Обратная связь в виде плазменного шума в источниках высокого напряжения при лазерной сварке

Обратная связь в виде плазменного шума в источниках высокого напряжения при лазерной сварке

Резюме

Глубокопроникающая сварка превращает плазму в замочной скважине в нагрузку, которая колеблется на ±40% в диапазоне от 1 кГц до 10 кГц. В данной статье представлены модель проводимости, уравнение возмущения шины, которое подает 200 В на узел источника за 20 мкс, импеданс трех путей связи, коэффициент связи канала мониторинга 67%, а также этапы подавления, которые сокращают количество ложных срабатываний на 60%.

1. Введение

Лазерная сварка с глубоким проплавлением позволяет соединять стальные пластины толщиной от 10 до 30 мм за один проход и в настоящее время является стандартным процессом в судостроении, производстве сосудов под давлением и изготовлении тяжелого оборудования. Современный волоконно-лазерный сварочный аппарат мощностью от 8 до 16 кВт использует высоковольтный блок с напряжением от 3 до 20 кВ для инициирования плазмы, ионизации вспомогательным газом и смещения датчика.

Сварочная плазма представляет собой нелинейную нагрузку, источник широкополосного шума и одновременно диагностический сигнал. Исследование 120 промышленных лазерных сварочных аппаратов показало, что 27% неисправностей высоковольтных установок вызваны помехами, возникающими из-за плазмы: ложные срабатывания защиты от перегрузки по току, ложные срабатывания датчика дуги и эпизодические повреждения каскада обратной связи источника.

Каждая ложная срабатывание прерывает сварной шов, и переделка 10-метрового шва на судовой панели обходится от 300 до 1,500 долларов США. Эти же помехи искажают канал контроля проплавления, скрывая ранние признаки неполного сплавления.

В данной статье рассматривается модель проводимости плазмы, три пути связи с источником, коэффициент связи канала мониторинга и шесть этапов подавления, основанных на дифференциальном измерении, режекторной фильтрации и изолированных высоковольтных конденсаторах.

2. Основной механизм

2.1 Плазма как переключаемая проводимость

Образовавшаяся замочная скважина ведет себя как проводник, определяемый степенью ионизации и геометрией канала:

G_plasma = n_e × e × μ_e × A_ch / L_ch

где G_plasma — проводимость канала, n_e — плотность электронов (от 1 × 10¹⁶ до 1 × 10¹⁸ см⁻³ в замочной скважине), e — заряд электрона, μ_e — подвижность электронов, а A_ch / L_ch — соотношение сторон канала.

Глубина плазмы открывается, колеблется и схлопывается в диапазоне частот от 1 кГц до 10 кГц, при этом значения n_e и A_ch движутся вместе с ней. Затем проводимость изменяется на ±40%, что означает, что импеданс плазмы изменяется от менее 1 Ом во время формирования развитой плазменной полости до тысяч Ом при отрыве факела, при этом время перехода составляет менее 50 мкс.

2.2 Подключение цепи нагрузки к шине

Плазма включена последовательно с высоковольтным выходом, поэтому колебания проводимости напрямую модулируют подаваемое напряжение. Возмущение в узле источника следует за изменением импеданса:

ΔV_bus = I_out × ΔZ_plasma

где ΔV_bus — возмущение шины, I_out — выходной ток, а ΔZ_plasma — изменение импеданса, вызванное изменением проводимости. При выходном токе 2 А изменение импеданса на 100 Ом добавляет 200 В к шине за 20 мкс, что соответствует скорости нарастания 10 В/мкс на узле обратной связи.

2.3 Излучаемые и проводящие пути

Дуговой мерцатель излучает широкополосный шум в диапазоне от 10 кГц до 300 МГц. Поле напряженностью 1 В/м передает несколько вольт в неэкранированную линию обратной связи, поскольку измерительные линии работают при высоком импедансе, а потери на связь невелики.

Сварочный ток возвращается через зажимное приспособление и создает разность потенциалов заземления между горелкой, высоковольтным блоком и контроллером. Измеренная разность достигает 8 В во время сварки высоким током и проявляется в виде синфазного напряжения на каждом общем сигнале.

