Testes de Desempenho EMC e Melhoria para Transformadores Eletrônicos de Tensão
1 Visão Geral do Desempenho de EMC de Transformadores Eletrônicos de Tensão
1.1 Definição e Requisitos de EMC
Compatibilidade Eletromagnética (EMC) denota a capacidade de um dispositivo/sistema operar sem perturbações em um determinado ambiente eletromagnético e evitar causar interferências eletromagnéticas inaceitáveis a outras entidades. Para transformadores eletrônicos de tensão, a EMC exige desempenho de medição estável em ambientes complexos, sem interferir com outros dispositivos. O desempenho de EMC deve ser considerado e garantido durante o design e a fabricação.
1.2 Princípio de Funcionamento
Transformadores eletrônicos de tensão utilizam indução eletromagnética e medição eletrônica de alta precisão para converter sinais de alta tensão em sistemas de energia em sinais de baixa tensão. Geralmente compreendendo um sensor primário, circuito de conversão secundário e unidade de processamento de sinal: o sensor primário transforma sinais de alta tensão em corrente/tensão fraca proporcional à tensão primária; o circuito secundário converte esses sinais em sinais digitais/análogos padrão; a unidade de processamento filtra, amplifica e calibra os sinais para melhorar a precisão e estabilidade da medição. Eles podem medir a tensão, corrente e potência de um único circuito (como mostrado na Figura 1), ou a tensão/corrente de um ou mais circuitos.
1.3 Análise de Interferência Eletromagnética e Sensibilidade
Transformadores eletrônicos de tensão estão sujeitos a interferências eletromagnéticas de outros equipamentos elétricos (por exemplo, impulsos de raios, sobretensões transitórias de operações de chaveamento), degradando o desempenho de medição (por exemplo, aumento de erros, leituras instáveis).
2 Análise de Testes de Desempenho de Compatibilidade Eletromagnética para Transformadores Eletrônicos de Tensão (EVT)
2.1 Conteúdo do Teste e Critérios de Avaliação
O teste de desempenho de compatibilidade eletromagnética de um EVT é um passo crítico para garantir sua operação estável e precisa em ambientes de trabalho reais. O teste se concentra na avaliação da capacidade anti-interferência do EVT e seu desempenho sob várias perturbações eletromagnéticas. Os critérios de avaliação são divididos em Grau A e Grau B com base na gravidade dos resultados do teste:
Grau A: Mantém o desempenho normal dentro dos limites de especificação de precisão. A avaliação requer que, quando o EVT estiver sujeito a perturbações eletromagnéticas, sua precisão de medição permaneça dentro dos limites especificados. Isso garante que o sinal de tensão de saída corresponda ao valor real e não interrompa o monitoramento e controle normal do sistema de energia.
Grau B: Permite degradação temporária do desempenho de medição não relacionada a funções de proteção. Os critérios permitem declínios temporários no desempenho de medição sob perturbações eletromagnéticas, desde que não afetem a operação normal das funções de proteção ou causem reinicialização/reinício do dispositivo. A tensão de saída deve ser controlada dentro de 500 V para evitar interferências ou danos desnecessários ao sistema de energia.
2.2 Testes de Interferência Conduzida
Interferência conduzida refere-se a perturbações eletromagnéticas transmitidas via caminhos condutivos (por exemplo, fios, tubos metálicos). Para EVTs, a interferência conduzida é um grande desafio.
Teste de Transiente Rápido Elétrico/Burst (EFT/B): Simula perturbações transitórias de cargas indutivas (por exemplo, relés, contatos) durante o chaveamento, que geralmente têm espectros de frequência amplos e podem interromper a operação do EVT. O teste aplica uma série de bursts de transientes rápidos ao EVT, observando a estabilidade e a precisão do sinal de tensão de saída para avaliar a capacidade anti-interferência.
Teste de Imunidade a Surtos (Impulsos): Simula sobretensões/transcorrentes transitórias de operações de chaveamento, descargas atmosféricas, etc. Esses eventos carregam alta energia e durações curtas, impactando severamente a isolação e a precisão de medição do EVT. O teste aplica tensões de surto ao EVT para verificar sua capacidade de suportar perturbações sem danos ou degradação de desempenho.
2.3 Testes de Interferência Radiada
Teste de Imunidade a Campo Magnético de Frequência de Rede: Avalia o desempenho do EVT em ambientes de campo magnético de frequência de rede. Aplicando um campo magnético de frequência de rede controlado, o teste observa a estabilidade e a precisão do sinal de tensão de saída para avaliar a capacidade anti-interferência.
