交流電源線上的干擾會導(dǎo)致許多設(shè)備發(fā)生故障

電子產(chǎn)品在我們所有應(yīng)用領(lǐng)域中的使用有助于提高人們對電能質(zhì)量的認(rèn)識。 電子設(shè)備的廣泛使用引發(fā)了能源效率問題，尤其是涉及整個電網(wǎng)的干擾問題，對設(shè)備和儀器產(chǎn)生了負(fù)面影響。 新型工業(yè)4.0中涌現(xiàn)的智能技術(shù)需要不間斷且無故障的供電。 電能質(zhì)量的擾動通常定義為電壓，電流或頻率的變化。 這些擾動可能會妨礙系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而改變產(chǎn)出水平和整個生產(chǎn)活動。

交流電源線上的干擾會導(dǎo)致許多設(shè)備發(fā)生故障，包括數(shù)據(jù)傳輸錯誤，電源損壞或?qū)儆谡麄€網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)系統(tǒng)造成破壞。 瞬變、尖峰和其它異常是電源線上的典型干擾。 在設(shè)計(jì)適用于工業(yè)應(yīng)用的保護(hù)系統(tǒng)時，請務(wù)必考慮所有這些重要因素。 針對各種電壓和電流值的保護(hù)解決方案代表了各種應(yīng)用市場的巨大需求。

交流電源線上的干擾

根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)的定義，電源擾動可以用瞬變、暫態(tài)過壓、畸變和頻率變化來表示。瞬變電壓波動是由于電源變化、雷電、感應(yīng)負(fù)載切換、靜電放電等可能引起的暫時性電壓波動。這些瞬變的影響程度可能從輕微到災(zāi)難性不等。

瞬變是電源擾動中最具破壞性的類型，分為兩個子類：脈沖型和振蕩型。 脈沖瞬變是高峰值事件，主要由于大氣中發(fā)生的放電而在正或負(fù)方向上增加電壓和/或電流水平。 涉及脈沖瞬變的兩種最可行的保護(hù)方法是消除潛在的靜電放電和使用瞬態(tài)電壓抑制器件。 另一方面，振蕩瞬變是電壓，電流或兩者兼有的突然變化，它以系統(tǒng)的固有頻率振蕩。

暫態(tài)過壓或過電壓是指交流電壓的升高，持續(xù)時間可從0.5個周期到1分鐘。 暫態(tài)過壓的常見起因有：是高阻抗中性線連接、（高）負(fù)載突然降低，以及三相系統(tǒng)上的單相故障。 過電壓代表了導(dǎo)致電壓尖峰的長期影響。 過電壓可被視為持續(xù)的暫態(tài)過壓。

畸變以各種形式出現(xiàn)。 諧波是頻率為基波頻率數(shù)倍的正弦波。例如，三次諧波的頻率為150 Hz； 這是50 Hz基本頻率的三倍。 五次諧波的頻率為250 Hz。 該標(biāo)準(zhǔn)要求總諧波失真THD（Total Harmonic Distortion）不超過8％，并考慮到最高40次諧波的水平。 間諧波是一種波形失真，通常是由電氣設(shè)備（例如靜態(tài)變頻器，感應(yīng)電動機(jī)和用于形成電弧的設(shè)備）信號串?dāng)_電源電壓引起的。

頻率變化在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中很少發(fā)生。在配備備用專用發(fā)電機(jī)或供電基礎(chǔ)設(shè)施差的場所，頻率變化更為常見，尤其是在發(fā)電機(jī)負(fù)荷較高的情況下。歐洲50 Hz的頻率必須在供應(yīng)年95％的時間內(nèi)保持在±1％的公差內(nèi)；同時，在任何時候都不得超過4％或下降超過6％。該標(biāo)準(zhǔn)假定該頻率是在10 s間隔內(nèi)測得的平均值。

解決方案

過電壓保護(hù)元件可分為兩種基本類型：撬棍型元件件和鉗位型元件。鉗位型元件，如TVS、MOV及鉗位二極管，具有更快的響應(yīng)時間，但其電流處理能力有限，因?yàn)樗矐B(tài)能量必須通過元件鉗位消散。撬棍型元件可以處理較強(qiáng)的過電流，因?yàn)樵谄鋵?dǎo)通狀態(tài)下，元件兩端的電壓極低。在實(shí)踐中，它們充當(dāng)某種短路裝置，改變電流路徑，從而使電流遠(yuǎn)離組件的主要部分。

