Conception et amélioration des tests de performance EMC pour les transformateurs de tension électroniques

1 Aperçu des performances CEM des transformateurs de tension électroniques
1.1 Définition et exigences de la CEM

La Compatibilité Électromagnétique (CEM) désigne la capacité d'un dispositif/système à fonctionner sans perturbation dans un environnement électromagnétique donné et à éviter de causer une interférence électromagnétique inacceptable pour d'autres entités. Pour les transformateurs de tension électroniques, la CEM exige une performance de mesure stable dans des conditions complexes, sans interférer avec d'autres appareils. Leur performance en termes de CEM doit être prise en compte et assurée lors de la conception et de la fabrication.

1.2 Principe de fonctionnement

Les transformateurs de tension électroniques utilisent l'induction électromagnétique et la mesure électronique de haute précision pour convertir les signaux de haute tension dans les systèmes de puissance en signaux de basse tension. Ils sont généralement composés d'un capteur primaire, d'un circuit de conversion secondaire et d'une unité de traitement de signal : le capteur primaire transforme les signaux de haute tension en courant/tension faible proportionnel à la tension primaire ; le circuit secondaire convertit ces signaux en signaux numériques/analogue standard ; l'unité de traitement filtre, amplifie et calibre les signaux pour améliorer la précision et la stabilité de la mesure. Ils peuvent mesurer la tension, le courant et la puissance d'un seul circuit (comme illustré à la Figure 1), ou la tension/courant de circuits simples ou multiples.

1.3 Analyse de l'interférence électromagnétique et de la sensibilité

Les transformateurs de tension électroniques sont sujets à l'interférence électromagnétique provenant d'autres équipements électriques (par exemple, impulsions foudroyantes, surtensions transitoires dues aux opérations de commutation), ce qui dégrade la performance de mesure (par exemple, augmentation des erreurs, lectures instables).

2 Analyse des tests de performance de compatibilité électromagnétique pour les transformateurs de tension électroniques (EVT)
2.1 Contenu du test et critères d'évaluation

Le test de performance de compatibilité électromagnétique d'un EVT est une étape cruciale pour garantir son fonctionnement stable et précis dans les environnements de travail réels. Le test se concentre sur l'évaluation de la capacité anti-interférence de l'EVT et de sa performance sous diverses perturbations électromagnétiques. Les critères d'évaluation sont divisés en Classe A et Classe B selon la gravité des résultats du test :

• Classe A : Maintient une performance normale dans les limites de spécification de précision. L'évaluation exige que lorsque l'EVT est soumis à des perturbations électromagnétiques, sa précision de mesure reste dans les limites spécifiées. Cela assure que le signal de tension de sortie correspond à la valeur réelle et n'interfère pas avec la surveillance et le contrôle normaux du système de puissance.

• Classe B : Autorise une dégradation temporaire de la performance de mesure non liée aux fonctions de protection. Les critères permettent une baisse temporaire de la performance de mesure sous des perturbations électromagnétiques, à condition qu'elles n'affectent pas le fonctionnement normal des fonctions de protection ou ne provoquent pas de redémarrage/réinitialisation de l'appareil. La tension de sortie doit être contrôlée à moins de 500 V pour éviter toute interférence ou dommage inutile au système de puissance.

2.2 Tests d'interférences conduites

L'interférence conduite fait référence aux perturbations électromagnétiques transmises via des chemins conducteurs (par exemple, câbles, tuyaux métalliques). Pour les EVTs, l'interférence conduite est un défi majeur.

• Test d'impulsions rapides transitoires/bursts (EFT/B) : Simule les perturbations transitoires provenant de charges inductives (par exemple, relais, contacteurs) lors de la commutation, qui ont généralement un large spectre de fréquences et peuvent perturber le fonctionnement de l'EVT. Le test applique une série de bursts d'impulsions rapides à l'EVT, observant la stabilité et la précision du signal de tension de sortie pour évaluer la capacité anti-interférence.

• Test d'immunité aux surtensions (impulsions) : Simule les surtensions/transcourants transitoires provenant des opérations de commutation, des coups de foudre, etc. Ces événements transportent une énergie élevée et de courte durée, affectant gravement l'isolation et la précision de mesure de l'EVT. Le test applique des tensions de surtension à l'EVT pour vérifier sa capacité à résister aux perturbations sans endommagement ni dégradation de performance.

2.3 Tests d'interférences rayonnées

• Test d'immunité au champ magnétique de fréquence de réseau : Évalue la performance de l'EVT dans les environnements de champ magnétique de fréquence de réseau. En appliquant un champ magnétique de fréquence de réseau contrôlé, le test observe la stabilité et la précision du signal de tension de sortie pour évaluer la capacité anti-interférence.

