Limites de corrente de fuga do capacitor Y para suprimentos de corte a laser

Limites de corrente de fuga do capacitor Y para suprimentos de corte a laser

Sumário

As máquinas de corte a laser devem manter a corrente do condutor de proteção dentro dos limites de segurança da máquina, e os capacitores Y do filtro EMI de entrada consomem a maior parte dessa margem. Este artigo calcula a fuga de 50 Hz de cada capacitância, adiciona os caminhos do cabo de saída e do transformador, mostra como um reparo de EMC pode ultrapassar o limite e apresenta seis etapas que garantem a compatibilidade eletromagnética e a segurança.

1. Introdução

Uma máquina de corte a laser industrial deve limitar a corrente que uma pessoa pode receber através de suas partes condutoras. A norma de segurança de máquinas estabelece esse limite em 3.5 mA para equipamentos com conexão fixa e permite até 10 mA para máquinas industriais com instalação e marcação profissionais.

A carga não é a principal responsável. O próprio filtro EMI da máquina é. Seus capacitores em Y conectam cada linha de alimentação ao terra e, por natureza, conduzem corrente de 50 Hz. Cada nanofarad de capacitância em Y contribui para a corrente medida no condutor de proteção.

A unidade de alta tensão cria seus próprios caminhos. O cabo de saída mantém capacitância em relação ao terra ao longo de seu comprimento. O transformador de alta tensão acopla-se à terra através da capacitância entre seus enrolamentos. A cadeia divisora ​​conecta a saída de 20 kV à terra propositalmente. Uma máquina a laser adiciona miliamperes que uma máquina de baixa tensão jamais verá.

A conformidade com as normas de EMC exige uma capacitância Y maior, enquanto a conformidade com as normas de segurança exige uma menor. Ambos os requisitos indicam o mesmo valor. O restante deste artigo deriva esse valor, divide-o em itens e mostra como construir a seção de alta tensão de forma que ela não consuma toda a capacitância permitida.

2. Mecanismo Central

2.1 Vazamento de um capacitor Y

Um capacitor entre a linha e o terra conduz corrente na frequência da rede elétrica, e essa corrente segue a capacitância:

I_leak = 2 × π × f × C_Y × V_phase

onde I_leak é a corrente de 50 Hz através do capacitor, f é a frequência da rede elétrica, C_Y é a capacitância da linha para a terra e V_phase é a tensão fase-terra.

A 231 V e 50 Hz, um capacitor Y de 4.7 nF conduz 0.34 mA. Dez componentes desse tipo atingem 3.4 mA, o que corresponde a 97% do limite de 3.5 mA. Um filtro serve tanto para o plano de EMC quanto para a medição de segurança, e cada componente adicionado para EMC aparece no segundo filtro.

2.2 Total por item da máquina

Cada caminho terrestre contribui com sua própria corrente, e os caminhos se somam:

I_total = I_filter + I_IW + I_cable + I_div

onde I_total é a corrente total do condutor de proteção, I_filter a soma das correntes do capacitor Y do filtro de entrada, I_IW a contribuição do enrolamento intermediário do transformador, I_cable a contribuição do cabo de saída e I_div a contribuição da cadeia divisora.

Uma máquina de produção com dez componentes de filtro de 4.7 nF atinge 3.4 mA apenas com o filtro. Seu cabo de saída de 5 m adiciona 1.9 mA e a cadeia divisora ​​adiciona 0.13 mA. O total é de 5.4 mA, contra um limite de 3.5 mA, sendo que a seção de alta tensão representa 2.0 mA desse total.

2.3 O percurso do cabo de saída

Um cabo de comprimento l mantém capacitância distribuída em relação ao terra, e a tensão no condutor induz corrente através dele:

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

onde I_cabo é a corrente de fuga do cabo, C' a capacitância por metro, l o comprimento instalado e V_saída a tensão de saída referida à terra.

Com uma capacitância de 60 pF/mA, um cabo de 5 m suporta 300 pF. Com 20 kV no condutor, o percurso transporta 1.9 mA. Esse valor refere-se à saída total para a terra na frequência da rede elétrica, o que o torna um caso extremo em vez de uma medição precisa. Uma extensão do cabo para 10 m dobra a capacitância e adiciona 3.8 mA.

2.4 O custo de EMC da remoção da capacitância Y

A atenuação em modo comum aumenta com a capacitância em Y, e as duas se movem juntas:

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

onde Att_CM é a atenuação de modo comum em dB, f a frequência de interesse, C_Y a capacitância Y e Z_gnd a impedância do caminho de retorno.

Reduzir a capacitância em Y pela metade resulta em aproximadamente metade da fuga de corrente e custa cerca de 6 dB de atenuação. Anote essa taxa de conversão antes de construir o filtro. Os 6 dB recuperados posteriormente, após um teste de EMC reprovado, custam mais do que a capacitância em si.

