Avec le développement rapide des systèmes électriques, les transformateurs de tension électroniques (EVTs), en tant que dispositifs de mesure clés dans les systèmes électriques, leur stabilité et fiabilité de performance sont cruciales pour le fonctionnement sûr et stable des systèmes électriques. La performance de compatibilité électromagnétique (CEM), l'un des indicateurs clés des EVTs, est directement liée à la capacité du dispositif à fonctionner normalement dans des environnements électromagnétiques complexes et à ne pas causer d'interférences électromagnétiques aux autres dispositifs. Mener des recherches et des conceptions approfondies sur la performance CEM des EVTs est d'une grande importance pour améliorer la stabilité et la sécurité globales des systèmes électriques.
1 Vue d'ensemble de la performance de compatibilité électromagnétique des transformateurs de tension électroniques
1.1 Définition et exigences de la compatibilité électromagnétique
La compatibilité électromagnétique (CEM) fait référence à la capacité d'un dispositif ou système à fonctionner normalement sans interférence dans un environnement électromagnétique spécifique et à ne pas causer d'harassment électromagnétique insupportable aux autres éléments de l'environnement. Pour les EVTs, ils doivent maintenir une performance de mesure stable dans des environnements électromagnétiques complexes et ne pas causer d'interférences électromagnétiques aux autres dispositifs. Par conséquent, lors des étapes de conception et de fabrication des EVTs, la performance CEM doit être prise en compte, et des mesures de protection correspondantes doivent être formulées.
1.2 Principe de fonctionnement des transformateurs de tension électroniques
Les EVTs utilisent le principe de l'induction électromagnétique et la technologie de mesure électronique de haute précision pour convertir les signaux de haute tension dans les systèmes électriques en signaux de basse tension. Ils sont généralement composés d'un capteur primaire, d'un circuit de conversion secondaire et d'une unité de traitement de signal. Le capteur primaire est responsable de la conversion des signaux de haute tension en signaux de courant/tension faibles proportionnels à la tension primaire ; le circuit de conversion secondaire convertit davantage ces signaux faibles en signaux numériques/analogue standard ; l'unité de traitement de signal améliore la précision et la stabilité de la mesure par des opérations telles que le filtrage, l'amplification et l'étalonnage. Les EVTs peuvent prendre diverses formes, comme des transformateurs de tension électroniques pour mesurer les tensions monocanaux/multicanaux, des transformateurs de courant électroniques pour mesurer les courants monocanaux/multicanaux, ou des transformateurs intégrés qui mesurent simultanément la tension unidirectionnelle, le courant et la puissance correspondante, comme illustré dans la Figure 1.
1.3 Analyse de l'harassment électromagnétique et de la sensibilité électromagnétique
Les EVTs sont vulnérables aux interferences électromagnétiques externes dans l'environnement électromagnétique, telles que les coups de foudre et les surtensions transitoires dues aux opérations de commutation, qui peuvent causer des problèmes tels qu'une augmentation des erreurs de mesure et une instabilité des données ; en même temps, les harmoniques de haute fréquence et le rayonnement électromagnétique générés par les EVTs eux-mêmes peuvent également interférer avec d'autres équipements électriques. Par conséquent, lors de la conception des EVTs, les problèmes d'harassment électromagnétique et de sensibilité électromagnétique doivent être pleinement pris en compte, et des mesures de suppression et de protection doivent être prises.
Le test de performance CEM des EVTs est un maillon clé pour assurer leur stabilité et précision dans le fonctionnement réel. Il se concentre sur la capacité anti-interférence et classe les normes d'évaluation en Classe A et Classe B selon la gravité des résultats de test :
2 Analyse des tests de performance de compatibilité électromagnétique des transformateurs de tension électroniques
2.1 Contenu des tests et normes d'évaluation
Classe A : Il exige que lorsque les EVTs sont soumis à des interferences électromagnétiques, la précision de mesure reste dans les limites spécifiées, et le signal de tension de sortie est cohérent avec la valeur réelle, sans affecter la surveillance et le contrôle du système électrique.
