Deseño e mellora das probas de rendemento EMC para transformadores de voltaxe electrónicos

1 Panorámica do rendemento EMC dos transformadores de tensión electrónicos
1.1 Definición e requisitos de EMC

A compatibilidade electromagnética (EMC) denota a capacidade dun dispositivo/sistema para operar sen perturbacións nun ambiente electromagnético dado e evitar causar interferencias electromagnéticas inaceptables a outras entidades. Para os transformadores de tensión electrónicos, a EMC exige un rendemento de medida estable en configuracións complexas, sen interferir con outros dispositivos. O seu rendemento EMC debe terse en conta e asegurarse durante o deseño e a fabricación.

1.2 Principio de funcionamento

Os transformadores de tensión electrónicos utilizan a indución electromagnética e a medida electrónica de alta precisión para converter sinais de alta tensión nos sistemas de potencia en sinais de baixa tensión. Normalmente compoñense dun sensor primario, un circuito de conversión secundaria e unha unidade de procesado de sinais: o sensor primario transforma os sinais de alta tensión en corrente/voltaxe débil proporcional á tensión primaria; o circuito secundario converte estes a sinais dixitais/análogos estándar; a unidade de procesado filtra, amplifica e calibra os sinais para mellorar a precisión e a estabilidade da medida. Poden medir a tensión, corrente e potencia dun circuito único (como se mostra na Figura 1), ou a tensión/corrente de circuitos únicos/múltiples.

1.3 Análise da interferencia electromagnética e sensibilidade

Os transformadores de tensión electrónicos están suxectos a interferencias electromagnéticas de outro equipamento eléctrico (por exemplo, impulsos de raio, sobretensións transitórias debido ás operacións de interruptores), que degradan o rendemento de medida (por exemplo, aumentando os erros, lecturas inestables).

2 Análise das probas de rendemento de compatibilidade electromagnética para transformadores de tensión electrónicos (EVT)
2.1 Contido da proba e criterios de avaliación

A proba de rendemento de compatibilidade electromagnética dun EVT é un paso crítico para asegurar a súa operación estable e precisa en entornos de traballo reais. A proba centrase en avaliar a capacidade antinterferencia do EVT e o seu rendemento baixo varias perturbacións electromagnéticas. Os criterios de avaliación divídense en Grado A e Grado B segundo a gravedade dos resultados da proba:

• Grado A: Mantén o rendemento normal dentro dos límites de especificación de precisión. A avaliación require que cando o EVT está suxecto a perturbacións electromagnéticas, a súa precisión de medida debe manterse dentro dos límites especificados. Isto asegura que o sinal de voltaxe de saída coincide co valor real e non interrompe a monitorización e control normais do sistema de potencia.

• Grado B: Permite a degradación temporal do rendemento de medida non relacionada con as funcións de protección. Os criterios permiten descensos temporais no rendemento de medida baixo perturbacións electromagnéticas, sempre que non afecten ao funcionamento normal das funcións de protección ou causem o reinicio/reinicio do dispositivo. O voltaxe de saída debe controlarse dentro de 500 V para evitar interferencias innecesarias ou danos ao sistema de potencia.

2.2 Probas de interferencia conducida

A interferencia conducida refírese a perturbacións electromagnéticas transmitidas por camiños conductivos (por exemplo, cables, tubos metálicos). Para os EVTs, a interferencia conducida é un gran desafío.

• Proba de Transitorios Rápidos/Burst (EFT/B): Simula perturbacións transitorias de cargas indutivas (por exemplo, relés, contactores) durante a conmutación, que xeralmente teñen espectros de frecuencia amplios e poden interrumpir a operación do EVT. A proba aplica unha serie de burst rápidos ao EVT, observando a estabilidade e a precisión do sinal de voltaxe de saída para avaliar a capacidade antinterferencia.

• Proba de Inmunidade a Sobretensións (Impulso): Simula sobretensións/transcorrentes transitórias debido ás operacións de interruptores, impactos de raios, etc. Estes eventos transportan alta enerxía e duracións curtas, afectando seriamente a aislación e a precisión de medida do EVT. A proba aplica voltaxes de sobretensión ao EVT para verificar a súa capacidade de resistir perturbacións sen danos ou degradación do rendemento.

2.3 Probas de interferencia irradiada

• Proba de Inmunidade a Campos Magnéticos de Frecuencia de Rede: Avalía o rendemento do EVT en entornos de campos magnéticos de frecuencia de rede. Aplicando un campo magnético de frecuencia de rede controlado, a proba observa a estabilidade e a precisión do sinal de voltaxe de saída para avaliar a capacidade antinterferencia.