2.5 Acoplamento do transformador em harmônicos de comutação

A capacitância entre os enrolamentos do transformador de alta tensão estabelece uma impedância entre o nó de comutação e o terra:

Z_IW = 1 / (2 × π × f × C_IW)

onde Z_IW é a impedância entre enrolamentos, f a frequência e C_IW a capacitância entre enrolamentos.

A 50 Hz, um transformador de 30 pF apresenta 106 MΩ para o terra, portanto o caminho da frequência da rede elétrica é desprezível. Na taxa de comutação de 100 kHz, o mesmo capacitor de 30 pF apresenta 53 kΩ. O caminho da frequência de comutação consome toda a tolerância, e uma blindagem de Faraday remove de 80% a 90% dessa tolerância.

Figura 1 — Dez capacitores Y de 4.7 nF levam a máquina a 3.4 mA; o cabo de saída de 5 m adiciona 1.9 mA e o divisor 0.13 mA, para 5.4 mA contra um limite de 3.5 mA.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Um reparo de EMC que ultrapassa o limite de segurança

Uma máquina apresenta uma falha de EMC de 8 dB a 30 MHz, ultrapassando o limite industrial. O reparo rápido adiciona três capacitores Y de 4.7 nF por fase, totalizando nove componentes. A corrente de fuga aumenta de 2.7 mA para 5.8 mA, o que representa um aumento de 66% em relação ao limite de 3.5 mA. A máquina necessita, então, de uma instalação profissional com tolerância de 10 mA, caso contrário, o reparo será rejeitado e a falha de EMC retornará.

Problema 2: O cabo de saída fica fora do controle do projeto.

A capacitância do cabo de saída depende do seu comprimento, do seu percurso e da sua distância de um ponto metálico aterrado. Uma extensão de 10 m instalada em campo aumenta a corrente no caminho de alta tensão em 3.8 mA. Nada no arquivo de projeto é alterado e nenhum alarme é acionado. Um cabo especificado com capacitância de 50 pF/m ou menos, cortado no comprimento especificado no projeto, mantém essa capacitância conhecida.

Problema 3: A capacitância entre os enrolamentos alimenta o caminho de aterramento.

Um transformador de alta tensão não blindado apresenta uma capacitância entre 10 pF e 30 pF entre seus enrolamentos. A 50 Hz, isso corresponde a 106 MΩ, e o caminho permanece invisível em um teste de fuga. Nos harmônicos de comutação, a capacitância é de 53 kΩ, e a corrente que flui por ali incide na medição do condutor de proteção nas frequências em que os capacitores Y de entrada desempenham sua função mais útil.

Problema 4: Coeficiente de tensão e deriva por envelhecimento em componentes de Classe II

Os capacitores Y em um filtro de segurança devem falhar em circuito aberto. Um componente de Classe II apresenta um coeficiente de tensão e uma deriva de envelhecimento, de modo que sua capacitância varia ao longo da vida útil e sua corrente de fuga também. Um projetista que dimensiona considerando o pior cenário no final da vida útil deixa uma margem menor para a seção de alta tensão do que a indicada na folha de dados.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Primeiro, crie o razão de itens individuais.

Liste todas as capacitâncias fase-terra no início do projeto: filtro de entrada, transformador, cabo de saída, cadeia divisora. Calcule a corrente de 50 Hz de cada uma. Nenhum capacitor em Y entra no projeto sem um benefício EMC especificado, e os caminhos de alta tensão são contabilizados antes de consumirem a margem.

Estratégia 2: Colocar um capacitor Y no filtro de entrada.

O filtro de entrada oferece a maior atenuação de modo comum por miliampère, portanto, consome a maior parte da tolerância. Pequenos capacitores Y espalhados pela seção de alta tensão apresentam fuga de corrente sem filtrar nada relevante. Escolha componentes do lado da rede elétrica que sejam certificado de segurança para serviço de linha-terra.

Estratégia 3: Controlar a capacitância distribuída do cabo

Especifique 50 pF/m ou menos, corte o cabo no comprimento desejado e direcione-o para longe de metais aterrados. Quando uma extensão de campo for inevitável, calcule explicitamente os 3.8 mA extras a cada 10 m e intertrave a máquina quando a corrente medida ultrapassar o valor de referência.

Estratégia 4: Blindar o transformador

Instale uma blindagem Faraday entrelaçada e conecte-a ao terra primário. A blindagem reduz o acoplamento secundário-terra em 80% a 90% e fecha o maior caminho não controlado na seção de alta tensão sem adicionar capacitância em Y. Teste o transformador com a blindagem flutuando e com a blindagem aterrada, e compare as duas leituras de fuga.

Estratégia 5: Utilize capacitores de Classe I com fuga estável.

