Sähköisten jännitteiden muuntajoiden EMC-suorituskykytestien suunnittelu ja parantaminen

1 Sähköisten jännitteidenmuunninten EMC-ominaisuuden yleiskatsaus
1.1 EMC:n määritelmä & vaatimukset

Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) tarkoittaa laitteen/järjestelmän kykyä toimia häiriöttömästi annetussa sähkömagneettisessa ympäristössä ja välttää muille entiteeteille sietämättömän sähkömagneettisen häirinnän aiheuttamista. Sähköisillä jännitteidenmuuntimilla on oltava vakaa mittauskäyttöönsä monimutkaissa olosuhteissa ilman, että ne häiritsevät muita laitteita. Niiden EMC-ominaisuuden on oltava huomioidu ja varmistettu suunnitteluvaiheessa ja valmistuksessa.

1.2 Toimintaperiaate

Sähköiset jännitteidenmuunnin käyttävät sähkömagneettista induktiota ja korkeapainotteista sähköistä mittausmenetelmää voimasysteemien korkeajännitesignaalien muuntamiseksi alijännitesignaleiksi. Ne koostuvat tyypillisesti ensimmäisestä anturista, toisesta muuntokierroksesta ja signaalinkäsittelyyksiköstä: ensimmäinen anturi muuttaa korkeajännitesignaalit heikkoon virta-/jännitteeseen, joka on verrannollinen ensimmäiseen jännitteeseen; toinen kierros muuntaa nämä edelleen standardiin digitaalisiin/analogisiin signaaleihin; käsitteleyyksikkö suodattaa, vahvistaa ja kalibroi signaalit mittauksen tarkkuuden ja vakauden parantamiseksi. Ne voivat mitata yhden piirin jännitteen, virran ja tehon (kuten kuvassa 1), tai yhden/monien piirien jännitteen/virran.

1.3 Sähkömagneettisen häirinnän ja herkkyyden analyysi

Sähköiset jännitteidenmuunnin ovat alttiita sähkömagneettiselle häirinnälle muilta sähkölaitteilta (esim. ukkoskulhoimpulssit, tilapäiset ylivoltit kytkentätoiminnoista), mikä heikentää mittausominaisuuksia (esim. kasvavat virheet, epävakaita lukemia).

2 Sähköisten jännitteidenmuuntimien (EVT) sähkömagneettisen yhteensopivuuden testaaminen
2.1 Testisuunnitelma ja arviointiperusteet

EVT:n sähkömagneettisen yhteensopivuuden testaus on avainaspaikka sen vakauden ja tarkkuuden varmistamisessa todellisissa toimintaympäristöissä. Testaus keskittyy EVT:n häirintäkieltävän kyvyn ja sen toiminnan arviointiin erilaisissa sähkömagneettisissa häiriöissä. Arviointiperusteet jaetaan luokkiin A ja B testitulosten vakavuuden mukaan:

• Luokka A: Ylläpitää normaalia toimintaa tarkkuusrajaluokissa. Arvio vaatii, että kun EVT on alttiina sähkömagneettiselle häirinnälle, sen mittausvirhe pysyy määritellyn rajan sisällä. Tämä varmistaa, että ulostulovoltisignaali vastaa todellista arvoa eikä häiritse voimasysteemin normaalia valvontaa ja ohjausta.

• Luokka B: Sallii tilapäisen mittausominaisuuksien heikkenemisen, joka ei liity suojausfunktioihin. Kriteerit sallivat tilapäisen mittausominaisuuksien heikkenemisen sähkömagneettisessa häirinnässä, kunhan se ei vaikuta suojausfunktioiden normaaliin toimintaan tai aiheuta laitteen uudelleenkäynnistyksen. Ulostulovolti on säädettävä 500 V alle välttääksesi tarpeettomat häiriöt tai vahingot voimasysteemiin.

2.2 Johtettujen häiriöiden testaus

Johtettu häiriö tarkoittaa sähkömagneettisia häiriöitä, jotka siirtyvät johtavia reittejä (esim. johtojen, metalliputkien) pitkin. EVTeille johtettu häiriö on merkittävä haaste.

