ZASTOSOWANIE AKTYWNEGO FILTRU EMI DO REDUKCJI ZABURZEŃ PRZEWODZONYCH GENEROWANYCH PRZEZ PRZEKSZTAŁTNIK PODWYŻSZAJĄCY NAPIĘCIE

Transkrypt

1 POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 91 Electrical Engineering 2017 DOI /j Marian PASKO* Marek SZYMCZAK* ZASTOSOWANIE AKTYWNEGO FILTRU EMI DO REDUKCJI ZABURZEŃ PRZEWODZONYCH GENEROWANYCH PRZEZ PRZEKSZTAŁTNIK PODWYŻSZAJĄCY NAPIĘCIE W artykule przeprowadzono badanie oraz ocenę aktywnego filtru do tłumienia zaburzeń przewodzonych, gdzie źródłem tych zaburzeń jest przekształtnik podwyższający napięcie (boost converter). W pierwszej części artykułu przedstawiono zarys filtrów aktywnych oraz podano ich podstawową właściwość, którą jest tłumienność wtrąceniowa IL. W drugiej części artykułu został przedstawiony układ pomiarowy oraz wyniki pomiarów przy redukcji zaburzeń różnicowych DM (differential mode) generowanych przez przekształtnik boost. W podsumowaniu zostały podane wnioski z przeprowadzonych badań. SŁOWA KLUCZOWE: filtry aktywne, zaburzenia przewodzone, kompatybilność elektromagnetyczna, filtry EMI, przekształtnik boost 1. WSTĘP Rozwój nowoczesnych przekształtników, działających na wysokich częstotliwościach, paradoksalnie doprowadził do tego, że waga i rozmiar filtrów EMI w nich użytych, mogą być większe niż sam przekształtnik [4, 7]. W związku z tym od kilkunastu lat prowadzi się badania nad możliwością zastosowania układów aktywnych do tłumienia zaburzeń przewodzonych, zastępując filtry pasywne lub znacznie poprawiając ich właściwości [1, 2, 3, 5]. W [8] zostały przeanalizowane podstawowe struktury filtrów aktywnych ze wskazaniem ich wad i zalet oraz warunków poprawnej pracy. W [9] przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych dwóch z sześciu możliwych konfiguracji filtrów prezentując ich charakterystyki tłumienności wtrąceniowej oraz potwierdzając kryteria doboru odpowiedniej struktury do danych warunków pracy. Niniejszy artykuł natomiast przedstawia wyniki badań z zastosowania filtru aktywnego typu IV (detekcja i usuwanie napięcia zaburzeń) do tłumienia zaburzeń różnicowych DM, generowanych przez przekształtnik podwyższający napięcie. * Politechnika Śląska.

2 12 Marian Pasko, Marek Szymczak 2. AKTYWNE FILTRY EMI Zadaniem filtru jest detekcja i redukcja zaburzeń generowanych przez źródło (odbiornik), tak aby nie przedostawały się one do sieci zasilającej (rysunek 1). Filtry aktywne można podzielić ze względu na typ sprzężenia oraz sposób detekcji i kompensacji zaburzeń. Ze względu na zastosowane sprzężenie można wyróżnić dwie grupy filtrów: ze sprzężeniem zwrotnym (feedback-type) oraz bez sprzężenia (feedforward-type). Z s Filtr EMI Z n i n Z we Z wy Sieć zasilająca Odbiornik - źródło zaburzeń Rys. 1. Schemat zastępczy z filtrem przeciwzaburzeniowym Współczynnikiem określającym stopień redukcji zaburzeń EMI przez filtr jest tłumienność wtrąceniowa IL (oznaczana też α) i definiowana jako (1) stosunek wartości skutecznej napięcia na zaciskach odbiornika bez filtru, do wartości skutecznej napięcia panującego na tych zaciskach po jego zastosowaniu: lub w skali decybelowej (2): IL db 0 s U IL U (1) s 0 s U 20 log U (2) gdzie: U s 0 wartość skuteczna napięcia na zaciskach zasilających urządzenie bez filtru, U s wartość skuteczna napięcia na zaciskach zasilających po włączeniu filtru. 2.1 Struktury filtrów aktywnych ze sprzężeniem zwrotnym W artykule skupiono się na grupie filtrów ze sprzężeniem zwrotnym (feedback-type), których działanie polega na wytworzeniu sygnału kompensującego, tak aby tłumić zaburzenia generowane przez źródło (zamknięta pętla). Na rysunku 2 zostały przedstawione cztery podstawowe struktury filtrów aktywnych ze sprzężeniem zwrotnym [6], wraz z zaproponowanymi dla nich w [10] s

