Проектиране и подобряване на изпитванията за електромагнитна съвместимост (EMC) за електронни преобразуватели на напрежение

1 Преглед на електромагнитната съвместимост (ЕМС) на електронните волтметри
1.1 Дефиниция и изисквания за ЕМС

Електромагнитната съвместимост (ЕМС) означава способността на устройство/система да работи безпроблемно в дадена електромагнитна среда и да не причинява неприемливо електромагнитно заблуждение на други същности. За електронните волтметри, ЕМС изисква стабилна измервателна производителност в сложни условия, без да нарушава други устройства. Их ЕМС производителност трябва да бъде взета предвид и осигурена по време на проектиране и производство.

1.2 Работен принцип

Електронните волтметри използват електромагнитна индукция и високопрецизни електронни измервания, за да преобразуват високоволтови сигнали в електроенергийните системи в нисковолтови. Обикновено състоят от основен сензор, вторична преобразувателна верига и единица за обработка на сигнали: основният сензор преобразува високоволтови сигнали в слаби токове/напрежения, пропорционални на основното напрежение; вторичната верига по-нататък преобразува тези в стандартни цифрови/аналогови сигнали; единицата за обработка филтрира, усилива и калибира сигнали, за да подобри точността и стабилността на измерванията. Те могат да измерват напрежението, тока и мощността на един циркуит (както е показано на Фигура 1), или напрежението/ток на един или повече циркуити.

1.3 Анализ на електромагнитното заблуждение и чувствителност

Електронните волтметри са изложени на електромагнитно заблуждение от друго електрооборудование (например, мълниеви импулси, преходни прекомерни напрежения при операции с ключове), което влошава измервателната производителност (например, увеличава грешките, нестабилни четения).

2 Анализ на тестовете за производителността на електромагнитната съвместимост на електронните волтметри (EVT)
2.1 Съдържание на теста и критерии за оценка

Тестът за производителността на електромагнитната съвместимост на EVT е важен етап, за да се гарантира стабилната и точна работа в реалната работна среда. Тестът се концентрира върху оценяване на способността на EVT да противодейства на заблужденията и нейната производителност при различни електромагнитни разстройства. Критериите за оценка се делят на Град A и Град B в зависимост от тежестта на резултатите от теста:

• Град A: Поддържа нормална производителност в граници на спецификацията за точност. Оценката изисква, че когато EVT е изложен на електромагнитни разстройства, неговата измервателна точност трябва да остане в зададените граници. Това гарантира, че изходният сигнал на напрежението съответства на действителната стойност и не нарушава нормалното мониторинг и управление на електроенергийната система.

• Град B: Позволява временна деградация на измервателната производителност, нерелевантна за функции на защита. Критериите позволяват временни спадове в измервателната производителност при електромагнитни разстройства, стига те да не засягат нормалната работа на функциите на защита или да не причиняват рестартиране на устройството. Изходното напрежение трябва да бъде контролирано в рамките на 500 В, за да се избегне ненужно заблуждение или повреда на електроенергийната система.

2.2 Тестове за проводимо заблуждение

Проводимото заблуждение се отнася до електромагнитни разстройства, предавани чрез проводящи пътища (например, жици, метални тръби). За EVT, проводимото заблуждение е основен предизвикател.

• Тест за електрически бързи транзиенти/избухване (EFT/B): Симулира преходни разстройства от индуктивни товари (например, реле, контактни ключове) по време на свързване, които обикновено имат широки честотни спектри и могат да нарушият работата на EVT. Тестът прилага серия от бързи транзиентни избухвания към EVT, наблюдавайки стабилността и точността на изходния сигнал на напрежението, за да оцени способността за противодействие на заблуждение.

• Тест за устойчивост към стресове (Импулсни заблуждения): Симулира преходни прекомерни напрежения/токове от операции с ключове, удари на мълнии и т.н. Тези събития носят висока енергия и кратки продължителности, които сериозно засягат изолацията и измервателната точност на EVT. Тестът прилага стресови напрежения към EVT, за да потвърди способността му да издържа разстройства без повреди или деградация на производителността.

2.3 Тестове за радиоизлъчено заблуждение

• Тест за устойчивост към магнитно поле на рабочата честота: Оценява производителността на EVT в околната среда на магнитно поле на рабочата честота. Чрез прилагане на контролирано магнитно поле на рабочата честота, тестът наблюдава стабилността и точността на изходния сигнал на напрежението, за да оцени способността за противодействие на заблуждение.

