close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY5144

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 5144
(13) C1
(19)
7
(51) B 23K 10/00
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА НАЗАД ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
(21) Номер заявки: a 19980697
(22) 1998.07.23
(31) 08/901,640 (32) 1997.07.28 (33) US
(46) 2003.06.30
(71) Заявитель: Дзе Линколн Электрик
Кампани (US)
(72) Автор: ДАНИЭЛ Джозеф Аллен (US)
(73) Патентообладатель: Дзе Линколн Электрик Кампани (US)
BY 5144 C1
(57)
1. Плазменно-дуговой резак, имеющий электрод в сопле, источник тока для питания
постоянным током, силовую цепь для подключения источника тока к электроду и к заготовке, которую нужно резать, силовой переключатель для подключения сопла к источнику
тока, причем с помощью этого силового переключателя, находящегося в замкнутом положении, устанавливается пилотный режим дуги, и для отключения сопла от источника тока, чем в разомкнутом положении определяется режущий режим дуги, средства усиления
для регулирования источника тока на настроенный ток для пилотного режима дуги и на
настроенный ток для режущего режима дуги, а также цепь отвода дуги для переключения
силового переключателя из разомкнутого состояния в замкнутое состояние, при этом цепь
отвода дуги снабжена средствами для измерения тока и для создания первого сигнала,
отображающего действительный ток, подаваемый источником тока к силовому переключателю, средства для создания второго сигнала, отображающего уровень тока, ниже указанного настроенного тока для режущего режима дуги, и средствами управления силовым
переключателем для его замыкания, когда указанный первый сигнал равен указанному
второму сигналу.
2. Резак по п. 1, отличающийся тем, что указанный уровень тока является процентной долей от указанного настроенного тока для режущего режима дуги.
Фиг. 1
BY 5144 C1
3. Резак по п. 2, отличающийся тем, что указанная процентная доля находится в диапазоне 60-80 %.
4. Резак по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что указанные средства управления силовым переключателем включают компаратор, вырабатывающий выходной сигнал
на замыкание силового переключателя, когда указанный первый сигнал равен указанному
второму сигналу.
5. Резак по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что указанными средствами создания второго сигнала является делитель напряжения, подключенный к клемме, имеющей
напряжение, отображающее указанный настроенный ток для режущего режима дуги, а в
качестве выхода делителя напряжения используется промежуточная точка на указанном
делителе напряжения для формирования второго указанного сигнала.
6. Резак по п. 1 или 5, отличающийся тем, что указанные средства управления силовым переключателем включают ограничивающее средство для создания ограничений для
максимального значения указанного второго сигнала.
7. Резак по п. 1 или 6, отличающийся тем, что указанным ограничивающим средством является диод Зенера.
8. Способ отвода электрической дуги в плазменно-дуговом резаке, имеющем электрод
в сопле, источник тока для питания постоянным током, силовую цепь для подключения
источника тока к электроду и к заготовке, которую нужно резать, силовой переключатель
для подключения сопла к источнику тока, причем с помощью этого силового переключателя, находящегося в замкнутом положении, устанавливается пилотный режим дуги, и для
отключения сопла от источника тока, чем в разомкнутом положении определяется режущий режим дуги, средства усиления для регулирования источника тока на настроенный
ток для пилотного режима дуги и на настроенный ток для режущего режима дуги, а также
цепь отвода дуги для переключения силового переключателя из разомкнутого состояния в
замкнутое, включающий следующие шаги:
(а) создание первого сигнала, отображающего действительный ток, подаваемый источником тока к силовому переключателю,
(b) создание второго сигнала, отображающего уровень тока, ниже указанного настроенного тока для режущего режима дуги, и
(с) замыкание силового переключателя, когда указанный первый сигнал равен указанному второму сигналу.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что создают настроенный ток для пилотного
режима дуги, уровень которого является процентной долей указанного настроенного тока
для режущего режима дуги.
10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что указанная процентная доля находится в
диапазоне 60-80 %.
11. Способ по п. 8, отличающийся тем, что включает ограничение максимального
значения второго сигнала.
(56)
US 5620617 A, 1997.
RU 2011493 C1,1994.
RU 2009030 C1, 1992.
US 4996407 A, 1991.
Настоящее изобретение относится к области плазменно-дуговых систем и, в частности, к усовершенствованию устройства и способа для переключения режущей электрической дуги на резак, когда длина дуги может превысить допускаемую мощностью
источника электропитания.
2
BY 5144 C1
При работе плазменно-дуговой системы резак имеет два отчетливых режима работы.
В режиме отвода назад дуги дуга резака располагается между электродом и соплом резака
в ожидании использования для резки или иной обработки металлической заготовки. В режиме резки, т.е. в рабочем режиме, плазменная дуга переходит от электрода на заготовку.
В процессе резки заготовки дуга может погаснуть, как только ее длина увеличится до предела мощности источника питания постоянного тока, питающего резак. Поэтому обычно
на практике плазменно-дуговую систему оборудуют цепью отвода назад дуги, которая
принудительно переключает дугу с заготовки обратно на резак между электродом и соплом, как только длина дуги увеличится до такой степени, что может погаснуть. Чтобы
проиллюстрировать достигнутый уровень технологии, относящейся к переключению дуги
с режима резки в режим отвода назад дуги в зависимости от условий, возникающих на резаке, далее обзорно рассмотрены некоторые известные патенты.
