Проектирование электромагнитной совместимости на системном уровне для высоковольтных цепей лазерной резки

Проектирование электромагнитной совместимости на системном уровне для высоковольтных цепей лазерной резки

Резюме

Станок лазерной резки объединяет инвертор с частотой 20–200 кГц, цепь умножителей и датчик фокусировки с точностью до микрометра в одном стальном корпусе, поэтому его электромагнитная совместимость относится к данной системе. В данной статье выводятся значения синфазного тока от фронтов высоковольтного переключения, потери эффективности экранирования реального корпуса и резонансы корпуса в диапазоне 50–300 МГц, а затем предлагаются шесть шагов, обеспечивающих поддержание запаса прочности при перемещении головки.

1. Введение

Электромагнитная совместимость относится ко всей машине, а вся машина включает в себя высоковольтный блок, сервоприводы, датчики головки, контроллер ЧПУ, кабельные жгуты и стальной корпус. Каждое переключение и каждый путь паразитной связи в этом комплексе влияют на результат.

Станки для лазерной резки предъявляют более высокие требования к электромагнитной совместимости, чем большинство другого оборудования. Магнитно-шумная часть и измерительная часть находятся в одном корпусе, поэтому инвертор с частотой 20–200 кГц расположен в нескольких метрах от датчика, обеспечивающего разрешение в микрометры. Высоковольтная секция добавляет связь, которую низковольтная машина никогда не видит, поскольку её характеристики изменяются на киловольты за микросекунды.

Подвижная головка усугубляет проблему. Ее кабель сматывается, разматывается и перемещается на полной скорости, поэтому пути соединения меняют свое положение в течение цикла резки. Ремонт, обеспечивающий чистые измерения при неподвижной головке, может оказаться неэффективным во время резки.

Рассмотрение электромагнитной совместимости (ЭМС) как задачи, выполняемой на поздней стадии, имеет свою цену. Циклы перепроектирования добавляют от 2 до 6 месяцев к сроку выполнения программы, повторное тестирование в сертификационной лаборатории стоит от 5,000 до 20,000 долларов США, а отказы в полевых условиях, возникающие после частичного устранения неисправности, проявляются в виде зависаний контроллера и ложных срабатываний высоковольтного датчика. Одна машина, прошедшая лабораторные испытания с погрешностью в 3 дБ, за первый год эксплуатации вызвала 14 жалоб на ЭМС в полевых условиях.

2. Основной механизм

2.1 Сумма источника-пути-жертвы

Электромагнитная совместимость системы начинается с подсчета. Каждый источник шума взаимодействует с каждым пострадавшим по путям со своими собственными передаточными функциями, и пострадавший видит сумму:

V_victim = Σ (S_k × T_jk)

где V_victim — возмущение в точке воздействия, S_k — спектр источника шума k, T_jk — передаточная функция от источника k к точке воздействия вдоль пути j, а сумма берется по каждой паре.

Запись этой матрицы выполняет две функции. Она определяет важные источники, которыми в данном случае являются высоковольтный инвертор и умножитель, и важные объекты воздействия, которыми являются датчик фокусировки и контроллер. Все остальные элементы в шкафу затем можно оценивать по этим названиям.

2.2. Основной переменной является синфазный ток.

Большинство отказов, связанных с электромагнитной совместимостью в этих машинах, вызваны синфазным током, а не дифференциальным шумом. Быстродействующий узел передает этот ток через емкость, которой он обладает, к структуре:

I_cm = C_parasitic × dV/dt

где I_cm — инжектированный синфазный ток, C_parasitic — емкость от коммутирующего узла до шкафа, а dV/dt — частота нарастания фронта сигнала в этом узле.

