電磁兼容中的隔離技術(shù)
電磁兼容中的隔離技術(shù)
引言
電力電子設(shè)備包括兩部分,即變換部分與控制部分。前者屬于功率流強(qiáng)電范疇,后者屬于信息流弱電范疇。一般情況下前者是主電磁干擾源,后者是被干擾對象。為了使電力電子設(shè)備可靠地運(yùn)行,除了解決變換部分與控制部分之間的電氣隔離外,還要解決控制部分的抗電磁干擾的問題,特別是當(dāng)變換部分處于高電壓、強(qiáng)電流、高頻變換情況下尤其重要??垢蓴_問題實(shí)質(zhì)上是解決電力電子設(shè)備的電磁兼容問題。
隔離技術(shù)是電磁兼容性中的重要技術(shù)之一。下面將電磁兼容中的隔離技術(shù)分為磁電、光電、機(jī)電、聲電和浮地等幾種隔離方式加以敘述。
PART.02
磁電隔離技術(shù)
利用變壓器實(shí)現(xiàn)磁電隔離的基本原理
變壓器主要由繞在共同鐵心上的兩個(gè)或多個(gè)繞組組成。當(dāng)在一個(gè)繞組上加上交變電壓時(shí),由于電磁感應(yīng)而在其它繞組上感生交變電壓。因此變壓器的幾個(gè)繞組之間是通過交變磁場互相聯(lián)系的,在電路上是互相隔離的。其隔離的介電強(qiáng)度取決于幾個(gè)繞組之間以及它們對地的絕緣強(qiáng)度。
理想變壓器的特性
E1=4.44fN1Φm
E1/E2=U1/U2=N1/N2=n
式中:E1——變壓器原邊的感應(yīng)電勢;
E2——變壓器副邊的感應(yīng)電勢;
U1——變壓器原邊的電壓;
U2——變壓器副邊的電壓;
N1——變壓器原邊繞組的匝數(shù);
N2——變壓器副邊繞組的匝數(shù);
f——變壓器原邊電壓的頻率;
Φm——變壓器鐵心中磁通的峰值;
n——變壓器原副邊繞組的匝數(shù)比。
電流關(guān)系
I1/I2=N2/N1=1/n
式中:I1——變壓器原邊的電流;
I2——變壓器副邊的電流。
功率關(guān)系
P1=P2=U1I1=U2I2
式中:P1——變壓器原邊的輸入功率;
P2——變壓器副邊的輸出功率。
阻抗關(guān)系
副邊的阻抗為:
Z2=U2/I2 (5)
原邊的阻抗為:
Z1=U1/I1=n2U2/I2=n2Z2 (6)
式中:Z1——變壓器原邊的阻抗;
Z2——變壓器副邊的阻抗。
鐵心的導(dǎo)磁率
由于實(shí)際變壓器鐵心的導(dǎo)磁率并非無窮大,所以變壓器在空載時(shí)就存在激磁電流。如果鐵心材料的性能不好,則激磁電流占變壓器原邊輸入電流的比例將增大,變壓器副邊輸出電流將降低。
由于實(shí)際變壓器鐵心的導(dǎo)磁率并非常數(shù),因此將導(dǎo)致輸出波形的畸變。特別是當(dāng)鐵心飽和時(shí),鐵心的導(dǎo)磁率極大地降低,引起激磁電流急速增加,可能導(dǎo)致變壓器燒毀。
鐵心存在損耗
由于實(shí)際變壓器鐵心存在渦流損耗和磁滯損耗,這些損耗不僅導(dǎo)致變壓器的效率降低,而且引起鐵心發(fā)熱、甚至可能導(dǎo)致絕緣損壞。由于鐵心的渦流損耗和磁滯損耗都與電壓和頻率有關(guān),所以對不同的電壓和頻率,應(yīng)當(dāng)選擇不同的鐵心材料。
繞組存在電阻
由于實(shí)際變壓器的繞組存在電阻,故變壓器工作時(shí)繞組必將產(chǎn)生熱損耗。特別當(dāng)工作頻率較高時(shí),集膚效應(yīng)將導(dǎo)致繞組電阻增加,使發(fā)熱損耗增大。
由于實(shí)際變壓器繞組的散熱條件較差,所以應(yīng)當(dāng)注意變壓器的散熱和繞組導(dǎo)線電流密度的選取。
變壓器存在漏磁
變壓器的漏磁易對變壓器附近的元器件和導(dǎo)線形成干擾,為此,在選用變壓器作隔離時(shí),應(yīng)當(dāng)選擇漏磁小的變壓器,否則,應(yīng)對變壓器加強(qiáng)磁場屏蔽。
變壓器原、副邊間存在寄生電容
由于電源變壓器原、副邊間存在寄生電容,進(jìn)入電源變壓器原邊的高頻干擾能通過寄生電容耦合到的副邊。而在電源變壓器原、副邊間增加靜電屏蔽后,該屏蔽與繞組間形成新的分布電容,當(dāng)將屏蔽接地后,可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引回地,而起到抗電磁干擾的作用。
幾個(gè)繞組之間以及對地的絕緣強(qiáng)度
繞組之間以及對地的絕緣強(qiáng)度取決于需要隔離的耐壓水平。該耐壓水平包括工作電壓、電壓波動(dòng)、可能的瞬態(tài)過電壓以及為可靠工作而留有的余量。
工作頻率
工作頻率不僅對變壓器的鐵心損耗產(chǎn)生影響,而且變壓器的阻抗與頻率密切相關(guān)。比如:電感L的阻抗與頻率成正比,而電容C的阻抗與頻率成反比。
由于磁電隔離是通過變壓器而實(shí)現(xiàn)的,當(dāng)變壓器繞組間寄生電容較大時(shí),應(yīng)當(dāng)與屏蔽和接地技術(shù)相配合。
普通變壓器
普通變壓器在工頻場合只作為一般電源變壓器用,將某一等級的電壓和電流轉(zhuǎn)變成另一等級的電壓和電流,由于沒有采用任何特殊措施,對高頻的電路隔離效果較差。
隔離變壓器
由于普通變壓器繞組間的寄生電容較大(未加屏蔽層為nF級,加屏蔽為pF級),為了提高對高頻干擾的隔離效果,可以在普通變壓器繞組間增加一層屏蔽,并將該層屏蔽接地(接地線的長度應(yīng)盡量短,否則因接地線的阻抗分壓而使對干擾的衰減變差)而成為隔離變壓器。圖1為典型單屏蔽層隔離變壓器的對干擾的衰減。

如果在上述基礎(chǔ)上,再對變壓器的每個(gè)繞組都分別增加一層屏蔽,并將各繞組的屏蔽分別接到各繞組的低電位上,其隔離效果會(huì)更好。
脈沖變壓器
在電力電子設(shè)備中,脈沖變壓器多用于晶閘管觸發(fā)電路、間歇振蕩器和脈沖放大器的級間耦合。脈沖變壓器的主要參數(shù)為有效脈沖導(dǎo)磁率、起始導(dǎo)磁率、漏感、分布電容以及匝比等。
測量變壓器
一般測量用的變壓器是指電壓互感器和電流互感器。電壓互感器或電流互感器將強(qiáng)電的電壓或電流隔離并轉(zhuǎn)換為弱電的電壓或電流。測量變壓器的主要參數(shù)為絕緣電壓、電壓(或電流)的轉(zhuǎn)換比及其精度等。
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