В патенте Тракслера [1] описана разработанная им цепь, в которой контролируется
напряжение между плазменно-дуговым резаком и заготовкой. Как только напряжение от
источника тока между плазменно-дуговым резаком и заготовкой превысит заданный уровень, замыкается переключатель в цепи отвода назад дуги, чтобы переключить дугу с заготовки на резак. Этот патент защищает цепь, в которой компаратор контролирует
действие силового переключателя в цепи отвода назад дуги плазменно-дугового резака в
ответ на сигнал, показывающий напряжение источника тока. Когда напряжение между
соплом и заготовкой меньше предварительно заданного уровня, силовой переключатель
разомкнут, что переводит плазменно-дуговой резак в режим резки. Компаратор переводит
плазменно-дуговой резак в режим отвода назад дуги путем замыкания силового переключателя в цепи отвода назад дуги, когда напряжение между заготовкой и соплом превышает предварительно заданное значение. Этот ранее полученный патент включен в обзор,
чтобы показать полезность измеряемого напряжения, причем это значение напряжения
сравнивается с сигналом, представляющим базовое напряжение, с целью переключить дугу с заготовки на резак, когда измеренное напряжение станет больше базового напряжения. Недостаток этой цепи состоит в том, что она управляется напряжением от силового
источника тока. Следовательно, нужно измерять напряжение между заготовкой и соплом.
Тем не менее, в этом патенте описана и рассмотрена работа цепи переключения дуги
плазменно-дугового резака.
В патенте Борового [2], который может быть принят в качестве прототипа, для управления источником питания использован выходной сигнал стандартного усилителя рассогласования. Сравнивая этот выходной сигнал с выбранным фиксированным напряжением,
которое определено как максимальное выходное напряжение для источника тока, создается сигнал для переключения дуги. Это сравнивание используется, чтобы переключать дугу
с заготовки на сопло, когда выходной сигнал усилителя рассогласования увеличивается до
значения фиксированного напряжения, установленного в качестве характеристики источника питания постоянного тока.
Принятое за прототип плазменно-дуговой резак с устройством для отвода назад электрической дуги, имеющем электрод в сопле, источник тока для питания постоянным током, силовую цепь для подключения источника тока к электроду и к заготовке, которую
нужно резать, силовой переключатель для подключения сопла к источнику тока, причем с
помощью этого переключателя, находящегося в замкнутом положении, установлен пилотный режим дуги резака, и для отключения сопла от заготовки, чем в разомкнутом положении определен режущий режим дуги, средства усиления для регулирования
источника тока на первый настроенный ток для пилотного режима дуги и на второй настроенный ток для режущего режима дуги, а также цепь отвода назад дуги для переключения силового переключателя из разомкнутого состояния в замкнутое состояние.
Принятый за прототип способ отвода назад дуги заключается в том, что при образовании пилотного режима дуги в случае работы в плазменно-дуговой системе с резаком,
имеющим электрод в сопле, источник тока для питания постоянным током, силовую цепь
3
BY 5144 C1
для подключения источника тока к электроду и заготовке, которую нужно резать, силовой
переключатель для подключения сопла к источнику тока, причем этот переключатель будучи в замкнутом положении определяет пилотный режим дуги указанного резака, и для
отключения сопла от заготовки, что в разомкнутом положении определяет режущий режим дуги, а также средства усиления для регулирования источника тока на первый настроенный ток для указанного пилотного режима дуги и на второй настроенный ток для
указанного режущего режима дуги.
Эти патенты включены в приводимый обзор и кратко описаны, с целью показать причины и достоинства переключения дуги, когда напряжение режущей дуги выходит за пределы заданного значения во время режима резки. Таким образом, плазменно-дуговую
систему можно автоматически переключать в режим отвода назад дуги вместо того, чтобы
дать дуге возможность погаснуть. Нет необходимости здесь повторять технологический
процесс, описанный в этих патентах, цель изобретений и достоинства цепи для переключения дуги в плазменно-дуговой системе.
Анализ предшествующих патентов, которые включены в вышеприведенный обзор,
показывает предпосылки, на которых основывается данное изобретение. Известные способы и устройства для переключения дуги были сложными, дорогими при их применении
и снижали эффективность плазменно-дуговой системы во время операций резки. Поддержание целостности плазменной дуги между операциями резки является чрезвычайно важным. При отсутствии возможности переключать дугу между операциями резки каждую
операцию резки нужно начинать последовательностью запуска дуги для резака. Такая последовательность запуска дуги - это расход времени, затраты, неэффективные и отвлекающие при промышленном применении плазменно-дуговых резаков.
