塑殼式電子斷路器傳導(dǎo)特性的分析與研究

謝迪，杜桐

(中認(rèn)(沈陽(yáng))北方實(shí)驗(yàn)室有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

塑殼式電子斷路器傳導(dǎo)特性的分析與研究

謝迪，杜桐

(中認(rèn)(沈陽(yáng))北方實(shí)驗(yàn)室有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

采用傳輸線矩陣的方法(TLM)對(duì)塑殼式電子斷路器進(jìn)行建模和研究，并對(duì)騷擾源集總的騷擾特性進(jìn)行了仿真，通過(guò)與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)的比對(duì)，全面了解和掌握該產(chǎn)品的傳導(dǎo)特性，為企業(yè)設(shè)計(jì)和制造低壓電器產(chǎn)品的提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐數(shù)據(jù)。

TLM；低壓電器；傳導(dǎo)騷擾

1 引言

280 隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及電子化、數(shù)字化和智能化的電工、電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電磁干擾的水平在逐年遞增。其中，由低壓電器產(chǎn)生的傳導(dǎo)騷擾成為了電磁兼容比較重要的問(wèn)題[1]。

為此低壓電器GB14048系列標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)不同適用環(huán)境的低壓電器的電磁發(fā)射水平進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定與限制。本文采用傳輸線矩陣法(TLM)對(duì)典型的低壓電器產(chǎn)品-塑殼式電子斷路器的傳導(dǎo)特性進(jìn)行解析和研究，為企業(yè)提高低壓電器設(shè)計(jì)水平提供理論依據(jù)和參考。

2 TLM分析方法介紹

FLO/EMC是專(zhuān)業(yè)針對(duì)系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性分析的仿真軟件，F(xiàn)LO/EMC采用先進(jìn)的時(shí)域傳輸線矩陣法(TLM)，軟件首先用沖擊脈沖作為激勵(lì)源，沖擊脈沖在時(shí)域的寬度趨于無(wú)限窄，從頻域來(lái)說(shuō)，它能覆蓋無(wú)限寬的頻率范圍；當(dāng)以這個(gè)沖擊脈沖來(lái)激勵(lì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，在時(shí)域得到的將是此脈沖與系統(tǒng)函數(shù)即h(t)的卷積，對(duì)應(yīng)于頻域，結(jié)果將是系統(tǒng)函數(shù)H(s)與沖擊脈沖的頻域響應(yīng)的乘積，由此我們得到H(s)，即整個(gè)系統(tǒng)的頻域響應(yīng)。由于以上的求解原理，只需要一次求解就可以得到系統(tǒng)在整個(gè)頻域的響應(yīng)[3]。

3 傳導(dǎo)耦合分類(lèi)及介紹

傳導(dǎo)耦合是騷擾源與敏感設(shè)備之間的主要耦合途徑之一。按其耦合方式可分為電路性耦合、電容性耦合和電感性耦合。在開(kāi)關(guān)電源中，這3種耦合方式同時(shí)存在，互相聯(lián)系。

3.1 電路性耦合

電路性耦合是最常見(jiàn)、最簡(jiǎn)單的傳導(dǎo)耦合方式。其又有以下幾種：

(1)直接傳導(dǎo)耦合導(dǎo)線經(jīng)過(guò)存在騷擾的環(huán)境時(shí)，即拾取騷擾能量并沿導(dǎo)線傳導(dǎo)至電路而造成對(duì)電路的干擾。

(2)形成共阻抗耦合騷擾的有電源輸出阻抗、接地線的公共阻抗等。

3.2 電容性耦合

電容性耦合也稱(chēng)為電耦合，由于兩個(gè)電路之生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻間存在寄生電容，使一個(gè)電路的電荷通過(guò)寄生電容影響到另一條支路。

3.3 電感性耦合

電感性耦合也稱(chēng)為磁耦合，兩個(gè)電路之間存在互感時(shí)，當(dāng)干擾源是以電源形式出現(xiàn)時(shí)，此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)互感耦合對(duì)鄰近信號(hào)形成干擾。

圖1這種方法是把外部連接端口的干擾源表示成無(wú)源阻抗元件和有效電壓或電流源的簡(jiǎn)單組合，用這種方式表示的干擾源，隱去了干擾源內(nèi)部的所有響應(yīng)而只保持了干擾源的外部響應(yīng)，但只要內(nèi)部電磁干擾源電路是線性的，就完全可以忽略內(nèi)部源電路的復(fù)雜性。

4 理論計(jì)算

干擾線由一端所加的電源激勵(lì)，線上流過(guò)電流為，接收端遭受磁通耦合。電壓源VS,在激勵(lì)線I1上也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷密度，導(dǎo)致兩個(gè)線路的電容耦合。I1產(chǎn)生電影響，VS產(chǎn)生磁影響，這兩種耦合機(jī)制都要考慮,M為介質(zhì)互感，C0為介質(zhì)耦合電容。

當(dāng)阻抗和源內(nèi)阻都已知后，可首先求出干擾線上的電流I1和電壓V1：

(1)

(2)

