Progettazione e miglioramento dei test di prestazioni EMC per trasformatori elettronici di tensione

1 Panoramica sulle prestazioni EMC dei trasformatori elettronici di tensione
1.1 Definizione & Requisiti dell'EMC

La Compatibilità Elettromagnetica (EMC) indica la capacità di un dispositivo/sistema di funzionare senza disturbi in un determinato ambiente elettromagnetico e di evitare di causare interferenze elettromagnetiche inaccettabili ad altre entità. Per i trasformatori elettronici di tensione, l'EMC richiede una prestazione di misura stabile in ambienti complessi, senza interferire con altri dispositivi. Le loro prestazioni EMC devono essere prese in considerazione e garantite durante la progettazione e la fabbricazione.

1.2 Principio di funzionamento

I trasformatori elettronici di tensione sfruttano l'induzione elettromagnetica e la misura elettronica ad alta precisione per convertire i segnali ad alta tensione nei sistemi di potenza in segnali a bassa tensione. Solitamente comprendono un sensore primario, un circuito di conversione secondario e un'unità di elaborazione del segnale: il sensore primario trasforma i segnali ad alta tensione in corrente/tensione debole proporzionale alla tensione primaria; il circuito secondario converte ulteriormente questi in segnali digitali/analogici standard; l'unità di elaborazione filtra, amplifica e calibra i segnali per migliorare l'accuratezza e la stabilità della misura. Possono misurare la tensione, la corrente e la potenza di un singolo circuito (come mostrato in Figura 1), o la tensione/corrente di singoli/multipli circuiti.

1.3 Analisi dell'interferenza elettromagnetica & Sensibilità

I trasformatori elettronici di tensione sono soggetti a interferenze elettromagnetiche da parte di altre apparecchiature elettriche (ad esempio, impulsi di fulmine, sovratensioni transitorie da operazioni di interruttore), che degradano le prestazioni di misura (ad esempio, aumento degli errori, letture instabili).

2 Analisi dei test sulle prestazioni di compatibilità elettromagnetica per i trasformatori elettronici di tensione (EVT)
2.1 Contenuto del test e criteri di valutazione

Il test sulle prestazioni di compatibilità elettromagnetica di un EVT è un passo cruciale per assicurare il suo funzionamento stabile e accurato in ambienti di lavoro reali. Il test si concentra sulla valutazione della capacità anti-interferenza dell'EVT e delle sue prestazioni in varie perturbazioni elettromagnetiche. I criteri di valutazione sono suddivisi in Classe A e Classe B in base alla gravità dei risultati del test:

• Classe A: Mantiene le prestazioni normali all'interno dei limiti di specifica di accuratezza. La valutazione richiede che, quando l'EVT è sottoposto a perturbazioni elettromagnetiche, la sua accuratezza di misura rimanga all'interno dei limiti specificati. Ciò garantisce che il segnale di tensione di uscita corrisponda al valore effettivo e non interrompa il monitoraggio e il controllo normale del sistema di potenza.

• Classe B: Consente una degradazione temporanea delle prestazioni di misura non correlata alle funzioni di protezione. I criteri consentono una diminuzione temporanea delle prestazioni di misura in presenza di perturbazioni elettromagnetiche, purché non influiscano sul funzionamento normale delle funzioni di protezione o causino il reset/riavvio del dispositivo. La tensione di uscita deve essere controllata entro 500 V per evitare interferenze o danni inutili al sistema di potenza.

2.2 Test di interferenza condotta

L'interferenza condotta si riferisce a perturbazioni elettromagnetiche trasmesse tramite percorsi conduttivi (ad esempio, cavi, tubi metallici). Per gli EVT, l'interferenza condotta è una sfida importante.

• Test Transienti Elettrici Rapidi/Burst (EFT/B): Simula perturbazioni transitorie da carichi induttivi (ad esempio, relè, contattori) durante lo switching, che solitamente hanno spettri di frequenza ampi e possono disturbare il funzionamento dell'EVT. Il test applica una serie di burst di transienti rapidi all'EVT, osservando la stabilità e l'accuratezza del segnale di tensione di uscita per valutare la capacità anti-interferenza.

• Test Immunità ai Sovratensioni (Impulse): Simula sovratensioni/transienti di corrente da operazioni di interruttore, colpi di fulmine, ecc. Questi eventi portano energia elevata e durate brevi, influendo gravemente sull'isolamento e sull'accuratezza di misura dell'EVT. Il test applica sovratensioni all'EVT per verificare la sua capacità di resistere alle perturbazioni senza danni o degradazione delle prestazioni.

2.3 Test di interferenza irradiata

• Test Immunità al Campo Magnetico di Frequenza di Rete: Valuta le prestazioni dell'EVT in ambienti di campo magnetico di frequenza di rete. Applicando un campo magnetico di frequenza di rete controllato, il test osserva la stabilità e l'accuratezza del segnale di tensione di uscita per valutare la capacità anti-interferenza.