• Elektroniikan nopeat transiento/hymyt (EFT/B) -testi: Simuloi induktiivelastojen (esim. relaidit, kontaktorit) kytkennöissä syntyviä tilapäisiä häiriöitä, joilla on laaja taajuusspektri ja jotka voivat häiritä EVT:n toimintaa. Testi soveltaa sarjan nopeita transiento-hymyjä EVT:hen, havainnoiden sen ulostulovoltisignaalin vakautta ja tarkkuutta arvioidakseen häirintäkieltävää kykyä.

• Pysyvyys (impulssi) -immuuniteetti -testi: Simuloi tilapäisiä ylivoltteja/sähkövirtauksia kytkennöissä, ukkoskulhoissa jne. Nämä tapahtumat kuluttavat paljon energiaa lyhyellä ajalla, mikä vaikuttaa EVT:n eristykseen ja mittausominaisuuksiin. Testi soveltaa ylivoltteja EVT:hen tarkistaakseen sen kykyä kestää häiriöitä ilman vahinkoa tai toiminnan heikkenemistä.

2.3 Levitettyjen häiriöiden testaus

• Virtasummatilaan liittyvän magneettikentän immuuniteetti -testi: Arvioi EVT:n toimintaa virtasummatilaan liittyvissä magneettikentässä. Ohjatulla virtasummatilan magneettikentällä testi havainnoidaan ulostulovoltisignaalin vakautta ja tarkkuutta arvioidakseen häirintäkieltävää kykyä.

• Laimenevan oskillaavan magneettikentän immuuniteetti -testi: Simuloi laimenevia oskillaavia magneettikenttiä, jotka syntyy, kun eristyskytkimet toimivat korkeajänniteverkon pääjohtimissa. Nämä kentät laimeavat nopeasti ja niillä on korkea taajuus, mikä voi häiritä EVT:n mittausominaisuuksia. Testi soveltaa laimenevia oskillaavia magneettikenttiä tarkistaakseen, säilyttääkö EVT vakaita mittausominaisuuksia.

• Pulsivirta magneettikentän immuuniteetti -testi: Simuloi rakennusten tai muiden metallirakenteiden ukkoskulhoissa syntyviä pulsivirta magneettikenttiä. Nämä kentät kasvavat nopeasti ja niillä on korkeat huippuarvot, mikä uhkaa EVT:n eristystä ja mittausominaisuuksia. Testi soveltaa pulsivirta magneettikenttiä tarkistaakseen, säilyttääkö EVT häiriöiden aiheuttamat vahingot ja toiminnan heikkenemisen ilman vahinkoa.

• Radiofrekvenssiradiation sähkömagneettisen kentän immuuniteetti -testi: Arvioi EVT:n toimintaa radiofrekvenssin (RF) radiation ympäristöissä (esim. teolliset sähkömagneettiset lähteet, radiolähetys, matkaviestintäpäätteet). Ohjatulla RF-radiaatiokentällä testi havainnoidaan ulostulovoltisignaalin vakautta ja tarkkuutta arvioidakseen häirintäkieltävää kykyä.

3 Sähköisten jännitteidenmuuntimien sähkömagneettisen yhteensopivuuden suunnitteluperiaatteet
3.1 Piirisuunnitteluperiaatteet

• Uimaan maaraajan suunnittelu: Piirisuunnittelussa käytä uimaan maaraajatekniikkaa signaaliviivojen eristämiseksi kotelosta. Tämä estää häiriövirtauksia kotelossa kiertävien suoran kytkentän signaalipiiriin, vähentäen meluhäiriötä ja parantaen signaalin tarkkuutta ja vakautta.

• Järkevä viivoitus: Järjestä sähkö-, maaraaja- ja eri signaaliviivat asianmukaisesti – tämä on avainasemassa minimoidaksesi kytkentähäiriöt. EVT:n piirisuunnittelussa varmista, että viivojen välistä kytkentää on mahdollisimman vähän. Kerroksittaista viivoitusta ja ortogonaalista reititystä (välttääksesi paralleelisuutta) käyttämällä vähennetään sähkömagneettista induktiota ja kapasitiivista kytkentää.

