微浪涌电压抑制技术研究
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浅谈抑制雷电浪涌电压和电流的技术措施作者:马兴来源:《科学与财富》2018年第20期由于雷电对无线通信系统造成危害的主要原因是浪涌电压和电流,因此对其抑制措施也就应根据电路理论中电压、电流遵守的基本规律来解决。
1、直击雷防护技术直击雷的产生机理是带电雷云和大地之间产生的静电感应及大量异种点荷的急剧中和。
根据这一特点,对其有效防护就可采用200年前富兰克林发明的避雷针,也叫接闪器(把避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等统称为接闪器)。
其基本原理是:静电荷在曲率大的物体上的分布大于在曲率小的物体上的分布。
也就是前面讲到的大地上的感应电荷容易集中到高出地面的突出物体上。
这样通过安装高出地面一定高度的接闪器在其强电场作用下,就容易把雷云吸引到其周围,变地面或屋面上大量电荷和雷云中大量电荷的集中短时中和为相对长时中和,这就有效的避免了由于大量电荷的集中短时中和而产生的弧光和响声,也保证了雷云中的电荷通过接闪器流入大地。
2.感应雷防护技术由于感应雷是因直击雷放电而在其附近的金属导体上通过电磁感应产生的。
感应雷一般可通过两种不同的感应方式侵入导体,一是静电感应:在雷云中的电荷积聚时,附近的导体也会感应上相反的电荷,当雷云对地放电时,雷云中的电荷迅速释放,导体中原来被雷云电场束缚住的静电荷失去雷云对其束缚作用,就会沿导体流动寻找释放通道,这样就在电路中形成电流脉冲;二是电磁感应:在雷云放电时,迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场,位于其附近的导体中就会产生很高的感生电动势和感应电流。
实验研究表明:①由静电感应方式引起的浪涌电流数倍于电磁感应引起的浪涌电流。
②感应雷(浪涌电流)可以通过电力电缆、通信电缆、光纤和天馈线侵入通信设备,而且由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损耗小,所以由电源线侵入的感应雷造成的危害十分突出,据统计约占了通信设施雷击事故的80%。
因此,对通信台站进行感应雷防护时,电源应作为重点。
28V 直流输入过压浪涌电路抑制方法研究
1.引言
28V 直流电源是最早使用在飞机上的一种电源。
其额定电压为28V,稳态
变化范围18~36V。
在航空28V 直流电源中要求用电负载能够承受
80V/50ms 的过压浪涌和8V/50ms 的欠压浪涌。
电压浪涌多发生于大发电机开关、发动引擎、瞬变负载等情况下,如突卸或突加负载会引起发电机汇流
条电压短时升高或下降,从而产生过压浪涌或欠压浪涌。
这些浪涌电压通常
出现在配电总线处,本文所指浪涌均为过压浪涌。
浪涌电压大大地超过稳态
电源电压,当它袭击到用电设备上时,往往造成误操作和设备的损坏,可能
使整个系统停顿、通信中止。
鉴于上述提到的浪涌的危害性,为了保护这些用电设备,防止受浪涌电压
冲击而损坏,必须在直流电源电子设备的设计中,考虑浪涌的影响,增加防
护措施,设计有效的抗浪涌电路,对电子设备的电源电路进行防浪涌处理。
由于80V/50ms 过压浪涌的伏秒积很大,所以不能简单地用传统的储能方式来抑制,否则电感和电容元件将会太大。
2.原理与设计
本文总结了部分尖峰浪涌抑制的方法,具体介绍如下:
2.1 无源浪涌抑制器
浪涌抑制器最基本的使用方法是直接将电压箝位器件与被保护的用电设备
并联,以便对超过被保护设备预定电压值的情况进行能量转移。
其中,电压
箝位器件主要有压敏电阻和瞬态电压抑制器等。
在正常情况下,电源电压的。
一种新型大功率电源浪涌电流抑制电路的研究
在当今数字化时代,大功率电子设备的应用越来越广泛,这类电子设备对电源的要求也越来越高。
然而,电子设备在启动或关闭时会产生浪涌电流,这会对电源带来很大的冲击,甚至损坏电子设备。
因此,一种新型大功率电源浪涌电流抑制电路的研究显得尤为必要。
近年来,研究人员通过对电子设备启动和关闭产生的电流浪涌进行深度研究,提出了有效的浪涌电流抑制电路方案。
