Сглаживание пульсаций плазменного тока для поддержания стабильной мощности лазера.

Сглаживание пульсаций плазменного тока для поддержания стабильной мощности лазера.

Резюме

В гибридной ячейке для плазменной и лазерной резки используется общая шина постоянного тока, кабельный лоток и заземление, поэтому повторные импульсы плазмы достигают источника питания лазерного насоса по трем отдельным путям. В этой статье моделируется каждый путь, выводится емкость, необходимая для того, чтобы пережить повторный импульс длительностью 20 мкс, и показывается, что проводящий путь вносит наименьший вклад. Далее следуют четыре проблемных момента, шесть этапов проектирования и параметры компонентов.

1. Введение

Гибридная ячейка сочетает плазменный резак с лазерным резонатором. Плазма обеспечивает высокую скорость резки толстой углеродистой стали, а лазер — высокое качество кромок при обработке мелких деталей. Эта комбинация выходит из строя, как только две системы питания начинают использовать общий переменный ток, нейтраль или заземление.

Плазменная дуга не является постоянной нагрузкой. Она повторно зажигается, модулируется в диапазоне от 20 до 200 кГц и потребляет от 100 до 400 А от источника питания резака. Каждое повторное зажигание посылает широкополосные пульсации обратно в шину и в сеть.

Лазерный резонатор — это прецизионный прибор. Его выходная мощность отслеживает ток накачки, а качество луча зависит от стабильности мощности в течение миллисекунд. Когда пульсации плазмы достигают источника питания накачки, выходная мощность изменяется на несколько процентов, фокусное пятно «дрожит», а ширина пропила модулируется.

В данной статье количественно оцениваются три пути связи и устанавливается целевое значение импеданса шины для плазменной ячейки мощностью 15 кВт и лазерной ячейки мощностью 3 кВт. Питание осуществляется от шины 600 В с электролитической батареей емкостью 4.7 мФ, а плазма потребляет пульсации 20 А на частоте 100 кГц.

2. Основной механизм

2.1 Модуляция на выходе лазера

Величина, характеризующая качество пучка, — это относительная модуляция мощности, а не абсолютная пульсация.

m = (ΔV_bus / V_bus) / 10^(S_pump/20)

где m = относительная модуляция выходного сигнала, ΔV_bus = возмущение шины, V_bus = номинальное напряжение шины, и S_pump = подавление регулятора накачки в дБ. Выше 10 кГц регулятор поддерживает уровень 20 дБ, поэтому возмущение шины 6 В составляет 0.10% от мощности луча.

2.2 Импеданс шины определяет проводящий член

Электролитическая батарея обладает энергией в джоулях, но не в микроомах. Ее эквивалентное последовательное сопротивление и индуктивность определяют импеданс на каждой частоте выше нескольких килогерц.

Z_bus(f) = √(ESR² + (2πf · ESL − 1/(2πf · C))²)

где Z_bus = импеданс шины, ESR = эквивалентное последовательное сопротивление батареи, ESL = эквивалентная последовательная индуктивность батареи, C = емкость батареи, и f = частота. При 4.7 мФ, 20 мОм и 20 нГн батарея резонирует на частоте 3.3 кГц и достигает 23.4 мОм на частоте 100 кГц. Пульсирующий ток затем вызывает возмущение шины.

ΔV_bus = I_r · Z_bus

где I_r = пульсирующий ток плазмы. При токе 20 А возмущение составляет 0.47 В, или 0.078% от напряжения шины 600 В. После подавления регулятором оно вносит вклад в m в размере 0.002%, поэтому проводящий путь не является ограничивающим.

2.3 Керамический слой и энергия повторного зажигания

Параллельное подключение керамического конденсатора снижает импеданс там, где электролитический конденсатор не может его компенсировать. Слой N4700 емкостью 200 мкФ с индуктивностью петли 3.5 нГн обеспечивает сопротивление 5.76 мОм на частоте 100 кГц. При параллельном подключении к электролитическому конденсатору суммарное значение снижается до 5.96 мОм, что в 3.9 раза меньше, чем при использовании только электролитического конденсатора.

Емкость также должна выдерживать повторную забастовку, не провисая более чем на полпроцента от общей емкости автобуса.

C_min = I_r · Δt / ΔV

где C_min = минимальная высокочастотная емкость, Δt = длительность повторного импульса, а ΔV = допустимое провисание шины, в данном случае 3 В. Для повторного импульса длительностью 20 мкс при токе 20 А требуется 133 мкФ эффективного высокочастотного накопителя, поэтому керамический слой имеет емкость 200 мкФ, а не несколько микрофарад. Запасаемая энергия, перемещаемая в этом случае, составляет 120 мДж.

2.4 Магнитный путь является связующим.

Плазменные и лазерные кабели проходят через общий лоток, а взаимная индуктивность обеспечивает связь тока плазмы с лазерным контуром.

