EMC-ytelsesprøver design og forbedring for elektroniske spenningstransformatorer

1 Oversikt over EMC-ytelse for elektroniske spenningsomformere
1.1 Definisjon & krav til EMC

Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) betyr en enhets/systems evne til å operere uten forstyrrelser i et gitt elektromagnetisk miljø og unngå å forårsake uakseptabel elektromagnetisk støy til andre enheter. For elektroniske spenningsomformere krever EMC stabil måleytelse i komplekse miljøer, uten å forstyrre andre enheter. Deres EMC-ytelse må tas hensyn til og sikres under design og produksjon.

1.2 Arbeidsprinsipp

Elektroniske spenningsomformere bruker elektromagnetisk induksjon og høypræcis elektronisk måling for å konvertere høyspenningssignaler i strømsystemer til lavspenningssignaler. De består typisk av en primær sensor, sekundær konverteringssirkuit og signalebehandlingsenhet: den primære sensoren transformerer høyspenningssignaler til svake strøm/spenningsproporsjonale med primærspenningen; sekundærsirkuitet konverterer disse videre til standard digitale/analoge signaler; behandlingsenheten filtrerer, forsterker og kalibrerer signaler for å forbedre målnøyaktighet og stabilitet. De kan måle spenning, strøm og effekt i en enkelt sirkuit (som vist i figur 1), eller spenning/strøm i en eller flere sirkuitter.

1.3 Analyse av elektromagnetisk støy & følsomhet

Elektroniske spenningsomformere er utsatt for elektromagnetisk støy fra andre elektriske utstyr (f.eks. lynimpulser, transiente overvoltage fra brytere), som nedsinker målytelsen (f.eks. økte feil, ustabile lesninger).

2 Analyse av elektromagnetisk kompatibilitet prøves for elektroniske spenningsomformere (EVT)
2.1 Prøveinnhold og vurderingskriterier

Prøven av EVT sin elektromagnetiske kompatibilitet er et kritisk skritt for å sikre dens stabil og nøyaktig drift i reelle arbeidsmiljøer. Prøven fokuserer på å evaluere EVT sin motstandsdyktighet mot forstyrrelser og dens ytelse under ulike elektromagnetiske forstyrrelser. Vurderingskriteriene er delt inn i klasse A og klasse B basert på alvorligheten av prøveresultatene:

• Klasse A: Beholder normal ytelse innenfor nøyaktighetskravene. Vurderingen krever at når EVT er utsatt for elektromagnetiske forstyrrelser, må dens målnøyaktighet forbli innenfor de angitte grensene. Dette sikrer at utgangsspenningsignalet stemmer overens med den faktiske verdien og ikke forstyrrer det normale overvåking og kontroll av strømsystemet.

• Klasse B: Tillater midlertidig nedgang i målytelse som ikke er relatert til beskyttelsesfunksjoner. Kriteriene tillater midlertidige nedganger i målytelse under elektromagnetiske forstyrrelser, så lenge de ikke påvirker den normale drift av beskyttelsesfunksjoner eller forårsaker omstart av enheten. Utgangsspenningsignalet må kontrolleres innenfor 500 V for å unngå unødvendig forstyrrelse eller skade på strømsystemet.

2.2 Konduktiv forstyrrelsprøver

Konduktive forstyrrelser refererer til elektromagnetiske forstyrrelser som overføres via ledende veier (f.eks. kabler, metallrør). For EVTs er konduktive forstyrrelser en stor utfordring.

• Elektrisk hurtig transientes/burst (EFT/B)-prøve: Simulerer transiente forstyrrelser fra induktive laster (f.eks. relæer, kontaktorer) under slår, som typisk har bred frekvensspekter og kan forstyrre EVT-drift. Prøven anvender en serie av hurtige transiente burst til EVT, observerer stabiliteten og nøyaktigheten av dens utgangsspenningsignal for å vurdere motstandsdyktighet mot forstyrrelser.

• Overvoltage (impuls) immunprøve: Simulerer transiente overvoltage/strøm fra brytere, lynnedslag, osv. Disse hendelsene inneholder høy energi og kort varighet, som sterkt påvirker EVT sin isolasjon og målnøyaktighet. Prøven anvender overvoltage til EVT for å verifisere dens evne til å takle forstyrrelser uten skade eller ytelsesnedgang.

2.3 Strålevise forstyrrelsprøver

• Nettfrekvens magnetfelt immunitet prøve: Ender EVT sin ytelse i nettfrekvens magnetfeltmiljø. Ved å anvende et kontrollert nettfrekvens magnetfelt, observerer prøven stabiliteten og nøyaktigheten av utgangsspenningsignalet for å vurdere motstandsdyktighet mot forstyrrelser.

