EMC-prestatietests ontwerp en verbetering voor elektronische spanningsoverzetters

1 Overzicht van de EMC-prestaties van elektronische spanningstransformatoren
1.1 Definitie & eisen van EMC

Elektromagnetische compatibiliteit (EMC) verwijst naar de mogelijkheid van een apparaat/systeem om ongestoord te functioneren in een bepaalde elektromagnetische omgeving en om onaanvaardbare elektromagnetische storingen aan andere entiteiten te voorkomen. Voor elektronische spanningstransformatoren vereist EMC stabiele meetprestaties in complexe omstandigheden, zonder andere apparaten te storen. Hun EMC-prestaties moeten worden meegenomen en verzekerd tijdens het ontwerp en de productie.

1.2 Werking

Elektronische spanningstransformatoren maken gebruik van elektromagnetische inductie en hoogprecisie-elektronische meting om hoge-spanningssignalen in energie-systemen om te zetten in lage-spanningssignalen. Ze bestaan doorgaans uit een primaire sensor, een secundaire conversiecircuit en een signaalverwerkingsunit: de primaire sensor transformeert hoge-spanningssignalen in zwakke stroom/spanning die evenredig is met de primaire spanning; het secundaire circuit converteert deze vervolgens naar standaard digitale/analogue signalen; de verwerkingsunit filtert, versterkt en kalibreert de signalen om de meetnauwkeurigheid en stabiliteit te verbeteren. Ze kunnen de spanning, stroom en vermogen van één circuit meten (zie figuur 1), of de spanning/stroom van één/meerdere circuits.

1.3 Analyse van elektromagnetische storingen & gevoeligheid

Elektronische spanningstransformatoren zijn blootgesteld aan elektromagnetische storingen van andere elektrische apparatuur (bijv., blikseminpulsen, tijdelijke overspanningen door schakeloperaties), waardoor de meetprestaties verslechteren (bijv., toename van fouten, onstabiele lezingen).

2 Analyse van elektromagnetische compatibiliteitsprestatietests voor elektronische spanningstransformatoren (EVT)
2.1 Testinhoud en evaluatiecriteria

De test op elektromagnetische compatibiliteitsprestaties van een EVT is een cruciale stap om ervoor te zorgen dat deze stabiel en nauwkeurig werkt in de werkelijke werkomgeving. De test richt zich op het evalueren van de anti-storingcapaciteit van de EVT en de prestaties onder verschillende elektromagnetische storingen. De evaluatiecriteria worden verdeeld in Klasse A en Klasse B, afhankelijk van de ernst van de testresultaten:

• Klasse A: Behoudt normale prestaties binnen de nauwkeurigheidspecificaties. De evaluatie vereist dat wanneer de EVT blootgesteld wordt aan elektromagnetische storingen, de meetnauwkeurigheid binnen de gespecificeerde grenzen blijft. Dit zorgt ervoor dat het uitgaande spanningssignaal overeenkomt met de werkelijke waarde en niet de normale monitoring en controle van het energie-systeem verstoort.

• Klasse B: Staakt tijdelijk de meetprestaties, onafhankelijk van beschermingsfuncties. De criteria staan tijdelijke dalingen in meetprestaties toe onder elektromagnetische storingen, mits ze de normale werking van beschermingsfuncties niet beïnvloeden of een herstart van het apparaat veroorzaken. De uitgaande spanning moet binnen 500 V worden gehouden om onnodige storing of schade aan het energie-systeem te voorkomen.

2.2 Geleide storingtests

Geleide storing verwijst naar elektromagnetische storingen die via geleidende paden (bijv., draden, metalen buizen) worden overgebracht. Voor EVTs is geleide storing een belangrijke uitdaging.

• Elektrische snelle transiënt/burst (EFT/B)-test: Simuleert transiënte storingen van inductieve lasten (bijv., relais, contactors) tijdens schakelen, die doorgaans een breed frequentiespectrum hebben en de werking van de EVT kunnen verstoren. Tijdens de test worden een reeks snelle transiënte burstsignalen toegepast op de EVT, waarna de stabiliteit en nauwkeurigheid van het uitgaande spanningssignaal worden waargenomen om de anti-storingcapaciteit te beoordelen.

• Overslag (impuls)immuniteitstest: Simuleert tijdelijke overspanningen/stromen van schakeloperaties, blikseminslagen, enz. Deze gebeurtenissen dragen hoge energie en korte duur, wat de isolatie en meetnauwkeurigheid van de EVT ernstig beïnvloedt. Tijdens de test worden overslagspanningen toegepast op de EVT om te verifiëren of deze storingen kan weerstaan zonder schade of prestatieverlies.

2.3 Straalinterferentietests

• Netfrequentie magnetisch veld immuniteitstest: Evalueert de prestaties van de EVT in netfrequentie magnetisch veldomgevingen. Door een gecontroleerd netfrequentie magnetisch veld toe te passen, observeert de test de stabiliteit en nauwkeurigheid van het uitgaande spanningssignaal om de anti-storingcapaciteit te beoordelen.

