Compensación de los efectos de los cables largos en antorchas de corte por plasma

Compensación de los efectos de los cables largos en antorchas de corte por plasma

Compendio

En una cortadora de pórtico, la antorcha se sitúa entre 10 y 20 m de la fuente de alimentación, y el cable de la antorcha modifica la ráfaga de ignición, la corriente piloto y la retroalimentación de la tensión del arco. Este artículo modela el cable como una red distribuida, cuantifica el coeficiente de reflexión, la reactancia en serie y el retardo de retroalimentación para un tramo de 10 m a 500 kHz, y describe los cambios en la terminación, el reajuste del circuito resonante y la detección que hacen que la calidad de la ignición y del corte sea independiente de la longitud del cable.

1. Introducción

El cable de la antorcha en una instalación de corte por plasma tiene una longitud de 3 a 20 metros y transporta la ráfaga de ignición, la corriente piloto y de corte, la retroalimentación de la tensión del arco y las señales de control. Cada metro contiene de 0.6 a 1.0 µH de inductancia en serie y de 100 a 300 pF de capacitancia, por lo que un haz de 15 metros se comporta como una línea de transmisión y cada señal que transporta llega modificada.

El síntoma que los ingenieros detectan primero es la variación entre máquinas. El mismo modelo funciona correctamente en un cable de 3 m, pero falla en uno de 12 m, y la diferencia se manifiesta como un problema de fiabilidad sin que haya ninguna pieza defectuosa. Los reintentos queman las boquillas y la calidad del corte varía a lo largo de la mesa del pórtico.

Las células robóticas añaden una segunda variable. El haz se flexiona con cada postura, su separación con la estructura del brazo cambia y la inductancia mutua también cambia. La compensación ajustada en una postura resulta ser incorrecta en otra.

Este artículo describe una etapa de ignición de 500 kHz con una fuente de alimentación de 10 kV y un condensador de tanque de 4700 pF, primero con un cable de 3 m y luego con uno de 10 m. Los valores de compensación que se muestran a continuación varían según la longitud del cable y la frecuencia de diseño.

2. Mecanismo central

2.1 Impedancia característica y retardo

El cable de la linterna se comporta como una red LC distribuida. Su impedancia característica y su retardo de propagación se derivan de los valores por metro:

Z_c = √(L' / C')

t_d = length · √(L' · C')

donde Z_c = la impedancia característica, L' = la inductancia por metro, C' = la capacitancia por metro, t_d = el retardo unidireccional y longitud = la longitud del cable. Un haz de 10 m a 0.8 µH/m y 200 pF/m da Z_c = 63 Ω y t_d = 126 ns, por lo que el viaje de ida y vuelta tarda 253 ns frente a un período de ignición de 2 µs a 500 kHz.

2.2 Reflexión en el extremo de la antorcha

El pulso de ignición se refleja dondequiera que la impedancia de carga difiera de Z_c. El coeficiente de reflexión establece la amplitud del eco:

Γ = (Z_torch − Z_c) / (Z_torch + Z_c)

donde Γ = coeficiente de reflexión, Z_torch = impedancia del extremo de la linterna y Z_c = impedancia característica del cable. Una linterna que presenta 150 Ω frente a un cable de 63 Ω devuelve Γ = 0.41, por lo que el 17 % de la energía del pulso regresa como eco. Una terminación de 68 Ω en serie con un condensador de acoplamiento reduce ese valor a 0.04.

2.3 Reactancia en serie y caída de tensión piloto

La inductancia del cable añade una reactancia en serie entre el módulo de encendido y la antorcha, y como resultado, la corriente piloto disminuye:

i_p = V_ign / (R_arc + j·2πf · L_cable)

donde i_p = la corriente piloto, V_ign = la tensión de accionamiento de ignición, R_arc = la resistencia del arco, f = la frecuencia de ignición y L_cable = la inductancia total del cable. Para el haz de 10 m, L_cable = 8 µH, lo que da una reactancia de 25 Ω a 500 kHz. Frente a un arco de 30 Ω, la impedancia del bucle aumenta de 30 a 39 Ω, y la corriente piloto cae un 23%; a 1.0 µH/m, la caída alcanza el 31%.