Classe B : Il permet une diminution temporaire de la performance de mesure (la partie non liée à la protection) des EVTs, mais il ne doit pas affecter l'exécution des fonctions de protection, et l'équipement n'a pas besoin d'être réinitialisé/redémarré ; la tension de sortie doit être contrôlée dans une plage de 500V pour éviter d'interférer avec le système électrique.
2.2 Tests d'interference conduite
L'interference conduite se propage par des voies conductrices telles que des fils et des tuyaux métalliques, et est l'un des principaux types d'harassment électromagnétique auxquels les EVTs sont confrontés. Il comprend deux types de tests :
Test d'impulsions rapides/transitoires : Simule l'harassment transitoire (avec un large spectre de fréquences) lorsque des charges inductives telles que des relais et des contacteurs sont déconnectés. Applique un train d'impulsions rapides à l'EVT, observe la stabilité et la précision du signal de tension de sortie, et évalue la capacité anti-interférence.
Test d'immunité aux surtensions (impact) : Simule les surtensions/surintensités transitoires causées par les opérations de commutation et les coups de foudre (avec une grande énergie et une courte durée). Applique une surtension d'une certaine amplitude à l'EVT pour tester la capacité de résistance et la stabilité de performance de l'équipement.
2.3 Tests d'interference rayonnée
Il comprend quatre types de tests pour simuler les interferences dans différents environnements électromagnétiques :
Test d'immunité au champ magnétique de fréquence secteur : Applique un champ magnétique de fréquence secteur d'une certaine intensité à l'EVT, observe la stabilité et la précision du signal de tension de sortie, et évalue la capacité anti-interférence dans l'environnement de champ magnétique de fréquence secteur.
Test d'immunité au champ magnétique oscillatoire amorti : Simule le champ magnétique oscillatoire amorti (avec une atténuation rapide et une fréquence élevée) généré lorsque le disjoncteur dans une sous-station haute tension commutera la barre. Applique le champ magnétique correspondant à l'EVT pour tester la stabilité de la performance de mesure.
Test d'immunité au champ magnétique pulsé : Simule le champ magnétique pulsé (avec une montée rapide et une valeur de crête élevée) généré par les coups de foudre sur les composants métalliques. Applique un champ magnétique pulsé à l'EVT pour vérifier si la performance d'isolation et la précision de mesure de l'équipement sont affectées.
Test d'immunité au champ électromagnétique rayonné radiofréquence : Simule le rayonnement parasite provenant des sources électromagnétiques industrielles, des stations de radio/communications mobiles, etc. Applique un champ électromagnétique radiofréquence d'une certaine intensité à l'EVT, observe la stabilité du signal de sortie, et évalue la capacité anti-interférence.
3 Principes de conception de la compatibilité électromagnétique des transformateurs de tension électroniques
3.1 Principes de conception de circuit
Conception de terre flottante : Adopte la technologie de terre flottante pour isoler les lignes de signal de circuit de la carcasse, bloquer le couplage des courants d'interférence sur la carcasse vers le circuit de signal, réduire le bruit et améliorer la précision et la stabilité du signal.
Disposition de câblage raisonnable : Optimise la disposition des alimentations, des masses et des lignes de signal. Réduit la distribution parallèle des lignes et minimise le couplage d'interférence entre les lignes par des méthodes telles que le câblage en couches et le câblage orthogonal.
Conception de condensateur de filtrage : Configure des condensateurs de filtrage à l'entrée de l'alimentation du module. Sélectionne les condensateurs en fonction de facteurs tels que la valeur de capacité, la résistance à la tension et les caractéristiques de fréquence pour filtrer le bruit et l'interférence de haute fréquence introduits par l'alimentation.
Conception de logique de bas niveau : Donne la priorité aux dispositifs de logique de bas niveau (comme les dispositifs de niveau 3.3V) pour éviter les niveaux de logique élevés inutiles, réduire la consommation de puissance du circuit et la génération d'interférence de haute fréquence.
Contrôle du temps de montée/descente : Sélectionne le temps de montée/descente le plus lent permis par la fonction du circuit pour supprimer les composants de haute fréquence inutiles, réduire le bruit de haute fréquence dans le circuit et améliorer la stabilité et la précision du signal.
3.2 Principes de conception de la structure interne
Structure de blindage entièrement fermée : La coque de la carcasse adopte une conception de blindage entièrement fermée pour assurer un bon contact et un bon raccordement à la terre de chaque surface, bloquer efficacement l'interférence du champ électromagnétique externe et protéger les circuits électroniques internes.
Minimisation des câbles exposés : Raccourcit la longueur des câbles exposés dans la carcasse en optimisant la disposition et en arrangeant raisonnablement les composants pour réduire le rayonnement électromagnétique et le couplage d'interférence.
Regroupement des câbles : Regroupe les câbles en fonction des types de signaux (sépare les signaux numériques et analogiques), et maintient une certaine distance pour réduire l'influence mutuelle entre les câbles et améliorer la clarté et la précision du signal.
Collage adhésif conducteur : Utilise un adhésif conducteur pour le collage à l'interface de la carcasse pour assurer la connexion électrique et l'effet de blindage, réduire la résistance de contact et améliorer l'efficacité de blindage.
4 Stratégies pour améliorer la performance de compatibilité électromagnétique des transformateurs de tension électroniques
4.1 Conception anti-interférence des ports d'alimentation
Installation de filtres d'alimentation : Sélectionne des filtres d'alimentation appropriés en fonction de la puissance nominale et de l'environnement de travail de l'EVT, et les installe près de l'entrée d'alimentation pour filtrer le bruit de haute fréquence et les impulsions transitoires et assurer la pureté de l'alimentation.
Adoption d'une conception d'alimentation redondante : Configure plusieurs modules d'alimentation. Lorsqu'un module unique tombe en panne, les modules restants prennent rapidement le relais de l'alimentation, améliorant ainsi la fiabilité de l'alimentation, la capacité anti-interférence et la stabilité globale de l'EVT.
Renforcement du blindage et du raccordement à la terre des lignes d'alimentation : Utilise des câbles blindés pour envelopper les lignes d'alimentation pour réduire le rayonnement électromagnétique et le couplage ; assure un bon raccordement à la terre des lignes, introduit les courants d'interférence dans le sol, et évite d'endommager l'EVT.
4.2 Protection contre la décharge électrostatique des ports de signal
Installation de dispositifs d'absorption d'harassment transitoire : Sélectionne des diodes de suppression de tension transitoire (TVS) appropriées, des varistances, et d'autres dispositifs. Ces dispositifs peuvent absorber rapidement l'énergie lors de la décharge électrostatique, contrôler la tension dans une plage sûre, et protéger les composants électroniques internes.
Adoption de la méthode de transmission de signal différentiel : Divise le signal en canaux positif et négatif pour la transmission différentielle. Utilise la différence de signal entre les canaux pour extraire les informations efficaces, résister à l'interférence de mode commun, améliorer la qualité de transmission du signal et réduire l'interférence de la décharge électrostatique.
4.3 Optimisation de la performance de blindage de la carcasse
Sélection de matériaux à haute perméabilité magnétique : Donne la priorité aux matériaux à haute perméabilité magnétique tels que les plaques d'acier pour fabriquer la carcasse, renforce la capacité de blindage du champ magnétique, absorbe et disperse l'énergie du champ magnétique, et réduit l'interférence à l'intérieur de l'EVT (la perméabilité magnétique relative des métaux est indiquée dans le Tableau 1).
Optimisation de la conception de la structure de la carcasse : Adopte une structure de blindage entièrement fermée pour assurer un bon contact et un bon raccordement à la terre de chaque surface de la carcasse et renforcer l'effet de blindage.
Renforcement du traitement de raccordement à la terre de la carcasse : Assure une connexion de raccordement à la terre fiable entre la carcasse et le sol, introduit les courants d'interférence dans le sol, et améliore l'efficacité de blindage.
5 Conclusion
Ce document mène une recherche approfondie sur la performance CEM des EVTs, propose des principes de conception de circuit et de structure interne, et formule des stratégies telles que la conception anti-interférence des ports d'alimentation, la protection électrostatique des ports de signal et l'optimisation du blindage de la carcasse. L'objectif est d'améliorer la capacité anti-interférence et la stabilité des EVTs dans des environnements électromagnétiques complexes, d'assurer leur mesure précise et fiable des signaux de tension dans les systèmes électriques, et de poser une base solide pour le fonctionnement sûr et stable des systèmes électriques.