Teste de Imunidade a Campo Magnético Oscilatório Amortecido: Simula campos magnéticos oscilatórios amortecidos gerados quando chaves isolantes em subestações de alta tensão operam em barras de alta tensão. Esses campos têm taxas de decaimento rápidas e frequências altas, potencialmente interrompendo a precisão de medição do EVT. O teste aplica campos magnéticos oscilatórios amortecidos para verificar se o EVT mantém o desempenho de medição estável.
Teste de Imunidade a Campo Magnético Pulsado: Simula campos magnéticos pulsados de descargas atmosféricas em edifícios ou outras estruturas metálicas. Esses campos têm tempos de subida rápidos e intensidades de pico altas, ameaçando a isolação e a precisão de medição do EVT. O teste aplica campos magnéticos pulsados para verificar a capacidade do EVT de suportar perturbações sem danos ou degradação de desempenho.
Teste de Imunidade a Campo Eletromagnético de Radiação de Frequência de Rádio: Avalia o desempenho do EVT em ambientes de radiação de frequência de rádio (por exemplo, fontes eletromagnéticas industriais, transmissões de rádio, estações base de comunicação móvel). Aplicando campos de radiação de RF controlados, o teste observa a estabilidade e a precisão do sinal de tensão de saída para avaliar a capacidade anti-interferência.
3 Princípios de Design para Compatibilidade Eletromagnética de Transformadores Eletrônicos de Tensão
3.1 Princípios de Design de Circuito
Design de Terra Flutuante: No design de circuito, use tecnologia de terra flutuante para isolar as linhas de sinal do chassi. Isso impede que correntes de interferência no chassi acopladas diretamente no circuito de sinal, reduzindo a interferência de ruído e melhorando a precisão e estabilidade do sinal.
Disposição Racional de Fiação: Disponha adequadamente as linhas de alimentação, terra e diversas linhas de sinal - isso é fundamental para minimizar a interferência de acoplamento. No design de circuito do EVT, assegure o mínimo de acoplamento entre as linhas. Métodos como fiação em camadas e roteamento ortogonal (para evitar corridas paralelas) reduzem a indução eletromagnética e o acoplamento capacitivo.
Design de Capacitores Filtro: Implemente capacitores filtro na entrada de alimentação dos módulos para suprimir sinais de interferência que entram pela fonte de alimentação. Selecione capacitores com base em parâmetros como capacitância, tensão nominal e características de frequência para filtrar efetivamente o ruído e a interferência de alta frequência da fonte de alimentação.
Design de Lógica de Baixo Nível: Evite níveis lógicos desnecessariamente altos para reduzir o consumo de energia do circuito e a interferência de alta frequência. No design de circuito do EVT, priorize dispositivos de lógica de baixo nível (por exemplo, dispositivos de 3,3 V) para minimizar a emissão e recepção de ruído de alta frequência.
Controle de Tempo de Subida/Descida: Escolha os tempos de subida e descida mais lentos permitidos (dentro dos limites de função do circuito) para evitar a geração de componentes de alta frequência desnecessários. Isso ajuda a reduzir o ruído de alta frequência no circuito e melhora a estabilidade e a precisão do sinal.
3.2 Princípios de Design de Estrutura Interna
Estrutura de Blindagem Totalmente Fechada: Use uma blindagem totalmente fechada para o chassi, garantindo bom contato entre todas as superfícies e aterramento adequado. Isso bloqueia efetivamente a interferência de campos eletromagnéticos externos, protegendo os circuitos eletrônicos internos de perturbações externas.
Minimizar o Comprimento de Fios Expostos: Mantenha todos os fios expostos dentro do chassi o mais curtos possível para reduzir a radiação eletromagnética e a interferência de acoplamento. No design interno do EVT, otimize a disposição e localização dos componentes para minimizar os comprimentos de fios expostos.
Agrupamento e Empacotamento de Cabos: Agrupe os fios por tipo de sinal (por exemplo, separando linhas digitais e analógicas) e mantenha espaçamento apropriado entre os grupos. Isso reduz a crosstalk entre os fios, melhorando a clareza e a precisão do sinal.
Colagem com Adesivo Condutivo: Use adesivo condutivo em todas as junções de interface do chassi para garantir boa conexão elétrica e eficácia de blindagem. Isso reduz a resistência de contato e melhora o desempenho da blindagem.