圖1：TO-218封裝的Pxxx0MEL系列。 Pxxx0MEL為50 / 60Hz AC單周期正弦波浪涌提供5000A 8/20 IPP（峰值脈沖電流額定值）和最小400A ITSM。

Littelfuse SIDACtor?晶閘管是撬棍型的，經(jīng)過優(yōu)化，可以保護(hù)處于強(qiáng)過電壓瞬變環(huán)境中的設(shè)備。 5 kA和3 kA Pxxx0FNL Pxxx0MEL系列具有幾個優(yōu)點(diǎn)。 例如，鉗位優(yōu)于傳統(tǒng)的用于保護(hù)交流線路的無源MOV技術(shù)，可提供針對過電壓的高電位保護(hù)。 此外，較低的導(dǎo)通電壓可確保長期保護(hù)期間的熱量積聚較低。 這些撬棍型半導(dǎo)體器件可以承受更多次的過電壓沖擊，滿足最小的降級要求（圖1和圖2）。 Littelfuse Pxxx0FNL和Pxxx0MEL系列還可以與MOV串聯(lián)，為因較高鉗位電壓而損壞的電路提供低鉗位保護(hù)（圖3）。 該電路布局為交流線路提供了過電流和過電壓保護(hù)。

圖2：具有串聯(lián)過電流保護(hù)的P3800MEL Crowbar解決方案。 在經(jīng)典的工作條件下，保護(hù)組件對電線是透明的。 當(dāng)感應(yīng)電壓峰值高于P3800MEL的Vdrm時，就會過渡到低電阻狀態(tài)。 保險絲可保護(hù)SIDACtor?。 該配置為設(shè)計(jì)人員提供了一個用于SIDACtor?的增強(qiáng)型過電流保護(hù)的選項(xiàng)。

圖3:SIDACtor?與前面有熔斷器的Littelfuse MOV V20E130P（交流130V）串聯(lián)。

MOV的晶體結(jié)構(gòu)由隨機(jī)取向的金屬氧化物顆粒制成，這些顆粒顯示了P-N結(jié)半導(dǎo)體特性。在低電壓下工作的電路中，只有少量的電流流入壓敏電阻，這是由于通過P-N結(jié)的反向擴(kuò)散造成的。當(dāng)施加達(dá)到整個系統(tǒng)保護(hù)條件的瞬態(tài)高壓，或者超過壓敏電阻的擊穿電壓時，這些P-N結(jié)會發(fā)生雪崩擊穿，壓敏電阻成為導(dǎo)體。壓敏電阻不能為持續(xù)電壓升高的故障提供保護(hù)，即使電壓幅度明顯低于其設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電壓也是如此。此外，壓敏電阻的確會出現(xiàn)退化現(xiàn)象，在多次電涌作用下，壓敏電阻開始老化。

TVS二極管的進(jìn)步使該技術(shù)成為金屬氧化物（MOV）壓敏電阻的有效替代品，可保護(hù)交流和直流電源免受過電壓和間接雷擊的影響。這些器件不僅在交流和直流電源線應(yīng)用中提供比MOV更高的可靠性和更長的抗重復(fù)過電壓壽命，而且由于電纜的電感較低，因此使用表面貼裝封裝可提供更好的過電壓響應(yīng)。為了保護(hù)CAN總線免受ESD，EFT和其它電壓瞬變造成的損害，Littelfuse生產(chǎn)了一系列TVS二極管陣列，用于工業(yè)自動化控制應(yīng)用。這些器件符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，可以安全地承受3A的峰值電流。低電容（典型值11.5 pF）可保持信號完整性并最大程度地減少數(shù)據(jù)丟失。有時ESD事件可能會輕微損壞器件，但使其暫時仍能運(yùn)行。這被稱為潛在缺陷，它很難被檢測到并縮短了該器件的壽命。許多電子器件容易受到低壓ESD事件的影響。由于速度更快和尺寸更小的趨勢，電子領(lǐng)域的ESD問題正日益增多?，F(xiàn)代世界越來越多地由小型微處理器處理，它們對最小的電力波動也很敏感。這些微處理器出色地控制了快速的自動化機(jī)器人裝配過程和無法承受停機(jī)時間的包裝線系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用市場的不同，針對不同電壓/電流水平的保護(hù)解決方案能夠減少或避免由電能質(zhì)量擾動引起的問題，為設(shè)備正常運(yùn)行提供可靠基礎(chǔ)。