اختبارات أداء EMC تصميم وتحسين لأجهزة التحويل الإلكترونية للجهد

1 نظرة عامة على أداء التوافق الكهرومغناطيسي لمحولات الجهد الإلكترونية
1.1 التعريف والمتطلبات للتوافق الكهرومغناطيسي

يشير التوافق الكهرومغناطيسي (EMC) إلى قدرة الجهاز/النظام على العمل دون اضطراب في بيئة كهرومغناطيسية معينة وتجنب إحداث تداخل كهرومغناطيسي غير مقبول لأجهزة أخرى. بالنسبة لمحولات الجهد الإلكترونية، يتطلب التوافق الكهرومغناطيسي أداءً ثابتًا في القياس في البيئات المعقدة، دون التدخل في أجهزة أخرى. يجب مراعاة أداء التوافق الكهرومغناطيسي وتوفيره أثناء التصميم والإنتاج.

1.2 مبدأ العمل

تستفيد محولات الجهد الإلكترونية من الاستقراء الكهرومغناطيسي والقياس الإلكتروني عالي الدقة لتحويل الإشارات ذات الجهد العالي في أنظمة الطاقة إلى إشارات ذات جهد منخفض. تتكون عادةً من مستشعر أولي، دائرة تحويل ثانوية، ووحدة معالجة الإشارات: يقوم المستشعر الأولي بتحويل الإشارات ذات الجهد العالي إلى تيار/جهد ضعيف يتناسب مع الجهد الأولي؛ تقوم الدائرة الثانوية بتحويل هذه الإشارات إلى إشارات رقمية/ аналоговые стандартные сигналы; وحدة المعالجة تقوم بتصفية وتعزيز وضبط الإشارات لتحسين دقة القياس والاستقرار. يمكنها قياس الجهد والتيار والطاقة لدائرة واحدة (كما هو موضح في الشكل 1)، أو الجهد/التيار لدوائر واحدة أو متعددة.

1.3 تحليل التداخل الكهرومغناطيسي والحساسية

تتعرض محولات الجهد الإلكترونية للتداخل الكهرومغناطيسي من الأجهزة الكهربائية الأخرى (مثل الصدمات الكهربائية الناتجة عن البرق، والجهود العابرة المؤقتة الناتجة عن تشغيل المفاتيح)، مما يؤدي إلى تدهور أداء القياس (مثل زيادة الأخطاء، عدم استقرار القراءات).

2 تحليل اختبارات أداء التوافق الكهرومغناطيسي لمحولات الجهد الإلكترونية (EVT)
2.1 محتوى الاختبار ومعايير التقييم

يعتبر اختبار أداء التوافق الكهرومغناطيسي لـ EVT خطوة حاسمة لضمان عمله المستقر والدقيق في البيئات العملية الفعلية. يركز الاختبار على تقييم قدرة EVT على مقاومة التداخل وادائه تحت مختلف الاضطرابات الكهرومغناطيسية. يتم تقسيم معايير التقييم إلى درجة A ودرجة B بناءً على شدة نتائج الاختبار:

• درجة A: الحفاظ على الأداء الطبيعي ضمن حدود المواصفات الدقيقة. يتطلب التقييم أن يكون دقة القياس لـ EVT ضمن الحدود المحددة عند تعرضه للاضطرابات الكهرومغناطيسية. وهذا يضمن أن إشارة الجهد الخارجة تتطابق مع القيمة الفعلية ولا تؤثر على المراقبة والتحكم العادي في نظام الطاقة.

• درجة B: السماح بتدهور مؤقت في أداء القياس غير متعلق بالوظائف الحامية. تسمح المعايير بتراجع مؤقت في أداء القياس تحت الاضطرابات الكهرومغناطيسية شريطة ألا يؤثر ذلك على التشغيل العادي لوظائف الحماية أو يسبب إعادة تشغيل/إعادة تشغيل الجهاز. يجب التحكم في الجهد الخارجي بحيث لا يتجاوز 500 فولت لتجنب التداخل غير الضروري أو الأضرار لنظام الطاقة.

