Emi filter что это
Фильтры для частотных преобразователей
Применяемые совместно с преобразователями частоты фильтры можно условно разделить на входные и выходные. Входные фильтры служат для подавления негативного влияния выпрямителя и ШИМ-инвертора, выходные фильтры предназначены для борьбы с помехами, создаваемыми ШИМ – инвертором ПЧ и внешними источниками помех. К входным фильтрам относятся сетевые дроссели и ЭМИ–фильтры (РЧ-фильтры), к выходным фильтрам: фильтры dU/dt, моторные дроссели, синус фильтры, фильтры высокочастотных синфазных помех.
Сетевые дроссели
Сетевой дроссель является двухсторонним буфером между сетью электроснабжения и преобразователем частоты и защищает сеть от высших гармоник 5, 7, 11 порядка с частотой 250Гц, 350 Гц, 550 Гц и т.д. Кроме того, сетевые дроссели позволяют защитить преобразователь частоты от повышенного напряжения сети питания и бросков тока при переходных процессах в питающей сети и нагрузке ПЧ, особенно при резком скачке сетевого напряжения, который бывает, например, при отключении мощных асинхронных двигателей. Сетевые дроссели с заданным падением напряжения на сопротивлении обмоток около 2% от номинальной величины сетевого напряжения предназначены для применения с преобразователями частоты не осуществляющими регенерацию энергии, освобождающейся при торможении двигателя обратно в систему электропитания. Дроссели с заданным падением напряжения на обмотках около 4% предназначены для работы комбинаций преобразователей и автотрансформаторов с функцией регенерации энергии торможения двигателя в систему электропитания.
Сетевые дроссели рекомендуется применять:
Преимущества применения сетевых дросселей:
ЭМИ–фильтры
По отношению к питающей сети частотно регулируемый привод (ПЧ+двигатель) является переменной нагрузкой. В совокупности с индуктивностью силовых кабелей это приводит к возникновению высокочастотных флуктуаций сетевого тока и напряжения и, следовательно, к электромагнитному излучению (ЭМИ) силовых кабелей, что может отрицательно сказаться на работе других электронных приборов. Фильтры электромагнитных излучений необходимы для обеспечения электромагнитной совместимости при установке преобразователя в местах, критичных к уровню помех питающей электросети.
Конструкция и область применения фильтров dU/dt
Фильтр dU/dt представляет собой Г-образный фильтр низких частот, состоящий из дросселей и конденсаторов. Номиналы индуктивностей дросселей и конденсаторов подобраны таким образом, чтобы обеспечивалось подавление частот выше частоты коммутации силовых ключей инвертора ПЧ. Величина индуктивности обмотки дросселя фильтра dU/dt находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен мкГн, емкость конденсаторов фильтра dU/dt обычно находиться в пределах нескольких десятков нФ. За счет применения фильтра dU/dt удается снизить пиковое напряжение и отношение dU/dt импульсов на клеммах двигателя примерно до 500 В/мкс, тем самым защитив обмотку двигателя от электрического пробоя.
Фильтры dU/dt рекомендованы для применения в следующих случаях:
Так как фильтр dU/dt имеет сравнительно низкие значения индуктивности и емкости, то волна напряжения на обмотках двигателя еще имеет форму двуполярных прямоугольных импульсов вместо синусоиды. Но ток, протекающий через обмотки двигателя, уже имеет форму практически правильной синусоиды. Фильтры dU/dt могут использоваться на частоте коммутации ниже номинального значения, но следует избегать использовать их на частоте коммутации выше номинального значения, поскольку это вызовет перегрев фильтра. Фильтры dU/dt иногда называют моторными дросселями. В конструкции большинства моторных дросселей отсутствуют конденсаторы, а обмотки катушек имеют более высокую индуктивность.
