，如圖9所示。在這些電壓下，工件對噴嘴的電壓大約為60V。當由于輸入脈沖的中斷而使輸出脈沖截止時，電路裝置100試圖續流。然而，圖5所示的二極管150已被從繞組102上除去。因而，電路裝置100的續流通過繞組102而發生，繞組102在變壓器鐵心110a上和一次繞組350緊密耦合，并產生大約為10V的電壓降。在這續流狀態期間，電流被電抗器140維持。這使得在電抗器上出現-160V的電壓。繞組102的電壓降為10V，因而剩余的150V的電壓出現在噴嘴和電極之間。電容器210保持在一個狀態下的充電狀態，并且繞組102在其上具有大約為10V的電壓。這產生大約為310V的工件對噴嘴的電壓。因而，在引弧操作方式期間，極高的電壓加在工件和噴嘴之間。這個過程在圖11中說明了，其中在一次電流脈沖P截止時在輸出脈沖之間產生高電壓脈沖360。脈沖360的速率為幾個KHz。該過程示于圖11并且只要開關SW閉合，該過程就被繼續。當開關為把電弧轉換為切割方式而打開時，可得到高電壓用于電弧轉移。這在本領域中是極為先進的，并大大改進了電弧向工件的轉移。高的工件噴嘴電壓使得電源能夠在0.5英寸以上可靠地產生電弧轉移。實際上，工件噴嘴電壓被限制，以便滿足IEC974-1的規定。這規定要求工件噴嘴電壓被限制在113VDC峰值。由于113VDC的峰值的限制，轉移距離將減少，然而電源應滿足這一規定。因此，標準電壓限制電路被加在工件和噴嘴之間。
實際上引弧繞組比切割繞組具有較高的匝數比。當引弧開關打開時，電弧轉移到工件上，并且電源的負載從高壓低電流轉換為低壓高電流。此時，轉換的一部分由于不同的變壓器繞組的作用而發生，轉換的其余部分由控制系統處理。當電弧縮回噴嘴時(引導電弧)發生同樣的增強的轉變。負載從低電壓大電流轉換為高電壓低電流。當引弧繞組重新接通時這轉變的一部分瞬時發生。控制系統的響應時間可以減少，并且每秒的最大轉移數可以增加。
當最大一次電流是主要的設計參數時，如圖5和9所示的雙繞組電路將是有利的。例如，在常規的單繞組輸出電路中，繞組的比和上面使用的引導比相似。然而，這高匝數比的繞組也用于切割方式并且要求大的一次電流。當和雙繞組電路比較時，常規的單繞組電路需要較多的一次電流。雙繞組電路通過使切割繞組具有較低的匝數比而減少一次電流的最大值。
為了說明本發明的寬度，圖12示出了等離子系統E，其中電源400通過使電流脈沖通過一次繞組412而產生交流脈沖用于驅動輸出變壓器410。二次繞組414，如前所述可以包括一組極性相反的繞組，包括中間抽頭420，用于確定較低的二次繞組部分422。通過使用這一輸出二次網絡，借助于使用整流二極管430和開關432而形成等離子電弧電路裝置100a。在電路100a中的電流由分流器130檢測，從而測量引弧電路Ip。電路裝置100a執行在本發明的最佳實施例中所述的電路裝置100的功能。按類似方式，電路裝置200a具有整流二極管440和分流器302在切割方式下工作。因而，一個二次繞組414可以起到類似于本發明最佳實施例中使用的兩個單獨繞組102,202的作用。
在本發明的實施中，引弧方式和切割方式的匝數比是不同的，即引弧為26∶26，切割為26∶24。本發明可以利用相同的匝數比，不過，這種方案將使本發明失去一些優點，因為構成本發明基本特征的兩個單獨繞組將工作在基本相同的輸出曲線上。然而，本發明仍然產生高的噴嘴工件電壓，當工件移近噴嘴時用于電弧轉移。本發明的實施例使用匝數比引弧繞組多的切割繞組，從而對于切割方式產生高的電壓輸出，例如當高電壓操作有利即打孔時。
權利要求
1.一種等離子系統，包括電極和具有等離子電弧噴口的噴嘴，所述噴口使所述電極暴露于工件，并具有包括一次繞組網絡和由所述一次繞組網絡驅動的二次繞組網絡的輸入變壓器，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述噴嘴之間的引導電弧的第一電路裝置，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述工件之間的等離子電弧的第二電路裝置，以及用于選擇地在所述第一電路裝置和所述第二電路裝置之間轉換的開關裝置，其改進包括所述二次繞組網絡包括具有第一有效匝數的用于驅動所述第一電路裝置的第一繞組裝置，和具有第二有效匝數的用于驅動所述第二電路裝置的第二繞組裝置，所述第一和第二有效匝數是不同的。
2.如權利要求1所述的改進，其中所述第一繞組裝置提供具有第一總電流范圍的第一電壓范圍，所述第二繞組裝置提供具有第二總電流范圍的第二電壓范圍。
3.如權利要求2所述的改進，其中所述第一電壓范圍遠大于所述第二電壓范圍。
