Контроль синфазных помех в петлях обратной связи по току плазменной дуги

Контроль синфазных помех в петлях обратной связи по току плазменной дуги

Резюме

Ток дуги определяет ширину пропила, скорость резки и срок службы сопла, поэтому контур, измеряющий его, должен выдерживать погрешность в 0.1% в условиях зажигания при напряжении 25 кВ. Синфазное напряжение преобразуется в ложное дифференциальное показание из-за дисбаланса измерительных выводов, а подавление сигнала усилителем происходит именно там, где находится шум. В этой статье построчно рассчитывается бюджет ошибок, затем приводятся четыре проблемных момента, шесть этапов проектирования и параметры конденсаторов, обеспечивающие работу контура.

1. Введение

Контур обратной связи измеряет ток дуги и подает команду инвертору поддерживать его на заданном уровне. Точность в установившемся режиме должна достигать 0.1% для контроля ширины пропила, а контур должен выдерживать переходные процессы во время прокола и заточки.

Принципиальная схема проста: шунт, усилитель, преобразователь и алгоритм управления. В плазменном резаке она работает в одной из самых жестких электромагнитных сред в промышленной электронике.

На этапе зажигания генерируются колебания напряжением от 20 до 25 кВ, главные переключатели коммутируют ток от 100 до 400 А, а сам плазменный столб представляет собой переменную нагрузку, модулирующую измеряемый ток в диапазоне от 1 до 100 кГц. Каждый из этих элементов подает синфазное напряжение на оба измерительных провода.

Синфазный шум — это единственная угроза, которую дифференциальный усилитель не может устранить самостоятельно. Он преобразуется в дифференциальную ошибку из-за асимметрии и расширяется в широкополосном диапазоне именно там, где находится зона подавления усилителя. В данной статье рассматривается дуговой разряд силой 200 А с шунтом сопротивлением 250 мкОм.

2. Основной механизм

2.1 От тока дуги до допустимой погрешности

Напряжение считывания и допустимая погрешность определяются шунтом и целевым показателем точности.

V_err ≤ R_shunt · I_arc · (ΔI/I)

где V_err = допустимое напряжение ошибки, R_shunt = сопротивление шунта, I_arc = ток дуги, а ΔI/I = целевое значение относительной точности. При токе 200 А на сопротивлении 250 мкОм сигнал датчика составляет 50 мВ, а целевое значение 0.1% допускает 50 мкВ. Это значение является общим конструктивным ограничением.

2.2 Доминирует член, отвечающий за дисбаланс.

Два измерительных провода никогда не имеют одинаковой паразитной емкости, и эта разница преобразует синфазное напряжение в дифференциальный сигнал.

V_err,imb = V_cm · 2πf · ΔC · R_src

где V_cm = синфазное напряжение на входе усилителя, ΔC = разность емкостей между двумя выводами, и R_src = сопротивление источника сигнала. При синфазном напряжении 10 В, дисбалансе 0.2 пФ, сопротивлении 100 Ом и частоте 100 кГц погрешность достигает 125.7 мкВ, что в 2.5 раза превышает допустимую погрешность. Этот параметр является свойством компоновки, поэтому он определяется геометрией, а не выбором компонентов.

2.3 Что дает использование синфазного дросселя

Дроссель повышает синфазное сопротивление источника и снижает напряжение, поступающее на вход усилителя.

V_cm' = V_cm · R_src / (R_src + 2πf · L_cm)

где V_cm' = синфазное напряжение после дросселя, а L_cm = индуктивность дросселя. Дроссель 1.6 мГн создает сопротивление 1005 Ом на частоте 100 кГц относительно источника 100 Ом, поэтому синфазное напряжение на усилителе падает до 0.91 В. При этом тот же дисбаланс в 0.2 пФ создает напряжение 11.4 мкВ вместо 125.7 мкВ.

2.4 Усилительный член и дифференциальный фильтр

Усилитель всё ещё должен отфильтровать оставшуюся часть сигнала, и его способность к подавлению снижается с частотой.

V_err,amp = V_cm' / 10^(CMRR/20)

где V_err,amp = вклад усилителя, а CMRR = коэффициент подавления синфазного сигнала усилителем в дБ. Прецизионные компоненты заявляют о 120 дБ на постоянном токе и обеспечивают 80–100 дБ на частоте 100 кГц, поэтому этот параметр необходимо вычислять на рабочей частоте, а не считывать с первой страницы. При 100 дБ и остаточном синфазном сигнале 0.91 В вклад составляет 9.1 мкВ. Сумма двух составляющих составляет 20.5 мкВ, что составляет 41% от допустимого значения.

f_c = 1 / (2π · R_s · C_diff)

где f_c = угловой уровень дифференциального фильтра, R_s = последовательное сопротивление, а C_diff = дифференциальная емкость. Резистор 10 Ом с керамической проволокой класса I емкостью 100 нФ обеспечивает частоту 159 кГц, которая проходит через контрольную полосу и подавляет полосу выше нее. Керамика должна быть класса I, поскольку сдвиг емкости на 15% сместит угловой уровень и, соответственно, уровень подавления.

