Подавление плазменного шума в петлях обратной связи высокого напряжения при лазерной сварке

Подавление плазменного шума в петлях обратной связи высокого напряжения при лазерной сварке

Резюме

Плазма сварочного аппарата вносит шум в сигналы, регулирующие высоковольтный выход, и контур реагирует на это возмущение собственной модуляцией. В этой статье описаны три пути внесения шума, приведены алгоритмы фильтрации и подавления, разделяющие полосу плазмы от полосы управления, а также описаны этапы измерения, фильтрации и экранирования, обеспечивающие стабильность подавления в зависимости от температуры.

1. Введение

Высоковольтные лазерные сварочные аппараты регулируют выходное напряжение через контур обратной связи, который отбирает значение напряжения, сравнивает его с эталонным и корректирует импульсный каскад. Коэффициент усиления контура, частота среза и запас по фазе определяются моделями силового каскада и фильтра.

В этих моделях редко учитывается сварочная плазма. Плазма представляет собой нелинейную, изменяющуюся во времени нагрузку, и она вносит шум в сигналы, от которых зависит контур. Ее мерцание колеблется от 1 кГц до 100 кГц с всплесками в мегагерцовом диапазоне, динамика дуги модулирует ток нагрузки, а ее поля взаимодействуют с неэкранированными проводниками.

Последствия двоякие. В измеренном напряжении появляются пульсации, вызванные плазмой, поэтому контур считывает шум нагрузки как ошибку на выходе и корректирует его с помощью фантома, который добавляет колебания к помехам при сварке. Излучаемая составляющая передается на высокоимпедансный измерительный узел, где несколько милливольт превышают пороговое значение ошибки и вызывают ложную регулировку.

Измерения, проведенные работающими сварщиками, показывают масштаб проблемы. На установке мощностью 10 кВт узел обратной связи передавал плазменный шум от 150 до 250 мВ на сигнале измерения 1 В. Затем высоковольтный выход модулировался на ±5% от мощности сварки, а глубина проплавления изменялась на 0.2 мм, что выходит за рамки допустимых параметров для сварочных швов в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

2. Основной механизм

2.1 Пути ввода в узел обратной связи

Нагрузка модулирует выходной ток, а делитель регистрирует пульсации, которые он создает на шине:

V_noise = ΔI_plasma × Z_bus(f)

где V_noise — шумовое напряжение в узле измерения, ΔI_plasma — размах плазменного тока, а Z_bus(f) — импеданс шины на данной частоте. При токе 2 А и импедансе шины 0.1 Ом на частоте 5 кГц значение V_noise составляет 200 мВ.

Излучаемый путь передает дуговое поле в измерительную проводку:

V_pickup = h_eff × E_arc

где V_pickup — напряжение связи, h_eff — эффективная высота антенны измерительной петли, а E_arc — электрическое поле от дуги. При 10 см и 5 В/м в худшем случае оно достигает 0.5 В. Заземление добавляет третий член, поскольку сварочный ток возвращается через раму и смещает заземление измерительной петли.

2.2 Топология фильтра и частота среза

Пассивный фильтр нижних частот второго порядка на узле измерения отфильтровывает полосу плазмы, пропуская при этом полосу управления:

f_c = 1 / (2π × √(R1 × C1 × R2 × C2))

где f_c — частота среза, R1 и R2 — два последовательно соединенных резистора, а C1 и C2 — два параллельных конденсатора. При R = 100 кОм и C = 160 пФ частота среза составляет 9.9 кГц, что ослабляет плазменную полосу 100 кГц на 40 дБ и оставляет полосу регулирования ниже 1 кГц нетронутой.

В местах, где плазменное мерцание концентрируется на известной частоте, двухтрубный Т-образный режекторный фильтр обеспечивает дополнительное подавление без увеличения полосы управления:

f_notch = 1 / (2π × R × C)

где f_notch — центральная частота режекторного фильтра. При R = 100 кОм и C = 320 пФ режекторный фильтр находится на частоте 5 кГц и снижает уровень доминирующей плазменной линии на 30 дБ.

2.3 Смещение угла фильтра

Компоненты фильтра находятся в цепи обратной связи, поэтому их допуск и дрейф напрямую влияют на контур. Угол изменяется пропорционально квадратному корню из произведения емкости конденсатора:

f_c ∝ 1 / √(C1 × C2)

где f_c — частота среза, а C1 и C2 — фильтрующие конденсаторы. Керамика класса II теряет 20% своего номинала при нагреве машины, что повышает частоту среза с 9.9 кГц до 12.4 кГц. В этом случае плазменная полоса находится внутри полосы пропускания в момент максимальной интенсивности сварки.

Тот же дрейф добавляет фазу в точке пересечения, поэтому фильтр, собранный из компонентов класса II, делает недействительным измеренный запас. Компонент класса I с коэффициентом ±30 ppm/°C смещается на 0.3% на 100 °C и удерживает угол в пределах 0.5%.

