Disseny i millora de proves de rendiment EMC per a transformadors electrònics de tensió

1 Resum de la compatibilitat electromagnètica dels transformadors electrònics de tensió
1.1 Definició i requisits de la CEM

La compatibilitat electromagnètica (CEM) denota la capacitat d'un dispositiu/sistema per operar sense pertorbacions en un entorn electromagnètic donat i evitar causar interferències electromagnètiques inacceptables a altres entitats. Per als transformadors electrònics de tensió, la CEM requereix un rendiment estable de mesura en entorns complexos, sense interferir amb altres dispositius. El seu rendiment de CEM s'ha de tenir en compte i assegurar durant el disseny i la fabricació.

1.2 Principi de funcionament

Els transformadors electrònics de tensió utilitzen l'inducció electromagnètica i la mesura electrònica de alta precisió per convertir senyals de tensió elevada en sistemes d'energia a senyals de baixa tensió. Normalment, consten d'un sensor primari, un circuit de conversió secundària i una unitat de processament de senyals: el sensor primari transforma els senyals de tensió elevada en corrent/voltatge proporcional a la tensió primària; el circuit secundari converteix aquests a senyals digitals/analogics estàndard; la unitat de processament filtra, amplifica i calibra els senyals per millorar la precisió i la estabilitat de la mesura. Poden mesurar la tensió, la corrent i la potència d'un circuit (com es mostra a la Figura 1), o la tensió/corrent de circuits individuals/múltiples.

1.3 Anàlisi de la interferència electromagnètica i la sensibilitat

Els transformadors electrònics de tensió estan subjectes a interferències electromagnètiques d'altres equips elèctrics (p. ex., impulsos de llamp, sobretensions transitories de les operacions de commutació), que degraden el rendiment de la mesura (p. ex., errors incrementats, lectures instables).

2 Anàlisi dels tests de rendiment de la compatibilitat electromagnètica dels transformadors electrònics de tensió (EVT)
2.1 Contingut del test i criteris d'avaluació

El test de rendiment de la compatibilitat electromagnètica d'un EVT és un pas crucial per assegurar la seva operació estable i precisa en entorns de treball reals. El test se centra en avaluar la capacitat anti-interferència de l'EVT i el seu rendiment sota diverses pertorbacions electromagnètiques. Els criteris d'avaluació es divideixen en categoria A i categoria B basant-se en la severitat dels resultats del test:

• Categoria A: Manté el rendiment normal dins dels límits d'especificacions de precisió. L'avaluació requereix que quan l'EVT estigui sotmès a pertorbacions electromagnètiques, la seva precisió de mesura ha de mantenir-se dins dels límits especificats. Això assegura que el senyal de tensió de sortida coincideixi amb el valor real i no interrompi el monitoratge i control normal del sistema d'energia.

• Categoria B: Permet una degradació temporal del rendiment de mesura no relacionada amb les funcions de protecció. Els criteris permeten descensos temporals del rendiment de mesura sota pertorbacions electromagnètiques, sempre que no afectin la operació normal de les funcions de protecció ni provoquin un reinici/reinici del dispositiu. La tensió de sortida s'ha de controlar dins de 500 V per evitar interferències innecessàries o danys al sistema d'energia.

2.2 Tests d'interferència conduïda

L'interferència conduïda fa referència a les pertorbacions electromagnètiques transmeses a través de camins conductors (p. ex., cables, tubs metàl·lics). Per als EVT, l'interferència conduïda és un repte important.

• Test de Transients Ràpids/Burst (EFT/B): Simula les pertorbacions transitories de càrregues inductives (p. ex., relés, contactors) durant la commutació, que solen tenir espectres de freqüència amplis i poden interrompre l'operació de l'EVT. El test aplica una sèrie de bursts de transients ràpids a l'EVT, observant la estabilitat i la precisió del senyal de tensió de sortida per avaluar la capacitat anti-interferència.

• Test d'Immunitat a Surtges (Impulsos): Simula sobretensions/transcorrents transitories de les operacions de commutació, impactes de llamps, etc. Aquests esdeveniments porten energia alta i durades curtes, impactant greument l'aïllament i la precisió de mesura de l'EVT. El test aplica tensions de surtge a l'EVT per verificar la seva capacitat per resistir les pertorbacions sense dañar-se ni degradar el rendiment.

2.3 Tests d'interferència irradiada

• Test d'Immunitat a Camps Magnètics de Freqüència de Potència: Avalua el rendiment de l'EVT en entorns de camps magnètics de freqüència de potència. Aplicant un camp magnètic de freqüència de potència controlat, el test observa la estabilitat i la precisió del senyal de tensió de sortida per avaluar la capacitat anti-interferència.