После завершения резаком операции резки дугу нужно поддерживать и сохранять ее
между соплом и электродом для того, чтобы обеспечивать эффективную работу плазменно-дугового резака. Возврат дуги в сопло поддерживает пилотную дугу и исключает необходимость повторного поджига дуги между операциями резки. Эта особенность для
плазменно-дуговой системы является особенно полезной при резании толстого металла
или при быстрой разрезке нескольких различных кусков металла. Дуга поддерживается за
счет протекания тока через сопло, хотя режущая дуга в действительности погасла из-за
уменьшения мощности от источника тока. Режущая дуга теряется и тогда, когда электрод
отходит от заготовки и напряжение, требуемое для дуги, увеличивается, превышая возможности источника тока, используемого для электропитания резака. В этом случае дуга
пропадет или погаснет до тех пор, пока не будет создан какой-либо другой низковольтный
канал. Этот низковольтный канал создается путем подключения сопла к источнику питания при замыкании обычного силового переключателя, предусмотренного в цепи подвода
дуги. Ранее известные цепи переключения дуги включали средства измерения напряжения
и снижали использование всех возможностей, которые могли дать имеющийся источник
тока или источник мощности.
Задачей настоящего изобретения является усовершенствование цепи отвода назад дуги плазменно-дуговой системы с режущим резаком и создание нового способа переключения дуги в таком резаке. Усовершенствованная цепь отвода назад дуги используется для
того, чтобы перевести силовой переключатель из разомкнутого состояния в замкнутое состояние и обеспечить переход от режима резки в режим отвода назад дуги.
В изобретении использована идея создания первого сигнала, отображающего реальный ток, подаваемый от источника тока в силовую цепь, питающую плазменный резак,
создания второго сигнала, отображающего уровень тока, который меньше установленного
уровня тока для операции резки, и замыкания силового переключателя в цепи отвода назад дуги, когда первый сигнал в сущности равен второму сигналу.
Таким образом, режущая дуга переносится на сопло, когда выходной ток, регулируемый источником тока, падает ниже значения режущего тока, которое может регулиро4
BY 5144 C1
ваться источником тока. Согласно отличительной особенности изобретения, уровень тока,
с которым сравнивается действительный ток от источника тока, связан процентным соотношением с настроенным режущим током, на который отрегулирован источник тока.
Практически это процентное соотношение лежит в пределах 60-80 %. При использовании
изобретения источник тока, питающий резак, будет работать на максимальной возможности при различных настройках, используемых во время операции резки.
Согласно другой отличительной особенности данного изобретения, в нем обеспечивается новый способ переключения дуги в режим отвода назад дуги в плазменно-дуговой
системе с режущим резаком. Этот способ включает шаги создания первого сигнала, отображающего действительный ток, подаваемый источником тока в силовую цепь резака,
создания второго сигнала, отображающего уровень тока ниже настроенного тока, и замыкания силового переключателя цепи отвода назад дуги, когда первый сигнал в сущности
равен второму сигналу. Согласно более узкой отличительной особенности данного изобретения, уровень тока, с которым сравнивается действительный ток, является процентной долей от настроенного тока, используемого в режущем режиме операции. Эта доля на
практике лежит в диапазоне 60-80 %.
Основная цель изобретения - это создание усовершенствованной цепи отвода назад
дуги и нового способа переключения дуги для плазменно-дугового резака, причем цепь и
способ работают независимо от какого-либо сигнала по напряжению от усилителя рассогласования и независимо от настроенного выходного напряжения для источника тока.
Согласно другой отличительной особенности настоящего изобретения, цепь и способ,
которые описаны выше, не требуют измерения напряжения в цепи управления плазменнодугового резака с целью переключения дуги на сопло.
Еще одна цель изобретения - это создание цепи и способа, которые описаны выше,
причем цепь и способ используют всю возможную мощность от источника постоянного
тока без ограничений во время операции резки дугой.
Другая цель настоящего изобретения - это создание цепи и способа, которые описаны
выше, причем цепь и способ позволяют проводить операцию резки для резака плазменнодуговой системы до тех пор, пока источник тока не достигнет своей максимальной выходной мощности для любого заданного режущего тока.
Еще одна цель настоящего изобретения - это создание цепи и способа, которые описаны выше, причем цепь и способ создают более длинную режущую дугу во время операции
резки, снижают заброс тока на сопле, когда дугу возвращают или переключают на сопло,
снижают требуемый размер силового переключателя в цепи подвода дуги и предотвращают повреждение сопла в плазменно-дуговом резаке от повышенного тока.
Эти и другие цели и преимущества станут ясными из последующего описания, сделанного совместно с прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 показана принципиальная схема стандартного устройства для плазменнодугового резака, имеющего электрод, сопло и силовой переключатель для перехода от пилотного режима или режима отвода назад в рабочий режим резки и обратно.
На фиг. 2 показана часть принципиальной схемы, изображающая первый контур для
перехода от пилотного режима работы в режим резки и второй контур, отображающий
предпочтительное воплощение настоящего изобретения для переключения дуги и перехода от режима резки в пилотный режим и обратно.
На фиг. 3 показан график, изображающий вольт-амперные характеристики стандартного источника постоянного тока, используемого для питания плазменно-дугового резака,
имеющего питание от входного напряжения 253 В или 187 В переменного тока.
На фиг. 4 показан график, изображающий рабочие характеристики предпочтительного
воплощения настоящего изобретения, которое показано на фиг. 2, в случае, когда дуга и
рабочий вылет увеличиваются, а входное напряжение равно 253 В переменного тока.
5
BY 5144 C1
На фиг. 5 и 6 показаны графики напряжений, отражающие рабочие характеристики
предпочтительного воплощения настоящего изобретения, которое схематически показано
на фиг. 2.
