(57)【要約】【課題】インバータ基準電源では得られなかったプラズマ電圧を発生することが可能なプラズマ装置を備えたスイッチングインバータ基準電源を提供する。【解決手段】マトリックス変圧器が、一端が接続された第１および第２チューブで形成された第１一次部分と、一端が接続された第３および第４チューブで形成された第２一次部分を備えたモジュールを含み、前記第３および第４チューブがそれぞれ前記第１および第２チューブに絶縁されて取り付けられており、前記同心チューブがモジュールを通る並列長尺通路を画定している。二次巻線が各モジュールの長尺通路を介して巻き取られている。モジュールは、二次巻線用の整流回路を含み、複数のモジュールの整流回路を直列接続する直列回路を更に含む。【選択図】図１
2006179456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波変圧器の一次巻線を形成するモジュールであって、
第１および第２端部を有する第１導電チューブと、
第１および第２端部を有し、ほぼ平行に前記第１導電チューブに近接配置された第２導電チューブとを備え、
前記第１および第２導電チューブは、二次巻線を収容するための中央長尺通路を各々有しており、
前記第１および第２導電チューブの各々を取り巻いている磁気コアと、
前記第１および第２導電チューブの前記第１端部間を結合するジャンパーストラップと、
前記第１および第２導電チューブの前記第２端部でコネクターを形成する回路とを備えていることを特徴とするモジュール。
【請求項２】
前記磁気コアの各々が、前記第１および第２導電チューブの周りに設けられた複数のドーナツ状リングで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のモジュール。
【請求項３】
第１および第２端部を有する第３導電チューブと、
第１および第２端部を有する第４導電チューブと、
前記第３および第４導電チューブの前記第１端部を互いに接続し、前記第１および第２導電チューブに対して互いに並列関係になるように接続する第２ジャンパーストラップとを備え、
前記第３および第４導電チューブが、それぞれ前記第１および第２導電チューブの前記通路内に入れ子式に嵌め込まれ、且つ、前記二次巻線を収容するための長尺通路を有しており、更に
前記第１および第３導電チューブ間の第１管状絶縁体と、
前記第２および第４導電チューブ間の第２管状絶縁体と、
を備えている導電アッセンブリを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のモジュール。
【請求項４】
前記第２巻線が、整流器に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のモジュール。
【請求項５】
高周波変圧器の一次巻線を形成するモジュールであって、
管状絶縁体によって分離された第１組の同心、同軸入れ子式導電チューブと、
管状絶縁体によって分離された第２組の同心、同軸入れ子式導電チューブと、
前記第１組及び第２組の導電チューブの各々の周りに設けられた磁気コアとを備え、
前記第１組及び第２組の導電チューブは、二次巻線を収容するための長尺中央通路を備え、更に
前記第１組及び第２組の導電チューブを接続して、二つの直列回路を形成するための導電体と、
を有していることを特徴とするモジュール。
【請求項６】
前記磁気コアの各々が、前記第１組及び第２組の導電チューブの周りに設けられた複数のドーナツ状リングで構成されていることを特徴とする請求項５に記載のモジュール。
【請求項７】
出力変圧器の二次巻線を駆動するための高周波スイッチングインバータを備えたプラズマ装置であって、前記出力変圧器が、前記変圧器の一次巻線を形成する複数のモジュールを有し、前記モジュールの各々が、
管状絶縁体によって分離された第１組の同心、同軸入れ子式導電チューブと、
管状絶縁体によって分離された第２組の同心、同軸入れ子式導電チューブとを備え、
前記第１組及び第２組の導電チューブは、前記二次巻線を収容するための長尺中央通路を備え、更に
前記第１組及び第２組の導電チューブを接続して、二つの直列回路を形成するための導電体と、
を有していることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項８】
前記モジュールの前記二次巻線が、正および負電流出力を生成するための整流器に接続され、前記出力を直列接続する回路を設けたことを特徴とする請求項７に記載のプラズマ装置。
【請求項９】
前記整流器が、全波整流器であることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ装置。
【請求項１０】
前記装置が、プラズマカッターであることを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ装置。
【請求項１１】
ＡＣ電流で出力変圧器の二次巻線を駆動するための高周波インバータを備えたプラズマアークカッターであって、
前記出力変圧器が、一次巻線を有する複数のモジュールを有しており、
前記モジュール各々が、直列に接続され、且つ並置された導電チューブを有すると共に、前記二次巻線を収容する一対の並置された長尺中央通路を有していることを特徴とするプラズマアークカッター。
【請求項１２】
前記モジュールの前記二次巻線が、正および負電流出力を生成するための整流器に接続され、前記出力を直列接続する回路を設けたことを特徴とする請求項１１に記載のプラズマアークカッター。
【請求項１３】
前記直列接続された出力が、４００ボルトＤＣを超える電圧を有していることを特徴とする請求項１２に記載のプラズマアークカッター。
【請求項１４】
出力変圧器の二次巻線を駆動するための高周波スイッチングインバータを備えたプラズマ装置であって、前記出力変圧器が、前記変圧器の一次巻線を形成するモジュールを有し、前記モジュールが、
管状絶縁体によって分離された第１組の同心、同軸入れ子式導電チューブと、