2.2 اختبارات التداخل المنقول

يشير التداخل المنقول إلى الاضطرابات الكهرومغناطيسية التي تنتقل عبر المسارات الموصلة (مثل الأسلاك، الأنابيب المعدنية). بالنسبة لـ EVTs، يعتبر التداخل المنقول تحديًا رئيسيًا.

• اختبار التوهج السريع/النبض (EFT/B): يحاكي الاضطرابات المؤقتة من الأحمال الاستقرائية (مثل الأجهزة المتصلة، المحولات) أثناء التبديل، والتي تكون عادةً ذات نطاق ترددي واسع ويمكن أن تزعج عمل EVT. يتم تطبيق سلسلة من النبضات السريعة على EVT، مراقبة استقرار ودقة إشارة الجهد الخارجة لتقييم قدرة مقاومة التداخل.

• اختبار المناعة ضد الصدمات (النبضات): يحاكي الجهود/التيارات العابرة المؤقتة من عمليات التبديل، الصدمات الكهربائية الناتجة عن البرق، وغيرها. هذه الأحداث تحمل طاقة عالية ومدتها قصيرة، مما يؤثر بشدة على العزل ودقة القياس لـ EVT. يتم تطبيق جهود الصدمات على EVT لتأكيد قدرته على تحمل الاضطرابات دون تلف أو تدهور في الأداء.

2.3 اختبارات التداخل المنبعث

• اختبار المناعة ضد المجال المغناطيسي الترددي: يقيم أداء EVT في بيئات المجال المغناطيسي الترددي. من خلال تطبيق مجال مغناطيسي ترددي متحكم فيه، يتم مراقبة استقرار ودقة إشارة الجهد الخارجة لتقييم قدرة مقاومة التداخل.

• اختبار المناعة ضد المجال المغناطيسي المتأرجح المخمد: يحاكي المجالات المغناطيسية المتأرجحة المخمدة التي تنتج عندما تعمل المفاتيح العازلة في محطات التوزيع ذات الجهد العالي على خطوط الحافلة ذات الجهد العالي. هذه المجالات لها معدلات تحلل سريعة وتكرارات عالية، مما قد يزعج دقة القياس لـ EVT. يتم تطبيق المجالات المغناطيسية المتأرجحة المخمدة لفحص ما إذا كان EVT يحافظ على أداء القياس المستقر.

• اختبار المناعة ضد المجال المغناطيسي النبضي: يحاكي المجالات المغناطيسية النبضية الناتجة عن الصدمات الكهربائية على المباني أو الهياكل المعدنية الأخرى. هذه المجالات لها أوقات صعود سريعة وشدات قممية عالية، مما يهدد العزل ودقة القياس لـ EVT. يتم تطبيق المجالات المغناطيسية النبضية لتأكيد قدرة EVT على تحمل الاضطرابات دون تلف أو تدهور في الأداء.

• اختبار المناعة ضد المجال الكهرومغناطيسي الإشعاعي الترددي: يقيم أداء EVT في بيئات الإشعاع الترددي (RF) (مثل المصادر الكهرومغناطيسية الصناعية، البث الإذاعي، محطات الاتصالات المحمولة). من خلال تطبيق مجالات الإشعاع الترددي المسيطر عليها، يتم مراقبة استقرار ودقة إشارة الجهد الخارجة لتقييم قدرة مقاومة التداخل.

3 مبادئ التصميم للتوافق الكهرومغناطيسي لمحولات الجهد الإلكترونية
3.1 مبادئ تصميم الدائرة

• تصميم الأرض العائم: في تصميم الدائرة، استخدم تقنية الأرض العائمة لعزل خطوط الإشارة عن الجسم. هذا يمنع تيارات التداخل على الجسم من التوصيل المباشر في دائرة الإشارة، مما يقلل من التداخل الضوضائي ويحسن دقة واستقرار الإشارة.

• تخطيط الأسلاك بشكل مناسب: ترتيب خطوط الطاقة والأرض والعديد من خطوط الإشارة بشكل صحيح - وهو أمر أساسي لتقليل التداخل التآزر. في تصميم دوائر EVT، تأكد من أن التآزر بين الخطوط هو أقل ما يمكن. يمكن استخدام طرق مثل تخطيط الأسلاك الطبقية والتوجيه العمودي (للتجنب من الركض بالتوازي) لتقليل الاستقراء الكهرومغناطيسي والتآزر السعوي.

