Intelligente Lichtbogenerkennung und Schutz vor Lichtbogenspannung

Intelligente Lichtbogenerkennung und Schutz vor Lichtbogenspannung

Abstract

Eine Schneidsteuerung muss ständig eine Frage beantworten: Ist der Lichtbogen intakt? Ein festes Spannungsfenster kann einen Durchstoßvorgang nicht von einem tatsächlichen Lichtbogenausfall unterscheiden, sodass die Maschinen entweder bei harmlosen Ereignissen stoppen oder die Brenner durchbrennen. Dieser Artikel beschreibt die Lichtbogenspannungseigenschaften, die Pilotzündung, Übergangszündung, Schneidzündung, Lichtbogenausfall und Wiederzündung unterscheiden, die benötigte Erfassungsbandbreite sowie den Kalibrierungsablauf, der die Genauigkeit des Klassifikators auch bei Verschleiß der Verschleißteile gewährleistet.

1. Einleitung

Jede Plasmaschneidsteuerung überwacht den Lichtbogen und beurteilt dessen Zustand. Diese Beurteilung steuert die Umschaltlogik, die Stromregelung und die Schutzabschaltung, die den Brenner bei Lichtbogenverlust schützt. Die meisten Maschinen realisieren dies mit einem festen Spannungsbereich und einem Komparator.

Die Lichtbogenspannung enthält weit mehr Informationen als ihr Pegel. Ein Pilotlichtbogen liegt bei etwa 120 V mit einer Restwelligkeit von 6 V_eff, ein Schneidlichtbogen bei etwa 150 V mit 7 V_eff, ein offener Stromkreis nach Lichtbogenverlust bei 40 V mit nahezu keiner Restwelligkeit, und die Ereignisse des Übergangs und des Wiederzündens zeigen sich als schnelle, monotone Anstiege. Die Fensterlogik erfasst jedoch nur den Pegel und kann daher einen Durchschlagsvorgang nicht von einem Lichtbogenverlust unterscheiden.

Die Kosten dieser Blindheit zeigen sich auf zweierlei Weise. Ein zu enges Fenster löst bei harmlosen Ereignissen aus, und jede Fehlauslösung verschwendet einen Durchstoß, einen Verbrauchszyklus und Produktionszeit. Ein zu weites Fenster übersieht Fehler, und ein übersehener Fehler führt zum Ausfall des Brenners. Beide Fehlerklassen treten im Feld auf, und derselbe Controller kann nicht beide mit einem einzigen Schwellenwert verhindern.

Die folgenden Zahlen stammen aus einem 200-A-Schneidprozess mit einem 90 bis 160-V-Lichtbogen, abgetastet mit 100 kSPS durch einen 10,000:1-Teiler und klassifiziert in 2.56 ms-Fenstern.

2. Kernmechanismus

2.1 Die Lichtbogenspannung als Summe von Komponenten

Die momentane Lichtbogenspannung weist ein niedriges Niveau, die Ereignisübergänge und das Breitbandrauschen auf:

V_arc(t) = V_mean(t) + ∑ A_k · e^(−t/τ_k) · sin(ω_k · t) + n(t)

Dabei ist V_arc(t) die momentane Lichtbogenspannung, V_mean(t) der langsam variierende Mittelwert, A_k die Amplitude des transienten k, τ_k dessen Abklingkonstante, ω_k dessen Kreisfrequenz und n(t) das Rauschen und die Störungen. Der Mittelwert trennt die Bereiche: Kilovolt während der Zündung, 90 bis 160 V während des Schneidvorgangs und den Leerlaufwert nach Erlöschen des Lichtbogens.

