مع التطور السريع لأنظمة الطاقة، تعد المحولات الإلكترونية للجهد (EVTs) كأجهزة قياس رئيسية في أنظمة الطاقة، حيث يشكل استقرار أدائها وموثوقيتها أهمية كبيرة لتشغيل أنظمة الطاقة بأمان واستقرار. أداء توافقية المجال الكهرومغناطيسي (EMC)، كأحد المؤشرات الأساسية لـ EVTs، مرتبط مباشرة بقدرة الجهاز على العمل بشكل طبيعي في بيئات كهرومغناطيسية معقدة وعدم إحداث تداخل كهرومغناطيسي للأجهزة الأخرى. يعد البحث والتصميم العميق لأداء EMC لـ EVTs له أهمية كبيرة لتحسين الاستقرار والأمان العام لأنظمة الطاقة.
1 نظرة عامة على أداء توافقية المجال الكهرومغناطيسي للمحولات الإلكترونية للجهد
1.1 تعريف ومطالب توافقية المجال الكهرومغناطيسي
توافقية المجال الكهرومغناطيسي (EMC) تشير إلى قدرة جهاز أو نظام على العمل بشكل طبيعي دون تداخل في بيئة كهرومغناطيسية معينة وعدم إحداث تداخل كهرومغناطيسي غير مقبول للأشياء الأخرى في البيئة. بالنسبة لـ EVTs، يجب أن تحتفظ بأداء قياس مستقر في بيئات كهرومغناطيسية معقدة وعدم إحداث تداخل كهرومغناطيسي للأجهزة الأخرى. لذا، خلال مراحل تصميم وإنتاج EVTs، يجب النظر في أداء EMC ووضع تدابير حماية متناسبة.
1.2 مبدأ عمل المحولات الإلكترونية للجهد
تستخدم EVTs مبدأ الإثارة الكهرومغناطيسية والتكنولوجيا الإلكترونية عالية الدقة لتحويل الإشارات ذات الجهد العالي في أنظمة الطاقة إلى إشارات ذات جهد منخفض. تتكون عادة من مستشعر أولي، دائرة تحويل ثانوية، ووحدة معالجة الإشارة. يقع على المستشعر الأولي مسؤولية تحويل الإشارات ذات الجهد العالي إلى إشارات تيار/جهد ضعيفة تناسبية مع الجهد الأولي؛ تقوم دائرة التحويل الثانوية بتحويل هذه الإشارات الضعيفة إلى إشارات رقمية/ аналоговые стандартные сигналы; узел обработки сигнала повышает точность и стабильность измерений путем выполнения операций, таких как фильтрация, усиление и калибровка. ЭВТ могут включать различные формы, такие как электронные трансформаторы напряжения для измерения одно- или многоканального напряжения, электронные трансформаторы тока для измерения одно- или многоканального тока, или интегрированные трансформаторы, как показано на рисунке 1, которые одновременно измеряют однонаправленное напряжение, ток и соответствующую мощность.
1.3 تحليل التعرض للتداخل الكهرومغناطيسي والحساسية الكهرومغناطيسية
تعرض EVTs للإزعاج الكهرومغناطيسي الخارجي في البيئة الكهرومغناطيسية، مثل الصواعق والإرتفاعات الفجائية للجهد الناتجة عن عمليات التبديل، مما يمكن أن يؤدي إلى مشاكل مثل زيادة الأخطاء في القياس وتقلبات البيانات؛ وفي الوقت نفسه، يمكن أن تؤدي الموجات التوافقية عالية التردد والإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يولده EVTs أيضاً إلى تداخل مع المعدات الكهربائية الأخرى. لذا، عند تصميم EVTs، يجب النظر بعناية في القضايا المتعلقة بالإزعاج الكهرومغناطيسي والحساسية الكهرومغناطيسية واتخاذ تدابير لتقليلها وحمايتها.
اختبار أداء EMC لـ EVTs هو رابط أساسي لضمان استقرارها ودقتها أثناء التشغيل الفعلي. يركز على قدرة مقاومة التداخل ويصنف معايير التقييم إلى فئة A وفئة B حسب شدة نتائج الاختبار:
2 تحليل اختبارات أداء توافقية المجال الكهرومغناطيسي للمحولات الإلكترونية للجهد
2.1 محتوى الاختبار ومعايير التقييم
الفئة A: يتطلب أن تكون دقة القياس لـ EVTs ضمن الحدود المحددة عندما تتعرض للإزعاج الكهرومغناطيسي وأن يكون إشارة الجهد الخارج متسقة مع القيمة الفعلية دون التأثير على الرصد والتحكم في نظام الطاقة.
