EMC-prestandatests design och förbättring för elektroniska spänningsomvandlare

1 Översikt av EMC-prestanda för elektroniska spänningsomvandlare
1.1 Definition & Krav för EMC

Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) betecknar en enhets/systems förmåga att fungera ostraffat i ett givet elektromagnetiskt miljö och undvika att orsaka oacceptabel elektromagnetisk störning till andra entiteter. För elektroniska spänningsomvandlare kräver EMC stabil mätning prestanda i komplexa miljöer utan att störa andra enheter. Deras EMC-prestanda måste beaktas och säkerställas under design och tillverkning.

1.2 Arbetsprincip

Elektroniska spänningsomvandlare använder elektromagnetisk induktion och högprecisionens elektronmätning för att omvandla högspänningsignaler i elkraftsystem till lågspänningsignaler. De består vanligtvis av en primär sensor, sekundär konverteringskrets och signalbehandlingsenhet: den primära sensorn omvandlar högspänningsignaler till svag ström/spänning proportionell till den primära spänningen; den sekundära kretsen konverterar dessa ytterligare till standard digital/analogsignaler; behandlingsenheten filtrerar, förstärker och kalibrerar signaler för att öka mätningens noggrannhet och stabilitеть. De kan mäta spänning, ström och effekt för en enda krets (som visas i figur 1), eller spänning/ström för en/många kretsar.

1.3 Analys av elektromagnetisk störning & känslighet

Elektroniska spänningsomvandlare är utsatta för elektromagnetisk störning från andra elektriska utrustningar (t.ex. blixtnedslag, kortvariga överspänningar vid brytaren), vilket nedsättar mätningens prestanda (t.ex. ökade fel, instabila läsningar).

2 Analys av test av elektromagnetisk kompatibilitetsprestanda för elektroniska spänningsomvandlare (EVT)
2.1 Testinnehåll och utvärderingskriterier

Testet av EVT:s elektromagnetiska kompatibilitetsprestanda är ett viktigt steg för att säkerställa dess stabil och korrekt funktion i verkliga arbetsmiljöer. Testet fokuserar på att utvärdera EVT:s motståndskraft mot störningar och dess prestanda under olika elektromagnetiska störningar. Utvärderingskriterierna delas in i klass A och klass B baserat på allvarligheten av testresultaten:

• Klass A: Upprätthåller normal prestanda inom noggrannhetsgränserna. Utvärderingen kräver att när EVT utsätts för elektromagnetiska störningar, så måste mätningens noggrannhet hållas inom de angivna gränserna. Detta säkerställer att utsignalen matchar det faktiska värdet och inte stör den normala övervakningen och kontrollen av elkraftsystemet.

• Klass B: Tillåter tillfällig nedgång i mätningens prestanda som inte är relaterad till skydds-funktioner. Kriterierna tillåter tillfälliga minskningar i mätningens prestanda under elektromagnetiska störningar, förutsatt att de inte påverkar skydds-funktionernas normala drift eller orsakar återställning/omstart av enheten. Utsignalen måste kontrolleras inom 500 V för att undvika onödig störning eller skada på elkraftsystemet.

2.2 Försända störningstester

Försända störning refererar till elektromagnetiska störningar som sänds via ledande vägar (t.ex. trådar, metallrör). För EVT är försända störningar en stor utmaning.

• Elektrisk snabbtransient/burst (EFT/B)-test: Simulerar transitoriska störningar från induktiva laster (t.ex. reläer, kontaktorer) vid koppling, vilka vanligtvis har bred frekvensspektrum och kan störa EVT:s drift. Testet applicerar en serie snabbtransienta burstar till EVT, observerar stabiliteten och noggrannheten i dess utsignal för att bedöma motståndskraften mot störningar.

• Överslag (impuls) immunitetstest: Simulerar kortvariga överspänningar/strömmar från brytaroperationer, blixtnedslag osv. Dessa händelser bär hög energi och kort varaktighet, vilket påverkar EVT:s isolering och mätningens noggrannhet. Testet applicerar överslags-spänningar till EVT för att verifiera dess förmåga att tåla störningar utan skada eller prestandaförsämring.

2.3 Strålade störningstester

• Nätfrekvens magnetfält immunitetstest: Utvärderar EVT:s prestanda i nätfrekvens magnetfältsmiljöer. Genom att applicera ett kontrollerat nätfrekvens magnetfält, observerar testet stabiliteten och noggrannheten i utsignalen för att bedöma motståndskraften mot störningar.