2.2 Wellenamplitude und spektraler Schwerpunkt

Die Restwelligkeit ist das, was einen aktiven Lichtbogen von einem offenen Stromkreis unterscheidet, und sie wird als Effektivwert über das Messfenster gemessen:

V_rms = √( (1/T) · ∫ (V(t) − V_mean)² dt )

Dabei ist V_rms der Effektivwert der Restwelligkeit, T die Fensterlänge, V(t) die Momentanspannung und V_mean der Mittelwert über dasselbe Fenster. Ein intakter 200-A-Schneidlichtbogen erreicht zwischen 1 und 8 kHz 7 V_rms, während ein offener Stromkreis nach Lichtbogenverlust unter 0.5 V_rms fällt. Der spektrale Schwerpunkt dieser Restwelligkeit verschiebt sich mit der Lichtbogenlänge und der Gasmischung, wodurch ein zweites, unabhängiges Merkmal hinzukommt:

f_c = ∑ (f_i · P_i) / ∑ P_i

Dabei ist f_c der spektrale Schwerpunkt, f_i die Mittenfrequenz des Bandes i und P_i die Leistung im Band i. Innerhalb des Arbeitsbereichs verschiebt sich der Schwerpunkt von 3 bis 8 kHz, wodurch die Bogenlänge ohne separaten Längensensor erfasst wird.

2.3 Klassifizierung anhand der Template-Distanz

Ein Klassifikator vergleicht den Merkmalsvektor des aktuellen Fensters mit gespeicherten Vorlagen und wählt den ähnlichsten Zustand aus:

d_state = ∑ w_k · (f_k − f_k_ref)²

Dabei ist d_state der gewichtete Abstand zu einer Zustandsvorlage, w_k die Gewichtung des Merkmals k, f_k das gemessene Merkmal und f_k_ref der Vorlagenwert für diesen Zustand. Die Gewichtungen richten sich nach der Messqualität: Der Mittelwert hat zwischen verschiedenen Bereichen die größte Gewichtung, und der Effektivwert der Restwelligkeit hat zwischen einem aktiven Lichtbogen und einem offenen Stromkreis die größte Gewichtung.

2.4 Erfassungsbandbreite und Zeitfenster

Die Merkmale bleiben nur dann erhalten, wenn die Erfassungskette sie durchläuft, und die erforderliche Bandbreite ergibt sich aus der Welligkeit und dem schnellsten Übergang:

BW_sense ≥ max(10 · f_ripple, 1 / t_transition)

Dabei ist BW_sense die Erfassungsbandbreite, f_ripple die höchste relevante Welligkeitsfrequenz und t_transition der kürzeste aufzulösende Übergang. Bei einer Welligkeit von 2 kHz und einer Wiederanstiegszeit von 0.4 ms beträgt die Anforderung 20 kHz. Ein kompensierter Frequenzteiler hält das Verhältnis über dieses Band konstant, und der Anti-Aliasing-Filter legt die obere Grenze fest.

f_aa = 1 / (2π · R_aa · C_aa)

Dabei ist f_aa die Anti-Aliasing-Ecke, und R_aa und C_aa sind die Filterkomponenten. Ein 1-kΩ-Widerstand mit 10 nF ergibt 15.9 kHz, was die Welligkeitsgrenze überschreitet und unter der Nyquist-Frequenzgrenze von 50 kHz eines 100-kSPS-Wandlers bleibt. Die Fensterlänge bestimmt die Geschwindigkeit der Zustandsentscheidung: 256 Abtastwerte bei 100 kSPS entsprechen 2.56 ms, wodurch die Lichtbogenunterbrechungsreaktion innerhalb der für den Brennerschutz erforderlichen 3 ms bleibt.

Abb. 1 — Ein Durchstoßzyklus läuft von einer 120-V-Pilotspannung über die Umschaltung auf einen 150-V-Lichtbogen, verliert dann beim Lichtbogenverlust seine Restwelligkeit und zündet 0.4 ms später erneut.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Ein Schwellenwert kann nicht zwei Fehlermodi abdecken

Ein enges Zeitfenster erfasst Fehler und löst bei Durchstoßdynamik, Kabeldurchhang und Gastransienten aus. Ein weites Zeitfenster ignoriert diese Ereignisse und lässt einen unterbrochenen Lichtbogen weiterlaufen, bis die Düse zerstört ist. Jeder einzelne Wert liegt irgendwo dazwischen und erfüllt keine der beiden Anforderungen.