2.4 Канал мониторинга проникновения

Тот же плазменный потенциал, который возмущает источник, несёт в себе характерный «сигнал замочной скважины». Разделительный конденсатор передаёт часть этого колебания на вход монитора:

V_mon = C_c / (C_c + C_par) × V_plasma_swing

где V_mon — напряжение на входе монитора, C_c — емкость связи, C_par — паразитная емкость этого входа, а V_plasma_swing — размах потенциала плазмы. При C_c = 10 пФ и C_par = 5 пФ 67% размаха достигает монитора.

2.5 Поддержание чистоты измерительного участка

Первая линия защиты — это дифференциальный вход. Его остаточная мощность следующая:

V_res = V_cm / 10(CMRR / 20)

где V_res — остаточный синфазный сигнал на компараторе, V_cm — синфазное напряжение на входном каскаде, а CMRR — коэффициент подавления синфазного сигнала в децибелах. При синфазном напряжении 8 В и подавлении 90 дБ остаточный сигнал составляет 253 мкВ.

Второй вариант — это вырез в периодической части модуляции:

f_notch = 1 / (2π × √(L_n × C_n))

где f_notch — частота подавления, L_n — индуктивность подавления, а C_n — емкость подавления. Индуктор с индуктивностью 1 мГн и конденсатором 1 мкФ подавляет сигнал на частоте 5.03 кГц, в середине измеренного диапазона частот от 2 кГц до 8 кГц.

Рис. 1 — Схлопывание сквозного отверстия приводит к изменению сопротивления плазменной нагрузки на 100 Ом при токе 2 А, поэтому цепь нагрузки добавляет 200 В к шине; излучаемые и проводящие пути достигают одного и того же узла обратной связи.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Схлопывание сквозного отверстия приводит к срабатыванию защиты во время сварки.

Когда отверстие схлопывается, проводимость плазмы падает, и индуктивная энергия источника разряжается в паразитную емкость. В результате возникает скачок напряжения, вдвое превышающий заданное значение, и компаратор защиты отключает источник. Это происходит на линии по сборке судовых панелей, где за смену образуется один прерванный сварной шов.

Проблема 2: Излучаемый шум искажает показания монитора проникновения.

Без полосового фильтра входной сигнал монитора включает в себя импульсы мерцания дуги. Тестовые данные показали скачки показаний на ±15% во время стабильных сварных швов, поэтому операторы отключили сигнализацию. Функция раннего предупреждения оказалась недоступна именно тогда, когда она была необходима.

Проблемный момент 3: Напряжение контура заземления насыщает аналоговый входной каскад.

При заземлении заготовки в удаленной точке разность потенциалов между высоковольтным блоком и горелкой достигала 8 В во время сварки сильным током. На линии измерения с опорным напряжением 0 В это синфазное напряжение приводило к насыщению входного каскада и создавало «слепое окно» длительностью 50 мс после каждого начала сварки.

Проблема 4: Модуляция нагрузки дестабилизирует контур управления.

Модуляция проводимости в пределах ±40% проявляется в виде изменяющейся во времени нагрузки на контур напряжения. При недостаточной полосе пропускания контура источник колеблется с частотой флуктуаций плазмы, что проявляется в виде видимой модуляции глубины проплавления сварного шва.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Дифференциальное зондирование с использованием входного каскада с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR).

Преобразуйте все сигналы плазмы и сварки в дифференциальные пары с коэффициентом подавления синфазного сигнала выше 90 дБ на частоте 10 кГц. В ходе испытаний по модернизации количество ложных срабатываний сократилось на 60%, поскольку напряжение контура заземления подавлялось до того, как достигало компаратора. Высоковольтный делитель обратной связи, питающий этот компаратор, также должен быть согласован. градуировочные резисторыПоскольку расхождение в 1% сдвигает точку срабатывания на 1%.

Стратегия 2: Снизить измеренную частоту замочной скважины.

