Návrh a vylepšení testů výkonu EMC pro elektronické napěťové transformátory

1 Přehled výkonu EMC elektronických napěťových transformátorů
1.1 Definice & požadavky na EMC

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) označuje schopnost zařízení/systému pracovat narušeně v daném elektromagnetickém prostředí a zabránit nepřijatelnému elektromagnetickému rušení jiným entitám. Pro elektronické napěťové transformátory požaduje EMC stabilní měřicí výkon v komplexních podmínkách, aniž by rušilo jiná zařízení. Jejich výkon EMC musí být zohledněn a zajištěn během návrhu a výroby.

1.2 Pracovní princip

Elektronické napěťové transformátory využívají elektromagnetickou indukci a vysokopřesné elektronické měření k převodu vysokonapěťových signálů v elektrických systémech na nízkonapěťové signály. Typicky se skládají z primárního čidlo, sekundární konverzní obvody a jednotku zpracování signálů: primární čidlo transformuje vysokonapěťové signály na slabý proud/napětí úměrný k primárnímu napětí; sekundární obvod dále tyto převádí na standardní digitální/analogové signály; jednotka zpracování filtruje, zesiluje a kalibruje signály pro zlepšení přesnosti a stability měření. Mohou měřit napětí, proud a výkon jednoho okruhu (jak je znázorněno na obrázku 1), nebo napětí/proud jednoho/více okruhů.

1.3 Analýza elektromagnetického rušení a citlivosti

Elektronické napěťové transformátory jsou vystaveny elektromagnetickému rušení od jiného elektrického vybavení (např. impulsy blesků, přechodné přetlaky z operace spínačů), což degraduje měřicí výkon (např. zvýšené chyby, nestabilní čtení).

2 Analýza testů výkonu elektromagnetické kompatibility elektronických napěťových transformátorů (EVT)
2.1 Obsah testu a kritéria hodnocení

Test výkonu elektromagnetické kompatibility EVT je klíčovým krokem pro zajištění jeho stabilní a přesné práce v reálném pracovním prostředí. Test se zaměřuje na hodnocení schopnosti EVT odolávat rušení a jeho výkonu v různých elektromagnetických poruchách. Kritéria hodnocení jsou rozdělena do kategorie A a B podle závažnosti výsledků testu:

• Kategorie A: Udržuje normální výkon v mezích přesnosti specifikace. Hodnocení požaduje, aby při vystavení EVT elektromagnetickým poruchám jeho měřicí přesnost zůstala uvnitř stanovených mezí. To zajišťuje, že výstupní signál napětí odpovídá skutečné hodnotě a nezakládá normální monitorování a řízení elektrického systému.

• Kategorie B: Povoluje dočasné snížení měřicího výkonu, které není spojeno s ochrannými funkcemi. Kritéria povolují dočasné poklesy měřicího výkonu při elektromagnetických poruchách, pokud neovlivňují normální fungování ochranných funkcí nebo nezpůsobují reset/restart zařízení. Výstupní napětí musí být kontrolováno v rozmezí 500 V, aby se zabránilo nezbytnému rušení nebo poškození elektrického systému.

2.2 Testy vedoucího rušení

Vedoucí rušení se týká elektromagnetických poruch přenášených přes vodiče (např. dráty, kovové trubky). Pro EVT je vedoucí rušení hlavním problémem.

• Test rychlého transitoru/burzu (EFT/B): Simuluje transitorové poruchy z indukčních zátěží (např. relé, kontaktory) během přepínání, které obvykle mají široké frekvenční spektrum a mohou rušit funkci EVT. Test aplikuje sérii rychlých transitorových burz na EVT, pozoruje stabilitu a přesnost výstupního signálu napětí pro hodnocení schopnosti odolávat rušení.

• Test imunity proti vlnám (impulsům): Simuluje přechodné přetlaky/proud z operace spínačů, blesků atd. Tyto události mají vysokou energii a krátkou dobu trvání, což vážně ovlivňuje izolaci a měřicí přesnost EVT. Test aplikuje vlnové napětí na EVT, aby ověřil jeho schopnost odolávat poruchám bez poškození nebo snížení výkonu.

2.3 Testy radiálního rušení

• Test imunity proti magnetickému poli síťové frekvence: Hodnotí výkon EVT v prostředí magnetického pole síťové frekvence. Tím, že se aplikuje řízené magnetické pole síťové frekvence, test sleduje stabilitu a přesnost výstupního signálu napětí pro hodnocení schopnosti odolávat rušení.