На фиг. 7 показан график тока переключения как функция от режущего тока для предпочтительного воплощения настоящего изобретения.
Обратимся теперь к чертежам, на которых изображения показаны только с целью описания предпочтительного воплощения изобретения, а не с целью его ограничения. На
фиг. 1 показано стандартное устройство, в котором резак 10 плазменно-дуговой системы
имеет цепь управления 12, питаемую источником постоянного тока 20 с положительной
выходной клеммой 22 и отрицательной выходной клеммой 24. Этот источник тока является обычно преобразователем и снабжен устройством регулировки напряжения по ширине
импульса (модулятором ширины импульса PWM), чтобы поддерживать требуемый ток,
который имеет более высокий уровень во время режима резки (т.е. 40-60 А) и более низкий уровень во время пилотного режима (т.е. 15-30 А). Резак 10 имеет электрод 30 с наконечником 32, окруженный соплом 34, имеющим отверстие выхода плазменной дуги 36.
Заготовка 40 является металлической деталью и образует часть цепи во время операции
резки, когда постоянный ток подают через силовую цепь 50, включающую провода 52, 54.
Провод 52 соединен с заготовкой 40, а провод 54 соединен с электродом 30. Силовая цепь
50 также включает стандартный дроссель 36 и токоизмерительные шунты 60, 62 для определения тока заготовки Iw и общего выходного тока источника питания Iа соответственно.
Когда заготовка отходит от сопла 34 или ее удаляют, ток через провод 52 к заготовке 40
отсутствует. Во время пилотного режима ток протекает по цепи 70 через силовой переключатель 72, подключенный к линии 74. Эта линия может также включать токоограничительное сопротивление, которое не показано. Логический элемент на линии 80
контролирует состояние силового переключателя 72. В изображенном варианте логическая единица в линии 80 замыкает силовой переключатель 72. Аналогичным образом логический нуль в линии 80 размыкает силовой переключатель 72, чтобы соединить сопло
34 через линию 74 с выходом источника тока 20 и установить пилотный режим для дуги.
Когда переключатель 72 замкнут, ток течет между электродом и соплом, что показано на
фиг. 1 как пилотная дуга А. Во время перехода в пилотный режим работы переключатель
72 первоначально замкнут и затем дуга А переходит в положение пилотной дуги, как показано на фиг. 1. Когда переключатель 72 разомкнут, напряжение от источника тока 20
подается через электрод 30 на заготовку 40, полагая, что заготовка находится смежно с
резаком 10 в режущем положении. Сопротивление дуги определяет напряжение, необходимое для поддержания предварительно выбранного режущего тока.
Источник тока 20 управляется путем модуляции ширины импульса, поэтому выходной ток регулируется напряжением на выходе 90, который снабжен усилителем рассогласования 100, имеющим выход 102. Напряжение на выходе 102 - это напряжение, приложенное к модулятору ширины импульса PWM источника тока 20 с целью увеличения
рабочего цикла источника тока, чтобы увеличить допустимый ток, подаваемый к резаку
10. Усилитель рассогласования 100 управляется напряжением на входе 104 и на входе 106.
Вход 104 получает сигнал, отображающий общий ток Iа в цепи 12. Этот реальный ток
сравнивается с током настройки в линии или с входом 106, который может быть либо первым установленным током для пилотного режима работы или вторым установленным током для режущего режима. Стандартный переключатель выбора режима 120 включает
дополнительные переключатели, показанные в позициях 122 и 124 на фиг. 2. Когда переключатель 120 поставлен селективно между входами 130 и 132, то замкнуты либо переключатель 122, либо переключатель 124. Когда переключатель выбора режима 120
подключен к токовому входу 130 на клемме 140, резак настроен на работу в режущем режиме, причем ток настройки управляется усилителем рассогласования 100. Когда токовый
вход 132, который является средством управления пилотным током, подключен путем пе6
BY 5144 C1
реключения переключателя выбора режима 120 к клемме 142, усилитель рассогласования
100 управляет источником питания 20, чтобы регулировать ток до значения настроенного
тока пилотной дуги. Ток пилотной дуги обычно лежит в диапазоне 15-30 А. Режущий ток
обычно имеет значение 50-60 А. Когда силовой переключатель 72 переводят из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, линия 150, которая также показана на фиг. 2, устанавливает настройку переключателя выбора режима 120 в соответствии с состоянием
силового переключателя 72.
При работе плазменно-дуговой резак запускают, зажигая пилотную дугу А между
электродом и соплом, замыкая переключатель 72. Это можно осуществить путем применения пусковых контактов или путем использования высокой частоты. Такие пусковые
приспособления известны и не являются частью настоящего изобретения.
