Mit der rasanten Entwicklung von Energiesystemen sind elektronische Spannungswandler (EVTs) als Schlüsselmessgeräte in Energiesystemen von entscheidender Bedeutung für die sichere und stabile Betriebssicherheit. Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), einer der zentralen Indikatoren für EVTs, ist direkt mit der Fähigkeit des Geräts verbunden, in komplexen elektromagnetischen Umgebungen normal zu arbeiten und keine elektromagnetische Störung bei anderen Geräten zu verursachen. Eine tiefgehende Forschung und Entwicklung zur EMV-Leistung von EVTs ist von großer Bedeutung für die Verbesserung der Gesamtstabilität und -sicherheit von Energiesystemen.
1 Übersicht über die elektromagnetische Verträglichkeitsleistung von elektronischen Spannungswandlern
1.1 Definition und Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bezieht sich auf die Fähigkeit eines Geräts oder Systems, in einer spezifischen elektromagnetischen Umgebung ohne Störung normal zu arbeiten und nicht unerträgliche elektromagnetische Störungen in der Umgebung zu verursachen. Für EVTs müssen sie in komplexen elektromagnetischen Umgebungen eine stabile Messleistung aufrechterhalten und keine elektromagnetische Störung bei anderen Geräten verursachen. Daher muss bei der Entwurfs- und Fertigungsphase von EVTs die EMV-Leistung berücksichtigt und entsprechende Schutzmaßnahmen ergriffen werden.
1.2 Arbeitsprinzip von elektronischen Spannungswandlern
EVTs nutzen das Prinzip der elektromagnetischen Induktion und hochpräzise elektronische Messtechnologie, um Hochspannungssignale in Energiesystemen in Niederspannungssignale umzuwandeln. Sie bestehen in der Regel aus einem Primär-Sensor, einer Sekundär-Umsetzungsschaltung und einer Signalverarbeitungseinheit. Der Primär-Sensor ist dafür verantwortlich, die Hochspannungssignale in schwache Strom/Spannungssignale umzuwandeln, die proportional zur Primärspannung sind; die Sekundär-Umsetzungsschaltung wandelt die schwachen Signale weiter in standardisierte digitale/analoge Signale um; die Signalverarbeitungseinheit verbessert die Genauigkeit und Stabilität der Messung durch Operationen wie Filtern, Verstärken und Kalibrieren. EVTs können verschiedene Formen abdecken, wie elektronische Spannungswandler zur Messung von Einzelkanal/Mehrkanal-Spannungen, elektronische Stromwandler zur Messung von Einzelkanal/Mehrkanal-Strom oder integrierte Wandler, die gleichzeitig einseitige Spannung, Strom und entsprechende Leistung messen, wie in Abbildung 1 dargestellt.
1.3 Analyse von elektromagnetischer Störung und elektromagnetischer Empfindlichkeit
EVTs sind in der elektromagnetischen Umgebung anfällig für externe elektromagnetische Störungen, wie Blitzschlag und transiente Überspannungen durch Schaltvorgänge, was zu Problemen wie erhöhten Messfehlern und unstabilen Daten führen kann; gleichzeitig können die von EVTs selbst erzeugten hohen Frequenzharmonien und elektromagnetische Strahlung auch andere elektrische Ausrüstungen stören. Daher müssen bei der Auslegung von EVTs die Themen elektromagnetische Störung und elektromagnetische Empfindlichkeit vollständig berücksichtigt und Unterdrückungs- und Schutzmaßnahmen ergriffen werden.
Die EMV-Leistungstests von EVTs sind ein wesentlicher Bestandteil, um ihre Stabilität und Genauigkeit im tatsächlichen Betrieb zu gewährleisten. Sie konzentrieren sich auf die Störfestigkeit und gliedern die Bewertungsstandards in Klasse A und Klasse B, je nach Schweregrad der Testergebnisse:
2 Analyse der elektromagnetischen Verträglichkeitsleistungstests von elektronischen Spannungswandlern
2.1 Testinhalt und Bewertungsstandards
Klasse A: Es wird gefordert, dass die Messgenauigkeit von EVTs, wenn sie elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind, innerhalb der Spezifikationsgrenzen bleibt und das Ausgangsspannungssignal mit dem tatsächlichen Wert übereinstimmt, ohne die Überwachung und Steuerung des Energiesystems zu beeinträchtigen.
Klasse B: Es wird eine vorübergehende Abnahme der Messleistung (der Teil, der nicht mit Schutzfunktionen zusammenhängt) von EVTs zugelassen, aber es darf die Ausführung von Schutzfunktionen nicht beeinträchtigen und das Gerät muss nicht zurückgesetzt/neu gestartet werden; die Ausgangsspannung muss innerhalb von 500 V gehalten werden, um Störungen im Energiesystem zu vermeiden.