• Test imunity proti tlumenému oscilatorickému magnetickému poli: Simuluje tlumená oscilatorická magnetická pole generovaná při provozu izolačních spínačů v vysokotlačných částech elektráren. Tyto pole mají rychlé míry degradace a vysoké frekvence, což může rušit měřicí přesnost EVT. Test aplikuje tlumená oscilatorická magnetická pole, aby zkontroloval, zda EVT udržuje stabilní měřicí výkon.

• Test imunity proti pulsnímu magnetickému poli: Simuluje pulsní magnetická pole z bleskových úderů na budovy nebo jiné kovové struktury. Tyto pole mají rychlé stoupající časy a vysoké vrcholové intenzity, hrozící izolací a měřicí přesností EVT. Test aplikuje pulsní magnetická pole, aby ověřil schopnost EVT odolávat poruchám bez poškození nebo snížení výkonu.

• Test imunity proti elektromagnetickému poli rádiové frekvence: Hodnotí výkon EVT v prostředí rádiové frekvence (RF) (např. průmyslové elektromagnetické zdroje, rozhlasové vysílání, mobilní komunikační stanice). Tím, že se aplikuje řízené RF pole, test sleduje stabilitu a přesnost výstupního signálu napětí pro hodnocení schopnosti odolávat rušení.

3 Návrhové principy elektromagnetické kompatibility elektronických napěťových transformátorů
3.1 Principy návrhu obvodů

• Návrh plovoucí země: V návrhu obvodů použijte technologii plovoucí země, abyste izolovali signálové linky od chassis. To brání rušivým proudům na chassis, aby se přímo spojovaly s signálovým obvodem, což snižuje rušivé šumy a zlepšuje přesnost a stabilitu signálu.

• Racionální rozvržení vedení: Správně uspořádejte vedení napájení, země a různých signálových linek - to je klíčové pro minimalizaci koplého rušení. V návrhu obvodů EVT zajistěte minimální koplé mezi linkami. Metody jako vrstvené vedení a kolmé trasy (abyste zabránili paralelním vedením) snižují elektromagnetickou indukci a kapacitní koplé.

• Návrh filtračních kondenzátorů: Implementujte filtrační kondenzátory na vstupu napájení modulů, aby potlačily rušivé signály vstupující přes zdroj napájení. Vyberte kondenzátory podle parametrů jako kapacitance, nominálné napětí a frekvenční charakteristiky, aby efektivně filtrovaly vysokofrekvenční šumy a rušení z zdroje napájení.

• Návrh logiky nízké úrovně: Zamezte nezbytným vysokým úrovním logiky, abyste snížili spotřebu energie obvodu a vysokofrekvenční rušení. V návrhu obvodů EVT upřednostňujte logické prvky nízké úrovně (např. 3,3 V prvky), aby minimalizovaly emisi a přijetí vysokofrekvenčního šumu.

• Řízení času stoupání/klesání: Zvolte nejpomalejší možné časy stoupání a klesání (v rámci funkcí obvodu), abyste zabránili generování nezbytných vysokofrekvenčních složek. To pomáhá snížit vysokofrekvenční šum v obvodu a zlepšit stabilitu a přesnost signálu.

3.2 Principy návrhu vnitřní struktury

• Úplně uzavřená štítová struktura: Použijte úplně uzavřený štít pro chassis, zajistěte dobrý kontakt mezi všemi povrchy a správné zazemlení. To efektivně blokuje externí elektromagnetické pole, chrání interní elektronické obvody před externími poruchami.

• Minimalizace délky expozovaných vedení: Udržujte všechny expozované vedení uvnitř chassis co nejkratší, abyste snížili elektromagnetické vydávání a koplé rušení. V interním návrhu EVT optimalizujte rozvržení a umístění komponent, abyste minimalizovali délku expozovaných vedení.

• Seskupování a svazování kabelů: Seskupujte vedení podle typu signálu (např. oddělte digitální a analogové linky) a udržujte vhodné vzdálenosti mezi skupinami. To snižuje crosstalk mezi vedeními, zlepšuje jas a přesnost signálu.

• Spojení lepitelou s vodivými vlastnostmi: Použijte lepitelu s vodivými vlastnostmi na všech spojích chassis, abyste zajistili dobré elektrické spojení a efektivitu štítu. To snižuje odpor spojení a zlepšuje výkon štítu.