4.如權利要求1所述的改進，其中所述第一繞組裝置包括兩個極性相反的單獨的二次繞組，其每個具有所述第一有效匝數。
5.如權利要求4所述的改進，其中所述第二繞組裝置包括兩個極性相反的單獨的繞組，其每個具有所述第二有效匝數。
6.如權利要求1所述的改進，包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的裝置，和用于當所述檢測電流值超過給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第二電路裝置的裝置。
7.如權利要求6所述的改進，其中所述檢測電流值是所述工件和所述電極之間的電流。
8.如權利要求1所述的改進，包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的裝置，和用于當所述檢測電流值小于給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第一電路裝置的裝置。
9.如權利要求8所述的改進，包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的裝置，和用于當所述檢測電流值超過給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第二電路裝置的裝置。
10.如權利要求8所述的改進，其中所述檢測電流值是從所述工件到所述電極之間的電流。
11.如權利要求6所述的改進，其中所述電流值是從所述工件到所述電極之間的電流。
12.如權利要求1所述的改進，其中所述第二繞組裝置是所述第一繞組裝置的一部分。
13.如權利要求2所述的改進，其中所述第二繞組裝置是所述第一繞組裝置的一部分。
14.如權利要求4所述的改進，其中所述第二繞組裝置是所述第一繞組裝置的一部分。
15.如權利要求1所述的等離子系統，包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的第一檢測裝置，和用于當所述檢測的電流值超過給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第二電路裝置的裝置。
16.如權利要求15所述的等離子系統，包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的第二檢測裝置，和用于當所述檢測的電流值小于給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第一電路裝置的裝置。
17.如權利要求1所述的等離子系統，包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的第二檢測裝置，和用于當所述檢測的電流值小于給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第一電路裝置的裝置。
18.一種用于操作等離子系統的方法，所述等離子系統包括電極和具有等離子電弧噴口的噴嘴，所述噴口使所述電極暴露于工件，并具有包括一次繞組網絡和由所述一次繞組網絡驅動的二次繞組網絡的輸入變壓器，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述噴嘴之間的引導電弧的第一電路裝置，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述工件之間的等離子電弧的第二電路裝置，以及用于選擇地在所述第一電路裝置和所述第二電路裝置之間轉換的開關裝置，所述方法包括以下步驟(a)提供所述第二繞組網絡作為具有第一有效匝數的用于驅動所述第一電路裝置的第一繞組裝置，以及具有第二有效匝數的用于驅動所述第二電路裝置的第二繞組裝置，所述第一和第二有效匝數是不同的；(b)檢測所述第一和第二電路裝置中的一個的電流值；以及(c)當所述檢測的電流值超過給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第二電路裝置的裝置。
19.如權利要求18所述的方法，還包括以下步驟(d)檢測所述第一和第二電路裝置中的一個的電流值；以及(e)當所述檢測的電流值小于給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第一電路裝置。
