Dizajn i poboljšanje ispitivanja performansi EMC za elektroničke naponske transformatori

1 Pregled EMC performansi elektroničkih naponskih transformatora
1.1 Definicija i zahtjevi za EMC

Elektromagnetska kompatibilnost (EMC) označava sposobnost uređaja/sustava da funkcionira neometano u zadanom elektromagnetskom okruženju i izbjegne neprihvatljivo elektromagnetsko smetnje drugim entitetima. Za elektroničke naponske transformatore, EMC zahtijeva stabilnu mjernu performansu u složenim uvjetima, bez smetnji drugim uređajima. Njihova EMC performansa mora biti uzeta u obzir i osigurana tijekom dizajna i proizvodnje.

1.2 Načelo rada

Elektronički naponski transformatori koriste elektromagnetsku indukciju i visoko preciznu elektroničku mjerenja kako bi pretvorili visokonaponske signale u sustavima snage u niskonaponske. Obično sastoje se od primarnog senzora, sekundarnog pretvarajućeg kruga i jedinice obrade signala: primarni senzor pretvara visokonaponske signale u slabe struje/napon proporcionalne primarnom naponu; sekundarni krug dalje pretvara ove na standardne digitalne/analogne signale; jedinica obrade filtrira, pojačava i kalibra signale kako bi se poboljšala točnost i stabilnost mjerenja. Oni mogu mjeriti napon, struju i snagu pojedine petlje (kao što je prikazano na slici 1), ili napon/struju pojedine/više petlji.

1.3 Analiza elektromagnetskih smetnji i osjetljivosti

Elektronički naponski transformatori podliježu elektromagnetskim smetnjama od drugih električnih uređaja (npr., impulsi od munjica, prekidni previsoki naponi od operacija prekidača), čime se degradira njihova performansa mjerenja (npr., povećanje grešaka, nestabilne čitanja).

2 Analiza testiranja performanse elektromagnetske kompatibilnosti elektroničkih naponskih transformatora (EVT)
2.1 Sadržaj testiranja i kriteriji procjene

Testiranje performanse elektromagnetske kompatibilnosti EVT-a je ključan korak za osiguranje njegovog stabilnog i točnog funkcioniranja u stvarnim radnim okruženjima. Testiranje se fokusira na procjenu sposobnosti EVT-a da odoli smetnjama i njegove performanse pod različitim elektromagnetskim smetnjama. Kriteriji procjene su podijeljeni u razrede A i B prema težini rezultata testiranja:

• Razred A: Održava normalnu performansu unutar granica specifikacije točnosti. Procjena zahtijeva da kada EVT bude izložen elektromagnetskim smetnjama, njegova točnost mjerenja mora ostati unutar zadanih granica. To osigurava da izlazni naponski signal odgovara stvarnoj vrijednosti i ne smeta normalnom nadzoru i upravljanju sustava snage.

• Razred B: Dozvoljava privremeno opadanje performanse mjerenja ne vezano za funkcije zaštite. Kriteriji dozvoljavaju privremeno opadanje performanse mjerenja pod elektromagnetskim smetnjama, pod uvjetom da to ne utječe na normalno funkcioniranje funkcija zaštite ili uzrokuje resetiranje/pokretanje uređaja. Izlazni napon mora biti kontroliran unutar 500 V kako bi se spriječile nepotrebnе smetnje ili oštećenja sustava snage.

2.2 Testovi provodne smetnje

Provodna smetnja odnosi se na elektromagnetske smetnje prenesene putem provodnih puteva (npr., žica, metaličke cijevi). Za EVT-e, provodna smetnja je veliki izazov.

• Test imuniteta na titranje (Impuls): Simulira prekidne previsoke napone/struje od operacija prekidača, udara munjica itd. Ovi događaji nose visoku energiju i kratke trajanje, te suznatno utječu na izolaciju i točnost mjerenja EVT-a. Test primjenjuje impulsne napone na EVT kako bi se provjerila njegova sposobnost da odolje smetnjama bez oštećenja ili opadanja performanse.

2.3 Testovi emitirane smetnje

• Test imuniteta na magnetsko polje frekvencije struje: Procjenjuje performansu EVT-a u okruženjima magnetskog polja frekvencije struje. Primjenom kontroliranog magnetskog polja frekvencije struje, test promatra stabilnost i točnost izlaznog naponskog signala kako bi se procijenila sposobnost odoljivosti.

• Test imuniteta na prigušeno oscilatorno magnetsko polje: Simulira prigušena oscilatorna magnetska polja generirana prilikom operacija izolacijskih prekidača na visokonaponskim busbarovima. Ova polja imaju brze stopa padanja i visoke frekvencije, potencijalno smetajući točnosti mjerenja EVT-a. Test primjenjuje prigušena oscilatorna magnetska polja kako bi se provjerilo da li EVT održava stabilnu performansu mjerenja.

• Test imuniteta na puls magnetsko polje: Simulira puls magnetska polja od udara munjica na zgrade ili druge metalne konstrukcije. Ova polja imaju brze vremena uspona i visoke vrhunske intenzitete, prijetnju izolaciji i točnosti mjerenja EVT-a. Test primjenjuje puls magnetska polja kako bi se provjerila sposobnost EVT-a da odolje smetnjama bez oštećenja ili opadanja performanse.