Переключатель выбора режима 120 перемещают к клемме 142, при этом усилитель
рассогласования 100 воздействует на источник тока 20, регулируя выходной ток Iа в пределах настроенного тока пилотной дуги, а именно 15-30 А. Как только заготовка 40 подойдет достаточно близко к соплу 34, зазор между заготовкой и электродом ионизируется,
что вызывает протекание малого тока через датчик 60. Когда заготовка стоит достаточно
близко и требуется начать процесс резки, силовой переключатель 72 размыкают и переключатель выбора режима 120 передвигают в положение, показанное на фиг. 1. Усилитель
рассогласования 100 регулирует ток Iа на значение режущего тока Iс, который в предпочтительном воплощении равен 55 А. Плазменно-дуговой резак 10, как это описано до сих
пор выше, работает в соответствии со стандартной технологией. Как только заготовка 40
отходит от сопла 34, у источника тока 20 возникает увеличенный рабочий цикл, чтобы
обеспечить большее напряжение. В прошлых устройствах режущая дуга могла бы погаснуть, когда заготовка отходит или длина дуги (вылет) увеличивается за пределы контролируемой длины. Поддержание дуги обеспечивается цепью отвода назад дуги, которая
замыкает переключатель 72 до того, как дуга погаснет, поэтому в резаке поддерживается
пилотная дуга и резак остается в рабочем состоянии без повторного запуска. Такие цепи
отвода назад дуги хорошо известны в плазменной технологии; однако настоящее изобретение описывает усовершенствованную цепь и представляет новый способ отвода назад
дуги.
Обратимся теперь к фиг. 2. Логика управления, используемого для перемещения переключателя 72 в режим резки, показана на верхней схеме. Компаратор 200 имеет входы
202, 204 и выход 206. Напряжение на входе 202 имеет уровень, определяемый датчиком
тока 60, причем датчик дает сигнал, отображающий ток Iw в заготовке 40. Этот уровень
тока или же его величина сравнивается с базовым сигналом Ir, подаваемым на вход 204.
Когда ток заготовки на входе 202 превышает базовый ток Ir на входе 204, причем практически этот ток настроен на 200 мА, логическое устройство на выходе 206 создает логическую единицу. Инвертор 210 преобразует этот сигнал в логический нуль. Когда
переключатель выбора режима 120 находится в пилотном режиме, переключатель 122
замкнут. Соответственно в линии 80 появляется логический нуль, что размыкает переключатель 72, который был замкнут. Чтобы разомкнуть переключатель 72, переключатель
122 замыкают (пилотный режим), а ток Iw увеличивается до значения Ir. Ток заготовки Iw
увеличивается, когда заготовка подходит ближе к резаку 10. Зазор между заготовкой 40 и
электродом 30 ионизируется, что вызывает протекание тока Iw. Этот ток создает логический нуль в линии 80, чтобы перевести резак из пилотного режима в режим резки. Аналогичным образом действует компаратор 220, который является составной частью
усовершенствования цепи отвода назад дуги и нового способа составляющего суть изобретения, когда переключатель выбора режима 120 поставлен на режим резки. Компаратор 220 срабатывает, когда переключатель 124 замкнут, чтобы перейти из режима резки.
Переключатель 124 замыкают во время режима резки, тогда плазменная дуга отходит от
заготовки и сохраняется в виде пилотной дуги в сопле. Чтобы осуществить переключение,
7
BY 5144 C1
компаратор 220 действует таким способом, чтобы реализовать на практике данное изобретение. Вход 222 управляется промежуточным уровнем напряжения от делителя напряжения 224. Делитель напряжения подключен своим верхним концом к клемме 140. Уровень
напряжения на клемме 140 - это настроенное напряжение для режима резки, обеспечиваемое входом 130. Нижний конец делителя напряжения 224 заземлен, посредством этого
секции 224а и 224b находятся под фиксированной долей напряжения на клемме 140. Соответственно вход 222 - это сигнал, отображающий заданную долю настроенного тока Ic,
на который отрегулирован источник питания 20 во время режима резки. Второй вход для
компаратора 220 - это линия 104, которая также - в этом предпочтительном воплощении является входом усилителя рассогласования 100. Вход 104 может воспринимать действительный ток в режиме, который не связан с усилителем рассогласования, поскольку взаимное подключение усилителя рассогласования и компаратора 220 не является
существенным. Компаратор 220 сравнивает действительный ток от источника питания,
идущий по цепи 12, и долю от настроенного значения тока. Действительный ток может
измеряться в различных местах. На практике доля тока составляет 70 %, однако предпочтителен диапазон 60-80 %. При работе компаратор 220 имеет логический нуль на выходе
230, пока действительный ток Iа не станет ниже 70 % от настроенного тока Iс. При обычной работе действительный ток Iа равен настроенному току Iс во время режима резки, поскольку усилитель рассогласования регулирует источник тока 20 на этот уровень тока.
Однако, как только длина дуги или вылет увеличивается, ее сопротивление растет и источник тока не может подавать достаточный ток, чтобы поддерживать нормированный
ток Iс. Когда это происходит, действительный ток Iа становится меньше нормированного
тока Iс. Когда падение тока достигает 70 % от нормированного тока Iс во время режима
резки (переключатель 124 замкнут), на выходе 230 появляется логическая единица. Эта
логическая единица подается на переключатель 72 по линии 80, поэтому переключатель
72 замыкается. Когда это происходит, плазменная дуга втягивается в сопло, как показано
на фиг. 1. При использовании настоящего изобретения все возможности источника тока
20 реализуются без напрасных переключений при некотором фиктивном базовом напряжении. Управление цепью отвода назад дуги на основе сравнивания токов дает максимальную эффективность источника тока 20 и использование его возможностей.