2.2 Leitungsführende Störtests
Leitungsführende Störungen breiten sich über leitfähige Wege wie Kabel und Metallrohre aus und gehören zu den wichtigsten Arten von elektromagnetischen Störungen, denen EVTs gegenüberstehen. Sie umfasst zwei Arten von Tests:
Test der elektrischen schnellen Transienten/Bursts: Simuliert die transiente Störung (mit breitem Frequenzspektrum) beim Trennen induktiver Lasten wie Relais und Kontaktoren. Wendet einen Burst von schnellen Transienten auf den EVT an, beobachtet die Stabilität und Genauigkeit des Ausgangsspannungssignals und bewertet die Störfestigkeit.
Übertragbarkeitstest gegen Überschlagsströme (Impulsfestigkeit): Simuliert transiente Überspannungen/Überströme, die durch Schaltvorgänge und Blitzschläge (mit hoher Energie und kurzer Dauer) verursacht werden. Wendet eine bestimmte Amplitude an Überspannung auf den EVT an, um die Standfestigkeit und Leistungsstabilität des Geräts zu testen.
2.3 Feldabstrahlungsstörtests
Es umfasst vier Arten von Tests, um Störungen in verschiedenen elektromagnetischen Umgebungen zu simulieren:
Immunitätstest gegen Netzfrequenzmagnetfeld: Wendet ein Magnetfeld mit bestimmter Intensität an den EVT an, beobachtet die Stabilität und Genauigkeit des Ausgangsspannungssignals und bewertet die Störfestigkeit in der Umgebung des Netzfrequenzmagnetfeldes.
Immunitätstest gegen gedämpfte oszillatorisches Magnetfeld: Simuliert das gedämpfte oszillatorische Magnetfeld (mit schneller Abklingzeit und hoher Frequenz), das beim Umschalten der Busleitung in einer Hochspannungsanlage entsteht. Wendet das entsprechende Magnetfeld an den EVT an, um die Stabilität der Messleistung zu testen.
Immunitätstest gegen Puls-Magnetfeld: Simuliert das Puls-Magnetfeld (mit schnellem Anstieg und hohem Spitzenwert), das durch Blitzschlag auf metallene Komponenten entsteht. Wendet ein Puls-Magnetfeld an den EVT an, um zu überprüfen, ob die Isolierleistung und Messgenauigkeit des Geräts beeinträchtigt werden.
Immunitätstest gegen abgestrahltes Hochfrequenz-Feld: Simuliert parasitäre Strahlung von industriellen elektromagnetischen Quellen, Rundfunksendern/Mobilfunk-Basisstationen usw. Wendet ein Hochfrequenz-Feld mit bestimmter Intensität an den EVT an, beobachtet die Stabilität des Ausgangssignals und bewertet die Störfestigkeit.
3 Auslegungsprinzipien für die elektromagnetische Verträglichkeit von elektronischen Spannungswandlern
3.1 Schaltkreis-Auslegungsprinzipien
Schwebmassen-Auslegung: Verwendet Schwebmassentechnologie, um die Schaltkreissignalleitungen von der Gehäuseelektrisch zu isolieren, blockiert die Kopplung von Störströmen auf dem Gehäuse zum Signalweg, reduziert Rauschen und verbessert die Signalgenauigkeit und -stabilität.
Sinnvolle Leitungsauslegung: Optimiert die Anordnung von Stromversorgungen, Erdungen und Signalwegen. Reduziert die parallele Verteilung der Leitungen und minimiert die Kopplungsstörungen zwischen den Leitungen durch Methoden wie Schichtleiter und orthogonale Leiter.
Filterkondensator-Auslegung: Konfiguriert Filterkondensatoren am Eingang der Modulstromversorgung. Wählt die Kondensatoren basierend auf Faktoren wie Kapazitätswert, Spannungsfestigkeit und Frequenzeigenschaften aus, um hochfrequentes Rauschen und Störungen, die durch die Stromversorgung eingeführt werden, zu filtern.
Niedrigpegel-Logik-Auslegung: Gibt niedrigpegelige Logikbauelemente (wie 3,3V-Pegel-Bauelemente) den Vorzug, um unnötige hohe Logikpegel zu vermeiden, reduziert den Stromverbrauch des Schaltkreises und die Erzeugung von hochfrequenten Störungen.
Steigerungs/Absenkungszeit-Kontrolle: Wählt die langsamste Steigerungs/Absenkungszeit, die von der Schaltkreisfunktion erlaubt wird, um unnötige hochfrequente Komponenten zu unterdrücken, reduziert hochfrequentes Rauschen im Schaltkreis und verbessert die Signalstabilität und -genauigkeit.
3.2 Prinzipien der internen Struktur-Auslegung
Vollständig geschlossene Abschirmstruktur: Das Gehäuse verwendet eine vollständig geschlossene Abschirmkonstruktion, um sicherzustellen, dass jede Oberfläche gut kontaktiert und geerdet ist, um äußere elektromagnetische Feldstörungen effektiv abzuschirmen und die internen elektronischen Schaltkreise zu schützen.