Problempunkt 2: Eine Sensorkette, die die Funktionen verschluckt

Der Restwelligkeitsbereich liegt zwischen 1 und 8 kHz. Ein Frequenzteiler mit 5 pF Streukapazität an einem 100 MΩ hohen Zweig schneidet bei 318 Hz ab, wodurch die Restwelligkeit entfernt wird, bevor sie den Wandler erreicht. Der Klassifikator arbeitet dann mit einem Signal, das die benötigten Informationen nicht mehr enthält.

Problempunkt 3: Rauschen, das das Wellenband überlagert

Zündungs-EMI und Schaltgeräusche der Endstufe liegen im selben Frequenzband wie die Lichtbogenwelligkeit. Ohne Ausblendung und Bandbegrenzung erfassen die Schutzfunktionen die Störungen anstatt des Lichtbogens, und die Fehlklassifizierung tritt während der Zündung auf – also genau dann, wenn der Schutz am wichtigsten ist.

Problempunkt 4: Vorlagen, die mit den Verbrauchsmaterialien altern

Der Verschleiß von Elektroden und Düsen verschiebt den Mittelwert um 15 V und reduziert die Restwelligkeit (RMS) um 30 % zwischen einem neuen und einem verschlissenen Satz Verschleißteile. Ein auf neue Verschleißteile abgestimmtes Klassifizierungssystem meldet fälschlicherweise Fehler an einem intakten, aber verschlissenen Brenner, und der Bediener lernt, den Alarm zu ignorieren.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Aufbau der Sensorkette zur Weitergabe der Wellenbewegung

Kompensieren Sie den Teiler mit einem Kondensator parallel zum Messarm, sodass das Verhältnis über den gesamten Welligkeitsbereich konstant bleibt. Stellen Sie die Anti-Aliasing-Ecke bei 15.9 kHz mit 1 kΩ und 10 nF ein. Überprüfen Sie die gesamte Kette, indem Sie ein bekanntes Rechtecksignal an den Teilereingang einspeisen und die Wellenform am Wandler prüfen.

Strategie 2: Vor der Merkmalsextraktion leeren und filtern.

Um jeden Zündimpuls und jede Schaltflanke wird eine 2 ms lange Pause eingelegt. Anschließend wird das Signal bandpassgefiltert und in den 1- bis 8-kHz-Welligkeitsbereich verschoben. Der Klassifikator erkennt dann den Lichtbogen, und die Zündungsstörungen erreichen die Merkmalsstufe nicht mehr.

Strategie 3: Halten Sie den Funktionsumfang klein und physisch.

Vier Merkmale sind ausschlaggebend für die Entscheidung: Mittelwert, Effektivwert der Restwelligkeit, spektraler Schwerpunkt und Anstiegszeit. Jedes dieser Merkmale korrespondiert mit einer physikalischen Zustandsänderung, die ein Wartungstechniker mit einem Oszilloskop überprüfen kann. Jedes zusätzliche Merkmal bietet einen Einstellbereich und birgt das Risiko eines Ausfalls des Klassifikators im Betrieb.

Strategie 4: Die Trennlinie bei den Teilen erkennen, die ihren Wert behalten

Benutze ein N4700 Klasse-I-Kondensator für die Kompensationsposition und ein abgedichtetes Abtastwiderstand Für den Hochfrequenzbereich wird sichergestellt, dass der Frequenzgang der Kette nicht mit Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Alterung variiert. Ein Kompensationswert, der um 5 % verschoben wird, verschiebt das flache Frequenzband und verändert den Effektivwert der Restwelligkeit, den der Klassifikator erfasst.