При вводе в эксплуатацию измерьте спектр колебаний в области замочной скважины и установите режекторный фильтр на доминирующей частоте, обычно от 2 до 8 кГц. Редукторный фильтр второго порядка глубиной 30 дБ устраняет периодическую модуляцию нагрузки и поддерживает уровень проникновения постоянного тока. Там, где плазменная полоса находится ниже 2 кГц, пленочный конденсатор А ламинированный сердечник позволяет сделать тот же надрез, но большего физического размера.

Стратегия 3: Изолировать интерфейс монитора.

Изолируйте канал мониторинга проникновения с помощью высоковольтного разделительного конденсатора емкостью 10 пФ, рассчитанного на полный потенциал плазмы. Используйте N4700 Компонент класса I с частичным разрядом ниже 5 пКл и стабильной емкостью, благодаря чему коэффициент связи 67% сохраняется при изменении температуры и времени.

Стратегия 4: Быстрое ограничение тока с опережающей связью

Добавьте член прямой связи, управляемый измеренной проводимостью плазмы. Когда dG/dt сигнализирует о начале коллапса, источник ограничивает ток до того, как сформируется индуктивный импульс. Реализованная в цифровом виде с частотой обратной связи 20 кГц, эта функция снижает перерегулирование напряжения в 2–1.2 раза в опытных сварных швах.

Стратегия 5: Заземление в одной точке и управление экраном

Проложите все линии измерения плазмы в виде витых экранированных пар и заземлите экраны только на высоковольтном блоке. В сочетании с дифференциальным измерением это устранит помехи от контура заземления 8 В и последовавшее за ними слепое окно в 50 мс.

Стратегия 6: Разделить высоковольтную шину и приводы затворов.

Разместите керамические конденсаторы N4700 с низкой индуктивностью параллельно высоковольтной шине и каждому источнику питания драйвера затвора. Коэффициент рассеяния 0.1% или ниже и температурный коэффициент ±30 ppm/°C поддерживают низкое локальное сопротивление шунтирования, пока плазменная нагрузка модулируется с частотой в килогерцах. Выпрямитель, заряжающий шину, использует быстровосстанавливающийся диод, заряд восстановления которого попадает в тот же узел.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Высоковольтные конденсаторы для источников плазменно-связанной сварки

На этом узле одно и то же семейство компонентов должно передавать плазменный сигнал с амплитудой 200 В на монитор и поддерживать стабильное состояние шины 20 кВ во время модуляции нагрузки. Компания HVC использует для обоих устройств диэлектрик N4700 (T3M) класса I, основанный на титанате стронция, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, имеющих значение на этом узле.

• Стабильность на уровне, достаточном для обеспечения надежной связи. Компонент емкостью 10 пФ в контрольной сети сохраняет значение емкости в пределах ±0.5% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, поэтому коэффициент связи не изменяется в зависимости от температуры сварочного шва.
• Частичный разряд составляет менее 5 пКл при номинальном напряжении, что подтверждено заводской проверкой, поэтому конденсатор не генерирует собственных импульсов в канал мониторинга, а отношение сигнал/шум остается выше 40 дБ.
• Надежность развязки шин. Номинальные напряжения от 1 кВ до 100 кВ поглощают индуктивную энергию, выделяющуюся при схлопывании сквозного отверстия, без образования внутренних дуговых разрядов.
• Конструкция с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESL). Семейства клемм с радиальными и винтовыми выводами обеспечивают эквивалентную последовательную индуктивность ниже 30 нГн, что обеспечивает эффективное шунтирование в диапазоне плазменных шумов от 10 кГц до 300 МГц.
• Герметичные корпуса. Эпоксидная герметизация защищает от воздействия паров металла и брызг вокруг высоковольтного сварочного аппарата, где поверхностное образование треков приводит к деградации открытых узлов в течение нескольких месяцев.
• Запись о замене. Винтовой конденсатор серии 441 (40 кВ) был сертифицирован как прямая замена японским винтовым конденсаторам Murata в рамках программы ремонта источников света литографических машин ASML.

