ANALIZA WPŁYWU KONSTRUKCJI FILTRÓW NA TŁUMIENIE ZABURZEŃ WSPÓLNYCH

ELEKTRYKA 13 Zeszyt 1 (225) Rok LIX Szymon PASKO Politechnika Śląska w Gliwicach ANALIZA WPŁYWU KONSTRUKCJI FILTRÓW NA TŁUMIENIE ZABURZEŃ WSPÓLNYCH 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 dla składowych CM i DM bada się w układzie zgodnym z normą CISPR17 [1]. W artykule bada się wpływ parametrów elementów składowych iltru na tłumienność iltru dla zaburzeń wspólnych CM, w tym 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 COMMON 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 common mode 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

64 Sz. Pasko 1. WPROWADZENIE Najczęstszym sposobem redukcji zaburzeń przewodzonych, generowanych w przekształtnikach energoelektronicznych oraz urządzeniach elektronicznych, jest stosowanie pasywnych iltrów przeciwzakłóceniowych. Filtry te pracuje w zakresie częstotliwości 9 k - 3 M. Dla takiego zakresu częstotliwości na tłumienność wtrąceniową mają wpływ parametry główne iltru (, 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, np. poliester, polipropylen, papier) [2, 3, [4]. 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. 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: U H(j ω) log. (1) U gdzie: U 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. 2 Tłumienność wtrąceniowa jest wyrażana w skali logarytmicznej jako stosunek napięć mierzonych na zaciskach 2-2 w układzie pomiarowym bez iltru oraz z iltrem. Napięcie U, 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 napięcia U 2. Schemat układu zależy od rodzaju mierzonych zaburzeń przewodzonych.

Analiza wpływu konstrukcji 65 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 wspólnej (CM) na rys. 2a, a dla składowej różnicowej (DM) na rys. 2b. Obciążenie Generator przemiatający 2 R 1 5 W R 2 5 W U E 2' Rys. 1. Układ pomiarowy do badania tłumienności wtrąceniowej w układzie bez podłączonego iltru Fig. 1. Scheme insertion loss measurements setup without ilter a) Obciążenie L Filtr przeciwzakłóceniowy EMI,8 mh L Generator przemiatający Z 2 =R 2 5 W U 2 2 N C X2,15 mf R 1 MW,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,8mH L 1 Z 1=R 1 Z 2=R 2 5 W U 2 C X2,15mF R 1 1 MW C X1.,15mF C Y1 4,7nF C Y2 4,7nF 5 W E 2' N,8mH N 1' Rys. 2. Schemat pomiarowy tłumienności wtrąceniowej iltru EMI dla: a) składowej wspólnej CM, b) składowej różnicowej DM Fig. 2. Scheme o ilter s instertionloss properties or: a) common mode (CM), b) dierential mode (DM)

66 Sz. Pasko Na rys. 3 zmieszczono pomierzone oraz wyznaczone z modelu charakterystyki modułu tłumienności analizowanego iltru dla składowej wspólnej CM i różnicowej DM. a) b) 1 obliczenia obliczenia pomiar pomiar 1k 1k 1M 1M 3M 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 3. Zmierzona charakterystyka tłumienności analizowanego iltru FN Fig. 3. Insertion loss characteristic o analyzed ilter : a) common mode, b ) dierentia mode Z porównania charakterystyk tłumienności wtrąceniowej iltru zmierzonych i wyznaczonych analitycznie, przedstawionych na rys. 3 wynika, że zaproponowany model iltru opisanego za pomocą parametrów macierzy łańcuchowej dość dobrze odzwierciedla pomierzone charakterystyki iltru. Dlatego na podstawie zaproponowanego modelu została przeprowadzona analiza wpływu wartości parametrów elementów składowych iltru na jego tłumienność dla składowej wspólnej. 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. 2a.. 3. WPŁYW PARAMETRÓW FILTRU NA TŁUMIENNOŚĆ WTRĄCENIOWĄ DLA SKŁADOWEJ WSPÓLNEJ CM Na tłumienność wtrąceniową iltru dla składowej CM wpływają parametry cewek sprzężonych oraz kondensatorów C Y. Schemat iltru dla składowej CM wraz z parametrami pasożytniczymi został przedstawiony na rys. 4.

