Sa brzim razvojem električnih sistema, elektronski transformatori napona (EVT) kao ključni merni uređaji u električnim sistemima, njihova performansa, stabilnost i pouzdanost su od ključne važnosti za bezbednu i stabilnu operaciju električnih sistema. Performanse elektromagnetske kompatibilnosti (EMC), kao jedan od ključnih pokazatelja EVTa, direktno se odnose na sposobnost uređaja da normalno rade u složenim elektromagnetskim okruženjima i da ne dozvole elektromagnetsku interferenciju drugim uređajima. Duboka istraživanja i dizajn EMC performansi EVTa imaju veliku značaj za poboljšanje ukupne stabilnosti i bezbednosti električnih sistema.
1 Pregled performansi elektromagnetske kompatibilnosti elektronskih transformatora napona
1.1 Definicija i zahtevi elektromagnetske kompatibilnosti
Elektromagnetska kompatibilnost (EMC) se odnosi na sposobnost uređaja ili sistema da normalno rade bez interferencije u određenom elektromagnetskom okruženju i da ne uzrokuju neprijelaznu elektromagnetsku smetnju drugim stvarima u tom okruženju. Za EVTe, potrebno je da održavaju stabilnu merne performanse u složenim elektromagnetskim okruženjima i da ne uzrokuju elektromagnetsku interferenciju drugim uređajima. Stoga, tokom faza dizajna i proizvodnje EVTa, mora se uzeti u obzir EMC performanse i formulirati odgovarajuće zaštite.
1.2 Radni princip elektronskih transformatora napona
EVT koriste princip elektromagnetske indukcije i visokoprecizne elektronske mernih tehnologija kako bi pretvorili visokonaponske signale u električnim sistemima u niskonaponske signale. Obično se sastoje od primarnog senzora, sekundarnog konverzijskog kruga i jedinice za obradu signala. Primarni senzor je odgovoran za pretvaranje visokonaponskih signala u slabe strujne/naponske signale proporcionalne primarnom naponu; sekundarni konverzijski krug dalje pretvara slabe signale u standardne digitalne/analogne signale; jedinica za obradu signala unapređuje preciznost i stabilnost mere kroz operacije poput filtriranja, pojačavanja i kalibracije. EVT može pokrivati različite forme, kao što su elektronski transformatori napona za merenje jednokanalnih/višekanalnih napona, elektronski transformatori struje za merenje jednokanalnih/višekanalnih struja, ili integrirani transformatori koji istovremeno meri jednosmjerne napon, struju i odgovarajuću snagu, kao što je prikazano na Slici 1.
1.3 Analiza elektromagnetske smetnje i elektromagnetske osjetljivosti
EVT su podložni vanjskoj elektromagnetskoj smetnji u elektromagnetskom okruženju, kao što su udari munje i privremene prenapone iz operacija sa prekidaci, što može dovesti do problema poput povećane greške mere i nestabilnih podataka; u isto vreme, visokofrekventne harmonike i elektromagnetska radijacija generisana od strane samih EVT-ova takođe mogu smetati drugim električnim uređajima. Stoga, prilikom dizajna EVT, potrebno je dovoljno uzeti u obzir probleme elektromagnetske smetnje i elektromagnetske osjetljivosti, te poduzeti supresivne i zaštitne mere.
Testovi EMC performansi EVT su ključni elementi za osiguranje njihove stabilnosti i tačnosti u stvarnoj operaciji. Fokusiraju se na sposobnost otpornosti na smetnje i klasificiraju ocene u Klasu A i Klasu B prema težini rezultata testiranja:
2 Analiza testova performansi elektromagnetske kompatibilnosti elektronskih transformatora napona
2.1 Test sadržaj i standardi procene
Klasa A: Zahteva da kada EVT budu izloženi elektromagnetskoj smetnji, tačnost mere ostane unutar specifikacija, a izlazni naponski signal bude u skladu sa stvarnom vrednošću, bez uticaja na nadgledanje i kontrolu električnog sistema.
Klasa B: Dozvoljava privremeno smanjenje performansi mere (dele ne vezanog za zaštitu) EVT, ali ne sme uticati na izvršenje funkcija zaštite, a oprema ne treba da se resetuje/pokrene ponovo; izlazni napon mora biti kontrolisan unutar 500V kako bi se spriječila smetnja električnog sistema.
