Seleção de capacitores X e Y para limites de fuga na cura UV

Seleção de capacitores X e Y para limites de fuga na cura UV

Sumário

Os equipamentos de cura UV operam com estágios de tensão de 230–480 VCA e estágios de alta tensão de 5–20 kVCC, com pulsos de ignição de até 30 kV. Portanto, a corrente de fuga e a coordenação do isolamento determinam se a máquina pode ser comercializada. Este artigo apresenta a soma da corrente de contato, o termo de capacitância parasita, as regras das classes X e Y e o requisito de falha em circuito aberto, além de seis etapas que garantem a aprovação na primeira tentativa e a manutenção da certificação.

1. Introdução

Uma máquina de cura UV opera em dois domínios de tensão simultaneamente. O estágio da rede elétrica funciona com 230–480 VCA, e o estágio da lâmpada funciona com 5–20 kVCC, com pulsos de ignição que chegam a 30 kV.

A arquitetura de segurança em torno desses domínios provém de uma família de normas. A IEC 60664-1 estabelece a coordenação do isolamento com relação à distância de fuga e ao afastamento. A IEC 60990 define como a corrente de contato é medida.

O capacitor desempenha duas funções de segurança. Os capacitores Y conectam o filtro de entrada ao terra, e os capacitores de alta tensão nunca devem falhar de forma que a corrente atinja o operador.

Este artigo aborda a soma de vazamento, o termo parasita, as regras de classe para as peças X e Y, quatro pontos problemáticos em campo e seis etapas de projeto que mantêm a máquina dentro dos limites de sua certificação.

2. Mecanismo Central

2.1 A soma da corrente de toque

A corrente de toque é a corrente que chega à terra através do condutor de proteção e do operador. Cada capacitor Y contribui proporcionalmente à sua reatância na frequência da rede elétrica:

I_Y = 2π × f × C_Y × V_LN

onde I_Y é a corrente através de um capacitor Y, f é a frequência da linha, C_Y é sua capacitância e V_LN é a tensão entre a linha e o neutro que alimenta o caminho da linha para a terra.

O total inclui todos os capacitores Y e todos os caminhos parasitas:

I_touch = ∑ I_Y + I_stray

onde I_touch é a corrente de toque medida, ∑ I_Y a soma sobre todos os capacitores Y e I_stray a corrente através das capacitâncias parasitas de qualquer nó para o terra.

A 230 V e 50 Hz, um nanofarad transporta 72 µA. A 60 Hz, a mesma partícula transporta 87 µA, o que reduz significativamente todos os valores subsequentes.

2.2 Cálculo da tolerância e o valor máximo de Y

A margem de projeto fica abaixo do limite, de forma que o envelhecimento e a dispersão dos componentes permaneçam dentro desse limite:

I_allow = 0.7 × I_limit

onde I_allow é a tolerância de projeto e I_limit o limite aplicável: 250 µA para equipamentos portáteis e 3.5 mA para equipamentos fixos de acordo com a norma IEC 60990.

Reorganizando as duas equações, obtemos a maior capacitância total Y que o layout pode suportar:

C_Y_max = (I_allow − I_stray) / (2π × f × V_LN)

onde C_Y_max é a capacitância total de Y, I_allow é a tolerância de projeto e I_stray é o termo de corrente parasita.

Com uma tolerância de 175 µA e 14 µA de corrente parasita, C_Y_max é 2.23 nF a 50 Hz e 1.86 nF a 60 Hz. Dois componentes de 1 nF se encaixam a 50 Hz; um terceiro não.

2.3 Capacitância parasita e a borda de comutação

A capacitância parasita de um nó de comutação para o terra ocupa a mesma cota que um capacitor Y. Na borda de comutação, ela também transporta corrente de deslocamento.

I_stray = C_stray × dV/dt

onde I_stray é a corrente de deslocamento, C_stray a capacitância parasita entre o nó e a terra, e dV/dt a taxa de variação da tensão do barramento.

Um barramento de 400 V comutado em 200 ns tem uma taxa de variação de 2 V/ns. Com 200 pF de capacitância parasita, a borda de subida gera uma corrente de pico de 0.4 A, que o indutor de modo comum e a blindagem devem suportar.

A 50 Hz, esses mesmos 200 pF adicionam 14 µA à soma da corrente de toque, que é a contribuição de um capacitor Y de 0.2 nF.

2.4 Coordenação de isolamento e a regra de falha aberta

A distância de isolamento e a distância de fuga são medidas pela tensão de pico, não pelo valor RMS:

V_peak = √2 × V_rms

onde V_pico é a tensão de pico de trabalho usada para a coordenação do isolamento e V_rms a tensão nominal da rede. Uma linha de 230 V apresenta 325 V de pico, e a classificação transitória adiciona a classe de impulso.

