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电磁兼容中隔离技术在电力电子的应用

來源: 世强 2020/1/14 流覽量:246 關鍵字: 电磁兼容 隔离技术 电力电子设备

电力电子设备包括两部分,即变换部分与控制部分。前者属于功率流强电范畴,后者属于信息流弱电范畴。一般情况下前者是主电磁干扰源,后者是被干扰对象。为了使电力电子设备可靠地运行,除了解决变换部分与控制部分之间的电气隔离外,还要解决控制部分的抗电磁干扰的问题,特别是当变换部分处于高电压、强电流、高频变换情况下尤其重要。抗干扰问题实质上是解决电力电子设备的电磁兼容问题。

隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。下面将叙述电磁兼容中的磁电隔离技术。

1、利用变压器实现磁电隔离的基本原理

变压器主要由绕在共同铁心上的两个或多个绕组组成。当在一个绕组上加上交变电压时,由于电磁感应而在其它绕组上感生交变电压。因此变压器的几个绕组之间是通过交变磁场互相联系的,在电路上是互相隔离的。其隔离的介电强度取决于几个绕组之间以及它们对地的绝缘强度。

2、理想变压器的特性

理想变压器是假定变压器绕组的电阻为零;变压器的漏磁为零;铁心的损耗为零以及铁心的导磁率为无穷大。

2.1、电压关系

E1=4.44fN1Φm

E1/E2=U1/U2=N1/N2=n

式中:E1——变压器原边的感应电势;

E2——变压器副边的感应电势;

U1——变压器原边的电压;

U2——变压器副边的电压;

N1——变压器原边绕组的匝数;

N2——变压器副边绕组的匝数;

f——变压器原边电压的频率;

Φm——变压器铁心中磁通的峰值;

n——变压器原副边绕组的匝数比。

2.2电流关系

I1/I2=N2/N1=1/n

式中:I1——变压器原边的电流;

I2——变压器副边的电流。

2.3功率关系

P1=P2=U1I1=U2I2

式中:P1——变压器原边的输入功率;

P2——变压器副边的输出功率。

2.4阻抗关系

副边的阻抗为:

Z2=U2/I2

原边的阻抗为:

Z1=U1/I1=n2U2/I2=n2Z2

式中:Z1——变压器原边的阻抗;

Z2——变压器副边的阻抗。

3、实际变压器

3.1铁心的导磁率

因为实际变压器铁心的导磁率并非无穷大,所以变压器在空载时就存在激磁电流。如果铁心材料的性能不好,则激磁电流占变压器原边输入电流的比例将增大,变压器副边输出电流将降低。

由于实际变压器铁心的导磁率并非常数,因此将导致输出波形的畸变。特别是当铁心饱和时,铁心的导磁率极大地降低,引起激磁电流急速增加,可能导致变压器烧毁。

3.2铁心存在损耗

由于实际变压器铁心存在涡流损耗和磁滞损耗,这些损耗不仅导致变压器的效率降低,而且引起铁心发热、甚至可能导致绝缘损坏。由于铁心的涡流损耗和磁滞损耗都与电压和频率有关,所以对不同的电压和频率,应当选择不同的铁心材料。

3.3绕组存在电阻

由于实际变压器的绕组存在电阻,故变压器工作时绕组必将产生热损耗。特别当工作频率较高时,集肤效应将导致绕组电阻增加,使发热损耗增大。

由于实际变压器绕组的散热条件较差,所以应当注意变压器的散热和绕组导线电流密度的选取。

3.4变压器存在漏磁

变压器的漏磁易对变压器附近的元器件和导线形成干扰,为此,在选用变压器作隔离时,应当选择漏磁小的变压器,否则,应对变压器加强磁场屏蔽。

3.5变压器原、副边间存在寄生电容

由于电源变压器原、副边间存在寄生电容,进入电源变压器原边的高频干扰能通过寄生电容耦合到的副边。而在电源变压器原、副边间增加静电屏蔽后,该屏蔽与绕组间形成新的分布电容,当将屏蔽接地后,可以将高频干扰通过这一新的分布电容引回地,而起到抗电磁干扰的作用。

3.6几个绕组之间以及对地的绝缘强度

绕组之间以及对地的绝缘强度取决于需要隔离的耐压水平。该耐压水平包括工作电压、电压波动、可能的瞬态过电压以及为可靠工作而留有的余量。

3.7工作频率

工作频率不仅对变压器的铁心损耗产生影响,而且变压器的阻抗与频率密切相关。比如:电感 L 的阻抗与频率成正比,而电容 C 的阻抗与频率成反比。

由于磁电隔离是通过变压器而实现的,当变压器绕组间寄生电容较大时,应当与屏蔽和接地技术相配合。

4、变压器的种类和应用

4.1普通变压器

普通变压器在工频场合只作为一般电源变压器用,将某一等级的电压和电流转变成另一等级的电压和电流,由于没有采用任何特殊措施,对高频的电路隔离效果较差。

4.2隔离变压器

由于普通变压器绕组间的寄生电容较大(未加屏蔽层为 nF 级,加屏蔽为 pF 级),为了提高对高频干扰的隔离效果,可以在普通变压器绕组间增加一层屏蔽,并将该层屏蔽接地(接地线的长度应尽量短,否则因接地线的阻抗分压而使对干扰的衰减变差)而成为隔离变压器。

图1为单屏蔽层隔离变压器的典型对干扰的衰减能力

如果在上述基础上,再对变压器的每个绕组都分别增加一层屏蔽,并将各绕组的屏蔽分别接到各绕组的低电位上,其隔离效果会更好。

4.3脉冲变压器

在电力电子设备中,脉冲变压器多用于晶闸管触发电路、间歇振荡器和脉冲放大器的级间耦合。脉冲变压器的主要参数为有效脉冲导磁率、起始导磁率、漏感、分布电容以及匝比等。

4.4测量变压器

一般测量用的变压器是指电压互感器和电流互感器。电压互感器或电流互感器将强电的电压或电流隔离并转换为弱电的电压或电流。测量变压器的主要参数为绝缘电压、电压(或电流)的转换比及其精度等。

5、霍尔传感器

霍尔传感器是利用霍尔效应进行电磁测量的器件,由于磁场的介入而实现电的隔离。霍尔传感器具有精度高、线性度好、动态性能好、频率响应宽和寿命长等优点。

6、总结

综上所述,采用电磁兼容中的隔离技术的主要目的是:为了电力电子设备的可靠运行而将干扰源部分和敏感部分隔离开。电磁兼容中的磁电隔离技术为利用各种物理量与电量之间可以相互转换来完成的。电磁兼容性方面的实质是人为地造成电的隔离,以阻止电路性耦合产生的电磁干扰。

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