JPH04270073A - 非移行式プラズマアーク用電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非移行式エアプラズマ
切断用電源のように、３００Ｖを超える高い無負荷電圧
と３０Ａ以下の低い定常出力電流を供給するプラズマア
ーク発生用電源に関する。

【０００２】

【従来の技術】エアプラズマ切断機は、作動流体として
５ｋｇｆ／ｃｍ２程度の圧縮空気を用いることにより、
簡便にあらゆる金属の切断ができるため、近年非常に普
及している。現在実用されているエアプラズマ切断機は
、直流電源のマイナス極を電極に、プラス極を母材に接
続して発生させる移行式プラズマアークによるものであ
る。この移行式プラズマアークによるエアプラズマ切断
機では、切断中のアーク電圧が１００Ｖ程度と比較的低
い値であることから、図４に示すような出力特性の電源
が一般に採用されている。すなわち、無負荷電圧が約２
５０Ｖ、出力電流調整範囲が２０〜６０Ａ程度の定電流
特性の電源である。この特性は、出力電流を設定値にな
るように帰還制御することにより得ている。その帰還制
御回路の構成を図５に示す。

【０００３】図５において、電源主回路は、入力端子１
に供給された交流入力を直流に変換する入力側整流器２
、平滑用コンデンサ３、平滑直流を高周波交流に変換す
る出力制御用インバータ４、変圧器５、高周波交流を再
度直流に変換する出力側整流器６、出力電流平滑用リア
リタ７、アーク起動用の高周波発生装置８および高周波
バイパス用コンデンサ９から構成され、直流出力のマイ
ナス極がプラズマトーチの電極１０に、プラス極が母材
１２に接続される。１１はプラズマアークを形成するた
めのノズルである。出力電流制御回路１３は起動信号発
生回路１４の出力を受けてインバータ４を駆動し、発生
した出力電流は電流検出要素１５で検出され、増幅回路
１６を経て負帰還される。出力電流調整範囲の上限を定
める最大電流設定要素１９、下限を定める最小電流設定
要素２０は、それぞれ出力電流設定回路２１の電流設定
信号取出点Ｐにクランプ用ダイオード２３，２４を介し
て接続されている。また、出力電流設定要素１８も出力
電流設定回路２１の電流設定信号取出点Ｐにクランプ用
抵抗２２を介して接続され、点Ｐから取り出される出力
電流設定信号の上限レベルは最大電流設定要素１９から
の出力電圧により、下限レベルは最小電流設定要素２０
からの出力電圧によりそれぞれクランプされる。前記増
幅回路１６からの電流帰還信号と出力電流設定回路２１
からの出力電流設定信号とは加算回路１７により図示の
極性で加算されて、出力電流制御回路１３に入力され、
同回路１３の出力信号によりインバータ４は、切断用電
源の出力電流が設定値になるように出力制御を行う。

【０００４】上記構成において、起動信号発生後、出力
電流が流れ始めるまでは、電源出力側に図４のＶｏで示
すような無負荷電圧が発生する。このときは、電流帰還
信号がゼロであるため、出力電流制御回路１３の出力は
最大導通角すなわち最大出力電圧の発生信号となる。ア
ーク起動用高周波発生装置８による高周波放電がトーチ
の電極１０と母材１２の間に起こると、この高周波放電
に導かれてプラズマアークが発生し、起動出力電流が流
れ始める。この起動出力電流は主回路のインピーダンス
により制限を受けるが、最大出力電圧にともなう、図４
のＩｓで示すような大きな電流になる。以降、帰還制御
回路の応答時定数に従い、出力電流は出力電流設定要素
１８により設定された電流値に収斂して定常出力電流（
切断電流）になる。すなわち、図４でいえば、最大電流
設定要素１９により定められた最大電流制御レベルと最
小電流設定要素２０により定められた最小電流制御レベ
ルとの間の領域で定電流制御される。

【０００５】このような帰還制御回路を有する切断用電
源は、出力無負荷電圧が３００Ｖより低い範囲であれば
、比較的容易に安定なアーク起動を達成できるが、出力
無負荷電圧が３００Ｖを超えると、前記の起動出力電流
がさらに大きい値から流れるため、最大電流設定要素１
９による定常時の最大電流制御レベルとの差が大きくな
りすぎて、帰還制御回路がハンチング現象を起こし、な
かなか定常出力電流に収斂しなくなる。

【０００６】一方、本発明により具体化しようとしてい
る非移行式プラズマ切断機で、特に作動流体として圧縮
空気を用いるエアプラズマ切断機では、アーク起動を確
実にするために出力無負荷電圧を３００Ｖ以上に高くし
て、負性抵抗を示す低アーク電流域でのアーク維持力を
強化する必要がある。