该方案主要包括三个部分:电容器、电感器和MOS管。
电容器和电
感器相互串联,构成了一个LC滤波电路,该电路能够在电子
设备启动或关闭时,有效地抵消浪涌电流的冲击。
另外,
MOS管用来切断电子设备与电源之间的电路,防止电池释放
浪涌电流。
使用这种新型大功率电源浪涌电流抑制电路可达到以下优点:
1. 大大降低了电池释放浪涌电流带来的损害,延长了设备寿命;
2. 优化了应用效率,对于大功率电子设备的启停有更好的响应速度,提高了设备性能;
3. 提升了整个系统的抗干扰能力,使得设备更加稳定可靠。
因此,该新型大功率电源浪涌电流抑制电路在工程应用中具有较大的价值。
在今后的研究工作中,我们能够进一步完善该技
术,深入探究其在各种电子设备及电力系统中的应用,为电子设备正常使用提供长效保障。
一种具有抑制浪涌电压的新型EMI滤波众所周知,高性能、小型化、复合化已成为当今世界高科技产品迅速发展的必然趋势。
但高科技产品向高性能、小型化、复合化发展即高度集成化发展的另一个必然结果是导致抗电磁干扰能力的普遍下降。
一种具有抑制浪涌电压的新型EMI滤波器的诞生和发展,可以大大提高高度集成化器件的抗电磁干扰能力。
特别是抑制瞬变的浪涌电压。
一、什么是瞬变电压噪声可分为连续噪声和瞬变噪声,归一化后认为任何发生持持续时间小于16.6ms的噪声都被认为是瞬变噪声。
连续噪声一般是一个较低电压的现象,采用适当的EMI滤波器和屏蔽被认为是最好的对策;而瞬变噪声不同它是一种短暂的过压现象、是一种有害的尖峰电压。
正是这种瞬变噪声使高度集成化的IC处于极度脆弱的境地,IC受到10倍于工作电压的过压冲击其结果不是可能被破坏就是失去功能。
人们又将瞬变噪声中持续时间>8.4ms的瞬变噪声定义为浪涌电压。
瞬变噪声又分为可重复瞬变和随机瞬变。
1、可重复瞬变在带电情况下任何电路的突然变化都会引起瞬变电压的产生,不妨举一个例子说明,图1是一个电感储能放电的例子。
当电路开关导通时,通过电感中的电流di/dt会产生-Ldi/dt电压,在电感中的储能为1/2Li2,若电感的固有电容为C,则C的储能也等于1/2CV2,而且:1/2Li2=1/2CV2当开关突然关断时,电感洩放出来的储能会产生瞬变电压,它的峰值可求得为:试代入某些数值,若令:I=1A、L=1mH、C=250pF则可求得:图1左上图曲线的前边表示开关导通时的稳态波形,最后的尖峰表示开关突然关断时产生的瞬变电压。
可重复噪声的另一类型是电快速瞬变脉冲(EFT),它是由于电路内某处连续打火引起的。
由此可见开关操作是产生瞬变电压的一种原因。
1)可重复瞬变的波形:大都呈指数衰减振荡,在低电压交流系统它是通用的典型浪涌电压2)可重复瞬变的NEMP波形:NEMP 核电磁脉冲波形为100KHz衰减振荡, 波形上升到峰值时间为0.5μs,它的每一个峰值的幅值是前一个峰值幅值的60%。
微浪涌电压抑制技术研究出自电子元件技术网()随着世界性的环境保护意识的提高和节能要求的迅速发展,特别是在工业用电机控制中,以电力半导体组件组装的变频器正成为应用的主流。
但当变频器和电机之间的接线距离很长时,电机接线端因变频器的高速开关过程引起的微浪涌电压,给电机的绝缘带来影响,造成电机损伤。
这里把浪涌称为微浪涌是为了区别于雷电等突发的强大浪涌,微浪涌从示波器上看是密集的、连续存在的、很窄的尖峰电压。
本文对微浪涌电压的发生机理及其对电机的影响作了分析,介绍了抑制微浪涌电压的技术,以及最近出现的衰减微浪涌电压的产品和采用细线径传输为特征的微浪涌抑制组件的工作原理等。
1 微浪涌电压的发生机理1.1 变频器的输出电压波形变频器主要由把交流市电整流成直流的整流器、平滑电压脉动的电容器、6 个开关器件构成的逆变器所组成。
如图1 所示,逆变器部分输出由改变脉冲宽度(PWM 波)形成的等效正弦波交流电压去驱动电机。
近几年的变频器为了使电机低噪音化,逆变部分的开关器件采用IGBT进行着高速开关动作。
因此,在PWM 波的每个脉冲上升和下降时,即开关时间以非常短的时间驻t=0.1~0.3 滋s切换着的时候,使逆变器内部的直流电压Ed(400 V电力系统用逆变器的Ed=600 V左右)因切换所形成的电压变化率dv/dt变得很大,这是产生微浪涌的主要根源之一。