管状絶縁体によって分離された第２組の同心、同軸入れ子式導電チューブとを備え、
前記第１組及び第２組の導電チューブは、前記二次巻線を収容するための長尺中央通路を備え、更に
前記第１組及び第２組の導電チューブを接続して、二つの直列回路を形成するための導電体と、
を有していることを特徴とするプラズマ装置。
【請求項１５】
前記モジュールの前記二次巻線が整流器に接続され、正および負電流出力を生成することを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ装置。
【請求項１６】
一つを超える前記モジュールと、それぞれのモジュールの出力を直列出力にする回路とを有することを特徴とする請求項１５に記載のプラズマ装置。
【請求項１７】
前記整流器が、全波整流器であることを特徴とする請求項１５または１６に記載のプラズマ装置。
【請求項１８】
前記直列出力が、４００ボルトＤＣを超える電圧を有していることを特徴とする請求項１６または１７に記載のプラズマ装置。
【請求項１９】
ＡＣ電流で出力変圧器の二次巻線を駆動するための高周波インバータを備えたプラズマアークカッターであって、
前記出力変圧器が、一次巻線を有するモジュールを有しており、
前記モジュールが、直列に接続され、且つ並置された導電チューブを有すると共に、前記二次巻線を収容する一対の並置された長尺中央通路を有していることを特徴とするプラズマアークカッター。
【請求項２０】
前記モジュールの前記二次巻線が整流器に接続され、正および負電流出力を生成することを特徴とする請求項１９に記載のプラズマアークカッター。
【請求項２１】
一つを超える前記モジュールと、それぞれのモジュールの出力を直列出力にする回路とを有することを特徴とする請求項２０に記載のプラズマアークカッター。
【請求項２２】
前記直列出力が、４００ボルトＤＣを超える電圧を有していることを特徴とする請求項２１に記載のプラズマアークカッター。
【請求項２３】
インバータ電源を具備する電気アーク溶接機のための高周波変圧器であって、前記高周波変圧器が多数のモジュールを含み、前記各モジュールが、一次巻線部と二次巻線とを有しており、前記一次巻線部がマトリックス状に相互接続され、前記二次巻線が各モジュールを通過するように構成したことを特徴とする高周波変圧器。
【請求項２４】
少なくとも二つのモジュールを具備するマトリックス変圧器であって、各モジュールが、
第１および第２端部と中央長尺通路を備えた並置された第１および第２導電チューブと、
前記第１および第２導電チューブの前記第１端部間を結合するジャンパーストラップとを含み、
前記第１および第２導電チューブが、所定の電圧を有している前記マトリックス変圧器の一次巻線部を形成し、
前記モジュールのそれぞれの前記中央長尺通路を通り複数回巻回された二次巻線を具備して、前記複数回の巻回により前記所定の電圧を少なくとも２００ボルトに昇圧するように構成し、
更に、前記モジュール間で前記一次巻線部を直列に接続する回路を具備することを特徴とするマトリックス変圧器。
【請求項２５】
前記一次巻線部には、電源の第１出力によって生成された第１極性及び前記電源の第２出力によって生成された第２極性を有するＡＣ電流が印加されることを特徴とする請求項２４に記載のマトリックス変圧器。
【請求項２６】
前記一次巻線部には、電源の出力からＡＣ電流が印加されるように構成したことを特徴とする請求項２４に記載のマトリックス変圧器。
【請求項２７】
各モジュールが、
第１端部とこの第１端部に接続された第２端部とを具備する並置された第３および第４チューブを含み、
前記第３および第４チューブが、それぞれ前記第１および第２チューブと隣接し、かつ、同心をなしており、これにより、前記第１および第２チューブが第１一次巻線部を形成し、且つ、前記第３および第４チューブが第２一次巻線部を形成し、前記第１および第２チューブの前記中央長尺通路が前記第３および第４チューブの中央長尺通路となり、前記モジュールの前記長尺通路を形成していることを特徴とする請求項２４又は２５に記載のマトリックス変圧器。
【請求項２８】
前記モジュールの各々の前記長尺通路内に巻回された平衡巻線を含み、前記モジュールの前記平衡巻線が、抵抗器を含むと共に、前記平衡巻線が並列に接続されていることを特徴とする請求項２４から２７のいずれか一項に記載のマトリックス変圧器。
【請求項２９】
各モジュールの前記二次巻線の出力に設けられた整流回路を含むことを特徴とする請求項２４から２８のいずれか一項に記載のマトリックス変圧器。
【請求項３０】
前記整流回路を直列に接続する回路を含んでいることを特徴とする請求項３０に記載のマトリックス変圧器。
【請求項３１】
ＡＣ出力信号を生成するための電源を含むプラズマ装置であって、前記電源と第１リード線および第２リード線を伴った直列回路間に設けられたマトリックス変圧器であって、前記マトリックス変圧器が少なくとも二つのモジュールからなり、前記モジュールが、
一端が接続された第１および第２チューブからなる第１一次巻線部と、
一端が接続された第３および第４チューブからなる第２一次巻線部とからなり、前記第３および第４チューブは、それぞれ前記第１および第２チューブ内に電気的に絶縁されて組み立てられ、同心チューブが、前記モジュールのほぼ平行な長尺通路を形成しており、二次巻線が前記長尺通路を通して巻回され、更に、
第１極性の前記ＡＣ出力信号を第１一次巻線部を介して前記電源から前記マトリックス変圧器に送る第１直列回路と、
第２極性の前記ＡＣ出力信号を第２一次巻線部を介して前記電源から前記マトリックス変圧器に送る第２直列回路と、
前記モジュールの各前記二次巻線用に設けられた整流回路と、
前記第１リード線および第２リード線を具備する前記整流回路を直列に接続する第３直列回路と、
で構成したことを特徴とするプラズマ装置。
【請求項３２】
前記マトリックス変圧器が、前記モジュールの各々の前記長尺通路内に巻回された平衡巻線を含んでおり、前記モジュールの前記平衡巻線が、抵抗器を含むと共に、並列に接続されていることを特徴とする請求項３１に記載のプラズマ装置。
【請求項３３】