• Test d'immunité au champ magnétique oscillatoire amorti : Simule les champs magnétiques oscillatoires amortis générés lors de l'opération des interrupteurs isolants sur les barres de bus de haute tension dans les postes de transformation de haute tension. Ces champs ont des taux de décroissance rapides et des fréquences élevées, potentiellement perturbant la précision de mesure de l'EVT. Le test applique des champs magnétiques oscillatoires amortis pour vérifier si l'EVT maintient une performance de mesure stable.

• Test d'immunité au champ magnétique pulsé : Simule les champs magnétiques pulsés provenant des coups de foudre sur les bâtiments ou d'autres structures métalliques. Ces champs ont des temps de montée rapides et des intensités de crête élevées, menaçant l'isolation et la précision de mesure de l'EVT. Le test applique des champs magnétiques pulsés pour vérifier la capacité de l'EVT à résister aux perturbations sans endommagement ni dégradation de performance.

• Test d'immunité au champ électromagnétique de radiation radiofréquence : Évalue la performance de l'EVT dans les environnements de radiation radiofréquence (RF) (par exemple, sources électromagnétiques industrielles, radiodiffusion, stations de base de communication mobile). En appliquant des champs de radiation RF contrôlés, le test observe la stabilité et la précision du signal de tension de sortie pour évaluer la capacité anti-interférence.

3 Principes de conception pour la compatibilité électromagnétique des transformateurs de tension électroniques
3.1 Principes de conception de circuit

• Conception de terre flottante : Dans la conception de circuit, utilisez la technologie de terre flottante pour isoler les lignes de signal du châssis. Cela empêche les courants d'interférence sur le châssis de se coupler directement dans le circuit de signal, réduisant ainsi le bruit d'interférence et améliorant la précision et la stabilité du signal.

• Disposition rationnelle des câblages : Organisez correctement les lignes d'alimentation, de terre et les différentes lignes de signal - c'est essentiel pour minimiser le couplage d'interférence. Dans la conception de circuit de l'EVT, assurez-vous que le couplage entre les lignes soit minimal. Des méthodes comme le câblage en couches et le routage orthogonal (pour éviter les parallèles) réduisent l'induction électromagnétique et le couplage capacitif.

• Conception des condensateurs de filtrage : Implémentez des condensateurs de filtrage à l'entrée d'alimentation des modules pour supprimer les signaux d'interférence entrant via l'alimentation. Sélectionnez les condensateurs en fonction de paramètres tels que la capacité, la tension nominale et les caractéristiques de fréquence pour filtrer efficacement le bruit de haute fréquence et l'interférence de la source d'alimentation.

• Conception logique de bas niveau : Évitez les niveaux logiques élevés inutiles pour réduire la consommation d'énergie du circuit et l'interférence de haute fréquence. Dans la conception de circuit de l'EVT, privilégiez les dispositifs logiques de bas niveau (par exemple, des dispositifs de 3,3 V) pour minimiser l'émission et la réception de bruit de haute fréquence.

• Contrôle des temps de montée/descente : Choisissez les temps de montée et de descente les plus lents possibles (dans les limites de la fonction du circuit) pour éviter de générer des composantes de haute fréquence inutiles. Cela aide à réduire le bruit de haute fréquence dans le circuit et améliore la stabilité et la précision du signal.

3.2 Principes de conception de structure interne

• Structure de blindage entièrement fermée : Utilisez un blindage entièrement fermé pour le châssis, en veillant à un bon contact entre toutes les surfaces et à une mise à la terre appropriée. Cela bloque efficacement l'interférence des champs électromagnétiques externes, protégeant les circuits électroniques internes des perturbations externes.

• Minimisez la longueur des câbles exposés : Gardez tous les câbles exposés à l'intérieur du châssis aussi courts que possible pour réduire le rayonnement électromagnétique et le couplage d'interférence. Dans la conception interne de l'EVT, optimisez la disposition et l'emplacement des composants pour minimiser la longueur des câbles exposés.

• Regroupement et regroupement des câbles : Regroupez les fils en fonction du type de signal (par exemple, séparez les lignes numériques et analogiques) et maintenez un espacement approprié entre les groupes. Cela réduit le croisement des fils, améliorant la clarté et la précision du signal.

• Collage adhésif conducteur : Utilisez un adhésif conducteur à tous les joints d'interface du châssis pour assurer une bonne connexion électrique et une efficacité de blindage. Cela réduit la résistance de contact et améliore la performance du blindage.

4 Stratégies pour améliorer la performance de compatibilité électromagnétique des transformateurs de tension électroniques
4.1 Conception anti-interférence du port d'alimentation
4.1.1 Installer des filtres d'alimentation

Un filtre d'alimentation est un dispositif efficace de suppression de l'interférence électromagnétique qui peut filtrer le bruit de haute fréquence et les impulsions transitoires dans l'alimentation, assurant la pureté de l'entrée d'alimentation. Lors de la sélection d'un filtre d'alimentation, choisissez le modèle et la spécification appropriés en fonction de la puissance nominale et de l'environnement de travail de l'EVT, et assurez-vous que le filtre est installé près de l'entrée d'alimentation pour obtenir le meilleur effet de filtrage.