Рис. 1 — Без дросселя ошибка, преобразованная из-за дисбаланса, превышает 50 мкВ при 40 кГц; дроссель 1.6 мГн удерживает её на уровне около 11.4 мкВ во всем диапазоне частот.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: подавление шума усилителем снижается в местах его локализации.

Прецизионные усилители заявляют о подавлении помех на уровне 120 дБ на постоянном токе и, как правило, от 60 до 80 дБ на частоте 100 кГц. Полоса пропускания сигнала совпадает с этим спадом, поэтому контур наименее защищен на частотах, несущих наибольшую энергию.

Проблема 2: асимметрия измерительного прибора преобразует синфазный сигнал в ошибку.

Неравная длина дорожек, количество переходных отверстий и зазоры между контактами создают дисбаланс емкости от 0.5 до 2 пФ. При сопротивлении источника 100 Ом на частоте 100 кГц и синфазном напряжении 10 В один только этот дисбаланс создает напряжение от 314 до 1257 мкВ, что в 6-25 раз превышает допустимое значение, но составляет немалую его часть.

Проблемный момент 3: Опорный электрод шунта перемещается вместе с узлом переключения.

Шунт находится в силовой петле, и его опорное напряжение изменяется на несколько вольт во время коммутации. Это динамическое синфазное напряжение в сотни раз больше, чем сигнал измерения в 50 мВ, поэтому петля должна подавлять возмущение, на два порядка превышающее измеряемое.

Проблемный момент 4: Дифференциальный фильтр класса II отклоняется от решения.

Дифференциальный фильтр X7R смещает свою граничную характеристику на 15% в зависимости от температуры и смещения. Подавление сигнала в полосе зажигания уменьшается по мере смещения, регулирование тока ухудшается без видимой причины, и сигнализация не срабатывает, поскольку ни один компонент не вышел из строя.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Сбалансировать пути восприятия сигнала для достижения точности менее пикофарада.

Проложите два измерительных провода в виде плотно соединенной пары с идентичной геометрией, зеркальными переходными отверстиями и согласованными зазорами. Проверьте дисбаланс с помощью дифференциального пробника и отрегулируйте его до тех пор, пока разница емкостей не составит 0.2 пФ или меньше.

Стратегия 2: Использовать четырехпроводное соединение Кельвина с собственным заземлением.

Соедините клеммы шунтирующего датчика витой парой, подключив их к выделенному заземлению в одной из точек соединения. Никогда не используйте это заземление совместно с проводом возврата питания или проводом, возвращающим коммутационный элемент на вход усилителя.

Стратегия 3: Подберите размер дросселя для подавления синфазных колебаний, исходя из самой низкой гармоники.

Выберите индуктивность таким образом, чтобы импеданс дросселя на самой низкой гармонике зажигания оставался значительно выше сопротивления источника. На частоте 20 кГц это означает 4 мГн или более; на частоте 100 кГц дроссель с индуктивностью 1.6 мГн уже дает 1005 Ом против 100 Ом.

Стратегия 4: Добавить дифференциальный фильтр класса I на преобразователе.

Установите перед преобразователем двухступенчатый фильтр с сопротивлением 10 Ом и емкостью 100 нФ, а также фильтр с сопротивлением 10 Ом и емкостью 10 нФ, используя N4700 В некоторых местах. Угловая частота 159 кГц выходит за пределы контрольной полосы и обеспечивает усиление 40 дБ или более на частоте 100 кГц.

Стратегия 5: Вычитание остаточной синфазной составляющей в цифровом виде.

Произведите выборку синфазного сигнала на втором канале преобразователя и вычтите масштабированный остаток в микропрограмме. При 12-битном разрешении удаляются последние 20–30 дБ, при условии, что оба канала производят выборку в один и тот же момент времени.

Стратегия 6: Проверка с помощью инъекционного теста на системном уровне.

Во время резки на измерительные провода подавайте синфазное напряжение 20 В, изменяющееся в диапазоне от 10 кГц до 10 МГц. Запишите измеренную погрешность тока и установите требование, чтобы она была ниже 0.1% на каждой частоте и при обоих крайних значениях температуры.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Сопротивление шунта	250 мкОм	Дуга 200 А, сигнал датчика 50 мВ
Допустимая ошибка	50 мкВ	Целевой показатель регулирования 0.1%
Дисбаланс между датчиком и опережающим датчиком	0.2 пФ или меньше	дифференциальная проверка зонда
Дроссель синфазного режима	1.6 мГн	1 кОм при 100 кГц
Остаточный синфазный сигнал	0.91 V	после дросселя на частоте 100 кГц
Угол дифференциального фильтра	159 кГц	10 Ом с 100 нФ, класс I
Полная ошибка цикла	20.5 мкВ, 41% от допустимого значения	100 кГц, 25 °C
Температурный коэффициент	±30 частей на миллион/°C	от −40 °C до +125 °C
Коэффициент рассеивания	Ниже 0.1%	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
Частичная разрядка	ниже 5 пС	при номинальном напряжении