前記二次巻線が、前記二次巻線部の電圧を少なくとも２００ボルトに昇圧する巻回数を有していることを特徴とする請求項３２に記載のプラズマ装置。
【請求項３４】
前記通路の各々を形成する前記チューブを取り巻く高透磁率コアが設けられていることを特徴とする請求項３１から３３のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
【請求項３５】
前記第１および第２直列回路内に飽和可能なリアクターを含んでいることを特徴とする請求項３１から３４のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
【請求項３６】
前記第１と第２リード線間には、共通モードチョークが設けられていることを特徴とする請求項３１から３５のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
【請求項３７】
前記電源が、ＡＣ出力信号を生成する高速スイッチングに基づいたインバータであることを特徴とする請求項３１から３６のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
【請求項３８】
前記電源の一つまたはそれ以上の電源の前記第１および第２リード線を並列に接続したことを特徴とする請求項３１から３７のいずれか一項に記載のプラズマ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマアーク処理装置の技術、より詳しくはこれまでインバータ基準電源では得られなかったプラズマ電圧を発生することが可能なプラズマ装置を備えたスイッチングインバータ基準電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明はプラズマアークカッターまたはプラズマトーチのようなプラズマ装置のために特に設計された電源に向けられている。このタイプの操作には高電圧、しばしば４００〜１６００ボルトを超える電圧を必要とする。結果として、この装置に使用する電源は強固な変圧器を基準とした入力電源を一般的に包含していた。最近において、プラズマアーク切断技産業が高速スイッチングインバータに徐々に移行しており、このインバータは嵩高い変圧器基準電源より優れた性能を有するとともに、より軽量である。高速スイッチングインバータは、通常出力変圧器の一次側を通る逆方向に電流を切り換えるための一連の対をなすスイッチを包含している。変圧器の二次側は整流器に接続され、これによってインバータ基準電源の出力信号は一般的にＤＣ電圧になる。その結果、高速スイッチングインバータへの入力ＤＣ信号は、出力変圧器と出力整流器を使用することでＤＣ出力信号に変換される。インバータ基準電源は１９９０年代初期以来、溶接産業において標準的な技術であり、特に溶接に使用するように設計されたインバータ電源用の多くの特許の課題になっている。ブランケンシップによる米国特許第５，３４９，１５７号；ブランケンシップによる同第５，３５１，１７５号；レイによる同第５，４０６，０５１号；トムズによる同第５，６０１，７４１号；クーケンによる同第５，９９１，１６９号；スターバによる同第６，０５１，８１０号；チャーチによる同第６，０５５，１６１号；およびモーグイッチによる同第６，２７８，０８０号は、全て電気アーク溶接分野において現在広範囲に使用されている出力変圧器と整流器を使用するインバータの例である。これらの特許は、本発明が向けられている高速スイッチングインバータ基準電源のタイプを示す背景技術としてここでは参照例として組み込まれる。この種の溶接電源は、プラズマアークカッターのための電源に使用されたときに、通常高電圧装置に変換される。高効率電源のこのタイプの発端は、１０アンペア未満のような非常に小さい出力電流である照明および他の固定負荷のために何年も前に開発された低電力回路にある。何年もの間、溶接産業では、既存の低電流高速インバータ基準電源が２００〜３００アンペアの通常範囲にある出力電流を伴う溶接電源に変換されている。これらの溶接電源は規定通りにプラズマカッター使用に変換される。低容量電源を、プラズマ切断を包含する開発作業のための溶接および出力電圧に必要とされる出力電流を生成することが可能な電源に変換することに対して、数年来相当な費用を費やしてきた。この開発作業は、５００〜６００アンペアの最大電流内にある高出力電流能力を有する電気アーク溶接のために設計されたインバータ基準電源を生み出した。実際に、オハイオ州、クリーブランドのザ・リンカーン・エレクトリック・カンパニーは、５００〜６００アンペアの通常範囲にある出力電流容量を有する電気アーク溶接のためのインバータ基準電源を市場販売している。この高電流電源はプラズマアーク切断にも使用されていたが、嵩高い変圧器基準電源に後退せずにプラズマアークカッターのための１０００〜１５００ボルトまでを得ることは可能ではない。
【０００３】
高容量電気アーク溶接のために使用される標準インバータ基準電源がザ・リンカーン・エレクトリック・カンパニによって修正され、その修正電源は７００アンペアをはるかに超えた、特に少なくとも約１０００アンペアの出力溶接電流を有するＤＣまたはＡＣ溶接に使用することができる。インバータ基準電源の画期的な修正は、新規な変圧器同軸モジュールの開発によって実際のものとなった。複数のこれらの新規なモジュールは溶接機に使用されるマトリックス変圧器の二次巻線出力として並列に集合されている。この溶接機変圧器は溶接電流のマトリックス変圧器を介しての高電流変換を許容する。この種の新規なモジュールは、２００３年７月１１日譲渡人によって提出された先行同時係属出願第１０／６１７，２３６号に開示されている。電源のＤＣ入力信号が被整流三相線電流から来ており、４００ボルトを超えるレベルを有している。従って、電源の入力段への入力エネルギーは比較的高電圧で、２５０アンペアを超える非常に大きい電流、好ましくは３００〜３５０アンペアを変換する。従って、本発明に使用された電源のインバータステージは２５０アンペアを超える電流容量を有するスイッチを使用し、これによって出力変圧器の一次巻線へ流れる電流は２５０〜３００アンペアになる。