Ограничение пускового тока предварительной зарядки в источниках питания лазеров

Ограничение пускового тока предварительной зарядки в источниках питания лазеров

Резюме

При каждом запуске шина постоянного тока заряжается от нуля до рабочего напряжения, и без предварительного зарядного пути пусковой ток достигает 200–2,000 А. В этой статье выводится кривая заряда, энергия, поглощаемая за один запуск, пиковое рассеивание и требования к разрядному резистору для источника питания лазера мощностью от 8 до 20 кВт. Затем объясняется, почему номинал резистора определяется именно горячим перезапуском, а не холодным, и приводятся шесть этапов совместного проектирования.

1. Введение

При каждом запуске источника питания для лазерной резки конденсаторная батарея шины постоянного тока заряжается от нуля до рабочего напряжения. Современный источник питания мощностью от 8 до 20 кВт вмещает конденсаторы емкостью от 100 до 2,000 мкФ при напряжении постоянного тока от 400 до 800 В.

Без предварительной зарядки начальный ток ограничивается только прямым сопротивлением выпрямителя, утечкой трансформатора и проводкой. Такое сочетание создает ток от 200 до 2,000 А в течение десятков миллисекунд, чего достаточно, чтобы разрушить выпрямительный мост, пережечь входной предохранитель и приварить контакты реле к цепи входного тока.

Схема предварительной зарядки преобразует этот скачок тока в контролируемый заряд. Последовательно включенный резистор ограничивает ток до тех пор, пока шина не достигнет порогового значения, после чего замыкается обходной контактор, и включается основной контур. Резистор поглощает всю энергию зарядки при каждом запуске, тысячи раз за весь срок службы машины.

Здесь взаимодействуют три компонента: резистор предварительной зарядки, конденсаторная батарея шины и разрядник, который разряжает шину при выключении. Постоянная времени зарядки должна уравновешивать время разряда разрядника, время обхода должно соответствовать кривой зарядки, а номинальная энергия резистора должна покрывать наихудшее событие зарядки. В этой статье выводятся эти соотношения, а затем приводятся шесть шагов, которые позволяют согласовать все три компонента.

2. Основной механизм

2.1 Кривая заряда и постоянная времени

Последовательно включенный резистор преобразует заряд шины в RC-переходный процесс:

V_bus(t) = V_rect × (1 − exp(−t / τ))

где V_bus(t) — напряжение шины в момент времени t, V_rect — выходное напряжение выпрямителя, а τ — постоянная времени заряда.

τ = R_pre × C_bus

где τ — постоянная времени заряда, R_pre — сопротивление предварительного заряда, а C_bus — емкость шины.

Начальный пиковый ток равен V_rect / R_pre, и ток убывает с той же постоянной:

I_charge(t) = (V_rect / R_pre) × exp(−t / τ)

где I_charge(t) — зарядный ток, V_rect — выходное напряжение выпрямителя, R_pre — сопротивление предварительной зарядки, а τ — постоянная времени зарядки.

Для поддержания пускового тока на уровне 20 А от выпрямителя на 600 В сопротивление R_pre составляет 30 Ом. При шине емкостью 1,000 мкФ постоянная времени равна 30 мс, и время заряда до 90% от V_rect соответствует ей:

t_90 = 2.3 × R_pre × C_bus

где t_90 — время достижения 90% напряжения выпрямителя, R_pre — сопротивление предварительного заряда, а C_bus — емкость шины.

Это дает 69 мс, что является приемлемой дополнительной задержкой при запуске. Те же самые компоненты определяют пиковое значение рассеиваемой мощности в резисторе, и это значение определяет выбор:

P_pk = V_rect² / R_pre

где P_pk — пиковое значение рассеянного напряжения в первый момент заряда, V_rect — выходное напряжение выпрямителя, а R_pre — сопротивление предварительного заряда.

При напряжении 600 В на сопротивлении 30 Ом пиковое значение составляет 12 кВт, а время спада — около 30 мс.

