ЭМС фильтр для преобразователя частоты
Частотные преобразователи, как и другая нелинейная нагрузка – источники электромашинных помех. Устройства генерируют паразитные гармоники, которые распространяются по входной и выходной цепи и излучают воздушные помехи.
Для обеспечения бесперебойной работы оборудования введено понятие ЭМС – электромагнитная совместимость. Характеристика показывает уровень излучаемых помех и стойкость устройств к нежелательному излучению и паразитным гармоникам. ЭМС определяет способность электроустановок и другого оборудования работать совместно и не допускать недопустимого уровня помех, ведущих к сбоям в работе и возникновению ненормальных режимов.
Электромагнитной совместимость стандартизируется согласно ТР ЕАЭС 020/2011, ГОСТ Р 50397-2011 для России и стран Евроазиатского Экономического Союза, ETS EN для ЕС.
Негативное влияние помех
Различают 2 вида помех при работе преобразователей частоты – эфирные помехи и нежелательные гармоники в цепях сеть-преобразователь частоты и ПЧ-электродвигатель. Паразитное ЭМИ, распространяемое по проводам, приводит к искажению тока и напряжения. Общепринятое обозначение коэффициентов несинусоидальности – THUD по напряжению и THID по току.
- Нарушения работы устройств проводной и беспроводной связи, искажение видео, аудио, информационных сигналов.
- Увеличивают тепловые потери в кабелях, трансформаторах, обмотках, емкостных элементах.
- Снижают точность показаний контрольно-измерительных приборов.
- Вызывают акустический шум при работе электродвигателей.
Высокий уровень искажений требует применения кабелей и проводов большего сечения, более мощных аппаратов защиты и коммутации, дополнительно нагружает сеть, увеличивает износ электрической и механической части технологического оборудования, снижает КПД.
Способы снижения помех
При высокой скорости коммутации электронных ключей инвертора ПЧ со звеном постоянного тока, при работе мощных преобразователей с непосредственной связью с сетью возникают высоко- и низкочастотные помехи. Для борьбы с ними применяют несколько методов:
- Применение экранированных кабелей наименьшей возможной длины.
- Использование усовершенствованных полупроводниковых элементов.
- Оптимизация алгоритмов работы широтно-импульсного модулятора.
- Применение многопульсных схем преобразователей частоты.
- Установка активных и пассивных фильтров во входную и выходную цепь.
Для повышения электромагнитной совместимости также применяют встроенные фильтры и комплексные меры.
Применение экранированных кабелей для подключения преобразователя частоты к двигателю – обязательная рекомендация большинства производителей ПЧ по обеспечению ЭМС. Необходимо:
- Использовать проводник с металлическим экраном, покрывающим не менее 80 % поверхности.
- Заземлять экран с обоих концов.
- Применять для соединения этого специальные зажимы для экранированных проводников.
Использование кабелей, рекомендованных в инструкции ПЧ марок, соблюдения требований к монтажу позволит снизить уровнь помех и искажений при любых условиях эксплуатации и требований к ЭМС.
Ряд производителей предлагает ПЧ, укомплектованных усовершенствованными модулями IGBT с PEP/CAL диодами. Такие устройства имеют низкий уровень помех и искажений. К недостаткам устройств относят высокую цену.
Применение многопульсных схем также уменьшает искажения синусоидальной формы напряжения. Так стандартный 6-пульсный инвертор имеет коэффициент искажения тока THID до 60%, 12 — пульсный –уже 10-15%, 18-пульсный – не больше 4-7%.
Фильтры для повышения ЭМС
Фильтрация помех и гармонических искажений – самый эффективный и недорогой способ повышения электромагнитной совместимости. Для этого применяют активные фильтры, пассивные входные и выходные устройства.