• Gedempt oscillatoir magnetisch veld immuniteitstest: Simuleert gedempte oscillatoire magnetische velden die worden gegenereerd bij het isoleren van schakelaars in hoogspanningsstations op hoogspanningsbusbalken. Deze velden hebben snelle afnamepercentages en hoge frequenties, die potentiële storingen kunnen veroorzaken in de meetnauwkeurigheid van de EVT. Tijdens de test worden gedempte oscillatoire magnetische velden toegepast om te controleren of de EVT stabiele meetprestaties behoudt.

• Puls magnetisch veld immuniteitstest: Simuleert pulsmagnetische velden van blikseminslagen op gebouwen of andere metalen structuren. Deze velden hebben snelle stijgingstijden en hoge piekintensiteiten, wat de isolatie en meetnauwkeurigheid van de EVT bedreigt. Tijdens de test worden pulsmagnetische velden toegepast om te verifiëren of de EVT storingen kan weerstaan zonder schade of prestatieverlies.

• Radiofrequente straling elektromagnetisch veld immuniteitstest: Evalueert de prestaties van de EVT in radiofrequente (RF) stralingsomgevingen (bijv., industriële elektromagnetische bronnen, radiouitzendingen, mobiele communicatiebasisstations). Door gecontroleerde RF-stralingsvelden toe te passen, observeert de test de stabiliteit en nauwkeurigheid van het uitgaande spanningssignaal om de anti-storingcapaciteit te beoordelen.

3 Ontwerpprincipes voor elektromagnetische compatibiliteit van elektronische spanningstransformatoren
3.1 Schakelingontwerpprincipes

• Drijvend grondontwerp: In het schakelingontwerp gebruikt u drijvend grondtechnologie om signaaldraden te isoleren van de behuizing. Dit voorkomt dat storingstroom op de behuizing direct wordt gekoppeld aan het signaal-circuit, waardoor geluidsstoring wordt verminderd en de signaalnauwkeurigheid en -stabiliteit worden verbeterd.

• Rationele bedradingsindeling: Stel voedingsdraden, gronddraden en diverse signaaldraden goed in. Dit is cruciaal voor het minimaliseren van koppelingsstoringen. In het EVT-schakelingontwerp moet er minimaal koppeling tussen draden zijn. Technieken zoals laagbedradingsindeling en orthogonale routing (om parallelle looptochten te voorkomen) verminderen elektromagnetische inductie en capacitive koppeling.

• Filtercondensatorontwerp: Implementeer filtercondensatoren bij de voeding-ingang van modules om storingssignalen die via de voeding binnenkomen, te onderdrukken. Selecteer condensatoren op basis van parameters zoals capaciteit, spanningrating en frequentiekenmerken om effectief hoogfrequente ruis en storingen van de voeding te filteren.

• Lage logica-ontwerp: Vermijd onnodige hoge logicaniveaus om de stroomverbruik van het circuit en de hoogfrequente storingen te verminderen. In het EVT-schakelingontwerp heeft prioriteit lage logica-apparatuur (bijv., 3.3 V apparatuur) om de emissie en ontvangst van hoogfrequente ruis te minimaliseren.

• Stijgings/daalsnelheid-controle: Kies de langzaamste toegestane stijgings- en daalsnelheden (binnen de grenzen van de schakelfuncties) om onnodige hoogfrequente componenten te voorkomen. Dit helpt om de hoogfrequente ruis in het circuit te verminderen en de signaalstabiliteit en -nauwkeurigheid te verbeteren.

3.2 Ontwerpprincipes voor interne structuur

• Volledig afgesloten schilderstructuur: Gebruik een volledig afgesloten schild voor de behuizing, zodat er goed contact is tussen alle oppervlakken en er correcte aarding is. Dit blokkeert effectief externe elektromagnetische veldstoringen en beschermt de interne elektronische circuits tegen externe storingen.

• Minimaliseer de lengte van blootgestelde bedrading: Houd alle blootgestelde draden binnen de behuizing zo kort mogelijk om elektromagnetische straling en koppelingsstoringen te verminderen. In het interne ontwerp van de EVT wordt de indeling en plaatsing van componenten geoptimaliseerd om de lengte van blootgestelde draden te minimaliseren.

• Bedrading groeperen en bundelen: Groepeer draden op basis van signaaltype (bijv., aparte digitale en analoge lijnen) en behoud een gepaste afstand tussen de groepen. Dit vermindert kruispraat tussen draden, waardoor de signaalhelderheid en -nauwkeurigheid verbeteren.

• Conductieve lijmverbinding: Gebruik conductieve lijm op alle behuizinginterface-verbindingen om een goede elektrische verbinding en schilderingeffectiviteit te waarborgen. Dit verlaagt de contactweerstand en verhoogt de prestaties van het schild.

4 Strategieën voor het verbeteren van de elektromagnetische compatibiliteitsprestaties van elektronische spanningstransformatoren
4.1 Anti-storingontwerp van voedingpoort
4.1.1 Installeer voedingfilters

Een voedingfilter is een effectief apparaat voor het onderdrukken van elektromagnetische storingen dat hoogfrequente ruis en tijdelijke pulsen in de voeding kan filteren, waardoor de zuiverheid van de voeding-ingang wordt gewaarborgd. Bij het selecteren van een voedingfilter, kies het juiste filtermodel en specificatie op basis van de nominale vermogen en werkomgeving van de EVT, en zorg ervoor dat het filter dicht bij de voeding-ingang is geïnstalleerd voor de beste filtereffect.