4 Strategie pro zlepšení výkonu elektromagnetické kompatibility elektronických napěťových transformátorů
4.1 Odolný návrh vstupu napájení
4.1.1 Instalace filtrů napájení

Filtr napájení je efektivní zařízení pro potlačení elektromagnetického rušení, které může filtrovat vysokofrekvenční šumy a přechodné pulsy v zdroji napájení, zajišťuje čistotu vstupu napájení. Při výběru filtru napájení zvolte vhodný model a specifikace podle nominálního výkonu a pracovního prostředí EVT a ujistěte se, že filtr je nainstalován blízko vstupu napájení pro nejlepší filtrací efekt.

4.1.2 Použití redundantního zdroje napájení

Pro zlepšení spolehlivosti zdroje napájení EVT se používá redundantní návrh zdroje napájení, tedy jsou nakonfigurovány dva nebo více modulů zdroje napájení. Pokud selže jeden modul zdroje napájení, ostatní moduly mohou rychle převzít úkol zásobování napájením, aby zajišťovaly normální fungování EVT. To nejen zlepšuje odolnost EVT proti rušení, ale také zvyšuje jeho celkovou stabilitu.

4.1.3 Zlepšení štítování a zazemlení vedení napájení

Vedení napájení jsou jednou z důležitých cest pro šíření elektromagnetického rušení. Pro snížení elektromagnetického rušení na vedeních napájení se používají štítované kabely, které obalují vedení napájení v kovové štítové vrstvě, což snižuje vydávání a koplé elektromagnetických vln. Současně zajišťujte dobré zazemlení vedení napájení, směrujte rušivý proud do země, aby se zabránilo poškození EVT.

4.2 Ochrana signalizace proti elektrostatickému vypařování
4.2.1 Instalace součástek absorpce přechodných poruch

Součástky absorpce přechodných poruch, jako jsou Transient Voltage Suppressors (TVS) a varistry, mohou rychle absorbovat vypařovací energii během elektrostatického vypařování a kontrolovat napětí v bezpečném rozsahu, chráníc interní elektronické komponenty EVT před poškozením. Při výběru součástek absorpce přechodných poruch zvolte vhodný model a specifikace podle charakteristik signálu a pracovního prostředí EVT.

4.2.2 Použití metody diferenciálního přenosu signálu

Metoda diferenciálního přenosu signálu může efektivně odolávat společnému módovému rušení a zlepšit odolnost signálu. V návrhu signálového portu EVT se používá metoda diferenciálního přenosu signálu, kdy se signál dělí na kladný a záporný kanál pro přenos. Efektivní informace jsou extrahovány porovnáním rozdílů signálů mezi dvěma kanály, což nejen zlepšuje kvalitu přenosu signálu, ale také snižuje rušení elektrostatického vypařování na EVT.

4.3 Optimalizace výkonu štítování chassis
4.3.1 Výběr materiálů s vysokou permeabilitou magnetického pole

Výběr materiálu pro chassis je klíčový pro efekt štítování. Pro zlepšení schopnosti štítování magnetického pole chassis se používají materiály s vysokou permeabilitou magnetického pole, jako jsou železné desky, které efektivně absorbují a dispergují energii magnetického pole a snižují rušení magnetického pole uvnitř EVT. Relativní permeabilita magnetického pole kovů je uvedena v tabulce 1.

4.3.2 Optimalizace konstrukčního návrhu chassis

Konstrukční návrh chassis je také důležitý faktor ovlivňující efekt štítování. V návrhu chassis EVT se používá úplně uzavřená štítová struktura, která zajišťuje dobrý kontakt a zazemlení mezi různými povrchy.

4.3.3 Zlepšení zazemlení chassis

Zazemlení chassis je klíčové pro efekt štítování. V návrhu chassis EVT je třeba zajistit dobré zazemlení mezi chassis a zemí, směrovat rušivý proud do země.

Také emitují rušení, jako jsou vysokofrekvenční harmonické a elektromagnetické vydávání, ovlivňující jiná zařízení. Návrh je vyžaduje řešení těchto rušení a citlivostí pomocí opatření potlačení a ochrany.

5 Závěr

Tento článek provedl hluboký výzkum a návrh výkonu elektromagnetické kompatibility elektronických napěťových transformátorů. Byla navržena řada opatření, včetně principů návrhu obvodů, principů návrhu vnitřní struktury a strategií pro zlepšení výkonu elektromagnetické kompatibility. Cílem je zlepšit odolnost a stabilitu EVT v komplexních elektromagnetických prostředích, zajistit, aby mohl přesně a spolehlivě měřit signály napětí v elektrických systémech, a poskytnout silnou záruku pro bezpečný a stabilní provoz elektrických systémů.