2.2 Testovi provodne interferencije
Provodna interferencija širi se putem provodnih puteva, kao što su žice i metalne cevi, i predstavlja jedan od glavnih tipova elektromagnetske smetnje kojoj su izloženi EVT. Uključuje dva tipa testova:
Test brzih transijentnih talasa/eksplozija: Simulira privremenu smetnju (sa širokim spektrom frekvencija) prilikom isključivanja induktivnih opterećenja, kao što su releji i kontaktori. Primenjuje brz transijentni buk na EVT, posmatra stabilnost i tačnost izlaznog naponskog signala, i procenjuje sposobnost otpornosti na smetnju.
Test imunosti na talas (udar): Simulira privremene prenapone/prestruje koje nastaju iz operacija sa prekidaci i udara munje (sa velikom energijom i kratkim trajanjem). Primenjuje talasni napon od određene amplitudine na EVT kako bi se testirao izdržljivost i stabilnost performansi opreme.
2.3 Testovi emitirane interferencije
Uključuje četiri tipa testova kako bi se simulirale smetnje u različitim elektromagnetskim okruženjima:
Test imunosti na magnetsko polje strujnog frekvencijskog: Primenjuje magnetsko polje strujne frekvencije od određene intenziteta na EVT, posmatra stabilnost i tačnost izlaznog naponskog signala, i procenjuje sposobnost otpornosti na smetnju u okruženju magnetskog polja strujne frekvencije.
Test imunosti na gasiti oscilatorno magnetsko polje: Simulira gasiti oscilatorno magnetsko polje (sa brzim opadanjem i visokom frekvencijom) generisano kada disjunktor u visokonaponskoj postaji prebacuje bus. Primenjuje odgovarajuće magnetsko polje na EVT kako bi se testirala stabilnost mere performansi.
Test imunosti na impulsnog magnetsko polje: Simulira impulsnog magnetsko polje (sa brzim porastom i visokim vrhunskim vrednošću) generisano od udara munje na metalne komponente. Primenjuje impulsnog magnetsko polje na EVT kako bi se verifikovalo da li je izolativna performansa i tačnost mere opreme uticane.
Test imunosti na radiofrekvencijsko emitirano elektromagnetsko polje: Simulira parazitsku radijaciju iz industrijskih elektromagnetskih izvora, radijskih emisija/baznih stanica mobilne komunikacije itd. Primenjuje radiofrekvencijsko elektromagnetsko polje od određene intenziteta na EVT, posmatra stabilnost izlaznog signala, i procenjuje sposobnost otpornosti na smetnju.
3 Principi dizajna elektromagnetske kompatibilnosti elektronskih transformatora napona
3.1 Principi dizajna krugova
Dizajn plivačeg zemljišta: Koristi tehnologiju plivačeg zemljišta kako bi izolovao signalne linije kruga od kućišta, blokirao kupleovanje smetnji struje na kućištu na signalni krug, smanjio šum i poboljšao tačnost i stabilnost signala.
Razumno raspoređivanje žica: Optimalizuje raspoređivanje napajanja, zemljišta i signalnih linija. Smanjuje paralelnu distribuciju linija i minimalizira kupleovanu interferenciju između linija putem metoda poput slojevitog raspoređivanja i ortogonalnog raspoređivanja.
Dizajn filter kapacitance: Konfiguriše filter kapacitore na ulazu modula napajanja. Izabire kapacitore na osnovu faktora kao što su vrednost kapacitance, otpornost na napon i karakteristike frekvencije kako bi filtrirao visokofrekventni šum i interferenciju uvedenu napajanjem.
Nizkonivo logički dizajn: Daje prioritet nizkonivo logičkim uređajima (poput 3.3V nivoa uređaja) kako bi se izbegli nepotrebnih visoki logički nivo, smanjio potrošnju struje kruga i generisanje visokofrekventne interferencije.
Kontrola vremena uspona/opadanja: Izabire najsporije dopušteno vreme uspona/opadanja funkcije kruga kako bi se suzbijali nepotrebni visokofrekventni komponenti, smanjio visokofrekventni šum u krugu i poboljšao stabilnost i tačnost signala.
