Ограничения тока утечки Y-конденсатора для материалов, используемых при лазерной резке.

Ограничения тока утечки Y-конденсатора для материалов, используемых при лазерной резке.

Резюме

Станки для лазерной резки должны поддерживать ток защитного проводника в пределах допустимых значений, и большая часть этого запаса расходуется на Y-конденсаторы входного ЭМИ-фильтра. В этой статье выводится значение утечки на частоте 50 Гц для каждой емкости, суммируются пути выходного кабеля и трансформатора, показано, как ремонт с целью обеспечения электромагнитной совместимости может преодолеть этот предел, и предлагаются шесть шагов, которые обеспечивают сочетание электромагнитной совместимости и безопасности.

1. Введение

Промышленный станок лазерной резки должен ограничивать ток, который может проходить через его проводящие части. Стандарт безопасности оборудования устанавливает это ограничение на уровне 3.5 мА для оборудования с фиксированным подключением и допускает до 10 мА для промышленного оборудования с профессиональной установкой и маркировкой.

Основной вклад в электромагнитные помехи вносит не нагрузка. Важную роль играет собственный фильтр электромагнитных помех машины. Его Y-конденсаторы соединяют каждую линию электропитания с землей и по своей природе пропускают ток частотой 50 Гц. Каждый нанофарад Y-конденсатора увеличивает ток, измеряемый в защитном проводнике.

Высоковольтный блок создает собственные цепи. Выходной кабель по всей своей длине имеет емкость, обеспечивающую связь с землей. Высоковольтный трансформатор связывается с землей через межвитковую емкость. Цепь делителей специально заземляет выходное напряжение 20 кВ. Лазерный станок добавляет миллиамперы, которые низковольтный станок никогда не видит.

Для соответствия требованиям ЭМС требуется большая емкость Y-разъема, а для соответствия требованиям безопасности — меньшая. Оба требования выражаются одним и тем же числом. В оставшейся части статьи это число выводится, разбивается на отдельные позиции и показывается, как построить высоковольтный раздел таким образом, чтобы он не расходовал допустимый объем.

2. Основной механизм

2.1 Утечка одного Y-конденсатора

Конденсатор, соединенный между сетью и землей, пропускает ток с частотой сети, и этот ток следует за емкостью:

I_leak = 2 × π × f × C_Y × V_phase

где I_leak — ток 50 Гц через конденсатор, f — частота сети, C_Y — емкость между линией и землей, а V_phase — фазное напряжение между фазой и землей.

При напряжении 231 В и частоте 50 Гц Y-конденсатор емкостью 4.7 нФ пропускает ток 0.34 мА. Десять таких элементов достигают тока 3.4 мА, что составляет 97% от предельного значения в 3.5 мА. Один фильтр служит как для плана электромагнитной совместимости, так и для измерения безопасности, и каждый элемент, добавленный для обеспечения ЭМС, присутствует во втором фильтре.

2.2 Итого по каждой позиции стоимости оборудования

Каждый земной путь вносит свой собственный ток, и пути суммируются:

I_total = I_filter + I_IW + I_cable + I_div

где I_total — общий ток защитного проводника, I_filter — сумма токов Y-конденсаторов входного фильтра, I_IW — вклад межобмоточной проводимости трансформатора, I_cable — вклад выходного кабеля, и I_div — вклад делительной цепи.

Производственный станок с десятью фильтрующими элементами емкостью 4.7 нФ потребляет 3.4 мА только от самого фильтра. Его 5-метровый выходной кабель добавляет 1.9 мА, а делительная цепь — 0.13 мА. В сумме это составляет 5.4 мА при максимальном значении 3.5 мА, причем 2.0 мА приходится на высоковольтную секцию.

2.3 Траектория выходного кабеля

Кабель длиной l содержит распределенную емкость, замкнутую на землю, и напряжение на проводнике приводит к протеканию через него тока:

I_cable = 2 × π × f × (C' × l) × V_out

где I_cable — ток утечки кабеля, C' — емкость на метр, l — длина установленного кабеля, а V_out — выходное напряжение относительно земли.

При 60 пФ/мА 5-метровый кабель выдерживает 300 пФ. При напряжении 20 кВ на проводнике ток составляет 1.9 мА. Эта цифра относит весь выходной сигнал к земле на частоте сети, что делает её наихудшим случаем, а не измеренным значением. Увеличение длины кабеля до 10 м удваивает емкость и добавляет 3.8 мА.

2.4 Стоимость устранения Y-емкости с точки зрения электромагнитной совместимости

Затухание синфазного сигнала возрастает с увеличением емкости Y-цепи, и эти два параметра изменяются синхронно:

Att_CM ≈ 20 × log10(1 + 2 × π × f × C_Y × Z_gnd)

где Att_CM — коэффициент затухания синфазного сигнала в дБ, f — интересующая частота, C_Y — Y-емкость, а Z_gnd — импеданс обратного тракта.

Уменьшение емкости Y-цепи вдвое снижает утечку примерно вдвое и приводит к ослаблению сигнала примерно на 6 дБ. Запишите это значение перед изготовлением фильтра. Эти 6 дБ, которые будут компенсированы позже, после неудачного теста на электромагнитную совместимость, обойдутся дороже, чем когда-либо стоила емкость.