Активные фильтры подключают параллельно нагрузке по следующей схеме:
Устройства обеспечивают непрерывное измерение амплитуды и фазы искажений, генерируют компенсирующие гармоники в противофазе. В результате результирующий вектор оказывается равным 0, то есть искажения от нагрузки и гармоники, генерируемые активным фильтром, взаимно уничтожаются.
- Устраняет несимметричную нагрузку фаз.
- Компенсирует реактивную мощность.
- Снижает коэффициент искажений тока и напряжения THDI и THDU.
Область применения активных фильтров – участки сети с большим количеством нелинейных потребителей, системы электроснабжения с автономными генераторами или низким коэффициентом мощности. Оборудование может работать на несколько электроприводов, совместимо с другими устройствами повышения ЭМС.
Входные пассивные фильтры – устройства для подавления нечетных гармоник 5, 7, 11 порядка. Оборудование состоит из основного индуктивного элемента L0 и двухступенчатой схемы индуктивными элементами L1 и L2 и конденсаторами C1 и C2.
Наибольшую эффективность устройства показывают при полной нагрузке, в этом случае устройства обеспечивают уменьшение искажений тока THDi до 5-10 %. При частичной нагрузке входные фильтры также уменьшают абсолютное значение гармонического тока и существенно уменьшают отрицательное влияние искажений.
- устойчиво к фоновым искажениям и асимметрии фаз;
- подходит для систем электроснабжением с генератором при использовании разъединителя конденсаторов;
- не требует обслуживания.
Входные фильтры дешевле активных устройств, при допустимых требованиях ЭМС предпочтительно применять пассивное оборудование. При необходимости можно дополнительно устанавливать фильтры в цепь преобразователь частоты-электродвигатель.
Синусовые фильтры предназначены для снижения помех в выходной цепи. Устройство приставляет собой колебательный контур, выполненный по «Г»- образной схеме.
- Уменьшает скачки напряжения в двигателе.
- Снижает скорость нарастания напряжения du / dt.
- Уменьшает наводимые помехи от кабеля.
- Снижает уровень акустического шума при работе электродвигателя.
- Уменьшает величину подшипниковых токов.
Устройства продлевают срок службы изоляции, защищают ее от поверхностного пробоя, предотвращают разрушения подшипников.
На рисунке слева показана форма напряжения и тока без синусового фильтра, справа – форма напряжения и тока с выходным устройством фильтрации гармоник.
Фильтр d u / dt предназначены для снижения пиков коммутационных перенапряжений, емкостного тока нагрузки, частичного уменьшения подшипниковых токов электродвигателей большой мощности
Схема устройств аналогичная синусовому оборудованию, отличие – фильтры d u / dt отсекают гармоники частотой ниже частоты переключения инверторных ключей.
Устройства можно применять с длительно бывшими в эксплуатаций электродвигателями, в приводах, работающих при высоких температурах, и в агрессивных средах. Оборудование существенно сглаживает форму напряжения и тока на выходе, уменьшает уровень помех в моторном кабеле.
RFI-фильтры предназначены для подавления помех в радиодиапазоне. Устройства существенно снижают негативное влияние работающего частотно-регулируемого привода на беспроводные устройства связи, видео- аудиоаппаратуру, контрольно-измерительные приборы. RFI-фильтры обычно встраиваются в схему частотного преобразователя.
Заключение
При выборе решения ЭМС для преобразователей частоты учитываются требования к уровню помех и помехоустойчивости оборудования на конкретном объекте и стандарты ЭМС. При проектировании привода также принимают во внимание:
- Особенности системы электроснабжения.
- Характеристики двигателя и частотного преобразователя.
- Зону размещения устройств и оборудования.
Исходя из этих условий, выбирают наиболее эффективное в техническом и экономическом плане решение. Ряд производителей преобразователей частоты и фильтров предлагают услуги расчета устройств для подавления помех.
Фильтры ЭМС в системе электропривода с преобразователем частоты
1. Требования к электромагнитной совместимости для СЭП с регулируемой скоростью вращения содержатся в ГОСТ Р51524-99.
