با توسعه سریع سیستم‌های برق، ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیک (EVTs) به عنوان دستگاه‌های اندازه‌گیری کلیدی در سیستم‌های برق، پایداری و قابلیت اطمینان آنها برای عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های برق بسیار مهم است. عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)، به عنوان یکی از شاخص‌های هسته‌ای EVTs، مستقیماً مرتبط با توانایی دستگاه برای کار کردن به طور عادی در محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده و عدم ایجاد تداخل الکترومغناطیسی با دستگاه‌های دیگر است. انجام تحقیقات عمیق و طراحی در زمینه عملکرد EMC EVTs برای بهبود پایداری و ایمنی کلی سیستم‌های برق اهمیت بسیاری دارد.
1 مروری بر عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیک
1.1 تعریف و نیازهای سازگاری الکترومغناطیسی
سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) به توانایی یک دستگاه یا سیستم برای کار کردن بدون تداخل در یک محیط الکترومغناطیسی خاص و عدم ایجاد تحریکات الکترومغناطیسی غیرقابل تحمل برای چیزهای دیگر در محیط اشاره دارد. برای EVTs، آنها باید عملکرد اندازه‌گیری پایدار را در محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده حفظ کنند و تداخل الکترومغناطیسی با دستگاه‌های دیگر ایجاد نکنند. بنابراین، در مراحل طراحی و ساخت EVTs، باید عملکرد EMC در نظر گرفته شود و تدابیر حفاظتی مناسبی تدوین شود.
1.2 اصول کار ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیک
EVTs از اصل القای الکترومغناطیسی و فناوری اندازه‌گیری الکترونیکی با دقت بالا برای تبدیل سیگنال‌های ولتاژ بالا در سیستم‌های برق به سیگنال‌های ولتاژ پایین استفاده می‌کنند. آنها معمولاً شامل سنسور اولیه، مدار تبدیل ثانویه و واحد پردازش سیگنال هستند. سنسور اولیه مسئول تبدیل سیگنال‌های ولتاژ بالا به سیگنال‌های جریان/ولتاژ ضعیف متناسب با ولتاژ اولیه است؛ مدار تبدیل ثانویه سیگنال‌های ضعیف را به سیگنال‌های دیجیتال/آنالوگ استاندارد تبدیل می‌کند؛ واحد پردازش سیگنال با انجام عملیاتی مانند فیلتر کردن، تقویت و کالیبراسیون دقت و پایداری اندازه‌گیری را بهبود می‌بخشد. EVTs می‌توانند انواع مختلفی از جمله ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیک برای اندازه‌گیری ولتاژ یک‌کانال/چندکانال، ترانسفورماتورهای جریان الکترونیک برای اندازه‌گیری جریان یک‌کانال/چندکانال یا ترانسفورماتورهای یکپارچه که همزمان ولتاژ، جریان و توان یک‌طرفه را اندازه‌گیری می‌کنند (مانند شکل 1) را پوشش دهند.
1.3 تحلیل تحریکات الکترومغناطیسی و حساسیت الکترومغناطیسی
EVTs در محیط الکترومغناطیسی به تحریکات الکترومغناطیسی خارجی مانند ضربه‌های صاعقه و ولتاژ‌های گذرا از عملیات سوئیچ‌ها آسیب‌پذیر هستند که می‌توانند مشکلاتی مانند افزایش خطاهای اندازه‌گیری و عدم پایداری داده‌ها را ایجاد کنند؛ در عین حال، هارمونیک‌های فرکانس بالا و تشعشعات الکترومغناطیسی تولید شده توسط خود EVTs نیز می‌توانند با دستگاه‌های الکتریکی دیگر تداخل ایجاد کنند. بنابراین، در طراحی EVTs باید مسائل تحریکات الکترومغناطیسی و حساسیت الکترومغناطیسی به طور کامل در نظر گرفته شود و تدابیر سرکوب و محافظت اتخاذ شود.
آزمون عملکرد EMC EVTs یک لینک کلیدی برای تضمین پایداری و دقت آنها در عملیات واقعی است. این آزمون بر روی توانایی مقاومت در برابر تداخل تمرکز دارد و استانداردهای ارزیابی را به دو دسته A و B تقسیم می‌کند:
2 تحلیل آزمون‌های عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیک
2.1 محتوای آزمون و استانداردهای ارزیابی
دسته A: نیازمند این است که هنگامی که EVTs تحت تحریکات الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند، دقت اندازه‌گیری در حدود مشخصات باقی بماند و سیگنال ولتاژ خروجی با مقدار واقعی سازگار باشد و بر نظارت و کنترل سیستم برق تأثیر نگذارد.