• Test Immunità al Campo Magnetico Oscillatorio Smorzato: Simula campi magnetici oscillatori smorzati generati quando interruttori isolanti in stazioni elettriche ad alta tensione operano su busbar ad alta tensione. Questi campi hanno tassi di decadimento rapido e frequenze elevate, potenzialmente disturbando l'accuratezza di misura dell'EVT. Il test applica campi magnetici oscillatori smorzati per verificare se l'EVT mantiene prestazioni di misura stabili.

• Test Immunità al Campo Magnetico Impulsivo: Simula campi magnetici impulsivi da colpi di fulmine su edifici o altre strutture metalliche. Questi campi hanno tempi di salita rapidi e intensità picco elevate, minacciando l'isolamento e l'accuratezza di misura dell'EVT. Il test applica campi magnetici impulsivi per verificare la capacità dell'EVT di resistere alle perturbazioni senza danni o degradazione delle prestazioni.

• Test Immunità al Campo Elettromagnetico di Radiazione a Frequenza Radio: Valuta le prestazioni dell'EVT in ambienti di radiazione a frequenza radio (RF) (ad esempio, fonti elettromagnetiche industriali, radiodiffusione, stazioni base di comunicazione mobile). Applicando campi di radiazione RF controllati, il test osserva la stabilità e l'accuratezza del segnale di tensione di uscita per valutare la capacità anti-interferenza.

3 Principi di progettazione per la compatibilità elettromagnetica dei trasformatori elettronici di tensione
3.1 Principi di progettazione del circuito

• Progettazione a terra galleggiante: Nella progettazione del circuito, utilizzare la tecnologia a terra galleggiante per isolare le linee di segnale dal telaio. Ciò impedisce che le correnti di interferenza sul telaio si accoppino direttamente nel circuito di segnale, riducendo le interferenze rumorose e migliorando l'accuratezza e la stabilità del segnale.

• Disposizione dei cavi razionale: Disporre correttamente le linee di alimentazione, le linee di terra e le varie linee di segnale, ciò è fondamentale per minimizzare le interferenze di accoppiamento. Nella progettazione del circuito dell'EVT, assicurarsi che vi sia un accoppiamento minimo tra le linee. Metodi come la disposizione stratificata e il routing ortogonale (per evitare corsi paralleli) riducono l'induzione elettromagnetica e l'accoppiamento capacitivo.

• Progettazione dei condensatori filtro: Implementare condensatori filtro all'ingresso di alimentazione dei moduli per sopprimere i segnali di interferenza che entrano attraverso l'alimentazione. Selezionare i condensatori in base a parametri come capacità, tensione nominale e caratteristiche di frequenza per filtrare efficacemente i rumori e le interferenze ad alta frequenza dall'alimentazione.

• Progettazione logica a basso livello: Evitare livelli logici elevati inutili per ridurre il consumo di energia del circuito e le interferenze ad alta frequenza. Nella progettazione del circuito dell'EVT, dare priorità a dispositivi logici a basso livello (ad esempio, dispositivi a 3,3 V) per minimizzare l'emissione e la ricezione di rumori ad alta frequenza.

• Controllo dei tempi di salita e discesa: Scegliere i tempi di salita e discesa più lenti consentiti (all'interno dei limiti funzionali del circuito) per evitare la generazione di componenti ad alta frequenza inutili. Ciò aiuta a ridurre i rumori ad alta frequenza nel circuito e migliora la stabilità e l'accuratezza del segnale.

3.2 Principi di progettazione della struttura interna

• Struttura schermata completamente chiusa: Utilizzare uno schermo completamente chiuso per il telaio, assicurando un buon contatto tra tutte le superfici e un'opportuna messa a terra. Ciò blocca efficacemente le interferenze del campo elettromagnetico esterno, proteggendo i circuiti elettronici interni dalle perturbazioni esterne.

• Minimizzare la lunghezza dei cavi esposti: Mantenere tutti i cavi esposti all'interno del telaio il più corti possibile per ridurre la radiazione elettromagnetica e l'interferenza di accoppiamento. Nella progettazione interna dell'EVT, ottimizzare la disposizione e la posizione dei componenti per minimizzare la lunghezza dei cavi esposti.

• Raggruppamento e fasciatura dei cavi: Raggruppare i cavi in base al tipo di segnale (ad esempio, separare le linee digitali e analogiche) e mantenere un'appropriata distanza tra i gruppi. Ciò riduce il crosstalk tra i cavi, migliorando la chiarezza e l'accuratezza del segnale.

• Collegamento con adesivo conduttivo: Utilizzare adesivo conduttivo in tutte le giunzioni dell'interfaccia del telaio per garantire una buona connessione elettrica ed efficienza dello schermo. Ciò riduce la resistenza di contatto e migliora le prestazioni dello schermo.

