Пути распространения ближнеполевого шума от дуги плазменной резки

Пути распространения ближнеполевого шума от дуги плазменной резки

Резюме

Плазменная дуга является широкополосным излучателем, и на этих частотах ни одна часть установки не находится в дальней зоне. В данной статье приводятся уравнения емкостной и индуктивной связи, четыре пути проводимости в управляющую электронику, измеренные уровни на каждом пути, а также трассировка, заземление и оконечные устройства, которые позволяют снизить сопротивление каждого из них ниже порога помехоустойчивости цепи.

1. Введение

Излучает сама дуга, а не только цепь зажигания, которая её питает. Плазменный канал переносит ток с частотой от сотен килогерц до нескольких мегагерц с субмикросекундными фронтами, поэтому он создаёт ближнее поле, простирающееся на сантиметры и метры вокруг горелки.

Внутри этой зоны расположены чувствительные к воздействию электромагнитных помех цепи самого аппарата: линии измерения дугового напряжения, обратная связь по току, управляющая проводка и дисплей. Механизм помех заключается не в дальнем излучении, измеряемом в камере ЭМС, а в ближнем поле, возникающем при взаимодействии с собственными проводниками аппарата.

Инженеры фильтруют сетевое напряжение, экранируют кабель и гасят контур зажигания, и шум всё это выдерживает. Причина в том, что дуга подаёт ток непосредственно в контуры контроля, корпус горелки и раму, и этот ток затем протекает по путям, которых никогда не затрагивает сетевой фильтр.

Симптомом является сбой, проявляющийся только во время работы дуги: скачки показаний АЦП при повторном зажигании дуги, рывки регулятора, срабатывание защиты от ошибки при пробитии. В этой статье описаны четыре пути возникновения сбоев, дано количественное описание каждого из них и указано, что приводит к их возникновению.

2. Основной механизм

Ближнее поле имеет две составляющие. Электрическое поле вызывает емкостную связь и следует за напряжением дуги и геометрией. Магнитное поле вызывает индуктивную связь и следует за током дуги и площадью петли. Напряжение, индуцированное в проводнике-жертве, суммирует оба слагаемых:

V_coup = C_m · (dV_arc/dt) · Z_victim + M · (di_arc/dt)

где V_coup — напряжение связи в В, C_m — взаимная емкость между дугой и жертвой в Ф, dV_arc/dt — наклон напряжения дуги в В/с, Z_victim — импеданс цепи жертвы в Ом, M — взаимная индуктивность в Гн, и di_arc/dt — наклон тока дуги в А/с.

Повторное возникновение дугового разряда при напряжении 5 кВ/мкс с фронтом тока 100 А/мкс приводит к срабатыванию обоих членов уравнения. Взаимная емкость 1.5 пФ, подаваемая на делитель напряжения 2 кОм, дает 15 В. Токовая петля с взаимной индуктивностью 4 нГн дает 0.4 В, что в канале, масштабированном по закону 200 А на 2 В, соответствует 40 А ложного тока.

2.1 Вся машина находится в ближнем поле.

Поведение в ближнем поле сохраняется на расстоянии, составляющем одну шестую длины волны:

d_near < λ / (2π)

где d_near — граница ближнего поля в метрах, а λ — длина волны в метрах. На частоте 3 МГц длина волны составляет 100 м, поэтому граница находится на отметке 16 м. Каждый проводник в установке для резки является объектом воздействия ближнего поля, и связь зависит от геометрии, а не от коэффициента усиления антенны.

