Trajets du bruit en champ proche provenant de l'arc de découpe plasma

Trajets du bruit en champ proche provenant de l'arc de découpe plasma

Abstract

L'arc plasma est un rayonnement à large bande, et à ces fréquences, aucune partie de la machine ne se trouve en champ lointain. Cet article présente les équations de couplage capacitif et inductif, les quatre chemins de conduction vers l'électronique de commande, les niveaux mesurés sur chaque chemin, ainsi que le routage, la mise à la terre et la terminaison permettant de les maintenir sous le seuil d'immunité du circuit.

1. Introduction

L'arc lui-même rayonne, et pas seulement le circuit d'allumage qui l'alimente. Le canal de plasma transporte un courant de plusieurs centaines de kilohertz à plusieurs mégahertz avec des fronts de tension inférieurs à la microseconde, générant ainsi un champ proche qui s'étend sur plusieurs centimètres, voire plusieurs mètres, autour de la torche.

À l'intérieur de ce champ se trouvent les circuits sensibles de la machine : les lignes de détection de tension d'arc, le retour de courant, le câblage de commande et l'afficheur. Le mécanisme d'interférence n'est pas le rayonnement en champ lointain mesuré par une chambre CEM, mais le couplage en champ proche avec les conducteurs de la machine.

Les ingénieurs filtrent le réseau électrique, blindent le câble et amortissent la boucle d'allumage, et pourtant le bruit persiste. La raison ? L'arc électrique injecte du courant directement dans les boucles de détection, le boîtier de la torche et le châssis, et ce courant circule ensuite par des voies jamais filtrées par le réseau électrique.

Le symptôme est un dysfonctionnement qui n'apparaît que lorsque l'arc est amorcé : une variation brusque de la valeur du convertisseur analogique-numérique lors du réamorçage de l'arc, un régulateur instable, un déclenchement de défaut pendant la perforation. Cet article décrit les quatre causes possibles, quantifie chacune d'elles et identifie les éléments qui les perturbent.

2. Mécanisme de base

Le champ proche comporte deux composantes. Le champ électrique induit un couplage capacitif et suit la tension de l'arc et sa géométrie. Le champ magnétique induit un couplage inductif et suit le courant de l'arc et la surface de la boucle. La tension induite dans un conducteur victime est la somme de ces deux composantes.

V_coup = C_m · (dV_arc/dt) · Z_victim + M · (di_arc/dt)

où V_coup est la tension couplée en V, C_m est la capacité mutuelle entre l'arc et la victime en F, dV_arc/dt est la pente de la tension d'arc en V/s, Z_victim est l'impédance du circuit victime en Ω, M est l'inductance mutuelle en H et di_arc/dt est la pente du courant d'arc en A/s.

Un réamorçage d'arc à 5 kV/µs avec un front de courant de 100 A/µs alimente les deux termes. Une capacité mutuelle de 1.5 pF, connectée à un diviseur de tension de 2 kΩ, fournit 15 V. Une boucle de courant avec une inductance mutuelle de 4 nH fournit 0.4 V, ce qui, dans un canal calibré à 200 A pour 2 V, correspond à un courant erroné de 40 A.

2.1 L'ensemble de la machine se trouve à l'intérieur du champ proche.

Le comportement en champ proche se maintient à une distance d'un sixième de longueur d'onde :

d_near < λ / (2π)

où d_near représente la limite du champ proche en m et λ la longueur d'onde en m. À 3 MHz, la longueur d'onde est de 100 m, la limite se situe donc à 16 m. Chaque conducteur d'une installation de coupe est soumis au champ proche, et le couplage dépend de la géométrie et non du gain de l'antenne.

