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電子電圧トランスフォーマの電磁適合性能設計

Dyson
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フィールド: 電気規格
China

電力システムの急速な発展に伴い、電子電圧変換器(EVTs)は、電力システムにおける重要な測定装置であり、その性能の安定性と信頼性は、電力システムの安全かつ安定した動作にとって重要です。電磁適合性(EMC)性能は、EVTsのコア指標の一つであり、複雑な電磁環境下で正常に動作する能力や他の装置に対する電磁干渉を引き起こすかどうかに関連しています。EVTsのEMC性能に関する深く設計を行うことは、電力システム全体の安定性と安全性を向上させる上で非常に意義があります。

1 電子電圧変換器の電磁適合性性能の概要
1.1 電磁適合性の定義と要件

電磁適合性(EMC)とは、特定の電磁環境下で装置またはシステムが干渉を受けずに正常に動作し、環境内の他のものに対して耐えられない電磁妨害を引き起こさない能力を指します。EVTsは、複雑な電磁環境下でも安定した測定性能を維持し、他の装置に対して電磁干渉を引き起こさないようにする必要があります。そのため、EVTsの設計および製造段階では、EMC性能を考慮し、対応する保護措置を策定する必要があります。

1.2 電子電圧変換器の動作原理

EVTsは、電磁誘導の原理と高精度な電子測定技術を使用して、電力システムの高電圧信号を低電圧信号に変換します。通常、一次センサー、二次変換回路、および信号処理ユニットで構成されています。一次センサーは、一次電圧に比例する弱い電流/電圧信号に高電圧信号を変換する役割を担います。二次変換回路は、弱い信号を標準的なデジタル/アナログ信号にさらに変換します。信号処理ユニットは、フィルタリング、増幅、キャリブレーションなどの操作を通じて測定の精度と安定性を向上させます。EVTsには、単一チャネル/複数チャネル電圧を測定する電子電圧変換器、単一チャネル/複数チャネル電流を測定する電子電流変換器、または図1に示すように一方向の電圧、電流、およびそれに対応する電力を同時に測定する統合変換器など、さまざまな形式があります。

1.3 電磁妨害と電磁感度の分析

EVTsは、雷による打撃やスイッチ操作による瞬間的な過電圧などの外部電磁妨害に脆弱であり、これが測定誤差の増大やデータの不安定化などの問題を引き起こす可能性があります。また、EVTs自体が生成する高周波ハーモニクスや電磁放射も他の電気機器に干渉する可能性があります。したがって、EVTsの設計時には、電磁妨害と電磁感度の問題を十分に考慮し、抑制と保護措置を講じる必要があります。

EVTsのEMC性能試験は、実際の運用において安定性と正確性を確保するための鍵となる要素です。これは、耐干渞性に焦点を当て、試験結果の厳しさに基づいて評価基準をクラスAとクラスBに分類します:

2 電子電圧変換器の電磁適合性性能試験の分析
2.1 試験内容と評価基準

  • クラスA:EVTsが電磁妨害を受ける場合でも、測定精度が仕様範囲内に保たれ、出力電圧信号が実際の値と一致し、電力システムの監視と制御に影響を与えないことを要求します。

  • クラスB:EVTsの測定性能(保護に関連しない部分)の一時的な低下を許容しますが、保護機能の実行には影響を与えてはならず、装置のリセット/再起動は必要ありません。出力電圧は500V以内に制御され、電力システムへの干渉を避ける必要があります。

2.2 導線干渉試験

導線干渉は、配線や金属管などの導電経路を通じて伝播し、EVTsが直面する主な電磁妨害の一つです。以下の2種類の試験が含まれます:

  • 電気的高速トランジェント/バースト試験:リレー、コンタクターなどのインダクティブ負荷が切断される際に生じる瞬間的な妨害(広い周波数スペクトルを持つ)をシミュレートします。EVTに高速トランジェントバーストを適用し、出力電圧信号の安定性と正確性を観察し、耐干渞性を評価します。

  • サージ(インパクト)耐性試験:スイッチ操作や雷による瞬間的な過電圧/過電流(大エネルギーで短時間)をシミュレートします。EVTに一定の振幅のサージ電圧を適用し、装置の耐えられる能力と性能の安定性をテストします。

2.3 放射干渉試験

異なる電磁環境での妨害をシミュレートする4種類の試験が含まれます:

  • 商用周波数磁場耐性試験:EVTに一定の強度の商用周波数磁場を適用し、出力電圧信号の安定性と正確性を観察し、商用周波数磁場環境下での耐干渞性を評価します。

  • 減衰振動磁場耐性試験:高電圧変電所の分離器が母線を切り替える際に生成される減衰振動磁場(急速に減衰し高周波)をシミュレートします。EVTに該当する磁場を適用し、測定性能の安定性をテストします。

  • パルス磁場耐性試験:雷が金属部品に打撃を与えた際に生成されるパルス磁場(急速に上昇し高いピーク値を持つ)をシミュレートします。EVTにパルス磁場を適用し、装置の絶縁性能と測定精度が影響を受けているかどうかを確認します。

