Энергетическая связь резонансного контура в цепях зажигания плазмы.

Энергетическая связь резонансного контура в цепях зажигания плазмы.

Резюме

Плазменный резак воспламеняется из резонансного резервуара, вызывая пробой зазора между электродом и соплом, а данные полевых испытаний показывают, что 30–50 % энергии воспламенения теряется. В этой статье представлены уравнения для резервуара, диапазон коэффициентов демпфирования, расчеты паразитной индуктивности, четыре проблемные точки связи, шесть этапов оптимизации и измерительная установка, подтверждающая результат.

1. Введение

Современный плазменный резак не зажигает дугу постоянным напряжением. Резонансный контур с частотой от 20 кГц до 2 МГц опосредует зазор между электродом и соплом до тех пор, пока газ не распадется на проводящий канал.

Между конденсатором контура и дугой расположено несколько элементов: трансформатор зажигания, разделительный конденсатор, индуктивность проводки и паразитная емкость горелки. Каждый из них преобразует, задерживает или поглощает часть импульса.

Эффективность подачи материала определяет скорость возникновения дуги, количество материала, выходящего из сопла при каждом воздействии, и количество попыток, необходимых аппарату для установления стабильной пилотной дуги. По данным полевых отчетов, потери составляют от 30% до 50%.

В этой статье представлены уравнения для резервуара, диапазон демпфирования, расчеты паразитных параметров, четыре проблемных момента, шесть этапов оптимизации и результаты измерений, подтверждающие правильность конструкции.

2. Основной механизм

2.1 Последовательная модель и импеданс

Контур зажигания работает как последовательная RLC-цепь, переменными состояния которой являются напряжение и ток в контуре.

f_r = 1 / (2π √(L C))

где f_r — резонансная частота в герцах, L — общая последовательная индуктивность в генри, включающая индуктивность рассеяния трансформатора и проводки, а C — емкость колебательного контура в фарадах. Колеблющийся контур емкостью 4.7 нФ с индуктивностью петли 1 мкГн работает на частоте 2.32 МГц.

Z_0 = √(L / C)

где Z_0 — характеристическое сопротивление контура. Тот же самый резонансный контур и контур дают Z_0 = 14.6 Ом, поэтому предварительная зарядка напряжением 10 кВ обеспечивает пиковый ток 685 А и запасает 235 мДж в контуре.

2.2 Напряжение, подаваемое на зазор

В идеальном контуре без потерь напряжение, равное полному коэффициенту трансформации, должно подаваться на зазор. Демпфирование также вносит свой вклад.

V_gap = n V_C exp(−π / (2 Q))

где V_gap — напряжение, достигающее зазора, n — коэффициент трансформации, V_C — напряжение предварительного заряда, а Q — коэффициент качества петли под нагрузкой. При Q = 8.8 показатель степени обходится в 16 % от идеального напряжения, поэтому зазор подвергается воздействию 0.84 нВ_C.

2.3 Коэффициент демпфирования и передаваемая энергия

Коэффициент затухания нормализует общее последовательное сопротивление относительно характеристического импеданса.

ζ = R_total / (2 Z_0)

где ζ — коэффициент затухания, R_total — общее последовательное сопротивление, включающее эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, сопротивление включения выключателя и сопротивление обмотки переменного тока, а Z_0 — характеристическое сопротивление.

η_coupling = exp(−2π ζ_loss)

где η_coupling — доля накопленной энергии, передаваемой в разряд, а ζ_loss — часть коэффициента демпфирования, обусловленная только сопротивлением потерь, без учета нагрузки в зазоре. Зависимость крутая: ζ_loss = 0.057 обеспечивает 70 %, 0.11 — 50 %, а 0.15 — 39 %.

Количество колебаний определяется нагруженным демпфированием, которое включает в себя нагрузку зазора. Коэффициент нагруженного демпфирования 0.15 удерживает колебания примерно в течение пяти полупериодов, а 0.40 завершает их за два. Промышленные резервуары находятся между этими значениями, чтобы корень дуги успел закрепиться.

2.4 Разделительный конденсатор

Разделительный конденсатор блокирует постоянный ток отрезания и пропускает импульс зажигания. Его реактивное сопротивление должно оставаться малым по отношению к сопротивлению рассеяния, иначе они образуют делитель, который поглощает накопленную энергию до того, как она достигнет зазора.

X_C = 1 / (2π f_r C_c)

где X_C — реактивное сопротивление разделительного конденсатора, f_r — резонансная частота, а C_c — емкость связи. X_C должно оставаться ниже 10 % от реактивного сопротивления рассеяния на частоте f_r. Разделительный конденсатор емкостью 470 пФ на частоте 2.32 МГц имеет сопротивление 146 Ом, поэтому реактивное сопротивление рассеяния должно оставаться выше 1.46 кОм, чтобы петля могла отдавать заряд.