2.2 Энергия, поглощенная одним зарядом

Энергия, передаваемая зарядом в шину, определяет номинальную импульсную характеристику резистора. Она зависит от напряжения в шине в начале зарядки, а не от сопротивления.

E_pre = ½ × C_bus × (V_rect² − V_start²)

где E_pre — энергия, поглощенная за один заряд, C_bus — емкость шины, V_rect — выходное напряжение выпрямителя, а V_start — напряжение шины в момент начала заряда.

Начиная с нулевого напряжения, шина емкостью 1,000 мкФ при напряжении 600 В поглощает 180 Дж. Весь процесс длится 69 мс, поэтому резистор получает 180 Дж в этот промежуток времени и 12 кВт в первый момент. У 50-ваттного элемента, который в других частях машины потребляет в среднем 10 Вт мощности, нет шансов: элемент испарится или подложка треснет при первом же запуске.

2.3 Координация кровотечения

Разрядный резистор разряжает шину после выключения, и требование безопасности устанавливает его верхний предел:

R_bleed = t_safe / (2.3 × C_bus)

где R_bleed — сопротивление разрядника, t_safe — время, в течение которого напряжение на шине падает ниже 60 В, а C_bus — емкость шины.

При допустимом задержке в 5 секунд и емкости шины 1,000 мкФ сопротивление разрядного конденсатора должно составлять 2.2 кОм или меньше. Эта деталь потребляет 164 Вт при напряжении 600 В на протяжении всего времени работы машины. Разрядный конденсатор с сопротивлением 22 кОм потребляет 16 Вт, но его постоянная времени составляет 22 секунды, а для падения напряжения ниже 60 В шине требуется 51 секунда. Большинство машин выбирают второй вариант и добавляют активный разрядный контур или блокировку обслуживания.

2.4. Синхронизация обхода

Обходной контактор замыкается, когда напряжение на шине достигает примерно 95% от V_rect, что в данной схеме составляет 3 постоянные времени и 90 мс. В этот момент через резистор всё ещё протекает ток 1.0 А. Более раннее замыкание пропускает часть пускового тока через основной путь; более позднее замыкание оставляет полный зарядный ток в резисторе дольше, чем позволяет его импульсная характеристика. Пороговое напряжение с компаратором поддерживает временные параметры, тогда как фиксированная задержка будет изменяться по мере износа контактора.

Рис. 1 — Шина емкостью 1,000 мкФ при напряжении 600 В поглощает 180 Дж при нулевом напряжении и 169 Дж при напряжении 150 В, что превышает допустимую для нагревательного элемента величину в 140 Дж.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: В списке параметров отсутствует показатель энергии импульса.

Резистор, выбранный для работы в стационарном режиме, выходит из строя при первой же зарядке. Пиковая мощность в 12 кВт испаряет элемент или растрескивает подложку, и машина глохнет при запуске без записи в журнал ошибок. Отказ мгновенный и полный, и для сервисной бригады это выглядит как случайная ошибка сборки.

Проблема 2: Зарядный футляр является основным элементом, ограничивающим возможности устройства.

Перезапуск через 30 секунд после выключения показывает, что напряжение на шине составляет 150 В, и элемент всё ещё потребляет 169 Дж, что составляет 94% от энергии холодного запуска. Элемент не остыл за 30 секунд. Деталь, работающая в режиме одного импульса и потребляющая 360 Дж, в горячем состоянии потребляет примерно 140 Дж, поэтому перезапуск превышает допустимую нагрузку. Данные полевых испытаний показывают, что 30% отказов, связанных с предварительной зарядкой, происходят при повторной зарядке, а не при холодном запуске.

Проблемный момент 3: Дрейф синхронизации контактора создает нагрузку на оба контура.

Контакторы изнашиваются, и время их замыкания изменяется под воздействием износа и температуры. Байпас с ранним замыканием вновь открывает пусковой путь через основную цепь. Байпас с поздним замыканием удерживает резистор предварительного заряда в контуре короткого замыкания после истечения его импульсной характеристики. Машины со стареющими контакторами демонстрируют периодические ошибки при запуске, которые исчезают после замены контактора.