1.2 微浪涌电压微浪涌电压是变频器和电机之间的接线长度很长时,在电机接线端产生的极细的尖峰浪涌电压。
如图2所示,逆变器的输出电压是脉冲状,在电机接线端子上发现在脉冲状的波形上又叠加了微浪涌电压尖峰。
一般情况下,微浪涌电压的尖峰值将会是逆变器内部的直流电压的2 倍。
1.3 阻抗不匹配形成的反射变频器的输出脉冲上升或下降时间很短,是叠加在变频器输出给电机的驱动频率(基波)及脉冲调制频率(调制波)之外的高频成分。
一般情况下,变频器与电机连接电缆的阻抗ZL 是50~100 赘,而电机本身的阻抗ZM,一般数百kW的电机也都超过1 k赘,是电缆阻抗的10 倍以上。
这样,在电机的接线端子上将发生阻抗的不匹配现象,造成高频波成分的反射。
在不匹配阻抗连接处的反射系数M为当电机阻抗很大时,反射波与入射波正向叠加,即ZL<ZM时,反射系数=1。
而且,生成与逆变器的输出脉冲同一极性、几乎同一大小的反射波,叠加后成为微浪涌尖峰电压。
图3 形象地表示了反射的情况,微浪涌电压就像海浪遇到障碍一样被抬得很高。
图4 表示实际电缆和电机的阻抗差别,一般电机的阻抗是电缆特性阻抗的10 倍以上,所以反射总是存在。
2 微浪涌电压对电机的影响电机内部的断面如图7 所示。
电机有定子和转子,定子内有安放三相线圈的槽。
如果放大槽的内部,可以看到有许多的线圈(漆包线),各线圈对地之间、各相之间、线匝相互之间都有绝缘存在。
通常对地、相间都有绝缘纸插入,而线匝之间没有绝缘纸插入,它利用坚固的漆包线的漆层获得绝缘。
微浪涌电压给这些绝缘全部带来影响,这些绝缘损坏之中,线圈匝间损坏最多。
表1 列出了有关电机内部各绝缘部分承受的电压值,也称为电压应力,提供了用市电电源驱动电机和用变频器驱动时相比较的资料。
2.1 对线圈匝间的绝缘破坏浪涌电压渗入电机内部的时候,线圈匝间究竟加上多少电压,模拟结果如图8所示。
该模拟是将测量点放在电机的每一线圈上(电机槽内的漆包线圈上),在U-V之间加上上升时间0.14 滋s 的浪涌电压的测量的结果。
U-S1之间是第1 线圈分担的电压,测得它分担了全电压65豫耀75%,而别的线圈S1-S2、S2-S3、S3-V 之间分担了10豫耀20%,这是因为电机内部的阻抗大,微浪涌电压在逐渐衰减。
在电机的制造过程中,漆包线线圈的起头到末尾完全分离不易做到,多数情况下是乱绕的,槽里边线头和线尾可能紧挨着。
如果这样就会发生线匝之间由于微浪涌电压的电晕放电(局部放电)。
那怕放电部分时间极其短促,局部也会达到10 000益,高温使绝缘逐渐地侵蚀,过些时间之后绝缘就会被破坏。
如图9 所示为直径0.85 mm、漆皮厚33 滋m、F 级绝缘、155益漆包线的寿命特性。
寿命特性水平轴表示施加破坏脉冲次数和破坏时间;纵座标轴表示破坏电压,两条曲线分别表示漆包线在温度20益和155益两种条件下测量的结果。
寿命特性用斜率不同的两条线表示,两条线连接的地方叫做局部放电起始电压。
斜率陡险的部分,是确实发生了放电的区域,2 小时内漆包线遭到破坏。
斜率缓慢的区域极少发生局部放电。
按照这一结论,如果控制住第1 线圈局部放电起始电压,就不发生微浪涌电压的绝缘破坏。
另外,如果相间(U-V 之间)控制在1 000 V以下、上述的第1 线圈的电压分担率控制在750 V 左右,就能够确保20 年的寿命。
3 微浪涌的抑制技术3.1 输出电路用的滤波器输出电路用滤波器由输入输出接线端子、电阻、电容器、电抗器所构成,如图10 所示,其中电抗器是非常重的部件。
作为主要的指标,相间的微浪涌电压为1 000 V以下,变频器和电机之间的接线长度为400 m,产品的系列到达500 kW,防护等级为IP00。
3.1.1 工作原理输出滤波器的工作原理如图11所示。
微浪涌电压是变频器输出脉冲上升时间出现的dv/dt 过大所引起,又由于阻抗不匹配被反射而发生。
因此输出电路使用滤波器,用于抑制dv/dt,也就是抑制了高频成分因阻抗不匹配而造成的微浪涌。
所以输出滤波器是dv/dt抑制型滤器,这种滤波器在变频器的调制频率为15 kHz、接线长度为400 m时,能做出微浪涌电压1 000 V 以下的性能非常优良的产品。