V_ind = M · di/dt

где V_ind = наведенное напряжение в лазерной петле, M = взаимная индуктивность между двумя кабельными линиями, и di/dt = наклон плазменного тока.

При индуктивности 0.5 мкГн и частоте 100 А/мкс лазерная петля воспринимает напряжение 50 В, что составляет 8.3% от напряжения на шине. Разделение лотков на 30 см снижает индуктивность M до 0.12 мкГн, а наведенное напряжение — до 12 В. После подавления сигнала регулятором на 20 дБ этот член составляет 0.20% модуляции.

Заземляющий проводник добавляет скачок напряжения в 2 В на преобразователе заданного значения, а подавление синфазного сигнала на 60 дБ уменьшает его до 0.04%. Среднеквадратичное значение по трем проводникам составляет 0.20%, что находится в пределах целевого значения луча 0.5%.

Рис. 1 — Керамический слой емкостью 200 мкФ снижает импеданс шины 100 кГц с 23.4 мОм до 5.96 мОм, что позволяет поддерживать коэффициент связи с каналом ниже 0.01%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Электролитическое сопротивление возрастает там, где возникают пульсации.

В диапазоне частот выше 3–5 кГц импеданс блока определяется ESR и ESL и возрастает с частотой. В этом случае пульсации плазмы находят вход лазера как путь с наименьшим импедансом. Добавление дополнительной электролитической емкости еще больше снижает резонанс и увеличивает пиковый ток кольца, поэтому очевидное решение только усугубляет проблему.

Проблема 2: Кабельные лотки соединяют две системы.

Взаимная индуктивность от 0.1 до 0.5 мкГн с крутизной плазменного тока 100 А/мкс подает в лазерную петлю напряжение от 10 до 50 В. Возникающие скачки мощности совпадают с каждым повторным импульсом, поэтому монитор пучка регистрирует периодическую сигнатуру, которую не может устранить ни один фильтр в источнике питания накачки.

Проблемный момент 3: Общая точка отсчета — Земля.

В системе возврата плазмы используется защитное заземление. Электроника управления лазером, подключенная к тому же заземлению, испытывает скачки напряжения в милливольтах на частотах пульсаций. Это одновременно искажает работу преобразователя заданного значения мощности луча и преобразователя обратной связи.

Проблемный момент 4: Сглаживающий вал II класса смещается в зависимости от температуры.

Слой X7R смещается на 15% под воздействием температуры и постоянного напряжения. За восьмичасовую смену изменяется граничная частота, снижается подавление пульсаций, а модуляция превышает предельный уровень луча. Сигнал тревоги не срабатывает, потому что ничего не вышло из строя.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Нанести керамический слой на вход прерывателя.

Поместите 200 мкФ N4700 Керамический слой располагается непосредственно у плазменного прерывателя, что обеспечивает локальное удовлетворение потребности в дуге. Используйте множество параллельно соединенных элементов с опубликованными характеристиками импеданса и располагайте слой на расстоянии не более 5 см от переключающих устройств.

Стратегия 2: Физически разделить автобус.

Обеспечьте лазерному каскаду отдельный фидер от выпрямителя с помощью пленочного конденсатора 3 мкФ и локального блока керамических конденсаторов 50 мкФ. Подключите его к основной шине через дифференциальный дроссель 100 мкГн, который блокирует распространение пульсаций плазмы вверх по потоку.

Стратегия 3: Разделить и экранировать кабельные трассы.

Проложите кабели плазмы и лазера в отдельных лотках на расстоянии не менее 30 см друг от друга, закрепите оба конца плазменного экрана на 360 градусов и проложите выводы лазерной накачки в экранированном кабелепроводе. Именно этот шаг позволяет увеличить модуляцию с 0.83% до 0.20%.

Стратегия 4: Разделить территорию

Используйте одну точку в форме звезды для возврата энергии плазмы и электроники лазера, а также добавьте синфазный дроссель на управляющие кабели лазера. Дроссель преобразует ток, создаваемый заземлением, в небольшое дифференциальное напряжение, которое приемник и так подавляет.

Стратегия 5: Замкнуть контур с помощью прямой связи

Измерьте пульсации плазмы с помощью катушки Роговского и введите перевернутую копию в опорный сигнал лазерной накачки. При согласовании на 5% это компенсирует от 80 до 90% остаточных пульсаций до того, как их зафиксирует регулятор.

Стратегия 6: Мониторинг модуляции и подача оповещений по ней.

Добавьте детектор огибающей на фотодиод монитора пучка. Если модуляция превышает 0.5% в течение более 1 секунды, уменьшите мощность плазмы или приостановите работу горелки. Это позволит сохранить качество деталей, не дожидаясь, пока оператор заметит дефект на краю.

