การออกแบบและปรับปรุงการทดสอบประสิทธิภาพ EMC สำหรับหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์

1 ภาพรวมของประสิทธิภาพ EMC ของทรานส์ฟอร์มเมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์
1.1 คำนิยามและข้อกำหนดของ EMC

ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) หมายถึง ความสามารถของอุปกรณ์/ระบบในการทำงานอย่างไม่รบกวนในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าที่กำหนด และหลีกเลี่ยงการสร้างการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ยอมรับได้ต่อหน่วยงานอื่นๆ สำหรับทรานส์ฟอร์มเมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ EMC ต้องการประสิทธิภาพการวัดที่เสถียรในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อน โดยไม่รบกวนอุปกรณ์อื่นๆ ประสิทธิภาพ EMC ต้องได้รับการพิจารณาและรับรองในระหว่างการออกแบบและการผลิต

1.2 หลักการทำงาน

ทรานส์ฟอร์มเมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและการวัดอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความแม่นยำสูงในการแปลงสัญญาณแรงดันไฟฟ้าสูงในระบบพลังงานเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้าต่ำ มักประกอบด้วยเซ็นเซอร์หลักวงจรแปลงสองชั้นและหน่วยประมวลผลสัญญาณ: เซ็นเซอร์หลักแปลงสัญญาณแรงดันไฟฟ้าสูงเป็นกระแส/แรงดันไฟฟ้าอ่อนที่สมบูรณ์ตามแรงดันไฟฟ้าหลัก; วงจรสองชั้นแปลงสัญญาณเหล่านี้เป็นสัญญาณดิจิตอล/อนาล็อกมาตรฐาน; หน่วยประมวลผลกรองขยายและปรับเทียบสัญญาณเพื่อเพิ่มความแม่นยำและความเสถียรของการวัด สามารถวัดแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และกำลังของวงจรเดียว (ดังแสดงในรูปที่ 1) หรือแรงดันไฟฟ้า/กระแสไฟฟ้าของวงจรเดียว/หลายวงจร

1.3 การวิเคราะห์การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าและความไว

ทรานส์ฟอร์มเมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์อาจถูกกระทบจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ (เช่น แรงดันไฟฟ้าช็อตจากฟ้าผ่า การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะจากการทำงานสวิตช์) ทำให้ประสิทธิภาพการวัดลดลง (เช่น ความคลาดเคลื่อนเพิ่มขึ้น การอ่านค่าไม่เสถียร)

2 การวิเคราะห์ทดสอบประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของทรานส์ฟอร์มเมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ (EVT)
2.1 เนื้อหาการทดสอบและเกณฑ์การประเมิน

การทดสอบประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของ EVT เป็นขั้นตอนสำคัญในการรับรองการดำเนินงานที่เสถียรและแม่นยำในสภาพแวดล้อมการทำงานจริง การทดสอบเน้นการประเมินความสามารถในการต้านทานการรบกวนและความสามารถในการทำงานภายใต้การรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าต่างๆ เกณฑ์การประเมินแบ่งออกเป็นระดับ A และระดับ B ตามความรุนแรงของผลการทดสอบ:

• ระดับ A: รักษาประสิทธิภาพการวัดภายในขอบเขตที่กำหนด การประเมินต้องการว่าเมื่อ EVT ถูกกระทบจากการรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า ความแม่นยำในการวัดต้องอยู่ภายในขอบเขตที่กำหนด เพื่อรับประกันว่าสัญญาณแรงดันไฟฟ้าขาออกตรงกับค่าจริงและไม่รบกวนการตรวจสอบและควบคุมระบบพลังงานอย่างปกติ

• ระดับ B: อนุญาตให้มีการลดลงชั่วคราวของประสิทธิภาพการวัดที่ไม่เกี่ยวข้องกับฟังก์ชันป้องกัน เกณฑ์อนุญาตให้มีการลดลงชั่วคราวของประสิทธิภาพการวัดภายใต้การรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าโดยไม่กระทบต่อการทำงานปกติของฟังก์ชันป้องกันหรือทำให้อุปกรณ์รีเซ็ต/เริ่มต้นใหม่ สัญญาณแรงดันไฟฟ้าขาออกต้องควบคุมอยู่ในช่วง 500 V เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนหรือความเสียหายที่ไม่จำเป็นต่อระบบพลังงาน

2.2 การทดสอบการรบกวนทางนำ

การรบกวนทางนำหมายถึง การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกส่งผ่านทางสายนำ (เช่น สายไฟ ท่อโลหะ) สำหรับ EVT การรบกวนทางนำเป็นความท้าทายหลัก

