レーザー切断用品におけるY型コンデンサの漏洩電流制限

レーザー切断用品におけるY型コンデンサの漏洩電流制限

抽象

レーザー切断機は、保護導体の電流を機械の安全限界内に抑える必要があり、入力EMIフィルタのYコンデンサがその許容範囲の大部分を消費します。この記事では、各コンデンサの50Hzにおける漏洩電流を算出し、出力ケーブルとトランスの経路を追加し、EMC対策によってどのように限界を超える可能性があるかを示し、EMCと安全性を両立させるための6つの手順を紹介します。

はじめに

産業用レーザー切断機は、導電部を通して人が受ける電流を制限しなければならない。機械安全規格では、固定接続の機器の場合、その制限値を3.5mAに設定し、専門家による設置とマーキングが施された産業用機械の場合は最大10mAまで許容している。

負荷は主な原因ではありません。原因は機器自体のEMIフィルタです。Yコンデンサは各電源線をアースに接続しており、本来50Hzの電流を流します。Yコンデンサの容量が1ナノファラッド増えるごとに、保護導体で測定される電流が増加します。

高電圧ユニットは独自の経路を持ちます。出力ケーブルは全長にわたって接地に対して静電容量を持ちます。高電圧トランスは巻線間の静電容量を介して大地と結合します。分圧回路は20kVの出力を意図的に大地に接続します。レーザー装置は低電圧装置では決して発生しないミリアンペアの電流を追加します。

EMC規格ではY容量を大きくすることが求められ、安全規格では小さくすることが求められます。どちらの要件も数値は同じです。この記事では、その数値を算出し、項目ごとに分割し、許容値を消費しないように高電圧部を構築する方法を示します。

2. コアメカニズム

2.1 Y型コンデンサの漏洩

電源線から接地線までのコンデンサは、商用電源周波数の電流を流し、その電流は静電容量に沿って流れる。

I_leak = 2 × π × f × C_Y × V_phase

ここで、I_leakはコンデンサを流れる50Hzの電流、fは主電源周波数、C_Yは線間からアースまでの静電容量、V_phaseは相間電圧である。

231V、50Hzにおいて、4.7nFのY型コンデンサは0.34mAの電流を流します。このような部品を10個使用すると3.4mAとなり、これは3.5mAの制限値の97%に相当します。1つのフィルタはEMC計画と安全測定の両方に使用され、EMCのために追加されたすべての部品は2つ目のフィルタに含まれています。

2.2 機械の明細項目合計

それぞれの地球の経路は独自の電流を供給し、それらの経路が加算される。

I_total = I_filter + I_IW + I_cable + I_div

ここで、I_totalは保護導体の総電流、I_filterは入力フィルタYコンデンサ電流の合計、I_IWは変圧器の巻線間電流、I_cableは出力ケーブル電流、I_divは分圧器チェーン電流です。

10個の4.7nFフィルタ部品を使用した生産機では、フィルタ単体で3.4mAの電流が流れます。5mの出力ケーブルで1.9mA、分圧回路で0.13mAが加算され、合計で5.4mAとなり、制限値3.5mAを上回ります。そのうち高電圧部が2.0mAを占めています。

2.3 出力ケーブルの経路

長さlのケーブルは、接地に対して分布容量を持ち、導体にかかる電圧によって電流が流れる。

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

ここで、I_cableはケーブルの漏洩電流、C'は1メートルあたりの静電容量、lは設置長さ、V_outはアース基準の出力電圧である。

60 pF/mA の場合、5 m のケーブルは 300 pF の容量を持ちます。導体に 20 kV の電圧がかかると、経路には 1.9 mA の電流が流れます。この数値は、商用周波数で全出力を大地に換算したものであり、測定値ではなく最悪のケースを示しています。フィールドを 10 m に延長すると、容量は 2 倍になり、3.8 mA の電流が追加されます。

2.4 Y容量を除去する際のEMCコスト

同相減衰はY容量とともに増加し、両者は連動して変化する。

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

ここで、Att_CMはコモンモード減衰量（dB）、fは対象周波数、C_YはY容量、Z_gndはリターンパスのインピーダンスである。

Y軸の容量を半分にすると、漏洩電流は約半分になりますが、減衰量は約6dB減少します。フィルタを製作する前に、この交換比率を書き留めておきましょう。EMC試験に不合格になった後に6dBの減衰量を求めると、容量を半分にした場合よりもコストがかさんでしまいます。

2.5 スイッチング高調波における変圧器の結合

高電圧変圧器の巻線間容量は、スイッチングノードとアース間のインピーダンスを決定します。

Z_IW = 1 / (2 × π × f × C_IW)