為了得到被干擾電路中的負(fù)載元件上的電壓或電流響應(yīng)，要使用圖2中的電路模型：

在這種情況下，需要描述電磁場(chǎng)耦合的電壓源和電流源，根據(jù)對(duì)等效電路的簡(jiǎn)單分析，可以得到負(fù)載電壓Va和Vb：

(3)

(4)

用源VS把上式中的I1和V1替掉，變?yōu)椋?/p>

(5)

(6)

由于電路的復(fù)雜和不規(guī)則形狀以及周?chē)h(huán)境中的磁性物質(zhì)對(duì)電感數(shù)值的影響，很難獲得實(shí)際電路的互感和自感的精確值。但是，通過(guò)一些簡(jiǎn)化的假設(shè)還是可以做出大致的估計(jì)，假定回路電流處在自由的空間中，則它們之間的互感為:

(7)

其中，I1為流進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路(回路1)中的電流，B1是由電流產(chǎn)生的磁通量，這個(gè)磁通量在回路表面S2上積分。

5 模型建立

現(xiàn)構(gòu)建一個(gè)電流互感器監(jiān)控并感應(yīng)供電的塑殼式電子斷路器，應(yīng)用上述TLM原理及公式的電磁發(fā)射模型來(lái)驗(yàn)證。

圖3為開(kāi)斷電流100A,短路電流4300A的斷路器,屬于GB14048.2標(biāo)準(zhǔn)中的產(chǎn)品，電磁發(fā)射源為其PCB板上的控制芯片[4]。

圖3 斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4為T(mén)LM解析后的模型網(wǎng)格圖，電流互感器鐵心材料為鐵，互感器一次和二次側(cè)繞組材料為細(xì)鐵絲，斷路器端子材料為銅，PCB材料賦值FR4。電流互感器驅(qū)動(dòng)下的塑殼式電子斷路器耦合到主回路的電磁干擾如圖5所示。

圖4 TLM解析后的模型網(wǎng)格圖

圖5 耦合到主回路的電磁干擾模擬

6 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)解析

根據(jù)GB14048.2的規(guī)定，傳導(dǎo)騷擾測(cè)試在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，人工電源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)騷擾信號(hào)的拾取與阻抗匹配，再將信號(hào)傳送至接收機(jī)。

實(shí)測(cè)采用峰值檢波器，準(zhǔn)峰值檢波器和平均值檢波器，設(shè)置如下：

表1

圖6 實(shí)測(cè)布置示意圖和實(shí)測(cè)照片

圖7 騷擾電壓測(cè)試準(zhǔn)峰值/平均值曲線示意圖

頻率(MHz)實(shí)測(cè)值(dBuV)理論值(dBuV)0.24450028.829.80.29850028.028.30.35700027.327.30.44250026.726.50.55950025.925.724.06300037.737.4

表2 電源端子騷擾電壓測(cè)試平均值

由表1和表2可以看出，理論值普遍高于實(shí)測(cè)值，主要原因有兩點(diǎn)：一是理論分析的騷擾源與實(shí)測(cè)的騷擾源一致，但設(shè)定的干擾強(qiáng)度為理想狀態(tài)，線性度較高，而實(shí)際情況中任何騷擾源的發(fā)射能量為時(shí)變的；二是實(shí)際測(cè)試通過(guò)電源線有衰減存在。也就是說(shuō)這種理論分析所得到的結(jié)果較實(shí)測(cè)結(jié)果苛刻，故通過(guò)TLM方法進(jìn)行的解析可以有效、定性分析產(chǎn)品的電磁發(fā)射水平、發(fā)射方向以及耦合路徑。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)塑殼式電子斷路器的建模與分析，直觀的對(duì)低壓電器類(lèi)產(chǎn)品電磁傳導(dǎo)騷擾特性進(jìn)行理論分析，通過(guò)與實(shí)際數(shù)據(jù)的比對(duì)驗(yàn)證了這種定性解析方法的有效性。為企業(yè)設(shè)計(jì)和制造低壓電器產(chǎn)品的提供了相應(yīng)的參考依據(jù)，為日后對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品在電磁兼容領(lǐng)域的全方面研究奠定了理論基礎(chǔ)。

[1] 吳蔚.低壓電器產(chǎn)品電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)及其檢測(cè)[J].低壓電器,2004,9.[2] 吳賢,杜平安,聶寶林,等.帶縫隙腔體電磁屏蔽特性的數(shù)值模擬研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2011.6.[3] GB 14048.2-2008 低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分：斷路器[S].

Analysis and Research on Disturbance Voltage Characteristic of Molded Case Circuit Breakers

XIEDi,DUTong

(CQC(ShenYang) North Laboratory，Shenyang,110141，China)

Using Transmission Line Matrix Method (TLM) to model and research molded case circuit breakers.The simulation for the characteristics of the disturbance characteristics are conducted.By comparison with the experimental data,fully understand and master conduction characteristics of the product.A theoretical basis and practical guideline for the design and manufacturing of low-voltage electrical apparatus are provided.

transmission line matrix (TLM);low voltage apparatus;disturbance voltage

1004-289X(2016)03-0027-04

TM56

B

2016-03-11

謝迪(1981-),女,研究生學(xué)歷,碩士學(xué)位，工程師,主要從事機(jī)電產(chǎn)品的安全與電磁兼容檢測(cè)研究。