2. Требования к ЭМС в части ограничений на эмиссию гармонических составляющих тока содержатся в ГОСТ Р51317.3.2-99.
3. Требования к ЭМС в части ограничений на колебания напряжения и фликер изложены в ГОСТ Р51317.3.3-99.
4. Требования к ЭМС в части норм индустриальных радиопомех изложены в ГОСТ Р51318.11-99.
5. Для выполнения требований к ЭМС в СЭП рекомендуется использовать набор специально разработанных элементов (фильтров), а также соблюдать правила по выбору кабелей, способу их прокладки, взаимному размещению элементов, экранированию и заземлению.
6. Схемы фильтров предусматривают возможность подключения их только к сети с заземленной нейтралью.
7. Ряд типоисполнений фильтров по току: 7, 16, 25, 32, 50, 63, 100, 140, 200 А.
8. Рекомендуемая функциональная схема СЭП с элементами ЭМС.
8.1.Линейный реактор (трехфазный дроссель) подключается к клеммам питания ПЧ для выполнения требований по ограничению эмиссии гармонических составляющих тока. Кроме того, установка его снижает импульсную токовую нагрузку выпрямителя ПЧ, облегчает режим работы и увеличивает срок службы конденсаторов в звене постоянного тока ПЧ, улучшает условия работы фильтра радиопомех.
8.2. Фильтр радиопомех включается между питающей сетью и СЭП для ограничения уровня напряжения кондуктивных радиопомех (150 кГц – 30 МГц) в точке подключения к сети.Обеспечивают соответствие нормам ограничения радиопомех для устройств класса А, группы 1 (Гост Р51318.11- 99) при длине кабеля двигателя до 100 м.
8.3.Фильтр dU/dt (L-R-C) включается между выходными клеммами ПЧ и двигательным кабелем. Кроме своего основного назначения – защиты обмоток двигателя от перенапряжений дает сильный положительный эффект на подавление радиопомех, т.к. ограничивая скорость нарастания напряжения в двигательном кабеле на уровне не более 500 В/ мкс, ограничивает спектр частот колебаний в двигательном кабеле до 150 кГц. Благодаря этому ограничиваются уровни как индуктивных помех, так и кондуктивных в двигательном и сетевом кабелях.
8.4.Участок кабеля между выходными клеммами и фильтром dU/dt должен быть максимально коротким и, желательно, экранированным, т.к. на нем фронты нарастания напряжений не ограничены и составляют до 10 кВ/мкс.
8.5.Для выполнения требований по ограничению индуктивных радиопомех (30 МГц – 1 ГГц) подключение двигателя рекомендуется выполнять экранированным кабелем. На обоих концах кабеля выполнить высокочастотное 360 о заземление экрана соединением с корпусом ПЧ и двигателя.
8.6.Все элементы ЭМС (фильтры) и ПЧ размещать на общей неокрашенной металлической монтажной панели с токопроводящим гальваническим покрытием и надежным соединением с корпусом шкафа и контуром заземления.
Как спроектировать фильтр электромагнитных помех для DC-DC преобразователя?
Поставщики компонентов наперебой рассказывают, как просто при помощи их изделий создать готовое к промышленному выпуску решение. После посещения одного из таких мероприятий от Wurth Electronics по проектированию пассивных фильтров электромагнитных помех (ЭМП) у меня и моих коллег осталось непонимание методики подбора компонентов, и мы решил провести собственное исследование.
Сегодня мы постараемся рассеять маркетинговый туман и внести осознанность в проектирование фильтров ЭПМ для импульсных преобразователей (DC-DC) на примере прохождения испытаний на соответствие стандарту CISPR 25.