2.2 Связанный ток и то, что его поглощает

Термин «электрическое поле» проще использовать в качестве обозначения источника тока:

i_c = C_m · (dV_arc/dt)

где i_c — инжектируемый ток в А. В случае 1.5 пФ и 5 кВ/мкс инжектируется 7.5 мА. Без шунта этот ток создает напряжение 15 В на делительной цепи 2 кОм. Шунтирующий конденсатор имеет гораздо меньшее сопротивление на частотах дуги:

Z_C = 1 / (2πf · C_shunt)

где Z_C — сопротивление шунта в Ом, f — частота в Гц, а C_shunt — емкость шунта в Ф. Шунт емкостью 4.7 нФ на частоте 3 МГц имеет сопротивление 11.3 Ом и обеспечивает ток 7.5 мА при напряжении 85 мВ, что все еще выше разрешения 4.9 мВ 10-битного канала при полном диапазоне 5 В.

Шунт также нагружает сигнальный тракт, что ограничивает его допустимые размеры:

τ = R · C

где τ — постоянная времени, R — сопротивление источника в Ом, а C — емкость в нФ. Ом и нанофарады дают наносекунды, поэтому шунт емкостью 22 нФ, подключенный к делителю с сопротивлением 2 кОм, дает 44 000 нс, что составляет 44 мкс. Канал измерения, который должен отслеживать динамику дуги за 10 мкс, не может использовать такой конденсатор, поэтому один только шунт никогда не решит эту задачу.

2.3 Рамка как коллекционер

Магнитное поле дуги индуцирует ток в корпусе горелки, и этот ток выходит через соединительную планку к раме и заземлению управления. Возникающее при этом напряжение зависит от импеданса планки:

V_gb = 2πf · L_strap · i_frame

где V_gb — развиваемое напряжение в В, f — частота в Гц, L_strap — индуктивность ремешка в Гн, а i_frame — индуцированный ток в А. Ремешок индуктивностью 300 нГн, пропускающий ток 3 А на частоте 3 МГц, создает 17 В помех от заземления. Замена его на короткий одноточечный ремешок индуктивностью 30 нГн позволяет поддерживать тот же ток на уровне 1.7 В.

2.4 Взаимная индуктивность в токовой петле

Измерительная петля улавливает дуговое поле пропорционально своей площади и обратно пропорционально расстоянию:

M = μ₀ · A / (2π · d)

где M — взаимная индуктивность в Гн, μ₀ — 4π×10⁻⁷ Гн/м, A — площадь петли в м², а d — расстояние до дуги в м. Петля площадью 0.01 м² на расстоянии 0.5 м дает 4 нГн, а импульс с частотой 100 А/мкс через нее подает 0.4 В в токовую обратную связь. Скручивание пары и замыкание петли до 0.001 м² уменьшает это значение до 40 мВ.

Один номер фильтра завершает картину. Индуктивность линии измерения длиной 1.5 м составляет около 1,500 нГн, и она резонирует с входной емкостью на плате:

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

где f_r — резонансная частота в МГц, L — индуктивность линии в нГн, а C — входная емкость в пФ. Эксперимент с индуктивностью 1,500 нГн и входной частью емкостью 4,700 пФ резонирует на частоте 1.9 МГц, что находится в пределах полосы шума дуги.

Рис. 1 — Дуга подает 15 В на линию измерения, 17 В на корпус и 0.4 В на токовую петлю, а экранирование и зазоры доводят напряжение в канале измерения до 1.5 мВ.

3. Проблемы проектирования

Болевой пункт 1: Линии чувств как основная жертва

Линия измерения напряжения дуги проходит от горелки к контроллеру через всю ближнюю зону. Ее высокое сопротивление делает ее наиболее чувствительным элементом аппарата, и на контроллере передаваемый сигнал выглядит точно так же, как напряжение дуги, которое она должна измерять.

Проблема 2: Рама как большой коллектор

Корпус горелки и рама станка собирают наведенные токи и передают их на управляющую землю. Этот путь загрязняет все цепи, подключенные к земле, и никакой фильтр на сигнальных линиях не восстанавливает поврежденную опорную точку.

Проблема 3: Масштабируемость сопряжения в зависимости от прокладки кабелей.