4.1.2 Adopteer redundant voedingontwerp

Om de betrouwbaarheid van de voeding van de EVT te verbeteren, wordt een redundante voedingontwerp geadopteerd, dat wil zeggen, twee of meer voedingmodules worden geconfigureerd. Wanneer één voedingmodule faalt, kunnen andere voedingmodules snel de voedingstaak overnemen om de normale werking van de EVT te waarborgen. Dit verbetert niet alleen de anti-storingcapaciteit van de EVT, maar verhoogt ook de algemene stabiliteit.

4.1.3 Versterk het schilderen en aarden van voedingslijnen

Voedingslijnen zijn een van de belangrijkste paden voor de verspreiding van elektromagnetische storingen. Om elektromagnetische storingen op voedingslijnen te verminderen, worden geschilderde kabels gebruikt om de voedingslijnen in een metaal schildlaag te wikkelen, waardoor de straling en koppeling van elektromagnetische golven wordt verminderd. Tegelijkertijd moet er een goede aarding van de voedingslijnen worden gewaarborgd, waardoor de storingstroom in de grond wordt geleid om schade aan de EVT te voorkomen.

4.2 Elektrostatische ontladingbescherming van signaalpoorten
4.2.1 Installeer tijdelijke storingabsorberende componenten

Tijdelijke storingabsorberende componenten, zoals Transient Voltage Suppressors (TVS) en varistoren, kunnen snel de ontladingsenergie tijdens elektrostatische ontlading absorberen en de spanning binnen een veilig niveau houden, waardoor de interne elektronische componenten van de EVT beschermd worden tegen schade. Bij het selecteren van tijdelijke storingabsorberende componenten, kies het juiste componentmodel en -specificatie op basis van de signaalkarakteristieken en de werkomgeving van de EVT.

4.2.2 Adopteer differentiële signaaltransmissiemethode

De differentiële signaaltransmissiemethode kan effectief gemeenschappelijke modusstoringen weerstaan en de anti-storingcapaciteit van het signaal verbeteren. In het signaalpoortontwerp van de EVT wordt de differentiële signaaltransmissiemethode geadopteerd, waarbij het signaal wordt verdeeld in positieve en negatieve kanalen voor transmissie. Effectieve informatie wordt verkregen door de signaalverschillen tussen de twee kanalen te vergelijken, wat niet alleen de signaaltransmissiekwaliteit verbetert, maar ook de storing van elektrostatische ontlading op de EVT vermindert.

4.3 Optimalisatie van de schildprestaties van de behuizing
4.3.1 Selecteer materialen met hoge magnetische permeabiliteit

De keuze van materiaal voor de behuizing is cruciaal voor de schilderingseffectiviteit. Om de magnetische veldschildering van de behuizing te verbeteren, worden materialen met hoge magnetische permeabiliteit, zoals ijzerplaten, geselecteerd, die effectief magnetisch veldenergie kunnen absorberen en verspreiden en de storing van het magnetisch veld op de binnenkant van de EVT verminderen. De relatieve magnetische permeabiliteit van metalen is weergegeven in tabel 1.

4.3.2 Optimaliseer het ontwerp van de behuizingstructuur

Het ontwerp van de behuizingstructuur is ook een belangrijke factor die de schilderingseffectiviteit beïnvloedt. In het behuizingontwerp van de EVT wordt een volledig afgesloten schilderstructuur geadopteerd om ervoor te zorgen dat er goed contact en aarding is tussen de verschillende oppervlakken.

4.3.3 Versterk het aarden van de behuizing

Het aarden van de behuizing is cruciaal voor de schilderingseffectiviteit. In het behuizingontwerp van de EVT moet er een goede aardeverbinding zijn tussen de behuizing en de grond, waardoor de storingstroom in de grond wordt geleid.

Ze produceren ook storingen zoals hoge-frequente harmonischen en elektromagnetische straling, die andere apparaten beïnvloeden. Het ontwerpen van deze apparaten vereist maatregelen om deze storingen en gevoeligheidsuitdagingen te onderdrukken en te beschermen.

5 Conclusie

In dit artikel wordt diepgaand onderzoek en ontwerp verricht naar de elektromagnetische compatibiliteitsprestaties van elektronische spanningstransformatoren. Er worden een reeks maatregelen voorgesteld, waaronder schakelingontwerpprincipes, principes voor interne structuurontwerp en strategieën voor het verbeteren van elektromagnetische compatibiliteitsprestaties. Het doel is om de anti-storingcapaciteit en stabiliteit van de EVT in complexe elektromagnetische omgevingen te verbeteren, ervoor te zorgen dat deze nauwkeurig en betrouwbaar spanningssignalen in energie-systemen kan meten, en een sterke garantie te bieden voor de veilige en stabiele werking van energie-systemen.