• Dämpad oscillerande magnetfält immunitetstest: Simulerar dämpade oscillerande magnetfält genererade när isolerande brytare i högspänningsanläggningar opererar på högspänningsbussar. Dessa fält har snabb avtagande hastighet och hög frekvens, vilket potentiellt kan störa EVT:s mätning noggrannhet. Testet applicerar dämpade oscillerande magnetfält för att kontrollera om EVT upprätthåller stabil mätning prestanda.

• Puls magnetfält immunitetstest: Simulerar puls magnetfält från blixtnedslag på byggnader eller andra metallkonstruktioner. Dessa fält har snabb stigande tid och hög toppintensitet, hotar EVT:s isolering och mätning noggrannhet. Testet applicerar puls magnetfält för att verifiera EVT:s förmåga att tåla störningar utan skada eller prestandaförsämring.

• Radiofrekvens strålning elektromagnetiskt fält immunitetstest: Utvärderar EVT:s prestanda i radiofrekvens (RF) strålning miljöer (t.ex. industriella elektromagnetiska källor, radiosändningar, mobilkommunikationsbasstationer). Genom att applicera kontrollerade RF-strålning fält, observerar testet stabiliteten och noggrannheten i utsignalen för att bedöma motståndskraften mot störningar.

3 Designprinciper för elektromagnetisk kompatibilitet för elektroniska spänningsomvandlare
3.1 Kretsdesignprinciper

• Flytande markdesign: I kretsdesign används flytande markteknik för att isolera signallinjer från chassit. Detta förhindrar störningsströmmar på chassit från att direkt kopplas in i signalkretsen, vilket minskar brusstörning och förbättrar signalnoggrannhet och stabilitet.

• Rationell kablageutformning: Korrekt anordna strömlinjer, marklinjer och olika signallinjer - detta är nyckeln till att minimera kopplingsstörning. I EVT-kretsdesign ska koppling mellan linjer vara minimal. Metoder som lagerkablage och ortogonal ruttning (för att undvika parallella körningar) minskar elektromagnetisk induktion och kapacitiv koppling.

• Filterkondensator-design: Implementera filterkondensatorer vid strömförsörjningens ingång till moduler för att undertrycka störningssignaler som kommer in via strömförsörjningen. Välj kondensatorer baserat på parametrar som kapacitans, spänningsklass och frekvenskarakteristika för att effektivt filtrera högfrekventa brus och störningar från strömförsörjningen.

• Lågnivå logikdesign: Undvik onödiga höga logiknivåer för att minska kretsens strömförbrukning och högfrekventa störningar. I EVT-kretsdesign prioriteras lågnivå logikenheter (t.ex. 3.3 V-enheter) för att minimera högfrekventa brusemission och mottagning.

• Stigande/fallande tidkontroll: Välj den långsammaste tillåtna stigande och fallande tiden (inom kretsens funktionsgränser) för att undvika att generera onödiga högfrekventa komponenter. Detta hjälper till att minska högfrekventa brus i kretsen och förbättra signalstabilitet och noggrannhet.

3.2 Inre strukturdesignprinciper

• Fullständigt inkapslad sköldningsstruktur: Använd en fullständigt inkapslad sköld för chassit, se till att alla ytor har bra kontakt och korrekt jordning. Detta blockerar effektivt externa elektromagnetiska fältstörningar, skyddar interna elektroniska kretsar från externa störningar.

• Minimera exponerade kabellängder: Håll alla exponerade trådar inuti chassit så korta som möjligt för att minska elektromagnetisk strålning och kopplingsstörning. I EVT-inre design optimerar du komponentlayout och placering för att minimera exponerade kabellängder.

• Kabelgruppering och bundling: Grupper trådar efter signaltyp (t.ex. separera digitala och analoga linjer) och behåll lämplig avstånd mellan grupper. Detta minskar korsprat mellan trådar, förbättrar signaltydlighet och noggrannhet.

• Ledande limmasskoppling: Använd ledande limmassa vid alla chassi gränssnitt för att säkerställa god elektrisk koppling och sköldningsverkan. Detta minskar kontaktmotstånd och förbättrar sköldens prestanda.