ここで、Z_IWは巻線間のインピーダンス、fは周波数、C_IWは巻線間の静電容量である。

50 Hz では、30 pF のトランスはアースに対して 106 MΩ の抵抗を示すため、電源周波数経路の影響は無視できます。一方、100 kHz のスイッチング周波数では、同じ 30 pF のトランスは 53 kΩ になります。スイッチング周波数経路で許容範囲が消費され、ファラデーシールドによってその 80% ～ 90% が除去されます。

図1 — 10個の4.7 nFのYコンデンサにより、この装置は3.4 mAになります。5 mの出力ケーブルで1.9 mA、分圧器で0​​.13 mAが加算され、合計5.4 mAとなり、3.5 mAの制限値を超えています。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：安全限界を超えるEMC修理

ある機器は、30 MHzにおいて産業用EMC規格の制限値を8 dB下回っている。応急処置として、各相に4.7 nFのY型コンデンサを3個ずつ、合計9個の部品を追加する。その結果、漏洩電流は2.7 mAから5.8 mAに増加し、3.5 mAの制限値を66%も上回る。この機器は、10 mAの許容値を持つ専門業者による設置が必要となる。そうでなければ、修理は却下され、EMC規格違反が再発する。

問題点2：出力ケーブルが設計管理の対象外となっている

出力ケーブルの静電容量は、その長さ、経路、および接地された金属からの距離によって決まります。現場で10mの延長ケーブルを取り付けると、高電圧経路の電流が3.8mA増加します。設計ファイルに変更はなく、警告も発生しません。50pF/m以下の仕様で、図面通りの長さに切断されたケーブルを使用すれば、その経路は既知のままです。

問題点３：巻線間の静電容量がアース経路に影響を及ぼす

シールドされていない高電圧トランスは、巻線間に10 pFから30 pFの容量を持ちます。50 Hzではこれは106 MΩに相当し、漏洩電流テストでは検出されません。スイッチング高調波では53 kΩとなり、そこに流れる電流は、入力Yコンデンサが最も効果的に機能する周波数で保護導体の測定に現れます。

課題点4：クラスII部品の電圧係数と経年変化によるドリフト

安全フィルタのYコンデンサは、必ず開放状態で故障する必要があります。クラスII部品は電圧係数と経年変化によるドリフト特性を持つため、容量は寿命とともに変化し、それに伴ってリーク電流も変化します。寿命末期の最悪ケースを想定して設計を行うと、データシートに記載されているよりも高電圧部に対する余裕が小さくなってしまいます。

4. 設計手順

戦略1：まず明細項目別台帳を作成する

設計開始時に、入力フィルタ、トランス、出力ケーブル、分圧回路など、すべての相間接地容量をリストアップします。それぞれの50Hz電流を計算します。EMC上の利点が明記されていないYコンデンサは設計に組み込まれず、高電圧経路はマージンを消費する前にカウントされます。

戦略2：入力フィルタにY容量を配置する

入力フィルタはミリアンペアあたりのコモンモード減衰量が最も大きいため、許容範囲の大部分を占めます。HVセクション全体に散在する小さなYコンデンサは、重要なものをフィルタリングすることなくリークします。電源側の部品は、 安全認証済み 接地線用。

戦略3：ケーブルの分布容量を制御する

50 pF/m以下の容量を指定し、図面通りの長さにケーブルを切断し、接地された金属から離して配線してください。フィールド延長が避けられない場合は、10mあたり3.8mAの余分な電流を明示的に計算し、測定電流が台帳値を超えたときに機器をインターロックしてください。

戦略4：変圧器をシールドする

巻線間にファラデーシールドを取り付け、一次側接地線に接続します。このシールドにより、二次側と接地間の結合が80～90%削減され、Y容量を追加することなく、高電圧部における最大の非制御経路が遮断されます。シールドをフローティング状態にした場合と、シールドを接地状態にした場合の両方で変圧器をテストし、2つの漏洩電流値を比較してください。

戦略5：安定したリーク電流を持つクラスIコンデンサを使用する

クラスI誘電体は、温度、電圧、寿命にわたって静電容量を維持するため、試運転時に測定された漏洩電流は、寿命末期に供給される漏洩電流と同じです。HVC N4700 部品は、0.1%未満の損失係数と±30 ppm/℃の温度係数を保持しています。分割チェーンは、 厚膜抵抗器 と サンプリング抵抗器 同じ安定性を持つものとして選ばれた。