Analiza wpływu konstrukcji 67 Z L C 1 +C 2,5R p L+N 2,5R w,5l r Z Y L + N 1 RY2 CY2 LY2 RY1 CY1 LY1 PE 2' 1' PE Rys. 4. Schemat iltru dla składowej CM z uwzględnieniem parametrów pasożytniczych Fig. 4. Scheme o ilter or common mode with parasitic capacitances Na rys. 5a przedstawiono wpływ zmian wartości indukcyjności na charakterystykę tłumienności iltru dla składowej CM. Charakterystyka została wykreślona dla trzech wartości indukcyjności,85 mh, 2 mh, 4 mh, podczas gdy pozostałe parametry iltru przeciwzakłóceniowego są niezmienne. a) b) L 1> 1 2 3 R 1p>R p 1 2 3 R p L < R 2p<R p 1k 1k 1M 1M 3M 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 5. Wpływ zmian parametrów na tłumienność iltru dla składowej CM: a) indukcyjności, b) rezystancji R p Fig. 5. Inluence o ilter parameters or common mode CM: a) inductance, b) resistance R p

68 Sz. Pasko Wraz ze wzrostem wartości indukcyjności, tłumienie składowej CM wzrasta do częstotliwości ok. k (obszar 1). Powyżej tej częstotliwości (obszar 2 i 3) tłumienność jest taka sama dla wszystkich trzech porównywanych charakterystyk. W obszarze 1 na tłumienność iltru, dla składowej CM, dominujący wpływ ma wartość indukcyjności. Impedancja cewki dla składowej CM z uwzględnieniem elementów pasożytniczych wyrażona jest poprzez impedancję Z L, która jest określona za pomocą wzoru (2). Rp ZL,5Rw,5jωLr. (2) 1 2 jrp2ωc1 ωl Ze względu na to, że wartości R w i L r elementów są małe, ich wpływ na poziom tłumienia w obszarze 1 jest minimalny. Pozwala to na ich pominięcie w celu przejrzystości analizy. Przy takim założeniu impedancja Z L przyjmuje postać: Rp ZL. (3) 1 2 jrp2ωc1 ωl Zależność (4) na moduł impedancji Z L określa się na podstawie zależności (3): Z L Rp Rp Rp 2 2 4 A 1 4 Rp Y2C1 YL 4 R ) p2ωc1 ω CM. (4) W celu wyjaśnienia wpływu wartości indukcyjności dla obszaru 1 w tabeli 1 przedstawiono moduły impedancji oraz admitancji poszczególnych elementów dla wybranych częstotliwości oraz dla różnych wartości indukcyjności. Tabela 1 Wartości modułu impedancji i admitancji parametrów cewek sprzężonych dla zaburzeń CM =,85 mh =2 mh =4 mh,5r p Y C1 Y L1m Z L1m A CM1m Y L2m Z L2m A CM2m Y L4m Z L4m A CM4m M kw ms ms kw WW ms kw WW ms kw WW,1 3,8 5,9 159,62 145 796 1,2 36 398 2,12 8,88 2 3,8 118 79,8 3,77,73 39,9 3,65,33 19,9 3,52,52 1 3,8 59 15,9 1,61 18,2 7,96 1,59 18,7 3,98 1,58 19 Na poziom tłumienia dla składowej CM ma wpływ impedancja Z L. W obszarze 1 na charakterystykę tłumienności nie ma wpływu impedancja kondensatów C Y, ponieważ moduł