3 Zastosowanie aktywnego filtru EMI do redukcji zaburzeń numerami typów. Typy te różnią się od siebie sposobem detekcji oraz redukcji zaburzeń. Z s u i s d i s id A1 Z n i n Z s A2 Z n i n Typ I Typ II Z s s + - A i u d 3 Z n i n Z s u s + - A4 u d Z n i n Typ III Typ IV Rys. 2. Struktury filtrów ze sprzężeniem zwrotnym [6] W [8] została dokonana szczegółowa analiza oraz badania symulacyjne wyżej wymienionych struktur, z których w [9] zostały wybrane dwie do badań eksperymentalnych: typ III oraz IV, gdzie zbadano ich właściwości i zweryfikowano warunki poprawnej pracy. Do tłumienia zaburzeń różnicowych DM najlepszym wyborem są struktury filtrów usuwające napięcie (typ II i IV). Wybór ten związany jest z niskim modułem impedancji Z n samego źródła zaburzeń [8]. Filtry tego typu podłączane są do odbiornika przez włączony z nim szeregowo transformator (rysunek 3), a w omawianym tutaj przykładzie został użyty filtr typu IV poddający detekcji napięcie zaburzeń. 2.2 Układ pomiarowy z filtrem typu IV Na rysunku 3 został zaproponowany przez autorów, układ pomiarowy z filtrem poddającym detekcji i usuwaniu napięcie zaburzeń. Rys. 3. Proponowany schemat układu pomiarowego z filtrem poddającym detekcji i usuwający napięcie zaburzeń

4 14 Marian Pasko, Marek Szymczak Źródłem zaburzeń w przykładzie jest przekształtnik podwyższający napięcie (boost), zasilany ze źródła napięcia stałego 12 V i obciążony na wyjściu rezystancją R o. Moc pobierana przez przekształtnik wynosiła ok. 10 W. Zasilanie 12 V zostało podłączone przez sztuczną sieć zasilającą LISN, której zadaniem jest stabilizacja warunków pomiarowych. Sieć ta została wykonana według normy: PN-EN , dotyczącej aparatury pomiarowej i metod pomiaru zaburzeń radioelektrycznych oraz odporności na zaburzenia (część 2 1: metody pomiaru zaburzeń i badania odporności pomiary zaburzeń przewodzonych). Na rysunku 4 został przedstawiony schemat wzmacniacza A użytego w filtrze. Natomiast jego parametry oraz charakterystyka modułu wzmocnienia podane zostały odpowiednio w tabeli 1 oraz na rysunku 5. Tabela 1. Parametry wzmacniacza niskonapięciowego Maksymalne napięcie zasilania Wzmocnienie Rezystancja wejściowa Prąd wyjściowy Pasmo +/ 15 V 100 V/V 22 kω Do 100 ma Od 1 khz do 500 khz Rys. 4. Schemat wzmacniacza niskonapięciowego [9] Wejście filtru (wzmacniacza A) podłączono przez układ kondensatora C in i potencjometru P, tworzącego filtr górnoprzepustowy, w celu obcięcia pasma od dołu oraz umożliwienia regulacji stopnia sprzężenia filtru z linią zasilającą (rysunek 3).

