EMC teljesítménytesztek tervezése és fejlesztése elektromos feszültségátalakítók számára

1 Az elektromos feszültség-váltók EMC teljesítményének áttekintése
1.1 Az EMC definíciója és követelményei

Az Elektromágneses Kompatibilitás (EMC) egy eszköz vagy rendszer képességét jelenti arra, hogy adott elektromágneses környezetben zavarmentesen működjön, és ne okozzon elfogadhatatlan elektromágneses zavarokat más entitásoknak. Az elektromos feszültség-váltók esetén az EMC azt követeli, hogy stabil mérési teljesítményt nyújtsanak összetett körülmények között, anélkül, hogy más eszközöket zavarjanak. Az EMC teljesítményüket a tervezés és gyártás során kell figyelembe venni és biztosítani.

1.2 Működési elv

Az elektromos feszültség-váltók elektromágneses indukciót és nagy pontosságú elektronikus mérést használnak, hogy a hatalmas feszültségű jeleket a villamos energiaszolgáltató rendszerekben alacsony feszültségű jelekkel alakítsák. Általában egy elsődleges érzékelőből, másodlagos átalakító áramkörből és jelkezelő egységből áll: az elsődleges érzékelő az elsődleges feszültséghez arányos gyenge áramot/feszültséget alakít, a másodlagos áramkör további átalakítást végez szabványos digitális/analóg jelekre, a kezelőegység pedig szűr, erősíti és kalibrálja a jeleket, hogy javítsa a mérési pontosságot és stabilitást. Egyetlen áramkör feszültségét, áramát és teljesítményét (lásd az 1. ábrát), vagy egyetlen/több áramkör feszültségét/áramát mérhetik.

1.3 Elektromágneses zavarok és érzékenység elemzése

Az elektromos feszültség-váltók elektromágneses zavarok hatására kerülhetnek más villamos berendezések (pl. villámimpulzusok, kapcsolóvegyezések általi rövid ideig tartó túlfeszültségek) miatt, ami rombolja a mérési teljesítményt (pl. növekedő hibák, instabil olvasatok).

2 Az elektromos feszültség-váltók (EVT) elektromágneses kompatibilitási teljesítményének vizsgálata
2.1 A vizsgálat tartalma és a kiértékelési kritériumok

Az EVT elektromágneses kompatibilitási teljesítményének vizsgálata egy kulcsfontosságú lépés annak biztosításához, hogy a valós munkakörnyezetben stabil és pontosan működjen. A vizsgálat fókuszál az EVT zavarellenálló képességére és a különböző elektromágneses zavarok közötti teljesítményére. A kiértékelési kritériumok A és B osztályba sorolhatók a vizsgálat eredményeinek súlyosságától függően:

• A osztály: Normális teljesítmény fenntartása a pontossági specifikációk határain belül. A kiértékelés azt követeli, hogy amikor az EVT elektromágneses zavarok hatására kerül, a mérési pontossága a meghatározott határok között maradjon. Ez biztosítja, hogy a kimeneti feszültség jel megegyezzen a tényleges értékkel, és ne zavarja a villamos rendszer normális monitorozását és ellenőrzését.

• B osztály: Ideiglenes mérési teljesítmény romlása, amely nem érinti a védelmi funkciókat. A kritériumok ideiglenes mérési teljesítmény romlását engedélyezik elektromágneses zavarok hatására, feltéve, hogy ez nem érinti a védelmi funkciók normális működését, és nem okozza az eszköz újraindítását. A kimeneti feszültségnek 500 V-n belül kell maradnia, hogy elkerülje a felesleges zavart vagy kárt a villamos rendszerben.

2.2 Átvezetett zavarvizsgálatok

Az átvezetett zavarok elektromágneses zavarokat jelentenek, amelyek vezető útvonalakon (pl. drótok, fémes csövek) jutnak el. Az EVTs számára az átvezetett zavarok jelentős kihívást jelentenek.