Um dielétrico de Classe I mantém sua capacitância em função da temperatura, da tensão e da vida útil, portanto, a corrente de fuga medida na inicialização é a mesma corrente de fuga ao final da vida útil. HVC N4700 As peças apresentam um fator de dissipação inferior a 0.1% e um coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C. A corrente divisora ​​utiliza um resistor de filme espesso e uma resistor de amostragem Escolhidos pela mesma estabilidade.

Estratégia 6: Teste todas as máquinas, não apenas o protótipo.

Execute o teste de corrente do condutor de proteção em todas as unidades enviadas. Desvios na configuração de campo, filtros adicionais e cabos de saída mais longos são detectados nesse teste, mas nenhum deles consta no arquivo de projeto.

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	-
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 o caminho de fuga

A fuga de corrente permanece previsível quando a capacitância permanece previsível. A HVC fabrica capacitores N4700 Classe I para os circuitos de aterramento e a seção de alta tensão de fontes de alimentação de laser, em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, para uma faixa de tensão de 1 kV a 100 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Vazamento estável ao longo da vida útil. O dielétrico de Classe I mantém a capacitância e o fator de dissipação, de modo que as especificações do projeto permanecem válidas após dez anos de uso em campo.
• Descarga parcial inferior a 5 pC na tensão nominal. A blindagem de fábrica contra descarga parcial impede que o capacitor injete sua própria corrente no caminho de terra que está sendo medido pelo dispositivo de segurança.
• Baixo fator de dissipação. Um tanδ abaixo de 0.1% mantém a perda de inserção do filtro constante à medida que a máquina aquece, portanto, a conformidade com EMC não exige capacitância Y adicional que consumiria a tolerância permitida.
• Cobertura total de tensão. Desde circuitos auxiliares de 1 kV até estágios de saída de 40 kV, um único teste de qualificação abrange o divisor, o filtro e a saída. diodo de recuperação rápida.
• Valores de capacitância personalizados. A HVC calcula o valor exato que atende à meta de EMC com o menor custo de fuga, eliminando as suposições do balanço patrimonial.
• Histórico comprovado de substituição. A série 441/40 kV. capacitores maçaneta são uma substituição direta qualificada para Murata Capacitores do tipo parafuso no programa de reparo em campo de fontes de luz para litografia, e os desenvolvedores de DUV agora especificam componentes HVC em novas fontes de luz.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas, e os conjuntos de filtros e divisores combinados em 6 a 10 semanas. A equipe de engenharia de aplicações da HVC analisa o relatório de fuga em comparação com o plano de EMC e envia uma planilha de seleção de capacitores com dados de descargas parciais e relatórios de vida útil em até cinco dias úteis. Envie a tensão de fase, o comprimento do cabo instalado, a tensão de saída e o limite de corrente aplicável.

6. Perguntas frequentes

Q1: Qual é a corrente de fuga adicionada por um capacitor Y de 4.7 nF?

0.34 mA a 231 V de tensão de fase e 50 Hz, a partir de 2 × π × 50 × 4.7 nF × 231 V. Dez dessas peças atingem 3.4 mA, o que representa 97% do limite de 3.5 mA aplicável a uma máquina com conexão fixa.

Q2: Por que o cabo de saída é importante em uma máquina de 20 kV?

Com uma capacitância de 60 pF/m, um cabo de 5 m suporta 300 pF em relação ao terra. A componente de frequência da rede elétrica da saída, então, induz 1.9 mA através dele, e uma extensão de campo de 10 m adiciona 3.8 mA. Um cabo com capacitância nominal de 50 pF/m ou menos, cortado no comprimento desejado, mantém o percurso previsível.

P3: Um reparo de EMC pode ficar dentro do limite de 3.5 mA?

Calcule o custo do reparo antes da instalação. A adição de nove capacitores Y de 4.7 nF eleva o consumo da máquina de 2.7 mA para 5.8 mA, o que representa um aumento de 66% no limite. Recuperar 6 dB de atenuação por outros meios, como uma blindagem ou uma topologia de filtro melhor, custa menos do que recertificar a máquina.

Q4: Em quanto um escudo de Faraday reduz o percurso do transformador?

80% a 90% do acoplamento secundário-terra. A blindagem é instalada entre os enrolamentos e conectada ao terra primário. Ela elimina o maior caminho não controlado na seção de alta tensão sem adicionar um único nanofarad de capacitância em Y.

Q5: Qual capacitor mantém o registro válido ao final de sua vida útil?

Componente de Classe I. O N4700 apresenta um fator de dissipação inferior a 0.1%, um coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C e uma capacitância que não sofre deriva com a tensão ou o tempo, de modo que o valor de fuga em operação permanece o mesmo ao final da vida útil.

Q6: Onde deve ser posicionado o capacitor Y?

No filtro de entrada, porque é ali que cada miliampère proporciona a maior atenuação de modo comum. Os capacitores em Y distribuídos pela seção de alta tensão vazam a mesma corrente e filtram muito menos, portanto, consomem a capacidade de filtragem sem oferecer um benefício de adaptação.

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