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電磁兼容中的隔離技術
電磁兼容中的隔離技術
引言
電力電子設備包括兩部分,即變換部分與控制部分。前者屬于功率流強電范疇,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。為了使電力電子設備可靠地運行,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,特別是當變換部分處于高電壓、強電流、高頻變換情況下尤其重要。抗干擾問題實質上是解決電力電子設備的電磁兼容問題。
隔離技術是電磁兼容性中的重要技術之一。下面將電磁兼容中的隔離技術分為磁電、光電、機電、聲電和浮地等幾種隔離方式加以敘述。
PART.02
磁電隔離技術
利用變壓器實現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。當在一個繞組上加上交變電壓時,由于電磁感應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系的,在電路上是互相隔離的。其隔離的介電強度取決于幾個繞組之間以及它們對地的絕緣強度。
理想變壓器的特性
E1=4.44fN1Φm
E1/E2=U1/U2=N1/N2=n
式中:E1——變壓器原邊的感應電勢;
E2——變壓器副邊的感應電勢;
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;
N2——變壓器副邊繞組的匝數;
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比。
電流關系
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。
鐵心的導磁率
由于實際變壓器鐵心的導磁率并非無窮大,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。
由于實際變壓器鐵心的導磁率并非常數,因此將導致輸出波形的畸變。特別是當鐵心飽和時,鐵心的導磁率極大地降低,引起激磁電流急速增加,可能導致變壓器燒毀。
鐵心存在損耗
由于實際變壓器鐵心存在渦流損耗和磁滯損耗,這些損耗不僅導致變壓器的效率降低,而且引起鐵心發熱、甚至可能導致絕緣損壞。由于鐵心的渦流損耗和磁滯損耗都與電壓和頻率有關,所以對不同的電壓和頻率,應當選擇不同的鐵心材料。
繞組存在電阻
由于實際變壓器的繞組存在電阻,故變壓器工作時繞組必將產生熱損耗。特別當工作頻率較高時,集膚效應將導致繞組電阻增加,使發熱損耗增大。
由于實際變壓器繞組的散熱條件較差,所以應當注意變壓器的散熱和繞組導線電流密度的選取。
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線形成干擾,為此,在選用變壓器作隔離時,應當選擇漏磁小的變壓器,否則,應對變壓器加強磁場屏蔽。
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。
幾個繞組之間以及對地的絕緣強度
繞組之間以及對地的絕緣強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生影響,而且變壓器的阻抗與頻率密切相關。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現的,當變壓器繞組間寄生電容較大時,應當與屏蔽和接地技術相配合。
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。
脈沖變壓器
在電力電子設備中,脈沖變壓器多用于晶閘管觸發電路、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為有效脈沖導磁率、起始導磁率、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電的電壓或電流隔離并轉換為弱電的電壓或電流。測量變壓器的主要參數為絕緣電壓、電壓(或電流)的轉換比及其精度等。

