2.2 Le courant couplé et ce qui l'absorbe

Le terme de champ électrique est plus facile à manipuler en tant que source de courant :

i_c = C_m · (dV_arc/dt)

où i_c représente le courant injecté en ampères. Dans le cas d'un condensateur de 1.5 pF et d'une tension de 5 kV/µs, un courant de 7.5 mA est injecté. Sans condensateur de shunt, ce courant génère une tension de 15 V aux bornes d'une branche de diviseur de tension de 2 kΩ. Un condensateur de shunt présente une impédance beaucoup plus faible aux fréquences de l'arc.

Z_C = 1 / (2πf · C_shunt)

où Z_C est l'impédance de shunt en Ω, f est la fréquence en Hz et C_shunt est la capacité de shunt en F. Un shunt de 4.7 nF à 3 MHz présente 11.3 Ω et maintient le même courant de 7.5 mA à 85 mV, ce qui est toujours supérieur à la résolution de 4.9 mV d'un canal 10 bits à pleine échelle de 5 V.

Le shunt charge également le trajet du signal, ce qui limite sa taille :

τ = R · C

où τ est la constante de temps, R la résistance de la source en Ω et C la capacité en nF. Les ohms et les nanofarads correspondent aux nanosecondes ; ainsi, une résistance de 22 nF en parallèle avec une branche de diviseur de 2 kΩ donne 44 000 ns, soit 44 µs. Un canal de détection devant suivre la dynamique de l'arc en 10 µs ne peut supporter cette capacité ; par conséquent, la résistance seule ne permet pas de résoudre ce problème.

2.3 Le cadre comme objet de collection

Le champ magnétique de l'arc induit un courant dans l'enceinte de la torche, lequel courant s'échappe par la tresse de liaison vers le châssis et la masse de commande. La tension ainsi générée dépend de l'impédance de la tresse.

V_gb = 2πf · L_strap · i_frame

où V_gb représente la tension développée en V, f la fréquence en Hz, L_strap l'inductance de la tresse en H et i_frame le courant induit en A. Une tresse de 300 nH parcourue par un courant de 3 A à 3 MHz génère une tension de 17 V due à une contamination de la masse. Son remplacement par une courte tresse de 30 nH à point unique limite le courant à 1.7 V.

2.4 Inductance mutuelle dans la boucle de courant

Une boucle de détection de courant capte le champ de l'arc proportionnellement à sa surface et inversement à sa distance :

M = μ₀ · A / (2π · d)

où M est l'inductance mutuelle en H, μ₀ vaut 4π×10⁻⁷ H/m, A est l'aire de la boucle en m², et d est la distance à l'arc en m. Une boucle de 0.01 m² à 0.5 m induit une inductance de 4 nH, et un courant de 100 A/µs appliqué à ses bornes induit une tension de 0.4 V dans la boucle de rétroaction. En torsadant la paire et en fermant la boucle à 0.001 m², cette tension est réduite à 40 mV.

Un seul filtre complète le tableau. L'inductance de ligne d'une piste de détection de 1.5 m est d'environ 1 500 nH et entre en résonance avec la capacité d'entrée sur la carte.

f_r [MHz] = 5033 / √(L[nH] · C[pF])

où f_r est la fréquence de résonance en MHz, L l'inductance de ligne en nH et C la capacité d'entrée en pF. Le circuit de 1 500 nH avec une capacité d'entrée de 4 700 pF résonne à 1.9 MHz, précisément dans la bande de bruit de l'arc.

Fig. 1 — L'arc couple 15 V dans la ligne de détection, 17 V dans le cadre et 0.4 V dans la boucle de courant, et le blindage plus l'espacement amènent le canal de détection à 1.5 mV.

3. Points faibles en matière d'ingénierie

Point sensible n° 1 : Les lignes sensorielles comme principales victimes

La ligne de détection de tension d'arc relie la torche au contrôleur en traversant tout le champ proche. Sa haute impédance en fait l'élément le plus sensible de la machine, et au niveau du contrôleur, le signal couplé est identique à la tension d'arc qu'il est censé mesurer.

