Circuito de cebado del arco piloto para antorchas de arco de plasma.

Un circuito de cebado para el cebado del arco piloto en una antorcha de arco de plasma (25),

comprendiendo dicho circuito, como mínimo, un generador de señal de alto voltaje (27), estando adaptados los polos de dicho generador de señal de alto voltaje (27), para ser conectados a un primer electrodo (28) y a un segundo electrodo (29) de dicha antorcha (25), respectivamente, comprendiendo además dicho circuito, como mínimo, un generador de corriente continua de bajo voltaje (20), adecuado para la formación del arco piloto y del arco principal en dicha antorcha, siendo capaz dicho generador de señal de alto voltaje (27) de enviar una señal a efectos de inducir una descarga repentina en un plasma, fluyendo de acuerdo con una trayectoria preestablecida, entre dicho, como mínimo, un primer electrodo (28), y dicho, como mínimo, un segundo electrodo (29) de dicha antorcha (25), a efectos de crear un curso preferente para una señal de corriente que forma el arco piloto entre dichos electrodos (28, 29), mantenidos a una cierta diferencia de potencial, comprendiendo dicho generador de señal de alto voltaje (27), un generador de impulsos que produce una secuencia de impulsos, a efectos de cebar el arco piloto entre dicho primer electrodo (28) y dicho segundo electrodo (29) estando conectado dicho generador de corriente continua con bajo voltaje (20) en paralelo a, como mínimo, un condensador (22) y, como mínimo, a un interruptor (23) del arco piloto ,y estando adaptado para ser mantenido separado de dicho generador de impulsos hasta que el arco ha sido cebado de manera permanente.

Circuito de cebado del arco piloto para antorchas de arco de plasma

La presente invencion se encuentra dentro del contexto general de las antorchas de arco de plasma y de los procesos de corte que se basan en las mismas. En particular, la invencion se refiere a un circuito especifico, obtenido despues de modelar el presente sistema de cebado de alta frecuencia de antorchas de arco de plasma para desarrollar un sistema de cebado alternativo que no utiliza generadores de impulsos de alta frecuencia. Un ejemplo de circuito de cebado del arco piloto para antorchas de arco de plasma se puede observar en el documento US-A-5235162.

Uno de los problemas mas importantes que se presentan en el desarrollo de la tecnologia de antorchas de arco de plasma para el corte de materiales consiste en el cebado y correspondiente transferencia del arco de plasma. En este caso especifico, es muy dificil cebar un arco transferido entre el electrodo de la antorcha y la pieza a trabajar, principalmente debido a la distancia relativa existente entre dichos elementos cuando se encuentran en situacion de paro. La mayor parte de sistemas de corte por plasma se basan, como consecuencia, en el cebado de un arco piloto entre el electrodo de la antorcha y la tobera, elementos separados por una distancia sustancialmente mas reducida con respecto a la indicada anteriormente; induciendo dicho arco piloto la formacion de un arco entre el electrodo y la pieza a trabajar. Una modalidad ampliamente utilizada en la actualidad adoptada para el cebado del arco piloto, utiliza un generador de seral de alto voltaje y alta frecuencia, acoplado a un generador de corriente continua y con la antorcha; el generador de alta frecuencia envia una seral que provoca una descarga repentina en el plasma fluyente, siguiendo una trayectoria tipica en espiral, entre el electrodo y una tobera de la antorcha. La descarga provoca una trayectoria preferente que, por lo tanto, forma el arco piloto entre el electrodo y la tobera, entre los que se crea un diferencial de potencia.

El generador de corriente continua esta conectado directamente al electrodo y a la pieza a trabajar, y el flujo de gas en la salida de la tobera es ionizado por el arco piloto, de manera que la resistencia electrica entre el electrodo y la pieza se hace reducida. Ademas, la tobera es conectada a la pieza a trabajar por medio de una resistencia piloto y un relevador piloto, conectado entre si en serie, creando una elevada diferencia de potencia entre la tobera y la pieza; esto induce la transferencia del arco al material a trabajar a causa de la completa ionizacion del espacio circundante. El relevador es cerrado antes de la formacion del arco piloto y es abierto en un momento predeterminado, despues de que el arco ha sido transferido a la pieza y, como consecuencia, el tiempo que transcurre entre la formacion del

arco piloto y la transferencia del arco al material a trabajar, esta en relacion con la distancia entre la antorcha y la pieza a trabajar, el valor de la corriente del arco piloto y del caudal del gas. En los sistemas de cebado actualmente adoptados del tipo que se ha descrito, se puede observar que 20-30% de la energia suministrada por el generador de alta frecuencia es dispersada al medio ambiente por el cable de la antorcha que al funcionar como antena, puede influir negativamente en todos los equipos electronicos circundantes y puede provocar tambien el fallo de la ignicion del arco, sobre todo en condiciones de presencia de humedad (especialmente durante el invierno y/o en los Paises Nordicos) .