2.4 Отклонение синфазного сигнала

Сварочный ток, возвращающийся через раму, повышает напряжение на измерительном заземлении на 5–8 В выше напряжения на управляющем заземлении. Дифференциальный входной каскад ослабляет это смещение за счет своего коэффициента подавления:

V_residual = V_cm / 10^(CMRR / 20)

где V_residual — синфазное напряжение, сохраняющееся на входном каскаде, V_cm — разность потенциалов земли, а CMRR — коэффициент подавления в дБ. При смещении 8 В и подавлении 90 дБ на фильтр поступает 0.25 мВ, что меньше, чем 8 В.

Рис. 1 — Пульсации шины и дуговые разряды создают напряжение от 150 до 250 мВ на измерительной линии напряжением 1 В; дифференциальная выборка, режекторный фильтр 5 кГц и фильтры класса I устраняют возникающую после этого фантомную регулировку.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: контур регулирования предотвращает ошибки, связанные с фантомной плазмой.

При наличии плазменного шума в 200 мВ на сигнале измерения 1 В интегратор накапливает шум, и выходной сигнал модулируется на частоте мерцания плазмы. В результате получается слышимый звук, похожий на шум моторной лодки, а на выходе — колебание мощности сварки в пределах ±5%, которое объясняется особенностями сварочного процесса.

Проблема 2: Компоненты фильтра смещаются и вновь открывают путь распространения шума.

Фильтр, изготовленный из керамики класса II, теряет свою частотную характеристику по мере нагрева аппарата. Фильтр, настроенный на 9.9 кГц при холодном пуске, при рабочей температуре находится на частоте 12.4 кГц, и плазменная полоса снова входит в полосу пропускания в момент максимальной интенсивности сварки.

Проблема 3: синфазные помехи от заземления препятствуют работе однополярного датчика.

В точке, где измерительная линия подключена к заземлению с потенциалом от 5 до 8 В, возникающим при сварке, однополярная выборка выпрямляет смещение и переводит усилитель в режим насыщения. Затем аппарат попеременно срабатывает в режиме ложных срабатываний и в периоды нечувствительности, и производственная сварочная линия не может работать ни в одном из этих режимов.

Проблема 4: Полоса пропускания фильтрации конфликтует с переходной характеристикой.

Фильтрация, очищающая обратную связь, также замедляет реакцию контура на реальный ступенчатый напор. В конструкциях с чрезмерной фильтрацией стабилизация в начале сварки происходит в 2 раза медленнее, что делает первые 10 мм каждого шва слабыми и не соответствующими техническим требованиям.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Дифференцированная выборка с использованием входного каскада с высоким коэффициентом подавления помех (CMRR).

Используйте обратную связь через дифференциальную пару с подавлением синфазных помех более 90 дБ на частоте 10 кГц. Это позволит удалить компонент заземления в 5–8 В до того, как он будет обнаружен фильтром, а измерения после модернизации снизят общий шум обратной связи на 60%. Используйте согласованный толстопленочный резистор Поместите пару в делитель, чтобы соотношение изменялось в зависимости от температуры.

Стратегия 2: Настроить частоту плазмы на один пороговый уровень.

При вводе в эксплуатацию измерьте спектр мерцания, который обычно показывает доминирующую линию между 2 кГц и 8 кГц, и установите там двухполосный Т-образный режекторный фильтр. Режектор на 30 дБ удаляет периодическую составляющую, которая управляет фантомной регулировкой, в то время как полоса пропускания контура остается ниже 1 кГц.

Стратегия 3: Использовать конденсаторы класса I в каждом узле фильтра.

Указывать N4700 Керамика класса I с коэффициентом диссипации 0.1% или ниже и коэффициентом ±30 ppm/°C для позиций фильтра и развязки. В этом случае угол сохраняет внутреннее сопротивление в пределах 0.5% при изменении температуры, поэтому подавление, измеренное в лаборатории, представляет собой подавление, достигаемое на поверхности сварного шва.

Стратегия 4: Локально отделить узел датчика.

Установите конденсатор емкостью 1 нФ непосредственно между измерительным узлом и землей через низковольтную сторону делителя, чтобы шунтировать высокочастотный плазменный разряд перед усилителем. Низкий уровень электростатического сопротивления (ESL) обеспечивает эффективность шунта в мегагерцовом диапазоне, где электрические разряды плазмы активны; пленочный конденсатор В этом положении возникает индуктивное напряжение, и шунтирование прекращается при частоте выше 1 МГц.

Стратегия 5: Разделение контура для обеспечения соответствия требованиям по переходным процессам и уровню шума.

Для обеспечения быстрой реакции на переходные процессы используйте быстрый внутренний контур регулирования тока, а для регулирования — медленный внешний контур регулирования напряжения. Затем шумовой фильтр размещается во внешнем контуре, где его полоса пропускания не замедляет переходный процесс начала сварки.

Стратегия 6: Экранировать и перенаправить сигнальную пару.

Провода измерения напряжения прокладываются в виде витой экранированной пары, заземленной на одном конце, и не соприкасаются с высоковольтными и сварочными жгутами. В сочетании с дифференциальным измерением это снижает наводки с 0.5 В до менее 10 мВ.