• Test d'Immunitat a Camps Magnètics Oscil·latoris Amortits: Simula els camps magnètics oscil·latoris amortits generats quan els interruptors d'isolació en subestacions d'alta tensió operen en barraments d'alta tensió. Aquests camps tenen taxes de decàiem ràpides i freqüències altes, que poden interrompre la precisió de mesura de l'EVT. El test aplica camps magnètics oscil·latoris amortits per comprovar si l'EVT manté un rendiment de mesura estable.

• Test d'Immunitat a Camps Magnètics Pulsats: Simula els camps magnètics pulsats de llamps en edificis o altres estructures metàl·liques. Aquests camps tenen temps de pujada ràpids i intensitats de cim altes, amenaçant l'aïllament i la precisió de mesura de l'EVT. El test aplica camps magnètics pulsats per verificar la capacitat de l'EVT per resistir les pertorbacions sense dañar-se ni degradar el rendiment.

• Test d'Immunitat a Camps Electromagnètics de Radiació de Freqüència de Radio: Avalua el rendiment de l'EVT en entorns de radiació de freqüència de radio (p. ex., fonts electromagnètiques industrials, emissions de ràdio, estacions base de comunicació mòbil). Aplicant camps de radiació de freqüència de radio controlats, el test observa la estabilitat i la precisió del senyal de tensió de sortida per avaluar la capacitat anti-interferència.

3 Principis de disseny per a la compatibilitat electromagnètica dels transformadors electrònics de tensió
3.1 Principis de disseny de circuits

• Disseny de terra flotant: En el disseny de circuits, utilitza la tecnologia de terra flotant per aïllar les línies de senyal de la carcassa. Això evita que les corrents d'interferència en la carcassa es couguin directament al circuit de senyal, reduint la interferència de soroll i millorant la precisió i la estabilitat del senyal.

• Disposició racional de cablaments: Disposa correctament les línies d'alimentació, les línies de terra i les diverses línies de senyal; això és clau per minimitzar la interferència de coupage. En el disseny de circuits de l'EVT, assegura un coupage mínim entre línies. Mètodes com el cablagat en capes i la traçada ortogonal (per evitar paral·leles) redueixen l'inducció electromagnètica i el coupage capacitatiu.

• Disseny de condensadors de filtratge: Implementa condensadors de filtratge a la entrada d'alimentació dels mòduls per suprimir els senyals d'interferència que entren a través de l'alimentació. Selecciona condensadors basant-te en paràmetres com la capacitance, la tensió nominal i les característiques de freqüència per filtrar eficientment el soroll de freqüència alta i la interferència de l'alimentació.

• Disseny de lògica de nivell baix: Evita nivells lògics alts innecessaris per reduir el consum d'energia del circuit i la interferència de freqüència alta. En el disseny de circuits de l'EVT, priorititza dispositius de lògica de nivell baix (p. ex., dispositius de 3.3 V) per minimitzar l'emissió i la recepció de soroll de freqüència alta.

• Control de temps de pujada/baixada: Tria els temps de pujada i baixada més lents permessos (dins dels límits de funció del circuit) per evitar la generació de components de freqüència alta innecessaris. Això ajuda a reduir el soroll de freqüència alta en el circuit i millora la estabilitat i la precisió del senyal.

3.2 Principis de disseny de l'estructura interna

• Estructura de blindatge totalment tancada: Utilitza un blindatge totalment tancat per a la carcassa, assegurant un bon contacte entre totes les superfícies i una aterrada adequada. Això bloqueja efectivament la interferència dels camps electromagnètics externs, protegint els circuits electrònics interns de les pertorbacions externes.

• Minimitza la longitud de cable exposat: Mantén tots els cables exposats dins de la carcassa tan curts com sigui possible per reduir la radiació electromagnètica i la interferència de coupage. En el disseny intern de l'EVT, optimitza la disposició i ubicació dels components per minimitzar les longituds de cable exposades.

• Agrupament i atenció de cables: Agrupa els cables segons el tipus de senyal (p. ex., separa les línies digitals i analògiques) i mantén una separació adequada entre els grups. Això redueix la crosstalk entre cables, millorant la claritat i la precisió del senyal.

• Unió amb adhesiu conductor: Utilitza adhesiu conductor en totes les juntes de la carcassa per assegurar una bona connexió elèctrica i efectivitat de blindatge. Això redueix la resistència de contacte i mil.lora el rendiment del blindatge.