【０００７】非移行式エアプラズマ切断機のトーチ部の
模式断面図を図２に示す。図２において、切断用電源２
５の出力のマイナス極はトーチの電極１０に、プラス極
は母材１２に接続される。電極１０と母材１２の間に発
生したアークは、ノズル１１内に供給される圧縮空気（
矢印２６で示す）によりプラズマアークに狭窄される。 このプラズマアークは、ノズル１１の先端の小孔から高
温のプラズマフレーム２７となって噴出し、金属および
非金属を含む母材１２を切断する。２８は圧縮空気をノ
ズル外周に冷却流体として導くキャップである。

【０００８】このように、非移行式のエアプラズマ切断
機では、ノズル１１が陽極となることから、ノズル１１
が過熱して急速に消耗することを避けるため、切断電流
は大きくとも３０Ａ程度が実用域となる。そのため、前
述の最大電流設定要素１９による定常時の最大電流制御
レベルも移行式に比べてより低いレベルとなり、起動出
力電流との差がさらに大きくなるため、前述の起動時ハ
ンチング現象がより発生しやすくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来技
術によるプラズマアーク用電源の帰還制御回路をそのま
ま非移行式プラズマアーク用電源に適用した場合、アー
ク起動時に帰還制御回路のハンチング現象が生じて、安
定なアーク起動ができないという問題があった。本発明
の目的は、３００Ｖを超える高い無負荷電圧と３０Ａ以
下の低い定常出力電流を単一電源から供給するにも拘ら
ず、アーク起動時のハンチング現象を抑制してプラズマ
アークを安定に起動させることができる非移行式プラズ
マアーク用電源を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の非移行式プラズマアーク用電源は、出力電流
の帰還制御回路に、出力無負荷電圧が発生してから定常
出力電流が流れ始めるまでの起動時最大電流制限レベル
を定める起動時最大電流設定要素と、アーク検出回路お
よびそのアーク検出信号に基づいて前記起動時最大電流
設定要素による出力電流設定信号から定常時の出力電流
設定信号に帰還制御の目標入力を切り換える切換要素を
設け、前記起動時最大電流制限レベルを定常時の最大電
流制限レベルより大きく、かつ起動時の出力制御用素子
の保護の目的を満足できるレベルに設定したことを特徴
とする。

【００１１】

【作用】本発明による非移行式プラズマアーク用電源の
代表的な出力特性を示せば、図３のようになる。図中、
起動時最大電流制限レベルは定常時の最大電流制限レベ
ルより大きく、かつ起動時の出力制御用素子（インバー
タ主回路素子等）の保護の目的を満足できるレベル、す
なわち起動時の短時間定格での素子の電流容量を満足で
きるレベルに設定されている。

【００１２】この図に示すように、非移行式のエアプラ
ズマ切断機で必要な、３００Ｖを超える高い無負荷電圧
と３０Ａ以下の低い定常出力電流を単一電源から供給す
る場合、図４および図５に示す移行式プラズマアーク用
電源に比べ、無負荷電圧発生後に流れる起動出力電流は
より大きく、かつ定常時の最大電流制限レベルはより低
いレベルとなるため、起動出力電流の定常時最大電流制
限レベルとの差は非常に大きくなる。しかし、定常時最
大電流制限レベルより大きい（約１５０〜２００％）起
動時最大電流制限レベルを設けることにより、起動出力
電流が図３のＩｓで示すような大きな値から流れても、
帰還制御回路の応答時定数に従い、起動出力電流はこの
起動時最大電流制限レベルに急速に収斂し、アーク起動
後は、起動時最大電流設定要素による出力電流設定信号
から定常時の出力電流設定信号への切り換えにともない
、定常出力電流へ安定に移行する。

【００１３】

【実施例】本発明による非移行式プラズマアーク用電源
の一実施例の回路構成を図１に示す。ただし、図２に示
すトーチ部は図示を省略している。また、図５と機能的
に同等の部分については、同一符号を付して示すのみで
説明を省略する。