  • 無線周波数放射電磁場耐性試験:産業用電磁源、ラジオ放送/携帯通信基地局からの寄生放射をシミュレートします。EVTに一定の強度の無線周波数電磁場を適用し、出力信号の安定性を観察し、耐干渞性を評価します。

3 電子電圧変換器の電磁適合性の設計原則
3.1 回路設計原則

  • フローティンググランド設計:フローティンググランド技術を採用して、回路信号線をシャーシから絶縁し、シャーシ上の妨害電流が信号回路に結合することを防ぎ、ノイズを減少させ、信号の正確性と安定性を向上させます。

  • 適切な配線レイアウト:電源、グランド、信号線の配置を最適化します。配線の並列分布を減らし、層状配線や直交配線などの方法を通じて線間の結合干渉を最小限に抑えます。

  • フィルターキャパシタ設計:モジュール電源の入力端にフィルターキャパシタを配置します。容量値、耐電圧、周波数特性などの要因に基づいてキャパシタを選択し、電源から導入される高周波ノイズと干渉をフィルタリングします。

  • 低レベル論理設計:低レベル論理デバイス(例えば3.3Vレベルデバイス)を優先的に使用し、不要な高レベル論理を避け、回路の消費電力と高周波干渉の生成を減少させます。

  • 立ち上がり/立ち下がり時間制御:回路機能によって許容される最も遅い立ち上がり/立ち下がり時間を選択し、不要な高周波成分を抑制し、回路内の高周波ノイズを減少させ、信号の安定性と正確性を向上させます。

3.2 内部構造設計原則

  • 完全閉鎖型シールド構造:シャーシの外殻は完全閉鎖型シールド設計を採用し、各面の良好な接触と接地を確保し、外部の電磁場干渉を効果的に遮断し、内部の電子回路を保護します。

  • 露出配線の最小化:シャーシ内の露出配線の長さを最適化されたレイアウトと合理的な部品配置によって短縮し、電磁放射と結合干渉を減少させます。

  • ワイヤーのグループ束ね:信号タイプ(デジタル信号とアナログ信号を分ける)に応じてワイヤーを束ね、一定の距離を保ち、ワイヤー間の相互影響を減らし、信号の明瞭さと正確性を向上させます。

  • 導電性接着剤接合:シャーシインターフェースで導電性接着剤を使用して接合し、電気的接続とシールド効果を確保し、接触抵抗を減少させ、シールド効率を向上させます。

4 電子電圧変換器の電磁適合性性能の改善戦略
4.1 電源ポートの耐干渉設計

  • 電源フィルタの設置:EVTの定格電力と作業環境に応じて適切な電源フィルタを選択し、電源入口近くに設置して高周波ノイズと瞬間的なパルスをフィルタリングし、電源の純度を確保します。

  • 冗長電源設計の採用:複数の電源モジュールを構成します。単一モジュールが故障した場合、残りのモジュールが迅速に電源供給を引き継ぎ、EVTの電源供給の信頼性、耐干渉性、および全体的な安定性を向上させます。

  • 電源線のシールドと接地の強化:電源線をシールドケーブルで包み、電磁放射と結合を減少させます。線路の良好な接地を確保し、妨害電流を地面に導き、EVTを損傷から保護します。

4.2 信号ポートの静電気放電保護

  • 瞬間的な妨害吸収デバイスの設置:適切な瞬間電圧抑制ダイオード(TVS)、バリスタなどのデバイスを選択します。これらのデバイスは、静電気放電時に急速にエネルギーを吸収し、電圧を安全な範囲内に制御し、内部の電子部品を保護します。

  • 差動信号伝送方式の採用:信号を正と負のチャネルに分割して差動伝送します。チャネル間の信号差を利用して有効情報を抽出し、共通モード干渉に抵抗し、信号伝送の品質を向上させ、静電気放電の干渉を減少させます。

4.3 シャーシシールド性能の最適化

  • 高透磁率材料の選択:鉄板などの高透磁率材料を優先的に使用してシャーシを作ります。磁場シールド能力を強化し、磁場エネルギーを吸収・分散し、EVT内部への干渉を減少させます(金属の相対透磁率は表1に示されています)。

  • シャーシ構造設計の最適化:完全閉鎖型シールド構造を採用し、シャーシの各面の良好な接触と接地を確保し、シールド効果を強化します。

  • シャーシ接地処理の強化:シャーシと地面との間に確実な接地接続を確保し、妨害電流を地面に導き、シールド効率を向上させます。

5 結論

本論文では、EVTsのEMC性能について深く研究し、回路設計と内部構造設計の観点から原則を提案し、電源ポートの耐干渉設計、信号ポートの静電気保護、シャーシシールドの最適化などの戦略を策定しました。これらは、複雑な電磁環境下でEVTsの耐干渉性と安定性を向上させ、電力システムにおける電圧信号の正確かつ信頼性のある測定を確保し、電力システムの安全かつ安定した運転の堅固な基礎を築くことを目指しています。

著者へのチップと励まし
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