Таблица 1. Характеристики тестового импульсного преобразователя
Электрические характеристики
Номинальное выходное напряжение
Номинальный выходной ток
Номинальная выходная мощность
Пульсации выходного напряжения
Номинальное входное напряжение
Максимальное входное напряжение
Максимальный входной ток входном напряжении 12,5 В
Геометрические размеры
Диапазон рабочих температур
класс G по ISO16750-4 (п.4), класс А по ISO16750-1 (п.6)
CISPR 25 class 5
Структурная схема блока
В качестве опорного решения был выбран повышающий преобразователь топологии boost с технологией синхронного выпрямления. Был разработан электронный макет изделия в Altium Designer для последующей экстракции паразитных параметров печатной платы.
Несколько слов о методах борьбы с электромагнитными помехами в импульсной технике. На рисунке 2 представлены основные направления работы по уменьшению электромагнитных помех, излучаемых импульсными преобразователями. В данной публикации мы постараемся рассмотреть только работу с пассивными фильтрами электромагнитных помех.
Тестовый преобразователь построен на базе контроллера LM5122. Для проведения моделирования в программном пакете PSPICE была разработана модель для решения во временной области.
Подход, использованный в данной работе схож с тем, что предлагают производители пассивных компонентов, например, Wurth Electronics, для проектирования фильтров ЭМП импульсных преобразователей.
Типовой фильтр представлен на рисунке 3. Он имеет три секции и демпфер (для подавления резонансных явлений между фильтром и входным конденсатором).
Для того, чтобы разобраться с проектированием пассивных фильтров в качестве стандарта был выбран CISPR 25.
В общем случае измерение помех в соответствии со стандартом CISPR 25 производится двумя способами: методом напряжений и методом токов. Рассмотрим метод напряжений.
В методе напряжений оценка уровня помех происходит путем измерения падения напряжения на измерительных резисторах, которые встроены в эквивалент сети (Line Impedance Stabilization Network — LISN). В процессе измерения анализатор спектра подключается к одному из измерительных разъемов эквивалента сети, другой разъем нагружается сопротивлением 50 Ом. Измерения производятся последовательно на обоих шинах питания.
На рисунках 4 и 5 представлены пути протекания токов синфазных и дифференциальных помех, которые в сумме и составляют полную величину тока помехи.
С точки зрения генерации помех особый интерес представляет точка соединения транзисторов и дросселя, именно здесь происходит колебание электрического потенциала с максимальной амплитудой. При открытии ключа VT1 потенциал этой точки становится равным 0, а в момент закрытия VT1 потенциал равен выходному напряжению (без учета падения напряжения на открытом транзисторе VT2 или кратковременно на его встроенном диоде). Целесообразно предположить, что емкости, образованные полигоном подключения силовых ключей и полигоном GND печатной платы или корпусом, являются основными путями протекания токов помех.
Задача испытаний состоит в том, чтобы определить какой уровень помех генерирует устройство. Для имитации сети в процессе испытаний используется специальная схема — эквивалент сети. Он представляет собой электрический четырехполюсник, импеданс которого имеет постоянное значение в полосе частот, на которых производятся измерения во время испытаний. Соответствующую характеристики эквивалента сети можно найти в приложениях к тексту стандарта испытаний.
Величину полной помехи можно представить в виде двух составляющих: синфазной и дифференциальной. Дифференциальная помеха протекает через силовые проводники в разных направлениях. В отличие от дифференциальной составляющей синфазная помеха протекает по силовым проводам в одном направлении и замыкается через паразитную емкость между полигоном, к которому подключены силовые ключи, и корпусом. Из схем видно, что в одном измерительном плече эквивалента сети токи синфазной и дифференциальной помех складываются, а в другом вычитаются (рисунок 5). Исходя из этого можно написать:
Что приводит к следующим выражениям для определения уровня синфазных и дифференциальных помех :
Стандарт CISPR 25 нормирует уровень помех для измерения методом напряжения в дБмкВ.
С чего начать проектирование фильтра?
Основная задача фильтра снизить уровень генерируемых помех ниже пределов, заданных стандартом, на разных частотах. Допустимые уровни помех в соответствии со стандартом CISPR 25 class 5 представлены на рисунке 7.