• การทดสอบ Electrical Fast Transient/Burst (EFT/B): จำลองการรบกวนชั่วขณะจากโหลดเหนี่ยวนำ (เช่น รีเลย์ คอนแทคเตอร์) ในระหว่างการสลับ ซึ่งมักมีสเปกตรัมความถี่กว้างและสามารถรบกวนการทำงานของ EVT การทดสอบใช้ชุดของ fast transient bursts ไปยัง EVT แล้วสังเกตความเสถียรและความแม่นยำของสัญญาณแรงดันไฟฟ้าขาออกเพื่อประเมินความสามารถในการต้านทานการรบกวน

• การทดสอบความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ (Surge Immunity Test): จำลองแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะ/กระแสไฟฟ้าจากการทำงานสวิตช์ การฟ้าผ่า ฯลฯ เหตุการณ์เหล่านี้มีพลังงานสูงและระยะเวลาสั้น กระทบต่อฉนวนและประสิทธิภาพการวัดของ EVT การทดสอบใช้แรงดันไฟฟ้าชั่วขณะไปยัง EVT เพื่อยืนยันความสามารถในการทนทานต่อการรบกวนโดยไม่เสียหายหรือลดประสิทธิภาพ

2.3 การทดสอบการรบกวนทางกระจาย

• การทดสอบความทนทานต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่กำลัง: ประเมินประสิทธิภาพของ EVT ในสภาพแวดล้อมสนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่กำลัง โดยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่กำลังที่ควบคุม แล้วสังเกตความเสถียรและความแม่นยำของสัญญาณแรงดันไฟฟ้าขาออกเพื่อประเมินความสามารถในการต้านทานการรบกวน

• การทดสอบความทนทานต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการแกว่งซึ่งมีการ затухание: จำลองสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการแกว่งซึ่งมีการ затухание ที่เกิดขึ้นเมื่อสวิตช์แยกในสถานีไฟฟ้าแรงสูงทำงานบนบัสบาร์แรงสูง สนามเหล่านี้มีอัตราการ затуханиеที่รวดเร็วและความถี่สูง อาจรบกวนความแม่นยำในการวัดของ EVT การทดสอบใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการแกว่งซึ่งมีการ затухание เพื่อตรวจสอบว่า EVT สามารถรักษาประสิทธิภาพการวัดที่เสถียรได้หรือไม่

• การทดสอบความทนทานต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบพัลส์: จำลองสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบพัลส์จากการฟ้าผ่าบนอาคารหรือโครงสร้างโลหะอื่น ๆ สนามเหล่านี้มีเวลาขึ้นสูงอย่างรวดเร็วและความเข้มสูงสุดสูง คุกคามฉนวนและประสิทธิภาพการวัดของ EVT การทดสอบใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบพัลส์ เพื่อยืนยันความสามารถในการทนทานต่อการรบกวนโดยไม่เสียหายหรือลดประสิทธิภาพ

• การทดสอบความทนทานต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบกระจายความถี่วิทยุ: ประเมินประสิทธิภาพของ EVT ในสภาพแวดล้อมสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบกระจายความถี่วิทยุ (เช่น แหล่งแม่เหล็กไฟฟ้าอุตสาหกรรม สถานีกระจายเสียงวิทยุ สถานีฐานสื่อสารมือถือ) โดยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบกระจายความถี่วิทยุที่ควบคุม แล้วสังเกตความเสถียรและความแม่นยำของสัญญาณแรงดันไฟฟ้าขาออกเพื่อประเมินความสามารถในการต้านทานการรบกวน

3 หลักการการออกแบบความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของทรานส์ฟอร์มเมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์
3.1 หลักการการออกแบบวงจร

• การออกแบบ Ground Floating: ในการออกแบบวงจร ใช้เทคโนโลยี Ground Floating เพื่อแยกสัญญาณจากแชสซี ป้องกันการรบกวนจากกระแสไฟฟ้าบนแชสซีไม่ให้ส่งผ่านเข้าสู่วงจรสัญญาณ ลดการรบกวนและเพิ่มความแม่นยำและความเสถียรของสัญญาณ

• การวางสายไฟอย่างเหมาะสม: จัดวางสายไฟแรงดัน สาย Ground และสายสัญญาณต่างๆ อย่างเหมาะสม ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการลดการรบกวนจากสัญญาณ ในการออกแบบวงจร EVT ควรลดการรบกวนระหว่างสายไฟ ใช้วิธีการวางสายแบบ Layered และ Orthogonal Routing (หลีกเลี่ยงการวางสายขนาน) เพื่อลดการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าและการรบกวนจาก Capacitive Coupling