La ráfaga de encendido pierde su sintonización en el mismo cable. La frecuencia de resonancia debe tener en cuenta la inductancia total del bucle:

f_ign = 1 / (2π√((L_tank + L_cable) · C_tank))

donde f_ign = la frecuencia de encendido, L_tank = la inductancia del tanque, L_cable = la inductancia del cable y C_tank = la capacitancia del tanque. Un tanque sintonizado a 21.6 µH para 500 kHz con un cable corto cae a 427 kHz en el tramo de 10 m, lo que representa un 15 % menos y se encuentra fuera de una banda de paso Q = 4 centrada en la frecuencia de diseño.

2.4 Retardo de retroalimentación y energía en el cable

La retroalimentación de la tensión del arco pasa a través de la capacitancia del cable y la impedancia de la fuente de la trayectoria de detección, y llega tarde:

V_sensed(t) = V_arc · (1 − exp(−t / τ))

τ = R_s · C_cable

donde V_sensed = el voltaje en la entrada del controlador, V_arc = el voltaje del arco, τ = la constante de tiempo de retroalimentación, R_s = la resistencia de la fuente de la ruta de detección y C_cable = la capacitancia total del cable. Una fuente de detección de 100 Ω con 2 nF da τ = 200 ns, que es 32° de retardo a 500 kHz. La resistencia en serie del propio cable es demasiado pequeña para establecer este retardo: 10 mΩ de conductor frente a 2 nF dan 20 ps.

El cable también almacena energía que fluye hacia la terminación en cada ráfaga:

E_cable = ½ · C_cable · V²

donde E_cable = la energía almacenada, C_cable = la capacitancia total del cable y V = la tensión de ignición. A 10 kV y 2 nF, el cable almacena 100 mJ, por lo que la terminación de un extremo de antorcha absorbe 100 mJ por ráfaga, lo que equivale a 10 W a una frecuencia de ráfaga de 100 Hz.

Fig. 1 — Una carrera de 10 m parece tener 8 µH y 2 nF, por lo que una terminación de 68 Ω y un bloque de 12.7 nF mantienen el eco en 0.04.

3. Puntos débiles de la ingeniería

Problema 1: Ecos que dependen de la longitud del cable.

Una linterna no igualada devuelve el 41% del pulso como un eco, y este llega 253 ns después en un recorrido de 10 m. A 5 m, el eco aterriza dentro del primer ciclo y lo refuerza; a 12 m, aterriza en el segundo ciclo y cancela parte de él. La máquina acierta en una longitud y falla en otra, con los mismos componentes.

Problema 2: Disminución de la corriente del piloto en recorridos largos.

La reactancia del cable de 25 Ω a 500 kHz aumenta la impedancia del bucle piloto de 30 a 39 Ω y reduce la corriente piloto en un 23 %. Un piloto mucho más débil se transfiere tarde, el arco no se establece y el ciclo de reintento erosiona la boquilla y el electrodo.

Problema 3: Retroalimentación tardía y escasa

La ruta de detección presenta un retardo de 200 ns desde una fuente de 100 Ω frente a un cable de 2 nF, lo que equivale a 32° a 500 kHz. La tensión que llega al controlador es baja y está desfasada, por lo que la lógica de transferencia y el regulador de corriente actúan sobre valores obsoletos y se produce un sobreimpulso en la transferencia.

Problema 4: Comportamiento dependiente de la postura en brazos robóticos

Un haz flexible cambia su espaciado con el brazo, por lo que sus valores L' y C' varían con la postura. Una terminación ajustada a una postura se aplica solo a esa postura, por lo que la tabla de compensación debe cubrir todo el rango de funcionamiento.

4. Pasos del diseño

Estrategia 1: Terminar el final de la antorcha en Z_c

Añada una resistencia de 68 Ω en serie con un bloque de 12.7 nF en el extremo del cable en la linterna. El coeficiente de reflexión disminuye de 0.41 a 0.04, la energía del eco cae del 17 % al 0.2 % de la ráfaga, y la terminación debe absorber 100 mJ por ráfaga. Utilice un condensador no inductivo. resistencia de película gruesa por lo que la terminación aún mantiene 63 Ω a la frecuencia de ignición.