4 Strategie per migliorare le prestazioni di compatibilità elettromagnetica dei trasformatori elettronici di tensione
4.1 Progettazione anti-interferenza della porta di alimentazione
4.1.1 Installare filtri di alimentazione

Un filtro di alimentazione è un dispositivo efficace per la soppressione delle interferenze elettromagnetiche che può filtrare i rumori ad alta frequenza e i pulsanti transitori nell'alimentazione, garantendo la purezza dell'alimentazione di ingresso. Quando si seleziona un filtro di alimentazione, scegliere il modello e la specifica appropriati in base alla potenza nominale e all'ambiente di lavoro dell'EVT, e assicurarsi che il filtro sia installato vicino all'ingresso di alimentazione per ottenere il miglior effetto di filtraggio.

4.1.2 Adottare una progettazione di alimentazione ridondante

Per migliorare l'affidabilità dell'alimentazione dell'EVT, viene adottata una progettazione di alimentazione ridondante, ovvero vengono configurati due o più moduli di alimentazione. Quando un modulo di alimentazione si guasta, gli altri moduli di alimentazione possono prendere rapidamente in carico il compito di alimentazione per garantire il funzionamento normale dell'EVT. Ciò non solo migliora la capacità anti-interferenza dell'EVT, ma anche la sua stabilità complessiva.

4.1.3 Rafforzare lo schermo e la messa a terra delle linee di alimentazione

Le linee di alimentazione sono uno dei percorsi importanti per la propagazione delle interferenze elettromagnetiche. Per ridurre le interferenze elettromagnetiche sulle linee di alimentazione, vengono utilizzati cavi schermati per avvolgere le linee di alimentazione in uno strato di schermo metallico, riducendo la radiazione e l'accoppiamento delle onde elettromagnetiche. Allo stesso tempo, assicurare una buona messa a terra delle linee di alimentazione, guidando la corrente di interferenza verso terra per evitare danni all'EVT.

4.2 Protezione dai scarichi elettrostatici delle porte di segnale
4.2.1 Installare componenti di assorbimento di disturbi transitori

Componenti di assorbimento di disturbi transitori, come Suppressori di Tensione Transitoria (TVS) e varistori, possono assorbire rapidamente l'energia di scarico durante gli scarichi elettrostatici e controllare la tensione entro un livello sicuro, proteggendo i componenti elettronici interni dell'EVT da danni. Quando si selezionano componenti di assorbimento di disturbi transitori, scegliere il modello e la specifica appropriati in base alle caratteristiche del segnale e all'ambiente di lavoro dell'EVT.

4.2.2 Adottare il metodo di trasmissione differenziale del segnale

Il metodo di trasmissione differenziale del segnale può resistere efficacemente alle interferenze comuni e migliorare la capacità anti-interferenza del segnale. Nella progettazione delle porte di segnale dell'EVT, viene adottato il metodo di trasmissione differenziale, dividendo il segnale in canali positivi e negativi per la trasmissione. L'informazione effettiva viene estratta confrontando le differenze di segnale tra i due canali, migliorando non solo la qualità della trasmissione del segnale, ma anche riducendo l'interferenza degli scarichi elettrostatici sull'EVT.

4.3 Ottimizzazione delle prestazioni di schermo del telaio
4.3.1 Selezionare materiali con alta permeabilità magnetica

La scelta del materiale del telaio è cruciale per l'efficacia dello schermo. Per migliorare la capacità di schermo del campo magnetico del telaio, vengono selezionati materiali con alta permeabilità magnetica, come lastre di ferro, che possono assorbire e disperdere efficacemente l'energia del campo magnetico e ridurre l'interferenza del campo magnetico all'interno dell'EVT. La permeabilità magnetica relativa dei metalli è mostrata nella Tabella 1.

4.3.2 Ottimizzare la progettazione strutturale del telaio

La progettazione strutturale del telaio è anche un fattore importante che influenza l'efficacia dello schermo. Nella progettazione del telaio dell'EVT, viene adottata una struttura schermata completamente chiusa per garantire un buon contatto e messa a terra tra le varie superfici.

4.3.3 Rafforzare il trattamento di messa a terra del telaio

Il trattamento di messa a terra del telaio è cruciale per l'efficacia dello schermo. Nella progettazione del telaio dell'EVT, è necessario assicurare un buon collegamento di messa a terra tra il telaio e la terra, guidando la corrente di interferenza verso la terra.

Essi emettono anche interferenze come armoniche ad alta frequenza e radiazioni elettromagnetiche, influendo su altri dispositivi. La progettazione di questi dispositivi richiede di affrontare queste sfide di interferenza e sensibilità con misure di soppressione e protezione.

5 Conclusione

Questo documento cond