Dizajn i unapređenje ispitivanja performansi EMC za elektronske transformatori napona

1 Pregled performansi EMC elektronskih naponskih transformatora
1.1 Definicija i zahtevi za EMC

Elektromagnetska kompatibilnost (EMC) označava sposobnost uređaja/sistema da funkcioniše neometano u datom elektromagnetskom okruženju i da izbegne neprihvatljivu elektromagnetsku interferenciju prema drugim entitetima. Za elektronske naponske transformatore, EMC zahteva stabilnu merdevinu u složenim uslovima, bez ometanja drugih uređaja. Njihova performansa EMC mora biti uzeta u obzir i osigurana tokom dizajna i proizvodnje.

1.2 Načelo rada

Elektronski naponski transformatori koriste elektromagnetsku indukciju i visokopreciznu elektronsku merdevinu kako bi pretvorili visokonaponske signale u sistemu snage u niskonaponske. Obično se sastoje od primarnog senzora, sekundarnog konverzijskog kruga i jedinice za obradu signala: primarni senzor pretvara visokonaponske signale u slabe struje/napone proporcionalne primarnom naponu; sekundarni krug dalje pretvara ove u standardne digitalne/analogne signale; jedinica za obradu filtrira, pojačava i kalibra signale kako bi se poboljšala preciznost i stabilnost mere. Oni mogu meriti napon, struju i snagu jednog kruga (kao što je prikazano na Slici 1), ili napon/struju jednog/više krugova.

1.3 Analiza elektromagnetske interferencije i osetljivosti

Elektronski naponski transformatori su podložni elektromagnetskoj interferenciji od drugih električnih uređaja (npr., impulsima od munje, privremenim prekomernim naponima od operacija prekidača), čime se degradira merdevina (npr., povećani grešci, nestabilni čitavi).

2 Analiza testova performanse elektromagnetske kompatibilnosti elektronskih naponskih transformatora (EVT)
2.1 Sadržaj testa i kriterijumi procene

Testiranje performanse elektromagnetske kompatibilnosti EVT-a jeste ključan korak za osiguranje njegovog stabilnog i tačnog rada u stvarnim radnim okruženjima. Test se fokusira na procenu sposobnosti EVT-a da odbija interferenciju i njegovu performansu pod različitim elektromagnetskim ometanjima. Kriterijumi procene su podeljeni u kategorije A i B na osnovu težine rezultata testa:

• Kategorija A: Održava normalnu performansu unutar granica tačnosti specificacije. Procena zahteva da kada EVT bude izložen elektromagnetskim ometanjima, njegova tačnost mere ostane unutar predviđenih granica. To osigurava da izlazni naponski signal odgovara stvarnoj vrednosti i ne ometa normalno nadgledanje i kontrolu sistema snage.

• Kategorija B: Dozvoljava privremeno smanjenje performanse mere koja nije vezana za funkcije zaštite. Kriterijumi dozvoljavaju privremeno smanjenje performanse mere pod elektromagnetskim ometanjima, pod uslovom da to ne utiče na normalnu funkciju zaštite ili ne dovodi do resetovanja/restartovanja uređaja. Izlazni napon mora biti kontrolisan unutar 500 V kako bi se izbegla nepotrebnost interferencije ili oštećenje sistema snage.

2.2 Testovi provodne interferencije

Provodna interferencija odnosi se na elektromagnetska ometanja prenesena putem provodnih puteva (npr., žice, metalne cevi). Za EVT-ove, provodna interferencija je veliki izazov.

• Test brzih promenljivih transijenata/burst (EFT/B): Simulira privremena ometanja od induktivnih opterećenja (npr., releja, kontaktora) tokom preklapanja, koji tipično imaju širok spektar frekvencija i mogu ometati rad EVT-a. Test primenjuje seriju brzih bursta na EVT, posmatrajući stabilnost i tačnost izlaznog naponskog signala kako bi se ocenila sposobnost odbijanja interferencije.

• Test otpornosti na talas (impuls): Simulira privremene prekomerne napone/struje od operacija prekidača, udara munje, itd. Ovi događaji nose visoku energiju i kratke trajanje, te značajno utiču na izolaciju i tačnost mera EVT-a. Test primenjuje talasne napone na EVT kako bi se verifikovala njegova sposobnost da izdrži ometanja bez oštećenja ili smanjenja performanse.

2.3 Testovi radijalne interferencije

• Test otpornosti na magnetsko polje snage: Oceni performansu EVT-a u okruženjima sa magnetskim poljem snage. Primjenom kontrolisanog magnetskog polja snage, test posmatra stabilnost i tačnost izlaznog naponskog signala kako bi se ocenila sposobnost odbijanja interferencije.