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
керамический шинный слой	200 мкФ эффективная емкость	множество параллельно соединенных компонентов 1 мкФ / 630 В
Импеданс слоя на частоте 100 кГц	5.76 мОм	индуктивность петли 3.5 нГн
Суммарное сопротивление шины на частоте 100 кГц	5.96 мОм	параллельно с 4.7 мФ
Номинальный пульсирующий ток	20 А среднеквадратичное значение при 100 кГц	случай 85 °C
Коэффициент рассеивания	Ниже 0.1%	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
Температурный коэффициент	±30 частей на миллион/°C	от −40 °C до +125 °C
Частичная разрядка	ниже 5 пС	при номинальном напряжении
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC для сглаживающего слоя

Сглаживающий слой обеспечивает бесшумную работу шины только в том случае, если его собственная емкость и потери остаются неизменными. Компания HVC производит керамические конденсаторы класса I для этих целей в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ на собственном заводе в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Стабильная частота среза. Температурный коэффициент ±30 ppm/°C обеспечивает неизменность частоты среза при переходе от холодного цеха к горячему, поэтому подавление пульсаций не изменяется в течение смены.
• Низкие потери на частоте пульсаций. Коэффициент рассеяния ниже 0.1% означает, что блок питания практически ничего не рассеивает на частоте 100 кГц, не вызывая самонагрева и снижения номинальной мощности.
• Диапазон напряжений в рамках одного семейства. Номинальные значения от 1 кВ до 100 кВ охватывают шины на 600 В и демпфирующие элементы зажигания на 25 кВ из единого сертифицированного списка.
• Частичный разряд ниже 5 пКл. Элементы, рассчитанные на определенное напряжение (кВ), экранированы, поэтому сглаживающая сеть не вводит импульсы заряда в шину или в измерительную цепь.
• Предсказуемое параллельное поведение. HVC публикует кривые импеданса для каждого компонента, поэтому импеданс массива можно вычислить, а не измерять дважды.
• Проверенная в полевых условиях замена. 40 кВ / 441 пФ дверная ручка конденсаторы Заменили импортные комплектующие высшего качества в программах обслуживания высоковольтного оборудования, где требуется стабильность на уровне менее одного процента. 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 комплекты для сглаживания — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи оказывают поддержку в моделировании импеданса шин и проверке пульсаций тока. Отправьте спектр пульсаций, геометрию шин и мишень качества пучка. HVC предоставит конфигурацию конденсаторов и модель импеданса в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая часть модуляции лазера приходится на шину постоянного тока?

Практически нет. Пульсации 20 А при сопротивлении 23.4 мОм дают возмущение шины 0.47 В, что составляет 0.002% от мощности луча после подавления регулятором на 20 дБ. Магнитный путь через кабельный лоток в 100 раз длиннее.

В2: Какая величина керамической емкости необходима для повторного зажигания?

Разделите заряд на допустимое провисание. Повторный импульс тока силой 20 А, длящийся 20 мкс, перемещает 400 мкКл, поэтому для ограничения провисания до 3 В требуется 133 мкФ эффективного высокочастотного накопителя. Слой емкостью 200 мкФ покрывает это значение с запасом.

В3: Почему бы просто не добавить больше электролитической емкости?

Увеличение емкости снижает резонансную частоту и увеличивает пиковый ток кольца. Это также увеличивает объем и стоимость. Импеданс выше 5 кГц определяется ESR и ESL, поэтому дополнительные микрофарады здесь ничего не дают.

Вопрос 4: Какое расстояние между кабелями мне необходимо?

Взаимная индуктивность падает примерно с 0.5 мкГн в точке контакта лотка до 0.12 мкГн на расстоянии 30 см. Это снижает наведенное напряжение с 50 В до 12 В, что соответствует разнице между модуляцией в 0.83% и 0.20%.

В5: Должен ли сглаживающий слой быть класса I?

Да. Слой X7R теряет около 15% своей емкости при изменении температуры и под действием постоянного напряжения, поэтому демпфирующий угол смещается, и подавление на частоте пульсаций уменьшается по мере смещения. Класс I сохраняет это значение, поэтому вычисленный угол соответствует фактически полученному значению.

В6: Какие детали должны быть задействованы в одном квалификационном цикле?

Сочетание керамического слоя емкостью 200 мкФ с дифференциальным дросселем на 100 мкГн позволит получить пленочный конденсатор на лазерном питателе и толстопленочный резистор для демпфирующей ветви. Один план испытаний охватывает все четыре ветви на одном и том же профиле пульсаций.

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. Ук-Джин Ли и Сын-Ки Соль, Стабилизация напряжения звена постоянного тока для инвертора с уменьшенным количеством конденсаторов в звене постоянного токаIEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 1, стр. 404-414, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733.
6. 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
7. ANP109: Импедансные спектры различных технологий конденсаторов, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, https://www.we-online.com/ANP109.
8. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
9. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357.
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com