中心議題:
- 磁電隔離技術(shù)分析
- 變壓器的種類和應(yīng)用
- 光電隔離技術(shù)分析
- 機(jī)電隔離技術(shù)分析
1 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。
2 磁電隔離技術(shù)
2.1 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或多個繞組組成。當(dāng)在一個繞組上加上交變電壓時,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)度取決于幾個繞組之間以及它們對地的絕緣強(qiáng)度。
2.2 理想變壓器的特性
理想變壓器是假定變壓器繞組的電阻為零;變壓器的漏磁為零;鐵心的損耗為零以及鐵心的導(dǎo)磁率為無窮大。
2.2.1 電壓關(guān)系
E1=4.44fN1Φm (1)
E1/E2=U1/U2=N1/N2=n (2)
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。
2.2.2 電流關(guān)系
I1/I2=N2/N1=1/n (3)
式中:I1——變壓器原邊的電流;
I2——變壓器副邊的電流。
2.2.3 功率關(guān)系
P1=P2=U1I1=U2I2 (4)
式中:P1——變壓器原邊的輸入功率;
P2——變壓器副邊的輸出功率。
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2.2.4 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。
2.3 實(shí)際變壓器
2.3.1 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,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。
2.3.2 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。
2.3.3 繞組存在電阻
由于實(shí)際變壓器的繞組存在電阻,故變壓器工作時繞組必將產(chǎn)生熱損耗。特別當(dāng)工作頻率較高時,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。
2.3.4 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,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。
2.3.5 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。
2.3.6 幾個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、可能的瞬態(tài)過電壓以及為可靠工作而留有的余量。
2.3.7 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,應(yīng)當(dāng)與屏蔽和接地技術(shù)相配合。
2.4 變壓器的種類和應(yīng)用
2.4.1 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。
2.4.2 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。[page]
圖1 單屏蔽層隔離變壓器的典型對干擾的衰減能力
如果在上述基礎(chǔ)上,再對變壓器的每個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,其隔離效果會更好。
2.4.3 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。
2.4.4 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。
2.5 霍爾傳感器
霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行電磁測量的器件,由于磁場的介入而實(shí)現(xiàn)電的隔離?;魻杺鞲衅骶哂芯雀?、線性度好、動態(tài)性能好、頻率響應(yīng)寬和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
3 光電隔離技術(shù)
3.1 光電耦合器
光電隔離采用光電耦合器來實(shí)現(xiàn),即通過半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體(光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等)的光接收,來實(shí)現(xiàn)信號的傳遞。由于發(fā)光二極管和光敏半導(dǎo)體是互相絕緣的,從而實(shí)現(xiàn)了電路的隔離。
當(dāng)給發(fā)光二極管加以正向電壓時,由于空間電荷區(qū)勢壘下降,P區(qū)空穴注入到N區(qū),產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合,復(fù)合時放出大部分為光形式的能量。給發(fā)光二極管加的正向電壓越高,復(fù)合時放出的光通量越大。當(dāng)然,給發(fā)光二極管加的正向電壓受其最大允許電流的限制。
當(dāng)光敏半導(dǎo)體,比如光敏二極管,受到光照射時,在PN結(jié)附近產(chǎn)生的光生電子-空穴對在PN結(jié)的內(nèi)電場作用下形成光電流。光的照度越強(qiáng),光電流就越大。當(dāng)光敏半導(dǎo)體沒受到光照射時,只有很小的暗電流。
3.2 光電耦合器的特性
光電耦合器的特性是用發(fā)光二極管的輸入電流和光敏半導(dǎo)體的輸出電流的函數(shù)關(guān)系來表示的,如圖2所示。
圖2 光電耦合器的特性曲線
從光電耦合器的特性曲線可以看出,光電耦合器的線性度較差,可以利用反饋技術(shù)進(jìn)行校正。
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3.3 光電耦合器的應(yīng)用
由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小,因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小,它所能提供的電流并不大,不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光;由于光電耦合器的外殼是密封的,它不受外部光的影響;光電耦合器的隔離電阻很大(約1012Ω)、隔離電容很?。s幾個pF)所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低,抗干擾效果也將降低。