На практике делитель напряжения 224 используют, чтобы предварительно настроить
вход 222 как долю от настроенного режущего тока Iс. Однако, как альтернативный вариант, линию 222 можно настроить на предварительно выбранный уровень ниже Iс, чтобы
он был просто уровень тока ниже регулируемого тока Iс во время режима резки. По мере
уменьшения тока Iа он может пересечься со сниженным током (Ic-х), создавая, таким образом, максимальное использование источника тока. В компараторе 220 используются либо процентное соотношение, либо предварительно задаваемое снижение настроенного
тока. Между вводом 222 и землей можно подключить диод Зенера, чтобы ограничить максимальный уровень напряжения на входе 222. Результат действия диода Зенера показан на
фиг. 7.
На фиг. 3 показаны характеристики источника тока 20, имеющего номинальное значение напряжения примерно 250 В, что показано линией 300. Такой источник тока, если ему
подать на вход 253 В переменного тока, будет вырабатывать выходное напряжение, которое в действительности меняется по зависимости, показанной линией 302. Входное напряжение источника тока и коэффициент трансформации определяют кривую 302 для
источника тока 20. Как только выходной ток увеличивается, выходное напряжение
уменьшается. Если это напряжение от источника тока 20 ограничить фиксированным значением, как в патенте-аналоге [2], представленным линией фиксированного напряжения
300, то полная мощность этого источника тока не достигается. При более высоких токах
напряжение, вырабатываемое источником тока 20, уменьшается, как показано линией 302.
Ограничение работы источника тока фиксированным значением напряжения, представ8
BY 5144 C1
ленным кривой 300, неэффективно. Источник тока 20 может вырабатывать 275 В при 25 А,
если у него на входе 253 В переменного тока. При напряжении на входе 187 В выход источника тока 20 представлен кривой 304 в нижней части фиг. 3. Согласно этой кривой,
168 В можно получить при 55 А. Кривые 302 и 304 представляют располагаемое выходное
напряжение для источника тока 20 при различных входных напряжениях (253 В и 187 В
переменного тока). Поскольку вход источника тока определяется электрической сетью потребителя, непрактично регулировать цепь отвода назад дуги точно по всем условиям работы. Из-за большого отклонения выходного напряжения и различных входных
напряжений управление цепью отвода назад дуги по напряжению, которое использовалось в прошлом, сопряжено с отклонениями и неэффективностью. Настоящее изобретение
использует для управления цепью отвода назад дуги концепцию падения тока.
Когда для цепи отвода назад дуги используются уровни напряжения, источник тока
работает по линии 300. Как только напряжение от источника тока достигает 250 В по линии 300, дуга втягивается и устанавливается пилотный режим работы. При более низких
уровнях тока источник тока не приближается к своим максимальным возможностям. Действительно, при 55 А источник тока 20 может в действительности выдавать 255 В, а это
значение напряжения лежит значительно выше фиксированного напряжения по линии
300, равного 250 В. При 25 А источник тока 20 может давать напряжение до 275 В. Источник питания не следует выключать при 250 В. Такое ранее принятое управление цепью
отвода назад дуги уменьшает коэффициент использования источника тока на 10 %. Согласно настоящему изобретению, компаратор 220 втягивает дугу при более высоких выходных напряжениях, особенно в диапазоне более низких рабочих токов.
Настоящее изобретение вызывает отвод назад дуги в сопло, когда источник тока 20 не
может более вырабатывать требуемый выходной ток, который настроен по напряжению
на клемме 140. Принцип действия настоящего изобретения объясняется на примере графика на фиг. 4, на котором показано влияние увеличения длины или вылета на параметры
цепи, использующей настоящее изобретение. Кривая 310 - это действительный ток Iа, подаваемый на компаратор 220. Между точками № 1 и № 2 действительный ток регулируют
равным току резки Iс. После точки № 2 действительный ток начинает падать по мере продвижения к точке № 3. В точке № 3 создается сигнал отвода назад, поскольку падение тока Iа достигает 70 % от тока Iс. Кривая 312 - это напряжение, вырабатываемое источником
тока 20, который пытается регулировать ток Iа в соответствии с током Iс во время режима
резки. По мере мере увеличения длины дуги (вылета) слева направо на фиг. 4 ток Iа остается в значительной степени постоянным до точки № 2. Для достижения этой цели напряжение, показанное кривой 312, увеличивается, чтобы преодолеть увеличение сопротивления более длинной дуги, что и показано кривой 314. По мере того, как дуга продолжает увеличиваться, система в конце концов достигает точки № 3, в которой сигнал,
отображающий ток Iа на выходе 104, соответствует сигналу на входе 222, который отображает процентную долю от настроенного тока Iс. Сравнение тока Iа с процентной долей
Iс создает логическую единицу на выходе 230. Переключатель 124 замкнут линией управления 150 во время режущего режима работы. Таким же образом в линии 80 на точке № 3
появляется логическая единица, чтобы замкнуть переключатель 72 и втянуть дугу.