Изменение траектории кабеля меняет и способ его соединения. Если машина, прошедшая заводскую проверку, выходит из строя в одной конкретной установке, то разница заключается в геометрической детали: более длинный кабельный жгут, пучок кабелей, расположенный ближе к горелке, другая длина соединительной ленты.

Болевой пункт 4: Характерный признак, препятствующий постановке диагноза.

Связь в ближней зоне существует только во время работы дуги. Стендовые испытания без дуги показывают исправность станка, и инженер на месте эксплуатации не может воспроизвести неисправность без полного комплекта оборудования для резки, заготовки и работающей горелки.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Вывести жертв из ближней зоны.

Провода датчиков и управления прокладывайте вдали от горелки и дугового разрядника, располагая их на расстоянии не менее 0.5 м от горелки, если это позволяет компоновка. Используйте витые экранированные пары, при этом экран должен быть соединен с управляющим заземлением только на стороне контроллера, чтобы экран отводил ток от сигнальной пары.

Стратегия 2: Прекратить соединение в точке входа.

Добавьте шунтирующий конденсатор на входе измерительной линии в плату управления, размер которого должен соответствовать полосе пропускания канала, а не только уровню шума. HVC керамические дисковые конденсаторы Емкость конденсатора составляет 4.7 нФ при индуктивности линии 1.2 нГн, поэтому компонент сохраняет емкостные характеристики в диапазоне шума дуги и не саморезонансится на частоте 1.9 МГц с индуктивностью линии.

Стратегия 3: Разорвать проводящий путь в каркасе.

Прикрепите корпус горелки к раме с помощью короткой низкоиндуктивной перемычки в одной точке и используйте звездообразное заземление, чтобы ток от рамы возвращался к силовому заземлению, не пересекая контрольное опорное напряжение. Одна только замена перемычки снижает уровень помех с 17 В до 1.7 В.

Стратегия 4: Измерение напряжения дуги на горелке.

Установите разделитель на головке горелки с помощью градуировочный резистор Затем по витой паре передается сигнал низкого уровня обратно в дифференциальный приемник. Сигнал ближнего поля поступает в виде синфазного сигнала, и приемник подавляет его с уровнем 32 дБ или выше.

Стратегия 5: Изолировать тракт взаимодействия человека и машины.

Разорвите проводящий путь к дисплею и пульту управления с помощью оптоизолированного кабеля или волоконно-оптического сегмента. Эти кабели проходят вдоль шланга фонаря, поэтому они собирают то же поле, что и линии считывания, и передают его непосредственно в интерфейс оператора.

Стратегия 6: Пройдите квалификационный тест с использованием реальной дуги в ближнем поле.

Включите зажигание в режиме полной резки и проверьте работу станка с помощью ближнепольного H-зонда и E-зонда, отображая уровень тока в каждой чувствительной цепи. Затем убедитесь, что внесенные изменения снижают уровень тока в каждой цепи ниже порога помехоустойчивости. Стендовые испытания без дуги ничего не доказывают по этому поводу.

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	< 50 мОм	25 ° C
Индуктивность петли (хорда E40)	< 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	> 10 ГОм при 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	> 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для этого узла

Для подавления сигнала в ближнем поле необходим конденсатор, который ведет себя как конденсатор на частотах дуги. Компоненты HVC выполняют эту функцию:

• Низкий уровень электростатического разряда и стабильная емкость обеспечивают реальное затухание в диапазоне шума дуги, где стандартные компоненты стали индуктивными.
• Дрейф в пределах ±30 ppm/°C и стабильность класса I обеспечивают эффективность заглушки как при холодном запуске, так и при переключении на высокую температуру.
• Значение tanδ, равное или меньшее 0.1%, поглощает связанную энергию, не добавляя собственного кольца.
• Номинальные значения напряжения от 1 кВ до 100 кВ охватывают как подключение горелки, так и ввод низковольтного сигнала.
• Частичный разряд остается ниже 5 пКл, поэтому оконечные элементы не создают помех в защищаемых ими цепях.
• 40 кВ дверная ручка конденсаторы и пленочный конденсатор Испытания проводятся в высоковольтных системах, где пути ближнего поля отображаются и завершаются на уровне компонентов.