出力変圧器のための新規なモジュールを設けることによって、１０００アンペアを超える二次電流を得ることができる。このような大きい電流レベルを得ることができるインバータ基準電源の設計は新規な概念である。電気アーク溶接機のためのこの新しい１０００アンペア電源は、現在新規な大電流電源をプラズマアーク切断のための電源に変換され、またトーチからプラズマカラムを生成するように修正されている。これらの適用例において、出力電圧は概して５００〜１６００ボルトの範囲が可能である。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，３４９，１５７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３５１，１７５号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４０６，０５１号明細書
【特許文献４】米国特許第５，６０１，７４１号明細書
【特許文献５】米国特許第５，９９１，１６９号明細書
【特許文献６】米国特許第６，０５１，８１０号明細書
【特許文献７】米国特許第６，０５５，１６１号明細書
【特許文献８】米国特許第６，２７８，０８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明によれば、少なくとも約１０００アンペアの電流を得ることができるマトリックス変圧器が、約１０００ボルトＤＣを超える出力電圧を得るように修正される。この結果を達成するために、新規なモジュールから形成された新規なマトリックス出力変圧器を駆動する電気アーク溶接機に使用される大電流インバータ基準電源が、モジュール内の巻線を反転させることによって修正される。１０００アンペアまで高めることの可能なインバータ基準電源はプラズマアーク切断のための高電圧出力を有する電源に変換される。本発明は、プラズマアークカッターまたはプラズマトーチのようなプラズマ装置のためのインバータ基準電源であって、電源が新規なモジュールを使用してマトリックス変圧器を組み合わせることで、インバータ基準電源でこれまで得ることができなかった高電圧レベルを発生する。このマトリックス変圧器はインバータ基準電源を適用してプラズマアークカッターに使用するように適用されている。
【０００６】
本発明の電源とマトリックス変圧器との組み合わせは、１０００ボルト、５０アンペア電流で通常作動するように設計されている。しかし、新しいトポロジーは名目上４００ボルトの低い電圧と１６００ボルトを超える高電圧間の定格にあるプラズマアークカッターに向いている。このようなトポロジーはプラズマトーチに利用できる。インバータ基準電源のためのこの新しい出力マトリックス変圧器は、２００３年７月１１日出願の先行出願番号第６１７，２３６号に開示されたモジュラー、同軸変圧器技術を使用している。本発明はマトリックス変圧器に集合するため新規な逓昇モジュールを包含している。モジュールの同心導電体チューブは、同心チューブの平行経路内部を介して巻かれた二次巻線に対してより多い巻き回数を許容するように二つの一次巻線部で構成されている。結果として、大きい溶接電流を発生させるためにこれまで使用されていた出力マトリックス変圧器が、各モジュール内の多数回二次巻線を使用することによって高い切断電力を生成するのに現在使用されている。巻数比は電圧逓昇機能を発揮するように高められ、各モジュールの出力電圧は約２００ボルトＤＣを超える。マトリックス変圧器として集合されたそれぞれ新規なモジュールの各二次巻線の出力電圧が整流される。実際に、三つのモジュールがマトリックス変圧器に使用されるが、いずれの数のモジュールも所望の出力電圧を生成するのに使用することができる。整流器の出力信号は直列接続され、これによってプラズマアーク切断のための出力電圧が増大される。これが二つの機能を発揮する。第１に、直列接続出力を伴う数個のモジュールを使用することで、各モジュールの二次巻線に必要とする巻回数が少なくなる。より重要なことは、直列接続出力電圧を使用すると、モジュール数によって決定された量だけ各整流器の電圧とストレスレベルが下がることである。三つのモジュールが使用されたときに、整流器のストレスレベルは３だけ低下する。このことが高速切替による低電圧整流器の使用を容易にする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、少なくとも二つのモジュール、好ましくは少なくとも三つのモジュールを伴うマトリックス変圧器を提供する。各モジュールは、第１および第２端部と中央長尺経路を備えた第１および第２平行導電体チューブを含んでいる。ジャンパーストラップが二つのチューブの第１端部を直列回路に結合しており、これによってチューブがマトリックス変圧器の一次巻線部分を形成している。この一次巻線部分は作動中任意の電圧を有することになる。回路がモジュールの一次部分を直列に接続する。多数回巻二次巻線が、各モジュールの長尺経路を介して巻き取られ、二次巻線の巻回数が一次電圧を昇圧し、これによって少なくとも約２００ボルトが各モジュール内に生成される。マトリックス変圧器は、モジュールの一次部分にＡＣ電流の受信を許容させ、そこで電流の第１極性が電源の第１出力回路によって形成され、またＡＣ電流の第２極性が電源の第２出力回路によって形成される。本発明の別の態様によれば、接続ジャンパーストラップを備えた一連の第２並列導電チューブが、一連の第１チューブ内に挿入され同軸一次巻線部を提供し、これによって電流が直列接続された一つの一連のチューブに発生され、次に直列接続された一連の第２チューブに発生される。両者の場合において、同軸チューブが長尺経路を規定しており、ここに多数回巻二次巻線が受承されている。一連の単一チューブまたは同軸チューブのいずれかによって形成された一次巻線が直列接続されて新規なマトリックス変圧器を形成している。新規なモジュールの各々は、それ自体全波整流器を有するそれ自体の二次巻線を含んでいる。