• การออกแบบ Capacitor Filter: ใช้ Capacitor Filter ที่ทางเข้าพลังงานของโมดูลเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนที่เข้ามาทางแหล่งพลังงาน เลือก Capacitor ตามพารามิเตอร์ เช่น ความจุ แรงดัน และคุณสมบัติความถี่ เพื่อกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงจากแหล่งพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

• การออกแบบ Logic Level ต่ำ: หลีกเลี่ยงการใช้ Logic Level สูงที่ไม่จำเป็น เพื่อลดการบริโภคพลังงานและการรบกวนความถี่สูง ในการออกแบบวงจร EVT ควรเลือกใช้อุปกรณ์ Logic Level ต่ำ (เช่น อุปกรณ์ 3.3 V) เพื่อลดการปล่อยและรับสัญญาณรบกวนความถี่สูง

• การควบคุม Rise/Fall Time: เลือกใช้ Rise/Fall Time ที่ช้าที่สุดที่สามารถทำได้ (ภายในขอบเขตการทำงานของวงจร) เพื่อหลีกเลี่ยงการสร้างส่วนประกอบความถี่สูงที่ไม่จำเป็น ช่วยลดสัญญาณรบกวนความถี่สูงในวงจรและเพิ่มความเสถียรและความแม่นยำของสัญญาณ

3.2 หลักการการออกแบบโครงสร้างภายใน

• โครงสร้าง Shielding แบบปิดสนิท: ใช้โครงสร้าง Shielding แบบปิดสนิทสำหรับแชสซี รับประกันการติดต่อที่ดีระหว่างพื้นผิวทั้งหมดและการ Grounding ที่เหมาะสม สามารถป้องกันการรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอก ปกป้องวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายในจากความรบกวนภายนอก

• ลดความยาวของสายไฟที่เปิดเผย: รักษาความยาวของสายไฟที่เปิดเผยภายในแชสซีให้สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพื่อลดการแผ่รังสีและรบกวนจากการเหนี่ยวนำ ในการออกแบบภายในของ EVT ควรปรับปรุงการวางตำแหน่งและจัดวางคอมโพเนนต์เพื่อลดความยาวของสายไฟที่เปิดเผย

• การจัดกลุ่มและรวมสายไฟ: จัดกลุ่มสายไฟตามประเภทของสัญญาณ (เช่น แยกสายสัญญาณดิจิตอลและอนาล็อก) และรักษาระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างกลุ่ม เพื่อลดการรบกวนระหว่างสายไฟ เพิ่มความชัดเจนและความแม่นยำของสัญญาณ

• การเชื่อมต่อโดยใช้ Conductive Adhesive: ใช้ Conductive Adhesive ที่จุดต่อของแชสซีเพื่อรับประกันการติดต่อทางไฟฟ้าที่ดีและการ Shielding ที่มีประสิทธิภาพ ลดความต้านทานการติดต่อและเพิ่มประสิทธิภาพของ Shield

4 กลยุทธ์ในการปรับปรุงประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของทรานส์ฟอร์มเมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์
4.1 การออกแบบป้องกันการรบกวนที่พอร์ตพลังงาน
4.1.1 ติดตั้ง Power Filters

Power Filter เป็นอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพในการยับยั้งการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า สามารถกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูงและพัลส์ชั่วขณะในแหล่งพลังงาน รับประกันความสะอาดของพลังงานที่เข้ามา เมื่อเลือก Power Filter ควรเลือกแบบและสเปกที่เหมาะสมตามกำลังไฟฟ้าที่กำหนดและสภาพแวดล้อมการทำงานของ EVT และติดตั้ง Power Filter ใกล้กับทางเข้าพลังงานเพื่อให้ได้ผลกรองที่ดีที่สุด

4.1.2 ใช้การออกแบบแหล่งพลังงานแบบ Redundant

เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของแหล่งพลังงานของ EVT ใช้การออกแบบแหล่งพลังงานแบบ Redundant คือ การตั้งค่าโมดูลพลังงานสองตัวหรือมากกว่า เมื่อโมดูลพลังงานตัวหนึ่งเกิดข้อผิดพลาด โมดูลพลังงานตัวอื่นสามารถรับบทบาทในการจ่ายพลังงานอย่างรวดเร็ว เพื่อรับประกันการทำงานปกติของ EVT ไม่เพียงแต่เพิ่มความสามารถในการต้านทานการรบกวนของ EVT แต่ยังเพิ่มความเสถียรภาพโดยรวม