4 Strategier för att förbättra elektromagnetisk kompatibilitetsprestanda för elektroniska spänningsomvandlare
4.1 Motstörsningsdesign av strömförsörjningsport
4.1.1 Installera strömfiltre

Ett strömfilter är en effektiv elektromagnetisk störningssuppressionsenhet som kan filtrera bort högfrekventa brus och transitoriska pulser i strömförsörjningen, vilket garanterar rensningen av ströminmatningen. När du väljer ett strömfilter, välj det lämpliga filtretyp och specifikation enligt EVT:s nominella effekt och arbetsmiljö, och se till att filtret installeras nära ströminlet för bästa filtreringseffekt.

4.1.2 Anta redundant strömförsörjningsdesign

För att förbättra strömförsörjningens tillförlitlighet hos EVT, antas en redundant strömförsörjningsdesign, det vill säga, två eller flera strömförsörjningsmoduler konfigureras. När en strömförsörjningsmodul misslyckas, kan andra strömförsörjningsmoduler snabbt ta över strömförsörjningsuppgiften för att säkerställa EVT:s normala drift. Detta förbättrar inte bara EVT:s motståndskraft mot störningar, utan förbättrar också dess totala stabilitet.

4.1.3 Förstärk sköldning och jordning av strömlinjer

Strömlinjer är en av de viktigaste vägarna för spridning av elektromagnetisk störning. För att minska elektromagnetisk störning på strömlinjer, används sköldade kabler för att omsluta strömlinjer med en metallsköld, vilket minskar strålningen och kopplingen av elektromagnetiska vågor. Samtidigt se till att strömlinjerna har god jordning, leda störningsströmmen in i marken för att undvika skada på EVT.

4.2 Elektrostatisk avlastningsskydd av signalporter
4.2.1 Installera transitoriska störning absorberande komponenter

Transitoriska störning absorberande komponenter, som Transient Voltage Suppressors (TVS) och varistorer, kan snabbt absorbera avlastningsenergin under elektrostatisk avlastning och kontrollera spänningen inom ett säkert nivå, skydda de interna elektroniska komponenterna i EVT från skada. När du väljer transitoriska störning absorberande komponenter, välj den lämpliga komponenttyp och specifikation enligt signalens egenskaper och arbetsmiljö för EVT.

4.2.2 Anta differentiell signalöverföringsmetod

Differentiell signalöverföringsmetoden kan effektivt motstå gemensam-läge störning och förbättra signalens motståndskraft mot störningar. I signalportdesignen för EVT antas differentiell signalöverföringsmetoden, där signalen delas upp i positiva och negativa kanaler för överföring. Effektiv information extraheras genom att jämföra signal skillnaderna mellan de två kanalerna, vilket inte bara förbättrar signalöverföringskvaliteten, men också minskar störningen av elektrostatisk avlastning på EVT.

4.3 Optimering av chassisköldningsprestanda
4.3.1 Välj material med hög magnetisk permeabilitet

Materialvalet för chassit är avgörande för sköldningseffekten. För att förbättra chassits magnetfältssköldning förmåga, väljs material med hög magnetisk permeabilitet, som järnplåtar, vilket kan effektivt absorbera och sprida magnetfältenergi och minska störningen av magnetfältet på insidan av EVT. Relativ magnetisk permeabilitet för metaller visas i tabell 1.

4.3.2 Optimering av chassistrukturdesign

Chassistrukturdesignen är också en viktig faktor som påverkar sköldningseffekten. I chassidesignen för EVT antas en fullständigt inkapslad sköldningsstruktur för att säkerställa god kontakt och jordning mellan olika ytor.

4.3.3 Förstärk chassijordning

Jordning av chassit är avgörande för sköldningseffekten. I chassidesignen för EVT måste man se till att det finns en god jordningskoppling mellan chassit och mark, leda störningsströmmen in i marken.

De utstrålar också störningar som högfrekventa harmoniska och elektromagnetisk strålning, vilket påverkar andra enheter. Vid design av dem krävs det att hantera dessa störningar och känslighetsutmaningar med undertryckande och skyddande åtgärder.

5 Slutsats

I denna artikel utförs djupgående forskning och design av elektromagnetisk kompatibilitetsprestanda för elektroniska spänningsomvandlare. En rad åtgärder föreslås, inklusive kretsdesignprinciper, inre strukturdesignprinciper och strategier för förbättring av elektromagnetisk kompatibilitetsprestanda. Målet är att förbättra EVT:s motståndskraft och stabilitet i komplexa elektromagnetiska miljöer, säkerställa att den kan mäta spänningsignaler korrekt och pålitligt i elkraftsystem, och ge starkt garant för elkraftsystemens säkra och stabila drift.