• Test otpornosti na prigušeno oscilatorno magnetsko polje: Simulira prigušena oscilatorna magnetska polja generisana kada se izolacioni prekidači u visokonaponskim transformatornim stanici operiraju na visokonaponskim busbarovima. Ova polja imaju brze stopa padanja i visoke frekvencije, potencijalno ometajući tačnost mera EVT-a. Test primenjuje prigušena oscilatorna magnetska polja kako bi se proverilo da li EVT održava stabilnu merdevinu.

• Test otpornosti na pulsni magnetski polje: Simulira pulsna magnetska polja od udara munje na zgrade ili druge metalne strukture. Ova polja imaju brze vreme porasta i visoke vrhunske intenzitete, prijeti izolaciji i tačnosti mera EVT-a. Test primenjuje pulsna magnetska polja kako bi se verifikovala sposobnost EVT-a da izdrži ometanja bez oštećenja ili smanjenja performanse.

• Test otpornosti na radiofrekvencijsko radijalno elektromagnetsko polje: Oceni performansu EVT-a u okruženjima sa radiofrekvencijskim (RF) radijalnim elektromagnetskim poljima (npr., industrijske elektromagnetske izvore, radijske emitere, mobilne komunikacijske bazne stanice). Primjenom kontrolisanih RF radijalnih polja, test posmatra stabilnost i tačnost izlaznog naponskog signala kako bi se ocenila sposobnost odbijanja interferencije.

3 Principi dizajna elektromagnetske kompatibilnosti elektronskih naponskih transformatora
3.1 Principi dizajna krugova

• Dizajn plavajuće zemlje: U dizajnu krugova, koristite tehnologiju plavajuće zemlje kako bi izolovali signalline od kućišta. To sprečava interferentne struje na kućištu da direktno kuple u signalkrug, smanjujući šumsku interferenciju i poboljšavajući tačnost i stabilnost signala.

• Racionalna raspored žica: Pravilno rasporedite linije struje, zemlje i različite signallinije - to je ključno za minimiziranje kuple interferencije. U dizajnu EVT krugova, osigurajte minimalnu kuple medju linijama. Metode kao što su slojevita žičana rasporeda i ortogonalna ruta (da se izbegne paralelni hod) smanjuju elektromagnetsku indukciju i kapacitivnu kuple.

• Dizajn filter kapacitiva: Implementirajte filter kapacitive na ulazu struje modula kako bi se suzbile interferentne signale koje unose preko strujne linije. Izaberite kapacitive na osnovu parametara kao što su kapacitet, naponska karakteristika i frekvencijske karakteristike kako bi efikasno filtrirali visokofrekventne šume i interferencije iz strujne linije.

• Nizkonivo logički dizajn: Izbegavajte neophodne visoke logičke nivoa kako bi smanjili potrošnju struje kruga i visokofrekventnu interferenciju. U dizajnu EVT krugova, prioritet dajte nizkonivo logičkim uređajima (npr., 3.3 V uređaji) kako bi se smanjila emisija i prijem visokofrekventne šume.

• Kontrola vremena porasta/pada: Izaberite najsporije dopušteno vreme porasta/pada (unutar granica funkcije kruga) kako bi se izbegla generisanje neophodnih visokofrekventnih komponenti. To pomaže u smanjenju visokofrekventne šume u krugu i poboljšavanju stabilnosti i tačnosti signala.

3.2 Principi dizajna interne strukture

• Potpuno zatvorena štitna struktura: Koristite potpuno zatvoreni štit za kućište, osiguravajući dobro kontaktiranje svih površina i pravilnu zemlju. To efikasno blokira vanjska elektromagnetska polja, štiti interne elektronske krugove od vanjskih ometanja.

• Minimizirajte dužinu izloženih žica: Držite sve izložene žice unutar kućišta što kraće moguće kako bi se smanjila elektromagnetska radijacije i kuple interferencije. U internom dizajnu EVT, optimizujte raspored i položaj komponenata kako bi se smanjila dužina izloženih žica.

• Grupisanje i spajanje kabela: Grupišite žice prema tipu signala (npr., odvojite digitalne i analogni kanali) i održavajte odgovarajuće razmak između grupa. To smanjuje kros-tlk između žica, poboljšavajući jasnoću i tačnost signala.

• Prijepna lepljiva veza: Koristite prijepnu lepljivu materiju na svim spojevima kućišta kako bi se osigurala dobra električna veza i učinkovitost štita. To smanjuje kontaktni otpor i poboljšava performanse štita.