4.1.2 Adopter une conception d'alimentation redondante

Pour améliorer la fiabilité de l'alimentation de l'EVT, une conception d'alimentation redondante est adoptée, c'est-à-dire que deux ou plusieurs modules d'alimentation sont configurés. Lorsqu'un module d'alimentation tombe en panne, d'autres modules d'alimentation peuvent rapidement reprendre la tâche d'alimentation pour assurer le fonctionnement normal de l'EVT. Cela non seulement améliore la capacité anti-interférence de l'EVT, mais renforce également sa stabilité globale.

4.1.3 Renforcer le blindage et la mise à la terre des lignes d'alimentation

Les lignes d'alimentation sont l'un des chemins importants de propagation de l'interférence électromagnétique. Pour réduire l'interférence électromagnétique sur les lignes d'alimentation, des câbles blindés sont utilisés pour envelopper les lignes d'alimentation dans une couche de blindage métallique, réduisant le rayonnement et le couplage des ondes électromagnétiques. En même temps, assurez une bonne mise à la terre des lignes d'alimentation, guidant le courant d'interférence vers la terre pour éviter d'endommager l'EVT.

4.2 Protection contre la décharge électrostatique des ports de signal
4.2.1 Installer des composants d'absorption de perturbations transitoires

Les composants d'absorption de perturbations transitoires, tels que les Supresseurs de Tension Transitoire (STT) et les varistances, peuvent rapidement absorber l'énergie de décharge lors de la décharge électrostatique et contrôler la tension à un niveau sûr, protégeant les composants électroniques internes de l'EVT de tout dommage. Lors de la sélection de composants d'absorption de perturbations transitoires, choisissez le modèle et la spécification appropriés en fonction des caractéristiques du signal et de l'environnement de travail de l'EVT.

4.2.2 Adopter la méthode de transmission de signal différentiel

La méthode de transmission de signal différentiel peut résister efficacement à l'interférence de mode commun et améliorer la capacité anti-interférence du signal. Dans la conception des ports de signal de l'EVT, la méthode de transmission de signal différentiel est adoptée, divisant le signal en canaux positif et négatif pour la transmission. L'information effective est extraite en comparant les différences de signal entre les deux canaux, ce qui non seulement améliore la qualité de la transmission du signal, mais réduit également l'interférence de la décharge électrostatique sur l'EVT.

4.3 Optimisation de la performance de blindage du châssis
4.3.1 Sélectionner des matériaux à haute perméabilité magnétique

Le choix du matériau du châssis est crucial pour l'effet de blindage. Pour améliorer la capacité de blindage du champ magnétique du châssis, des matériaux à haute perméabilité magnétique, tels que des plaques d'acier, sont sélectionnés, qui peuvent absorber et disperser efficacement l'énergie du champ magnétique et réduire l'interférence du champ magnétique à l'intérieur de l'EVT. La perméabilité magnétique relative des métaux est indiquée dans le Tableau 1.

4.3.2 Optimiser la conception de la structure du châssis

La conception structurale du châssis est également un facteur important affectant l'effet de blindage. Dans la conception du châssis de l'EVT, une structure de blindage entièrement fermée est adoptée pour assurer un bon contact et une mise à la terre entre les différentes surfaces.

4.3.3 Renforcer le traitement de mise à la terre du châssis

Le traitement de mise à la terre du châssis est crucial pour l'effet de blindage. Dans la conception du châssis de l'EVT, il est nécessaire d'assurer une bonne connexion de mise à la terre entre le châssis et la terre, guidant le courant d'interférence vers la terre.

Ils émettent également des interférences telles que des harmoniques de haute fréquence et des rayonnements électromagnétiques, impactant d'autres appareils. La conception de ceux-ci nécessite de s'attaquer à ces défis d'interférence et de sensibilité avec des mesures de suppression et de protection.

5 Conclusion

Ce document mène une recherche et une conception approfondies sur les performances de compatibilité électromagnétique des transformateurs de tension électroniques. Une série de mesures est proposée, y compris les principes de conception de circuit, les principes de conception de structure interne et les stratégies d'amélioration des performances de compatibilité électromagnétique. L'objectif est d'améliorer la capacité anti-interférence et la stabilité de l'EVT dans des environnements électromagnétiques complexes, de s'assurer qu'il peut mesurer les signaux de tension dans les systèmes de puissance de manière précise et fiable, et de fournir une garantie solide pour le fonctionnement sûr et stable des systèmes de puissance.