دسته B: اجازه می‌دهد که عملکرد اندازه‌گیری (بخش مربوط به محافظت) EVTs به طور موقت کاهش یابد، اما نباید بر اجرای عملکرد محافظت تأثیر بگذارد و تجهیزات نیازی به ریست/راه‌اندازی مجدد نداشته باشند؛ ولتاژ خروجی باید در 500V کنترل شود تا از تداخل با سیستم برق جلوگیری شود.
2.2 آزمون‌های تداخل هدایتی
تداخل هدایتی از طریق مسیرهای هدایتی مانند سیم‌ها و لوله‌های فلزی منتشر می‌شود و یکی از انواع اصلی تحریکات الکترومغناطیسی است که EVTs با آن مواجه هستند. این آزمون شامل دو نوع آزمون است:
آزمون تحریکات گذرای سریع/پرت: شبیه‌سازی تحریکات گذرای (با طیف فرکانس گسترده) هنگام قطع بارهای القایی مانند رله‌ها و تماس‌گیرها. یک پرت گذرای سریع به EVT اعمال می‌شود، پایداری و دقت سیگنال ولتاژ خروجی مشاهده می‌شود و توانایی مقاومت در برابر تداخل ارزیابی می‌شود.
آزمون مقاومت در برابر شوک (تاثیر): شبیه‌سازی ولتاژ/جریان‌های گذرا ناشی از عملیات سوئیچ و ضربه‌های صاعقه (با انرژی زیاد و مدت زمان کوتاه). یک ولتاژ شوک با دامنه معین به EVT اعمال می‌شود تا توان تحمل و پایداری عملکرد تجهیزات آزمون شود.
2.3 آزمون‌های تداخل پخشی
این آزمون شامل چهار نوع آزمون برای شبیه‌سازی تحریکات در محیط‌های الکترومغناطیسی مختلف است:
آزمون مقاومت در برابر میدان مغناطیسی فرکانس توان: یک میدان مغناطیسی فرکانس توان با شدت معین به EVT اعمال می‌شود، پایداری و دقت سیگنال ولتاژ خروجی مشاهده می‌شود و توانایی مقاومت در برابر تحریکات در محیط میدان مغناطیسی فرکانس توان ارزیابی می‌شود.
آزمون مقاومت در برابر میدان مغناطیسی نوسانی دامپ شده: شبیه‌سازی میدان مغناطیسی نوسانی دامپ شده (با دامپ سریع و فرکانس بالا) که هنگام تغییر بار در یک زیراستانیون فشار بالا تولید می‌شود. میدان مغناطیسی متناظر به EVT اعمال می‌شود تا پایداری عملکرد اندازه‌گیری آزمون شود.
آزمون مقاومت در برابر میدان مغناطیسی پالسی: شبیه‌سازی میدان مغناطیسی پالسی (با افزایش سریع و مقدار قله بالا) که توسط ضربه‌های صاعقه بر مؤلفه‌های فلزی تولید می‌شود. یک میدان مغناطیسی پالسی به EVT اعمال می‌شود تا بررسی شود که آیا عملکرد عایق و دقت اندازه‌گیری تجهیزات تحت تأثیر قرار گرفته است.
آزمون مقاومت در برابر میدان الکترومغناطیسی پخشی فرکانس رادیویی: شبیه‌سازی تشعشعات پارازیتی از منابع الکترومغناطیسی صنعتی، ایستگاه‌های پخش رادیو/پایگاه‌های ارتباطات موبایل و غیره. یک میدان الکترومغناطیسی فرکانس رادیویی با شدت معین به EVT اعمال می‌شود، پایداری سیگنال خروجی مشاهده می‌شود و توانایی مقاومت در برابر تحریکات ارزیابی می‌شود.
3 اصول طراحی سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیک
3.1 اصول طراحی مدار
طراحی زمین شناور: استفاده از فناوری زمین شناور برای عایق‌بندی خطوط سیگنال مدار از بدنه، مسدود کردن کوپلینگ جریان‌های تحریکی از بدنه به مدار سیگنال، کاهش نویز و بهبود دقت و پایداری سیگنال.
طرح کابل‌گذاری مناسب: بهینه‌سازی مکان‌یابی منابع تغذیه، زمین‌ها و خطوط سیگنال. کاهش توزیع موازی خطوط و کاهش کوپلینگ تداخل بین خطوط از طریق روش‌هایی مانند کابل‌گذاری لایه‌ای و کابل‌گذاری متعامد.
طراحی خازن فیلتر: پیکربندی خازن‌های فیلتر در ورودی منبع تغذیه ماژول. انتخاب خازن‌ها بر اساس عواملی مانند ظرفیت، تحمل ولتاژ و ویژگی‌های فرکانسی برای فیلتر کردن نویز و تحریکات فرکانس بالا معرفی شده توسط منبع تغذیه.