الفئة B: يسمح بانخفاض مؤقت في أداء القياس (الجزء غير المتعلق بالحماية) لـ EVTs، ولكن لا يجب أن يؤثر ذلك على تنفيذ الوظائف الحامية، ولا يحتاج الجهاز إلى إعادة الضبط/الإعادة تشغيل؛ يجب أن يتم التحكم في الجهد الخارج بحيث لا يتجاوز 500 فولت لتجنب التداخل مع نظام الطاقة.
2.2 اختبارات التداخل المنقول
ينتقل التداخل المنقول عبر مسارات موصلة مثل الأسلاك والأنبوبات المعدنية وهو أحد أنواع التداخل الكهرومغناطيسي الرئيسية التي تواجهها EVTs. يشمل نوعين من الاختبارات:
اختبار التغيرات السريعة/النبضات الكهربائية: يحاكي التداخل العابر (بспектر ترددي واسع) عند فصل الأحمال الحثية مثل المفاتيح والملفات. يتم تطبيق نبضة سريعة على EVT، ورصد استقرار ودقة إشارة الجهد الخارج، وتقييم قدرة مقاومة التداخل.
اختبار مقاومة الصدمات (التعرض للصدمات): يحاكي الإرتفاعات الفجائية للجهد/التيار الناتجة عن عمليات التبديل والصواعق (بطاقة كبيرة ومدة قصيرة). يتم تطبيق جهد صدمة بمقدار معين على EVT لاختبار قدرة الجهاز على التحمل واستقرار الأداء.
2.3 اختبارات التداخل المشع
يشمل أربعة أنواع من الاختبارات لمحاكاة التداخل في بيئات كهرومغناطيسية مختلفة:
اختبار مقاومة المجال المغناطيسي ذو التردد الكهربائي: يتم تطبيق مجال مغناطيسي ذو تردد كهربائي بمقدار معين على EVT، ورصد استقرار ودقة إشارة الجهد الخارج، وتقييم قدرة مقاومة التداخل في بيئة المجال المغناطيسي ذو التردد الكهربائي.
اختبار مقاومة المجال المغناطيسي المتذبذب المخمّد: يحاكي المجال المغناطيسي المتذبذب المخمّد (بضمور سريع وتكرار عالي) الذي ينتج عند تبديل الخطوط في محطة كهرباء علوية. يتم تطبيق المجال المقابل على EVT لاختبار استقرار أداء القياس.
اختبار مقاومة المجال المغناطيسي النبضي: يحاكي المجال المغناطيسي النبضي (برفع سريع وقيمة ذروة عالية) الذي ينتج عن الصواعق على المكونات المعدنية. يتم تطبيق المجال النبضي على EVT للتحقق مما إذا كان الأداء العازل ودقة القياس للجهاز قد تأثر.
اختبار مقاومة المجال الكهرومغناطيسي المشع ذو التردد اللاسلكي: يحاكي الإشعاع الطفيلي من مصادر كهرومغناطيسية صناعية، البث الإذاعي/محطات الاتصالات الخلوية، وما إلى ذلك. يتم تطبيق مجال كهرومغناطيسي ذو تردد راديو بمقدار معين على EVT، ورصد استقرار الإشارة الخارج، وتقييم قدرة مقاومة التداخل.
3 مبادئ التصميم لتوافقية المجال الكهرومغناطيسي للمحولات الإلكترونية للجهد
3.1 مبادئ تصميم الدائرة
تصميم الأرض العائم: اعتماد تقنية الأرض العائم لعزل خطوط إشارات الدائرة عن الهيكل، ومنع التداخل بين التيار التداخل على الهيكل ودائرة الإشارة، وتقليل الضوضاء، وتحسين دقة واستقرار الإشارة.
تخطيط الأسلاك المناسب: تحسين توزيع مصادر الطاقة والأرضيات وخطوط الإشارة. تقليل التوزيع الموازي للخطوط وتقليل التداخل بين الخطوط من خلال طرق مثل التوصيل الطبقي والتوصيل المتعامد.
تصميم مكثف الفلتر: تكوين مكثف الفلتر في نهاية إدخال طاقة الوحدة. اختيار المكثفات بناءً على عوامل مثل قيمة السعة، ومقاومة الجهد، وخصائص التردد لتصفية الضوضاء والعوائق عالية التردد المقدمة بواسطة مصدر الطاقة.
تصميم المنطق منخفض المستوى: إعطاء الأولوية للوحدات المنطقية ذات المستوى المنخفض (مثل أجهزة المستوى 3.3V) لتجنب المستويات المنطقية العالية غير الضرورية، وتقليل استهلاك الطاقة في الدائرة وتوليد التداخلات عالية التردد.