Esto se puede demostrar claramente al llevar a cabo pruebas de caracterizacion de funcionamiento especifico de dicho generador de impulsos de alto voltaje y alta frecuencia, que se utiliza normalmente en los circuitos de cebado; un intersticio de chispa es utilizado normalmente para las pruebas, consistiendo en dos electrodos metalicos situados a una distancia ajustable y un osciloscopio sonda con proporciones de division preestablecidas para medir el voltaje y la corriente. El esquema de este circuito de prueba se ha mostrado en la adjunta figura 1, en la que el numeral 10 indica el generador de impulsos de alta frecuencia, el numeral 11 indica genericamente el intersticio de chispa ajustable, el numeral 12 el osciloscopio de medicion y 13 y 14 indican las sondas de corriente y de alto voltaje, respectivamente.

De las mediciones descritas, se puede observar que el generador de impulsos 10, que esta montado normalmente en serie en los circuitos de cebado para antorchas de corte por arco de plasma, produce un impulso de voltaje cada

ms aproximadamente, y que el impulso tiene tiempos de subida y bajada extremadamente rapidos, con un espectro que contiene frecuenciasmuyelevadas (hasta aproximadamente 1 MHz) ; en ausencia decorriente (vacio) el impulso consiste en un pico de alto voltaje que tiene un cierto signo seguido de un pico de signo opuesto y aproximadamente con la misma amplitud (7-8 kV) .

El circuito equivalente (mostrado esquematicamente en la figura 2) esta, por lo tanto, representado sustancialmente por el generador de voltaje en corriente continua V, que alimenta tanto el arco principal como el arco piloto, situados en serie con una resistencia R y una red LG equivalente al generador de impulsos de alto voltaje y alta frecuencia, comprendiendo un inductor L y un condensador C; el condensador C es cargado aproximadamente a 1 kV y es descargado bruscamente (a traves de los diodos 15 de tipo SCR) sobre el circuito primario de un transformador de impulsos 16, induciendo de este modo el voltaje VI de nivel requerido en el circuito secundario del transformador 16.

La descarga puede tener lugar durante el primer o segundo picos; en cualquier caso, si la descarga tiene lugar en el intersticio de chispa 11, la corriente describe una sinusoide con una frecuencia basica de 300 kHz aproximadamente (con un periodo de unos 3 Is) tiene un valor pico de aproximadamente 40A y disminuye con una constante de tiempo aproximada de 10 Is.

Despreciando las perdidas del transformador 16, el voltaje maximo medido alcanza 8 kV, y la carga correspondiente a una semionda de corriente medida en el circuito secundario del transformador 16, es igual a unos 40 IC; siendo la energia correspondiente a un impulso igual aproximadamente a 160 mJ.

Una hipotesis para el desarrollo de un sistema de cebado alternativo al sistema de alta frecuencia, se baso inicialmente en la posibilidad de utilizar curvas de Paschen para encontrar la situacion optima de los valores relativos a la presion y distancia entre los elementos de la antorcha, a efectos de minimizar el voltaje necesario para el cebado del arco.

Un estudio mas detallado del fenomeno, junto con restricciones tecnologicas y operativas de las antorchas de arco de plasma, indicaron, no obstante, que ello seria posible solamente utilizando una antorcha con presiones mas bajas del valor atmosferico.

Se efectuaron otros estudios utilizando un generador piezoelectrico, en vez de alto voltaje en generadores de impulsos de alta frecuencia, con una alimentacion a 220 Voltios, tal como se ha descrito anteriormente, y adoptados normalmente en circuitos de cebado de antorchas de arco de plasma.

Al efectuar las mediciones con el circuito de la figura 1, se puede observar inmediatamente que en este caso, la corriente absorbida por la sonda de alto voltaje 14 es tal que provoca un descenso significativo de voltaje dentro del generador piezoelectrico, que tiene una impedancia interna muy elevada; por lo tanto, el voltaje suministrado por el generador es reducido por el consumo debido a la sonda de medicion en una extension tal que, en algunos casos, no se produce siquiera el cebado.

A efectos de reducir la corriente absorbida por la sonda 14, es posible alternativamente facilitar un divisor compensado RC con una proporcion prefijada e impedancia de entrada incrementada, a efectos de obtener mediciones cualitativamente aceptables.

De los oscilogramas obtenidos en estas condiciones, se puede observar, no obstante, que durante la compresion del cristal, el generador piezoelectrico produce una secuencia de incrementos de 3-4 Voltios con un crecimiento muy reducido (con una duracion de decenas de ms) ; siendo interrumpido bruscamente cada incremento cuanto tiene lugar la descarga en el intersticio de chispa 11, que lleva el voltaje practicamente a cero nuevamente y, durante la liberacion de la presion en el cristal, se produce una secuencia de negativos analogos por completo.

