Защита изоляции плазменного резака от импульсных перенапряжений

Защита изоляции плазменного резака от импульсных перенапряжений

Резюме

Зажигание электрической дуги — наиболее мощное электрическое событие в плазменном резаке, и именно подсистема, предназначенная для создания высокого напряжения, разрушает окружающие детали. В этой статье представлены уравнение для захваченной энергии, ограничение амплитуды импульса, целевое значение демпфирования демпфирующего элемента, правило отражения кабеля, четыре проблемных участка поля, шесть этапов защиты и тест наихудшего сценария, завершающий проектирование.

1. Введение

Зажигание — самое мощное событие в плазморезном аппарате. Конденсатор, заряженный до нескольких киловольт, за микросекунды отдает свою энергию в замкнутый контур с ограниченной индуктивностью.

Последующие скачки напряжения достигают двух-трехкратного значения установившегося напряжения в контуре, ток нарастает быстрее, чем 1 кА/мкс, а излучаемое поле проникает в каждый провод в пределах метра от горелки.

Эти скачки напряжения являются причиной большинства отказов переключателей, пробоев обмоток трансформаторов и неисправностей плат управления в источниках плазмы. Подсистема зажигания предназначена для создания высокого напряжения и при этом повреждает окружающую электронику.

В этой статье рассматриваются три источника энергии, лежащие в основе всплеска, уравнения, ограничивающие амплитуду и энергию, четыре проблемных момента, шесть этапов подавления и тест наихудшего случая, подтверждающий правильность разработанной схемы.

2. Основной механизм

2.1 Энергия захваченного поля

Когда зазор исчезает, энергия, оставшаяся в бачке, и энергия магнитного поля трансформатора нуждаются в пути для передачи. Энергия захваченного поля является более крупным членом.

E_trapped = ½ L_σ i_peak²

где E_trapped — захваченная энергия в джоулях, L_σ — индуктивность рассеяния относительно первичной обмотки, а i_peak — первичный ток при пробое. Индуктивность рассеяния 10 мкГн, по которой протекает ток 217 А, удерживает 235 мДж, что в точности соответствует энергии, запасенной в резонансном контуре емкостью 4.7 нФ при напряжении 10 кВ.

2.2 Амплитуда импульса в узле переключения

Когда дуга гаснет или выключатель размыкается, накопленная энергия заряжает паразитную емкость узла выключателя, и результирующее напряжение подчиняется энергетическому балансу.

V_spike = i_peak √(L_σ / C_par)

где V_spike — пиковое напряжение узла, а C_par — паразитная емкость в узле переключателя, включая ограничивающий конденсатор. Тот же ток 217 А на 520 пФ создает напряжение 30 кВ, а на 100 пФ — 68.6 кВ. Емкость узла является расчетным параметром, и это также число, которое уменьшается при уменьшении размеров модуля.

Характеристическое сопротивление петли определяется теми же двумя элементами.

Z_0 = √(L / C)

где Z_0 — характеристическое сопротивление, L — индуктивность петли, а C — емкость петли. При L в наногенри и C в пикофарадах выражение дает Z_0 в омах после умножения на 31.6, поэтому пара 10 мкГн и 4.7 нФ имеет сопротивление 46 Ом и ток 217 А при напряжении 10 кВ.

2.3 Индуктивный импульс при выключении

В процессе переключения добавляется второй член, при этом ток падает, а напряжение повышается.

ΔV = L_loop (di/dt)

где ΔV — индуктивный импульс, L_loop — индуктивность коммутационной петли, а di/dt — наклон кривой тока за время спада. Удобно использовать правило единиц: наногенри, умноженные на килоамперы в микросекунду, дают вольты. Падение тока длительностью 50 нс, прерывающее ток 217 А, дает 4.34 кА/мкс, а 200 нГн коммутационной петли превращают это значение в 868 В.

2.4 Отражение сигнала в кабеле и демпфирование колебаний демпфера

Кабель между модулем зажигания и фонарем отражает импульс, и несогласованная нагрузка может удвоить или утроить напряжение на конце кабеля, подключенного к фонарю.

V_torch ≈ V_cable (1 + Γ), Γ = (Z_load − Z_c) / (Z_load + Z_c)

где V_torch — напряжение на конце горелки, V_cable — падающее напряжение, Γ — коэффициент отражения, Z_load — сопротивление нагрузки, а Z_c — характеристическое сопротивление кабеля. Согласование Z_load с Z_c приводит к обнулению Γ и устраняет удвоение.