Проблема 4: Время восстановления NTC при перезагрузке после «горячего» запуска.

Предварительно заряженный элемент NTC использует собственное сопротивление в горячем состоянии. При быстром перезапуске элемент остается горячим, его сопротивление низкое, и защита от пускового тока срабатывает. Лазерные ячейки, работающие в циклическом режиме за один цикл, попадают в этот диапазон много раз в день, и пусковой ток при горячем перезапуске разрушал выпрямительные мосты в машинах, которые успешно проходили все испытания при холодном запуске.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Подберите резистор, исходя из энергии импульса и количества циклов.

Укажите номинальную энергию одиночного импульса с двукратным запасом по сравнению с энергией холодного пуска 180 Дж, а также укажите ресурс циклов для ожидаемого количества запусков, не менее 2 10,000 циклов. Неиндуктивный толстопленочный резистор Деталь с опубликованной импульсной характеристикой — это правильный выбор. Деталь, рассчитанная на работу в стационарном режиме, не подходит, независимо от её мощности.

Стратегия 2: Учитывайте перезапуск в горячем состоянии при расчете энергоэффективности.

Расчет производится с учетом наихудшего перезапуска в пределах диапазона охлаждения элемента, а не с учетом холодного пуска. При использовании разрядника с сопротивлением 22 кОм энергия составляет 169 Дж через 30 секунд, поэтому для детали требуется номинальная энергия при нагреве около 340 Дж. В таблице номинальных параметров в техническом описании значения для одиночного импульса разделены на значения для повторяющегося импульса, причем второе значение соответствует значению, используемому в циклических машинах.

Стратегия 3: Закрытие обходного канала при достижении порогового значения напряжения.

Управление обходным каналом осуществляется с помощью компаратора, подключенного к напряжению шины, а не с помощью фиксированного таймера. Контролирующий компаратор преобразует механический дрейф контактора в обнаруживаемое состояние, а не в режим отказа, и поддерживает точку замыкания на уровне 95% от V_rect по мере старения контактора.

Стратегия 4: Используйте фиксированный резистор вместо терморезистора с термистором на велотренажерах.

Для лазерных ячеек, которые запускаются и останавливаются в зависимости от задания, фиксированный резистор предварительного заряда с обходным контактором ведет себя одинаково как в горячем, так и в холодном состоянии. Его энергетическая ценность применяется к каждому запуску, поэтому окно для горячего перезапуска как режим отказа исчезает.

Стратегия 5: Отключите обходной контактор.

Установите резистор 10 Ом последовательно с конденсатором 100 нФ параллельно контактору для подавления дуги при замыкании и размыкании. Каждое замыкание пропускает через демпфирующий резистор 18 мДж, а контакты остаются чистыми, что обеспечивает стабильное время замыкания. Используйте N4700 В качестве демпфирующего конденсатора используется конденсатор первого класса, поскольку его номинал и коэффициент рассеяния остаются неизменными при разных температурах.

Стратегия 6: Сделать энергию перезапуска ограниченным входным параметром.

Укажите сопротивление разрядника таким образом, чтобы напряжение на шине достигало известного значения при каждом интервале перезапуска. Разрядник 22 кОм с шиной 1,000 мкФ обеспечивает 150 В через 30 с и 55 В через 60 с, поэтому энергия перезапуска ограничена значением 169 Дж и уменьшается с каждой секундой ожидания. Запишите эти значения в руководство по техническому обслуживанию и заблокируйте запуск при значении сопротивления ниже допустимого значения резистора.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 ° C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5%	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Конденсаторы HVC N4700 для контура предварительной зарядки.