التحكم في زمن الصعود/الهبوط: اختيار أبطأ زمن صعود/هبوط مسموح به من قبل وظيفة الدائرة لقمع المكونات غير الضرورية عالية التردد، وتقليل الضوضاء عالية التردد في الدائرة، وتحسين استقرار ودقة الإشارة.
3.2 مبادئ تصميم البنية الداخلية
تقليل الأسلاك المكشوفة: تقصير طول الأسلاك المكشوفة داخل الهيكل من خلال تحسين التخطيط وتوزيع المكونات بشكل مناسب لتقليل الإشعاع الكهرومغناطيسي والتداخل.
ربط الأسلاك بشكل مجموعات: ربط الأسلاك حسب أنواع الإشارات (فصل الإشارات الرقمية وال analógicas señales), y mantener una cierta distancia para reducir la influencia mutua entre los cables y mejorar la claridad y precisión de las señales.
Unión con adhesivo conductor: Utilizar un adhesivo conductor para la unión en la interfaz del chasis para garantizar la conexión eléctrica y el efecto de blindaje, reducir la resistencia de contacto y mejorar la eficiencia de blindaje.
4 Estrategias para mejorar el rendimiento de compatibilidad electromagnética de los transformadores electrónicos de voltaje
4.1 Diseño anti-interferencia de los puertos de alimentación
Instalar filtros de alimentación: Seleccionar filtros de alimentación adecuados según la potencia nominal y el entorno de trabajo del EVT, e instalarlos cerca de la entrada de alimentación para filtrar ruido de alta frecuencia y pulsos transitorios y asegurar la pureza de la alimentación.
Adoptar diseño de alimentación redundante: Configurar múltiples módulos de alimentación. Cuando falle un módulo, los módulos restantes toman rápidamente el control de la alimentación, mejorando la fiabilidad de la alimentación, la capacidad de anti-interferencia y la estabilidad general del EVT.
Fortalecer el blindaje y la puesta a tierra de las líneas de alimentación: Usar cables blindados para envolver las líneas de alimentación para reducir la radiación electromagnética y el acoplamiento; asegurar una buena puesta a tierra de las líneas, introducir corrientes de interferencia a la tierra y evitar dañar el EVT.
4.2 Protección contra descargas electrostáticas de los puertos de señal
Instalar dispositivos de absorción de perturbaciones transitorias: Seleccionar diodos supresores de tensión transitoria (TVS) adecuados, varistores y otros dispositivos. Estos dispositivos pueden absorber energía rápidamente durante la descarga electrostática, controlar el voltaje dentro de un rango seguro y proteger los componentes electrónicos internos.
Adoptar método de transmisión diferencial de señales: Dividir la señal en canales positivo y negativo para la transmisión diferencial. Utilizar la diferencia de señal entre los canales para extraer información efectiva, resistir la interferencia de modo común, mejorar la calidad de transmisión de la señal y reducir la interferencia de la descarga electrostática.
4.3 Optimización del rendimiento de blindaje del chasis
Seleccionar materiales de alta permeabilidad magnética: Dar prioridad a materiales con alta permeabilidad magnética, como placas de hierro, para fabricar el chasis, mejorar la capacidad de blindaje del campo magnético, absorber y dispersar la energía del campo magnético, y reducir la interferencia en el interior del EVT (la permeabilidad magnética relativa de los metales se muestra en la Tabla 1).
Optimizar el diseño estructural del chasis: Adoptar una estructura de blindaje totalmente cerrada para garantizar un buen contacto y puesta a tierra de cada superficie del chasis y mejorar el efecto de blindaje.
Fortalecer el tratamiento de puesta a tierra del chasis: Asegurar una conexión de puesta a tierra confiable entre el chasis y la tierra, introducir corrientes de interferencia a la tierra y mejorar la eficiencia de blindaje.
5 Conclusión
Este artículo realiza una investigación en profundidad sobre el rendimiento de EMC de los EVTs, propone principios desde los aspectos del diseño de circuitos y el diseño de la estructura interna, y formula estrategias como el diseño anti-interferencia de los puertos de alimentación, la protección electrostática de los puertos de señal y la optimización del blindaje del chasis. El objetivo es mejorar la capacidad de anti-interferencia y la estabilidad de los EVTs en entornos electromagnéticos complejos, asegurar su medición precisa y confiable de las señales de voltaje en los sistemas de potencia, y sentar una base sólida para la operación segura y estable de los sistemas de potencia.