Рис. 1 — Катушка зажигания с индуктивностью 4.7 нФ и 1 мкГн, с индуктивностью выводов 100 нГн, что составляет 4.6 % от резонансной частоты.

3. Проблемы проектирования

Болевой пункт 1: Паразитная индуктивность, ослабляющая импульс.

Расстояние между конденсатором контура, выключателем и первичной обмоткой трансформатора вносит 50–200 нГн на каждый выводной контур. В контуре с индуктивностью 1 мкГн, 100 нГн, добавляемые выводным контуром, снижают частоту f_r с 2.32 МГц до 2.21 МГц и уменьшают пиковый ток на 4.6%. Для сдвига на 20% требуется 562 нГн паразитного тока, что и происходит при неправильно проложенном контуре.

Проблема 2: нагрев ESR внутри резервуара.

Каждая попытка рассеивает i²ESR t_pulse внутри конденсатора. При 685 А, 50 мОм и 1 мкс это составляет 23.5 мДж, или 10 % от накопленной энергии в 235 мДж. В намотанной пленке или в керамических деталях общего назначения ESR также возрастает с температурой, поэтому потери увеличиваются, тело нагревается, и потери снова возрастают.

Проблемный момент 3: Неопределенность запаса по напряжению пробоя

Напряжение пробоя зазора изменяется в зависимости от типа газа, расхода, состояния электрода и влажности. Резервуар, изготовленный с запасом в 15%, дает сбои, как только условия ухудшаются, а запас в 50% приводит к потере энергии и более быстрому износу электрода. Запас должен быть указан в таблице соответствия, а не в фиксированном значении перегрузки.

Проблемный момент 4: Несоответствие параметров разделительных конденсаторов.

Конденсатор связи, выбранный без учета диэлектрического поглощения и коэффициента напряжения, добавляет частотно-зависимое затухание. Кроме того, он нагревается при высоких частотах повторения, поэтому его емкость смещается, и колебательный контур расстраивается. В результате путь связи обходится в 5–10 % от передаваемой энергии на резонансной частоте.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Разместите резервуар, выключатель и основной источник питания на одном месте.

Чтобы индуктивность контура оставалась ниже 30 нГн, разместите три элемента рядом и используйте ламинированные шины или чередующиеся слои печатной платы, чтобы путь тока оставался плотным плоским контуром. Измерьте индуктивность до и после изменения компоновки.

Стратегия 2: Выберите конденсатор контура на основе измеренного эквивалентного последовательного сопротивления (ESR).

Указывать N4700 (T3M) Компоненты класса I: диэлектрик SrTiO3 с tanδ равным или ниже 0.1 %, температурным коэффициентом ±30 ppm/°C, диапазоном напряжений от 1 кВ до 100 кВ и частичным разрядом менее 5 пКл. Керамика класса I сохраняет емкость под напряжением смещения, что обеспечивает настройку колебательного контура. Универсальное решение. пленочный конденсатор На рисунке показано повышение ЭПР, которое запускает тепловой контур.

Стратегия 3: Настройте разделительный конденсатор на измеренную частоту.

Определите индуктивность рассеяния трансформатора с помощью сетевого анализатора, затем выберите размер разделительного конденсатора таким образом, чтобы его реактивное сопротивление на измеренной частоте f_r оставалось ниже 10 % от реактивного сопротивления рассеяния. Настройка на номинальную частоту не заменяет делитель частоты.

Стратегия 4: Предварительная зарядка осуществляется с помощью ремонтного стола.

Увеличьте V_C до значения, взятого из таблицы соответствия пороговых значений, индексированной по типу газа, расходу и температуре. В этом случае запас прочности будет составлять 20–25 % выше порогового значения, вместо фиксированного значения в худшем случае, при котором каждая попытка приводит к расходу энергии.

Стратегия 5: Инструментальное обеспечение контура обратной связи и повышение эффективности логарифмической связи.

Установите высоковольтный пробник с высоким импедансом и катушку Роговского и регистрируйте отношение подаваемого напряжения к накопленному при каждой попытке. Запись данных позволяет проводить профилактическое техническое обслуживание и выявлять признаки старения конденсаторов до появления сбоев.

Стратегия 6: Проверьте резервуар при обоих крайних значениях температуры.

Проведите испытания при −20 °C и +70 °C, поскольку происходит дрейф как индуктивности, так и емкости. Конденсатор с чувствительностью ±30 ppm/°C сохраняет свой вклад в сдвиг частоты ниже 0.3 %, что находится в пределах диапазона срабатывания контроллера, и этот запас покрывает дрейф индуктивности.

