ANALIZA WPŁYWU KONSTRUKCJI FILTRÓW NA TŁUMIENIE ZABURZEŃ RÓŻNICOWYCH

ELEKTRYKA 213 Zeszyt 4(228) Rok LIX Szymon PASKO Politechnika Śląska w Gliwicach ANALIZA WPŁYWU KONSTRUKCJI FILTRÓW NA TŁUMIENIE ZABURZEŃ RÓŻNICOWYCH Streszczenie. Możliwość redukcji poziomu zaburzeń iltru można wyrazić za pomocą jego tłumienności wtrąceniowej. Tłumienność wtrąceniową iltru bada się dla składowej wspólnej CM zaburzeń przewodzonych i składowej różnicowej DM z uwzględnieniem parametrów pasożytniczych. Tłumienności zarówno dla składowych CM i DM bada się w układzie zgodnym z normą CISPR17 [1]. W niniejszym artykule przeprowadzono badania wpływu parametrów elementów składowych iltru na tłumienność dla zaburzeń różnicowych DM. Przebadano także wpływ parametrów pasożytniczych wynikających z ich konstrukcji. Analiza wpływu konstrukcji iltrów została przeprowadzona bez uwzględnieniem sprzężeń pasożytniczych pomiędzy elementami. Ponadto, analiza wpływu iltru została przeprowadzona, przy założeniu że wymiary geometryczne elementów i ich położenie względem siebie są zbliżone. Słowa kluczowe: zaburzenia elektromagnetyczne, iltry przeciwzakłóceniowe, kompatybilność elektromagnetyczna CONSTRUCTION ANALYSES OF EMI FILTER ON INSERTION LOSS PROPERTIES FOR DIFFERENTIAL MODE INTERFERENCE Summary. Conducted noise reduction eiciency o EMI ilter is expressed by insertion loss characteristics. The insertion loss characteristics o EMI ilter are measured or common mode (CM) and dierential mode (DM). The measurement takes into account parasitic parameters o ilter s elements. Insertion loss characteristics are measured according to standard CISPR 17 [1]. The paper examines the inluence o main and parasitic parameters o EMI ilter on insertion loss characteristic or dierential mode DM noise. The analyses o EMI ilter construction was carried out without inluence o parasitic coupling between ilters elements. Moreover analyses was carried out or assumption that, geometrical dimension and position o ilter s elements are similar. Keywords: Electromagnetic Intererence, EMI ilters, Electromagnetic Compatibility

Sz. Pasko 1. WPROWADZENIE Najczęstszym sposobem redukcji zaburzeń przewodzonych, generowanych w przekształtnikach energoelektronicznych oraz urządzeniach elektronicznych, jest stosowanie pasywnych iltrów przeciwzakłóceniowych. Filtry te pracują w zakresie częstotliwości 9 k - 3 M. Dla takiego zakresu częstotliwości na tłumienność wtrąceniową mają wpływ parametry główne iltru (L, R p, C X, C Y ) oraz ich parametry pasożytnicze. Wartość parametrów pasożytniczych zależy od konstrukcji elementów składowych iltru: cewek sprzężonych (rodzaju materiału magnetycznego, sposobu nawijania), kondensatorów C X, C Y (rodzaj zastosowanego dielektryka - poliester, polipropylen, papier) [2], [3], [4], [7], [8]. Do przeprowadzenia analizy wpływu parametrów iltru, w tym parametrów pasożytniczych niezbędny jest model teoretyczny, opisujący tłumienność wtrąceniową dla zaburzeń wspólnych CM i różnicowych DM. W tym celu wykorzystano model opisujący iltr przeciwzakłóceniowy za pomocą macierzy łańcuchowej czwórnika osobno dla zaburzeń wspólnych, a osobno dla zaburzeń różnicowych. Szczegółowy opis iltru za pomocą macierzy łańcuchowej został przedstawiony w [2], [5]. Wpływ poszczególnych parametrów ma charakter ogólny i jest pomocny przy prowadzeniu analizy konstrukcji i dobieraniu elementów, nowych iltrów lub iltrów projektowanych dla konkretnego urządzenia. W niniejszym artykule skupiono się przede wszystkim na wpływie parametrów iltru na zaburzenia różnicowe DM. 2. TŁUMIENNOŚĆ WTRĄCENIOWA FILTRU Skuteczność iltru przeciwzakłóceniowego jest scharakteryzowana poprzez stratę niepożądanego sygnału (zaburzenia elektromagnetycznego), przechodzącego przez niego. Parametrem charakteryzującym skuteczność iltru jest tłumienność wtrąceniowa H(j ). Moduł tłumienności wtrąceniowej deiniuje się jako: U2 H(j ω) 2log, (1) U gdzie: U 2 wartość skuteczna zespolona napięcia na zaciskach 2-2 w układzie bez iltru, U 2 wartość skuteczna zespolona napięcia na zaciskach 2-2 w układzie z iltrem. Tłumienność wtrąceniowa jest wyrażana w skali logarytmicznej jako stosunek napięć mierzonych na zaciskach 2-2 w układzie pomiarowym bez iltru oraz z iltrem. Wartość skuteczna napięcia U 2, jest mierzone na zaciskach 2-2 w układzie bez iltru, który został przedstawiony na rys. 1. Następnie w układ włącza się badany iltr i dokonuje się pomiaru 2

