طراحی و بهبود آزمایش‌های عملکردی EMC برای ترانس‌های ولتاژ الکترونیکی

1 مروری بر عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی
1.1 تعریف و الزامات سازگاری الکترومغناطیسی

سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) به توانایی یک دستگاه/سیستم برای کار بدون مختل شدن در یک محیط الکترومغناطیسی خاص اشاره دارد و همچنین از ایجاد اختلال الکترومغناطیسی ناپذیرفتنی به سایر موجودات جلوگیری می‌کند. برای ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی، EMC نیازمند عملکرد اندازه‌گیری پایدار در محیط‌های پیچیده است بدون اینکه با دستگاه‌های دیگر تداخل ایجاد کند. عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی آنها باید در طراحی و تولید لحاظ شده و تضمین شود.

1.2 اصل عملکرد

ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی از القای الکترومغناطیسی و اندازه‌گیری الکترونیکی با دقت بالا برای تبدیل سیگنال‌های ولتاژ بالا در سیستم‌های برق به سیگنال‌های ولتاژ پایین استفاده می‌کنند. معمولاً شامل حسگر اصلی، مدار تبدیل ثانویه و واحد پردازش سیگنال: حسگر اصلی سیگنال‌های ولتاژ بالا را به جریان/ولتاژ ضعیف متناسب با ولتاژ اصلی تبدیل می‌کند؛ مدار ثانویه این سیگنال‌ها را به سیگنال‌های دیجیتال/آنالوگ استاندارد تبدیل می‌کند؛ واحد پردازش سیگنال‌ها را فیلتر می‌کند، تقویت می‌کند و کالیبر می‌کند تا دقت و پایداری اندازه‌گیری را افزایش دهد. آنها می‌توانند ولتاژ، جریان و توان یک مدار (مانند نمایش در شکل 1) یا ولتاژ/جریان یک یا چند مدار را اندازه‌گیری کنند.

1.3 تحلیل تداخل الکترومغناطیسی و حساسیت

ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی از دستگاه‌های الکتریکی دیگر (مثلاً ضربه‌های برق زن، ولتاژ‌های موقت اضافی از عملیات قطع-بستن) قرار می‌گیرند که عملکرد اندازه‌گیری آنها (مثلاً افزایش خطاهای اندازه‌گیری، خواندن‌های ناپایدار) را کاهش می‌دهد.

2 تحلیل آزمون‌های عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی (EVT)
2.1 محتوای آزمون و معیارهای ارزیابی

آزمون عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی EVT گام مهمی برای تضمین عملکرد پایدار و دقیق آن در محیط‌های کاری واقعی است. آزمون بر روی ارزیابی توانایی مقاومت به تداخل الکترومغناطیسی و عملکرد EVT در مواجهه با اختلالات الکترومغناطیسی مختلف تمرکز دارد. معیارهای ارزیابی بر اساس شدت نتایج آزمون به دسته‌های A و B تقسیم می‌شوند:

• دسته A: حفظ عملکرد عادی در حدود محدوده دقت مشخص شده. ارزیابی نیازمند این است که وقتی EVT تحت تأثیر اختلالات الکترومغناطیسی قرار می‌گیرد، دقت اندازه‌گیری آن باید در محدوده مشخص شده باقی بماند. این اطمینان می‌دهد که سیگنال ولتاژ خروجی با مقدار واقعی مطابقت دارد و نظارت و کنترل عادی سیستم برق را مختل نمی‌کند.

• دسته B: اجازه دادن به کاهش موقت عملکرد اندازه‌گیری غیر مرتبط با عملکردهای محافظت. معیارها اجازه می‌دهند که عملکرد اندازه‌گیری تحت تأثیر اختلالات الکترومغناطیسی موقتاً کاهش یابد، به شرطی که عملکرد عادی عملکردهای محافظتی یا ریست/ریاست دستگاه را مختل نکند. ولتاژ خروجی باید در محدوده 500 V کنترل شود تا تداخل یا آسیب ناخواسته به سیستم برق را اجتناب کند.

2.2 آزمون‌های تداخل انتقالی

تداخل انتقالی به اختلالات الکترومغناطیسی اشاره دارد که از طریق مسیرهای هادی (مثلاً سیم‌ها، لوله‌های فلزی) منتقل می‌شوند. برای EVTs، تداخل انتقالی چالش اصلی است.