20.一種等離子系統，包括電極和具有等離子電弧噴口的噴嘴，所述噴口使所述電極暴露于工件，并具有包括一次繞組網絡和由所述一次繞組網絡驅動的二次繞組網絡的輸入變壓器，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述噴嘴之間的引導電弧的第一電路裝置，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述工件之間的等離子電弧的第二電路裝置，以及用于選擇地在所述第一電路裝置和所述第二電路裝置之間轉換的開關裝置，其改進包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的第一檢測裝置，和用于當所述檢測的電流值超過給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第二電路裝置的裝置。
21.如權利要求20所述的改進，包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的第二檢測裝置，和用于當所述檢測的電流值小于給定電流時使所述開關裝置轉換到所述第一電路裝置的裝置。
22.一種等離子系統，包括電極和具有等離子電弧噴口的噴嘴，所述噴口使所述電極暴露于工件，并具有包括一次繞組網絡和由所述一次繞組網絡驅動的二次繞組網絡的輸入變壓器，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述噴嘴之間的引導電弧的第一電路裝置，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述工件之間的等離子電弧的第二電路裝置，以及用于選擇地在所述第一電路裝置和所述第二電路裝置之間轉換的裝置，其改進包括所述二次繞組網絡包括具有用于驅動所述第一電路裝置的有效匝數的第一繞組裝置和具有用于驅動所述第二電路裝置的有效匝數的第二繞組裝置。
23.一種用于操作等離子系統的方法，所述等離子系統包括電極和具有等離子電弧噴口的噴嘴，所述噴口使所述電極暴露于工件，并具有包括一次繞組網絡和由所述一次繞組網絡驅動的二次繞組網絡的輸入變壓器，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述噴嘴之間的引導電弧的第一電路裝置，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述工件之間的等離子電弧的第二電路裝置，以及用于選擇地在所述第一電路裝置和所述第二電路裝置之間轉換的裝置，所述方法包括以下步驟(a)提供所述第二繞組網絡作為具有第一有效匝數的用于驅動所述第一電路裝置的第一繞組裝置，以及具有第二有效匝數的用于驅動所述第二電路裝置的第二繞組裝置；(b)檢測所述第一和第二電路裝置中的一個的電流值；以及(c)當所述檢測的電流值超過給定電流時轉換到所述第二電路裝置的裝置。
24.如權利要求23所述的方法，還包括以下步驟(d)檢測所述第一和第二電路裝置中的一個的電流值；以及(e)當所述檢測的電流值小于給定電流時轉換到所述第一電路裝置。
25.在一種等離子系統中，所述等離子系統包括電極和具有等離子電弧噴口的噴嘴，所述噴口使所述電極暴露于工件，并具有包括一次繞組網絡和由所述一次繞組網絡驅動的二次繞組網絡的輸入變壓器，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述噴嘴之間的引導電弧的第一電路裝置，由所述二次繞組網絡驅動的用于產生在所述電極和所述工件之間的等離子電弧的第二電路裝置，以及用于選擇地在所述第一電路裝置和所述第二電路裝置之間轉換的裝置，其改進包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的第一檢測裝置，和用于當所述檢測的電流值超過給定電流時轉換到所述第二電路裝置的裝置。
26.如權利要求25所述的改進，包括用于檢測在所述第一第二電路裝置中的一個的電流值的第二檢測裝置，和用于當所述檢測的電流值小于給定電流時轉換到所述第一電路裝置的裝置。
全文摘要
一種等離子系統包括噴槍,其具有電極和具有等離子電弧噴口的噴嘴,所述噴口使所述電極暴露于工件,并具有包括一次繞組網絡和由所述一次繞組網絡驅動的二次繞組網絡的輸入變壓器,由所述二次繞組網絡驅動的第一電路裝置和第二電路裝置,以及用于選擇地在所述第一電路裝置和所述第二電路裝置之間轉換的開關裝置,其改進包括:二次繞組網絡包括具有第一有效匝數的用于驅動第一電路的第一繞組,和具有第二有效匝數的用于驅動第二電路的第二繞組,并且第一第二有效匝數可以不同。
文檔編號H05H1/36GK1203843SQ9810804
公開日1999年1月6日 申請日期1998年3月13日 優先權日1997年3月13日
發明者約瑟夫·艾倫·丹尼爾 申請人:林肯電氣公司