Analiza wpływu konstrukcji 69 impedancji kondensatorów dla częstotliwości 1 k jest znacznie większy niż impedancja obciążenia R 2 =5 Wrys. 5a). Dla częstotliwości z obszaru 1 (1 k) moduł admitancji Y 2C1 kondensatora wynosi 5,9 ms, natomiast moduł admitancji dla indukcyjności =,85 mh wynosi Y L1 =159 ms, dla =2 mh, Y L2m =796 ms, =4 mh, Y L4m =398 ms. Dla częstotliwości 1 k moduł admitancji Y L indukcyjności jest dużo większy niż moduł admitancji kondensatora Y 2C1. Dlatego na czynnik A CM zależności (4) dominujący wpływ ma wartość modułu admitancji Y L. Wraz ze wzrostem indukcyjności, czynnik A CM równania (4) maleje (por. tabela 1), co powoduje wzrost modułu impedancji Z L, a tym samym tłumienności dla obszaru 1 przy wzroście częstotliwości. Wpływ modułu admitancji Y L maleje wraz ze wzrostem częstotliwości, a rośnie wpływ admitancji Y 2C1. Dla częstotliwości z obszaru 2, dla 2 M, moduł admitancji Y 2C1 =118 ms, natomiast moduł admitancji dla indukcyjności =,85 mh wynosi Y L1m =79,8 ms, dla =2 mh, Y L2m =39,9 ms, =4 mh, Y L4m =19,9 ms. Dla częstotliwości z obszaru 2 wartość modułu impedancji Y L dla analizowanych wartości indukcyjności nie ma znaczącego wpływu na moduł impedancji Z L (por. rys. 6a). a) b) C11<C1 1 2 3 L 1r>L r 1 2 3 C1 L r C21>C1 L 2r<L r CY 1k 1k 1M 1M 3M 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 6. Tłumienność iltru dla CM dla: a) wybranych pojemności pasożytniczych uzwojeń C 1 +C 2, b) wartości indukcyjności L r Fig. 6. Inluence o ilter parameters or common mode CM: a) parasitic capacitance o inductor s winding, b) parasitic inductance L r

7 Sz. Pasko W obszarach 2 oraz 3 zmiana wartości indukcyjności nie ma dominującego wpływu na charakterystykę tłumienności dla składowej CM. Na tłumienność w obszarze 2 dominujący wpływ ma wartość rezystancji R p. Podczas zwiększania wartości rezystancji R p rośnie tłumienność w obszarze 2. Na rysunku 5b przedstawiono wpływ zmian rezystancji R p podczas gdy pozostałe wartości elementów iltru są stałe. Rezystancja R p reprezentuje straty w rdzeniu magnetycznym, i jej wartość zależy od rodzaju użytego materiału. Duże znaczenie na poziom tłumienia, dla składowej CM w obszarach 2 i 3, ma wartość pojemności pasożytniczych C 1 +C 2, które reprezentują pojemności międzyzwojowe. W rozpatrywanych przypadkach pojemność C 1 =C 2, ponieważ liczba zwojów i sposób nawinięcia są takie same (rys. 6a). Wraz ze wzrostem pojemności pasożytniczych poziom tłumienności dla CM zmniejsza się. Wzrost pojemności zależy od sposobu nawijania lub liczby zwojów. Największa pojemność pasożytnicza występuje dla cewek nawijanych dwuwarstwowo. Na poziom tłumienia w obszarze 3 ma również wpływ indukcyjność rozproszenia L r. Wraz z jej zmniejszaniem się zwiększa się tłumienia w obszarze 3 (rys. 6b). Zmiany wartości indukcyjności L r dla składowej CM nie mają tak dużego znaczenia jak dla zaburzeń DM. W obszarze 3 po przekroczeniu częstotliwości CY tłumienność znacząco się obniża. Na wartość częstotliwości CY wpływ ma wartość pojemności, wynikająca z połączenia równoległego kondensatorów C Y1, C Y2 oraz wartość indukcyjności, wynikająca z połączenia równoległego indukcyjności pasożytniczych L Y1, L Y2 (rys. 4). a) b) C 1Y>C Y 1 2 3 L 1Y>L Y 1 2 3 C Y L Y C 2Y<C Y L 2Y<L Y CY CY 1k 1k 1M 1M 3M 1k 1k 1M 1M 3M Rys. 7. Tłumienność iltru dla CM dla: a) wybranych wartości pojemności C Y, b) wybranych wartości indukcyjności pasożytniczej L Y Fig. 7. Inluence o ilter parameters or common mode CM: a) capacitance o ilter C Y, b) inductance L Y