• آزمون EFT/B (Electrical Fast Transient/Burst): شبیه‌سازی اختلالات موقتی از بارهای القایی (مثلاً رله‌ها، کنتاکتورها) در زمان تغییر وضعیت که معمولاً دارای طیف فرکانسی گسترده هستند و می‌توانند عملکرد EVT را مختل کنند. آزمون یک سری از بارهای موقتی سریع به EVT اعمال می‌کند، پایداری و دقت سیگنال ولتاژ خروجی را مشاهده می‌کند تا توانایی مقاومت به تداخل را ارزیابی کند.

• آزمون تحمل سریع (ضربه): شبیه‌سازی ولتاژ/جریان موقتی از عملیات قطع-بستن، ضربه‌های برق زن و غیره. این حوادث دارای انرژی بالا و مدت زمان کوتاه هستند که به شدت بر عایق‌بندی و دقت اندازه‌گیری EVT تأثیر می‌گذارند. آزمون ولتاژ سریع به EVT اعمال می‌کند تا توانایی تحمل اختلالات بدون آسیب یا کاهش عملکرد را تأیید کند.

2.3 آزمون‌های تداخل پخشی

• آزمون تحمل میدان مغناطیسی فرکانس تغذیه: ارزیابی عملکرد EVT در محیط‌های میدان مغناطیسی فرکانس تغذیه. با اعمال یک میدان مغناطیسی فرکانس تغذیه کنترل شده، آزمون پایداری و دقت سیگنال ولتاژ خروجی را مشاهده می‌کند تا توانایی مقاومت به تداخل را ارزیابی کند.

• آزمون تحمل میدان مغناطیسی نوسانی میرا: شبیه‌سازی میدان‌های مغناطیسی نوسانی میرا که در زمان عملیات تجهیزات جداکننده در زیرстанیون‌های ولتاژ بالا روی بارهای ولتاژ بالا ایجاد می‌شوند. این میدان‌ها دارای نرخ میرایی سریع و فرکانس بالا هستند که می‌توانند دقت اندازه‌گیری EVT را مختل کنند. آزمون میدان‌های مغناطیسی نوسانی میرا را اعمال می‌کند تا بررسی کند که آیا EVT عملکرد اندازه‌گیری پایدار را حفظ می‌کند.

• آزمون تحمل میدان مغناطیسی پالسی: شبیه‌سازی میدان‌های مغناطیسی پالسی از ضربه‌های برق زن به ساختمان‌ها یا ساختارهای فلزی دیگر. این میدان‌ها دارای زمان بالا رسانی سریع و شدت پیک بالا هستند که تهدیدی برای عایق‌بندی و دقت اندازه‌گیری EVT هستند. آزمون میدان‌های مغناطیسی پالسی را اعمال می‌کند تا توانایی تحمل اختلالات بدون آسیب یا کاهش عملکرد را تأیید کند.

• آزمون تحمل میدان الکترومغناطیسی تشعشعی فرکانس رادیویی: ارزیابی عملکرد EVT در محیط‌های تشعشعی فرکانس رادیویی (مثلاً منابع الکترومغناطیسی صنعتی، پخش رادیویی، ایستگاه‌های پایه ارتباطات موبایل). با اعمال میدان‌های تشعشعی فرکانس رادیویی کنترل شده، آزمون پایداری و دقت سیگنال ولتاژ خروجی را مشاهده می‌کند تا توانایی مقاومت به تداخل را ارزیابی کند.

3 اصول طراحی برای سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی
3.1 اصول طراحی مدار

• طراحی زمین شناور: در طراحی مدار، از فناوری زمین شناور برای عایق‌بندی خطوط سیگنال از بدنه استفاده کنید. این امر جلوگیری می‌کند از جریان‌های تداخلی روی بدنه که مستقیماً به مدار سیگنال متصل می‌شوند، کاهش می‌دهد تداخل نویز و بهبود می‌بخشد دقت و پایداری سیگنال.

• طرح‌ریزی صحیح خطوط: خطوط تغذیه، زمین و سیگنال‌های مختلف را به درستی تنظیم کنید - این موضوع کلیدی برای کاهش تداخل کوپلینگ است. در طراحی مدار EVT، اطمینان حاصل کنید که کوپلینگ بین خطوط حداقل باشد. روش‌هایی مانند طرح‌ریزی لایه‌ای و مسیریابی متعامد (برای جلوگیری از حرکت موازی) کاهش القای الکترومغناطیسی و کوپلینگ ظرفیتی را کاهش می‌دهد.