• Test imuniteta na radiofrekvencijsko radijalno elektromagnetsko polje: Procjenjuje performansu EVT-a u radiofrekvencijskim (RF) radijalnim elektromagnetskim okruženjima (npr., industrijski elektromagnetski izvori, radio emitere, mobilne komunikacijske bazne stanice). Primjenom kontroliranih RF radijalnih polja, test promatra stabilnost i točnost izlaznog naponskog signala kako bi se procijenila sposobnost odoljivosti.

3 Principi dizajna elektromagnetske kompatibilnosti elektroničkih naponskih transformatora
3.1 Principi dizajna krugova

• Dizajn plivajuće zemlje: U dizajnu krugova, koristi se tehnologija plivajuće zemlje kako bi se izolirale signalne linije od šase. To sprečava smetnje struja na šasi da direktno kuple u signalni krug, smanjujući buku i poboljšavajući točnost i stabilnost signala.

• Racionalna raspodjela vodova: Pravilno rasporedite strujne vodove, zemljive vodove i razne signalne vodove – to je ključno za minimiziranje kuple smetnji. U dizajnu krugova EVT-a, osigurajte minimalnu kuple među vodovima. Metode poput slojevitog vodovanja i ortogonalnog vodovanja (da se izbjegne paralelno vodovanje) smanjuju elektromagnetsku indukciju i kapacitivnu kuple.

• Dizajn filtra kondenzatora: Implementirajte filter kondenzatore na ulazu struje modula kako bi se supresirale smetnje koje ulaze putem napajanja. Odaberite kondenzatore temeljem parametara poput kapacitance, nominalnog napona i karakteristika frekvencije kako bi se efektivno filtrirale visokofrekventne buke i smetnje iz strujnog izvora.

• Dizajn logike niskog nivoa: Izbjegavajte nepotrebne visoke logičke nivoe kako bi se smanjilo potrošnja struje krugova i visokofrekventne smetnje. U dizajnu krugova EVT-a, prioritet dajte logičkim uređajima niskog nivoa (npr., 3.3 V uređaji) kako bi se smanjila emisija i prijema visokofrekventne buke.

• Kontrola vremena uspona/spada: Odaberite najsporije dopušteno vreme uspona/spada (unutar granica funkcije kruga) kako bi se izbjegla generacija nepotrebnih visokofrekventnih komponenti. To pomaže u smanjenju visokofrekventne buke u krugu i poboljšava stabilnost i točnost signala.

3.2 Principi dizajna interne strukture

• Potpuno zatvorena štitna struktura: Koristite potpuno zatvorenu štitnu strukturu za šasi, osiguravajući dobar kontakt svih površina i pravilnu zemlju. To učinkovito blokira vanjsko elektromagnetsko polje, štiti interne elektroničke krugove od vanjskih smetnji.

• Minimizacija duljine izloženih vodova: Držite sve izložene vodove unutar šasia što kraće kako bi se smanjila elektromagnetska radijacija i kuple smetnje. U internom dizajnu EVT-a, optimizirajte raspored i položaj komponenti kako bi se smanjila duljina izloženih vodova.

• Grupiranje i povezivanje kabela: Grupirajte vodove prema tipu signala (npr., odvojite digitalne i analogni vodove) i održavajte odgovarajuće razmak između grupa. To smanjuje preskok između vodova, poboljšavajući jasnotu i točnost signala.

• Spojivanje lepljivim spojem: Koristite lepljivi spoj na svim sučeljima šasia kako bi se osigurala dobra električna veza i učinkovitost štitne strukture. To smanjuje otpor kontakta i poboljšava performanse štita.

4 Strategije poboljšanja performanse elektromagnetske kompatibilnosti elektroničkih naponskih transformatora
4.1 Dizajn odoljivosti na smetnje na priključku struje
4.1.1 Instalacija filtara struje

Filter struje je učinkovit uređaj za supresiju elektromagnetskih smetnji koji može filtrirati visokofrekventne buke i prekidne impulse u strujnom izvoru, osiguravajući čistoću ulaza struje. Pri odabiru filtera struje, odaberite odgovarajući model i specifikaciju prema nominalnoj snazi i radnom okruženju EVT-a, i osigurajte da je filter instaliran blizu ulaza struje za najbolji efekt filtriranja.

4.1.2 Uvođenje dizajna redundantnog napajanja

Za poboljšanje pouzdanosti napajanja EVT-a, uvođen je dizajn redundantnog napajanja, tj. konfigurirana su dvije ili više modula napajanja. Kada jedan modul napajanja izneša, drugi moduli napajanja mogu brzo preuzeti zadatak napajanja kako bi se osiguralo normalno funkcioniranje EVT-a. To ne samo poboljšava sposobnost odoljivosti na smetnje EVT-a, nego i njegovu ukupnu stabilnost.

4.1.3 Jačanje štitne strukture i zemlje vodova struje

Vodovi struje su jedan od važnih puteva propagacije elektromagnetskih smetnji. Za smanjenje elektromagnetskih smetnji na vodovima struje, koriste se štitni kabeli kako bi se vodovi struje obavili metaličkim štitnim slojem, smanjujući radijaciju i kuple elektromagnetskih valova. U isto vrijeme, osigurajte dobru zemlju vodova struje, vodeći smetnju struje u zemlju kako bi se izbjeglo oštećenje EVT-a.

4.2 Zaštita od statičkog električnog napona priključaka signala
4.2.1 Instalacija komponenti apsorbiranja prekidnih smetnji

Komponente apsorbiranja prekidnih smetnji, poput Transient Voltage Suppressors (TVS) i varistora, mogu brzo apsorbirati energiju ispuštanja tijekom statičkog električnog napon