Демпфер компенсирует оставшееся отклонение, а коэффициент его затухания определяет перерегулирование.

overshoot = exp(−π ζ / √(1 − ζ²))

где ζ — коэффициент демпфирования последовательного контура демпфирования. Коэффициент демпфирования 0.5 дает 16 % перерегулирования, или 1.16 × шага, а 0.8 — 1.5 %. Целевой диапазон составляет от 0.5 до 0.8, что позволяет поддерживать первое отклонение около 1.2 × установившегося значения.

Рис. 1 — Тот же ток захвата в 217 А дает 30 кВ на емкости узла 520 пФ и 68.6 кВ на емкости 100 пФ.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Амплитуда всплеска увеличивается по мере уменьшения размера модуля.

В компактных схемах используются более длинные и тонкие выводы, а также более плотная трассировка, что увеличивает индуктивность контура, одновременно устраняя паразитную емкость, которая раньше поглощала пиковое напряжение. Оба параметра одновременно смещаются в неправильную сторону, и запас по изоляции уменьшается вместе с ними.

Проблема 2: Оценка лавинной опасности рассматривается как второстепенный вопрос.

Выбор силовых выключателей основан на номинальных параметрах в установившемся режиме, а энергия лавинного пробоя учитывается с учетом оставшегося запаса. Режим зажигания представляет собой непрерывную последовательность лавинных событий, поэтому каждый скачок расходует часть накопленного запаса, и отказы в эксплуатации проявляются как необъяснимые поломки выключателей.

Проблемный момент 3: Межвитковая изоляция трансформатора при фронтах импульсов 20–50 нс.

Отражённые высокочастотные составляющие концентрируются на первых витках первичной обмотки и межслойном диэлектрике вторичной обмотки. Неконтролируемое напряжение на выводах значительно превышает допустимую частоту 50 Гц, и повреждения накапливаются без видимых признаков на клеммах.

Проблемная точка 4: Соединение с плоскостью управления.

Быстрые фронты сигналов передаются через паразитные емкости трансформатора и заземляющие плоскости на аналоговые входы, вызывая ложные показания и ложные сигналы неисправности. Те же самые фронты достигают проводки датчиков и сервопетлей, поэтому машина периодически работает некорректно, и неисправность невозможно воспроизвести в лабораторных условиях.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установить демпфер, размер которого определяется на основе измеренных паразитных параметров.

Измерьте L_σ и C_par, затем подберите RC- или RCD-демпфер для поглощения накопленной энергии. Выберите коэффициент демпфирования от 0.5 до 0.8, чтобы первое колебание напряжения оставалось близким к 1.2-кратному значению в установившемся режиме.

Стратегия 2: Подключите кабель к фонарю.

Добавьте последовательное сопротивление, равное характеристическому импедансу кабеля на конце горелки, или параллельный зажим. Это сведет Γ к нулю и устранит удвоение при двойном перемещении, которое является наибольшим единичным членом напряжения в цепи.

Стратегия 3: Закрепить шину как можно ближе к выключателю.

Подходит пленочный конденсатор Благодаря низкому эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) на шине постоянного тока, расположенной в пределах 10 мм от выключателя, контур коммутации остается небольшим, а член di/dt испытывает наименьшую возможную индуктивность.

Стратегия 4: Выберите демпфирующий конденсатор с низким уровнем частичных разрядов.

Указывать N4700 Компоненты класса I (T3M): диэлектрик SrTiO3 с tanδ равным или ниже 0.1 %, температурный коэффициент ±30 ppm/°C, диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ и разряд ниже 5 пКл, поэтому демпфирующий элемент не увеличивает потери и не становится источником разряда внутри герметичного модуля.

Стратегия 5: Замедление краев на контрольной границе

Добавьте последовательно соединенные ферритовые бусины и параллельные конденсаторы емкостью 10–100 пФ к каждой сигнальной линии, выходящей из корпуса системы зажигания, и используйте одноточечную звездообразную схему заземления, чтобы импульсные токи не могли протекать через управляющее заземление.

Стратегия 6: Проведите тест на зажигание в наихудшем случае.

Запустите воспламенитель в короткое замыкание, в разомкнутую цепь и в граничный зазор, регистрируя при этом напряжение на стоке переключателя, напряжение на вторичной обмотке трансформатора и показания плоскости управления. Зафиксируйте схему, когда все три параметра останутся в пределах допустимых значений.