5. Высоковольтные конденсаторы для фильтра обратной связи

Дифференциальный фильтр преобразует вычисленную ошибку в измеренную только в том случае, если выполняется условие его угла. Компания HVC производит керамические конденсаторы класса I для таких условий эксплуатации в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ на собственном заводе в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Стабильные углы фильтра. Температурный коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает точность на частоте 159 кГц в пределах 5% как при холодном запуске, так и при нагреве оборудования, поэтому точность контура управления обеспечивается с учетом особенностей устройства.
• Низкие потери в цепи измерения. Коэффициент рассеяния ниже 0.1% обеспечивает тепловую бесшумность фильтра и исключает влияние температурной зависимости сопротивления на результаты измерений.
• Одно семейство датчиков и источников питания. Номинальные значения от 1 кВ до 100 кВ охватывают низковольтные дифференциальные фильтры и демпфирующие цепи на стадии зажигания на основе одного квалификационного файла.
• Частичный разряд ниже 5 пКл. В тех случаях, когда фильтрующий конденсатор должен располагаться вблизи узла на уровне киловольт, экранированная часть не создает импульсов заряда в защищаемом контуре.
• Жесткие допуски для подобранных пар. Компания HVC поставляет компоненты N4700 с жесткими допусками по емкости и опубликованными характеристиками импеданса, что и требуется для балансного фильтрующего блока.
• Проверенная в полевых условиях замена. 40 кВ / 441 пФ дверная ручка конденсаторы Заменили импортные детали первого класса в программах сервисного обслуживания, где стабильность менее 0.1% является договорной. Опубликовано Перекрестная ссылка В таблице приведено сопоставление номеров распространенных импортных деталей с их эквивалентами в HVC.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные пары фильтров — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи оказывают поддержку в измерении дисбаланса, выборе дросселей и определении размеров фильтров. Отправьте конфигурацию шунта, спектр шума и целевую точность. HVC предоставит значения фильтров и ожидаемую кривую подавления в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какова допустимая погрешность регулирования в 0.1%?

Дуга током 200 А, протекающая через шунт сопротивлением 250 мкОм, дает сигнал измерения 50 мВ, поэтому допуск 0.1% позволяет получить значение 50 мкВ. Каждый член контура измеряется относительно этого значения.

Вопрос 2: Какой член является наибольшим?

Преобразование дисбаланса с помощью измерительного вывода обеспечивает значительно больший выходной сигнал. При синфазном напряжении 10 В, дисбалансе 0.2 пФ и сопротивлении источника 100 Ом на частоте 100 кГц оно само по себе выдает 125.7 мкВ, что в 2.5 раза превышает допустимый уровень.

В3: Какая величина синфазного дросселя мне нужна?

Достаточное сопротивление, чтобы выдерживать нагрузку выше сопротивления источника на самой низкой гармонике зажигания. На частоте 20 кГц для этого требуется 4 мГн; на частоте 100 кГц дроссель с индуктивностью 1.6 мГн уже обеспечивает сопротивление 1005 Ом и снижает ошибку преобразования со 125.7 мкВ до 11.4 мкВ.

Вопрос 4: Могу ли я вместо этого полагаться на подавление сигнала усилителем?

Нет. Прецизионные компоненты обеспечивают выходной уровень от 80 до 100 дБ на частоте 100 кГц, а не 120 дБ, как указано в характеристиках для постоянного тока, и при остаточном синфазном сигнале 0.91 В усилитель с выходным уровнем 100 дБ всё ещё вносит вклад в 9.1 мкВ. Основную работу должны выполнять дроссель и компоновка.

Вопрос 5: Где следует разместить дифференциальный фильтр?

Непосредственно перед преобразователем, с сопротивлением 10 Ом и емкостью 100 нФ для частоты среза 159 кГц. Используйте пленочный конденсатор или керамические детали класса I, поскольку 15%-ное изменение емкости сдвигает зону подавления в зоне зажигания.

Вопрос 6: Какие компоненты должны быть включены в один цикл проверки?

Согласованная пара дифференциальных фильтров имеет общий узел с резистор выборки и градуировочные резисторыТаким образом, один цикл впрыска при двух температурах охватывает все три параметра.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 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. 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.
6. Х. Накао, Ю. Ёнезава, Т. Сугавара, Ю. Накашима и Ф. Курокава, Метод онлайн-оценки деградации электролитических конденсаторов для прогнозирования отказов импульсных источников питания с цифровым управлениемIEEE Transactions on Power Electronics, том 33, № 3, стр. 2552-2558, 2018. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2691048.
7. AND9800/D — Выбор демпфирующего конденсатора для применения в системах управления двигателями (таблица 15, данные испытаний), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
8. Т. Мизутани, Методы измерения пространственного заряда и пространственный заряд в полиэтиленеIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 1, no. 5, pp. 923-933, 1994. https://doi.org/10.1109/94.326659.
9. 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.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com