従って、一つの回路が各モジュールの二次巻線のための個々の全波整流器を直列回路に接続している。この形態が各モジュールの二次巻線からの電圧を加算することによって増大している。この方法において、マトリックス変圧器の出力電圧は約１５００〜１６００ボルトＤＣまで高めることができる。従って、この高電圧は一本のリード線が切断トーチの内部電極に接続され、また他のリード線が切断される工作物に接続されるプラズマアークカッターに使用される。多数のモジュールが一緒に結合されてマトリックス変圧器を提供し、これによって各モジュールが多数回巻二次巻線を収容する並列長尺経路となる。この並列経路は一連の単一並列導電チューブ、または好ましくは二つの隔置された一連の同軸チューブのいずれかによって規定される。各同軸チューブ内の二つのチューブが絶縁スリーブによって分離される。一つのチューブまたは同軸チューブの周りは、高透磁率コア、通常多数の近接リングの形態に置かれる。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、プラズマアークを工作物に向ける電極を備えたプラズマ装置を提供する。アークは産業廃棄物を破壊するのに使用されるような切断アークまたは加熱アークである。インバータ基準電源は、新規なマトリックス変圧器を備えているため本発明の電圧を生成することが可能である。この新規なマトリックス変圧器は、上述したように電源と、一本のリード線が切断トーチの電極に接続された第１リード線と切断される工作物に接続された第２リード線を有する直列回路間に配置される。少なくとも二つの分離モジュール、また好ましくは三つのモジュールが変圧器を形成するのに使用される。第１一次部分が一端で接続された第１および第２チューブで形成され、また第２一次部分が一端で接続された第３および第４チューブで形成される。第３および第４チューブは第１および第２チューブ内に取り付けられ、電気的に絶縁されている。このようなモジュール集合体は、二つの長尺経路の各々を取り巻く二つの同軸的に取り付けられたチューブを備えた同軸チューブ構造を提供する。従って、二つの並列長尺経路がモジュールを通って延長し、二次巻線は並列経路を介して巻き取ることができる。電源からマトリックス変圧器への第１直列回路が、各モジュールの第１一次部分を介してＡＣ出力信号の第１極性を通過している。電源からマトリックス変圧器への第２直列回路が、各モジュールの第２一次部分を介して出力信号の第２極性を通過している。整流器が各モジュールの二次巻線の各々に設けられている。第３直列回路がそれぞれの整流器をプラズマアークの第１および第２リード線と直列に接続している。これがプラズマアークカッターまたはプラズマトーチのようなプラズマ装置のための非常に高い電圧を生成するのに使用されるインバータ基準電源を包含する本発明の好ましい実施例を規定する。
【０００９】
好ましい実施例において、三つのモジュールがプラズマ切断のために、またはプラズマ加熱トーチのために高電圧を生成するのに使用される。電流を大きくするために、好ましい実施例による三つの第２モジュール高電圧システムが三つの第１モジュールシステムに直列接続されている。この方法において、高電圧は維持されるが、利用可能な電流は増大、すなわち、二倍になる。さらに大きい電流ないし電力を得るために、付加的な高電圧システムが並列に接続される。
【００１０】
複数のモジュール間に均衡のとれた電圧を保持するために、絶縁された平衡巻線が変圧器のモジュール各々に付加される。モジュールの平衡巻線が並列に接続されている。その結果、平衡巻線が強制的にモジュールの一次巻線を平衡に維持させる。実際に、電流制限抵抗器が各平衡巻線と直列に配備され潜在的な損傷電流サージを阻止している。平衡巻線が均衡を維持する効果を発揮する一方、各変圧器モジュールの磁気特性の僅かな違いが、各モジュールの一次側内に電圧振動をもたらすことになる。これらの振動は二次巻線にも反映される。この結果、本発明の実際の実施において、ソフトフェライト飽和可能リアクターが一次巻線と直列に設けられ、変圧器モジュールへの電圧印加を遅らせる助けをする。この「ソフト」遅延は平衡巻線に対してこの機能をより効果的に実行させ、マトリックス変圧器内のモジュールからモジュールへの振動をもたらす印加電圧の傾向を低減する。本発明を使用する実際のプラズマアークカッターにおける別の独特な特徴は、変圧器からカッターステーションへの二つのリード線間に共通モードチョークを付加したことにある。この共通チョークがノイズを最小にするとともに、高電圧容量結合の作用が、特にカットされるべき負荷が接地されたときに低減される。本発明の実際の設備に使用されたこれらの付加的設備は、任意であるが有益である。
【００１１】
本発明の主目的は、数個のモジュールによって形成されたマトリックス変圧器を提供することであって、変圧器がインバータ基準電源の出力をプラズマ装置、好ましくはプラズマアークカッターのための約５００ボルトを超える高電圧に変換することができることである。しかし、このプラズマ装置は廃棄物処理に使用されるようなプラズマフレームまたは加熱となる。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、上述したようなマトリックス変圧器を提供することにあり、マトリックス変圧器が同軸上に取り付けられた一組の導電体チューブまたは二組の導電体チューブを利用し、これによってこれらのチューブが変圧器のモジュールのための一次巻線部を形成するとともに、モジュールを介して多数回巻二次巻線を許容し一つまたは複数の一次巻線部から二次巻線部への電圧の逓昇をすることである。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、上述したようなマトリックス変圧器を利用するプラズマアークカッターを提供することにあり、プラズマアークカッターが標準インバータ基準電源から約５００ボルト以上の高電圧を経済的に発生させ効果的に生成することである。
【００１４】