• Elektromos gyors átmeneti/villámlási (EFT/B) vizsgálat: Szimulálja a kapcsolóvegyezések során bekövetkező átmeneti zavarokat (pl. relék, kapcsolók), amelyek általában széles frekvenciaválaszt mutatnak, és zavarhatják az EVT működését. A vizsgálat gyors átmeneti villámlási impulzusokat alkalmaz az EVT-re, és megfigyeli a kimeneti feszültség jel stabilizációját és pontosságát, hogy kiértékelje a zavarellenálló képességet.

• Szökő (impulzus) ellenállás vizsgálat: Szimulálja a kapcsolóvegyezések, villámütések stb. által okozott rövid ideig tartó túlfeszültségeket/túláramokat. Ezek a jelenségek nagy energiát és rövid időtartamot jelentenek, súlyosan befolyásolva az EVT izolációját és mérési pontosságát. A vizsgálat szökő feszültségeket alkalmaz az EVT-re, hogy ellenőrizze, hogy az zavarok hatására nem sérül és nem romlik a teljesítménye.

2.3 Sugárzott zavarvizsgálatok

• Háromfázisú mágneses mező ellenállás vizsgálat: Kiértékeli az EVT teljesítményét a háromfázisú mágneses mező környezetben. A vizsgálat vezérelt háromfázisú mágneses mezőt alkalmaz, és megfigyeli a kimeneti feszültség jel stabilizációját és pontosságát, hogy kiértékelje a zavarellenálló képességet.

• Lezáródó rezgő mágneses mező ellenállás vizsgálat: Szimulálja a magas feszültségű buszokon működő izoláló kapcsolók által generált lezáródó rezgő mágneses mezőket. Ezek a mezők gyors lezáródási ütemekkel és magas frekvenciával rendelkeznek, ami potenciálisan zavarhatja az EVT mérési pontosságát. A vizsgálat lezáródó rezgő mágneses mezőket alkalmaz, hogy ellenőrizze, hogy az EVT stabil mérési teljesítményt fenntart-e.

• Impulzus mágneses mező ellenállás vizsgálat: Szimulálja a villámütések által okozott impulzus mágneses mezőket épületeken vagy más fémes szerkezeteken. Ezek a mezők gyors emelkedési idővel és magas csúcsértékkel rendelkeznek, ami fenyegetést jelent az EVT izolációjára és mérési pontosságára. A vizsgálat impulzus mágneses mezőket alkalmaz, hogy ellenőrizze, hogy az EVT zavarok hatására nem sérül és nem romlik a teljesítménye.

• Rádiófrekvenciás sugárzott elektromágneses mező ellenállás vizsgálat: Kiértékeli az EVT teljesítményét a rádiófrekvenciás (RF) sugárzott környezetben (pl. ipari elektromágneses források, rádió sugarak, mobil kommunikációs bázisállomások). A vizsgálat vezérelt RF sugárzott mezőket alkalmaz, és megfigyeli a kimeneti feszültség jel stabilizációját és pontosságát, hogy kiértékelje a zavarellenálló képességet.

3 Tervezési elvek az elektromos feszültség-váltók elektromágneses kompatibilitásához
3.1 Áramkör tervezési elvei

• Lefloatolt földtervezés: Az áramkör tervezésében használjon lefloatolt földtechnológiát, hogy a jelvezeteket a szekrénytől elszigetelje. Ez megakadályozza, hogy a szekrényen lévő zavaró áramok közvetlenül bekapcsolódjanak a jeláramkörbe, csökkentve a zajzavarokat, és javítva a jel pontosságát és stabilitását.

• Racionális vezeték elrendezés: Rendesen helyezze el az energiaforrás vezetékeit, a földvezetéket és a különböző jelvezeteket - ez a kulcs a minimális kapcsolódó zavarokhoz. Az EVT áramkör tervezésében minimalizálja a vezetékek közötti kapcsolódást. A rétegzett vezeték elrendezés és az ortogonális irányítás (a párhuzamos futások elkerülése érdekében) csökkenti az elektromágneses indukciót és a kapacitív kapcsolódást.