• Suodatuskapasitatorin suunnittelu: Suunnittele suodatuskapasitatorit moduulin sähkösyöttöön häiriösignaalien tulemisen estämiseksi sähkölähdeltä. Valitse kapasitatorit kapasitanssin, jännitesiemenen ja taajuusominaisuuksien perusteella tehokkaasti suodattaaksesi korkeataajuuden melun ja häiriöt sähkölähteestä.

• Alitasoisen loogisen suunnittelun: Vältä tarpeettomia korkeatasoisia loogisia tasoluokkia vähentääksesi piirin sähköntarvetta ja korkeatajuista häiriötä. EVT:n piirisuunnittelussa priorisoivan alitasoisten loogisten laitteiden (esim. 3,3 V laitteet) käytön vähentääksesi korkeatajuista melun tuottamista ja vastaanottoa.

• Nouseva/laskenta-aikojen hallinta: Valitse hitain mahdollinen nouseva ja laskenta-aika (piirifunktion rajoissa) välttääksesi tarpeettomien korkeatajuisten komponenttien syntymisen. Tämä auttaa vähentämään korkeatajuista melua piirissä ja parantamaan signaalin vakautta ja tarkkuutta.

3.2 Sisäisen rakenteen suunnitteluperiaatteet

• Täysin suljettu suojakuori: Käytä kotelolle täysin suljettua suojakoria, varmista hyvä yhteys kaikkiin pintojen välillä ja asianmukainen maaraaja. Tämä estää tehokkaasti ulkoisen sähkömagneettisen kentän häirintää, suojellen sisäisiä sähköpiirejä ulkoisilta häiriöiltä.

• Minimoitu näkyvien johtojen pituus: Pidä kaikki näkyvät johtot katoksessa mahdollisimman lyhyinä vähentääksesi sähkömagneettista säteilyä ja kytkentähäiriötä. EVT:n sisäisessä suunnittelussa optimoi komponenttien sijoittumista ja asettelua vähentääksesi näkyvien johtojen pituuksia.

• Kabelin ryhmittely ja sidonta: Ryhmittele johtot signaalilajin mukaan (esim. erota digitaaliset ja analogiset johtot) ja ylläpidä asianmukaista välimatkaa ryhmien välillä. Tämä vähentää johtojen välistä crosstalkia, parantaa signaalin selkeyttä ja tarkkuutta.

• Johtava liimailu: Käytä johtavaa liimaa kaikissa kotelon rajapiirteissä varmistaaksesi hyvän sähköyhteyden ja suojan tehokkuuden. Tämä alentaa yhteyden vastusta ja parantaa suojan toimintaa.

4 Strategiat sähköisten jännitteidenmuuntimien sähkömagneettisen yhteensopivuuden parantamiseksi
4.1 Sähköportin häirintäkieltävä suunnittelu
4.1.1 Asenna sähkösuodattimet

Sähkösuodatin on tehokas sähkömagneettisen häirinnän hillitsemislaitte. Se pystyy suodattamaan pois korkeataajuuden melun ja tilapäiset pulssit sähkölähdeltä, varmistamalla sähkösyötteen puhtauden. Valitessa sähkösuodatinta, valitse sopiva suodatinmalli ja spesifikaatti EVT:n nimittäjätehon ja toimintaympäristön mukaan, ja varmista, että suodatin on asennettu lähelle sähkösyöttöä parhaan suodatusvaikutuksen saamiseksi.

4.1.2 Ota käyttöön päällekkäinen sähkövarasto -suunnittelu

EVT:n sähkövaraston luotettavuuden parantamiseksi otetaan käyttöön päällekkäinen sähkövarasto -suunnittelu, eli konfiguroidaan kaksi tai useampi sähkömoduuli. Kun yksi sähkömoduuli epäonnistuu, muut sähkömoduulit voivat nopeasti ottaa sähkövaraston tehtävän hoitaakseen varmistaen EVT:n normaalin toiminnan. Tämä parantaa sekä EVT:n häirintäkieltävää kykyä että kokonaisvakaudesta.

4.1.3 Vahvista sähköviivojen suojaa ja maaraajaa

Sähköviivat ovat tärkeitä sähkömagneettisen häirinnän levityskanavia. Sähkömagneettisen häirinnän vähentämiseksi sähköviivoissa käytetään suojattuja kaapeleita, jotka kattavat sähköviivat metallisuojakerroksella, vähentäen sähkömagneettisten aaltojen säteilyä ja kytkentää. Samalla varmistetaan sähköviivojen hyvä maaraaja, joka ohjaa häiriövirtauksia maaraajaan välttääksesi vahingot EVT:lle.