戦略6：タイプサンプルだけでなく、すべてのマシンをテストする

出荷されるすべてのユニットに対して、保護導体電流テストを実行してください。現場での設定のずれ、追加されたフィルタ、長い出力ケーブルなどはすべてこのテストで明らかになりますが、設計ファイルにはそれらの影響は一切反映されません。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
定格電圧（HVCT8Gシリーズ）	10kV DC	60秒間、1.5倍の高電圧試験
キャパシタンス	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz、1 V rms
1MHzにおけるESR	50 mΩ未満	-
ループインダクタンス（E40コード）	8 nH未満	端子間隔40mm
絶縁抵抗	500V DCで10GΩ以上	25℃、相対湿度60％
使用可能温度範囲	−40℃～+125℃	IEC 60068-2シリーズ
パルスdv/dt機能	50 kV/µs以上	定格電圧で

5. リーク経路用HVC N4700コンデンサ

静電容量が予測可能であれば、漏洩電流も予測可能になります。HVCは、東莞にある6,000平方メートルの自社工場で、1kVから100kVまでの電圧範囲に対応するN4700クラスIコンデンサを、レーザー電源のアース経路および高電圧セクション向けに製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• 寿命期間を通じて安定した漏洩電流。クラスI誘電体は静電容量と誘電正接を保持するため、設計開始時に作成された台帳は、現場で10年後も有効です。
• 定格電圧における部分放電は5pC未満です。工場出荷時の部分放電スクリーニングにより、コンデンサが安全測定器が読み取るアース経路に自身の電流を注入するのを防ぎます。
• 低い誘電正接。tanδが0.1%未満であれば、機器が加熱してもフィルタの挿入損失は一定に保たれるため、EMC準拠のために許容値を消費するような追加のYコンデンサは不要です。
• 全電圧範囲をカバー。1kVの補助回路から40kVの出力段まで、1回の認定試験で分圧器、フィルタ、出力段を網羅します。 高速回復ダイオード.
• カスタム静電容量値。HVCは、EMC目標値を満たしつつ漏洩コストを最小限に抑える正確な値を算出するため、推測に頼る必要がなくなります。
• 実績のある代替品。40kV / 441シリーズ ドアノブコンデンサ は、 村田 リソグラフィ光源の現場修理プログラムではネジ式コンデンサが使用されており、DUV開発者は現在、新しい光源にHVC部品を指定するようになっている。

配送とサポート

標準部品は4～8週間、適合フィルタおよび分配器セットは6～10週間で出荷されます。HVCアプリケーションエンジニアリングは、漏洩電流台帳をEMC計画と照合し、5営業日以内に部分放電データと寿命レポートを含むコンデンサ選定シートを返送します。相電圧、設置済みケーブル長、出力電圧、および適用可能な電流制限値をお送りください。

6。 よくある質問

Q1：4.7 nFのY型コンデンサ1個で、どれくらいの漏れ電流が発生しますか？

231Vの相電圧と50Hzにおいて、0.34mA（2×π×50×4.7nF×231V）となる。このような部品を10個集めると3.4mAとなり、これは固定接続の機械に適用される3.5mAの制限値の97%に相当する。

Q2：20kVの機械では、出力ケーブルが重要なのはなぜですか？

60 pF/mAの5mケーブルは、接地に対して300 pFの容量を保持します。出力の商用周波数成分は、このケーブルに1.9 mAの電流を流し、10mのフィールド延長ケーブルを追加すると、さらに3.8 mAの電流が流れます。50 pF/m以下の定格で、図面通りの長さに切断されたケーブルを使用すれば、電流の流れを予測できます。

Q3：EMC修理は3.5mAの制限内に収まるのでしょうか？

修理を行う前に、修理費用を計算してください。4.7 nFのY型コンデンサを9個追加すると、機器の電流は2.7 mAから5.8 mAに増加し、制限値を66%超過します。シールドやより優れたフィルタ構成など、他の手段で6 dBの減衰を回復する方が、機器の再認証よりも費用がかかりません。

Q4：ファラデーシールドは変圧器の経路をどれだけ短縮しますか？

二次側とアース間の結合の80%～90%を削減します。シールドは巻線の間に設置され、一次側の接地に接続されます。これにより、Y容量を1ナノファラッドも追加することなく、高電圧部における最大の非制御経路が除去されます。

Q5：どのコンデンサが、寿命末期に台帳の有効性を維持しますか？

クラスI部品であるN4700は、0.1%未満の損失係数、±30 ppm/℃の温度係数、および電圧や経年変化による容量の変動がないという特長を備えているため、試運転時の漏洩電流値は寿命末期の値と変わりません。

Q6：Y軸の静電容量はどこに配置すべきですか？

入力フィルタでは、1ミリアンペアあたり最大のコモンモード減衰効果が得られるため、この方式が採用されます。高電圧部に配置されたYコンデンサは、同じ電流を漏洩し、フィルタ効果もはるかに低いため、許容電流を消費するだけで、それに見合う効果は得られません。

7。 リファレンス

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