• Szűrő kondenzátor tervezés: Implementáljon szűrő kondenzátorokat a modulok energiaforrásain, hogy leküldje a zavaró jeleket, amelyek az energiaforráson keresztül bejutnak. Válassza ki a kondenzátorokat a kapacitás, feszültségérték és frekvencia jellemzők alapján, hogy hatékonyan szűrje a magasfrekvenciás zajt és zavaró jeleket az energiaforrásból.

• Alacsony szintű logika tervezés: Kerülje a felesleges magas logika szinteket, hogy csökkentse az áramkör teljesítményfogyasztását és a magasfrekvenciás zavarokat. Az EVT áramkör tervezésében prioritást adjon az alacsony szintű logikai eszközöknek (pl. 3,3 V-es eszközök), hogy minimalizálja a magasfrekvenciás zaj kibocsátását és fogadását.

• Emelkedési/lejtőidő ellenőrzés: Válassza a lehető leglassabb engedélyezett emelkedési és lejtőidőt (az áramkör funkciói keretein belül), hogy elkerülje a felesleges magasfrekvenciás összetevők kialakulását. Ez segít csökkenteni az áramkörben lévő magasfrekvenciás zajt, és javítja a jel stabilitását és pontosságát.

3.2 Belső szerkezet tervezési elvei

• Teljesen bezárt védőstruktúra: Használjon teljesen bezárt védőt a szekrényhez, biztosítva a felületek közötti jó kapcsolatot és a megfelelő földelést. Ez hatékonyan blokkolja a külső elektromágneses mező zavarait, védve a belső elektronikus áramköröket a külső zavaroktól.

• Minimalizálja a kitett vezeték hosszát: Tartsa a szekrényben lévő kitett vezetékeket a lehető legrövidebbnek, hogy csökkentse az elektromágneses sugárzást és a kapcsolódó zavarokat. Az EVT belső tervezésében optimalizálja a komponensek elhelyezését és elrendezését, hogy minimalizálja a kitett vezeték hosszát.

• Kábelcsoportok és -csomagok: Csoportosítsa a vezetékeket a jel típusa szerint (pl. szétválasztja a digitális és analóg vezetékeket), és tartson megfelelő távolságot a csoportok között. Ez csökkenti a vezetékek közötti kereszteződést, javítva a jel világosságát és pontosságát.

• Vezető ragasztó: Használjon vezető ragasztót a szekrény összes illesztési csatlakozásán, hogy biztosítson jó elektromos kapcsolatot és védőhatást. Ez csökkenti a kapcsolati ellenállást, és javítja a védő teljesítményét.

4 Stratégiák az elektromos feszültség-váltók elektromágneses kompatibilitásának javítására
4.1 Az energiaforrás portjának zavarellenálló tervezése
4.1.1 Energia-szűrők telepítése

Az energia-szűrő egy hatékony elektromágneses zavar elnyelő eszköz, amely kiszűri a magasfrekvenciás zajt és az átmeneti impulzusokat az energiaforrásban, biztosítva az energia bemenetének tisztaságát. Az energia-szűrő kiválasztásakor válassza a megfelelő szűrőt és specifikációt az EVT nominális teljesítménye és működési környezete alapján, és győződjön meg róla, hogy a szűrő a legközelebb van az energia bejáratához a legjobb szűrési hatás érdekében.

4.1.2 Redundáns energiaellátás tervezése

Az EVT energiaellátásának megbízhatóságának javítása érdekében redundáns energiaellátást alkalmaznak, azaz két vagy több energia-modult konfigurálnak. Ha egy energia-modul meghibásodik, a többi energia-modul gyorsan átveszi az energiaellátási feladatot, hogy biztosítsa az EVT normális működését. Ez nem csak javítja az EVT zavarellenálló képességét, de növeli az általános stabilitását is.