Конструкция и область применения синусных фильтров
Конструкция синусных фильтров (синус-фильтров) аналогична конструкции фильтров dU/dt с той лишь разницей, что в них установлены дроссели и конденсаторы большего номинала, образующие LC-фильтр с частотой резонанса менее 50% от частоты коммутации (несущей частоты ШИМ-инвертора). За счет этого обеспечивается более эффективное сглаживание и подавление высоких частот и синусоидальная форма фазных напряжений и токов двигателя. Величина индуктивностей синусного фильтра находиться в пределах от сотен мкГн до десятков мГн, емкость конденсаторов синусоидального фильтра от единиц мкФ до сотен мкФ. Поэтому размеры синус-фильтров велики и сравнимы с размерами частотного преобразователя, к которому данный фильтр подключен.
При применении синусных фильтров отпадает необходимость в использовании специальных двигателей с усиленной изоляцией сертифицированных для работы с преобразователями частоты. Также уменьшается акустический шум от двигателя и подшипниковые токи в двигателе. Уменьшается нагрев обмоток двигателя, вызванный наличием токов высокой частоты. Синусные фильтры позволяют использовать более длинные моторные кабели в тех случаях применения, когда двигатель установлен далеко от преобразователя частоты. Одновременно с этим синусный фильтр устраняет импульсные отражения в моторном кабеле, благодаря чему уменьшаются потери в самом преобразователе частоты.
Синусные фильтры рекомендованы для применения в следующих случаях:
Синусные фильтры могут использоваться с частотой коммутации выше номинального значения, но их нельзя использовать при частоте коммутации ниже номинального значения (для данной модели фильтра) более чем на 20 %. Поэтому в настройках частотного преобразователя следует ограничить минимально возможную частоту коммутации в соответствии с паспортными данными фильтра. Кроме того, в случае применения синусного фильтра не рекомендуется повышать частоту выходного напряжения ПЧ выше 70 Гц. В некотором случае необходимо ввести в ПЧ значения емкости и индуктивности синус–фильтра.
В процессе работы синус–фильтр может выделять большое количество тепловой энергии (от десятков Вт до нескольких кВт) поэтому их рекомендуется устанавливать в хорошо вентилируемых местах. Также работа синус-фильтра может сопровождаться наличием акустического шума. При номинальной нагрузке привода на синус‐фильтре будет падать напряжение около 30 V. Это нужно учитывать при выборе электродвигателя. Падение напряжения может быть частично скомпенсировано уменьшением точки ослабления поля в настройках частотного преобразователя, и до этой точки на двигатель будет подаваться корректное значение напряжения, но на номинальной скорости напряжение будет пониженным.
Дроссели dU/dt, моторные дроссели и синусные фильтры должны соединяться с выходом преобразователя частоты экранированным кабелем минимально возможной длины. Максимальная рекомендованная длина кабеля между преобразователем частоты и выходным фильтром:
Конструкция и область применения высокочастотных фильтров синфазных помех
Высокочастотный фильтр синфазных помех представляет собой дифференциальный трансформатор с ферритовым сердечником, «обмотками» которого являются фазные провода моторного кабеля. Высокочастотный фильтр снижает высокочастотные синфазные токи, связанные с электрическими разрядами в подшипнике двигателя, а также уменьшает высокочастотные излучения от кабеля двигателя, например, в случаях использования не экранированных кабелей. Ферритовые кольца высокочастотного фильтра синфазных помех имеют овальную форму для упрощения монтажа. Через отверстие в кольце пропускаются все три фазных провода моторного кабеля, присоединенные к выходным клеммам U, V и W частотного преобразователя. Важно пропустить все три фазы моторного кабеля через кольцо, иначе оно будет насыщаться. Не менее важно не пропускать через кольцо провод защитного заземления PE, какие-либо другие провода заземления или нулевые проводники. В противном случае кольцо утратит свои свойства. В ряде случаев применения может потребоваться собрать пакет из нескольких колец для исключения их насыщения.
При использовании нескольких параллельных кабелей при выборе количества ферритовых колец необходимо учитывать суммарную длину этих кабелей. Например, два кабеля длиной 50 м каждый эквивалентны одному кабелю длиной 100 м. Если используется много параллельных двигателей, то на каждом из них необходимо установить отдельный комплект колец. Ферритовые кольца могут вибрировать под воздействием переменного магнитного поля. Эта вибрация может привести к износу материала изоляции кольца или кабеля за счет постепенного механического истирания. Поэтому ферритовые кольца и кабель следует жестко зафиксировать пластиковыми кабельными стяжками (хомутами).