В рабочей точке № 1 на фиг. 4 источник тока регулируется так, чтобы вырабатывать
ток 55 А, настроенный ток Iс. Напряжение источника тока 20 в основном постоянно и
равно примерно 180 В. Работа режущей дуги с ее вылетом в точке № 1 еще находится в
пределах рабочего диапазона источника тока. В точке № 1 напряжение источника тока
(180 В) примерно на 75 В ниже его максимального значения при 55 А. По мере увеличения длины дуги или вылета рабочая точка сдвигается к точке № 2, хотя при этом производится максимальное напряжение и ширина импульса модулятора равна 100 %. Это
максимально возможное напряжение для источника тока. Однако при использовании настоящего изобретения длина дуги может увеличиться до точки № 3, поскольку отвод на9
BY 5144 C1
зад дуги по данному изобретению управляется падением тока в дуге, а не какими-либо частными уровнями напряжения. Действительно, здесь нет сигнала на отвод назад, созданного простым измерением предварительно выбранного фиксированного выходного
напряжения. Режущая дуга поддерживается в пределах максимального напряжения для
источника тока, которое достигнуто при вылете дуги в точке № 2. По мере увеличения
длины дуги или ее вылета после того, как источник тока достиг своего максимального напряжения для 55 А, как показано на фиг. 3 в точке № 2. Система управления током, включающая усилитель рассогласования 100, теряет управление в точке № 2 при настроенном
уровне тока 55 А, а источник тока работает на максимуме 255 В. Источник тока 20 полностью выведен на режим, а ширина импульса модуляции равна 100 %. При дальнейшем
росте длины дуги за пределы точки № 2 ток Iа начинает падать, как показано на фиг. 4.
Как показывает кривая сопротивления дуги 314, между точками № 1 и № 3 сопротивление
дуги увеличивается по мере роста длины дуги или вылета. Рост сопротивления приводит к
росту напряжения дуги. При источнике тока, отрегулированном на постоянный ток 55 А,
происходит линейное изменение напряжения дуги, когда сопротивление дуги меняется по
кривой 314. Это показано после точки 316 на кривой 312. За пределами точки № 2 источник тока 20 полностью нагружен, а его выходное напряжение находится на максимальном
уровне для конкретных выходных токов; однако сопротивление дуги продолжает расти
вместе с увеличением вылета. Между точками № 1 и № 2 нет увеличения выходного напряжения, хотя ток и регулируется. После рабочей точки № 2 система управления источником тока 20 больше не управляет током. Источник тока полностью нагружен благодаря
максимальному сигналу в линии 102. Выходной ток начинает падать при росте вылета.
Когда выходной ток падает или понижается ниже предварительно заданной процентной
доли от настроенного уровня тока, дуга втягивается в точке № 3. Ширина импульса модулированного сигнала в линии 102 - это выход из типичного усилителя рассогласования
для управления током, который используется в источниках тока с постоянством тока для
плазменно-дуговых резаков. Уровень напряжения в линии 102 контролирует модулятор
ширины импульса источника тока 20. На практике сигнал 0 В в линии 102 будет создавать модулированный рабочий цикл с минимальным импульсом. Сигнал, имеющий уровень 3,5 В в линии 102 будет заставлять модулятор ширины импульса давать рабочий
цикл 100 %. Модулятор ширины импульса работает в диапазоне от 0 до 3,5 В, когда система управления активно регулирует ток. После точки № 2 сопротивление дуги вызывает
уменьшение режущего тока вплоть до сигнала отвода назад в точке № 3. Этот сигнал отвода назад дуги создается компаратором 220, показанным в нижней цепи на фиг. 2. Первый вход этой цепи - это действительный ток дуги Iа. Второй вход 222 - это процентная
доля от настроенного тока Iс во время режущего режима работы. Эта процентная доля будет составлять 70 %, однако она может быть в диапазоне 40-80 % в зависимости от условий применения. Предпочтителен диапазон 60-80 %. Сигнал на отвод назад при уровне
тока равном 0,7 от тока Iс и при режущем токе, настроенном на 55 А, будет вырабатываться тогда, когда действительный ток равен примерно 38,5 А. Когда действительный ток
станет ниже 38,5 А, сигнал отвода назад дуги в линии 230 запускает последовательность
действий по отводу назад дуги.
На фиг. 5 показаны осциллограммы событий, которые происходят, когда режущая дуга отходит от заготовки очень быстро. Верхняя осциллограмма показывает сигнал отвода
назад дуги 320, появляющийся на выходе 230 компаратора 220. Вторая осциллограмма
322 - это состояние силового переключателя 72, который замыкается в положении 324.
Осциллограмма 326 - это ток дуги Iа. Осциллограмма 328 - это напряжение в линии 102,
которое управляет шириной импульса модулятора. Как показывают осциллограммы, работа в окрестности точки № 1 находится в пределах рабочего диапазона источника тока.