Проектирование фильтра начинается с анализа методики испытаний.
В соответствии со стандартом CISPR 25 испытания производятся в постановке, представленной на рисунке 8.
Требуемое ослабление фильтра можно рассчитать по формуле:
– максимально допустимый уровень помех в соответствии со стандартом;
Частота среза фильтра может быть рассчитана:
Параметры основных индуктивностии емкости фильтра Могут быть определены из соотношения:
Элементы демпфера можно приблизительно рассчитать:
Расчет паразитной емкости
Для примерной оценки величин паразитной емкости можно воспользоваться в первом приближении формулой емкости плоского конденсатора:
– расстояние между обкладками;
диэлектрическая проницаемость материала изолятора.
Так как обкладки паразитного конденсатора имеют значительно различную площадь, то применение формулы емкости даст приблизительный результат. Оценку величины этой емкости целесообразно провести методом конечных элементов (МКЭ).
Для этого подготовленную геометрию печатной платы необходимо загрузить в препроцессор МКЭ решателя (рисунок 10), и назначить элементам геометрии соответующие материалы.
Создание расчетной модели
Ко всем полигонам, участвующим в вычислении емкости, применяется условие возбуждения «Voltage».
Вычисление емкости можно производить при помощи решателя для статических моделей, моделей в частотной области или моделей во временной области.
Для вычисления емкости в статической постановке могут использоваться нижеприведенные зависимости.
Для системы из нескольких заряженных тел может быть составлена система уравнений:
В матричной форме:
В диагональных элементах матрицы содержаться полные емкости элементов, остальные элементы матрицы представляют собой взаимные емкости.
Для расчета матрицы решатель производит приложение потенциала 1 В к одному элементу возбуждения модели, в то время как остальные элементы возбуждения имеют потенциал 0 В. Количество расчетов соответствует числу элементов возбуждения модели.
Если к металлическому элементу не назначено никакое условие возбуждения, то по умолчанию назначается условия Floating.
Для автоматического расчета матрицы емкости можно применить инструмент Matrix в программном пакете Ansys Maxwell.
После выполнения расчета получим значения взаимных емкостей между элементами модели.
Таблица 2. Исходные данные для расчета элементов фильтра
Таблица 3. Параметры фильтра
Таблица 4. Параметры элементов фильтра
После получения значений паразитных емкостей они были внесены в SPICE модель.
В процессе этого исследования было проведено моделирование различных фильтров, спроектированных для работы в преобразователях с различными частотами коммутации ключей (250, 350, 450 и 550 кГц). Увеличение частоты приводит к снижению размеров элементов фильтра, но сопровождается ростом потерь на силовых ключах, что является нежелательным. В статье приведены данные расчетов только для частоты 250 кГц, так как результаты на других частотах являются аналогичными.
Таблица 5. Характеристики синфазного дросселя
На частоте 250 кГц было проведено 4 вычислительных эксперимента:
- — без фильтра;
- — с Г образным LC фильтром;
- — только синфазным дросселем;
- — с комбинированным фильтром.
Результаты
Результаты
Результаты
Идея комбинированного фильтра основывается на том, что синфазный дроссель кроме основной синфазной индуктивности имеет еще и паразитную дифференциальную индуктивность. Это позволяет предположить, что можно одновременно использовать оба параметра. В таком случае можно считать, что дифференциальная индуктивность является эквивалентом индуктивности фильтра обычного Г-образного фильтра.
Результаты моделирования
По результатам моделирования можно сказать, что электронный блок, не оснащенный фильтром электромагнитных помех, не смог бы пройти испытаний на электромагнитную совместимость, так как уровни генерируемых помех значительно превышали бы установленные значения.
