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1 引言
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。下面将电磁兼容中的隔离技术分为磁电、光电、机电、声电和浮地等几种隔离方式加以叙述。
2 磁电隔离技术
2.1 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。
2.2 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。
2.2.1 电压关系
E 1 =4.44 fN 1 Φ m (1)
E 1 / E 2 = U 1 / U 2 = N 1 / N 2 = n (2)
式中: E 1 ——变压器原边的感应电势;
E 2 ——变压器副边的感应电势;
U 1 ——变压器原边的电压;
U 2 ——变压器副边的电压;
N 1 ——变压器原边绕组的匝数;
N 2 ——变压器副边绕组的匝数;
f ——变压器原边电压的频率;
Φ m ——变压器铁心中磁通的峰值;
n ——变压器原副边绕组的匝数比。
2.2.2 电流关系
I 1 / I 2 = N 2 / N 1 =1/ n (3)
式中: I 1 ——变压器原边的电流;
I 2 ——变压器副边的电流。
2.2.3 功率关系
P 1 = P 2 = U 1 I 1 = U 2 I 2 (4)
式中: P 1 ——变压器原边的输入功率;
P 2 ——变压器副边的输出功率。
2.2.4 阻抗关系
副边的阻抗为:
Z 2 = U 2 / I 2 (5)
原边的阻抗为:
Z 1 = U 1 / I 1 = n 2 U 2 / I 2 = n 2 Z 2 (6)
式中: Z 1 ——变压器原边的阻抗;
Z 2 ——变压器副边的阻抗。
2.3 实际变压器
2.3.1 铁心的导磁率
由于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。
2.3.2 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。
2.3.3 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。
2.3.4 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。
2.3.5 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。
2.3.6 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。
2.3.7 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。
2.4 变压器的种类和应用
2.4.1 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。
2.4.2 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为典型单屏蔽层隔离变压器的对干扰的衰减。
图1 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。
(整理:电工培训学校)
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