EMI фильтры Murata
С развитием цифровых технологий для разработчиков электронного оборудования становится все более серьезной проблема электромагнитной совместимости различных устройств. Компания Murata, о которой мы подробно рассказывали в предыдущих номерах нашего журнала, уже более 10 лет принимает активное участие в решении этой проблемы.
Назначение EMI-фильтров
EMI-фильтры предназначены для подавления высокочастотного шума, возникающего в процессе работы различных устройств. Эти фильтры получили широкое распространение как элемент, подавляющий высокочастотные наводки в компьютерном оборудовании, периферии, цифровых схемах, аудио-, видеооборудовании и в других цифровых устройств. Кроме того, эти элементы используются для защиты от электромагнитных помех устройств, работающих в неблагоприятных условиях, таких как салон автомобиля и пр.
Необходимость в использовании фильтров возникает тогда, когда источник помех и помехочувствительное устройство находятся в непосредственной близости друг от друга. Такая ситуация изображена на рис. 1, а. Помеха передается по проводникам, которыми соединены различные устройства или блоки одного устройства, а также наводится в них внешним электромагнитным полем.
Для решения этой проблемы можно, во-первых, уменьшить уровень помех, излучаемый самим устройством-передатчиком (3), повысить помехозащищенность приемника (4), или, что наиболее желательно, применить оба способа (1), рис. 1, б.
Основные виды EMI-фильтров
Итак, EMI-фильтры предназначены для подавления ВЧ-помех (шума), приходящих от источника сигнала или наводящихся в проводниках под действием внешнего электромагнитного поля.
Шумоподавляющий эффект достигается за счет использования частотных свойств конденсатора или катушки индуктивности.
Соответственно, EMI-фильтры подразделяются на следующие виды:
Рассмотрим подавление ВЧ-шума с использованием емкостного фильтра (рис. 2). Конденсатор в такой схеме подключается между сигнальным проводником и «землей» устройства. С ростом частоты полное сопротивление конденсатора падает. Так как характер шума в основном высокочастотный, он отводится конденсатором на землю. В таких фильтрах могут использоваться обычные конденсаторы, подбирая емкость которых можно «вырезать» шум в заданном частотном диапазоне. Однако с ростом частоты эффективность таких фильтров сильно падает, что связано с паразитной индуктивностью выводов конденсатора (рис. 3).
В EMI-фильтрах фирмы Murata используется специальные трехвыводные проходные конденсаторы, характеризующиеся уменьшенным влиянием индуктивности выводов на фильтрующие свойства EMI-фильтра. Такие конденсаторы могут использоваться для подавления шума на частотах свыше 1 ГГц (рис. 4). Сравнительные характеристики емкостных фильтров приведены на рис. 5.
В случае использования индуктивного элемента он включается последовательно в зашумленную цепь. Полное сопротивление индуктивности растет с увеличением частоты, что позволяет ослабить или подавить шумовые помехи (рис. 6).
Как и в случае с конденсаторами, можно использовать индуктивности общего назначения в качестве EMI-фильтров. Однако при этом появляется опасность возникновения резонанса в цепях, содержащих индуктивность и искажение формы полезного сигнала.
Индуктивности, используемые в EMI-фильтрах фирмы Murata, при работе на высоких частотах по своим свойствам приближаются к резистору, что, во-первых, уменьшает вероятность возникновения паразитных колебаний, а во-вторых, не искажает форму полезного сигнала (рис. 7. R доминирует на высоких частотах).
Кроме конденсаторных и индуктивных фильтров, фирма Murata выпускает комбинированные фильтры, сочетающие в себе свойства конденсатора и варистора. Фильтры этой серии предназначены для подавления выбросов высокого напряжения и в основном используются во входных сигнальных цепях компьютерных устройств.