• تصميم مكثف الترشيح: تنفيذ مكثف الترشيح في مدخل الطاقة للموديلات لقمع الإشارات المتداخلة الداخلة عبر مصدر الطاقة. اختيار المكثفات بناءً على معلمات مثل السعة، الجهد، وخصائص التردد لترشيح الضوضاء والتشويش عالية التردد من مصدر الطاقة بكفاءة.

• تصميم المنطق ذو المستوى المنخفض: تجنب استخدام مستويات المنطق المرتفعة غير الضرورية لتقليل استهلاك الطاقة وتداخل التردد العالي. في تصميم دوائر EVT، اعطِ الأولوية للأجهزة ذات المستوى المنخفض (مثل الأجهزة 3.3 V) لتقليل انبعاث واستقبال الضوضاء عالية التردد.

• تحكم في زمن الصعود والنزول: اختيار أبطأ وقت ممكن للصعود والنزول (ضمن حدود وظيفة الدائرة) لتجنب إنتاج مكونات تردد عالية غير ضرورية. هذا يساعد على تقليل الضوضاء عالية التردد في الدائرة وتحسين استقرار وإتقان الإشارة.

3.2 مبادئ تصميم البنية الداخلية

• بنية الدرع المغلقة تمامًا: استخدام درع مغلق تمامًا للجسم، مع التأكد من وجود تواصل جيد بين جميع الأسطح وتوصيل الأرض المناسب. هذا يحجب بشكل فعال التداخل من المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية، مما يحمي الدوائر الإلكترونية الداخلية من الاضطرابات الخارجية.

• تقليل طول الأسلاك المكشوفة: الحفاظ على جميع الأسلاك المكشوفة داخل الجسم بأقصر طول ممكن لتقليل الإشعاع والتآزر التآزر. في تصميم الجزء الداخلي لـ EVT، قم بتحسين تخطيط وترتيب المكونات لتقليل طول الأسلاك المكشوفة.

• تجزئة وتجميع الأسلاك: تجزئة الأسلاك حسب نوع الإشارة (مثل فصل الخطوط الرقمية وال_ANALOG_ ) وحفظ المسافة المناسبة بين المجموعات. هذا يقلل من التداخل بين الأسلاك، مما يحسن وضوح ودقة الإشارة.

• الربط بالأغراء الموصل: استخدام الغراء الموصل في جميع مفاصل الجسم للتأكد من التواصل الكهربائي الجيد وفعالية الدرع. هذا يقلل من مقاومة الاتصال ويحسن أداء الدرع.

4 استراتيجيات لتحسين أداء التوافق الكهرومغناطيسي لمحولات الجهد الإلكترونية
4.1 تصميم مضاد للتداخل لمدخل الطاقة
4.1.1 تركيب مرشحات الطاقة

مرشح الطاقة هو جهاز فعال لقمع التداخل الكهرومغناطيسي يمكنه ترشيح الضوضاء عالية التردد والنبضات العابرة في مصدر الطاقة، مما يضمن نقية الطاقة الداخلة. عند اختيار مرشح الطاقة، اختر النموذج والمواصفات المناسبة وفقًا للقدرة المقننة وبيئة العمل لـ EVT، وتأكد من تركيب المرشح بالقرب من مدخل الطاقة للحصول على أفضل تأثير ترشيح.

4.1.2 اعتماد تصميم مصدر طاقة مزدوج

لتحسين موثوقية مصدر الطاقة لـ EVT، يتم اعتماد تصميم مصدر طاقة مزدوج، أي تكوين موديلات طاقة متعددة. عند فشل أحد موديلات الطاقة، يمكن للموديلات الأخرى أن تأخذ على الفور مهمة تزويد الطاقة لضمان التشغيل العادي لـ EVT. هذا ليس فقط يعزز قدرة مقاومة التداخل لـ EVT ولكن أيضًا يعزز استقراره العام.