Вход в модулятор ширины импульса, показанный кривой 328, ниже 3,5 В, что показано
кривой 329, вплоть до точки № 2. По мере увеличения длины дуги сопротивление дуги
10
BY 5144 C1
возрастает по кривой 314, показанной на фиг. 4. Напряжение дуги растет и источник тока
20 реагирует на это увеличением напряжения на модуляторе ширины импульса, как показано кривой 328. До точки № 2 система сохраняет регулируемый выходной ток при заданном значении 55 А. В рабочей точке № 2 модулятор ширины импульса увеличивает до
максимума свой используемый уровень, пересекая линию 329. Это является областью работы, в которой источник тока поддерживает режущую дугу при максимальном для источника тока напряжении. Если бы цепь отвода назад дуги работала на измерении
напряжения, то в точке № 2 был бы выработан сигнал 320. Если бы напряжение было параметром управления, выходное напряжение достигло бы своего максимума. Если же ток
отвода назад дуги управлялся бы сравнением с фиксированным значением, как это показано кривой 300 на фиг. 3, то сигнал на втягивание был бы подан по крайней мере тогда,
когда вылет дуги достиг точки № 2. Согласно настоящему изобретению, как показано на
фиг. 5, режущая дуга поддерживается далеко за пределами рабочей точки № 2. Настоящее
изобретение поддерживает режущую дугу вплоть до вылета дуги, достигаемого в рабочей
точке № 3. В этой точке ток дуги Iа падает или понижается из-за увеличения сопротивления дуги по кривой 314. Когда ток падает или понижается ниже 70 % от настроенного тока Iс, или 38,5 А, включается последовательность действий по отводу назад дуги. Это
заставляет дугу переключиться на сопло, и когда режущая дуга гаснет, поддерживается
пилотная дуга.
Обратимся теперь к фиг. 6, на котором осциллограммы показывают события, которые
происходят, когда режущая дуга сохраняется в течение длительного периода времени при
абсолютном максимальном выходном напряжении источника тока 20 между рабочими
точками № 2 и № 3. Если бы в настоящем изобретении цепь отвода назад дуги управлялась напряжением, то было бы невозможно поддерживать дугу при максимальном выходном напряжении источника тока. Работа в области между точками № 2 и № 3, как
показано на фиг. 4, была бы невозможной. Когда достигалось бы фиксированное напряжение, дуга втягивалась бы. Согласно настоящему изобретению, режущая дуга работает
на максимальном уровне напряжения в точке № 2. После достижения точки № 2 ток
уменьшается, как показано на фиг. 4, соответственно максимально располагаемое напряжение увеличивается, как показано на фиг. 3, потому что ток сдвигается влево. Осциллограммы, показанные на фиг. 6, те же, что и осциллограммы на фиг. 5, за исключением
того, что они сняты в течение более длительного времени в точке № 2 и включают дополнительное обозначение "а". Пульсации тока на осциллограмме 326а показывают, что дуга
движется к рабочей точке № 3. Когда это происходит, располагаемое выходное напряжение слегка увеличивается и источник тока 20 продолжает поддерживать режущую дугу
при уменьшающемся токе. Это приводит к дополнительному росту выходного напряжения, потому что при понижении выходного тока располагаемое напряжение увеличивается, как показано на фиг. 3. При сравнении двух источников тока с одинаковыми
выходными напряжениями источник тока, использующий настоящее изобретение, имеет
заметное увеличение длины дуги по сравнению с ранее использовавшимися цепями отвода назад дуги.
Как показано на фиг. 5 и 6, пилотная дуга поддерживается, когда режущая дуга гаснет.
Переключатель 72 замыкается, когда в линии 230 появляется сигнал на отвод назад 320 на
фиг. 5 и 320а на фиг. 6. Согласно данному изобретению, дуга будет втянута в сопло при
переходном токе, который меньше чем настроенный выходной режущий ток источника
тока. Это показано на фиг. 4 в точке № 3. В ранее использовавшихся цепях сигнал на отвод назад вырабатывается при настроенном токе Iс. В настоящем изобретении дуга втягивается при значении тока меньшем, чем настроенный ток. Отвод назад дуги при токах
меньше номинального тока источника и действительного режущего тока на клемме 140
исключает повреждение сопла от перегрузки, что наблюдалось ранее в действующих цепях. Такое переключение в пилотный режим при пониженном рабочем токе снижает тре11
BY 5144 C1
буемые размеры переключателя 72. Повреждение сопла 34 от перегрузки также уменьшается. В прошлых устройствах дуга втягивалась при рабочем токе на клемме 140. Соответственно при токе плазменно-дугового резака 55 А дуга тоже втягивалась при 55 А. После
того, как дуга втянута при 55 А, переключатель выбора режима 120 перемещали, чтобы
снизить уровень тока. Однако действительный переход происходит при высоком уровне
тока. Согласно настоящему изобретению, дуга втягивается при 38,5 А, что уменьшает
размеры переключателя 72 и снижает повреждение сопла.
Диод Зенера, показанный на фиг. 2, используется для ограничения максимального
значения тока отвода назад, чтобы контролировать заброс тока в сопле. Максимальный
ток отвода назад ограничен значением 40 А. Как только настроенный ток резки увеличивается, изобретение создает соответственное увеличение сигнала на входе 222 компаратора 220. Использование диода Зенера, когда настроенный ток Iс имеет уровень, превышающий значение нагрузки диода 240, вход 222 ограничен этим значением. Это показано
на фиг. 7, где сигнал отвода назад зафиксирован не выше 55 А, чтобы вырабатывать сигнал отвода назад на уровне примерно 38 А.
Источники информации:
1. Патент США 4 996 407, МПК В 23К 9/00, 1991.
2. Патент США 5 620 617, МПК В 23К 10/00, 1997 (прототип).
Фиг. 2
Фиг. 3
12
BY 5144 C1
Фиг. 4
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 5
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
212 Кб
Теги
by5144, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа