طراحی عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی برای ترانسفورماترهای ولتاژ الکترونیکی

با پیشرفت سریع سیستم‌های برق، ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی (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)، که یکی از شاخص‌های اصلی EVTs محسوب می‌شود، مستقیماً با توانایی دستگاه برای کار کردن در محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده و عدم ایجاد تداخل الکترومغناطیسی به دیگر دستگاه‌ها مرتبط است. انجام تحقیقات و طراحی عمیق در زمینه عملکرد EMC دستگاه‌های EVT برای بهبود پایداری و ایمنی کلی سیستم‌های برق بسیار معنادار است.

1 مروری بر عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی
1.1 تعریف و الزامات سازگاری الکترومغناطیسی

سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) به توانایی یک دستگاه یا سیستم برای کار کردن بدون تداخل در یک محیط الکترومغناطیسی خاص و عدم ایجاد تحریک الکترومغناطیسی غیرقابل تحمل به چیزهای دیگر در محیط اشاره دارد. برای EVTs، آنها نیاز دارند تا در محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده عملکرد اندازه‌گیری پایداری را حفظ کنند و تداخل الکترومغناطیسی به دیگر دستگاه‌ها ایجاد نکنند. بنابراین، در مراحل طراحی و تولید EVTs، باید به عملکرد EMC توجه شود و تدابیر حفاظتی مناسبی تدوین شود.

1.2 اصول کار ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی

EVTs از اصول 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 حسگر اصلی، مدار تبدیل ثانویه و واحد پردازش سیگنال هستند. حسگر اصلی مسئول تبدیل سیگنال‌های ولتاژ بالا به سیگنال‌های جریان/ولتاژ ضعیف متناسب با ولتاژ اصلی است؛ مدار تبدیل ثانویه سیگنال‌های ضعیف را به سیگنال‌های دیجیتال/آنالوگ استاندارد تبدیل می‌کند؛ واحد پردازش سیگنال از طریق عملیاتی مانند فیلتر کردن، تقویت و کالیبراسیون دقت و پایداری اندازه‌گیری را بهبود می‌بخشد. EVTs می‌توانند شکل‌های مختلفی داشته باشند، مانند ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی برای اندازه‌گیری ولتاژ یک-کانال/چند-کانال، ترانسفورماتورهای جریان الکترونیکی برای اندازه‌گیری جریان یک-کانال/چند-کانال، یا ترانسفورماتورهای یکپارچه که همزمان ولتاژ یک-سویه، جریان و توان مربوطه را اندازه‌گیری می‌کنند، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

1.3 تحلیل تحریک الکترومغناطیسی و حساسیت الکترومغناطیسی

EVTs در محیط الکترومغناطیسی به تحریک‌های الکترومغناطیسی خارجی، مانند ضربات صاعقه و ولتاژ فراترنشان از عملیات سوئیچ‌ها، آسیب‌پذیر هستند که می‌توانند مشکلاتی مانند افزایش خطاهای اندازه‌گیری و عدم پایداری داده‌ها ایجاد کنند؛ در عین حال، هارمونیک‌های فرکانس بالا و تشعشعات الکترومغناطیسی تولید شده توسط خود EVTs نیز می‌توانند به دیگر تجهیزات الکتریکی تداخل کنند. بنابراین، در طراحی EVTs باید مشکلات تحریک الکترومغناطیسی و حساسیت الکترومغناطیسی به طور کامل در نظر گرفته شود و تدابیر سرکوب و محافظت اتخاذ شود.

آزمون عملکرد EMC دستگاه‌های EVT یک لینک کلیدی برای تضمین پایداری و دقت آنها در عملکرد 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 الکترونیکی
2.1 محتوای آزمون و استانداردهای ارزیابی

• دسته A: نیازمند است که هنگامی که EVTs تحت تحریک الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند، دقت اندازه‌گیری در محدوده مشخصات باقی بماند و سیگنال ولتاژ خروجی با مقدار واقعی مطابقت داشته باشد و بر نظارت و کنترل سیستم برق تأثیر نگذارد.

• دسته B: اجازه می‌دهد که عملکرد اندازه‌گیری (بخش مربوط به حفاظت) دستگاه‌های EVT به طور موقت کاهش یابد، اما نباید اجرای عملکردهای حفاظتی را تحت تأثیر قرار دهد و تجهیزات نیازی به تنظیم مجدد/راه‌اندازی مجدد نداشته باشند؛ ولتاژ خروجی باید در 500V کنترل شود تا از تداخل با سیستم برق جلوگیری شود.

2.2 آزمون‌های تداخل رسانه‌ای

تداخل رسانه‌ای از طریق مسیرهای رسانا مانند سیم‌ها و لوله‌های فلزی منتشر می‌شود و یکی از انواع اصلی تحریک الکترومغناطیسی است که ترانسفورماتورهای EVT با آن مواجه هستند. این آزمون شامل دو نوع است:

• آزمون پالس‌های سریع/تکه‌ای الکتریکی: شبیه‌سازی تحریک‌های فرآیندی (با طیف فرکانس گسترده) زمانی که بارهای القایی مانند رله‌ها و کنتاکتورها قطع می‌شوند. یک پالس تکه‌ای 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 ضربه (تاثیر): شبیه‌سازی ولتاژ/جریان فراترنشان ناشی از عملیات سوئیچ و ضربات صاعقه (با انرژی زیاد و مدت زمان کوتاه). یک ولتاژ ضربه با دامنه مشخص به EVT اعمال می‌شود تا توان تحمل و پایداری عملکرد تجهیزات آزمون شود.

2.3 آزمون‌های تداخل تشعشعی

این آزمون شامل چهار نوع برای شبیه‌سازی تداخل‌ها در محیط‌های الکترومغناطیسی مختلف است:

• آزمون مقاومت در برابر میدان مغناطیسی فرکانس تغذیه: یک میدان مغناطیسی با شدت مشخص به EVT اعمال می‌شود، پایداری و دقت سیگنال ولتاژ خروجی مشاهده می‌شود و توانایی مقاومت در برابر تداخل در محیط میدان مغناطیسی فرکانس تغذیه ارزیابی می‌شود.

• آزمون مقاومت در برابر میدان مغناطیسی نوسانی میرا: شبیه‌سازی میدان مغناطیسی نوسانی میرا (با میرایی سریع و فرکانس بالا) که زمانی که جداکننده در زیراستانسیون‌های فشار بالا شین را تغییر می‌دهد، تولید می‌شود. میدان مغناطیسی متناسب به EVT اعمال می‌شود تا پایداری عملکرد اندازه‌گیری آزمون شود.

• آزمون مقاومت در برابر میدان مغناطیسی پالسی: شبیه‌سازی میدان مغناطیسی پالسی (با بالا رفتن سریع و مقدار قله بالا) که توسط ضربات صاعقه به اجزای 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 تشعشعی فرکانس رادیویی: شبیه‌سازی تشعشعات جانبی از منابع الکترومغناطیسی صنعتی، پخش رادیو/ایستگاه‌های پایه ارتباطات موبایل و غیره. یک میدان الکترومغناطیسی با شدت مشخص به EVT اعمال می‌شود، پایداری سیگنال خروجی مشاهده می‌شود و توانایی مقاومت در برابر تداخل ارزیابی می‌شود.

3 اصول طراحی سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی
3.1 اصول طراحی مدار

• طراحی زمین شناور: استفاده از فناوری زمین شناور برای عایق کردن خطوط سیگنال مدار از بدنه، مسدود کردن جفت‌شدن جریان‌های تحریکی روی بدنه به مدار سیگنال، کاهش نویز و بهبود دقت و پایداری سیگنال.

• طرح بندی سیم‌کشی مناسب: بهینه‌سازی موقعیت‌دهی منابع تغذیه، زمین‌ها و خطوط سیگنال. کاهش توزیع موازی خطوط و کاهش جفت‌شدن تداخلی بین خطوط از طریق روش‌هایی مانند سیم‌کشی لایه‌ای و سیم‌کشی 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 تداخلات فرکانس بالا که توسط منبع تغذیه معرفی می‌شوند.

• طراحی منطق سطح پایین: اولویت به دستگاه‌های منطق سطح پایین (مانند دستگاه‌های سطح 3.3V) برای جلوگیری از سطوح منطق بالایی غیرضروری، کاهش مصرف برق مدار و تولید تداخلات فرکانس بالا.

• کنترل زمان بالا/پایین رفتن: انتخاب کندترین زمان بالا/پایین رفتن که توسط عملکرد مدار مجاز است برای سرکوب مؤلفه‌های فرکانس بالای غیرضروری، کاهش نویز فرکانس بالا در مدار و بهبود پایداری و دقت سیگنال.

3.2 اصول طراحی ساختار داخلی

• ساختار محافظ کاملاً بسته: بدنه پوششی با طراحی محافظ کاملاً بسته برای تضمین تماس و زمین‌دهی خوب هر سطح، مسدود کردن موثر تداخلات میدان الکترومغناطیسی خارجی و حفاظت از مدارهای الکترونیکی داخلی.

• کمینه‌سازی سیم‌کشی آشکار: کوتاه کردن طول سیم‌کشی آشکار در بدنه با بهینه‌سازی طرح بندی و ترتیب مناسب اجزا برای کاهش تشعشع الکترومغناطیسی و جفت‌شدن تداخلی.

• بسته‌بندی گروهی سیم‌ها: بسته‌بندی سیم‌ها بر اساس انواع سیگنال (جدا کردن سیگنال‌های دیجیتال و آنالوگ) و نگه‌داشتن فاصله معین برای کاهش تأثیر متقابل بین سیم‌ها و بهبود وضوح و دقت سیگنال.

• چسباندن با چسب رسانا: استفاده از چسب رسانا برای چسباندن در محل‌های اتصال بدنه برای تضمین اتصال الکتریکی و اثر محافظ، کاهش مقاومت تماس و بهبود کارایی محافظ.

4 استراتژی‌های بهبود عملکرد سازگاری الکترومغناطیسی ترانسفورماتورهای ولتاژ الکترونیکی
4.1 طراحی ضد تداخل پورت‌های تغذیه

• نصب فیلترهای تغذیه: انتخاب فیلترهای تغذیه مناسب بر اساس توان اسمی و محیط کار EVT و نصب آن‌ها نزدیک به ورودی تغذیه برای فیلتر کردن نویز و پالس‌های فرآیندی فرکانس بالا و تضمین خلوص تغذیه.

• استفاده از طراحی تغذیه مازاد: پیکربندی چندین ماژول تغذیه. هنگامی که یک ماژول خراب شود، ماژول‌های باقی‌مانده به سرعت تغذیه را برعهده می‌گیرند، که منجر به بهبود قابلیت اطمینان، توانایی مقاومت در برابر تداخل و پایداری کلی EVT می‌شود.

• تقویت محافظت و زمین‌دهی خطوط تغذیه: استفاده از سیم‌های محافظ برای پوشاندن خطوط تغذیه برای کاهش تشعشع و جفت‌شدن الکترومغناطیسی؛ تضمین زمین‌دهی خوب خطوط، معرفی جریان‌های تحریکی به زمین و جلوگیری از خسارت به EVT.

4.2 محافظت از پورت‌های سیگنال در برابر تخلیه الکتریکی

• نصب دستگاه‌های جذب تحریک فرآیندی: انتخاب دیودهای سرکوب تحریک فرآیندی (TVS) و واریستورهای مناسب. این دستگاه‌ها می‌توانند به سرعت انرژی را در زمان تخلیه الکتریکی جذب کنند، ولتاژ را در محدوده ایمن کنترل کنند و اجزای 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 موثر، مقاومت در برابر تداخل مد مشترک، بهبود کیفیت انتقال سیگنال و کاهش تداخل تخلیه الکتریکی.

4.3 بهینه‌سازی عملکرد محافظت بدنه

• انتخاب مواد با نفوذپذیری مغناطیسی بالا: اولویت به موادی مانند صفحات فولادی با نفوذپذیری مغناطیسی بالا برای ساخت بدنه، افزایش توانایی محافظت از میدان مغناطیسی، جذب و پخش انرژی میدان مغناطیسی و کاهش تداخل به داخل EVT (نفوذپذیری مغناطیسی نسبی فلزات در جدول 1 نشان داده شده است).

• بهینه‌سازی طراحی ساختار بدنه: استفاده از ساختار محافظ کاملاً بسته برای تضمین تماس و زمین‌دهی خوب هر سطح بدنه و افزایش اثر محافظ.

• تقویت درمان زمین‌دهی بدنه: تضمین اتصال زمین‌دهی قابل اعتماد بین بدنه و زمین، معرفی جریان‌های تحریکی به زمین و بهبود کارایی محافظ.

5 نتیجه‌گیری

این مقاله تحقیقات عمیقی درباره عملکرد EMC دستگاه‌های EVT انجام داده است، اصولی را از نظر طراحی مدار و طراحی ساختار داخلی پیشنهاد کرده و استراتژی‌هایی مانند طراحی ضد تداخل پورت‌های تغذیه، محافظت از پورت‌های سیگنال در برابر تخلیه الکتریکی و بهینه‌سازی محافظت بدنه تدوین کرده است. هدف این است که توانایی مقاومت در برابر تداخل و پایداری دستگاه‌های EVT در محیط‌های الکترومغناطیسی پیچیده را بهبود بخشد، اندازه‌گیری دقیق و قابل اعتماد سیگنال‌های ولتاژ در سیستم‌های برق را تضمین کند و پایه‌ای محکم برای عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های برق فراهم کند.