Point sensible n° 2 : Le cadre en tant que grand objet de collection

Le boîtier de la torche et le châssis de la machine captent les courants induits et les acheminent vers la masse de commande. Ce chemin contamine tous les circuits référencés à la masse, et aucun filtre sur les lignes de signal ne peut corriger une référence corrompue.

Point sensible n° 3 : Un système de couplage qui s’adapte au cheminement des câbles

Modifier le cheminement du câble entraîne une modification du raccordement. Une machine conforme en usine peut présenter un dysfonctionnement lors d'une installation particulière, dû à un détail géométrique : un câble de détection plus long, un faisceau plus proche de la torche, une longueur de sangle différente.

Point sensible n° 4 : Une signature qui rend le diagnostic impossible

Le couplage en champ proche n'existe que lorsque l'arc est amorcé. Le test sur banc d'essai, sans arc, indique une machine en bon état, et le technicien sur site ne peut reproduire le défaut sans un dispositif de coupe complet, une pièce à usiner et une torche sous tension.

4. Étapes de conception

Stratégie 1 : Éloigner les victimes du champ proche

Éloignez les lignes de détection et le câblage de commande de la torche et du trajet de l'arc, et maintenez-les à au moins 0.5 m de la torche lorsque la configuration le permet. Utilisez des paires torsadées blindées, le blindage étant relié à la masse de commande uniquement côté contrôleur, afin que le blindage évacue le courant couplé de la paire de signal.

Stratégie 2 : Couper le couplage au point d’entrée

Ajoutez une capacité shunt à l'entrée de la ligne de détection sur la carte de commande, dimensionnée en fonction de la bande passante du canal et non uniquement du bruit. HVC des condensateurs à disque en céramique maintenir 4.7 nF avec 1.2 nH d'ESL, de sorte que la partie reste capacitive sur toute la bande de bruit de l'arc et ne résonne pas à 1.9 MHz avec l'inductance de la ligne.

Stratégie 3 : Interrompre le circuit de conduction du cadre

Reliez le boîtier de la torche au châssis à l'aide d'une tresse de faible inductance courte, en un seul point, et utilisez une masse en étoile afin que le courant du châssis retourne à la masse d'alimentation sans traverser la référence de commande. Ce simple changement de tresse réduit la tension parasite de 17 V à 1.7 V.

Stratégie 4 : Détecter la tension de l’arc au niveau de la torche

Placez un séparateur à la tête de la torche avec un résistance de gradation On utilise une paire de conducteurs pour renvoyer le signal de faible niveau vers un récepteur différentiel via une paire torsadée. Le couplage en champ proche arrive alors en mode commun, et le récepteur le rejette d'au moins 32 dB.

Stratégie 5 : Isoler le chemin de l’IHM

Interrompez le circuit conducteur vers l'écran et le pendentif à l'aide d'une liaison opto-isolée ou d'un segment de fibre optique. Ces câbles longent le tuyau de la torche, captent donc le même champ que les lignes de détection et l'acheminent directement vers l'interface opérateur.

Stratégie 6 : Se qualifier par un test en champ proche avec arc électrique réel

Procédez à l'allumage en configuration de coupe complète et analysez la machine à l'aide d'une sonde H et d'une sonde E en champ proche, afin de cartographier le niveau de couplage sur chaque circuit sensible. Vérifiez ensuite que les corrections apportées ramènent chaque niveau en dessous du seuil d'immunité du circuit. Un test sur banc d'essai sans arc électrique ne prouve rien à ce sujet.

Paramètre de composant	Valeur typique	Condition de test
Tension nominale (série HVCT8G)	10 kV DC	haute tension 1.5× pendant 60 s
Capacitance	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V efficace
ESR à 1 MHz	< 50 mΩ	25 ° C
Inductance de boucle (accord E40)	< 8 nH	Espacement des bornes de 40 mm
La resistance d'isolement	> 10 GΩ à 500 V CC	25 °C, 60 % HR
Plage de température	−40 °C à +125 °C	Série IEC 60068-2
Capacité dv/dt d'impulsion	> 50 kV/µs	à la tension nominale

5. Condensateurs HVC pour ce nœud

Pour interrompre un circuit en champ proche, il faut un condensateur qui se comporte comme un condensateur aux fréquences de l'arc. Les composants HVC remplissent cette fonction.