4 Estratégias para Melhorar o Desempenho de Compatibilidade Eletromagnética de Transformadores Eletrônicos de Tensão
4.1 Design Anti-Interferência da Porta de Alimentação
4.1.1 Instalar Filtros de Alimentação
Um filtro de alimentação é um dispositivo eficaz de supressão de interferência eletromagnética que pode filtrar ruído de alta frequência e pulsos transitórios na alimentação, garantindo a pureza da entrada de energia. Ao selecionar um filtro de alimentação, escolha o modelo e a especificação apropriados de acordo com a potência nominal e o ambiente de trabalho do EVT, e assegure que o filtro seja instalado próximo à entrada de alimentação para o melhor efeito de filtragem.
4.1.2 Adotar Design de Alimentação Redundante
Para melhorar a confiabilidade da alimentação do EVT, adota-se um design de alimentação redundante, ou seja, configura-se dois ou mais módulos de alimentação. Quando um módulo de alimentação falha, outros módulos podem assumir rapidamente a tarefa de fornecimento de energia para garantir a operação normal do EVT. Isso não apenas melhora a capacidade anti-interferência do EVT, mas também aumenta sua estabilidade geral.
4.1.3 Fortalecer a Blindagem e Aterramento das Linhas de Alimentação
As linhas de alimentação são um dos caminhos importantes para a propagação de interferência eletromagnética. Para reduzir a interferência eletromagnética nas linhas de alimentação, utiliza-se cabos blindados para envolver as linhas de alimentação em uma camada de blindagem metálica, reduzindo a radiação e o acoplamento de ondas eletromagnéticas. Ao mesmo tempo, assegure o bom aterramento das linhas de alimentação, direcionando a corrente de interferência para o solo para evitar danos ao EVT.
4.2 Proteção contra Descarga Eletrostática das Portas de Sinal
4.2.1 Instalar Componentes de Absorção de Perturbações Transitórias
Componentes de absorção de perturbações transitórias, como Supressores de Tensão Transitória (TVS) e varistores, podem absorver rapidamente a energia de descarga durante a descarga eletrostática e controlar a tensão em um nível seguro, protegendo os componentes eletrônicos internos do EVT de danos. Ao selecionar componentes de absorção de perturbações transitórias, escolha o modelo e a especificação apropriados de acordo com as características do sinal e o ambiente de trabalho do EVT.
4.2.2 Adotar Método de Transmissão de Sinal Diferencial
O método de transmissão de sinal diferencial pode resistir efetivamente à interferência de modo comum e melhorar a capacidade anti-interferência do sinal. No design da porta de sinal do EVT, adota-se o método de transmissão de sinal diferencial, dividindo o sinal em canais positivo e negativo para transmissão. A informação efetiva é extraída comparando as diferenças de sinal entre os dois canais, o que não apenas melhora a qualidade da transmissão do sinal, mas também reduz a interferência da descarga eletrostática no EVT.
4.3 Otimização do Desempenho de Blindagem do Chassi
4.3.1 Selecionar Materiais com Alta Permeabilidade Magnética
A seleção do material do chassi é crucial para o efeito de blindagem. Para melhorar a capacidade de blindagem de campo magnético do chassi, selecionam-se materiais com alta permeabilidade magnética, como placas de ferro, que podem absorver e dispersar efetivamente a energia do campo magnético e reduzir a interferência do campo magnético no interior do EVT. A permeabilidade magnética relativa dos metais é mostrada na Tabela 1.
4.3.2 Otimizar o Design Estrutural do Chassi
O design estrutural do chassi também é um fator importante que afeta o efeito de blindagem. No design do chassi do EVT, adota-se uma estrutura de blindagem totalmente fechada para garantir bom contato e aterramento entre as várias superfícies.
4.3.3 Fortalecer o Tratamento de Aterramento do Chassi
O tratamento de aterramento do chassi é crucial para o efeito de blindagem. No design do chassi do EVT, é necessário assegurar uma boa conexão de aterramento entre o chassi e o solo, direcionando a corrente de interferência para o solo.
Eles também emitem interferências como harmônicas de alta frequência e radiação eletromagnética, impactando outros dispositivos. O projeto deles requer abordar esses desafios de interferência e sensibilidade com medidas de supressão e proteção.
5 Conclusão
Este artigo realiza uma pesquisa e design aprofundados sobre o desempenho de compatibilidade eletromagnética de transformadores eletrônicos de tensão. Uma série de medidas é proposta, incluindo princípios de design de circuito, princípios de design de estrutura interna e estratégias de melhoria do desempenho de compatibilidade eletromagnética. O objetivo é melhorar a capacidade anti-interferência e a estabilidade do EVT em ambientes eletromagnéticos complexos, garantindo que ele possa medir sinais de tensão em sistemas de energia de forma precisa e confiável, e fornecer uma forte garantia para a operação segura e estável de sistemas de energia.