El voltaje de descarga del intersticio de chispa 11 se muestra ligeramente mas elevado de 4 kV, inferior, por lo tanto, al medido con el generador de impulsos de alto voltaje y alta frecuencia, con la misma distancia entre los electrodos; esto es coherente con el hecho de que un... [Seguir leyendo]

1. Un circuito de cebado para el cebado del arco piloto en una antorcha de arco de plasma (25) , comprendiendo dicho circuito, como minimo, un generador de seral de alto voltaje (27) , estando adaptados los polos de dicho generador de seral de alto voltaje (27) , para ser conectados a un primer electrodo (28) y a un segundo electrodo (29) de dicha antorcha (25) , respectivamente, comprendiendo ademas dicho circuito, como minimo, un generador de corriente continua de bajo voltaje (20) , adecuado para la formacion del arco piloto y del arco principal en dicha antorcha, siendo capaz dicho generador de seral de alto voltaje (27) de enviar una seral a efectos de inducir una descarga repentina en un plasma, fluyendo de acuerdo con una trayectoria preestablecida, entre dicho, como minimo, un primer electrodo (28) , y dicho, como minimo, un segundo electrodo (29) de dicha antorcha (25) , a efectos de crear un curso preferente para una seral de corriente que forma el arco piloto entre dichos electrodos (28, 29) , mantenidos a una cierta diferencia de potencial, comprendiendo dicho generador de seral de alto voltaje (27) , un generador de impulsos que produce una secuencia de impulsos, a efectos de cebar el arco piloto entre dicho primer electrodo (28) y dicho segundo electrodo (29) estando conectado dicho generador de corriente continua con bajo voltaje (20) en paralelo a, como minimo, un condensador (22) y, como minimo, a un interruptor (23) del arco piloto , y estando adaptado para ser mantenido separado de dicho generador de impulsos hasta que el arco ha sido cebado de manera permanente.

2. Circuito de cebado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho generador de impulsos (27) esta situado en serie con, como minimo, un intersticio de chispa (41) , y que esta conectado ademas, como minimo, a un separador electrico, a efectos de obtener impulsos de alto voltaje y alta frecuencia, entre una salida de alto voltaje de dicho generador de impulsos (27) y el potencial de tierra (31) .

3. Circuito de cebado, segun la reivindicacion 2, caracterizado porque dicho separador electrico comprende, como minimo, un diodo (26, 36) o, como minimo, un inductor (35, 37) .

4. Circuito de cebado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho generador de impulsos (27) esta situado en serie con primeros elementos de resistencia (33) , que permiten la limitacion de la corriente a valores preestablecidos y/o primeros condensadores (32) , que son utilizados para impedir que la corriente continua pase a traves de dicho generador de impulsos (27) cuando esta desconectado.

5. Circuito de cebado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho generador de corriente continua (20) esta conectado en paralelo a segundos elementos de resistencia (33) y/o segundos condensadores (22) , que permiten que el generador de corriente (20) este protegido contra sobrevoltajes rapidos.

6. Circuito de cebado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho generador de impulsos (27) esta adaptado para su insercion dentro de la antorcha (25) o para quedar posicionado proximo a la misma.

7. Circuito de cebado, segun la reivindicacion 3, caracterizado porque dicho inductor (35, 37) es producido con un nucleo de ferrita con un cuerpo envolvente con capacidad de apertura o que comprende espiras de cable aislado de alto voltaje, aisladas y arrolladas alrededor de un nucleo toroidal de ferrita.

8. Circuito de cebado, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho generador de impulsos (27) consiste en un carrete de inductor aislado, en el que un arrollamiento secundario esta situado sobre el nucleo de ferrita con arrollamiento primario, de manera que, al abrir y cerrar el circuito primario, se producen diferencias de potencial elevadas en los extremos de circuito secundario, estando acoplado dicho carrete con un circuito integrado que actua como oscilador y con uno o varios transistores que actuan como amplificadores de la seral aplicada al circuito primario.

9. Circuito de cebado, segun la reivindicacion 8, caracterizado porque dicho inductor (35, 37) con un nucleo de ferrita esta conectado electricamente, como minimo, a un descargador (41) y esta conectado en serie a un segundo electrodo (29) , que forma un anodo auxiliar de la antorcha (25) , a efectos de obtener una inductancia con un valor limitado y obtener de esta manera un arco estable e intenso entre dicho electrodo (28) , que forma un catodo de la antorcha (25) y dicho anodo auxiliar.

10. Antorcha de arco de plasma (25) que comprende un circuito de cebado para el cebado del arco piloto, un primer electrodo (28) y un segundo electrodo (29) , caracterizado porque dicho circuito de cebado es realizado de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, y porque los polos de dicho generador de seral de alto voltaje (27) estan conectados a dicho primer electrodo (28) y dicho segundo electrodo (29) , respectivamente.