4.1.3 تعزيز الدرع والتوصيل بالأرض لخطوط الطاقة

خطوط الطاقة هي أحد المسارات المهمة لنشر التداخل الكهرومغناطيسي. لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي على خطوط الطاقة، يتم استخدام كابلات مدرعة للف خطوط الطاقة في طبقة درع معدنية، مما يقلل من الإشعاع والتآزر للموجات الكهرومغناطيسية. في نفس الوقت، تأكد من توصيل الأرض الجيد لخطوط الطاقة، مما يوجه تيار التداخل إلى الأرض لتجنب الأضرار لـ EVT.

4.2 حماية المنافذ الإشارية من التفريغ الكهروستاتيكي
4.2.1 تركيب مكونات امتصاص الاضطرابات العابرة

مكونات امتصاص الاضطرابات العابرة، مثل مثبطات الجهد العابر (TVS) والمثبطات، يمكنها امتصاص بسرعة طاقة التفريغ أثناء التفريغ الكهروستاتيكي وتحكم في الجهد ضمن مستوى آمن، مما يحمي المكونات الإلكترونية الداخلية لـ EVT من التلف. عند اختيار مكونات امتصاص الاضطرابات العابرة، اختر النموذج والمواصفات المناسبة وفقًا لخصائص الإشارة وبيئة العمل لـ EVT.

4.2.2 اعتماد طريقة نقل الإشارة التفاضلية

طريقة نقل الإشارة التفاضلية يمكنها مقاومة التداخل المشترك بشكل فعال وتحسين قدرة مقاومة التداخل للإشارة. في تصميم المنفذ الإشاري لـ EVT، يتم اعتماد طريقة نقل الإشارة التفاضلية، حيث يتم تقسيم الإشارة إلى قنوات موجبة وسالبة للنقل. يتم استخراج المعلومات الفعالة من خلال مقارنة الفروقات بين القناتين، مما يحسن جودة نقل الإشارة ويقلل من تأثير التفريغ الكهروستاتيكي على EVT.

4.3 تحسين أداء الدرع للجسم
4.3.1 اختيار مواد ذات نفاذية مغناطيسية عالية

اختيار المواد للجسم مهم جدًا لتأثير الدرع. لتحسين قدرة الدرع على المجال المغناطيسي للجسم، يتم اختيار مواد ذات نفاذية مغناطيسية عالية، مثل صفائح الحديد، التي يمكنها امتصاص وتوزيع طاقة المجال المغناطيسي وتقليل تأثير المجال المغناطيسي على الجزء الداخلي لـ EVT. النفاذية المغناطيسية النسبية للمعادن مبينة في الجدول 1.

4.3.2 تحسين تصميم بنية الجسم

تصميم بنية الجسم هو أيضًا عاملاً مهمًا يؤثر على أداء الدرع. في تصميم الجسم لـ EVT، يتم اعتماد بنية درع مغلقة تمامًا للتأكد من التواصل الجيد والتوصيل بالأرض بين الأسطح المختلفة.

4.3.3 تعزيز معالجة توصيل الجسم بالأرض

معالجة توصيل الجسم بالأرض مهمة جدًا لأداء الدرع. في تصميم الجسم لـ EVT، يجب التأكد من وجود توصيل جيد بالأرض بين الجسم والأرض، مما يوجه تيار التداخل إلى الأرض.

كما يصدر أيضاً تداخلات مثل التوافقيات عالية التردد والإشعاع الكهرومغناطيسي، مما يؤثر على الأجهزة الأخرى. يتطلب تصميمها معالجة هذه التداخلات والحساسيات مع إجراءات القمع والحماية.

5 الخلاصة

تقوم هذه الورقة بأبحاث وتصميم عميق حول أداء التوافق الكهرومغناطيسي لمحولات الجهد الإلكترونية. تم اقتراح سلسلة من الإجراءات، بما في ذلك مبادئ تصميم الدائرة، ومبادئ تصميم البنية الداخلية، واستراتيجيات تحسين أداء التوافق الكهرومغناطيسي. الهدف هو تعزيز قدرة مقاومة التداخل والاستقرار لـ EVT في البيئات الكهرومغناطيسية المعقدة، وضمان قدرته على قياس إشارات الجهد بدقة وموثوقية في أنظمة الطاقة، وتقديم ضمان قوي لتشغيل أنظمة الطاقة بأمان واستقرار.