• Тест за устойчивост към демпфирани колебателни магнитни полета: Симулира демпфирани колебателни магнитни полета, генериращи се, когато изолационни ключове в високонапрегнати подстанции работят на високонапрегнати шини. Тези полета имат бързи темпове на затихване и високи честоти, които потенциално могат да нарушият измервателната точност на EVT. Тестът прилага демпфирани колебателни магнитни полета, за да провери дали EVT поддържа стабилна измервателна производителност.

• Тест за устойчивост към импулсни магнитни полета: Симулира импулсни магнитни полета от удари на мълнии в сгради или други метални конструкции. Тези полета имат бързи времена на нарастване и високи пикови интензитети, които заплашват изолацията и измервателната точност на EVT. Тестът прилага импулсни магнитни полета, за да потвърди способността на EVT да издържа разстройства без повреди или деградация на производителността.

• Тест за устойчивост към радиочестотни излъчвания: Оценява производителността на EVT в радиочестотни (RF) излъчвания (например, индустриални електромагнитни източници, радиоизлъчвания, базови станции за мобилна комуникация). Чрез прилагане на контролирани RF излъчвания, тестът наблюдава стабилността и точността на изходния сигнал на напрежението, за да оцени способността за противодействие на заблуждение.

3 Принципи на проектиране за електромагнитна съвместимост на електронните волтметри
3.1 Принципи на проектиране на веригите

• Дизайн с плаваща земя: В проектирането на веригите, използвайте технологията за плаваща земя, за да изолирате сигналените линии от корпуса. Това предотвратява интерференционните токове в корпуса да се куплират директно в сигналената верига, намалявайки шумовата интерференция и подобрявайки точността и стабилността на сигнала.

• Разумна разположение на проводниците: Правилно разположете питателните линии, земните линии и различните сигналените линии - това е ключово за минимизиране на куплантната интерференция. В дизайн на веригите на EVT, осигурете минимална куплантна интерференция между линиите. Методи като слоисто разположение на проводниците и праволинейно маршрутиране (за избягване на паралелни маршрути) намаляват електромагнитната индукция и емпиричната куплантна интерференция.

• Дизайн на филтърни кондензатори: Реализирайте филтърни кондензатори на входа за питане на модулите, за да подтиснат интерференционните сигнали, влизащи чрез питането. Изберете кондензатори в зависимост от параметри като капацитет, напрежение и честотни характеристики, за да филтрирате ефективно високочестотния шум и интерференцията от източника на питане.

• Дизайн с нискоуровнева логика: Избегнете ненужни високоуровневи логически нива, за да намалите потреблението на мощност и високочестотната интерференция. В дизайн на веригите на EVT, отдайте предпочитание на устройства с нискоуровнева логика (например, 3.3 V устройства), за да минимизирате излъчването и приемането на високочестотен шум.

• Контрол на времето за нарастване/спадане: Изберете най-бавните допустими времена за нарастване и спадане (в рамките на функционалните ограничения на веригата), за да избегнете генерирането на ненужни високочестотни компоненти. Това помага да намали високочестотния шум в веригата и подобрява стабилността и точността на сигнала.

3.2 Принципи на проектиране на вътрешната структура

• Пълно затворена защитна структура: Използвайте пълно затворена защита за корпуса, осигурявайки добра контактна повърхност между всички части и правилно заземяване. Това ефективно блокира външните електромагнитни полета, защитавайки вътрешните електронни вериги от външни разстройства.

• Минимизиране на дължината на изложените проводници: Държете всички изложени проводници в корпуса колкото е възможно по-кратки, за да намалите електромагнитната радиация и куплантната интерференция. Във вътрешния дизайн на EVT, оптимизирайте разположението и местоположението на компонентите, за да минимизирате дължината на изложените проводници.

• Групиране и свързване на кабели: Групирайте проводниците според типа на сигнала (например, разделете цифровите и аналоговите линии) и поддържайте подходящо разстояние между групите. Това намалява крос-тълкова между проводниците, подобрявайки яснотата и точността на сигнала.

• Проводимо адгезивно свързване: Използвайте проводимо адгезивно вещество на всички интерфейсни съединения на корпуса, за да осигурите добра електрическа връзка и ефективност на защитата. Това намалява контактното съпротивление и подобрява производителността на защитата.