Доставка и поддержка покрывает Перекрестная ссылка Относительно используемых вами оконечных элементов, измеренные данные импеданса до 100 МГц для поставленной партии, образцы для испытания дуговым разрядником под напряжением, а также поддержка приложений по трассировке и звездообразному заземлению. Отправьте ток дуги, частоту повторного зажигания, ширину полосы пропускания канала измерения и резистор выборки значение в петле обратной связи.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему сетевые фильтры не устраняют этот шум?

Потому что энергия никогда не проходит через сеть. Дуга подает ток в измерительные петли, корпус и кабели HMI, и этот ток достигает платы управления по путям, в которых не находится сетевой фильтр.

В2: На каком расстоянии от горелки следует прокладывать проводку?

По крайней мере, 0.5 м, если это позволяет компоновка. Емкостной член уменьшается с расстоянием, и перемещение измерительной линии с 0.3 м до 0.5 м уменьшает связанный ток примерно в три раза, прежде чем будет учитываться экранирование.

Вопрос 3: Может ли более мощный шунтирующий конденсатор решить проблему с измерительной линией?

Нет. Шунт на 22 нФ, подключенный к делителю на 2 кОм, обеспечивает постоянную времени 44 мкс, а канал, который должен отслеживать динамику дуги за 10 мкс, не может этого выдержать. Экранирование и делитель напряжения на горелке выполняют свою работу; шунт компенсирует остаточную постоянную.

Вопрос 4: Какова роль ремешка на раме?

При индуцированном токе 300 нГн и токе 3 А на частоте 3 МГц в перемычке возникает помеха от заземления в 17 В. Короткая перемычка с индуктивностью 30 нГн снижает это напряжение до 1.7 В, а звездообразное заземление предотвращает его влияние на опорное напряжение управления.

В5: Какой уровень погрешности наблюдается в текущей системе обратной связи?

Взаимная индуктивность 4 нГн с фронтом 100 А/мкс дает 0.4 В. В канале, масштабированном по закону 200 А на 2 В, это соответствует ложному току в 40 А, чего достаточно, чтобы регулятор сработал на шум.

В6: Какой тест доказывает эффективность исправлений?

Проверка на воздействие электрической дуги с использованием датчиков E и H на каждой чувствительной цепи при наибольшем токе дуги и наихудшей трассировке кабеля. Измеренный уровень в каждой цепи должен быть ниже порогового значения помехоустойчивости, а стендовые испытания без воздействия дуги не учитываются.

7. Рекомендации

1. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
2. Куффель, Э., Заенгль, В.С., и Куффель, Дж. Высоковольтная техника: основы, 2-е изд. Оксфорд: Ньюнес, 2000.
3. Н. Мохан, Т.М. Унделанд и У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен: Wiley, 2003.
4. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудованияВашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 1995.
5. МЭК 61000-4-4:2012, Электромагнитная совместимость (ЭМС) – Часть 4-4: Методы испытаний и измерений – Испытание на устойчивость к быстрым переходным процессам/импульсам, Изд. 3.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2012.
6. А. Марискотти и Л. Ваккаро, Катушка Роговского для высоковольтных применений, в сборнике трудов конференции IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference 2008 года, стр. 1069-1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197.
7. Х. Лю и др., Влияние электромагнитного поля на поведение частичного разряда в пленочных конденсаторах из БОПП-пленкиIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 30, no. 6, pp. 2617-2624, 2023. https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
8. 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.
9. Технические заметки по проектированию и надежности конденсаторов (указатель, включая информацию о периоде возникновения дуги, коронном разряде и влиянии компоновки печатной платы на отказы при высоком напряжении), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
10. 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 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com