طراحی منطق پایین‌سطح: اولویت به دستگاه‌های منطق پایین‌سطح (مانند دستگاه‌های سطح 3.3V) برای جلوگیری از سطوح منطقی بالای غیرضروری، کاهش مصرف توان مدار و تولید تحریکات فرکانس بالا.
کنترل زمان صعود/نزول: انتخاب کندترین زمان صعود/نزول مجاز توسط عملکرد مدار برای سرکوب اجزای فرکانس بالای غیرضروری، کاهش نویز فرکانس بالا در مدار و بهبود پایداری و دقت سیگنال.
3.2 اصول طراحی ساختار داخلی
کمینه‌سازی کابل‌های مکشوف: کوتاه کردن طول کابل‌های مکشوف در بدنه با بهینه‌سازی مکان‌یابی و ترتیب مناسب مؤلفه‌ها برای کاهش تشعشع الکترومغناطیسی و کوپلینگ تداخل.
بسته‌بندی گروهی کابل‌ها: گروه‌بندی کابل‌ها بر اساس انواع سیگنال (جدا کردن سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ) و حفظ فاصله معین برای کاهش تأثیر متقابل بین کابل‌ها و بهبود وضوح و دقت سیگنال.
چسب‌زنی رسانا: استفاده از چسب رسانا در محل اتصال بدنه برای تضمین اتصال الکتریکی و اثر پوششی، کاهش مقاومت تماس و بهبود کارایی پوشش.
4 استراتژی‌های بهبود عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیک
4.1 طراحی ضد تداخل در پورت‌های تغذیه
نصب فیلترهای تغذیه: انتخاب فیلترهای تغذیه مناسب بر اساس توان اسمی و محیط کاری EVT و نصب آنها نزدیک به ورودی تغذیه برای فیلتر کردن نویز فرکانس بالا و پالس‌های گذرای و تضمین پاکی تغذیه.
استفاده از طراحی تغذیه مازاد: پیکربندی چندین ماژول تغذیه. هنگامی که یک ماژول خراب شود، ماژول‌های باقی‌مانده به سرعت تغذیه را به عهده می‌گیرند، توانایی ضد تداخل، قابلیت اطمینان و پایداری کلی EVT را بهبود می‌بخشند.
تقویت پوشش و زمین‌دهی خطوط تغذیه: استفاده از کابل‌های پوششی برای پوشاندن خطوط تغذیه برای کاهش تشعشع و کوپلینگ الکترومغناطیسی؛ تضمین زمین‌دهی مناسب خطوط، معرفی جریان‌های تحریکی به زمین و جلوگیری از آسیب به EVT.
4.2 محافظت از پورت‌های سیگنال در برابر تخلیه الکترواستاتیک
نصب دستگاه‌های جذب تحریکات گذرای: انتخاب دیودهای سرکوب تنش گذرای (TVS) و واریستورهای مناسب. این دستگاه‌ها می‌توانند به سرعت انرژی را در طی تخلیه الکترواستاتیک جذب کنند، ولتاژ را در محدوده ایمن کنترل کنند و مؤلفه‌های الکترونیکی داخلی را محافظت کنند.
استفاده از روش انتقال سیگنال دیفرانسیل: تقسیم سیگنال به کانال‌های مثبت و منفی برای انتقال دیفرانسیل. استفاده از تفاوت سیگنال بین کانال‌ها برای استخراج اطلاعات مؤثر، مقاومت در برابر تداخل مشترک، بهبود کیفیت انتقال سیگنال و کاهش تداخل تخلیه الکترواستاتیک.
4.3 بهینه‌سازی عملکرد پوششی بدنه
بهینه‌سازی طراحی ساختار بدنه: استفاده از ساختار پوششی کاملاً بسته برای تضمین تماس و زمین‌دهی مناسب هر سطح بدنه و افزایش اثر پوششی.
تقویت پردازش زمین‌دهی بدنه: تضمین اتصال زمین‌دهی قابل اعتماد بین بدنه و زمین، معرفی جریان‌های تحریکی به زمین و بهبود کارایی پوشش.
5 نتیجه‌گیری
این مقاله تحقیقات عمیقی در زمینه عملکرد EMC EVTs انجام داده است، اصولی را از جنبه‌های طراحی مدار و طراحی ساختار داخلی پیشنهاد کرده و استراتژی‌هایی مانند طراحی ضد تداخل در پورت‌های تغذیه، محافظت از پورت‌های سیگنال در برابر تخلیه الکترواستاتیک و بهینه‌سازی عملکرد پوششی بدنه تدوین کرده است. هدف این است که توانایی ضد تداخل و پایداری EVTs در محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده را بهبود بخشد، اندازه‌گیری دقیق و قابل اعتماد ولتاژ سیگنال‌ها در سیستم‌های برق را تضمین کند و پایه‌ای محکم برای عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های برق فراهم کند.