Analiza wpływu konstrukcji 61 wartości skutecznej napięcia U 2. Schemat układu zależy od rodzaju mierzonych zaburzeń przewodzonych. Pomiar charakterystyk tłumienności wtrąceniowej iltru EMI w zakresie 9 k - 3 M przeprowadza się dla składowej wspólnej (CM) oraz różnicowej (DM) według wymagań normy CISPR 17 [1]. Schematy pomiarowe zostały przedstawione dla składowej różnicowej (DM) na rys. 2. Obciążenie Generator przemiatający 2 R 1 5 W R 2 5 W U 2 E Rys. 1. Układ pomiarowy do badania tłumienności wtrąceniowej w układzie bez podłączonego iltru Fig. 1. Scheme o insertion loss measurements setup without ilter 2' a) Obciążenie L Filtr przeciwzakłóceniowy EMI L,8 mh L Generator przemiatający Z 2 =R 2 5 W U 2 2 N C X2,15 mf R 1 MW L,8 mh C X1,15mF C Y1 4,7 nf C Y2 4,7 nf N 1 Z 1 =R 1 5 W E 2' PE 1' b) Obciążenie Transormator 1:1 Filtr przeciwzakłóceniowy EMI Transormator 1:1 Generator przemiatający 2 L L,8mH L 1 Z1=R1 CY1 5 W Z2=R2 5 W U2 CX2,15mF R1 1 MW CX1.,15mF 4,7nF CY2 4,7nF E 2' N L,8mH N 1' Rys. 2. Schemat pomiarowy tłumienności wtrąceniowej iltru EMI: a) dla składowej wspólnej (CM), b) dla składowej różnicowej (DM) Fig. 2. Scheme o ilter s insertion loss properties or: a) common mode (CM), b) dierential mode (DM) Na rys. 3 zmieszczono pomierzone oraz wyznaczone z modelu charakterystyki modułu tłumienności analizowanego iltru dla składowej różnicowej DM.

62 Sz. Pasko 1 obliczenia obliczenia pomiar pomiar 2 2 1k 1k 1M 1M 3M 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 3. Zmierzona charakterystyka tłumienności analizowanego iltru: a) dla zaburzeń wspólnych, b ) dla zaburzeń różnicowych. Fig. 3. Insertion loss characteristic o analyzed ilter: a) common mode, b) dierentia mode Z porównania charakterystyki tłumienności wtrąceniowej dla iltru zmierzonej i wyznaczonej analitycznie, a przedstawionej na rys. 3 wynika, że zaproponowany model iltru opisanego za pomocą parametrów macierzy łańcuchowej dość dobrze odwzorowuje pomierzoną charakterystykę iltru. Dlatego też na podstawie zaproponowanego modelu została przeprowadzona analiza wpływu wartości parametrów elementów składowych iltru na jego tłumienność dla składowej różnicowej (DM). Natomiast dla składowej wspólnej została opisana w pracach [3], [4]. Wpływ parametrów elementów składowych iltru na jego tłumienność wtrąceniową jest badany w taki sposób, że porównuje się charakterystyki tłumienności wtrąceniowej iltru, którego jeden z parametrów jest zmieniony względem iltru wzorcowego, a pozostałe jego parametry są niezmienione. Wartości parametru iltru zostały przedstawione na rys. 2. 3. WPŁYW PARAMETRÓW FILTRU NA TŁUMIENNOŚĆ WTRĄCENIOWĄ DLA SKŁADOWEJ RÓŻNICOWEJ DM Schemat zastępczy iltru przeciwzakłóceniowego EMI dla składowej DM został przedstawiony na rys. 4. Na poziom zaburzeń dla składowej DM mają wpływ indukcyjności rozproszenia L r cewek sprzężonych, wartości pojemności kondensatorów C X1, C X2, C Y1, C Y2 oraz ich parametry pasożytnicze. Dla zaburzeń DM indukcyjność cewek sprzężonych jest reprezentowana przez wartość indukcyjności rozproszenia L r. Dla zaburzeń CM wzrost indukcyjności rozproszenia L r powoduje zmniejszenie poziomu tłumienia dla składowej CM,