• طراحی کاپاسیتور فیلتر: در ورودی تغذیه ماژول‌ها کاپاسیتور فیلتر اعمال کنید تا سیگنال‌های تداخلی وارد شده از طریق تغذیه را کاهش دهید. کاپاسیتورهای مناسب را بر اساس پارامترهایی مانند ظرفیت، ولتاژ اسمی و ویژگی‌های فرکانسی انتخاب کنید تا به طور موثر نویز و تداخل فرکانس بالا را از منبع تغذیه فیلتر کنید.

• طراحی منطق سطح پایین: از سطوح منطقی بالایی غیرضروری پرهیز کنید تا مصرف برق مدار و تداخل فرکانس بالا را کاهش دهید. در طراحی مدار EVT، از دستگاه‌های منطقی سطح پایین (مانند دستگاه‌های 3.3 V) برای کاهش انتشار و دریافت نویز فرکانس بالا استفاده کنید.

• کنترل زمان بالا رسانی/پایین رسانی: زمان‌های بالا رسانی و پایین رسانی کمتر ممکن (در محدوده عملکرد مدار) را انتخاب کنید تا اجزای فرکانس بالای غیر ضروری ایجاد نشود. این کمک می‌کند که نویز فرکانس بالا در مدار کاهش یابد و پایداری و دقت سیگنال را بهبود بخشد.

3.2 اصول طراحی ساختار داخلی

• ساختار محافظ کاملاً بسته: از یک محافظ کاملاً بسته برای بدنه استفاده کنید، اطمینان حاصل کنید که تمام سطوح با یکدیگر تماس خوبی داشته باشند و زمین‌بندی صحیح باشد. این به طور موثر میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی را مسدود می‌کند و مدارهای الکترونیکی داخلی را از اختلالات خارجی محافظت می‌کند.

• کاهش طول سیم‌های قابل دید: تمام سیم‌های قابل دید را در داخل بدنه به حداقل کاهش دهید تا تشعشع الکترومغناطیسی و کوپلینگ تداخلی کاهش یابد. در طراحی داخلی EVT، جایگذاری و تنظیم مؤلفه‌ها را بهینه کنید تا طول سیم‌های قابل دید کاهش یابد.

• گروه‌بندی و بسته‌بندی سیم‌ها: سیم‌ها را بر اساس نوع سیگنال (مثلاً جدا کردن خطوط دیجیتال و آنالوگ) گروه‌بندی کنید و فاصله مناسب بین گروه‌ها را حفظ کنید. این کاهش می‌کند تداخل بین سیم‌ها و بهبود می‌بخشد شفافیت و دقت سیگنال.

• پیوند با لایه رسانا: از چسب رسانا در تمام اتصالات رویه بدنه استفاده کنید تا تماس الکتریکی خوب و کارایی محافظتی را تأمین کنید. این کاهش مقاومت تماس و بهبود عملکرد محافظ را فراهم می‌کند.

4 استراتژی‌های بهبود عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی
4.1 طراحی مقاوم به تداخل در پورت تغذیه
4.1.1 نصب فیلترهای تغذیه

فیلتر تغذیه یک دستگاه موثر برای سرکوب تداخل الکترومغناطیسی است که می‌تواند نویز فرکانس بالا و پالس‌های موقتی در تغذیه را فیلتر کند و از پاکیزگی ورودی تغذیه اطمینان حاصل کند. در انتخاب فیلتر تغذیه، مدل و مشخصات فیلتر مناسب را بر اساس توان اسمی و محیط کاری EVT انتخاب کنید و اطمینان حاصل کنید که فیلتر نزدیک به ورودی تغذیه نصب شده تا بهترین اثر فیلترینگ را داشته باشد.

4.1.2 استفاده از طراحی تغذیه مازاد

برای بهبود قابلیت اطمینان تغذیه EVT، از طراحی تغذیه مازاد استفاده می‌شود، یعنی دو یا چند ماژول تغذیه تنظیم می‌شوند. وقتی یک ماژول تغذیه خراب می‌شود، ماژول‌های تغذیه دیگر می‌توانند به سرعت وظیفه تغذیه را به عهده بگیرند تا عملکرد عادی EVT تضمین شود. این نه تنها توانایی مقاومت به تداخل EVT را افزایش می‌دهد بلکه پایداری کلی آن را نیز بهبود می‌بخشد.