4 Стратегии за подобряване на производителността на електромагнитната съвместимост на електронните волтметри
4.1 Антиинтерференционен дизайн на порта за питане
4.1.1 Инсталирайте филтри за питане

Филтърът за питане е ефективно устройство за подтискване на електромагнитна интерференция, което може да филтрира високочестотния шум и преходни импулси в източника на питане, гарантирайки чистотата на входящото питане. При избор на филтър за питане, изберете подходящата модель и спецификация в зависимост от номиналната мощност и работната среда на EVT, и осигурете, че филтърът е инсталиран близо до входа за питане, за най-добрия ефект от филтрирането.

4.1.2 Приемете дизайн с резервно питане

За подобряване на надеждността на питането на EVT, приемете дизайн с резервно питане, тоест, конфигурирайте два или повече модула за питане. Ако един модул за питане се повреди, другите модули за питане могат бързо да поемат задачата за доставяне на питане, за да се гарантира нормалната работа на EVT. Това не само подобрява способността за противодействие на интерференцията на EVT, но и повишава общата й стабилност.

4.1.3 Усиленията на защитата и заземяването на линиите за питане

Линиите за питане са един от важните пътища за разпространение на електромагнитна интерференция. За намаляване на електромагнитната интерференция в линиите за питане, използвайте защитени кабели, за да обвият линиите за питане в метална защитна обвивка, намалявайки радиацията и куплантната интерференция на електромагнитните вълни. Едновременно с това, осигурете добра заземяване на линиите за питане, насочвайки интерференционния ток в земята, за да се избегне повреда на EVT.

4.2 Защита от електростатичен разряд на сигналените портове
4.2.1 Инсталирайте компоненти за абсорбция на преходни разстройства

Компонентите за абсорбция на преходни разстройства, такива като TVS и варистири, могат бързо да абсорбират енергията при електростатичен разряд и да контролират напрежението в безопасни граници, защитавайки вътрешните електронни компоненти на EVT от повреда. При избор на компоненти за абсорбция на преходни разстройства, изберете подходящата модель и спецификация в зависимост от характеристиките на сигнала и работната среда на EVT.

4.2.2 Приемете метод на диференциална сигналена передача

Методът на диференциална сигналена передача може ефективно да противодейства на обща мода интерференция и да подобри способността за противодействие на сигнала. В дизайна на сигналените портове на EVT, приемете метода на диференциална сигналена передача, разделяйки сигнала на положителни и отрицателни канали за предаване. Ефективната информация се извлича чрез сравняване на разликите в сигнала между двете канали, което не само подобрява качеството на предаване на сигнала, но и намалява интерференцията от електростатичен разряд върху EVT.

4.3 Оптимизация на производителността на защитата на корпуса
4.3.1 Изберете материали с висока магнитна проницаемост

Изборът на материал за корпуса е от решаващо значение за ефективността на защитата. За подобряване на способността за защита от магнитно поле на корпуса, изберете материали с висока магнитна проницаемост, като железни плочи, които могат ефективно да абсорбират и разпространят енергията на магнитното поле и да намалят интерференцията на магнитното поле вътре в EVT. Относителната магнитна проницаемост на металите е показана в таблица 1.

4.3.2 Оптимизирайте конструкцията на корпуса

Конструкцията на корпуса е също важен фактор, влияещ на ефективността на защитата. В дизайна на корпуса на EVT, приемете пълно затворена защитна структура, за да се гарантира добра контактна повърхност и заземяване между различните части.

4.3.3 Усиленията на заземяването на корпуса

Заземяването на корпуса е от решаващо значение за ефективността на защитата. В дизайна на корпуса на EVT, е необходимо да се осигури добра връзка за заземяване между корпуса и земята, насочвайки интерференционния ток в земята.

Те също излъчват интерференция, като високочестотни хармоники и електромагнитна радиация, влияйки на други устройства. Проектирането им изисква да се справят с тези предизвикателства за интерференция и чувствителност чрез мерки за подтискване и защита.

5 Заключение

Тази статия провежда дълбоки изследвания и проектиране на производителността на електромагнитната съвместимост на електронните волтметри. Представени са редица мерки, включително принципи на проектиране на веригите, принципи на проектиране на вътрешната структура и стратегии за подобряване на производителността на електромагнитната съвместимост. Целта е да се подобри способността за противодействие на интерференцията и стабилността на EVT в сложни електромагнитни среди, да се гарантира, че той може точно и надеждно да измерва сигнали на напрежение в електроенергийните системи, и да предостави силна гаранция за безопасната и стабилна работа на електроенергийните системи.