Estrategia 2: Reajustar el tanque para la inductancia del cable.

Reste la inductancia del cable a la inductancia del tanque: 21.6 µH para un cable corto se convierte en 13.6 µH para un cable de 10 m, lo que devuelve la ráfaga a 500 kHz. Donde el tanque debe permanecer fijo, coloque un bloque en serie de 12.7 nF en la trayectoria de ignición para cancelar la reactancia del cable de 25 Ω a 500 kHz.

Estrategia 3: Detectar la tensión del arco en el cabezal de la antorcha.

Instale un divisor local en la antorcha y envíe la señal compensada de vuelta, o utilice un sensor Kelvin de dos cables que cancele la caída del cable. El retardo de retroalimentación entonces cae de 200 ns a la respuesta del divisor local. Utilice un resistencia de muestreo en el divisor con un coeficiente de temperatura bajo para que la compensación se mantenga a medida que se calienta la antorcha.

Estrategia 4: Ajustar la capacitancia del cable a la banda de encendido.

Un condensador conectado a la salida del módulo de encendido ajusta la capacitancia combinada del cable a la banda de encendido, siempre que su propio valor permanezca constante. Especifique un N4700 Parte de clase I con tanδ inferior al 0.1%, ±30 ppm/°C y PD inferior a 5 pC, y el valor de ajuste se mantiene constante en función de la temperatura y la flexión del cable.

Estrategia 5: Almacenar la longitud del cable en el firmware de control.

Mida el retardo de ida y vuelta durante la puesta en marcha o lea un código de longitud del conector del cable y aplique ganancias dependientes de la longitud a la lógica de transferencia. En un brazo robótico, utilice una tabla de posiciones vinculada a las posiciones de los ejes en lugar de un único conjunto de ganancias.

Estrategia 6: Calificar en el cable más largo

Pruebe el sistema de encendido y la matriz de transferencia con la longitud de cable máxima anunciada y en la posición de máxima flexión. Un diseño que solo supera la prueba a 3 m viene con un problema de fiabilidad incorporado, y la reparación resulta más costosa una vez que la máquina llega al campo.

Parámetro del componente	Valor típico	Condición de prueba
Tensión nominal (serie HVCT8G)	10 kV DC	alto potencial 1.5× durante 60 s
Capacidad	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
Factor de disipación	debajo del 0.1%	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	34 mΩ (límite 50 mΩ)	1 MHz
Inductancia de bucle (cuerda E40)	por debajo de 8 nH	Espacio entre terminales de 40 mm
Coeficiente de temperatura	±30 ppm/°C	−40 °C a +125 °C
resistencia de aislamiento	superior a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Descargo parcial	por debajo de 5 pC	a tensión nominal
Capacidad de dv/dt de pulso	por encima de 50 kV/µs	a tensión nominal

5. Condensadores HVC para compensación de cables

La compensación de cables mantiene su valor, al igual que los condensadores de terminación y ajuste. HVC fabrica condensadores cerámicos de Clase I para esta aplicación, desde 1 kV hasta 100 kV, en una fábrica propia de 6,000 m² ubicada en Dongguan.