不过,这种方式的滤波器为了让逆变器的输出电流通过电抗器,不得不做成大容量,造成滤波器的大型化、高价格化、大重量,有的达到50 kg以上,给用户造成了实际负担。
3.1.2 抑制效果图12 显示了供电电源440 V,功率为3.7 kW的变频器供电给电机(3.7 kW,400 V),在接线长度为100 m时、测量电机接线端子U-V 之间的微浪涌电压的抑制效果。
在没有输出滤波器的情况下,微浪涌电压达到1 360 V,相当于变频器内部直流电压680V 的200%。
有输出滤波器的时候,顶峰值电压是756 V、相当于变频器器内部的直流电压680 V的111%,它和没有输出滤波器的顶峰电压差距有604 V,抑制效果达89%。
3.2 浪涌抑制组件图13 所示为浪涌抑制组件的外观。
和输出滤波器相比,浪涌抑制组件是小型化的产品。
其技术指标为相间的微浪涌电压1 000 V以下,防护等级为IP20。
浪涌抑制组件是对变频器的容量不需要选择,而接线距离需要选择的产品。
另外,接线方法非常简单,只需要把浪涌抑制组件的输入电缆接到电机接线端子U、V、W上。
3.2.1 工作原理浪涌抑制组件的工作原理如图14 所示。
浪涌抑制组件内部卷绕的浪涌抑制线具有和电缆线的阻抗ZL相同的阻抗,因此接到电机的接线端子上降低了电机接线端子的阻抗,从而减少了阻抗不匹配时的反射波。
通常高频波成分在电缆线上的阻抗ZL是50耀100 赘,设计的浪涌抑制线的阻抗ZS是50~60欧。
浪涌抑制线的断面图如图14 所示。
浪涌抑制线用直径1.2 mm 的线做成,内部的铜线外表进行高电阻率材料电镀,又用高介电常数材料作绝缘体覆盖,外表是屏蔽保护的同轴电缆线。
铜线和高电阻镀层的芯线和屏蔽线间的分布电容,降低了高频阻抗,因而吸收了浪涌。
使用这种浪涌抑制线的产品,除浪涌抑制组件以外,还有浪涌抑制电缆,是在变频器的主电流通过的电缆线内部平行安置了浪涌抑制线,它的截面图和连接方法如图15 所示3.2.2 浪涌抑制组件的特点只需接到电机接线端子,即可大幅度减低浪涌电压;在使用PWM变频器的时候,相间电压可控制到1 000 V以下;不需要追加施工,对已经安装运行的设备,设置容易;与变频器容量没有关系,都可适用(但是,超过75 kW 的电机需对应设置);需配合变频器和电机之间的接线电缆长度,规格有50 m和100 m两种;适应于RoHS 指令;与输出滤波器相比,小型化、轻量化。
3.2.3 从传输线理论得出的浪涌抑制原理根据传输线理论,浪涌抑制使用了浪涌吸收、浪涌减衰、浪涌抑制线的反射降低的方法。
浪涌吸收:浪涌是高频波成分,低阻抗的浪涌抑制线接在电机接线端子上,让浪涌电流流到抑制线里面去,如图16所示。
浪涌减衰:浪涌电流是高频波成分,根据集肤效应,浪涌电流集中在导线外表面,因导线外表镀高电阻率材料镀层,故浪涌电流的能量在电阻上被消耗了,如图17 所示。
浪涌抑制线的反射降低:浪涌电流的高频分量在浪涌抑制线内被旁路和衰减,使浪涌形状变钝,浪涌频带中心向低频方向移动。
又从浪涌电流来看,好像浪涌抑制线的特性阻抗逐渐变高了,使得抑制线末端不易被反射回来。
如图18所示。
3.2.4 抑制效果图19 是变频器的电源电压为400 V,3.7 kW的电机、接线长度50 m,和75 kW的电机、接线长度100 m时抑制微浪涌电压的效果。
对于3.7 kW的电机,当没有浪涌抑制组件时,微浪涌电压为1 036 V,相当于变频器内部的直流电压540 V的192%;当加了浪涌抑制组件时,50 m电缆的峰值电压为733 V,相当于变频器内部的直流电压540 V的136%。
电压尖峰差距303 V,有61%的抑制效果。
对于75 kW的电机,当没有浪涌抑制组件时,微浪涌电压为1 040 V,相当于变频器内部直流电压520 V的200%;当加了浪涌抑制组件时,电缆的峰值电压为785 V,相当于变频器内部直流电压520 V得151%。
电压尖峰差距255 V,有49%的抑制效果。
4 结语针对实际应用变频器时,产生的微浪涌现象对电机的危害,介绍了微浪涌抑制技术及其原理,以实例对比了不同抑制器的抑制效果,以期引起变频器生产厂家和用户对这一问题的关注。