Analiza wpływu konstrukcji 63 jak zostało to przedstawione w artykule [4]. Natomiast dla zaburzeń DM wzrost indukcyjności L r powoduje wzrost tłumienia (rys. 5). L C 1 C X2 C X1 C Y1 R p L R w L r R Y1 L RX2 CX2 LX2 C 3 C 3 RX1 CX1 LX1 C Y1 C Y2 L Y1 R Y2 N L r L Y2 N R p C Y2 C 2 Rys. 4. Schemat iltru dla składowej DM z uwzględnieniem parametrów pasożytniczych Fig. 4. Scheme o ilter or dierential mode with parasitic capacitances 1 L 1r>L r C11>C1 L r C1 L 2r<L r C21<C1 DM4 DM2 DM3 2 2 1k 1k 1M 1M 3M DM1 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 5. Wpływ zmian parametrów na tłumienność iltru dla składowej DM: a) indukcyjności rozproszenia L r, b) pojemności pasożytniczej C 1 Fig. 5. Inluence o ilter parameters or common mode DM: a) leakage inductance L r, b) parasitic capacitance C 1 Zmiana wartości pojemności kondensatorów C Y i ich parametrów pasożytniczych ma wpływ na charakterystykę tłumienności dla składowej DM, dla częstotliwości powyżej częstotliwości CY1 = 16 M. Zwiększenie wartości pojemności C Y z zakresu tolerancji (2%) powoduje zmniejszenie częstotliwości DM3, DM4.

64 Sz. Pasko Tłumienność dla częstotliwości rezonansowej DM3 zwiększa się. Wpływ zmian pojemności C Y na poziom tłumienności dla składowej DM zaburzeń został przedstawiony na rys. 6a. C1Y>CY L 1Y>L Y CY L Y C2Y<CY L 2Y<L Y DM3 DM4 DM4 DM3 2 DM2 2 DM2 DM1 1k 1k 1M 1M 3M DM1 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 6. Tłumienność iltru dla DM dla: a) wybranych wartości pojemności C Y, b)wybranych wartości indukcyjności L Y Fig. 6. Insertion loss or DM mode or: a) selected value o C Y, b) selected value L Y Częstotliwości rezonansowe DM3, DM4 także zmniejszają swoje wartości w przypadku zwiększania indukcyjności pasożytniczych L Y rys. 6b. Wzrost wartości rezystancji R Y powoduje zwiększenie tłumienności dla częstotliwości rezonansowych DM3, a zmniejsza się dla częstotliwości rezonansowej DM4. Wpływ ten przedstawiono na rys. 7a. Wartość pojemności kondensatora C Y jest ściśle określona ze względu na dopuszczalne wartości prądu upływu I up. Pojemności kondensatorów C X zależą od rodzaju iltru i mogą być dobierane stosownie do pożądanej tłumienności DM. Wzrost wartości pojemności kondensatorów C X powoduje zwiększenie tłumienności dla zaburzeń DM. Na rys. 7b przedstawiono wpływ wartości pojemności C X na poziom tłumienia dla składowej DM. Kondensatory C X o większych pojemnościach podwyższają poziom tłumienia, ale mają wyższe wartości indukcyjności pasożytniczych L X, które wpływają na obniżenie tłumienności powyżej częstotliwości DM2. Na rysunku 8a podano wpływ indukcyjności pasożytniczych L X na poziom tłumienności. Wzrost tłumienia oraz przesunięcie częstotliwości rezonansowych DM2, DM3, DM4 w zakres wyższych częstotliwości (powyżej 2 M) występuje dla małych wartości indukcyjności pasożytniczych L X.