4.1.3 เสริมการ Shielding และ Grounding ของสายไฟพลังงาน

สายไฟพลังงานเป็นหนึ่งในเส้นทางสำคัญของการแพร่กระจายการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าบนสายไฟพลังงาน ใช้สายเคเบิลที่มีการ Shielding หุ้มสายไฟพลังงานด้วยชั้นโลหะ Shielding ลดการแผ่รังสีและการรบกวนจากการเหนี่ยวนำ นอกจากนี้ยังต้องรับประกันการ Grounding ที่ดีของสายไฟพลังงาน นำกระแสการรบกวนลงสู่ดินเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อ EVT

4.2 การป้องกันการปล่อยไฟฟ้าสถิตที่พอร์ตสัญญาณ
4.2.1 ติดตั้งอุปกรณ์ดูดซับการรบกวนชั่วขณะ

อุปกรณ์ดูดซับการรบกวนชั่วขณะ เช่น Transient Voltage Suppressors (TVS) และ Varistors สามารถดูดซับพลังงานการปล่อยไฟฟ้าสถิตอย่างรวดเร็วและควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย ป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในของ EVT จากความเสียหาย เมื่อเลือกอุปกรณ์ดูดซับการรบกวนชั่วขณะ ควรเลือกแบบและสเปกที่เหมาะสมตามลักษณะสัญญาณและสภาพแวดล้อมการทำงานของ EVT

4.2.2 ใช้วิธีการส่งสัญญาณแบบ Differential Signal

วิธีการส่งสัญญาณแบบ Differential Signal สามารถต้านทานการรบกวนแบบ Common-Mode และเพิ่มความสามารถในการต้านทานการรบกวนของสัญญาณได้ ในการออกแบบพอร์ตสัญญาณของ EVT ใช้วิธีการส่งสัญญาณแบบ Differential Signal แบ่งสัญญาณออกเป็นช่องบวกและลบสำหรับการส่ง นำสัญญาณที่แตกต่างระหว่างสองช่องมาใช้เพื่อสกัดข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ ไม่เพียงแต่เพิ่มคุณภาพการส่งสัญญาณ แต่ยังลดการรบกวนจากการปล่อยไฟฟ้าสถิตต่อ EVT

4.3 การเพิ่มประสิทธิภาพการ Shielding ของแชสซี
4.3.1 เลือกวัสดุที่มีความโปร่งแสงแม่เหล็กสูง

การเลือกวัสดุของแชสซีมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการ Shielding เพื่อเพิ่มความสามารถในการ Shield สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแชสซี ควรเลือกวัสดุที่มีความโปร่งแสงแม่เหล็กสูง เช่น แผ่นเหล็ก ซึ่งสามารถดูดซับและกระจายพลังงานสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดการรบกวนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าภายใน EVT ความโปร่งแสงแม่เหล็กสัมพัทธ์ของโลหะแสดงในตารางที่ 1

4.3.2 ปรับปรุงการออกแบบโครงสร้างแชสซี

การออกแบบโครงสร้างแชสซีเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการ Shielding ในการออกแบบแชสซีของ EVT ใช้โครงสร้าง Shielding แบบปิดสนิท เพื่อรับประกันการติดต่อและ Grounding ที่ดีระหว่างพื้นผิวต่างๆ

4.3.3 เสริมการ Grounding ของแชสซี

การ Grounding ของแชสซีมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการ Shielding ในการออกแบบแชสซีของ EVT ต้องรับประกันการติดต่อ Grounding ที่ดีระหว่างแชสซีและดิน นำกระแสการรบกวนลงสู่ดิน

นอกจากนี้ยังปล่อยการรบกวน เช่น ฮาร์โมนิกความถี่สูงและการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า กระทบต่ออุปกรณ์อื่นๆ การออกแบบต้องแก้ไขปัญหาการรบกวนและความไวเหล่านี้ด้วยมาตรการยับยั้งและการป้องกัน

5 สรุป

บทความนี้ทำการวิจัยและออกแบบอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของทรานส์ฟอร์มเมอร์แรงดันไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ นำเสนอมาตรการต่างๆ รวมถึงหลักการการออกแบบวงจร หลักการการออกแบบโครงสร้างภายใน และกลยุทธ์ในการปรับปรุงประสิทธิภาพความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า วัตถุประสงค์คือ เพื่อเพิ่มความสามารถในการต้านทานการรบกวนและความเสถียรของ EVT ในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อน รับประกันว่าสามารถวัดสัญญาณแรงดันไฟฟ้าในระบบพลังงานได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ และให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งสำหรับการทำงานที่ปลอดภัยและเสถียรของระบบพลังงาน