本発明の別の目的は、直列に接続して大きい電圧を得るとともに並列に接続して処理電流と電力を高めることができる高電圧モジュールを提供することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
これらのおよび他の目的と利点は、添付図面と一緒に次の説明から明らかとなろう。
ここで図１および２を参照して、プラズマアークカッターＡとして示されたプラズマ装置は、本発明に基づいて構成されており、複数のモジュールを含むＡＣ出力信号マトリックス変圧器Ｔを駆動するインバータ基準電源Ｂを含んでいる。三つのモジュールをモジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３として示している。マトリックス変圧器Ｔはリード線１０、１２を横切って高電圧を発生し、概略示されたノズル２２を有するプラズマアーク切断トーチ２０を作動させる。トーチ２０は標準チョーク２４を介してリード線１０に接続された固定電極Ｅを含んでいる。電極Ｅがアークをリード線１２によって変圧器Ｔの出力に接続された工作物ＷＰの方向に向けさせる。電極Ｅと工作物ＷＰ間にプラズマアークを生成する目的で、標準プラズマアーク切断技術に基づいて工作物を切断するためにガス供給装置３０がライン３２を介してプラズマガスをノズル２２に提供する。電源Ｂは１８ｋＨｚを超えるスイッチング周波数で作動されるインバータ基準電源である。図示実施例において、インバータ基準電源Ｂは二つの分離出力回路を含んでおり、一つは第１方向ないし極性に電流を生成し、もう一つは第２方向ないし極性に電流を生成する。これらの対向極性信号はＡＣ出力信号を構成している。標準的な実際例によれば、電源ＢはＡＣ一次信号を通過させる単一出力回路を有するブリッジスイッチングネットワークを使用することができる。これらのタイプの電源はいずれも本発明によって使用することを意図しているが、別々の極性信号を有する電源を図１と２に示す。第１極性回路は、それぞれモジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３の一次巻線部４０、４２および４４と直列にあるライン３４を介してパルスを方向付けるスイッチ３１、３３を含んでいる。帰還ライン４６がスイッチ３３に接続されている。従って、スイッチ３１、３３が導通しているとき、パルスが一次巻線部４０、４２および４４を介してライン３４によって方向付けられ、帰還ライン４６に戻る。これは第１直列回路であって、マトリックス変圧器Ｔを形成するモジュールの一次側内に第１極性パルスを生成する。同様の方法で、第２直列回路がそれぞれモジュールＭ３、Ｍ２およびＭ１の第２一次巻線部６０、６２および６４と直列にあるライン５４によってパルスを方向付けるためにスイッチ５０、５２を閉じることによって作動される。帰還ライン６６がスイッチ５２に接続され、これによってスイッチ５０、５２が任意の極性パルスをモジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３に向ける。変圧器Ｔの一次側の動作において、第１極性パルスがモジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３に向けられる。その後、対向極性パルスが三つのモジュールを通過する。このパルスがＡＣ信号をモジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３の入力ないし一次巻線側に発生させ、モジュールを集合してマトリックス変圧器Ｔを形成する。モジュールの出力は、それぞれモジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３内の多数回巻二次巻線７０、７２および７４である。二次巻線は全波整流器８０に接続された出力リード線７０ａ、７０ｂ、全波整流器８２に接続された出力リード線７２ａ、７２ｂおよび全波整流器８４に接続された出力リード線７４ａ、７４ｂを有している。この種の整流器は出力リード線１０、１２間で直列回路８６に接続されている。図２に示したように、一対の並列シリンダーの形状にある高透磁率変圧器コアＣ１、Ｃ２およびＣ３がモジュールの二つの一次巻線部分の周りに配置されている。それぞれの一次巻線が巻き取られた並列経路もこのシリンダーコアによって取り巻かれている。動作において、一次スイッチの「サイドＡ」を指示しているスイッチ３１、３３を通るパルスがモジュールを通る第１極性パルスを生成する。その後、スイッチ５０、５２が作動して一次スイッチの「サイドＢ」から対向極性パルスを生成する。パルスがそれぞれのモジュールの一次部分を通過する。従って、ＡＣ入力信号が、それぞれ全波整流器８０、８２および８４に接続された二次巻線７０、７２および７４内にＡＣ電圧を誘起する目的でモジュールの一次部分に向けられる。このＡＣ信号がリード線１０、１２両端に高電圧を発生させ、この電圧は通常約５００〜１６００ボルトＤＣの範囲にある。この種の高電圧は図１と２に示したこれらのモジュールの構成とともに新規なモジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３の使用によって得ることができる。これらはマトリックス変圧器Ｔを構成するように組み合わされる。本発明を使用することによって、インバーター基準電源を使用したときにこれまで得ることができなかった電圧が達成される。
【００１６】
標準技術において、プラズマアーク切断処理の電圧および電流が、帰還制御装置の処理のために測定される。多様なユニットがこの目的のために使用することができるが、本発明の図示実施例において、電圧帰還装置９０が入力リード線９２、９４によってリード線１０、１２間で抵抗器Ｒに接続されている。これらのリード線両端の電圧は、切断操作電圧を表わすレベルを有する線９６内の信号である。処理電流の帰還を提供するために、電流帰還装置１００がリード線１２に直列接続されている。通常、この装置は分路変圧器ないし変流器であり、切断操作の電流を表わすレベルを有する線１０２に信号を生成する。プラズマアークカッターＡは標準技術に基づいて動作するが、本発明は極めて高い電圧を得る。