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	25 ° C
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 подавления переходных процессов

Три свойства делают подавляющий конденсатор безопасным для установки в герметичный модуль: низкие потери, стабильный порог ограничения и чистый уровень разряда. Компания HVC производит компоненты N4700, обладающие всеми тремя свойствами.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение tanδ, равное или меньшее 0.1 %, приводит к тому, что демпфирующий элемент рассеивает свою энергию в резисторе, благодаря чему демпфирование остается предсказуемым, а конденсатор не охлаждается.
• Точность ±30 ppm/°C обеспечивает стабильное эффективное напряжение ограничения в цепях делителя и ограничителя, поэтому запас защиты не уменьшается в жаркий день.
• Номинальные напряжения от 1 кВ до 100 кВ позволяют проектировщику поочередно задавать выдерживаемое напряжение для демпфирующего конденсатора, разделительного конденсатора и шинного конденсатора.
• Значение PD ниже 5 пКл означает, что компоненты системы подавления не становятся источником долговременной изоляционной слабости внутри герметичного модуля зажигания.
• HVCT8G Корпуса с винтовыми клеммами и радиальными выводами выдерживают термические циклы и вибрацию в режущей ячейке, сохраняя при этом оптимизированную компоновку.
• Полевой опыт: винтовой конденсатор HVC 40 кВ / 441 заменил комплектующие высшего класса в программах обслуживания высоковольтного оборудования, и его конструкция соответствует электрическим параметрам. Перекрестная ссылка кандидатов.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а согласованные блоки — в течение 6–10 недель. При напряжении выше 1 кВ площадка доступна в виде последовательного блока с согласованными компонентами. градуировочные резисторы которые определяют деление напряжения на всей сборке.

Отправьте измеренные значения L_σ, C_par и импеданса кабеля, а также наихудший вариант сигнала зажигания. HVC вернет значения демпфирующего, ограничительного и разделительного конденсаторов вместе с данными PD и ESR для проверки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Откуда берется скачок напряжения при перегреве?

Захваченная магнитная энергия, а не заряд резонансного контура. Когда зазор сужается, 235 мДж, находящиеся в индуктивности рассеяния 10 мкГн, заряжают емкость узла переключателя и устанавливают пиковое напряжение.

Вопрос 2: Насколько большим может быть этот пик?

Это зависит от емкости узла. V_spike = i_peak √(L_σ/C_par), поэтому 217 А при 10 мкГн дают 30 кВ при 520 пФ и 68.6 кВ при 100 пФ. Уменьшение размеров модуля обычно приводит к уменьшению емкости.

В3: Какое значение коэффициента демпфирования следует установить на демпфере?

В диапазоне от 0.5 до 0.8. Коэффициент демпфирования 0.5 дает перерегулирование на 16 %, или в 1.16 раза больше установившегося значения, а 0.8 — на 1.5 %. Это позволяет поддерживать первое отклонение близким к 1.2-кратному значению шага.

Вопрос 4: Какая часть всплеска обусловлена ​​индуктивным импульсом?

Если L измеряется в наногенри, а di/dt — в килоамперах в микросекунду, то ответ получается в вольтах. Коммутационный контур в 200 нГн с падением тока 4.34 кА/мкс добавляет 868 В, что мало по сравнению с членом, описывающим захваченную энергию.

В5: Зачем обжимать кабель фонарика?

Несогласованная нагрузка устанавливает Γ в высокое значение, и отраженная волна суммируется с падающей волной на конце горелки, удваивая или утраивая напряжение. Согласование Z_load с Z_c приводит к обнулению Γ.

В6: Как проверяется правильность проектирования теплоизоляции?

Зажгите воспламенитель в коротком замыкании, разомкнутой цепи и небольшом зазоре, зарегистрируйте напряжения на переключателе и вторичной обмотке, а также проверьте частичный разряд при 120 % от максимального напряжения ступени с ограничением в 5 пКл на каждом компоненте в цепи.

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 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
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. В. Беляев, Модель поверхностного пробоя изолятора в вакууме, в сборнике трудов ISDEIV. 18-й Международный симпозиум по разрядам и электрической изоляции в вакууме, стр. 151-154, 1998. https://doi.org/10.1109/deiv.1998.740596.
9. Руководство по применению IGBT-транзисторов Fuji, Глава 5 — Проектирование схем защиты (REH984)Fuji Electric, REH984, https://www.fujielectric.com/device/semi/technical/application/pdf/REH984/REH984_05.pdf .
10. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com