2.5. Трансформаторная связь на коммутационных гармониках

Межобмоточная емкость высоковольтного трансформатора создает импеданс между коммутирующим узлом и землей:

Z_IW = 1 / (2 × π × f × C_IW)

где Z_IW — импеданс между обмотками, f — частота, а C_IW — межвитковая емкость.

При частоте 50 Гц трансформатор с емкостью 30 пФ обеспечивает сопротивление 106 МОм относительно земли, поэтому сопротивление на частоте сети пренебрежимо мало. При частоте переключения 100 кГц та же емкость 30 пФ составляет 53 кОм. Сопротивление на частоте переключения исчерпывает допустимый диапазон, а экран Фарадея уменьшает его на 80–90%.

Рис. 1 — Десять Y-конденсаторов емкостью 4.7 нФ обеспечивают ток 3.4 мА; выходной кабель длиной 5 м добавляет 1.9 мА, а делитель — 0.13 мА, в итоге получается 5.4 мА против предельного значения в 3.5 мА.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Ремонт электромагнитной совместимости, нарушающий предел безопасности.

Оборудование не соответствует промышленному пределу электромагнитной совместимости (ЭМС) на уровне 8 дБ на частоте 30 МГц. Быстрый ремонт включает добавление трех Y-конденсаторов емкостью 4.7 нФ на фазу, всего девять деталей. Ток утечки возрастает с 2.7 мА до 5.8 мА, что на 66% выше предельного значения в 3.5 мА. В этом случае требуется профессиональная установка оборудования с допустимым током утечки 10 мА, иначе ремонт будет отклонен, и проблема с ЭМС повторится.

Проблема 2: Выходной кабель находится вне зоны контроля конструкции.

Емкость выходного кабеля зависит от его длины, трассы прокладки и расстояния до заземленного металла. Удлинитель длиной 10 м, установленный на месте, повышает ток высоковольтного пути на 3.8 мА. При этом в проектной документации ничего не меняется, и никаких сигналов тревоги не поступает. Кабель с емкостью 50 пФ/м или менее, нарезанный на заданную длину, позволяет поддерживать этот путь в известном состоянии.

Проблемный момент 3: Взаимная емкость обмотки питает цепь заземления.

В неэкранированном высоковольтном трансформаторе между обмотками содержится от 10 до 30 пФ тока. На частоте 50 Гц это составляет 106 МОм, и этот путь остается невидимым при проверке на утечку. На коммутационных гармониках он составляет 53 кОм, и протекающий через него ток попадает в зону измерения защитного проводника на частотах, где входные Y-конденсаторы выполняют свою наиболее полезную работу.

Проблема 4: дрейф коэффициента напряжения и старения в компонентах класса II.

Y-конденсаторы в защитном фильтре должны выходить из строя в режиме разомкнутой цепи. Компоненты класса II имеют коэффициент напряжения и подвержены старению, поэтому их емкость изменяется в течение срока службы, и, соответственно, изменяется и ток утечки. Разработчик, рассчитывающий параметры на наихудший сценарий в конце срока службы, оставляет меньший запас для высоковольтной секции, чем указано в технической документации.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Сначала составьте постатейный бухгалтерский учет.

Перечислите все фазо-земные емкости на начальном этапе проектирования: входной фильтр, трансформатор, выходной кабель, цепь делителей. Вычислите ток каждого из них при частоте 50 Гц. Ни один Y-конденсатор не должен использоваться в схеме без заявленного преимущества в плане электромагнитной совместимости, а высоковольтные цепи учитываются до того, как они достигнут запаса.

Стратегия 2: Разместите Y-емкость на входном фильтре.

Входной фильтр обеспечивает наибольшее ослабление синфазного сигнала на миллиампер, поэтому он занимает наибольшую долю допустимого напряжения. Небольшие Y-конденсаторы, разбросанные по высоковольтной секции, пропускают ток, не фильтруя ничего существенного. Выбирайте компоненты для подключения к сети, которые... сертифицированный по безопасности для работы в режиме "линия-земля".

Стратегия 3: Контроль распределенной емкости кабеля.

Укажите значение 50 пФ/м или меньше, обрежьте кабель до заданной длины и проложите его вдали от заземленных металлических поверхностей. Если удлинение кабеля неизбежно, явно учтите дополнительные 3.8 мА на каждые 10 м и заблокируйте устройство, когда измеренный ток превысит значение, указанное в регистре.

Стратегия 4: Экранировать трансформатор

Установите экран Фарадея с межвитковым соединением и подключите его к заземлению первичной обмотки. Экран уменьшает связь вторичной обмотки с землей на 80–90% и замыкает самый большой неконтролируемый путь в высоковольтной секции без увеличения емкости Y-цепи. Проверьте трансформатор с незакрепленным экраном и с заземленным экраном и сравните показания тока утечки в обоих случаях.

Стратегия 5: Использование конденсаторов класса I со стабильным током утечки.

