PORÓWNANIE FILTRÓW AKTYWNYCH I PASYWNYCH DO TŁUMIENIA ZABURZEŃ PRZEWODZONYCH EMI

(1)

DOI 10.21008/j.1897-0737.2018.93.0005

__________________________________________

* Politechnika Śląska

Marian PASKO

^*

, Marek SZYMCZAK

^*

PORÓWNANIE FILTRÓW AKTYWNYCH I PASYWNYCH DO TŁUMIENIA ZABURZEŃ PRZEWODZONYCH EMI

W artykule przedstawiono badania oraz wyniki pomiarów filtrów pasywnych i aktywnych do tłumienia zaburzeń przewodzonych EMI. W pierwszej części artykułu przedstawiono wybrane struktury filtrów pasywnych, które przebadano pod względem uzyskiwanej tłumienności wtrąceniowej IL. Następnie przebadano struktury z filtrami aktywnymi, których celem było poprawienie skuteczności tłumienia w stosunku do filtrów pasywnych, w tych samych warunkach pomiarowych. W końcowej części artykułu zostały porównane wyniki oraz przedstawione wnioski z pomiarów dla obydwu typów filtrów dla redukcji zaburzeń wspólnych CM.

SŁOWA KLUCZOWE: filtry aktywne, zaburzenia przewodzone, kompatybilność elek- tromagnetyczna, filtry EMI, falownik.

1. WSTĘP

Postępująca technika wymusza budowanie lekkich i wysokosprawnych prze- kształtników pracujących na wysokich częstotliwościach, w celu optymalizacji ich kosztu, sprawności i rozmiaru. Szczególnie istotne jest to w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie bardzo dużą uwagę poświęca się samochodom elektrycznym.

Wykorzystywane do zasilania układów napędowych napięcia (od 200 V do 550 V), które kluczowane są z wysoką częstotliwością (do 200 kHz), powodują powstawanie dużego poziomu zaburzeń przewodzonych EMI [2]. Wynikające z norm (EN 55025) ograniczanie poziomu zaburzeń wymusza konstruowanie bardziej złożonych filtrów, o większych rozmiarach, co bezpośrednio zwiększa ich koszt [16, 14]. W związku z tym prowadzi się badania nad możliwością zastosowania rozwiązań aktywnych do tłumienia zaburzeń przewodzonych, zastę- pując filtry pasywne lub znacznie poprawiając ich właściwości [5, 8]. Budowa hybrydowych filtrów aktywnych pozwala na zmniejszenie gabarytów i wagi elementów pasywnych oraz daje możliwość zastosowania do ich budowy tań- szych rdzeni, o mniejszych wymiarach, z materiałów o niższych właściwościach magnetycznych, kosztem wspomagania jego pracy układem aktywnym bez spadku, a nawet z poprawą skuteczności tłumienia całego filtru [1, 4].

(2)

2. BADANIE FILTRÓW 2.1. Wstęp

W artykule zostały przebadane dwa filtry pasywne oraz połączenie filtru pasywnego i aktywnego. Uwaga została skupiona na pomiarach zaburzeń wspól- nych CM, których prądy rozpływają się w obu przewodach zasilających + i  w tym samym kierunku i zamykają się poprzez przewód uziemiający PE (i_CM).

Na rysunku 1 zostały przedstawione drogi rozchodzenia się prądów zaburzeń wspólnych CM i różnicowych DM.

iCMiCM

Rys. 1. Droga rozchodzenia się prądów zaburzeń wspólnych iCM i różnicowych iDM [13]

Dla prowadzonych badań zostało przygotowane stanowisko pomiarowe, któ- rego schemat blokowy został przedstawiony na rysunku 2.

Rys. 2. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego do badania filtrów

Współczynnikiem określającym stopień redukcji zaburzeń EMI przez filtr jest moduł tłumienności wtrąceniowej |IL| (oznaczany też α) i definiowany jako (1) stosunek wartości skutecznej napięcia na zaciskach odbiornika bez filtru, do

(3)

wartości skutecznej napięcia panującego na tych zaciskach po jego zastosowa- niu:

s 0 s

U IL  U

,

(1) lub w skali decybelowej (2):

s 0 s dB 20log

U IL  U

,

(2) gdzie: |U_s⁰| - wartość skuteczna napięcia na zaciskach zasilających urządzenie bez filtru, |U_s| - wartość skuteczna napięcia na zaciskach zasilających po włącze- niu filtru.