【００１７】
モジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３内に等価な電圧を維持するために、図２に最もよく示したように二次巻線と同じ経路内で接続された平衡巻線１２０、１２２および１２４が設けられている。これらの平衡巻線は図３に概略的に示し、平衡巻線と直列にそれぞれ電流制限抵抗器１２０ａ、１２２ａおよび１２４ａを有し、潜在的損傷電流サージを阻止している。これらの平衡巻線の動作原理は周知である。変圧器がこの設計のように直列接続されたときに、それぞれの変圧器モジュールの磁気コアは互いに直接関係しない。当然のことながら、直列回路の素子は互いに関連してそのインピーダンスの相対的関係に基づいて総印加電圧を分割する。この場合において、直列素子はそれぞれの変圧器モジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３であり、各モジュールの特性インピーダンスは実際上静的および動的に多数の要素に依存している。二つのモジュールは正確に同一ではないので、印加一次電圧はその結果的特性インピーダンスに基づいた任意の一連の条件下でその間で不均一に分割される。これはいくつかの理由で望ましくない。第１に、コアＣ１−Ｃ３の一つまたはそれ以上における電圧降下が飽和状態に到達することを示している。第２に、最も重要な理由は、モジュールの一次側における電圧のあらゆる変化が二次巻線に直接反映する。二次巻線上の電圧の明確な分布が整流器８０、８２および８４内の低電圧要素の使用を可能にするにあたって重要なため、印加一次電圧が変圧器モジュール内で均一に分割されることが必須である。平衡巻線１２０、１２２および１２４が直列状態の変圧器モジュールのコアＣ１、Ｃ２およびＣ３を互いにリンクして均等性を維持する有効手段である。絶縁平衡巻線が変圧器の各モジュールに付加される。各モジュールの平衡巻線が他のモジュールの平衡巻線各々に並列接続される。これは本質的にそれぞれの変圧器モジュールのコアを補助巻線の並列ネットワークを介してリンクする。不平衡がモジュール間に発生すれば、電流が並列リンク平衡巻線を介して一つのコアから他のコアに流れ、対向モジュールのコアを駆動して均等に戻す。基本回路理論が、回路の並列素子両端の電圧が同じでなければならないことを保証するので、平衡巻線がシステム内の平衡を維持するために必要に応じて互いに前後に駆動する。平衡巻線は、不平衡が存在するときにのみ作動するので、この巻線は非常に電力の消費が少なく、変圧器Ｔの全効率に事実上影響することはない。
【００１８】
変圧器モジュールの磁気特性における僅かな差異が、各モジュールの一次側上の電圧振動という結果をもたらす。これらの振動も二次巻線に反映する。結果的に、本発明の態様によれば、ソフトフェライト飽和可能リアクター１３０が正極性および負極性回路内の一次巻線と直列に設けられている。飽和可能リアクターがモジュールに対するゆっくりした電圧印加を助ける。「ソフト」遅延が平衡巻線１２０、１２２、１２４に対してその目的を効果的に実行させる。これが印加電圧による一つのモジュールから他のモジュールへの振動の傾向を低減する。一般的に直接的な振動不平衡は、電圧が最初に変圧器集合体に印加されたときにモジュール間に発生する。これは電力装置の厳しいスイッチ操作に関係する寄生リングと個々の変圧器モジュールの磁気特性にある僅かな差異に起因している。一次巻線回路と直列にある飽和可能リアクターがこれらの現象の作用を低減する。飽和可能リアクターの磁気コア材料のスイッチング特性は、スイッチ３１、３３および５０、５２として使用されたＩＧＢＴのような電子スイッチよりもソフトである。スイッチ操作が開始されると、磁気コアはこれが飽和するまで印加電圧をブロックする。コアが飽和状態に近づくにつれて、電流が上昇し始めるが、完全飽和が発生するまで妨げられずに流れることはない。このターンオン特性は電子スイッチと比較してゆっくり、かつ、滑らかに発生する。この利点は電子信号内の寄生リングが少なくなり、初期印加変圧器電圧がより均一な分布となることである。
【００１９】
本発明の好ましい実施例の別の特徴は、標準チョーク２４に付加した共通モードチョーク１４０の使用である。このチョークは図２に示したモジュールと同様に構成され、二つの導電チューブ内の長尺経路に挿通され、シリンダー状コアによって取り巻かれたリード線１０、１２を備えている。典型的な溶接電源に対する無視できるほどの寄生静電容量を考慮すると、この切断システムの上昇した電圧レベルでの相当な漏洩電流を発生することになる。外部寄生要素は制御することが困難であり、充分大きければ、漏洩電流のためのパスを設けることができるが、負荷に供給される電流と負荷から帰還される電流間の不均衡をもたらすことになる。この不均衡は変圧器に対する望ましくない外乱を生成することになり、また電流としての整流器信号が交互のパスを介してシステムへ帰還される。これを中和させるために、共通モードチョーク１４０が出力回路に付加される。共通モードチョーク１４０において、リード線１０、１２が、フェライトコアのような高い透磁率の共通磁気コアを介して対向方向に供給される。導電体内の電流が同じである限り、コアは平衡に維持され回路に影響しない。しかし、不平衡が発生すれば、コアは対向リード線上に差を課することになる。この方法において、共通モードチョークが、供給電流と帰還電流が実質上同一になることを保証し、従って、システム内の寄生要素の負作用が減じられる。
【００２０】
モジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３が本質的に同じであり、従って、モジュールＭ１のみを詳細に説明することにし、この説明は他のモジュールに適用するものとする。図４において、モジュールＭ１の一次巻線部４０がジャンパーストラップ１５４によって電気的に接続された並列導電体チューブ１５０、１５２の形態をなすとともに、これまでに説明したように出力整流器８０に接続された多数回巻二次巻線７０を収容するための並列長尺経路１６０、１６２を規定している。スイッチ３１、３３が導通中、線３４からのパルスがチューブ１５０とストラップ１５４を通してチューブ１５２に通過される。第１一次巻線部４０の第２チューブが、回路を完成させるために帰還リード線４６に接続されている。同様の方法において、一次巻線部５４が上部ストラップ１８４によって接続された並列チューブ１８０、１８２を含んでいる。ライン５４から対向極性パルスがチューブ１８０に向けられ、ストラップ１８４とチューブ１８２を介して帰還ライン６６に帰還される。一極性にある電源Ｂの動作中、電流が経路１６０、１６２に対して第１方向に流れる。対向極性動作中、一次電流が経路１６０、１６２内を対向フラックス方向に流れる。これが二次巻線７０との変圧器結合作用を提供し、二次電圧信号を整流器８０に向けさせ、ここで他の出力電圧信号と加算されリード線１０、１２両端に高電圧を発生する。図示実施例によれば、コアＣ１は二つのシリンダー状本体を含み、各々一連のドーナツ形状リングから形成される。経路１６０の周りに同軸チューブ１５０、１８２を含み、コアがリング２００、２０２または２０４を含んでいる。同様の方法で、経路１６２とその同軸チューブ１５２、１８０の周りはリング２１０、２１２および２１４が巻かれている。もちろん、絶縁スリーブがモジュールＭ１の二つの一次巻線部を形成する同心、同軸チューブ間に設けられている。
【００２１】
ある電源において、出力ＡＣ信号が全ブリッジ回路網によって生成され、単一回路内のＡＣ信号になる。インバータ基準電源からのこのようなＡＣ信号は本発明を実行するのに使用することができるが、モジュールの各々は図５に示す修正モジュールＭ’で示したような単一一次巻線部のみを必要とする。図５のモジュールＭ’に対する参照番号は、対応する要素を識別するときに、図４の参照番号と同じである。図５において、モジュールＭ’は、ストラップ１５４によって電気的に接続された並列隔置チューブ１５０、１５２によって規定された一次巻線部４０のみと二次巻線経路１６０、１６２を含んでいる。このモジュールにおいて、ＡＣ信号がライン３００、３０２間に直列接続された一次巻線部４０に向けられる。一次巻線部４０内のＡＣ信号が、図４に示したようにモジュールＭ１内の二つの部分４０、６４を使用したように並列経路１６０、１６２内のフラックスパターンの同じタイプを生成する。モジュールＭ’は、ＡＣ信号が実際にはモジュールの一次巻線部に向けられること以外はモジュールＭ１と等価であり、同じように動作する。図５に示したタイプの一連のモジュールは、マトリックス変圧器Ｔの説明に基づいて作動するマトリックス変圧器に形成される。
【００２２】
直列接続されたモジュールＭ１、Ｍ２およびＭ３はプラズマ切断のための高電圧電源を確立する。廃棄物質が蒸発するとき、一つまたはそれ以上の新規なモジュールの高電圧が電圧として充分であるが、より大きい電力が使用される。より大きい電流と高電圧を達成するために、図２のモジュールシステムは図６に示したように連結構造で使用される。この実施例において、図６に示すように五つのユニットが並列接続され、図２のユニットに示す電流の５倍の電流を出力リード線１０’、１２’に提供する。これらのリード線はプラズマトーチを駆動し、廃棄物を燃焼する。並列ユニットの数はプラズマフレームを生成するのに必要とする電力に基づく。
【００２３】
種々の変形例を意図した精神と範囲から逸脱することなく本発明の好ましい実施例で作ることができる。チューブは螺旋状リボンまたはコイル状構造によって形成することができる。好ましい実施例の種々の特徴は、マトリックス形式の変圧器を使用することによるプラズマアークのための非常に高い電圧を生成することを意図した目的から逸脱せずに簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の好ましい実施例を示す配線図である。
【図２】本発明の好ましい実施例の実体図と配線図を組み合わせた図である。
【図３】本発明の好ましい実施例に使用された平衡巻線を示す配線図である。
【図４】本発明に基づいて構成されたモジュールを、配線図とともに示す側面断面図である。
【図５】図４と類似する図で、本発明の態様を構成するマトリックス変圧器を形成するのに使用された新規なモジュールの別の実施例を示す図である。
【図６】図２に示した数個の高電圧モジュールシステムを並列に変換して廃棄物処理に使用する高電圧、大電流電源を得るトポロジーのブロック図である。
【符号の説明】
【００２５】
Ａ  プラズマアークカッター
Ｂ  電源
Ｅ  電極
Ｔ  マトリックス変圧器
ＷＰ  工作物
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３  モジュール
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３  変圧器コア
１０、１２  出力リード線
２０  トーチ
２２  ノズル
２４  チョーク
３０  ガス供給装置
３１、３３  スイッチ
３２、３４  ライン
４０、４２、４４  一次巻線
４６、６６  帰還ライン
５０、５２  スイッチ
７０、７２、７４  二次巻線
７０ａ、７０ｂ、７４ａ、７４ｂ  出力リード線
８０、８２、８４  全波整流器
９０  電圧帰還装置
９２、９４  入力リード線
１００  電流帰還装置
１２０、１２２、１２４  平衡巻線
１２０ａ、１２２ａ、１２４ａ  電流制限抵抗器
１３０  ソフトフェライト飽和リアクター
１４０  共通モードチョーク
１５０、１５２、１８０、１８２  並列導電チューブ
１５４  ジャンパーストラップ
１６０、１６２  長尺経路
１８４  上方ストラップ
２００、２０２、２０４、２１０、２１２、２１４  リング
３００、３０２  ライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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