Strategie 5: Aktualisieren Sie die Vorlagen bei jeder Änderung der Verbrauchsmaterialien.

Messen Sie nach jedem Verbrauchsmaterialwechsel den Mittelwert und den Effektivwert der Restwelligkeit erneut und passen Sie die Vorlagen entsprechend an oder lassen Sie den Regler diese anhand eines gleitenden Durchschnitts der letzten hundert Messungen anpassen. Der Klassifikator folgt dann dem Verschleißtrend, anstatt ihm entgegenzuwirken.

Strategie 6: Anhand von Feldaufnahmen abstimmen und spät einfrieren

Erfassen Sie Lichtbogenspannungen von intakten und defekten Maschinen über verschiedene Materialien, Gase, Materialstärken und Verschleißzustände hinweg und passen Sie die Gewichtung und Schwellenwerte anhand dieser Daten an. Fixieren Sie den Klassifikator erst, wenn er keine Fehler mehr erkennt und die Fehlauslöserate unter einem Durchschlag pro tausend liegt.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Teilerverhältnis	10,000:1, 100 MΩ und 10 kΩ	Lichtbogenspannung 90 bis 160 V
Kompensationskapazität	50 nF Klasse I über den Messarm	flacher Frequenzgang im Bereich von 1 bis 8 kHz
Anti-Aliasing-Ecke	15.9 kHz	1 kΩ mit 10 nF
Sample-Rate	100 kSPS, 256 Abtastfenster	2.56 ms pro Entscheidung
Ripple RMS, gesunder Bogen	über 5 V rms	1 bis 8 kHz Band
Welligkeits-RMS, Bogenverlust	unter 0.5 V rms	gleiche Band
Teilentladung	unter 5 pC	bei Nennspannung
Temperaturkoeffizient	±30 ppm/°C	−40 °C bis +125 °C

5. HVC-Kondensatoren für die Lichtbogenerfassungskette

Ein Klassifikator ist nur so gut wie die ihm zugeführte Wellenform. HVC fertigt in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan Keramikkondensatoren der Klasse I mit stabiler Kapazität und geringen Verlusten für Kompensations- und Filteranwendungen im Spannungsbereich von 1 kV bis 100 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• Stabile Messkettenkapazität. Ein Koeffizient von ±30 ppm/°C hält die Teilerkompensation und die Filterecke über den gesamten Betriebsbereich innerhalb der Auslegungsgrenzen, sodass die Eigenschaften vom Kaltstart bis zum warmen Gehäuse vergleichbar bleiben.
• Geringe Verluste im Welligkeitsbereich. Ein Verlustfaktor unter 0.1 % führt zu keinem Amplituden- oder Phasenfehler bei einem Signal, das in Millivolt Welligkeit gemessen wird.
• Spannungsfestigkeit des Messpfads. Die Nennwerte von 1 kV bis 100 kV decken den Spannungsteiler und jegliche Filterung auf der Hochspannungsseite ab, die dem Zündpotenzial zugewandt ist.
• Entladung unter 5 pC. Die Sensorkomponenten speisen kein eigenes Entladungsrauschen in einen Kanal ein, der 0.5 V rms auflöst.
• Langzeitstabilität. Keramik der Klasse I altert nicht und nimmt keine Feuchtigkeit auf, daher gilt die bei der Inbetriebnahme vorgenommene Kalibrierung auch beim nächsten Service.
• Bewährt in der Präzisionssensorik. Die 40 kV / 441-Serie doorknob Kondensatoren haben importierte Erstkomponenten in Feldserviceprogrammen ersetzt, bei denen Schutzentscheidungen von der Zuverlässigkeit einer Hochspannungsmesskette abhängen. (Veröffentlicht) Querverweis Die Tabelle ordnet die importierten Zahlen den entsprechenden HVC-Werten zu.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen, passende Sensorsets innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Sie bei der Spannungsteilerkompensation, der Filterentwicklung, der Funktionsauswahl und dem Kalibrierungsprozess. Bitte übermitteln Sie uns den Lichtbogenspannungsbereich, den Prozessstrom, die Abtastrate, das Spannungsteilerlayout und die Lebensdauer der Verschleißteile. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein Auswahlblatt mit Teilentladungsdaten, einer Frequenzgangmessung und einem Stabilitätsbericht.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Welche Merkmale unterscheiden einen gesunden Handlungsbogen von einem verlorenen Handlungsbogen?