Os componentes Y1 possuem uma classificação de impulso de pico de 8 kV e uma tensão de trabalho de até 250 VCA. Os componentes Y2 são classificados para impulso de 5 kV para posições de menor risco. Os componentes X ficam entre as fases e são classificados para o transiente que ocorre nesse ponto.

A regra de construção é absoluta: o modo de falha deve ser circuito aberto. Descargas parciais abaixo de 5 pC a 1.2 vezes a tensão nominal fazem parte dessa garantia, pois um componente que sofre erosão e entra em curto-circuito inesperadamente anula o fusível que o protege.

Figura 1 — Um limite de corrente de toque de 250 µA deixa uma margem de segurança de 92 µA após a consideração de dois capacitores Y de 1 nF e 200 pF de capacitância parasita no barramento, e a linha de tolerância de 70% ainda os elimina.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: O impasse entre EMI e fuga de corrente

A máquina falha no teste de emissões conduzidas, então o filtro ganha capacitância Y. As emissões passam no teste, e a medição da corrente de contato agora falha porque a soma excede 250 µA.

O ciclo de redesenho leva semanas. A solução é elevar primeiro o indutor de modo comum e blindar o nó de comutação, de forma a obter a supressão sem comprometer a margem de fuga.

Problema 2: A capacitância parasita consome a capacidade disponível.

Cada picofarad entre um nó de comutação e o terra consome a mesma capacitância. Um barramento de 400 V roteado próximo a um painel do chassi pode adicionar 200 pF, o que corresponde a 14 µA de corrente de toque a 50 Hz.

A máquina falha na medição sem nenhum capacitor Y instalado, e a solução está no projeto, não no filtro.

Problema 3: Substituição de classes de segurança em campo

A instalação de uma peça Y2 onde é necessária uma Y1, ou de uma peça não certificada na posição X, anula a certificação e remove a garantia de funcionamento em caso de falha.

A máquina continua funcionando até que uma sobretensão na rede elétrica rompa o capacitor e o chassi fique energizado, que é o evento que o sistema de classificação visa evitar.

Problema 4: Isolamento envelhecendo além da estrutura

As margens de fuga e de isolamento medidas na certificação degradam-se sob a ação de raios UV, ozono e contaminação. As superfícies aprovadas na fábrica apresentam uma corrente de fuga crescente com o passar dos anos.

Uma máquina que nunca é testada novamente opera fora de sua faixa de certificação, e o primeiro sintoma é o disparo do dispositivo de corrente residual em uma manhã úmida.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Criar uma planilha com o valor total das perdas.

Liste todos os capacitores Y, todas as estimativas de valor aleatório e o limite aplicável, e projete o filtro de forma que o total permaneça abaixo de 70% do limite.

Considerando uma tolerância portátil de 250 µA, isso significa 175 µA, restando 75 µA para deriva devido ao envelhecimento e dispersão dos componentes.

Estratégia 2: Use o indutor antes dos capacitores Y.

Aumente a indutância de modo comum e adicione uma blindagem entre o nó de comutação e o terra. Cada decibel de supressão obtido dessa forma deixa a tolerância de fuga inalterada.

Esta é a etapa que resolve o impasse no Ponto Crítico 1 e custa área do conselho em vez de margem de certificação.

Estratégia 3: Especificar apenas capacitores de segurança certificados

Uso Capacitores X e Y com certificação de segurança com as marcas aplicáveis ​​e bloqueie os números das peças na lista de materiais com instruções de montagem fotografadas.

Onde uma construção com capacidade de autocura for aceitável, um capacitor de filme Na posição X, o circuito fica aberto sob uma transição transitória da rede elétrica, que é o comportamento esperado pelo sistema da classe.

Estratégia 4: Manter o valor de Y estável em relação à temperatura.

Escolha Dielétrico de classe I com um coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C para as posições Y. A capacitância permanece constante e a corrente de fuga medida a 25 °C é a corrente de fuga a 0 °C e a 50 °C.

Um componente de Classe II com um amplo coeficiente de temperatura desloca a mesma tolerância em dezenas de porcento ao longo da faixa de operação do gabinete, e é assim que uma máquina aprovada em laboratório falha em campo.

Estratégia 5: Coordenar o dispositivo de corrente residual

Ajuste o dispositivo de corrente residual para que uma fuga normal a 70% do limite nunca o acione e uma falha de isolamento genuína seja eliminada em 100 ms.

A discriminação temporal entre o dispositivo de nível de máquina e o dispositivo a montante impede que uma única falha derrube toda a linha.

Estratégia 6: Recertificação de acordo com um cronograma

Meça a corrente de contato, a resistência de isolamento e a descarga parcial anualmente e após cada reparo de alta tensão.