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	-
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. Конденсаторы HVC N4700 для бесшумных петель обратной связи.

Выбор на этом узле определяется тремя требованиями: угловой резистор, сохраняющий заданную настройку, шунт, работающий в мегагерцовом диапазоне, и делитель, обеспечивающий полную выходную мощность. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Стабильность фильтра. Коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент рассеяния 0.1% или ниже обеспечивают точность фильтра в пределах 0.5% в рабочем диапазоне.
• Развязка в мегагерцовом диапазоне. Корпуса с эквивалентной индуктивностью (ESL) ниже 30 нГн и частотно-плоской емкостью отводят плазменный ток до того, как он достигнет усилителя.
• Отсутствие собственного разрядного шума. Заводская экранировка частичных разрядов ниже 5 пКл при номинальном напряжении предотвращает добавление импульсов к очищаемому сигналу со стороны фильтра и развязывающих элементов.
• Напрягаемая мощность в цепи делителя. Для делителей напряжения от 3 кВ до 20 кВ используются винтовые клеммы. дверная ручка конденсаторы А радиально-выводные диски передают весь выходной потенциал с незначительной параллельной утечкой, поэтому коэффициент деления сохраняется.
• Пользовательские значения для точной настройки контура. HVC создает пользовательские комбинации емкости и напряжения, позволяющие установить угловой параметр в соответствии с измеренным спектром плазмы платформы установки, а подобранные наборы выбираются с точностью до ±1%.
• Сертифицированные компоненты, пригодные для использования в программах ремонта на местах. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам корпуса. Murata Винтовые конденсаторы, используемые при ремонте источников света в литографии.

Доставка и поддержка

Стандартные значения поставляются в течение 4–8 недель, а нестандартные — в течение 6–10 недель. Инженеры-разработчики HVC оказывают поддержку в выборе фильтрующих и режекторных конденсаторов, проектировании развязывающих элементов и измерении импеданса на частоте кроссовера.

Отправьте уровень сигнала, полосу мерцания плазмы, смещение заземления, частоту кроссовера и количество. HVC вернет номера деталей с данными об импедансе, отчет о допусках согласованного комплекта и образцы для проверки прототипа в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой уровень шума создает плазменная сварка в сигнале обратной связи?

На сварочном аппарате мощностью 10 кВт напряжение на линии измерения 1 В составляет от 150 до 250 мВ. Это значение определяется схемой нагрузки: пульсации плазмы 2 А на шине с сопротивлением 0.1 Ом дают 200 мВ, а поле дуги добавляет 0.5 В на неэкранированном контуре длиной 10 см.

В2: Почему петля колеблется, когда плазма шумит?

Интегратор накапливает шум в виде ошибки на выходе и корректирует его с помощью фантома, поэтому выходной сигнал модулируется на частоте мерцания плазмы. Визуальный результат составляет ±5% от мощности сварки и 0.2 мм отклонения глубины проплавления.

В3: Куда следует установить режекторный фильтр?

На измеренной плазменной частоте, обычно от 2 до 8 кГц, во внешней петле напряжения. Двойной Т-образный режекторный фильтр там удаляет 30 дБ доминирующей линии флуктуаций, оставляя при этом полосу пропускания самой петли ниже 1 кГц нетронутой.

Вопрос 4: Почему бы не фильтровать сигнал обратной связи более тщательно?

Потому что контур в этом случае медленно реагирует на реальные ступенчатые изменения нагрузки. При чрезмерной фильтрации напряжение в начале сварки устанавливается в 2 раза медленнее, что делает первые 10 мм шва слабыми. Вместо этого разделите контур: быстрый внутренний контур тока и фильтрованный внешний контур напряжения.

В5: Действительно ли керамика II класса настолько сильно смещает угол?

Да. 20%-ные потери емкости поднимают частоту среза фильтра второго порядка с 9.9 кГц до 12.4 кГц, поскольку частота среза изменяется обратно пропорционально квадратному корню из произведения емкости на емкость. В этом случае плазменная полоса оказывается внутри полосы пропускания.

В6: Что устраняет компонент заземляющей петли?

Дифференциальный входной каскад с подавлением синфазных помех более 90 дБ на частоте 10 кГц. Он ослабляет смещение обратного тока сварки в 8 В до 0.25 мВ, а модернизация с добавлением дифференциального датчика снижает общий уровень шума обратной связи на 60%.

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. 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.
6. 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
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. Запрос рекомендаций по схеме демпфирования для защиты Infineon FF300R17KE4PСообщество разработчиков Infineon, https://community.infineon.com/t5/IGBT/Request-for-Snubber-Circuit-Recommendation-for-Protecting-Infineon-FF300R17KE4P/td-p/1241451 .
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. Г. Д'Антона и Л. Перфетто, Локализация частичных разрядов в изолированных распределительных устройствах методом расширения собственных функций.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, том 68, № 5, стр. 1294-1301, 2019. https://doi.org/10.1109/tim.2019.2904806.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com