Analiza wpływu konstrukcji 71 Wzrost pojemności kondensatorów C Y1 i C Y2 powoduje zmniejszenie częstotliwości rezonansowej CY, powodując przy tym zwiększenie tłumienności w obszarach 2 i 3. Pojemności kondensatorów C Y są ściśle określone i zależą od wartości prądu upływu I up. Dla analizowanego iltru wartość kondensatora wynosi 4,7 nf i jest ograniczana przez dopuszczalny prąd upływu, który wynosi,75 ma na azę. Na rysunku rys. 7a zilustrowano wpływ zmian pojemności C Y1 =C Y2. Wartość kondensatorów była zmieniana w granicach tolerancji użytych kondensatorów, tzn. % od wartości znamionowej (4,7 nf). Na częstotliwość rezonansową CY wpływają także wartości indukcyjności pasożytniczych kondensatorów L CY1 oraz L CY2. Wpływ indukcyjności pasożytniczych kondensatorów C Y1 oraz C Y2 na poziom tłumienności przedstawiono na rys. 8b. Wraz ze wzrostem wartości indukcyjności pasożytniczej L CY1 oraz L CY2, rezonans CY przesuwa się w kierunku niższych częstotliwości. Częstotliwość rezonansowa CY zależy od wartości pojemności kondensatorów C Y oraz wartości indukcyjności pasożytniczych L CY1, L CY2. 4. WNIOSKI Na tłumienność wtrąceniową iltru dla składowej wspólnej CM ma wpływ indukcyjność, pojemności pasożytnicze C 1, C 2, rezystancja R p reprezentująca straty w rdzeniu cewek sprzężonych oraz parametry kondensatorów C Y (pojemność, indukcyjność pasożytnicza oraz rezystancja). Na wartość tłumienności wtrąceniowej iltru dla składowej CM ma wpływ wartość indukcyjności cewek sprzężonych, która zależy od wymiarów, przenikalności magnetycznej, liczby zwojów. Przy konstrukcji iltrów dąży się do uzyskania jak najmniejszych wymiarów przy uzyskaniu jak największej wartości indukcyjności oraz jak najmniejszych wartości pojemności pasożytniczych. Wartość indukcyjności można zwiększyć, a tym samym wartość tłumienności dla zaburzeń CM poprzez zastosowanie rdzeni nanokrystalicznych. Rdzenie nanokrystaliczne mają większą przenikalność niż powszechnie stosowane rdzenie errytowe MnZn.[5] Zwiększenie tłumienności dla zaburzeń CM można także uzyskać przez zmniejszenie pojemności pasożytniczych C 1, C 2. W tym celu należy nawijać cewki jednowarstwowo. Właściwości kondensatorów również mają wpływ na poziom tłumienności wtrąceniowej zaburzeń wspólnej CM. Wraz ze wzrostem wartości pojemności C Y wartość tłumienności wzrasta. Jednakże wartości pojemności kondensatorów C Y są ściśle określone ze względu na dopuszczalny prąd upływu I up. Zwiększenie tłumienności dla zaburzeń CM można uzyskać przez stosowanie kondensatorów o jak najmniejszych wartościach indukcyjności pasożytniczych. Wartości indukcyjności pasożytniczych zależą od rodzaju zastosowanego

72 Sz. Pasko kondensatora, najmniejsze wartości indukcyjności pasożytniczej mają kondensatory ceramiczne. Jak zostało przedstawione w artykule, na tłumienność wtrąceniową dla zaburzeń wspólnych mają wpływ nie tylko wartości parametrów głównych, takich jak indukcyjność, pojemności C X, C Y, ale także parametry pasożytnicze, które wynikają z konstrukcji elementów. BIBLIOGRAFIA 1. CISPR 17:: Methods o measurement o the suppression characteristics o passive radio intererence Flters and suppression components,. 2. Pasko S., Beck F., Grzesik B.: Property comparisons o TIGHTpak toroidal and double layer common choke. Electrical Review 1, No. 2, p. 9-13. 3. Pasko S.: Analiza wpływu konstrukcji na właściwości iltrów zaburzeń przewodzonych przekształtników energoelektronicznych. Rozprawa doktorska, Gliwice 15.3.11. 4. Pasko S., Grzesik B., Beck F.: Attenuation o nanocrystalline and errite common mode chokes or EMI ilters, 15 th International Symposium POWER ELECTRONICS Ee9, 28 th -3th October 9. Novi Sad, Serbia. 5. Pasko S., Grzesik B.: Analityczne wyznaczanie tłumienności wtrąceniowej iltrów przeciwzakłóceniowych. Przegląd Elektrotechniczny 12, nr 3a, s. 215-219. 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