Диэлектрик класса I сохраняет свою емкость при изменении температуры, напряжения и срока службы, поэтому утечка, измеренная при вводе в эксплуатацию, представляет собой утечку, доставленную в конце срока службы. HVC N4700 Детали обладают коэффициентом рассеяния ниже 0.1% и температурным коэффициентом ±30 ppm/°C. В делительной цепи используется толстопленочный резистор и резистор выборки выбраны за ту же стабильность.

Стратегия 6: Проверяйте каждую машину, а не только типовой образец.

Проведите тест на ток защитного проводника для каждого поставляемого устройства. Отклонение конфигурации в полевых условиях, добавление фильтров и удлинение выходных кабелей — все это отражается в этом тесте, но ничто из этого не отображается в файле проекта.

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 пути утечки.

Утечка остается предсказуемой, если емкость остается предсказуемой. Компания HVC производит конденсаторы класса I N4700 для заземления и высоковольтной секции источников питания лазеров 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 утечка на протяжении всего срока службы. Диэлектрик класса I сохраняет емкость и коэффициент рассеяния, поэтому данные, записанные в начале проектирования, остаются актуальными после десяти лет эксплуатации.
• Частичный разряд ниже 5 пКл при номинальном напряжении. Заводская экранировка от частичных разрядов предотвращает попадание собственного тока из конденсатора в цепь заземления, которую измеряет датчик безопасности.
• Низкий коэффициент рассеяния. Значение tanδ ниже 0.1% обеспечивает постоянные потери на входе фильтра при нагреве машины, поэтому для соответствия требованиям ЭМС не требуется дополнительная емкость Y-типа, которая бы превысила допустимый предел.
• Полный диапазон напряжения. От вспомогательных цепей 1 кВ до выходных каскадов 40 кВ — один квалификационный цикл охватывает делитель, фильтр и выходной каскад. быстровосстанавливающийся диод.
• Настраиваемые значения емкости. HVC рассчитывает точное значение, соответствующее целевому показателю ЭМС при минимальных потерях, что исключает необходимость гадания.
• 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 фильтров и делителей — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC проверяют данные об утечках на соответствие плану ЭМС и в течение пяти рабочих дней высылают лист выбора конденсаторов с данными о частичных разрядах и отчетами о сроке службы. Необходимо указать фазное напряжение, длину установленного кабеля, выходное напряжение и применимый предельный ток.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую величину утечки вносит один Y-конденсатор емкостью 4.7 нФ?

0.34 мА при фазном напряжении 231 В и частоте 50 Гц, из 2 × π × 50 × 4.7 нФ × 231 В. Десять таких элементов достигают 3.4 мА, что составляет 97% от предела в 3.5 мА, применимого к машине с фиксированным подключением.

В2: Почему выходной кабель имеет значение для машины, работающей на 20 кВ?

При 60 пФ/м 5-метровый кабель содержит 300 пФ относительно земли. При этом составляющая выходного сигнала, соответствующая частоте сети, пропускает через него ток 1.9 мА, а 10-метровое удлинительное кабеле добавляет 3.8 мА. Кабель с номинальным сопротивлением 50 пФ/м или менее, обрезанный до заданной длины, обеспечивает предсказуемость пути тока.

В3: Можно ли выполнить ремонт с учетом электромагнитной совместимости, уложившись в лимит 3.5 мА?

Учитывайте затраты на ремонт до его установки. Добавление девяти Y-конденсаторов емкостью 4.7 нФ увеличивает потребление тока устройством с 2.7 мА до 5.8 мА, что на 66% превышает допустимый предел. Восстановление 6 дБ ослабления другими способами, такими как экранирование или улучшенная схема фильтра, обходится дешевле, чем повторная сертификация устройства.

Вопрос 4: Насколько экран Фарадея уменьшает путь прохождения сигнала через трансформатор?

80–90% связи вторичной обмотки с землей. Экран располагается между обмотками и соединяется с первичной обмоткой заземления. Он устраняет самый большой неконтролируемый путь в высоковольтной секции, не добавляя ни одного нанофарада емкости Y-цепи.

Вопрос 5: Какой конденсатор обеспечивает сохранность бухгалтерской книги по истечении срока ее службы?

Деталь класса I. N4700 имеет коэффициент рассеяния ниже 0.1%, температурный коэффициент ±30 ppm/°C и емкость, которая не изменяется с напряжением или сроком службы, поэтому значение утечки, полученное при вводе в эксплуатацию, остается значением, полученным к концу срока службы.

В6: Где следует разместить Y-емкость?

На входном фильтре, потому что именно там каждый миллиампер обеспечивает наибольшее ослабление синфазного сигнала. Y-конденсаторы, распределенные по высоковольтной секции, пропускают тот же ток и фильтруют гораздо меньший ток, поэтому они потребляют запас мощности без существенного улучшения согласования характеристик.

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 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.
6. 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.
7. МЭК 60664-1:2020, Координация изоляции оборудования в низковольтных системах электроснабжения — Часть 1: Принципы, требования и испытания., 3-е изд. Женева: МЭК, 2020.
8. 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.
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. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com