Die Effektivspannung (RMS) ist maßgeblich. Ein intakter 200-A-Schneidlichtbogen weist zwischen 1 und 8 kHz eine Effektivspannung von 7 V auf, während die Spannung im Leerlauf nach Lichtbogenverlust unter 0.5 V Effektivwert fällt. Der Mittelwert bestätigt den Bereich, da die Leerlaufspannung bei etwa 40 V liegt, im Vergleich zu 150 V bei einem aktiven Lichtbogen.

Frage 2: Warum löst ein Spannungsfenster immer wieder aus?

Denn Durchschlagstransienten, Kabeldurchhang und Gastransienten verändern den Pegel genauso stark wie ein tatsächlicher Fehler. Ein zu enges Zeitfenster, um einen Lichtbogenverlust zu erfassen, löst bei diesen harmlosen Ereignissen aus; eine Erweiterung, um Fehlauslösungen zu verhindern, lässt einen echten Fehler durch. Entscheiden Sie anhand des Zustands, nicht anhand des Pegels.

Frage 3: Welche Bandbreite benötigt die Sensorkette?

20 kHz. Die Restwelligkeit benötigt das Zehnfache der höchsten relevanten Restwelligkeitsfrequenz, und die 0.4 ms Wiederanstiegszeit benötigt das Produkt aus der Übergangszeit und der Wiederholungszeit. Stellen Sie die Anti-Aliasing-Eckfrequenz auf 15.9 kHz mit 1 kΩ und 10 nF ein. Beachten Sie, dass ein unkompensierter 100-MΩ-Frequenzteiler bei 318 Hz eckt und die Restwelligkeit vollständig unterdrückt.

Frage 4: Wie schnell kann der Klassifikator einen Bogenverlust erkennen?

Ein Abtastfenster von 256 Abtastwerten bei 100 kSPS liefert alle 2.56 ms eine Entscheidung, wodurch die Reaktionszeit innerhalb der für den Brennerschutz erforderlichen 3 ms bleibt. Verkürzen Sie das Fenster, um schneller zu reagieren, und akzeptieren Sie die größere Varianz der RMS-Schätzung der Restwelligkeit.

Frage 5: Warum müssen die Vorlagen aktualisiert werden?

Elektroden- und Düsenverschleiß verschiebt den Mittelwert um 15 V und reduziert die Restwelligkeit (RMS) um 30 % zwischen neuen und verschlissenen Verschleißteilen. An einem neuen Brenner gemessene Messmarken erkennen einen intakten, verschlissenen Brenner fälschlicherweise als defekt. Daher sollten sie bei jedem Verschleißteilwechsel aktualisiert oder vom Regler anhand eines gleitenden Durchschnitts angepasst werden.

Frage 6: Wann ist der Klassifikator versandbereit?

Wenn es bei Feldmessungen über verschiedene Materialien, Gase, Materialstärken und Verschleißzustände hinweg keine übersehenen Fehler und weniger als einen Fehlalarm pro tausend Messungen anzeigt. Die Feinabstimmung erfolgt anhand von Aufzeichnungen, da ein Prüfstand keine Messdynamik, keinen Kabeldurchhang und keine Werkstattgeräusche aufweist. Die Sensorteile müssen stabil gehalten werden. Folienkondensator In der Kompensationsposition würde sich die Kalibrierung mit der Temperatur verändern.

7. Referenzen

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10. GB/T 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量. Titel: 2018.
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com