На рис. 8 приведены сравнительные характеристики емкостных и индуктивных EMI-фильтров. Очевидно, что вносимое емкостным фильтром затухание более выражено по сравнению с индуктивным фильтром на заданной частоте. Это и неудивительно, если вспомнить устройство емкостных фильтров Murata. Однако применение этих фильтров требует наличия «правильного» заземления третьего вывода фильтра, что приводит к некоторому усложнению печатной платы электронного устройства. Фильтрующий эффект фильтров индуктивного типа не так ярко выражен, однако их применение не требует наличия «правильного» заземления в месте монтажа фильтра.
Линейка EMI-фильтров Murata
Как уже было сказано выше, фирма Murata выпускает очень широкий спектр EMI-фильтров различного назначения, способный удовлетворить любые запросы клиентов. Среди них фильтры конденсаторного и индуктивного типа — как выводные, так и поверхностного монтажа. Основные виды фильтров поверхностного монтажа и их технические характеристики приведены в табл. 1. Следуя общемировым тенденциям, фильтры Murata становятся все меньше и меньше. В настоящее время освоен выпуск индуктивных и конденсаторных фильтров поверхностного монтажа размером 0201.
EMI-фильтры для силовых цепей
Однако наиболее интересными с точки зрения отечественного конструктора-разработчика являются силовые фильтры для работы в цепях переменного тока. Не секрет, что качество российских электрических сетей оставляет желать лучшего. Связано это, во-первых, с большим количеством нерегулярных коммутационных импульсных помех, возникающих при включении или выключении мощных потребителей, которые способны привести, например, к сбоям в работе компьютерных систем, а во-вторых, с работой огромного числа импульсных преобразователей напряжения (блоков питания). Неправильное проектирование их входных цепей приводит к проникновению высокочастотных составляющих (сотни кГц) с силовую цепь. Такие помехи приводят к трудноуловимым сбоям в работе компьютерных систем, в особенности связанных со сбором данных от удаленных датчиков. Фильтры Murata позволяют предотвратить проникновение помех как со стороны электрической сети в устройство, так и в обратном направлении, тем самым значительно повышая надежность его работы.
Рассмотрим основные серии фильтров фирмы Murata:
Основные технические характеристики фильтров этой серии приведены в табл. 2 и на рис. 9.
К сожалению, объемы статьи не позволяют поместить полную информацию о EMI-фильтрах компании Murata. Мы планируем вернуться к этому разговору в одном из следующих номеров журнала.
Недостатки простых EMI-фильтров
Если выбирать EMI-фильтр исходя только из размера и цены, без учета требуемых характеристик, то экономия может получиться иллюзорной. Это легко доказывает автор статьи.
Принципы EMI-проектирования лучше всего применять уже собственно на этапе проектирования, т.к. хорошая механическая конструкция, включая расположение компонентов и разводку кабелей, может уменьшить электромагнитные проблемы источника. Однако даже при правильном учете принципов электромагнитной совместимости (ЭМС) обязательно следует обеспечивать фильтрацию. Цена и размер часто побуждают к использованию простых фильтров. Иногда такая экономия может оказаться неоправданной, т.к. простые схемы не всегда обеспечивают требуемые результаты. Могут возникнуть серьезные проблемы с совместимостью, если требуется соответствие спецификациям по ЭМС. В статье обсуждаются некоторые часто встречающиеся проблемы и их решения.
При использовании конденсаторов для подавления, как самостоятельно, так и в составе фильтра, важно, чтобы его выводы были как можно короче. Идеальный конденсатор емкости C имеет линейную характеристику импеданса Z = 1/2πfC, где f — частота. Однако реальный двухвыводной конденсатор имеет резонанс на частоте, определяемой его емкостью и индуктивностью его выводов L. Эта резонансная частота рассчитывается как f = 1/2π√LC. Ниже резонансной частоты импеданс конденсатора описывается идеальной характеристикой, однако выше резонансной частоты подавляющие свойства конденсатора резко ухудшаются. Удлинение выводов приводит к уменьшению резонансной частоты и потере эффективности конденсатора.
Это явление проиллюстрировано на рисунке 1, где сравниваются импедансы 1 мкФ конденсатора с выводами длиной 20 и 100 мм. Индуктивность выводов двухвыводного конденсатора обычно составляет 7 нГн на 10 мм длины, что дает резонансную частоту около 800 кГц для 1-мкФ конденсатора с выводами по 20 мм. Заштрихованная область на графике показывает потерю эффективности при увеличении длины выводов с 20 до 100 мм.
Выше резонансной частоты двухвыводной конденсатор ведет себя как дроссель с индуктивностью, равной индуктивности выводов L. Его импеданс становится равен Z = 2πfL. Если требуется подавление на частотах выше резонансной в приложениях «линия-на-землю», необходимо применять конденсаторы проходного типа. За исключением нескольких мелких резонансов, связанных с размерами корпуса конденсатора, характеристика проходного конденсатора близка к идеальной.
На рисунке 2 показано, как выглядят двухвыводные и проходные конденсаторы. На рисунке 3 сравниваются характеристики проходного и двухвыводного конденсатора емкостью 1 мкФ. Заштрихованная область на рисунке показывает область характеристик, недостижимую при помощи двухвыводного конденсатора, но доступную при помощи проходного конденсатора той же емкости.
По той же причине хорошие высокочастотные характеристики фильтра можно получить, только если в нем использованы проходные конденсаторы. Например, на рисунке 4 сравниваются вносимые потери простого фильтра постоянного тока с П-звеньями на проходных и на двухвыводных конденсаторах. Заштрихованная область показывает дополнительный выигрыш от использования проходных конденсаторов. Обратите внимание, что на этом графике показаны вносимые потери, обратно пропорциональные импедансу, поэтому график выглядит перевернутым по отношению к предыдущим графикам, но более привычно по отношению к графикам потерь.
Многие старые спецификации ЭMC определяют требования по излучению и чувствительности оборудования только для частот до 30 МГц, и обычно фильтры на двухвыводных конденсаторах вполне отвечают этим требованиям. Новые спецификации требуют ЭMC на частотах до 1 ГГц и выше. Это требование призвано обеспечить некоторую защиту от высокочастотного шумового загрязнения, создаваемого быстрыми процессорами, мобильными телефонами, быстродействующей силовой электроникой и т.д.
Пользователь должен знать, что даже если его оборудование имеет знак CE, декларирующий совместимость с существующими спецификациями ЭMC, у него все равно могут возникнуть проблемы. Пока оборудование не будет снабжено соответствующим высокочастотным фильтром с проходными конденсаторами, вряд ли оно будет защищено от случайных ВЧ-помех на частотах выше 30 МГц. Поэтому пользователь остается ответственным за проблемы, вызванные неполадками оборудования вследствие чувствительности к ВЧ-помехе.
Даже если используются проходные конденсаторы, это может быть неэффективно, если фильтр или конденсатор установлены неправильно и не экранируют вход от выходных выводов. Паразитная связь вследствие излучений и наводок на соединительные провода гораздо более выражена на более высоких частотах, поэтому требуется больше усилий, чтобы этого не допустить. Фильтр должен быть идеально установлен на рейке или сквозь нее, чтобы полностью изолировать входные провода от выходных. Либо следует использовать экранированные провода с одной или обеих сторон фильтра, чтобы предотвратить образование связи. На рисунке 5 показано, что происходит, если такой фильтр не установлен на рейке или не применены экранированные провода. Заштрихованная область показывает потерю высокочастотной эффективности.
Электромагнитные помехи (ЭМП) бывают двух видов: асимметричные между линией и землей и симметричные между линиями. Компоненты подавления, подходящие для борьбы с одним видом помех, могут не оказывать влияния на другой, поэтому требуется отдельный набор компонентов, иначе соединенных. При выборе фильтрующей цепи важно знать, один или оба вида помех требуют подавления, чтобы выбрать фильтр с нужными компонентами. Проще говоря, для асимметричной фильтрации требуются синфазные дроссели и конденсаторы между линией и землей, а для симметричной — однопроводные дроссели и конденсаторы между линиями.
Однопроводные дроссели в фильтрах приходят в насыщение при увеличении тока нагрузки, при этом их эффективность теряется. Следует убедиться, что заявленные показатели эффективности относятся к условиям полной нагрузки, т.к. эффективность при полной нагрузке может быть существенно ниже, чем без нагрузки.
В большинстве задач фильтрации обычно требуется некоторая асимметричная характеристика по частотному диапазону до 1 ГГц. Симметричная характеристика если и нужна, то только на частотах ниже 10 МГц. Определенная симметричность характеристики часто обеспечивается компонентами печатной платы.
Величина вносимых потерь фильтров и подавляющих компонентов всегда заявляется для 50-Ом систем. Традиционно считалось, что эта цифра представляет характеристический импеданс силовых линий на радиочастотах. С широким распространением ключевых устройств и контроллеров силовой электроники, типичным стал более низкий импеданс источника. В таких случаях показатели эффективности конденсатора или фильтра будут отличаться от тех, что заявлены в каталоге или описании. Для самых простых фильтрующих цепей, использованных в этих приложениях, реальная эффективность будет ниже ожидаемой.
На рисунке 6а сравнивается эффективность простого П-фильтра в 50-Ом системе с таким же фильтром на импедансе 0,1/100 Ом (источник 0,1 Ом и 100-Ом импеданс нагрузки), что является, может быть, более типичным для силовых приложений. Заштрихованная область демонстрирует существенную потерю эффективности в реальной системе по сравнению с заявленной 50-Омной. Хотя на рисунке в качестве примера показан фильтр с проходными конденсаторами, фильтр с двухвыводными конденсаторами демонстрирует похожее снижение эффективности в системе с другим импедансом. Чтобы получить требуемую эффективность в реальной системе, необходимо адаптировать цепь фильтра так, чтобы получить максимальное рассогласование импедансов фильтра и системы. Обычно это означает, что нужен фильтр с индуктивным входом навстречу низкоимпедансному источнику шума.
Еще одним аспектом, о котором многие и не подозревают, является то, что на практике фильтры могут давать усиление на определенных частотах из-за разницы импеданса фильтра и импедансов источника и нагрузки. Это усиление обычно возникает на частоте, близкой к частоте отсечки фильтра, и часто не очевидно или не существует при измерениях в 50-Ом системе. Однако в более реальной ситуации, когда импеданс и источника, и нагрузки не равен 50 Ом, усиление может достигать 10 дБ и более.
На рисунке 6б в качестве примера показана характеристика фильтра из рисунка 6а, измеренная вплоть до низких частот, чтобы показать этот эффект. Как видно из рисунка, в 50-Ом системе есть резонанс около частоты отсечки 10 кГц, но нет усиления. Однако этот же фильтр в системе 0,1/100 Ом показывает усиление около 12 дБ на 7 кГц.
Следует заметить, что хотя это усиление реально, его величина и частота зависят от импедансов действительного источника и нагрузки реальной цепи, а также от значений компонентов цепи фильтра. Если на частоте усиления нет EMI-шума, нет и усиления, поэтому данное явление не стоит внимания. Как правило, на практике это именно так, ведь фильтр обычно рассчитан на фильтрацию более высокочастотного шума. Однако могут быть приложения, в которых это происходит, и пользователь должен знать об этой возможности.
На рынке имеется много типов простых фильтров многочисленных производителей, но многие из них могут иметь некоторые или все описанные выше проблемы в конкретных приложениях. Все важнее становятся стандартные линейки проходных конденсаторов и фильтров на проходных конденсаторах, разработанных для всех или некоторых проблемных областей. Некоторые из доступных стандартных линеек фильтров не только включают проходные конденсаторы, но и цепи их разработаны так, чтобы обеспечить лучшую характеристику в случае низкоимпедансного источника. В своих каталогах некоторые производители заявляют эффективность как в 50-Ом, так и в 0,1/100-Ом системах, что очень полезно.
На рисунке 7 приведен пример стандартных фильтров с проходными конденсаторами с креплением на рейке для обеспечения оптимальной эффективности на высоких частотах. На рисунке 8 показаны стандартные фильтры, разработанные для переключательных режимов силовых приложений и обеспечивающие хорошую эффективность в 0,1/100-Ом системе. В качестве альтернативы на рисунке 9 показана стандартная линейка проходных конденсаторов с отличными высокочастотными характеристиками и по небольшой цене там, где не требуются полные фильтры.