4 Estratègies per millorar el rendiment de la compatibilitat electromagnètica dels transformadors electrònics de tensió
4.1 Disseny anti-interferència del port d'alimentació
4.1.1 Instal·la filtres d'alimentació

Un filtre d'alimentació és un dispositiu eficaç per a la supressió de la interferència electromagnètica que pot filtrar el soroll de freqüència alta i els impulsos transitoris en l'alimentació, assegurant la puretat de l'entrada d'alimentació. En seleccionar un filtre d'alimentació, tria el model i la especificació adequats segons la potència nòminal i l'entorn de treball de l'EVT, i assegura't que el filtre estigui instal·lat a prop de l'entrada d'alimentació per obtenir el millor efecte de filtratge.

4.1.2 Adopta un disseny d'alimentació redundant

Per millorar la fiabilitat de l'alimentació de l'EVT, s'adopta un disseny d'alimentació redundant, és a dir, es configuren dos o més mòduls d'alimentació. Quan un mòdul d'alimentació falla, els altres mòduls d'alimentació poden assumir ràpidament la tasca d'alimentació per assegurar el funcionament normal de l'EVT. Això no només millora la capacitat anti-interferència de l'EVT, sinó que també augmenta la seva estabilitat general.

4.1.3 Reforça el blindatge i la aterrada de les línies d'alimentació

Les línies d'alimentació són un dels camins importants per a la propagació de la interferència electromagnètica. Per reduir la interferència electromagnètica en les línies d'alimentació, s'utilitzen cables blindats per envoltar les línies d'alimentació en una capa de blindatge metàl·lica, reduint la radiació i el coupage dels ones electromagnètiques. Alhora, assegura una bona aterrada de les línies d'alimentació, guiant la corrent d'interferència cap a terra per evitar danys a l'EVT.

4.2 Protecció contra la descàrrega electrostàtica dels ports de senyal
4.2.1 Instal·la components d'absorció de pertorbacions transitories

Els components d'absorció de pertorbacions transitories, com els Supressors de Tensió Transitori (TVS) i varistors, poden absorir ràpidament l'energia de descàrrega durant la descàrrega electrostàtica i controlar la tensió dins d'un nivell segur, protegint els components electrònics interns de l'EVT de danys. En seleccionar components d'absorció de pertorbacions transitories, tria el model i la especificació adequats segons les característiques del senyal i l'entorn de treball de l'EVT.

4.2.2 Adopta el mètode de transmissió de senyal diferencial

El mètode de transmissió de senyal diferencial pot resistir eficaçment la interferència de mode comú i millorar la capacitat anti-interferència del senyal. En el disseny del port de senyal de l'EVT, s'adopta el mètode de transmissió de senyal diferencial, dividint el senyal en canals positius i negatius per a la transmissió. Es extreu informació efectiva comparant les diferències de senyal entre els dos canals, no només millorant la qualitat de la transmissió del senyal, sinó també reduint la interferència de la descàrrega electrostàtica a l'EVT.

4.3 Optimització del rendiment de blindatge de la carcassa
4.3.1 Selecció de materials amb alta permeabilitat magnètica

La selecció del material de la carcassa és crucial per a l'efecte de blindatge. Per millorar la capacitat de blindatge del camp magnètic de la carcassa, s'escullen materials amb alta permeabilitat magnètica, com ara plaques de ferro, que poden absorir i dispersar eficaçment l'energia del camp magnètic i reduir la interferència del camp magnètic a l'interior de l'EVT. La permeabilitat magnètica relativa dels metall és mostrada a la Taula 1.

4.3.2 Optimització del disseny estructural de la carcassa

El disseny estructural de la carcassa també és un factor important que afecta l'efecte de blindatge. En el disseny de la carcassa de l'EVT, s'adopta una estructura de blindatge totalment tancada per assegurar un bon contacte i aterrada entre les diverses superfícies.

4.3.3 Reforç del tractament de la aterrada de la carcassa

El tractament de la aterrada de la carcassa és crucial per a l'efecte de blindatge. En el disseny de la carcassa de l'EVT, cal assegurar una bona connexió aterrada entre la carcassa i la terra, guiant la corrent d'interferència cap a la terra.

També emeten interferències com harmònics de freqüència alta i radiació electromagnètica, impactant altres dispositius. El disseny d'aquests requerix abordar aquests reptes d'interferència i sensibilitat amb mesures de supressió i protecció.

5 Conclusió

Aquest article realitza una investigació i disseny en profunditat sobre el rendiment de la compatibilitat electromagnètica dels transformadors electrònics de tensió. Es proposen una sèrie de mesures, incloent principis de disseny de circuits, principis de disseny de l'estructura interna i estratègies d'optimització del rendiment de la compatibilitat electromagnètica. L'objectiu és millorar la capacitat anti-interferència i la estabilitat de l'EVT en entorns electromagnètics complexos, assegurant que pugui mesurar de manera precisa i fiable els senyals de tensió en els sistemes d'energia, i proporcionar una garantia forta per a l'operació segura i estable dels sistemes d'energia.