• Proba de Inmunidade a Campos Magnéticos Oscilatorios Amortiguados: Simula campos magnéticos oscilatorios amortiguados xerados cando os interruptores de aislamento operan en barras de bus de alta tensión nas subestacións de alta tensión. Estes campos teñen taxas de decaemento rápidas e frecuencias altas, podendo interrumpir a precisión de medida do EVT. A proba aplica campos magnéticos oscilatorios amortiguados para comprobar se o EVT mantén un rendemento de medida estable.

• Proba de Inmunidade a Campos Magnéticos de Pulso: Simula campos magnéticos de pulso debido a impactos de raios en edificios ou outras estruturas metálicas. Estes campos teñen tempos de subida rápidos e intensidades pico altas, ameazando a aislación e a precisión de medida do EVT. A proba aplica campos magnéticos de pulso para verificar a capacidade do EVT de resistir perturbacións sen danos ou degradación do rendemento.

• Proba de Inmunidade a Campos Electromagnéticos de Radiación de Frecuencia de Radio: Avalía o rendemento do EVT en entornos de radiación de frecuencia de radio (RF) (por exemplo, fuentes electromagnéticas industriais, emisións de radio, estacións base de comunicación móbil). Aplicando campos de radiación RF controlados, a proba observa a estabilidade e a precisión do sinal de voltaxe de saída para avaliar a capacidade antinterferencia.

3 Principios de deseño para a compatibilidade electromagnética dos transformadores de tensión electrónicos
3.1 Principios de deseño de circuitos

• Deseño de Terra Flotante: No deseño de circuitos, utilízase a tecnoloxía de terra flotante para aislar as liñas de sinal do chassis. Esto evita que as correntes de interferencia no chassis se acoplen directamente ao circuito de sinal, reducindo a interferencia de ruído e mellorando a precisión e a estabilidade do sinal.

• Disposición Adequada dos Cables: Dispón correctamente as liñas de alimentación, terra e varias liñas de sinal, o que é clave para minimizar a interferencia de acoplamento. No deseño de circuitos de EVT, asegúrate de que haxa un acoplamento mínimo entre as liñas. Métodos como a disposición de cables en capas e a rotação ortogonal (para evitar tramos paralelos) reducen a inducción electromagnética e o acoplamento capacitivo.

• Deseño de Capacitores de Filtro: Implementa capacitores de filtro na entrada de alimentación dos módulos para suprimir os sinais de interferencia que entran a través da fonte de alimentación. Seleccióna os capacitores en función de parámetros como a capacitancia, a tensión nominal e as características de frecuencia para filtrar eficazmente o ruído y a interferencia de alta frecuencia da fonte de alimentación.

• Deseño de Lóxica de Baixo Nivel: Evita niveis lóxicos altos innecesarios para reducir o consumo de potencia do circuito e a interferencia de alta frecuencia. No deseño de circuitos de EVT, prioriza dispositivos de lóxica de baixo nivel (por exemplo, dispositivos de 3.3 V) para minimizar a emisión e recepción de ruído de alta frecuencia.

• Control de Tiempo de Subida/Descenso: Elixe os tiempos de subida e descenso máis lentos permitidos (dentro dos límites de función do circuito) para evitar a xeración de componentes de alta frecuencia innecesarios. Isto axuda a reducir o ruído de alta frecuencia no circuito e mellora a estabilidade e a precisión do sinal.

3.2 Principios de deseño de estrutura interna

• Estrutura de Escudo Totalmente Encerrada: Utilízase un escudo totalmente encerrado para o chassis, asegurando un buen contacto entre todas as superficies e unha correcta terra. Isto bloquea eficazmente a interferencia de campos electromagnéticos externos, protexendo os circuitos electrónicos internos de perturbacións externas.

• Minimiza a Lonxitude de Cables Expostos: Mantén todos os cables expostos dentro do chassis tan curtos como sexa posible para reducir a radiación electromagnética e a interferencia de acoplamento. No deseño interno de EVT, optimiza a disposición e colocación dos compoñentes para minimizar a lonxitude de cables expostos.

• Agrupación e Atadura de Cables: Agrupa os cables segundo o tipo de sinal (por exemplo, separa as liñas dixitais e analóxicas) e mantén un espaciamiento adecuado entre os grupos. Isto reduce a crosstalk entre os cables, mellorando a claridade e a precisión do sinal.

• Unión Adhesiva Conductiva: Utilízase adhesivo conductivo en todas as xuntas de interface do chassis para asegurar unha boa conexión eléctrica e efectividad de escudo. Isto reduz a resistencia de contacto e melhora o rendemento do escudo.