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 резонансных контуров

В конструкции бака наибольшее значение имеют три параметра: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) на частоте зажигания, стабильность емкости при смещении и изменении температуры, а также уровень частичного разряда. Компания HVC производит компоненты N4700 для всех трех параметров.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение tanδ, равное или меньшее 0.1 %, поддерживает низкую долю потерь в коэффициенте демпфирования, поэтому в зазоре наблюдается 0.84 нВ_С при Q = 8.8, тогда как сильно затухающая петля при Q = 3.3 обеспечивает 0.62 нВ_С.
• Точность резонансной частоты ±30 ppm/°C позволяет поддерживать ее в пределах 0.3 % в диапазоне температур от −20 °C до +70 °C, что исключает пропуски зажигания при холодном запуске и расстройку при переключении передач на горячую.
• Диапазон рабочих напряжений от 1 кВ до 100 кВ позволяет использовать одну диэлектрическую платформу для зажигания пилотной дуги, инжекторов основной дуги и высокоэнергетических режущих устройств.
• Частицы разрежения ниже 5 пКл устраняют внутренние пустоты и концентрацию поля, благодаря чему конденсатор не становится слабым звеном в изоляционной цепи.
• HVCT8G Цилиндрический корпус с винтовыми клеммами позволяет обеспечить плотное крепление петли с низкой индуктивностью без ущерба для сопротивления утечкам.
• Полевой опыт: винтовой конденсатор HVC 40 кВ / 441 заменил высококачественные компоненты международного уровня 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 и зажим выпрямительный диод.

Передайте резонансную частоту, напряжение контура, энергию импульса и диапазон окружающего излучения. HVC вернет рекомендуемый конденсатор контура с измеренными значениями ESR, PD и тепловыми данными для данной рабочей точки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое значение паразитной индуктивности является чрезмерным?

Сравните это с петлей. В петле с индуктивностью 1 мкГн добавление 100 нГн через петлю снижает резонансную частоту на 4.6 % и пиковый ток на 4.6 %, а для сдвига на 20 % требуется 562 нГн.

В2: Какое значение коэффициента демпфирования следует установить в резервуаре?

Два окна. Поддерживайте коэффициент потерь демпфирования на уровне 0.11 или ниже для обеспечения 50 % передачи энергии, а коэффициент нагрузки, включая зазор, держите в пределах от 0.15 до 0.40, чтобы колебания в резервуаре были достаточно длинными для закрепления корня дуги.

Вопрос 3: Сколько энергии теряется в конденсаторе при попытке разряда?

i²ESR t_pulse. При токе 685 А через сопротивление 50 мОм в течение 1 мкс это составляет 23.5 мДж, что в десять раз меньше 235 мДж, запасенных в резервуаре емкостью 4.7 нФ при напряжении 10 кВ.

Вопрос 4: Как правильно подобрать размер разделительного конденсатора?

Настройте его на измеренную резонансную частоту и поддерживайте его реактивное сопротивление ниже 10 % от реактивного сопротивления утечки. Конденсатор емкостью 470 пФ на частоте 2.32 МГц имеет сопротивление 146 Ом, поэтому сопротивление утечки должно оставаться выше 1.46 кОм.

В5: Почему таблица поиска неисправностей лучше, чем фиксированная повышающая передача?

Фиксированная передача повышенного трения должна обеспечивать работу в наихудшем случае, поэтому она тратит энергию на каждое легкое зажигание. Таблица, индексированная по газу, расходу и температуре, поддерживает запас прочности на уровне 20–25 % выше порога отказа в любых условиях.

В6: Как осуществляется проверка резервуара в процессе производства?

Регистрируйте отношение переданной энергии к накопленной при каждой попытке с помощью вольтметра и катушки Роговского, а затем повторно измеряйте при −20 °C и +70 °C. Падение отношения указывает на дрейф емкости, рост ЭПР или расстройку контура.

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 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, 2-е изд. Женева: МЭК, 2017.
6. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器. Источник: 中国标准出版社, 2021.
7. К. Ориа, А. Ортис, Д. Ферреньо, И. Карраскаль и И. Фернандес, Современный обзор характеристик целлюлозных диэлектрических материалов в силовых трансформаторах: механический отклик и старение.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 26, no. 3, pp. 939-954, 2019. https://doi.org/10.1109/tdei.2019.007896.
8. М. Маркезони и др., Минимизация пульсаций напряжения на конденсаторе в преобразователе напряжения для высоковольтных систем постоянного тока., в материалах Международной конференции AEIT HVDC 2019 года (AEIT HVDC), стр. 1-6, 2019. https://doi.org/10.1109/aeit-hvdc.2019.8740647
9. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
10. США 4,521,889, Микрополосковый конденсатор для хранения энергии, Kraftwerk Union AG, 1985 г., https://www.osti.gov/biblio/6349373.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com