Seis parámetros que importan aquí

• Valores de terminación y ajuste estables. Un coeficiente de temperatura de ±30 ppm/°C mantiene constantes la terminación del extremo de la antorcha y el ajuste del lado de la alimentación, desde el arranque en frío hasta el funcionamiento a pleno rendimiento.
• Bajas pérdidas en la red de sintonización. Un factor de disipación inferior al 0.1 % a 1 MHz proporciona una ESR de 34 mΩ con 4700 pF, por lo que los elementos de pico y filtrado se mantienen eficientes y fríos.
• Alto voltaje para las partes del extremo de la antorcha. Los voltajes nominales de 1 kV a 100 kV permiten que la terminación, el bloque y los elementos sensores se encuentren en la antorcha, donde aparece el potencial de ignición.
• Descarga parcial inferior a 5 pC a la tensión nominal. Ausencia de descarga interna en el potencial de ignición, lo cual es importante en el compartimento de la antorcha, que suele estar contaminado y sujeto a flexiones.
• Carcasas compactas para montaje en brazo robótico. Los encapsulados con terminales de tornillo y radiales se adaptan al compartimento del extremo de la antorcha y al brazo robótico sin añadir inductancia de bucle a la terminación.
• Historial de reemplazo comprobado. Serie 40 kV / 441 HVCT8G Los condensadores de tipo tornillo han reemplazado a los componentes importados de primera categoría en programas de servicio de campo donde la integridad de la señal a través de largas rutas de alto voltaje es un trabajo rutinario. Una publicación referencia cruzada La tabla asigna los números importados a sus equivalentes HVC.

Entrega y soporte

Las piezas estándar se envían en un plazo de 4 a 8 semanas, y los conjuntos de terminación emparejados en un plazo de 6 a 10 semanas. El departamento de ingeniería de aplicaciones de HVC ofrece servicios de caracterización de cables, dimensionamiento de terminaciones, reajuste de tanques y medición de retardo de retroalimentación. Envíe la longitud del cable, la inductancia y capacitancia por metro, la frecuencia de ignición y la impedancia de la antorcha. HVC le enviará una hoja de compensación con datos de descargas parciales e informes de vida útil del pulso en un plazo de cinco días hábiles.

6. Preguntas frecuentes

P1: ¿Cómo sé que el problema es el cable?

Pruebe la misma máquina con cables de 3 m y 12 m. Si el margen de impacto varía mientras que todos los demás componentes permanecen iguales, el cable está modificando la ráfaga. Confírmelo midiendo Z_c y el retardo de ida y vuelta en el haz instalado antes de cambiar las piezas.

P2: ¿Qué valor de terminación debo usar?

Establezca R_t igual a Z_c, que es de 63 Ω para un haz de 10 m a 0.8 µH/m y 200 pF/m. Un componente de 68 Ω en la serie E24 reduce el coeficiente de reflexión de 0.41 a 0.04. Añada un bloque de 12.7 nF en serie para que la resistencia no conduzca corriente continua.

P3: ¿Cuánta energía requiere la terminación?

La capacitancia del cable almacena ½C V², que son 100 mJ a 2 nF y 10 kV. Cada ráfaga transfiere esa energía a la terminación, por lo que a una frecuencia de ráfaga de 100 Hz, la resistencia disipa 10 W en promedio y necesita una capacidad de pulso además de su capacidad de potencia.

P4: ¿Por qué cambia la frecuencia de ráfaga con la longitud del cable?

El circuito resonante entra en resonancia con la inductancia total del bucle, que incluye el cable. Un circuito resonante de 21.6 µH sintonizado a 500 kHz con un cable corto reduce su frecuencia a 427 kHz al añadir 8 µH de cable. Se puede reajustar el circuito a 13.6 µH o compensar la reactancia del cable con un bloque en serie de 12.7 nF.

P5: ¿Dónde se debe medir la tensión del arco?

En el cabezal de la linterna, una fuente de detección de 100 Ω frente a un cable de 2 nF produce un retardo de 200 ns, equivalente a 32° a 500 kHz, y el controlador actúa entonces sobre un valor obsoleto. La resistencia del propio cable, de 10 mΩ, contribuye con 20 ps a dicho retardo, por lo que no es el factor limitante.

P6: ¿Qué condensador va en el extremo de la linterna?

Una cerámica de Clase I con tanδ inferior a 0.1%, ±30 ppm/°C, PD inferior a 5 pC a tensión nominal y un cuerpo que se ajuste al compartimento. El valor de sintonización debe mantenerse en todo momento y a través de la temperatura y la flexión, por lo que debe evitarse una condensador de película cuya capacitancia varía con la temperatura y la frecuencia en ese punto.

7. referencias

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9. Utilización de condensadores cerámicos de 3 kV (Discusión sobre la estabilidad de C0G/NP0 frente a X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
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