4.1.3 تقویت محافظت و زمین‌بندی خطوط تغذیه

خطوط تغذیه یکی از مسیرهای مهم برای انتشار تداخل الکترومغناطیسی هستند. برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی در خطوط تغذیه، از سیم‌های محافظتی برای پوشاندن خطوط تغذیه در یک لایه محافظ فلزی استفاده می‌شود که تشعشع و کوپلینگ امواج الکترومغناطیسی را کاهش می‌دهد. همزمان، اطمینان حاصل کنید که زمین‌بندی خطوط تغذیه خوب است، جریان تداخلی را به زمین هدایت کنید تا از آسیب EVT جلوگیری شود.

4.2 محافظت از پورت‌های سیگنال در برابر تخلیه الکتریکی
4.2.1 نصب اجزای جذب تحریک موقت

اجزای جذب تحریک موقت، مانند TVS (Suppressor ولتاژ موقتی) و واریستورها، می‌توانند به سرعت انرژی تخلیه شده در طول تخلیه الکتریکی را جذب کرده و ولتاژ را در سطح ایمن کنترل کنند، از آسیب به المان‌های الکترونیکی داخلی EVT محافظت می‌کنند. در انتخاب اجزای جذب تحریک موقت، مدل و مشخصات مورد نیاز را بر اساس ویژگی‌های سیگنال و محیط کاری EVT انتخاب کنید.

4.2.2 استفاده از روش انتقال سیگنال دیفرانسیل

روش انتقال سیگنال دیفرانسیل می‌تواند به طور موثری مقاومت به تداخل مد مشترک را افزایش دهد و توانایی مقاومت به تداخل سیگنال را بهبود بخشد. در طراحی پورت سیگنال EVT، از روش انتقال سیگنال دیفرانسیل استفاده می‌شود که سیگنال را به کانال‌های مثبت و منفی تقسیم می‌کند. اطلاعات موثر از طریق مقایسه تفاوت‌های سیگنال بین دو کانال استخراج می‌شود، که نه تنها کیفیت انتقال سیگنال را بهبود می‌بخشد بلکه تداخل تخلیه الکتریکی بر روی EVT را نیز کاهش می‌دهد.

4.3 بهینه‌سازی عملکرد محافظت بدنه
4.3.1 انتخاب مواد با نفوذپذیری مغناطیسی بالا

انتخاب ماده بدنه برای اثر محافظتی بسیار مهم است. برای بهبود توانایی محافظت از میدان مغناطیسی بدنه، مواد با نفوذپذیری مغناطیسی بالا، مانند صفحات آهن، انتخاب می‌شوند که می‌توانند به طور موثر انرژی میدان مغناطیسی را جذب و پخش کنند و تداخل میدان مغناطیسی با داخل EVT را کاهش دهند. نفوذپذیری مغناطیسی نسبی فلزات در جدول 1 نشان داده شده است.

4.3.2 بهینه‌سازی طراحی ساختار بدنه

طراحی ساختاری بدنه نیز یک عامل مهم در تأثیر اثر محافظتی است. در طراحی بدنه EVT، از یک ساختار محافظتی کاملاً بسته استفاده می‌شود تا تماس خوب و زمین‌بندی بین سطوح مختلف تضمین شود.

4.3.3 تقویت زمین‌بندی بدنه

زمین‌بندی بدنه برای اثر محافظتی بسیار مهم است. در طراحی بدنه EVT، باید اطمینان حاصل کنید که اتصال زمین بین بدنه و زمین خوب است و جریان تداخلی را به زمین هدایت کنید.

آنها همچنین تداخل مانند هارمونیک‌های فرکانس بالا و تشعشع الکترومغناطیسی ایجاد می‌کنند که بر دستگاه‌های دیگر تأثیر می‌گذارند. طراحی آنها نیازمند رسیدگی به چالش‌های تداخل و حساسیت با اقدامات سرکوب و محافظت است.

5 نتیجه‌گیری

این مقاله تحقیقات و طراحی عمیقی درباره عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی انجام می‌دهد. یک سری از اقدامات ارائه می‌شود، از جمله اصول طراحی مدار، اصول طراحی ساختار داخلی و استراتژی‌های بهبود عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی. هدف افزایش توانایی مقاومت به تداخل و پایداری EVT در محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده، تضمین این است که آن می‌تواند سیگنال‌های ولتاژ را در سیستم‌های برق به طور دقیق و قابل اعتماد اندازه‌گیری کند و تضمین قوی برای عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های برق فراهم کند.