4.1.3 Az energiaforrás vezetékeinek védőzése és földelése

Az energiaforrás vezetékei az elektromágneses zavarok terjedésének fontos útjai. Az energiaforrás vezetékein lévő elektromágneses zavarok csökkentése érdekében védővezetékeket használnak, amelyek metál védőrétegével borítják az energiaforrás vezetékeit, csökkentve az elektromágneses hullámok radiációját és kapcsolódását. Ugyanakkor biztosítsa a energiaforrás vezetékeinek megfelelő földelését, hogy a zavaró áramokat a földre irányítsa, elkerülve az EVT károsodását.

4.2 Az elektrostatikus tisztítás jelportjainak védelme
4.2.1 Transzienz zavar elnyelő komponensek telepítése

Transzienz zavar elnyelő komponensek, mint például a Transzienz Feszültség Elnyelő (TVS) és a varisztorok, gyorsan elnyelik az elektrostatikus tisztítás során kibocsátott energiát, és a feszültséget biztonságos szinten tartják, védelmet nyújtva az EVT belső elektronikus komponenseinek. A transzienz zavar elnyelő komponensek kiválasztásakor válassza a megfelelő komponenst és specifikációt az EVT jel jellemzői és működési környezete alapján.

4.2.2 Differenciális jelátviteli módszer alkalmazása

A differenciális jelátviteli módszer hatékonyan ellenáll a közös módú zavaroknak, és javítja a jel zavarellenálló képességét. Az EVT jelportjainak tervezésében a differenciális jelátviteli módszert alkalmazzák, a jel pozitív és negatív csatornákra osztva. A két csatorna jelkülönbségeinek összehasonlításával vonakodnak ki hatékony információt, ami nem csak javítja a jelátviteli minőséget, de csökkenti az elektrostatikus tisztítás zavarait az EVT-re nézve.

4.3 A szekrény védőteljesítményének optimalizálása
4.3.1 Magas mágneses áthatású anyagok kiválasztása

A szekrény anyagának kiválasztása létfontosságú a védőhatás szempontjából. A szekrény mágneses mező védőképességének javítása érdekében magas mágneses áthatású anyagokat, mint például vaslapokat, választanak, amelyek hatékonyan elnyelik és szórják a mágneses mező energiáját, csökkentve a mágneses mező zavarát az EVT belső részeire. A fémek relatív mágneses áthatását a 1. táblázat mutatja.

4.3.2 A szekrény szerkezetének optimalizálása

A szekrény szerkezete is fontos tényező a védőhatás szempontjából. Az EVT szekrényének tervezésében teljesen bezárt védőstruktúrát alkalmaznak, biztosítva a felületek közötti jó kapcsolatot és földelést.

4.3.3 A szekrény földelésének megerősítése

A szekrény földelése létfontosságú a védőhatás szempontjából. Az EVT szekrényének tervezésében biztosítani kell a szekrény és a föld közötti megfelelő földelési kapcsolatot, hogy a zavaró áramokat a földre irányítsák.

Ezek továbbá zavarokat is sugároznak, mint például a magasfrekvenciás harmonikusok és elektromágneses sugárzás, ami más eszközöket is befolyásolja. A tervezésük során ezen zavarok és érzékenységi kihívásokkal szembeni elnyelési és védelmi intézkedéseket kell alkalmazni.

5 Következtetés

Ebben a tanulmányban mélyreható kutatást és tervezést végeztek az elektromos feszültség-váltók elektromágneses kompatibilitási teljesítményével kapcsolatban. A tervezési elvek, a belső szerkezet tervezési elvei és az elektromágneses kompatibilitási teljesítmény javítási stratégiái során számos intézkedést javasolnak. A cél az, hogy javítsák az EVT zavarellenálló képességét és stabilitását összetett elektromágneses környezetekben, és biztosítsák, hogy a villamos rendszerekben pontosan és megbízhatóan mérje a feszültség jeleit, és erős garanciát nyújtsanak a villamos rendszerek biztonságos és stabil működéséért.