A tendência de três anos é a evidência que justifica o revestimento de uma trilha de fuga ou a substituição de uma peça antes de um incidente. Sem a tendência, o primeiro dado só surge com o acidente.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	com tanδ de 0.1% ou melhor
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC N4700 para nós críticos de segurança

Três requisitos norteiam a escolha neste nó: capacitância que não sofre deriva com a temperatura, um modo de falha documentado e registros de testes que suportem o dossiê de certificação. A HVC fabrica componentes de Classe I para esse conjunto, em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, para tensões de 1 kV a 100 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• O dielétrico N4700 Classe I com tolerância de ±30 ppm/°C mantém a capacitância Y e a corrente de contato constantes em toda a faixa de temperatura, de modo que uma tolerância certificada a 25 °C se mantém a 0 °C e a 50 °C.
• A descarga parcial abaixo de 5 pC a 1.2 vezes a tensão nominal é garantida por componente, de modo que um capacitor de alta tensão não sofra erosão e entre em curto-circuito inesperado durante sua vida útil projetada.
• As versões X e Y, com classificação de segurança, são fornecidas com as marcas aplicáveis ​​para o filtro de rede, juntamente com a família de uso geral de 1 a 100 kV para o estágio da lâmpada.
• Um valor de tanδ inferior a 0.1% a 1 kHz mantém o filtro e os componentes de segurança resfriados, de modo que a fuga que eles produzem não varia com o autoaquecimento.
• Cada lote é enviado com registros de capacitância, tanδ, PD e resistência de isolamento, que é a documentação solicitada por um organismo de certificação.
• O capacitor de parafuso de 40 kV / 441 da HVC substituiu uma marca internacional de primeira linha em programas de serviço de campo onde a fuga é auditada até o nível de microampères. capacitores maçaneta e os discos correspondem aos parâmetros de Vishay e as gamas de alta tensão da TDK.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas, e os conjuntos com certificação de classe de segurança em 6 a 10 semanas. A equipe de engenharia de aplicações da HVC analisa a soma da fuga de corrente, a estimativa de corrente parasita e a seleção da classe de acordo com a configuração da sua rede elétrica.

Envie a configuração da rede elétrica, a tolerância de fuga, a topologia do filtro e os estágios de alta tensão. A HVC retorna uma seleção X e Y com cálculos de fuga, relatórios de teste de descargas parciais e o pacote de documentação para o arquivo de certificação, com amostras em duas semanas.

6. Perguntas frequentes

Q1: Qual é a quantidade de fuga adicionada por um nanofarad de capacitância Y?

A partir de I_Y = 2πfC_YV_LN, um nanofarad a 230 V fornece 72 µA a 50 Hz e 87 µA a 60 Hz. Um limite portátil de 250 µA, portanto, corresponde a cerca de 3.4 nF a 50 Hz antes que qualquer termo parasita seja considerado.

Q2: Por que limitar o projeto a 70% do limite?

Isso ocorre porque o envelhecimento, a temperatura e a dispersão dos componentes aumentam a soma após a certificação. Uma tolerância de projeto de 175 µA em relação a um limite de 250 µA deixa 75 µA para essa deriva, mantendo a máquina em conformidade após três anos de exposição a raios UV e ozônio.

Q3: Qual classe pertence a qual posição?

O Y1, com sua capacidade de suportar impulsos de 8 kV, é instalado em qualquer posição entre fase e terra onde uma falha colocaria o operador em risco. O Y2, com 5 kV, cobre nós entre fase e terra de menor risco. Os X1 e X2 ficam entre as fases. A marca no corpo do dispositivo é a única evidência aceita por um organismo de certificação.

Q4: Quanta capacitância parasita é considerada excessiva?

Compare isso com a tolerância. Um caminho de 200 pF para o terra consome 14 µA a 50 Hz, o que representa 8% de uma tolerância de 175 µA. Ele também gera 0.4 A de corrente de deslocamento a partir de um barramento de 400 V comutado em 200 ns, portanto, o roteamento é importante tanto para emissões quanto para fuga.

Q5: O que a descarga parcial tem a ver com segurança?

A erosão é um mecanismo de falha. Um componente mantido abaixo de 5 pC a 1.2 vezes a tensão nominal não se degrada a ponto de entrar em curto-circuito inesperadamente durante sua vida útil projetada, o que mantém o requisito de falha em circuito aberto válido para todo o intervalo de serviço e não apenas no teste de fábrica.

Q6: Com que frequência a máquina deve ser testada novamente?

Anualmente e após cada reparo de alta tensão, meça a corrente de contato, a resistência de isolamento e a descarga parcial, e monitore a tendência desses três valores. Essa tendência indica o momento ideal para limpar uma trilha de fuga ou substituir um capacitor, antes que o dispositivo de corrente residual (DR) force a tomada de decisão.

7. Referências

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