2.2. Filtry pasywne

Powszechnie stosowane filtry pasywne, składające się z elementów RLMC, są skuteczne, jednak w specyficznych aplikacjach, gdzie wymaga się tłumienia dużych wartości prądów zaburzeń, konieczne jest stosowanie filtrów wielostop- niowych. Wielkość i waga takich filtrów może przekroczyć wagę i wielkość samego przekształtnika [6, 10]. Dla filtrów dużej mocy, gdzie prądy zaburze- niowe wynoszą (100-400) A np. w przemyśle motoryzacyjnym do konstrukcji filtrów stosuje się tzw. bus bary (miedziane szyny) [3, 14].

Rys. 3. Filtr przeciwzaburzeniowy do zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym [14]

Dławiki CM, aby miały dużą skuteczność tłumienia zaburzeń wspólnych, muszą cechować się dużą indukcyjnością. Można to osiągnąć na dwa sposoby, albo zwiększając liczbę zwoi, albo stosując materiały ferromagnetyczne o dużej przenikalności. W przypadku bus barów problemem jest nawinięcie kilku zwoi na rdzeniu z wykorzystaniem miedzianych płaskowników, dlatego stosuje się rdzenie z drogich materiałów ferromagnetycznych (np. nanokrystalicznych [7]),

(4)

lub zwiększa się liczbę rdzeni. Na rysunku 3 przedstawiono zdjęcie przykłado- wego filtru dla przemysłu motoryzacyjnego [14].

W pracy przeprowadzono badanie tłumienności wtrąceniowej dwóch filtrów pasywnych z użyciem rdzeni z materiału nanokrystalicznego, o różnej przeni- kalności magnetycznej. Na rysunku 4 przedstawiono schemat zaproponowanego przez autorów stanowiska pomiarowego.

Rys. 4. Schemat proponowanego stanowiska pomiarowego dla filtrów pasywnych

Aby określić tłumienność wtrąceniową badanych filtrów, wykonano pomiar zaburzeń wspólnych generowanych przez falownik bez filtrów. Wyniki pomia- rów zostały przedstawione na rysunku 5.

Rys. 5. Widmo zaburzeń wspólnych generowanych przez falownik bez filtrów

Pierwszym badanym rdzeniem był FT-3K50T firmy Hitachi z nawiniętym 1 zwojem. Powstały dławik LCM miał indukcyjność ok. 2x 50 H. Właściwości tłumiące takiego filtru (1 zwój) zależą tylko od właściwości magnetycznych i geometrycznych rdzenia. Na rysunku 6 przedstawiono widmo zaburzeń generowanych przez falownik wyposażonym w filtr z dławikiem 2x 50 H.

(5)

Rys. 6. Widmo zaburzeń wspólnych generowanych przez falownik po stłumieniu ich filtrem z rdzeniem FT-3K50T

Porównując otrzymane widma zaburzeń generowanych przez falownik z filtrem (rysunek 6) i bez filtru (rysunek 5), można określić moduł tłumienności wtrąceniowej.

Rys. 7. Widmo zaburzeń wspólnych generowanych przez falownik po stłumieniu ich filtrem z rdzeniem W424-04

Drugim badanym rdzeniem był W424-04 firmy VAC. Dławik zbudowany jest z 4. rdzeni nanokrystalicznych o łącznej wartości indukcyjności 2x 600 H.

Widmo zaburzeń generowanych przez falownik z filtrem mającym dławik 2x600 H przedstawiono na rysunku 7.

(6)

Rys. 8. Zestawienie otrzymanych widm zaburzeń wspólnych generowanych przez falownik z filtrem pasywnym z rdzeniem FT-3K50T oraz W424-04

Na rysunku 8 przedstawiono zestawienie otrzymanych widm zaburzeń wspólnych generowanych przez falownik z filtrem pasywnym z rdzeniem FT- 3K50T oraz W424-04. Porównując obydwa filtry pod względem tłumienności, można zauważyć wyraźny wzrost tłumienia dla rdzenia W424-04, co spowodowane jest tym, iż zbudowany na nim dławik ma wielokrotnie więk- szą wartość indukcyjności.