【００１４】本実施例は、図５の帰還制御回路に下記の
要素２９〜３２を付加したものである。

【００１５】起動時最大電流設定要素２９は、定常時出
力電流設定要素１８、定常時最大電流設定要素１９、定
常時最小電流設定要素２０と同様、出力電圧の調整可能
な分圧抵抗で構成され、その出力電圧は図３の起動時最
大電流制限レベルを定める出力電流設定信号として切換
要素３２の一方の入力端子ａに加えられる。切換要素３
２の他方の入力端子ｂには出力電流設定回路２１の点Ｐ
から取り出された電圧が定常時の出力電流設定信号とし
て加えられ、切換要素３２の出力ｃは帰還制御の目標入
力として加算回路１７に加えられる。切換要素３２は外
部信号により制御されるアナログスイッチ等で構成され
ており、アーク起動時、増幅回路１６の出力が一定レベ
ルを超えた時点よりコンパレータ等で構成されるアーク
検出回路３０にアーク検出信号を発生させ、このアーク
検出信号をオンディレイタイマ回路３１に入力し、所定
時間遅れて発生するオンディレイタイマ回路３１の出力
で切換要素３２を動作させることにより、帰還制御の目
標入力を起動時最大電流設定要素２９による出力電流設
定信号から定常時の出力電流設定信号に切り換える。し
たがって、切断用電源の休止中および起動信号発生後、
オンディレイタイマ回路３１の出力が発生するまでは、
起動時最大電流設定要素２９による出力電流設定信号が
加算回路１７に入力されている。そのため、出力無負荷
電圧発生後に流れる起動出力電流は、作用の項で述べた
ように、帰還制御回路の応答時定数に従って図３に示す
起動時最大電流制限レベルに収斂し、その後、オンディ
レイタイマ回路３１の出力が発生し、切換要素３２が動
作することにより、切断用電源の出力電流は定常時出力
電流設定要素１８で定められた定常出力電流（切断電流
）に移行する。ここで、アーク検出信号成立後、オンデ
ィレイタイマ回路３１の出力が発生するまでの遅れ時間
は、サイリスタ制御式切断電源であれば数１０ｍｓｅｃ
程度、より応答の速いインバータ制御式切断電源では数
ｍｓｅｃ程度の短い時間で十分である。つまり、この程
度の短い時間で起動出力電流を安定させることができる
。

【００１６】なお、オンディレイタイマ回路３１は必要
不可欠のものではなく、図１に破線で示すように、切換
要素３２の出力側とアース間にコンデンサ３３と抵抗３
４の並列回路を接続し、アーク検出信号成立と同時に切
換要素３２を動作させることにより、コンデンサ３３と
抵抗３４により定まる時定数に従って起動時最大電流設
定要素２９による出力電流設定レベルから定常時出力電
流設定要素１８による出力電流設定レベルへ帰還制御の
目標入力を漸減させるようにしてもよい。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、３
００Ｖを超える高い無負荷電圧と３０Ａ以下の低い定常
出力電流を単一電源から供給するにも拘らず、アーク起
動時に出力電流帰還制御回路のハンチング現象を生じる
ことなく、安定なアーク起動を達成することができる。 しかも、トーチの電極やノズルの異常消耗を抑制すると
ともに、電源主回路の出力制御用素子の保護も十分に行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による非移行式プラズマアーク用電源の
一実施例の回路構成図。

【図２】本発明を適用する非移行式エアプラズマ切断機
のトーチ部の模式断面図。

【図３】本発明による非移行式プラズマアーク用電源の
出力特性図。

【図４】従来技術による移行式プラズマアーク用電源の
出力特性図。

【図５】従来技術による移行式プラズマアーク用電源の
回路構成図。

【符号の説明】

４　　出力制御用インバータ １３　　出力電流制御回路 １５　　電流検出要素 １７　　加算回路 １８　　定常時出力電流設定要素 １９　　定常時最大電流設定要素 ２０　　定常時最小電流設定要素 ２１　　出力電流設定回路 ２９　　起動時最大電流設定要素 ３０　　アーク検出回路 ３２　　切換要素

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アーク負荷に対し、出力電流を帰還制
   御することにより定電流を供給する電源で、かつ３００
   Ｖを超える高い無負荷電圧と３０Ａ以下の低い定常出力
   電流を単一電源から供給する非移行式プラズマアーク用
   電源において、出力電流の帰還制御回路に、出力無負荷
   電圧が発生してから定常出力電流が流れ始めるまでの起
   動時最大電流制御レベルを定める起動時最大電流設定要
   素と、アーク検出回路およびそのアーク検出信号に基づ
   いて前記起動時最大電流設定要素による出力電流設定信
   号から定常時の出力電流設定信号に帰還制御の目標入力
   を切り換える切換要素を設け、前記起動時最大電流制御
   レベルを定常時の最大電流制御レベルより大きく、かつ
   起動時の出力制御用素子の保護の目的を満足できるレベ
   ルに設定したことを特徴とする非移行式プラズマアーク
   用電源。