4.2 Signaaliportin elektrostaattisen ladun suojelu
4.2.1 Asenna tilapäisten häiriöiden absorbointikomponentit

Tilapäisten häiriöiden absorbointikomponentit, kuten Transient Voltage Suppressors (TVS) ja varistorit, voivat nopeasti absorboida elektrostaattisen ladun purkautumisen aikana syntyvän energian ja säädellä jännitettä turvalliselle tasolle, suojellen EVT:n sisäisiä sähkökomponentteja vahingoilta. Valitessa tilapäisten häiriöiden absorbointikomponentteja, valitse sopiva komponenttimalli ja spesifikaatti EVT:n signaaliluonteiden ja toimintaympäristön mukaan.

4.2.2 Ota käyttöön differentiaalinen signaalinsiirron menetelmä

Differentiaalinen signaalinsiirron menetelmä pystyy tehokkaasti vastustamaan yhteismallia häiriötä ja parantamaan signaalin häirintäkieltävää kykyä. EVT:n signaaliportin suunnittelussa otetaan käyttöön differentiaalinen signaalinsiirron menetelmä, jossa signaali jaetaan positiiviseen ja negatiiviseen kanavaan siirrettäväksi. Tehokas informaatio poimitaan vertailemalla kahden kanavan välisiä signaalieroja, mikä parantaa signaalinsiirron laatua ja vähentää elektrostaattisen ladun häirintää EVT:lle.

4.3 Kotelon suojan suorituskyvyn optimointi
4.3.1 Valitse materiaaleja, joilla on korkea magnetinen permeabiliteetti

Kotelon materiaalivalinta on avainasemassa suojan tehokkuudelle. Magnetisen kentän suojan parantamiseksi kotelossa valitaan materiaaleja, joilla on korkea magnetinen permeabiliteetti, kuten teräslevyt, jotka voivat tehokkaasti absorboida ja hajottaa magnetisen kentän energiaa ja vähentää magnetisen kentän häirintää EVT:n sisällä. Metallien suhteellinen permeabiliteetti on esitetty taulukossa 1.

4.3.2 Optimoi kotelon rakennetta

Kotelon rakennetta on myös tärkeä tekijä suojan tehokkuudelle. EVT:n kotelosuunnittelussa otetaan käyttöön täysin suljettu suojakori, joka takaa hyvän yhteyden ja maaraajan eri pintujen välillä.

4.3.3 Vahvista kotelon maaraajakäsittelyä

Kotelon maaraajakäsittely on avainasemassa suojan tehokkuudelle. EVT:n kotelosuunnittelussa on varmistettava hyvä maaraajayhteys kotelon ja maaraajan välillä, jotta häiriövirtaukset voidaan ohjata maaraajaan.

Ne myös tuottavat häiriötä, kuten korkeataajuisten harmonioiden ja sähkömagneettisen säteilyn, vaikuttamalla muihin laitteisiin. Niiden suunnittelussa on otettava huomioon nämä häiriöt ja herkkyysongelmat, ja käytettävä häiriöiden torjumiseen ja suojaukseen suunniteltuja toimenpiteitä.

5 Johtopäätös

Tässä artikkelissa on tehty syvällistä tutkimusta ja suunnittelua sähköisten jännitteidenmuuntimien sähkömagneettisen yhteensopivuuden suorituskyvystä. On ehdotettu joukko toimenpiteitä, mukaan lukien piirisuunnitteluperiaatteet, sisäisen rakenteen suunnitteluperiaatteet ja sähkömagneettisen yhteensopivuuden parantamisen strategiat. Tavoitteena on parantaa EVT:n häirintäkieltävää kykyä ja vakaudenta monimutkaissa sähkömagneettisissa ympäristöissä, varmistaen, että se voi tarkasti ja luotettavasti mitata jännitesignaaleja voimasysteemeissä, ja tarjota vahva takuu voimasysteemien turvalle ja vakaalle toiminnalle.