На стороне источника соединительной сети наблюдается полный потенциал плазмы, поэтому HVCT8G Контур с концевым проводником длиной 40 мм и каналом утечки длиной 10 мм обеспечивает прокладку этого узла.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а соответствующие им нестандартные схемы — в течение 6–10 недель. HVC поддерживает расчет плазменной связи, выбор компонентов для подавления плазмы, анализ дифференциального входного каскада, а также пользовательские комбинации напряжений и емкостей.

Укажите потенциал плазмы, необходимое соотношение связи, полосу частот в области "ключевого отверстия" и напряжение шины. HVC выдаст проект связи и развязки с отчетом о частичных разрядах, расчетом стабильности и набором примеров. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и размерам корпусов. Vishay и другие высоковольтные диапазоны первого уровня.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько сильны помехи в работе шин при обрушении «замочной скважины»?

ΔV_bus = I_out × ΔZ_plasma. При выходном токе 2 А изменение импеданса на 100 Ом добавляет 200 В за 20 мкс, что составляет 10 В/мкс на узле обратной связи. Используйте форму импеданса, поскольку форма проводимости возвращает скорость нарастания, а не шаг.

В2: Как изменяется импеданс плазмы в течение цикла сварки?

Сопротивление ниже 1 Ом во время формирования замочной скважины и достигает тысяч Ом при отрыве факела, с переходами менее 50 мкс. Проводимость изменяется на ±40% в диапазоне частот от 1 кГц до 10 кГц, поэтому источник воспринимает нагрузку, которая движется быстрее, чем его контур напряжения.

В3: Почему разделительный конденсатор емкостью 10 пФ достигает 67% эффективности?

V_mon = C_c / (C_c + C_par) × V_plasma_swing. При емкости связи 10 пФ и паразитных входных составляющих 5 пФ две трети размаха достигают монитора. Добавьте к C_par емкость любого кабеля, и отношение уменьшится.

Вопрос 4: Какой уровень подавления синфазных помех считается достаточным?

90 дБ на частоте 10 кГц. Измеренное напряжение контура заземления составляет 8 В, а V_res = V_cm / 10^(CMRR/20) оставляет 253 мкВ на компараторе. Это ниже порога срабатывания датчика дуги, поэтому ложные срабатывания прекращаются.

В5: На какую частоту следует нацелить режекторный фильтр?

Измеренный пик колебаний в области "замочной скважины" обычно находится в диапазоне от 2 кГц до 8 кГц. Индуктор 1 мГн с конденсатором 1 мкФ создает провал на частоте 5.03 кГц и достигает глубины 30 дБ во втором порядке.

В6: Как поддерживать чистоту монитора, не теряя при этом сигнал?

Потенциал плазмы передается через конденсатор емкостью 10 пФ, экранированный при напряжении менее 5 пКл, при этом экран заземлен только на высоковольтном блоке. Затем монитор считывает колебания плазмы, оставляя ток контура заземления вне его обратного пути.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. МЭК 60270:2025, Методы высоковольтных испытаний - Измерение частичных разрядов на основе заряда., 4-е изд. Женева: МЭК, 2025.
6. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Источник: 中国标准出版社, 2018.
7. Р. Сарати и Г. Коперундеви, Исследование активности частичных разрядов отдельных проводящих частиц в трансформаторном масле при постоянном напряжении с использованием метода УВЧ., IET Science, Measurement & Technology, vol. 3, no. 5, pp. 325-333, 2009. https://doi.org/10.1049/iet-smt.2008.0136.
8. AN2001_06 — Последовательное соединение IGBT-транзисторов, Infineon Technologies, AN2001_06, http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AN2001_06_Series_connection_of_IGBTs-AN-v1.0-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b40f000d12f7 .
9. США 6,937,027, Гибридный датчик для обнаружения высокочастотных частичных разрядов, Hanyang Hak Won Co., Ltd., выдано в 2005 г., https://www.freepatentsonline.com/6937027.html.
10. проблема VL-200Соумилл-Крик, https://sawmillcreek.org/threads/vl-200-problem.254437/ .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com