5 Zastosowanie aktywnego filtru EMI do redukcji zaburzeń A =f(f ) 120,0 100,0 80,0 A, V/V 60,0 40,0 20,0 0,0 0,01 0, f, khz Rys. 5. Charakterystyka modułu wzmocnienia wzmacniacza niskonapięciowego [9] Natomiast wyjście zostało podłączone przez transformator z przekładnią 1:1 i indukcyjnością uzwojeń L 1 = L 2 = 1 mh. Dodatkowo uzwojenie L 2 podłączone jest do wzmacniacza A przez kondensator C out = 3,3 µf również w celu obcięcia pasma od dołu i usunięciu ewentualnej składowej stałej mogącej nasycać rdzeń, co jest niepożądane. Pojemność kondensatora C in była dobierana eksperymentalnie, a jej wartość wpływała na zachowanie się filtru. 2.3 Wyniki pomiarów Widmo zaburzeń było badane w zakresie od 10 khz do 1 MHz, analizatorem firmy GW Instek, typ GSP 827. Przy stałych warunkach zasilania i obciążenia, zostało zbadane widmo jakie generuje przetwornica bez filtru (rysunek 6) oraz z filtrem składającym się wyłącznie z szeregowo włączonej cewki o indukcyjności 1 mh (rysunek 7). Obydwa te pomiary będą stanowiły punkt odniesienia przy analizie właściwości filtru aktywnego, który został w następnej kolejności dołączony do przekształtnika boost. Na rysunkach od 8 do 10 zostały przedstawione widma zaburzeń generowanych przez przekształtnik boost po stłumieniu ich filtrem aktywnym, przy różnych wartościach pojemności kondensatora C in. Zmiana wartości tego kondensatora wpływała na parametry filtru poprzez zmianę pasma przenoszenia wzmacniacza A oraz możliwą wartość sprzężenia filtru potencjometrem P. Za duża wartość tych pojemności ograniczała możliwość sprzężenia wzmacniacza A ponieważ filtr, po przekroczeniu pewnej wartości wzmocnienia przestawał tłumić, a nawet zaczynał wzmacniać zaburzenia generowane przez przekształtnik, co było niepożądane.

6 16 Marian Pasko, Marek Szymczak Rys. 6. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik bez filtru Rys. 7. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik z filtrem składającym się z dławika 1 mh

7 Zastosowanie aktywnego filtru EMI do redukcji zaburzeń Rys. 8. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik z filtrem aktywnym, C in = 33 nf Rys. 9. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik z filtrem aktywnym, C in = 3,3 nf

8 18 Marian Pasko, Marek Szymczak Rys. 10. Widmo zaburzeń generowanych przez przekształtnik z filtrem aktywnym, C in = 1 nf Zmniejszając pojemność kondensatora C in z 33 nf (rysunek 8) przez 3,3 nf (rysunek 9), aż do 1 nf (rysunek 10) widać wyraźny spadek zaburzeń w paśmie od 300 khz do 1 MHz. Dla skrajnych wartości tych pojemności uzyskuje się zwiększenie tłumienia filtru o kolejne 5 db. Zmianie ulega też nieznacznie charakter widma tych zaburzeń, co związane jest ze zmianą parametrów całego obwodu. Największe wzmocnienie (współczynnik sprzężenia) jakie udało się osiągnąć, bez negatywnego wpływu filtru na ogólny poziom zaburzeń, wyniosło ok. 28 V/V, przy pojemności kondensatora C in = 1 nf. W takiej konfiguracji pasmo przenoszenia filtru zaczyna się od ok. 20 khz. Wartość modułu tłumienności wtrąceniowej IL w paśmie od 100 khz do 1 MHz, można określić na podstawie otrzymanych widm na ok. 20 db. W tych samych warunkach, układ bez filtru aktywnego, zawierający filtr składający się wyłącznie z cewki o indukcyjności 1 mh, wykazywał tłumienie zaledwie ok. 6 db. 3. PODSUMOWANIE W artykule przeanalizowano działanie aktywnego filtru typu IV do tłumienia zaburzeń przewodzonych generowanych przez przekształtnik boost. Z pomiarów wynika, że filtr ten dobrze tłumi widmo generowanych zaburzeń od częstotliwości ok. 40 khz do 1 MHz. Na podstawie otrzymanych widm, można okre-