Analiza wpływu konstrukcji 65 1 R 1Y>R Y C1X>CX 1 2 3 R Y CX R 2Y<R Y C2X<CX DM4 DM4 DM2 DM2 DM3 DM3 2 2 DM1 1k 1k 1M 1M 3M DM1 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 7. Tłumienność iltru dla DM dla: a) wybranych wartości pojemności R Y, b) wybranych wartości indukcyjności C X Fig. 7. Insertion loss or DM mode or: a) selected value o R Y, b) selected value C X. Na poziom tłumienia ma także wpływ rezystancja pasożytnicza R X kondensatora C X. Wpływ zmian rezystancji R X został przedstawiony na rys. 8b. Zwiększenie wartości rezystancji R X powoduje obniżenie poziomu tłumienia powyżej 1 M, przyczyną jest wzrost impedancji kondensatora C X. 1 L1X>LX 1 R1X>RX LX RX L2X<LX R2X<RX DM3 DM2 DM4 DM2 DM3 DM4 2 2 DM1 DM1 1k 1k 1M 1M 3M 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 8. Tłumienność iltru dla DM dla: a) wybranych wartości pojemności L X, b) wybranych wartości indukcyjności R X Fig. 8. Insertion loss or DM mode or: a) selected value o L X, b) selected value R X.

66 Sz. Pasko 4. WNIOSKI Na tłumienność iltru dla zaburzeń DM mają wpływ parametry cewek sprzężonych, takie jak: wartości indukcyjności rozproszenia L r, pojemności pasożytnicze, rezystancja rdzenia magnetycznego oraz wartości pojemności C X i C Y. Większa wartości indukcyjności L r powoduje zwiększenie tłumienności. Pojemności pasożytnicze cewek sprzężonych mają znikomy wpływ na poziom tłumienia dla zaburzeń DM. Największy wpływ na poziom tłumienia dla zaburzeń różnicowych DM ma wartość pojemności C X oraz jej parametry pasożytnicze R X i L X. Wartość pojemności C Y oraz jej parametry pasożytnicze mają widoczny wpływ na tłumienność pasożytniczą dla częstotliwości powyżej kilku M (rys.6a). Zwiększenie tłumienności dla zaburzeń DM można uzyskać przez stosowanie kondensatorów o jak najmniejszych wartościach indukcyjności pasożytniczych. Wartości indukcyjności pasożytniczych zależą od rodzaju zastosowanego kondensatora, najmniejsze wartości indukcyjności pasożytniczej mają kondensatory ceramiczne. BIBLIOGRAFIA 1. CISPR 17:2,:Methods o measurement o the suppression characteristics o passive radio intererence Flters and suppression components. 2. 2. Pasko S., Beck F., Grzesik B.: Property comparisons o TIGHTpak toroidal and double layer common choke. Electrical Review 21 nr, 2, p. 9-13. 3. Pasko S.: Analiza wpływu konstrukcji na właściwości iltrów zaburzeń przewodzonych przekształtników energoelektronicznych. Rozprawa doktorska, Gliwice, 15.3.211. 4. Pasko S.: Analiza wpływu konstrukcji iltrów dla zaburzeń różnicowych. Kwartalnik Elektryka z. 1, s. 63-72. 5. Pasko S., Grzesik B., Beck F.: Attenuation o nanocrystalline and errite common mode chokes or EMI ilters. 15th International Symposium Power Electronics Ee29, 28 th - 3 th October 29, Novi Sad, Serbia. 6. Pasko S., Grzesik B.: Analityczne wyznaczanie tłumienności wtrąceniowej iltrów przeciwzakłóceniowych. Przegląd Elektrotechniczny 212, nr 3a, s. 215-219. 7. Ozenbaugh L. R.: EMI ilter Design. Headquarters, 21. 8. Ott H.W.: Electromagnetic compatibility Engineering. John Wiley & Sons, 29. Dr inż. Szymon Pasko Politechnika Śląska Wydział Elektryczny Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki ul. Krzywoustego 2 44-1 Gliwice e-mail: Szymon.Pasko@polsl.pl