Предварительный зарядный контур имеет резистивную структуру, но то, будет ли он повторяться, зависит от окружающих его элементов. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700 для демпфирующего контура, развязывающего контура и контрольного делителя напряжения в этом контуре на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Демпфирование контактов без износа. Демпфер, установленный на диске N4700 с эквивалентной индуктивностью (ESL) ниже 30 нГн, подавляет дугу замыкания, поэтому время срабатывания контактора остается таким, каким его предполагает координационная схема.
• Развязка шины на переходном участке. Низкоиндуктивные элементы, расположенные параллельно шине, поддерживают низкое локальное сопротивление, когда обходной проводник замыкается и ток коммутирует от резистора к основному пути.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Заводская экранировка от частичных разрядов предотвращает добавление событий разряда вспомогательными конденсаторами в контур, поэтому при запуске не происходит ложных срабатываний.
• Стабильные вспомогательные значения. Температурный коэффициент ±30 ppm/°C и коэффициент рассеяния ниже 0.1% поддерживают делитель и демпфер на заданных значениях, поэтому пороговые значения контроля остаются откалиброванными на протяжении всего срока службы машины.
• Диапазон напряжения по всей цепи. От подавления колебаний шины 400 В до работы с многокиловольтным делителем напряжения — одно семейство компонентов охватывает цепь предварительной зарядки и шину. пленочный конденсатор банк и входные данные выпрямительный диод мосты указываются в рамках одного и того же квалификационного заезда.
• 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 отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты демпфирующих резисторов — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в выборе демпфирующих резисторов, проектировании развязки шин и разработке делителя для монитора предварительной зарядки. Необходимо указать емкость шины, напряжение выпрямителя, интервал перезапуска и ожидаемое количество запусков. HVC предоставит вам лист выбора с данными об импульсах и частичных разрядах в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Как выбрать сопротивление предварительной зарядки?

С учетом пускового тока это приемлемо. Выпрямитель на 600 В и ограничение тока в 20 А дают сопротивление 30 Ом и емкость шины 1,000 мкФ, после чего она заряжается до 90% за 69 мс. Более низкое сопротивление заряжает быстрее и увеличивает как пиковый ток, так и пиковое рассеивание энергии.

Вопрос 2: Сколько энергии потребляет один стартап?

180 Дж для шины емкостью 1,000 мкФ при напряжении 600 В, что соответствует половине величины C, умноженной на V в квадрате. Это единственное число определяет импульсный номинал резистора, а пиковая мощность 12 кВт определяет его конструкцию.

В3: Почему резисторы предварительной зарядки выходят из строя при перезапуске?

Потому что элемент не остыл. При перезапуске через 30 секунд после выключения он всё ещё поглощает 169 Дж, что составляет 94% от показателя холодного запуска, в то время как в горячем состоянии деталь поглощает всего около 140 Дж. Показатель холодного запуска, измеренный на детали с температурой 25 °C, не описывает это явление.

Вопрос 4: Таймер или пороговое напряжение для обходного режима?

Пороговое напряжение. Компаратор удерживает точку замыкания на уровне 95% от V_rect по мере старения контактора, а фиксированная задержка изменяется с износом и температурой. Пороговое значение также преобразует это изменение в сигнал тревоги, а не в сигнал неисправности.

В5: Зачем заменять терморезистор NTC?

Поскольку его защита зависит от сопротивления, используемого при высокой температуре, оно отсутствует при быстром перезапуске. Фиксированное сопротивление ведет себя одинаково при любой температуре, что важно для лазерных ячеек, работающих циклически за одно задание.

В6: Какова стоимость разрядника в пересчете на потребляемую мощность?

Для элемента с сопротивлением 2.2 кОм требуется 164 Вт при 600 В, что соответствует требованию правила 5-секундного разряда для шины емкостью 1,000 мкФ. Разрядник с сопротивлением 22 кОм потребляет 16 Вт, разряжается ниже 60 В за 51 секунду и ограничивает энергию перезапуска на уровне 169 Дж через 30 секунд.

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 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
6. МЭК 62477-1:2022, Требования безопасности для силовых электронных преобразовательных систем и оборудования — Часть 1: Общие положения, 2-е изд. Женева: МЭК, 2022.
7. 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.
8. 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.
9. Рашид, М.Х. (ред.), Справочник по силовой электронике, 4-е изд. Оксфорд: Butterworth-Heinemann, 2017.
10. 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 .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com