9 Zastosowanie aktywnego filtru EMI do redukcji zaburzeń ślić moduł tłumienności wtrąceniowej IL filtru na poziomie ok. 20 db, co w porównaniu do układu z samą cewką, którego moduł współczynnika IL wyniósł ok. 6 db, jest wartością 5 razy lepszą. Dużą rolę w układzie odgrywa odpowiedni dobór parametrów filtru górnoprzepustowego ograniczającego pasmo filtru aktywnego od dołu. Jego niewłaściwe dobranie będzie skutkowało ograniczeniem maksymalnego wzmocnienia wzmacniacza A, a co za tym idzie skuteczności tłumienia filtru dla wyższych częstotliwości. Jest to spowodowane próbą kompensacji przez filtr zbyt niskich częstotliwości i przesterowaniem się jego stopnia wyjściowego [8]. Porównując charakterystykę modułu wzmocnienia wzmacniacza A (rysunek 5) oraz otrzymanych widm tłumienia, można zauważyć, że wraz ze wzrostem częstotliwości, skuteczność filtru maleje i dla ok. 1 MHz tłumienie jest zbliżone do układu z samą cewką (rysunek 7). Przeprowadzone badania potwierdzają skuteczność działania filtrów aktywnych i w następnej kolejności zostanie podjęta próba zastosowania filtrów aktywnych w układzie z falownikiem o mocy 1,9 kv A. LITERATURA [1] Biela J., Wirthmueller A., Waespe R., Heldwein M. L., Raggl K., Kolar J. W.: Passive and Active Hybrid Integrated EMI Filters. IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 5, May [2] Cantillon Murphy P., Neugebauer T. C., Brasca C., Perreault D. J.: An Active Ripple Filtering for Improving Common Mode Inductor Performance. IEEE Power Electron. Letters, vol. 2, no. 2, s.45 50, June [3] Chen W., Yang X., Wang Z.: An Active EMI Filtering Technique for Improving Passive Filter Low Frequency Performance. IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 48, no. 1, Feb [4] Dong D., Luo F., Zhang D. Boroyevich D., Mattavelli P.: Grid interface bidirectional converter for residental dc distributions systems Part 2: AC and dc interface design with passive components minimization. IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 4, s , Apr [5] Heldwein M. L., Ertl H., Biela J., Kolar J. W.: Implementation of a Transformless Common Mode Active Filter for Offline Converter Systems. IEEE Trans. On Industrial Electron., vol. 57, no. 5, May [6] LaWhite L., Schlecht M. F.: Design of Active Ripple Filters for Power Circuits Operating in the 1 10 MHz Range. IEEE Trans. Power Electron., vol. 3, no. 3, s , July [7] Luo F., Zhang D. Boroyevich D., Mattavelli P., Xue J., Wang F., Gazel N.: On discussion of ac and dc side EMI filters design for conducted noise suppression in dc feed three phase motor drive system. Proc. IEEE APEC, Mar [8] Pasko M., Szymczak M.: Analysis and simulation of the basic structures of active EMI filters. "Computer Applications in Electrical Engineering, ed. by R. Nawrowski, Poznan University of Technology, No 13, Poznań 2015.

10 20 Marian Pasko, Marek Szymczak [9] Pasko M., Szymczak M.: Badanie aktywnych filtrów do tłumienia zaburzeń przewodzonych. Poznan University Of Technology Academic Journals Electrical Engineering, no 87, Poznań [10] Son Y. C., Sul S. K.: Generalization of Active Filters for EMI Reduction and Harmonics Compensation. IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 42, no. 2, s , March/April APPLICATION OF ACTIVE EMI FILTER TO REDUCTION CONDUCTED NOISE GENERATED BY A BOOST CONVERTER The article presents the results of experimental studies of active EMI filter where the noise source is a boost converter. Firstly, the idea of active EMI filters is presented, with the insertion loss (IL) parameter describing their efficiency. Then, feedback type filter structures are introduced, with one of them selected for further experiments. Measurement system and schematic diagram of inspected structure is presented, along with the characteristics of noise spectrum in the function of frequency. The article concludes with the summary of positive and negative properties of the subject filter. (Received: , revised: )