3.4 紅外遙控
紅外遙控在本質(zhì)上屬于光電耦合,只不過其發(fā)光器件和光接收器件不封裝在一起,因此紅外遙控的隔離效果更好。
3.5 光纜
光纜在本質(zhì)上也屬于光電耦合,其發(fā)光器件和光接收器件是通過光纜連接的,由于外界干擾很難進(jìn)入光纜,因此光纜的隔離效果最好。
4 機(jī)電隔離技術(shù)
4.1 有觸點(diǎn)電磁繼電器
機(jī)電隔離一般采用有觸點(diǎn)電磁繼電器來實(shí)現(xiàn),即電磁繼電器的線圈接收信號,機(jī)械觸點(diǎn)發(fā)送信號。由于機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r,阻抗很大,電容很小,從而阻止了電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾的傳輸。但是繼電器的線圈工作頻率較低,不適用于工作頻率較高的場合,另外還存在觸點(diǎn)通斷時的彈跳和火花干擾以及接觸電阻等缺點(diǎn)。
4.2 應(yīng)用有觸點(diǎn)電磁繼電器的注意事項(xiàng)
4.2.1 機(jī)械觸點(diǎn)的電磁干擾
在機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)嘈盘栯娏鞯倪^程中,由于電路電感的存在將會在觸點(diǎn)間感生過電壓,這個過電壓可能會導(dǎo)致觸點(diǎn)間隙擊穿而產(chǎn)生電??;當(dāng)觸點(diǎn)間隙加大時,電弧熄滅,觸點(diǎn)間電壓又升高,電弧又重燃;如此重復(fù),直到觸點(diǎn)間距足夠大電流中斷時為止。
上述過程中,產(chǎn)生的電弧和峰值大、頻率高的電壓脈沖串將通過輻射和傳導(dǎo)對其它電路和器件形成強(qiáng)烈的干擾。
4.2.2 機(jī)械觸點(diǎn)的熄火花電路
機(jī)械觸點(diǎn)的熄火花電路由電阻R和電容C串聯(lián)組成。其原理是用電容轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r負(fù)載電感L上的能量,從而避免在觸點(diǎn)上產(chǎn)生過電壓和電弧造成的電磁干擾,最終由電阻吸收這部分能量。
電路參數(shù)計(jì)算如下:
R>2(L/C)1/2 (7)
C1=4L/R2(8)
C2=(Im/300)2L(9)
式中:R——電阻(Ω);
L——負(fù)載電感(μH);
Im——負(fù)載電感中的最大電流(A);
C取C1、C2中大者。
4.2.3 電感負(fù)載的續(xù)流電路
直流電路電感負(fù)載的續(xù)流電路是用二極管反并聯(lián)在電感負(fù)載上。當(dāng)切斷電感負(fù)載時,其上的電流經(jīng)二極管續(xù)流,不會產(chǎn)生過電壓而危及電路上的其它器件。
參數(shù)選擇如下:
IF>2IN (10)
URRM>2UN (11)
式中:IF——二極管正向平均電流;
URRM——二極管反向重復(fù)峰值電壓;
IN——電感負(fù)載的額定電流;
UN——電感負(fù)載的額定電壓。
如果用壓敏電阻代替二極管,其效果會更好。因?yàn)閴好綦娮栉漳芰扛欤瑥亩鴾p小了動作響應(yīng)時間。
5 聲電隔離技術(shù)
5.1 聲表面波濾波器
聲表面波器件采用具有壓電效應(yīng)的固體材料作基片,在基片上的兩端分別設(shè)有指叉交錯的金屬換能器。把交變電信號加到發(fā)射換能器上,由于逆壓電效應(yīng),壓電體表面產(chǎn)生變化的應(yīng)變,就能激發(fā)出聲表面波。當(dāng)聲表面波在固體表面?zhèn)鞑サ浇邮論Q能器上時,由于正壓電效應(yīng),而在接收換能器上就會得到電信號。由于兩個指叉交錯的金屬換能器在電氣上是無聯(lián)系的,因而實(shí)現(xiàn)了電路的隔離。
由于指叉換能器具有一個固有的中心頻率,當(dāng)電信號與該中心頻率一致時,產(chǎn)生共振,而發(fā)出最強(qiáng)的聲表面波。其它頻率的聲表面波很弱,而被抑制掉。所以聲表面波濾波器的隔離效果是很好的。
5.2 聲表面波濾波器的應(yīng)用
聲表面波濾波器目前主要應(yīng)用在電視和通訊中,作為帶通、帶阻濾波器、鑒頻器和振蕩器等等。
6 浮地技術(shù)
6.1 浮地
浮地,即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響,而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾。
浮地可使功率地(強(qiáng)電地)和信號地(弱電地)之間的隔離電阻很大,所以能阻止共地阻抗電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。
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6.2 浮地技術(shù)的應(yīng)用
6.6.2 交流電源地與直流電源地分開
一般交流電源的零線是接地的。但由于存在接地電阻和其上流過的電流,導(dǎo)致電源的零線電位并非為大地的零電位。另外,交流電源的零線上往往存在很多干擾,如果交流電源地與直流電源地不分開,將對直流電源和后續(xù)的直流電路正常工作產(chǎn)生影響。因此,采用把交流電源地與直流電源地分開的浮地技術(shù),可以隔離來自交流電源地線的干擾。
6.6.2 放大器的浮地技術(shù)
對于放大器而言,特別是微小輸入信號和高增益的放大器,在輸入端的任何微小的干擾信號都可能導(dǎo)致工作異常。因此,采用放大器的浮地技術(shù),可以阻斷干擾信號的進(jìn)入,提高放大器的電磁兼容能力。
6.3 浮地技術(shù)的注意事項(xiàng)
1)盡量提高浮地系統(tǒng)的對地絕緣電阻,從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)之中的共模干擾電流。
2)注意浮地系統(tǒng)對地存在的寄生電容,高頻干擾信號通過寄生電容仍然可能耦合到浮地系統(tǒng)之中。
3)浮地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用,才能收到更好的預(yù)期效果。
4)采用浮地技術(shù)時,應(yīng)當(dāng)注意靜電和電壓反擊對設(shè)備和人身的危害。
7 結(jié)語
采用電磁兼容中的隔離技術(shù)的主要目的是:為了電力電子設(shè)備的可靠運(yùn)行而將干擾源部分和敏感部分隔離開。電磁兼容中的隔離技術(shù)主要可分為機(jī)電、磁電、光電、聲電和浮地等幾種隔離方式。其中,磁電、光電、聲電等幾種隔離方式均為利用各種物理量與電量之間可以相互轉(zhuǎn)換來完成的。不管那種隔離方式,在電磁兼容性方面的實(shí)質(zhì)是人為地造成電的隔離,以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。