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PQ、PI和EMC

日期:2021-10-08
 

如果不小心,电源连接设备产生的EMI可能会影响附近的其他设备
作者:Mart CoenenEMCMCC
几乎所有与电源相连的电子硬件(PV、UPS、SMPS、PWM电机驱动器、LED驱动器、AC/DC充电器等)都会产生电磁干扰(EMI),影响周围区域其他设备的性能(即使共用同一墙上插座),并可能导致故障。在设计设备时,电子工程师还需要确保其设计不会产生可能影响其他设备的高噪声水平,从电源频率谐波开始,直到2–2.4 kHz(差分),然后从9(150)kHz开始到30 MHz(不对称)。
如果操作不正确,能源优化,即50/60 Hz下的主配电网利用率将受到影响。这种优化通常通过在馈电点添加大型电容器组来实现,以产生接近1的功率(质量)因数。电网配电网侧的能源优化开发,在几乎任何电力和电子系统中使用市电接入滤波器也会在市电配电网络上引起严重的谐振。
 

 
在50/60 Hz的低频率下,预计墙壁出口电源阻抗将遵循IEC 61000-4-7规定的平均阻抗,即(0.1 + j∙0.15)欧姆,其无功部分等于(j∙w) ∙ 0.5µH。0.5µH的电感主要来自中低压电力变压器的杂散电感和朝向连接点(即AC电源壁出口)的接线电感。这也意味着电源配电网阻抗随频率增加,即使在较低的电源谐波下也是如此。
根据人工电源网络(AMN)的定义,电源分配网络的实际绝对阻抗值在9 kHz至30 MHz的频带内变化,介于小于1欧姆和大于1 kHz之间,尽管产品(设计用于)仅根据标准化50欧姆进行评估,与(50µH+5欧姆)平行或线路阻抗稳定网络(LISN):IEC 55016-1-2,作为墙式插座处发生的所有电源阻抗的统计平均值(基于在80个接头中进行的测量)。
另一方面,也被称为电磁兼容性(EMC)的特性也岌岌可危。未能在设备开发的后期阶段解决电子干扰问题;即使在proto发布之后,生产、销售和安装也会导致长期的延迟,这会耗费时间和金钱,或者造成安全隐患。大多数电子设备需要承受一定程度的电磁干扰,无论是否符合公共或行业标准,但当这些设备在“虚假”条件下进行评估时,正式的产品发布并不能保证这些产品在“任何”应用环境中使用时的无障碍性能。
为了减少设计中的电磁干扰,电子工程师首先需要了解电磁干扰来自何处以及它如何影响设备。但是,即使在评估了情况之后,工程师们在减少电磁干扰和噪音方面通常仍会面临更多的问题而不是答案。我应该如何改进我的设计?我应该或者可以使用什么类型的滤波器?我要评估哪些组件,并针对哪些条件进行评估?
另一方面,负责供电质量的电力工程师:电网配电网的EN 50160、IEC 61000-3-x和IEEE 1159也应牢记这些“自我感染”原因。主配电网主要用于50/60 Hz的能量传输,但所有类型的电力线通信(PLC)设备以及Gb/s的电力线互联网也正在成为最先进的技术,所有这些都与上述干扰并行。到目前为止,2 kHz至150 kHz频带内的传导发射要求是电源转换系统的“Eldorado”,因为除25W以上的照明设备外,其他要求从9 kHz起。
在欧洲,对“Eldorado”波段进行了盘点,并测量了叠加在标称230伏AC电源上的高达30伏的电平。这些水平超出了+/-5或+/-10%的电网电压公差水平,并且可能存在很长一段时间,例如在阳光明媚的日子里,当来自光伏转换器时。由此产生的问题有五倍:
  1. 该频段没有正式的传导射频发射要求,因为这些要求从150 kHz开始。对于交流供电的PWM驱动器,高功率设备无论如何都可以免除,例如IEC 61800-2(2021)。最近发布了非接触充电(WPT)的要求:IEC 61980-1,版本1.0 2015-07,国际标准,电动汽车无线电力传输(WPT)系统-第1部分。IEC/EN 55011中也定义了一般要求。并联运行的非接触式电能传输数据交换由ETSI在RED下进行调节。甚至电力线通信(PLC)也在该频带内运行,允许的传导发射电平高达10伏w.r.t。此外,感应烹饪的工作频率在25-50 kHz之间。
  2. 传导射频抗扰度要求限制:IEC 61000-4-16:2015电磁兼容性(EMC)-第4-16部分:试验和测量技术-频率范围为0 Hz至150 kHz的传导共模干扰抗扰度试验和电磁兼容性(EMC)-第4-19部分:试验和测量技术-交流电源端口2 kHz至150 kHz频率范围内传导、差模干扰和信号抗扰度试验。电力线通信(PLC)设备也需要互补抗扰度。
  3. 当使用功率因数补偿电容器组来实现功率效率时,主配电网络中产生的谐振从几kHz开始。与所有电气和电子设备一起使用的许多电源滤波器以及一些接线间电感会在整个频带内产生额外的高质量谐振。
  4. 大多数电感和电容传感器系统在9–150 kHz的频带内工作。
  5. 对于大多数电源滤波器,使用X电容器,其损耗在50/60 Hz时较低,但这些损耗在较高频率时显著增加。这些额外的损耗意味着额外的热量,意味着更少的寿命。X电容器熔断通常意味着电源保险丝因短路而熔断,也会导致电源电压的瞬态或骤降。
 

 
谐振可能表现为相关电路的电压增加或电流增加。因此,由于过电压(电介质击穿)或过电流(热过载),导致的损坏会有所不同。
由于谐振频率与非线性功率转换器的工作频率一起混合到可闻频带中,因此可闻噪声可能是额外的影响。
一般的解决方案是通过使用电容器组和附加(有损)电感进行功率因数控制来避免传输线的高频短路。这也适用于电源滤波器的选择,在99.9%的COTS情况下,在交流电源输入端子上直接使用X电容,无论是否带有共模扼流圈。除了杂散电感(通常小于共模电感值的1%:k>0,99)外,共模扼流圈对差模阻抗是透明的。电缆绝缘的介电损耗;在确定共振频率时,可以忽略橡胶、PVC以及所用铜线的集肤效应损耗。
简单的SPICE计算,例如LT SPICE(免费软件),将在瞬间显示这些谐振,同时考虑电缆长度:1µH/m,作为单线电感的经验法则。对于电源安装,相位和中性线之间的相互耦合可设置为0.5。即使对于朝向保护接地(PE)接线的耦合也是如此(如果存在)。X-电容器值可使用具有此选项的简单万用表或LCR表测量(从电源断开时)。
 
 
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