• Dempede oscillerende magnetfelt immunitet prøve: Simulerer dempete oscillerende magnetfelt generert når isoleringsswitcher i høyvoltsanlegg opererer på høyvoltsbussbarer. Disse feltene har rask nedbrytningsrate og høye frekvenser, potensielt forstyrrende EVT målnøyaktighet. Prøven anvender dempete oscillerende magnetfelt for å sjekke om EVT beholder stabil målytelse.

• Pulse magnetfelt immunitet prøve: Simulerer pulsmagnetfelt fra lynnedslag på bygninger eller andre metallkonstruksjoner. Disse feltene har rask stigningstid og høye toppintensiteter, truer EVT sin isolasjon og målnøyaktighet. Prøven anvender pulsmagnetfelt for å verifisere EVT sin evne til å takle forstyrrelser uten skade eller ytelsesnedgang.

• Radiofrekvens stråling elektromagnetisk felt immunitet prøve: Ender EVT sin ytelse i radiofrekvens (RF) strålingmiljø (f.eks. industrielle elektromagnetiske kilder, radioudsendelser, mobilkommunikasjonsbasestasjoner). Ved å anvende kontrollerte RF-strålingfelt, observerer prøven stabiliteten og nøyaktigheten av utgangsspenningsignalet for å vurdere motstandsdyktighet mot forstyrrelser.

3 Designprinsipper for elektromagnetisk kompatibilitet av elektroniske spenningsomformere
3.1 Sirkuitdesignprinsipper

• Flytende jorddesign: I sirkuitdesign brukes flytende jordteknologi for å isolere signallinjer fra kjasse. Dette forhindrer at forstyrrelsesstrømmer på kjassen direkte kobles inn i signalkretsen, reduserer støyforstyrrelser og forbedrer signalkvalitet og stabilitet.

• Rettferdig kablinglayout: Riktig plassering av strømlinjer, jordlinjer og ulike signallinjer – dette er nøkkelen til å minimere kopplingsforstyrrelser. I EVT-sirkuitdesign skal man sikre minimal koppling mellom linjer. Metoder som lagdelte kabler og ortogonale rutinger (for å unngå parallelle løp) reduserer elektromagnetisk induksjon og kapasitiv kopling.

• Filterkondensator-design: Implementer filterkondensatorer ved strøminngangen til moduler for å undertrykke forstyrrelsessignaler som kommer inn via strømforsyningen. Velg kondensatorer basert på parametre som kapasitans, spenningsklasse og frekvensegenskaper for å effektivt filtrere høyfrekvent støy og forstyrrelser fra strømforsyningen.

• Lavt logikknivådesign: Unngå unødvendige høye logikknivåer for å redusere kretsens strømforbruk og høyfrekvent forstyrrelse. I EVT-sirkuitdesign prioriterer man lavt logikknivåenheter (f.eks. 3,3 V-enheter) for å minimere høyfrekvent støyemisjon og mottak.

• Stigning/falltidkontroll: Velg den langsamste tillatte stigning og falltid (innenfor sirkuits funksjonsgrænser) for å unngå å generere unødvendige høyfrekvente komponenter. Dette hjelper med å redusere høyfrekvent støy i sirkuiten og forbedre signalkvalitet og -stabilitet.

3.2 Intern strukturdesignprinsipper

• Fullt lukket skjermstrukturell design: Bruk en fullt lukket skjerm for kjasse, sørg for godt kontakt mellom alle flater og riktig jording. Dette blokkerer effektivt eksterne elektromagnetiske feltforstyrrelser, beskytter interne elektroniske kretser mot eksterne forstyrrelser.

• Minimer lengden av eksponerte ledninger: Hold alle eksponerte ledninger inne i kjassen så kort som mulig for å redusere elektromagnetisk stråling og kopplingsforstyrrelser. I EVT intern design optimaliserer man komponentoppsett og -plassering for å minimere lengden av eksponerte ledninger.

• Kabellgruppering og -binding: Grupper ledninger etter signaltyp (f.eks. separat digitale og analoge linjer) og behold passende avstand mellom grupper. Dette reduserer krysstal mellom ledninger, forbedrer signalklarhet og -nøyaktighet.

• Ledende limbinding: Bruk ledende lim ved alle kjassegrensesnitt for å sikre god elektrisk forbindelse og skjermeffektivitet. Dette senker kontaktmotstand og forbedrer skjermens ytelse.