Minimierung der freiliegenden Leitungen: Verkürzt die Länge der freiliegenden Leitungen im Gehäuse durch Optimierung der Anordnung und sinnvolle Platzierung der Bauteile, um elektromagnetische Strahlung und Kopplungsstörungen zu reduzieren.
Bündelung der Leitungen: Bündelt die Leitungen nach Signalarten (digitale und analoge Signale getrennt) und hält einen bestimmten Abstand, um die gegenseitige Beeinflussung der Leitungen zu reduzieren und die Signaldeutlichkeit und -genauigkeit zu verbessern.
Verwendung von leitfähigen Klebstoffen: Verwendet leitfähige Klebstoffe für die Verbindung an den Gehäuseanschlüssen, um eine elektrische Verbindung und Abschirmeffekt zu gewährleisten, den Kontaktwiderstand zu reduzieren und die Abschirmwirkung zu verbessern.
4 Strategien zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeitsleistung von elektronischen Spannungswandlern
4.1 Störschutz-Auslegung der Stromversorgungsanschlüsse
Installieren von Stromfilters: Wählt geeignete Stromfilter gemäß der Nennleistung und Arbeitsumgebung des EVTs aus und installiert sie in der Nähe des Stromzufuhranschlusses, um hochfrequentes Rauschen und transiente Pulse zu filtern und die Reinheit der Stromversorgung zu gewährleisten.
Redundante Stromversorgungs-Auslegung: Konfiguriert mehrere Stromversorgungsmodule. Wenn ein einzelnes Modul ausfällt, übernehmen die verbleibenden Module schnell die Stromversorgung, wodurch die Zuverlässigkeit, Störfestigkeit und Gesamtstabilität des EVTs verbessert wird.
Stärkung der Abschirmung und Erdung der Stromleitungen: Verwendet abgeschirmte Kabel, um die Stromleitungen zu umhüllen, um elektromagnetische Strahlung und Kopplung zu reduzieren; stellt sicher, dass die Leitungen gut geerdet sind, um Störströme in die Erde einzuleiten und den EVT vor Schäden zu schützen.
4.2 Elektrostatische Entladungsschutz der Signalanschlüsse
Installieren von Geräten zur Absorption von transienten Störungen: Wählt geeignete TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression Dioden), Varistoren und andere Bauteile aus. Diese Bauteile können während der elektrostatischen Entladung schnell Energie absorbieren, die Spannung in einem sicheren Bereich halten und interne elektronische Bauteile schützen.
Verwendung der Differentialsignalübertragungsmethode: Teilt das Signal in positive und negative Kanäle für die differentialle Übertragung. Nutzt die Signalunterschiede zwischen den Kanälen, um effektive Informationen zu extrahieren, widersteht gemeinsamen Modusstörungen, verbessert die Qualität der Signalübertragung und reduziert die Störung durch elektrostatische Entladung.
4.3 Optimierung der Gehäuseabschirmleistung
Auswahl von Materialien mit hoher Permeabilität: Gibt Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität, wie Eisenplatten, den Vorzug, um das Gehäuse herzustellen, um die magnetische Feldabschirmfähigkeit zu erhöhen, magnetische Feldenergie aufzunehmen und zu dispergieren und die Störung im Inneren des EVTs zu reduzieren (die relative magnetische Permeabilität von Metallen ist in Tabelle 1 dargestellt).
Optimierung der Gehäusestrukturauslegung: Verwendet eine vollständig geschlossene Abschirmstruktur, um sicherzustellen, dass jede Oberfläche des Gehäuses gut kontaktiert und geerdet ist, und die Abschirmwirkung zu verstärken.
Stärkung der Gehäuseerdungsbehandlung: Stellt eine zuverlässige Erdungsverbindung zwischen dem Gehäuse und der Erde sicher, um Störströme in die Erde einzuleiten und die Abschirmwirkung zu verbessern.
5 Fazit
In dieser Arbeit wird die EMV-Leistung von EVTs detailliert untersucht, und es werden Prinzipien aus den Bereichen Schaltkreis-Auslegung und interne Struktur-Auslegung vorgeschlagen. Es werden Strategien wie Störschutz-Auslegung der Stromversorgungsanschlüsse, elektrostatischer Schutz der Signalanschlüsse und Optimierung der Gehäuseabschirmung formuliert. Ziel ist es, die Störfestigkeit und Stabilität von EVTs in komplexen elektromagnetischen Umgebungen zu verbessern, die genaue und zuverlässige Messung von Spannungssignalen in Energiesystemen zu gewährleisten und eine solide Grundlage für die sichere und stabile Betriebssicherheit von Energiesystemen zu schaffen.