Высоковольтный трансформатор содержит около 20 пФ конденсаторов, подключенных к корпусу, а его импульсы достигают 25 кВ/мкс. Произведённый ток составляет 0.5 А, который затем протекает через экраны, кронштейны и заземляющие провода, излучая там, где петля достаточно широка. Y-конденсаторы в цепи обратного тока синфазного излучения должны пропускать этот ток на интересующей частоте:

Z_Y = 1 / (2 × π × f × C_Y)

где Z_Y обозначает импеданс на выводах Y-конденсатора, f — интересующая частота, а C_Y — емкость Y-конденсатора.

Микросхема емкостью 4.7 нФ имеет сопротивление 34 Ом на частоте 1 МГц и 1.1 Ом на частоте 30 МГц. Эта же микросхема добавляет 0.34 мА тока защитного проводника при напряжении 231 В и частоте 50 Гц, и именно это второе значение рассматривается в разделе 2.4.

2.3 Экранирование корпуса и резонанс

Экранирование стального корпуса обеспечивается лишь настолько хорошо, насколько позволяют его швы, отверстия и кабельные вводы:

SE (dB) = SE_material − A_aperture − A_seam − A_cable

где SE — эффективная эффективность экранирования, SE_material — значение для сплошного листа, A_aperture — потери от отверстий, A_seam — потери от несклеенных швов, а A_cable — потери от кабельных вводов, не отфильтрованных у стены.

Эти три штрафа могут снизить показатель звукового давления на 20 дБ, что является существенной разницей между прохождением и непрохождением испытаний. Корпус также имеет свои собственные резонансы, определяемые его размерами:

f_res = c / (2 × L_cab)

где f_res — самый низкий резонанс в полости, c — скорость света, а L_cab — наибольший размер корпуса.

Корпус размером 1.2 м резонирует вблизи 125 МГц, в диапазоне от 50 до 300 МГц, где измеряются излучения от синфазных токов кабеля. Экранирование необходимо проверять при работающем устройстве, поскольку в пустом корпусе отсутствуют токи кабеля, с которыми можно было бы резонировать.

2.4 Электромагнитная совместимость и безопасность имеют один общий лимит.

Для обратного пути синфазного тока необходима Y-емкость, и каждый нанофарад этой емкости увеличивает ток защитного проводника, который ограничен стандартом безопасности оборудования. Машина с ограничением в 3.5 мА и десятью Y-конденсаторами емкостью 4.7 нФ уже тратит 3.4 мА на фильтр еще до учета высоковольтных путей. Сокращение паразитной емкости и площади контура не расходует этот запас, поэтому обе задачи должны быть включены в один план.

Рис. 1 — Шум инвертора и умножителя достигает датчика фокусировки и контроллера через паразитные емкости, экраны кабелей и швы корпуса.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Исправления на уровне компонентов, которые не работают на системном уровне.

Фильтр, прошедший проверку на стенде, выходит из строя в машине, поскольку машина добавляет перекрестные помехи между кабелями, токи в экране и структурные резонансы, которых на стенде не было. Добавление фильтров в месте повреждения борется с этими путями и оставляет источники нетронутыми, и каждое исправление работает только до тех пор, пока не начнет преобладать следующий путь.

Проблема 2: Паразитная емкость высоковольтного блока питания управляет всем корпусом.

Конденсатор емкостью от 50 до 200 пФ, идущий от высоковольтной шины к корпусу, превращает умножитель в точку управления структурой. Излучение, возникающее в этом диапазоне, занимает частоту от 50 до 300 МГц, где фильтрация на источнике затруднена и дорогостояща, поэтому емкость приходится уменьшать за счет компоновки и экранирования.

Проблема №3: ​​Кабель, идущий от головы, излучает свет по-разному в каждом положении.

Излучение кабеля головки зависит от его положения и кривизны. Запас прочности, измеренный при неподвижной головке, не является запасом прочности во время резки, когда кабель сматывается, разматывается и движется на полной скорости. Станки, прошедшие проверку на холостом ходу, не проходят проверку в цикле резки.

Проблема 4: Два инженера тратят одинаковый миллиампер.