4 Strategier for å forbedre elektromagnetisk kompatibilitet for elektroniske spenningsomformere
4.1 Motforstyrrelsesdesign av strømpunkt
4.1.1 Installere strømfilter

Et strømfilter er en effektiv elektromagnetisk forstyrrelsesundertrykkende enhet som kan filtrere høyfrekvent støy og transiente pulser i strømforsyningen, og sikre renheten av strøminngangen. Når du velger et strømfilter, velg det riktige filtermodellen og spesifikasjonen basert på den nominerte effekten og arbeidsmiljøet for EVT, og sørg for at filteret er installert nær strøminngangen for best filtreringsverdi.

4.1.2 Adoptere redundant strømforsyning design

For å forbedre strømforsyningens pålitelighet for EVT, adopteres et redundant strømforsyning design, det vil si, to eller flere strømmoduler konfigureres. Når en strømmodul mislykkes, kan andre strømmoduler raskt overtas strømforsyningen for å sikre den normale drift av EVT. Dette forbedrer ikke bare EVT sin motstandsdyktighet mot forstyrrelser, men også dens totale stabilitet.

4.1.3 Styrke skjerming og jording av strømlinjer

Strømlinjer er en av de viktigste veiene for elektromagnetisk forstyrrelsesutbredelse. For å redusere elektromagnetisk forstyrrelse på strømlinjer, brukes skjermede kabler til å omslutte strømlinjene i en metallskjerm, noe som reduserer strålingen og kopplingen av elektromagnetiske bølger. Samtidig må man sørg for god jording av strømlinjene, veilede forstyrrelsesstrøm inn i jorden for å unngå skade på EVT.

4.2 Elektrostatisk avløsning beskyttelse av signalkoblinger
4.2.1 Installere transiente forstyrrelsesabsorberende komponenter

Transiente forstyrrelsesabsorberende komponenter, som Transient Voltage Suppressors (TVS) og varistorer, kan raskt absorbere avløsningsenergien under elektrostatisk avløsning og kontrollere spenningen innenfor et trygt nivå, beskytte interne elektroniske komponenter i EVT fra skade. Når du velger transiente forstyrrelsesabsorberende komponenter, velg den riktige komponentmodellen og spesifikasjonen basert på signalegenskapene og arbeidsmiljøet for EVT.

4.2.2 Adoptere differensialsignalforsendelsesmetode

Differensialsignalforsendelsesmetoden kan effektivt motstå fellesmodusforstyrrelser og forbedre signalmotstandsdyktighet. I signalkoblingsdesignet for EVT, adopteres differensialsignalforsendelsesmetoden, deler signalet inn i positive og negative kanaler for sending. Effektiv informasjon trekkes ut ved å sammenligne signalforskjeller mellom de to kanalene, noe som ikke bare forbedrer signalforsendelseskvaliteten, men også reduserer forstyrrelser av elektrostatisk avløsning på EVT.

4.3 Optimalisering av kjassens skjermytelse
4.3.1 Velge materialer med høy magnetisk permeabilitet

Materialet som kjassen er laget av, er avgjørende for skjermeffekten. For å forbedre kjassens magnetfelt skjermytelse, velges materialer med høy magnetisk permeabilitet, som jernplater, som kan effektivt absorbere og sprede magnetfeltenergi og redusere forstyrrelser av magnetfeltet på innsiden av EVT. Relativ magnetisk permeabilitet for metaller vises i tabell 1.

4.3.2 Optimalisere kjassens strukturdesign

Strukturdesignet for kjassen er også en viktig faktor for skjermytelsen. I kjassedesignet for EVT adopteres et fullt lukket skjermestruktur for å sikre godt kontakt og jording mellom ulike flater.

4.3.3 Styrke kjassens jordbehandling

Jordbehandlingen av kjassen er avgjørende for skjermytelsen. I kjassedesignet for EVT er det nødvendig å sikre en god jordforbindelse mellom kjassen og jorden, veilede forstyrrelsesstrøm inn i jorden.

De emitterer også forstyrrelser som høyfrekvente harmonier og elektromagnetisk stråling, som påvirker andre enheter. Designet av dem krever å håndtere disse forstyrrelsene og følsomhetsutfordringer med undertrykkende og beskyttende tiltak.

5 Konklusjon

Denne artikkelen utfører dypgående forskning og design på elektromagnetisk kompatibilitet for elektroniske spenningsomformere. En rekke tiltak foreslås, inkludert sirkuitdesignprinsipper, interne strukturdesignprinsipper og strategier for å forbedre elektromagnetisk kompatibilitet. Målet er å forbedre EVT sin motstandsdyktighet mot forstyrrelser og stabilitet i komplekse elektromagnetiske miljøer, sikre at den kan presis og pålitelig måle spenningsignaler i strømsystemer, og gi en solid garanti for det sikre og stabile drift av strømsystemer.