4 Strategije za poboljšanje performanse elektromagnetske kompatibilnosti elektronskih naponskih transformatora
4.1 Antinterferentni dizajn strujnog porta
4.1.1 Instalirajte strujne filtre

Strujni filter je efikasan uređaj za suzbijanje elektromagnetske interferencije koji može filtrirati visokofrekventne šume i privremene impulse u strujnoj liniji, osiguravajući čistoću strujnog unosa. Pri izboru strujnog filtera, izaberite odgovarajući model i specifikaciju filtera prema nominalnoj snazi i radnom okruženju EVT-a, i osigurajte da je filter instaliran blizu strujnog ulaza za najbolji efekat filtriranja.

4.1.2 Usvojite dizajn redundante strujne linije

Da bi se poboljšala pouzdanost strujne linije EVT-a, usvojen je dizajn redundante strujne linije, to jest, konfigurisano je dva ili više strujnih modula. Kada jedan strujni modul ne radi, drugi strujni moduli mogu brzo preuzeti zadatak strujne linije kako bi se osigurala normalna operacija EVT-a. Ovo ne samo što poboljšava antinterferentnu sposobnost EVT-a, već i njegovu opštu stabilnost.

4.1.3 Jačanje štitnog i zemljačkog tretmana strujnih linija

Strujne linije su jedan od važnih puteva za širenje elektromagnetske interferencije. Da bi se smanjila elektromagnetska interferencija na strujnim linijama, koriste se štitne kablovi za obavljanje strujnih linija u metalnu štitnu sloj, smanjujući radijaciju i kuple elektromagnetskih talasa. U isto vreme, osigurajte dobru zemlju strujnih linija, upucujući interferentne struje u zemlju kako bi se izbeglo oštećenje EVT-a.

4.2 Zaštita od elektrostatičkog ispuštanja signala portova
4.2.1 Instalirajte komponente za apsorbiranje privremenih ometanja

Komponente za apsorbiranje privremenih ometanja, poput Transient Voltage Suppressors (TVS) i varistora, mogu brzo apsorbirati ispuštanu energiju tokom elektrostatičkog ispuštanja i kontrolirati napon na sigurnoj razini, štitići interne elektronske komponente EVT-a od oštećenja. Pri izboru komponenti za apsorbiranje privremenih ometanja, izaberite odgovarajući model i specifikaciju komponente prema karakteristikama signala i radnom okruženju EVT-a.

4.2.2 Usvojite metod diferencijalne signala prenose

Metod diferencijalne signala prenose može efikasno odbiti zajedničku-modnu interferenciju i poboljšati antinterferentnu sposobnost signala. U dizajnu signala portova EVT-a, usvojen je metod diferencijalne signala prenose, deli signale na pozitivan i negativan kanal za prenos. Efektivne informacije se ekstrahuju upoređivanjem razlike signala između dva kanala, što ne samo što poboljšava kvalitet prenosa signala, već i smanjuje interferenciju elektrostatičkog ispuštanja na EVT-u.

4.3 Optimalizacija performanse štitnog kućišta
4.3.1 Izaberite materijale sa visokom magnetno-permeabilnošću

Izbor materijala za kućište je ključan za efekt štita. Da bi se poboljšala sposobnost štita kućišta za magnetsko polje, izabrani su materijali sa visokom magnetno-permeabilnošću, kao što su gvozdeni ploči, koji efikasno apsorbiraju i disperziraju energiju magnetskog polja i smanjuju interferenciju magnetskog polja unutrašnjosti EVT-a. Relativna magnetna permeabilnost metala prikazana je u Tabeli 1.

4.3.2 Optimalizacija strukture kućišta

Strukturni dizajn kućišta je takođe važan faktor koji utiče na efekt štita. U dizajnu kućišta EVT-a, usvojena je potpuno zatvorena štitna struktura kako bi se osiguralo dobro kontaktiranje i zemlja između različitih površina.

4.3.3 Jačanje zemljačkog tretmana kućišta

Zemljački tretman kućišta je ključan za efekt štita. U dizajnu kućišta EVT-a, neophodno je osigurati dobru zemljačku vezu između kućišta i zemlje, upucujući interferentne struje u zemlju.

Oni takođe emituju interferenciju kao visokofrekventne harmonije i elektromagnetsku radijaciju, utičući na druge uređaje. Dizajniranje ih zahteva rešavanje ovih interferencija i osetljivosti sa suzbijanjem i zaštitnim merama.

5 Zaključak

Ovaj rad provede duboko istraživanje i dizajn performanse elektromagnetske kompatibilnosti elektronskih naponskih transformatora. Predložen je niz meri, uključujući principe dizajna krugova, principe dizajna interne strukture i strategije za poboljšanje performanse elektromagnetske kompatibilnosti. Cilj je poboljšati antinterferentnu sposobnost i stabilnost EVT-a u složenim elektromagnetskim okruženjima, osiguravajući da oni mogu tačno i pouzdano meriti naponske signale u sistemima snage, pružajući snažnu garantiju za sigurnu i stabilnu operaciju sistema snage.