Инженер по электромагнитной совместимости запрашивает емкость Y-типа, а инженер по технике безопасности учитывает ее в счет предельного значения защитного проводника. Без общего распределения ресурсов машина поставляется с тем компромиссным значением, которое прошло проверку, и недостающее значение отображается в протоколе испытаний с обеих сторон.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Создание матрицы на этапе проектирования архитектуры.

Перечислите каждый коммутирующий узел с указанием его dV/dt, каждую паразитную емкость с указанием соответствующей пары узлов и каждую чувствительную цепь с указанием запаса помехоустойчивости. Матрица определяет компоновку, фильтрацию и экранирование еще до создания печатной платы, когда внесение изменений еще ничего не стоит.

Стратегия 2: Уменьшить оба множителя произведения C × dV/dt.

Разместите высоковольтную шину подальше от стенок корпуса, добавьте экранирующие плоскости и направьте умножитель к центру корпуса. Снижение емкости с 200 пФ до 80 пФ уменьшает инжектируемый ток на 8 дБ в источнике, и это снижение сохраняется на всех частотах:

ΔI_cm (dB) = 20 × log10(C_old / C_new)

где ΔI_cm — уменьшение инжектированного синфазного тока, C_old — исходная паразитная емкость, а C_new — значение после изменения компоновки.

Другой фактор — частота срабатывания фронтов импульсов. Замедлите фронты импульсов инвертора до значения, необходимого для данной топологии, и гасите колебания в узлах переключения с помощью... толстопленочный резистор последовательно с конденсатором с низким эквивалентным уровнем звукового давления. быстровосстанавливающийся диод Выходной тракт имеет свою собственную скорость срабатывания, поэтому время его восстановления также входит в арифметические операции.

Стратегия 3: Спроектировать корпус как управляемый экран.

Приклейте панели с интервалом 10 см с помощью токопроводящих прокладок, отфильтруйте каждый кабельный ввод в стену и заземлите экран каждого кабеля в точке его ввода. Эта работа позволяет добиться эффективного экранирования с точностью до 5 дБ от параметров материала и устранить зазоры, которые в противном случае возникли бы из-за резонанса на частоте 125 МГц. Используйте N4700 Конденсатор класса I используется в качестве входных фильтров, поскольку его номинал и потери остаются постоянными при нагреве корпуса.

Стратегия 4: Проверить полный ход головки механизма.

Проведите измерение излучения, перемещая головку по всему диапазону ее хода, со скоростью резки и в различных положениях намотки. Примите наихудшее положение в качестве проектной цели, что превратит задачу, зависящую от положения, в ограниченное число, которое команда может выполнить.

Стратегия 5: Распределить резерв на случай утечек в одном месте.

Используйте резерв защитного проводника там, где каждый миллиампер обеспечивает наибольшее ослабление синфазного сигнала: сначала на входном фильтре сети, затем на высоковольтном выходе. сертифицированный по безопасности Y-конденсаторы класса I, значение емкости которых сохраняется при изменении температуры и в течение всего срока службы, поэтому запас прочности, измеренный при вводе в эксплуатацию, является запасом прочности в конце срока службы. пленочный конденсатор При индуктивности петли в 200 нГн устройство перестает работать как синфазный сигнал выше нескольких мегагерц, что как раз соответствует частоте резонанса корпуса.

Стратегия 6: Сертификация при полной рабочей нагрузке.

Проверьте работу станка на полной мощности. Нагрузка, дуга и движение головки определяют уровень шума, который будет наблюдаться в полевых условиях, а спектр сигнала инвертора изменяется между режимом холостого хода и полной нагрузкой. Тестирование в режиме холостого хода документирует работу станка, который не используется в производстве.

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 архитектуры ЭМС.