2.3. Filtry aktywne

W artykule skupiono się na grupie filtrów ze sprzężeniem zwrotnym, których działanie polega na wytworzeniu sygnału kompensującego, tak aby tłumić zaburzenia generowane przez źródło (zamknięta pętla).

in

A Zn

Zs

u

s ⁺ -A

1

is d

in

A Zn

Zs

i 2 is

d

in Zn

Zs Zs Zn in

u_d 3

id

u _s ⁺

-A4 u

Typ I Typ II

Typ III Typ IV

Rys.9. Struktury filtrów ze sprzężeniem zwrotnym [9]

Na rysunku 9 zostały przedstawione cztery podstawowe struktury filtrów aktywnych ze sprzężeniem zwrotnym [9], wraz z zaproponowanymi dla nich nu-

(7)

merami typów [15]. Typy te różnią się od siebie sposobem detekcji oraz redukcji zaburzeń. We wcześniejszym artykule [11] została dokonana szczegółowa anali- za oraz badania symulacyjne wyżej wymienionych struktur, z których w kolejnej pracy [12] zostały wybrane dwie do badań eksperymentalnych, gdzie zbadano ich właściwości i zweryfikowano warunki poprawnej pracy.

Na rysunku 10 przedstawiono schemat proponowanego przez autorów stanowiska, w którym zastosowano filtr aktywny typu III (detekcja napięcia i usuwanie prądu zaburzeń).

Rys. 10. Schemat proponowanego stanowiska pomiarowego dla filtrów aktywnych

Filtr ten stanowi połączenie kaskadowe członu pasywnego (z cewką na rdzeniu FT-3K50T o indukcyjności 2x 50 H), oraz filtru aktywnego usuwa- jącego prąd zaburzeń. Użyty rdzeń jest taki sam jak we wcześniej skonstruowa- nym filtrze pasywnym, a wzmacniacz ma wzmocnienie A₁ = 100 V/V. Widmo zaburzeń wspólnych, jakie zostało zarejestrowane analizatorem przedstawiono na rysunku 11.

Rys. 11. Widmo zaburzeń wspólnych generowanych przez falownik po stłumieniu ich kaskadowym połączeniem filtrów pasywnego i aktywnego

(8)

Porównując otrzymane widmo zaburzeń z widmem po stłumieniu samym filtrem pasywnym z rdzeniem FT-3K50T (2x 50 H), można zauważyć, że tłumienność filtru aktywno - pasywnego jest o 20 dB większa w zakresie 150 kHz – 6 MHz.

3. PODSUMOWANIE

W artykule przeprowadzono badania dwóch filtrów pasywnych oraz jednego połączenia kaskadowego filtru pasywnego i aktywnego. Filtry pasywne zostały zbudowane z wykorzystaniem dwóch różnych rdzeni (nanokrystalicznych) o różnej przenikalności, uzyskując skrajnie odmienne wartości indukcyjności LCM. Eksperyment ten posłużył sprawdzeniu jaki wpływ ma wartość indukcyjno- ści dławików na moduł tłumienności wtrąceniowej |IL|.

W filtrze z dławikiem o indukcyjności 2x 50 H, zbudowanym na bazie rdzenia FT-3K50T, uzyskano tłumienie, w zależności od częstotliwości, od 10 dB do 40 dB. Z kolei filtr z dławikiem o indukcyjności 2x 600 H, w którym wykorzystano rdzeń W424-04, cechował się modułem tłumienności wtrąceniowej na poziomie od 30 dB do 50 dB. Różnica w tłumienności wynika przede wszystkim z różnych wartości indukcyjności, i dla filtru, w którym dła- wik ma większą indukcyjność, moduł tłumienności wtrąceniowej jest większy.

Kolejnym badanym układem było połączenie kaskadowe filtru pasywnego, w którym dławik L_CM miał indukcyjność 2x 50 H, oraz filtru aktywnego typu III (detekcja napięcia i usuwanie prądu zaburzeń). Uzyskany moduł tłumien- ności wtrąceniowej, w zależności od częstotliwości, sięgał nawet do 60 dB, w zakresie częstotliwości od 150 kHz do 6 MHz. Dla wyższych częstotliwości (od 15 MHz do 24 MHz) wystąpił efekt nieznacznego wzmocnienia zaburzeń w stosunku do samego filtru pasywnego. Moduł tłumienności wtrąceniowej samego filtru pasywnego w tym paśmie wynosił ok. 10 dB, natomiast połączenie kaskadowe, wykazywało moduł tłumienności zaledwie od 1 dB do 5 dB. Spo- wodowane jest to przez przesunięcie fazowe w filtrze aktywnym wynikające z ograniczenia pasma przenoszenia wzmacniacza A1.