3.2 Principi dizajna interne strukture
Potpuno zatvorena štitna struktura: Kućište koristi potpuno zatvoreni štitni dizajn kako bi osiguralo dobar kontakt i zemljište svake površine, efektivno blokiralo vanjsku elektromagnetsku polje smetnju, i zaštitilo interne elektronske krugove.
Minimizacija izloženih žica: Skraćuje dužinu izloženih žica u kućištu optimizacijom raspoređivanja i razumno raspoređivanjem komponenti kako bi se smanjila elektromagnetska radijacija i kupleovana interferencija.
Grupno svežanje žica: Sveže žice prema tipovima signala (razdvojite digitalne signale i analogni signale), i održavajte određenu razdaljinu kako bi se smanjio međusobni uticaj žica i poboljšala jasnoća i tačnost signala.
Lepljenje vodljivim lepljivcem: Koristi vodljivi lepljivac za lepljenje na interfejsu kućišta kako bi se osigurala električna veza i efekt štita, smanjio kontakt otpor, i poboljšao efikasnost štita.
4 Strategije za poboljšanje performansi elektromagnetske kompatibilnosti elektronskih transformatora napona
4.1 Anti-interferencioni dizajn napajanja porta
Instalirajte filtre napajanja: Izaberite odgovarajuće filtre napajanja na osnovu nominalne snage i radnog okruženja EVT-a, i instalirajte ih blizu ulaza napajanja kako bi se filtrirali visokofrekventni šum i privremene talase i osigurala čistoća napajanja.
Usvajanje redundantnog dizajna napajanja: Konfigurišite više modula napajanja. Kada jedan modul izneša, preostali moduli brzo preuzeću napajanje, poboljšavajući pouzdanost napajanja, otpornost na smetnju i ukupnu stabilnost EVT-a.
Jačanje štita i zemljišta napajanja: Koristi štitne kable za obavljanje napajanja kako bi se smanjila elektromagnetska radijacija i kupleovanje; osigurajte dobro zemljište linija, uvodite smetnju struje u zemljište, i izbegnite oštećenje EVT-a.
4.2 Zaštita od statičkog elektriciteta signala porta
Instalirajte uređaje za apsorpciju privremenih smetnji: Izaberite odgovarajuće diode za suzbijanje privremenih napona (TVS), varistori i drugi uređaji. Ovi uređaji mogu brzo apsorbirati energiju tijekom statičkog elektriciteta, kontrolirati napon unutar sigurnog opsega, i zaštititi interne elektronske komponente.
Usvajanje metode diferencijalne prenose signala: Podijelite signal na pozitivne i negativne kanale za diferencijalnu prenos. Koristi razliku signala između kanala kako bi se ekstrahirala efektivna informacija, otupio zajednički-mod interferencija, poboljšao kvalitet prenosa signala, i smanjio interferenciju statičkog elektriciteta.
4.3 Optimizacija performansi štita kućišta
Izaberite materijale visoke permeabilnosti: Dajte prioritet materijalima visoke magnetne permeabilnosti, kao što su gvozdene ploče, za izradu kućišta, jačajući sposobnost štita magnetskog polja, apsorbirajući i disperzirajući energiju magnetskog polja, i smanjujući interferenciju unutrašnjosti EVT-a (relativna magnetna permeabilnost metala prikazana je u Tabeli 1).
Optimizacija dizajna strukture kućišta: Usvajate potpuno zatvorenu štitnu strukturu kako bi se osigurala dobra kontaktna površina i zemljište svake površine kućišta i jačana efekt štita.
Jačanje obrade zemljišta kućišta: Osigurajte pouzdanu električnu vezu između kućišta i zemljišta, uvodite smetnju struje u zemljište, i poboljšajte efikasnost štita.
5 Zaključak
Ovaj rad provede duboko istraživanje performansi EMC EVT-a, predlaže principi sa aspekata dizajna krugova i interne strukture, i formuliše strategije kao što su anti-interferencioni dizajn porta napajanja, zaštita od statičkog elektriciteta signala porta, i optimizacija performansi štita kućišta. Cilj je poboljšati otpornost na smetnju i stabilnost EVT-a u složenim elektromagnetskim okruženjima, osigurati tačnu i pouzdanu meru naponskih signala u električnim sistemima, i stvoriti čvrstu temeljicu za bezbednu i stabilnu operaciju električnih sistema.