Запас прочности сохраняется, когда компоненты, определяющие его, сохраняют свои значения. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700 для контура возврата синфазного напряжения, входных фильтров и высоковольтной развязки на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Стабильная Y-емкость. Температурный коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент рассеяния ниже 0.1% поддерживают постоянное сопротивление возврата синфазного тока, поэтому запас, измеренный при вводе в эксплуатацию, является запасом на конец срока службы.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Заводская экранировка от частичных разрядов предотвращает добавление разрядов к шумовому фону, который эти конденсаторы призваны контролировать.
• Низкая электростатическая развязка. Монтажная петля с индуктивностью менее 30 нГн обеспечивает развязку высоковольтной шины в диапазоне частот от 50 до 300 МГц, где корпус резонирует.
• Номинальные напряжения со стороны источника. От вспомогательных шин 1 кВ до выходных узлов 40 кВ — одно семейство охватывает возврат синфазного напряжения и развязку шин, где фильтрация приносит наибольшую пользу.
• Плоские вносимые потери. Низкие потери до 1 МГц обеспечивают постоянное затухание фильтров при нагреве корпуса, поэтому запас прочности сохраняется в течение каждой смены.
• Проверенная временем замена. Серия 40 кВ / 441. дверная ручка конденсаторы являются подходящей заменой для Murata В программе ремонта источников света для литографии используются винтовые конденсаторы, а разработчики DUV-технологий теперь указывают в качестве компонентов HVC в новых источниках света.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты фильтров — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе Y-конденсаторов, проектировании высоковольтной развязки и анализе синфазного тракта. Необходимо указать частоту переключения, скорость нарастания фронта сигнала, выходное напряжение, чертеж корпуса и предел утечки. HVC предоставит вам лист выбора фильтра с данными о частичных разрядах и графиками потерь на входе в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какой синфазный ток вводит высоковольтная секция?

Ток 0.5 А от фронта 25 кВ/мкс на конденсаторе 20 пФ, ток I_cm = C × dV/dt. Этот ток циркулирует через экраны, кронштейны и заземляющие провода, поэтому площадь контура определяет, какая его часть излучается.

В2: Что дает изменение макета?

Уменьшение емкости высоковольтной шины, идущей к корпусу, с 200 пФ до 80 пФ снижает подаваемый ток на 8 дБ, с 20 × log10(2.5). Это не требует затрат на компоненты и работает на любой частоте.

В3: Почему пустой шкаф показывает лучшие результаты измерений, чем загруженный?

Потому что в пустом корпусе отсутствуют кабельные токи и нагруженные швы. Корпус размером 1.2 м резонирует вблизи 125 МГц, и кабельные токи машины приводят к этому резонансу только тогда, когда машина работает.

Вопрос 4: Зачем проводить проверку при движении головы?

Положение и изгиб кабеля головки определяют уровень излучения, поэтому измерение в режиме стоянки описывает другую машину. Наихудшее положение во время цикла резки — это то значение, которое будет зафиксировано при сертификационном тестировании.

В5: Каким образом специалисты по электромагнитной совместимости и безопасности распределяют запас по утечкам?

Одно решение подходит для обоих случаев. Y-конденсатор емкостью 4.7 нФ добавляет 0.34 мА при 231 В и 50 Гц и обеспечивает 34 Ом синфазного сигнала на частоте 1 МГц, поэтому емкость размещается там, где затухание на миллиампер максимально: сначала во входном фильтре, затем на высоковольтном выходе.

Вопрос 6: Какой конденсатор обеспечивает запас электромагнитной совместимости на протяжении всего срока службы оборудования?

Деталь класса I N4700. Ее коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент рассеяния менее 0.1% поддерживают постоянное сопротивление возврата синфазного сигнала и потери на входе фильтра, поэтому запас прочности не снижается с повышением температуры или износом.

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. МЭК 61326-1:2020, Электрооборудование для измерений, управления и лабораторных работ — требования к электромагнитной совместимости — Часть 1: Общие требования, 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
6. МЭК 60384-14:2023, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 14: Спецификация по разделам — Неподвижные конденсаторы для подавления электромагнитных помех и подключения к сети электропитания, 5-е изд. Женева: МЭК, 2023.
7. 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.
8. 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.
9. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
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