• Une faible ESL et une capacité stable permettent une atténuation réelle dans la bande de bruit de l'arc, là où les composants génériques deviennent inductifs.
• Une dérive de ±30 ppm/°C et une stabilité de classe I permettent de maintenir l'efficacité de la terminaison depuis un démarrage à froid jusqu'à un changement à chaud.
• tanδ à 0.1 % ou moins absorbe l'énergie couplée sans ajouter d'anneau propre.
• Les tensions nominales de 1 kV à 100 kV couvrent la terminaison côté torche ainsi que l'entrée du signal de bas niveau.
• La décharge partielle reste inférieure à 5 pC, de sorte que les éléments de terminaison n'ajoutent aucun bruit aux voies qu'ils protègent.
• Le 40 kV condensateurs poignée de porte et la condensateur à film Fonctionnement sur une large gamme de systèmes haute tension où les trajets de champ proche sont cartographiés et terminés au niveau des composants.

Livraison et support couvre un références croisées Pour les composants de terminaison que vous utilisez actuellement, veuillez fournir des données d'impédance mesurées jusqu'à 100 MHz sur le lot livré, des échantillons pour le test de sonde à arc sous tension, ainsi qu'une assistance applicative pour le routage et la mise à la terre en étoile. Veuillez également nous communiquer le courant d'arc, la vitesse de réamorçage, la bande passante du canal de détection et… résistance d'échantillonnage valeur dans la boucle de rétroaction.

6. Questions fréquentes

Q1 : Pourquoi les filtres secteur ne corrigent-ils pas ce bruit ?

Car l'énergie ne transite jamais par le réseau électrique. L'arc injecte du courant dans les boucles de détection, le châssis et les câbles de l'interface homme-machine, et ce courant atteint la carte de commande par des chemins non couverts par le filtre secteur.

Q2 : À quelle distance de la torche le câblage doit-il passer ?

Au moins 0.5 m lorsque la configuration le permet. La contribution capacitive diminue avec la distance ; déplacer une ligne de détection de 0.3 m à 0.5 m réduit le courant couplé d'environ trois fois avant même que l'effet de blindage ne soit pris en compte.

Q3 : Un condensateur shunt plus grand peut-il résoudre le problème de la ligne de détection ?

Non. Un shunt de 22 nF contre une branche de diviseur de tension de 2 kΩ donne une constante de temps de 44 µs, et un canal devant suivre la dynamique de l'arc en 10 µs ne peut la supporter. Le blindage et un diviseur de tension intégré à la tête de torche assurent la dissipation ; le shunt gère la tension résiduelle.

Q4 : Quel est le rôle de la sangle de cadre ?

Avec une inductance de 300 nH et un courant induit de 3 A à 3 MHz, la tresse génère une contamination de masse de 17 V. Une courte tresse de 30 nH en un seul point réduit cette valeur à 1.7 V, et la masse en étoile l'empêche d'interférer avec la référence de contrôle.

Q5 : Quel est le niveau d'erreur visible dans le retour d'information actuel ?

Une inductance mutuelle de 4 nH avec un front de 100 A/µs donne 0.4 V. Dans un canal dimensionné à 200 A par 2 V, cela correspond à 40 A de courant parasite, ce qui est suffisant pour que le régulateur réagisse au bruit.

Q6 : Quel test prouve que les correctifs fonctionnent ?

Un test d'arc électrique réel avec des sondes E et H est effectué sur chaque circuit sensible, dans les conditions de courant d'arc et de câblage les plus défavorables. Le niveau mesuré sur chaque circuit doit rester inférieur à son seuil d'immunité ; le test sur banc d'essai sans arc électrique n'est pas pris en compte.

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