Применение Г-образного LC фильтра позволяет достичь уровней помех, установленных стандартом, но стоит учитывать допущения, принятые в процессе создания моделей. При расчете по аналитическим выражениям можно получить значения параметров элементов фильтра в первом приближении и использовать в качестве начальной точки при проектировании фильтра. Генерируемые помехи в этом случае немного превышают установленные значения или немного не доходят до них.
Снижение частоты среза Г-образного LC фильтра может не привести к уменьшению общего уровня помех, что ставит перед инженером вопрос о дальнейшей доработке проекта. Потенциально имеется два направления работы: применение синфазной секции фильтра или снижение площади полигона под транзисторами. Стоит помнить, что дБмкВ представляют собой логарифмическую величину, поэтому не стоит надеется на то, что уменьшение паразитной емкости в 2 раза приведет к снижению уровня помех в 2 раза.
Применение синфазного дросселя увеличивает габариты платы, в то время как снижение паразитной емкости требует изменения расположения элементов на печатной плате. Стоит учитывать дифференциальную индуктивность синфазного дросселя, при значительной величине данного параметра возможно совместить синфазный и дифференциальный фильтр.
В каждом конкретном случае решение остается за проектировщиком, но применение расчетных методик позволяет на начальном этапе произвести количественный анализ конструкции и выбрать оптимальное решение. Не стоит забывать о том, что моделирование зависит от точности исходных данных и допущений, принятых при создании моделей.
Если у вас нет PSPICE и Ansys, то вы можете использовать другое решение для моделирования схемы, например, LTSpice. Ansys можно попробовать заменить справочником по расчету емкостей Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости.
Используемые программные продукты:
Pspice – одномерное моделирование электрических цепей;
Ansys Maxwell – расчет паразитных емкостей;
Matlab – построение графиков.
ЭМС фильтры
ЭМС фильтры — фильтры электромагнитной совместимости служат для снижения высокочастотных помех в сеть от частотных преобразователей для соответствия требуемым стандартам сети.
Сортировать по: Названию Цене
ФИЛЬТР ЭМС
Фильтр электромагнитной совместимости или, как его коротко называют, фильтр ЭМС предназначен для ограничения помех, которые неизбежно создаются в процессе работы преобразователей частоты. Колебания в сети питания часто негативно влияют на работу аппаратуры, подключаемой к ней. Соответственно, с целью обеспечения ее надежной защиты рекомендуется применять фильтр ЭМС для частотного преобразователя.
Трехфазные ЭМС–фильтры IEF существенно уменьшают уровень кондуктивных помех в широком диапазоне частот от 150 кГц до 30МГц. Паразитные токи циркулируют в пределах «клетки Фарадея» через ЭМС–фильтр, не выходя за ее пределы.
ВЫБОР ЭМС-ФИЛЬТРА
Чтобы подобрать ЭМС-фильтр для преобразователя частоты, следует учитывать некоторые моменты:
- уровень помех;
- характеристики питающей сети и преобразователя и их соответствие;
- параметры электроцепей и установок;
- тип схемы управления, возможность монтажа определенной модели в данную конструкцию;
- нюансы, возникающие при эксплуатации оборудования.
Кроме того, принимаются во внимание особенности работы асинхронной электроустановки. Если вам нужно выбрать фильтр ЭМС, оптимально соответствующий заданным параметрам, лучше обратиться к специалистам. в Краснодаре это компания ООО «Кубаньэлектропривод».
- Преобразователи частоты
- Устройства плавного пуска
- Стабилизаторы напряжения
- Мотор-редукторы
- Электродвигатели
- Автоматические выключатели
- Контакторы и пускатели
- Преобразователи напряжения
- Датчики параметров
- Источники бесперебойного питания (ИБП)
- Аккумуляторы
- Аксессуары для преобразователей частоты
- Моторные дроссели
- Сетевые дроссели
- Тормозные резисторы
- Фильтры ЭМС
- Платы расширения
- Интернет-магазин
- Как сделать заказ
- Статьи
- Разработка и сборка шкафов управления