4 Estratexias para mellorar o rendemento de compatibilidade electromagnética dos transformadores de tensión electrónicos
4.1 Deseño Antinterferencia da Porta de Alimentación
4.1.1 Instala Filtros de Alimentación

Un filtro de alimentación é un dispositivo eficaz para suprimir a interferencia electromagnética que pode filtrar o ruído de alta frecuencia e os pulsos transitórios na fonte de alimentación, asegurando a pureza da entrada de alimentación. Ao seleccionar un filtro de alimentación, escolle o modelo e especificación adecuados de acordo coa potencia nominal e o entorno de traballo do EVT, e asegúrate de que o filtro estea instalado preto da entrada de alimentación para obter o mellor efecto de filtrado.

4.1.2 Adopta un Deseño de Alimentación Redundante

Para mellorar a fiabilidade da alimentación do EVT, adopta un deseño de alimentación redundante, é dicir, configúrase dous ou máis módulos de alimentación. Cando un módulo de alimentación falla, outros módulos de alimentación poden asumir rapidamente a tarefa de alimentación para asegurar o funcionamento normal do EVT. Isto non só mellora a capacidade antinterferencia do EVT, senón que tamén aumenta a súa estabilidade xeral.

4.1.3 Reforça o Escudo e a Terra das Liñas de Alimentación

As liñas de alimentación son unha das rutas importantes para a propagación da interferencia electromagnética. Para reducir a interferencia electromagnética nas liñas de alimentación, úsanse cables blindados para envolver as liñas de alimentación nunha capa de blindaxe metálica, reducindo a radiación e o acoplamento de ondas electromagnéticas. Ao mesmo tempo, asegúrate de que as liñas de alimentación teñan unha boa terra, dirixindo a corrente de interferencia ao chan para evitar danos ao EVT.

4.2 Protección contra Descargas Electrostáticas das Portas de Sinal
4.2.1 Instala Componentes de Absorción de Perturbacións Transitórias

Os componentes de absorción de perturbacións transitórias, como os Supresores de Voltaxe Transitorio (TVS) e varistores, poden absorber rapidamente a enerxía de descarga durante as descargas electrostáticas e controlar a tensión a un nivel seguro, protexendo os compoñentes electrónicos internos do EVT de danos. Ao seleccionar componentes de absorción de perturbacións transitórias, escolle o modelo e especificación adecuados de acordo coas características do sinal e o entorno de traballo do EVT.

4.2.2 Adopta o Método de Transmisión de Sinal Diferencial

O método de transmisión de sinal diferencial pode resistir eficazmente a interferencia de modo común e mellorar a capacidade antinterferencia do sinal. No deseño de portas de sinal do EVT, adopta o método de transmisión de sinal diferencial, dividindo o sinal en canles positivo e negativo para a transmisión. A información efectiva extraese comparando as diferenzas de sinal entre os dous canles, o que non só mellora a calidade da transmisión de sinal, senón que tamén reduce a interferencia de descargas electrostáticas no EVT.

4.3 Optimización do Rendemento de Blindaxe do Chassis
4.3.1 Selecciona Materiais con Alta Permeabilidade Magnética

A selección de materiais para o chassis é crucial para o efecto de blindaxe. Para mellorar a capacidade de blindaxe de campo magnético do chassis, selecciona materiais con alta permeabilidade magnética, como placas de ferro, que poden absorver e dispersar eficazmente a enerxía do campo magnético e reducir a interferencia do campo magnético no interior do EVT. A permeabilidade magnética relativa dos metais móstrase na Táboa 1.

4.3.2 Optimiza o Deseño Estructural do Chassis

O deseño estructural do chassis tamén é un factor importante que afecta ao efecto de blindaxe. No deseño de chassis do EVT, adopta unha estrutura de blindaxe totalmente encerrada para asegurar un buen contacto e terra entre varias superficies.

4.3.3 Reforça o Tratamento de Terra do Chassis

O tratamento de terra do chassis é crucial para o efecto de blindaxe. No deseño de chassis do EVT, é necesario asegurar unha boa conexión de terra entre o chassis e o chan, dirixindo a corrente de interferencia ao chan.

Tamén emiten interferencia como harmónicos de alta frecuencia e radiación electromagnética, afectando a outros dispositivos. O deseño deles require abordar estes desafíos de interferencia e sensibilidade con medidas de supresión e protección.

5 Conclusión

Este artigo realiza unha investigación e deseño en profundidade sobre o rendemento de compatibilidade electromagnética dos transformadores de tensión electrónicos. Propón unha serie de medidas, incluíndo principios de deseño de circuitos, principios de deseño de estrutura interna e estratexias de mellora do rendemento de compatibilidade electromagnética. O obxectivo é mellorar a capacidade antinterferencia e a estabilidade do EVT en entornos electromagnéticos complexos, asegurar que poida medir con precisión e fiabilidade os sinais de tensión nos sistemas de potencia, e proporcionar unha forte garantía para a operación segura e estable dos sistemas de potencia.