Porównując filtr pasywny (z dławikiem L_CM o indukcyjności 2x 600 H) z kaskadowym połączeniem filtrów pasywnego i aktywnego, można zauważyć, że w paśmie częstotliwości od 150 kHz do 4 MHz uzyskano zbliżone wartości modułu tłumienności wtrąceniowej dla obydwu filtrów. Pozwala to stwierdzić, że wykorzystując dławik o mniejszej indukcyjności, wykonany z materiału o mniejszej przenikalności magnetycznej, ale dodając układ filtru aktywnego, można uzyskać moduł tłumienności wtrąceniowej na podobnym poziomie jak przy filtrze z dławikiem o większej indukcyjności. Dzięki temu można zastoso- wać tańszy materiał ferromagnetyczny, o gorszych parametrach tym samym ograniczając koszt filtru, jego wagę oraz wymiary.

(9)

Rys. 12. Zestawienie wszystkich otrzymanych widm zaburzeń wspólnych generowanych przez falownik bez filtru, z filtrem pasywnym z rdzeniem FT-3K50T oraz W424-04,

i kaskadowym połączeniem filtrów aktywnego i pasywnego

Na rysunku 12 zostało przedstawione poglądowe zestawienie wszystkich otrzymanych w artykule widm zaburzeń wspólnychgenerowanych przez falownik bez filtru, z filtrem pasywnym z rdzeniem FT-3K50T oraz W424-04, i kaskadowym połączeniem filtrów aktywnego i pasywnego.

LITERATURA

[1] Biela J., Wirthmueller A., Waespe R., Heldwein M. L., Raggl K., Kolar J. W., Pas- sive and Active Hybrid Integrated EMI Filters, IEEE Trans. Power Electron., vol.

24, no. 5, May 2009.

[2] Böh M., Lohner A., El Amrani N., Efficiency increasing by a variable DC link voltage in combination with a bang-bang controlled inverter for an automotive ap- plication, PCIM Europe 2017, 16–18 May, Nuremberg, Germany, 2017.

[3] Callegaro A. D., Guo J., Eull M., Daen B., Gibson J., Preindl M., Bilgin B., Emandi A., Bus Bar Design for High-Power Inverters, TPEL.2017.2691668, IEEE Transac- tions on Power Electronics, 2017.

[4] Cantillon-Murphy P., Neugebauer T. C., Brasca C., Perreault D. J., An Active Rip- ple Filtering for Improving Common-Mode Inductor Performance, IEEE Power Electron. Letters, vol. 2, no. 2, s.45-50, June 2004.

[5] 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. 2006.

[6] Dong D., Luo F., Zhang D. Boroyevich D., Mattavelli P., Grid-interface bidirec- tional 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. 1667-1679, Apr. 2013.

(10)

[7] Ghosh R., Wang M., Mudiyula S., Mhaskar U., Mitova R., Reilly D., Klikic D., Industrial Approach to Design a 2kVA Inverter for Google Little Box Challenge, TIE.2017.2782231, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017

[8] 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 In- dustrial Electron., vol. 57, no. 5, May 2010.

[9] 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.

310–317, July 1988.

[10] 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. 2011.

[11] 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.

[12] Pasko M., Szymczak M., Badanie aktywnych filtrów do tłumienia zaburzeń przewodzonych, Poznan University Of Technology Academic Journals Electrical En- gineering, no 87, Poznań 2016.

[13] Pasko Sz., Beck F., Grzesik B., Parameters calculation of coupled coils equivalent circuit of EMI filter. Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), ISSN 0033- 2097, R. 85 NR 8/2009.

[14] Schefler S., Keller C., Spanos K., Weber S., Systemsimulations with EMI-Filter in an Automotive HighVolt Environment, PCIM Europe 2017, 16–18 May, Nurem- berg, Germany, 2017.

[15] 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. 545–551, March/April 2006.

[16] Zhang X., Boroyevich D., Mattavelli P., Wang F., Filter Design Oriented EMI Prediction Model for DC-field Motor Drive System Using Double Fourier Integral Transform Method, Proc. IEEE IPEMC, s. 1060-1064, 2012.

COMPARISON OF ACTIVE AND PASSIVE EMI FILTERS TO REDUCTION CONDUCTED NOISE

The article presents the results of experimental studies of passive and active EMI filters to reduction conducted noise. Firstly, the article presents selected structures of pas- sive filters, that have been tested in terms of insertion loss (IL) parameter describing their efficiency. Then, active filters were used to improve the efficiency of insertion loss of passive filters under the same measuring conditions. Finally, the results and conclu- sions are drawn from the measurements of both types of filters for the reduction of conducted noise.

(Received: 01.02.2018, revised: 05.03.2018)