Filtry przeciwzakłóceniowe - parametry, właściwości i dobieranie

Rys. 1. Zaburzenia różnicowe w sieci jednofazowej

Zaburzenia przewodzone w sieci zasilającej ze względu na charakter oraz sposób ich rozchodzenia się dzieli się na różnicowe oraz wspólne. Zaburzenia różnicowe, inaczej symetryczne (differential mode noise), występują pomiędzy dwoma dowolnymi liniami układu. W przypadku sieci jednofazowych są to przewód fazowy L oraz przewód neutralny N (rys. 1). Z kolei w sieciach trójfazowych są to dwa przewody fazowe, na przykład L1 i L2.

Zaburzenia wspólne, inaczej asymetryczne (common mode noise), rozchodzą się natomiast we wszystkich liniach układu w tym samym kierunku, spływając do ziemi. Na przykład w sieciach jednofazowych płyną od przewodu fazowego L i przewodu neutralnego N do ziemi (rys. 2). Zaburzenia o częstotliwościach mniejszych niż 500 kHz są zazwyczaj spowodowane przez prądy różnicowe. Zaburzenia o częstotliwościach powyżej 500 kHz są z kolei zwykle skutkiem prądów wspólnych.

Zaburzenia różnicowe i wspólne

Rys. 2. Zaburzenia wspólne w sieci jednofazowej

Na przykład w układach przekształtnikowych zaburzenia symetryczne mogą mieć znaczny poziom już w zakresie bardzo niskich częstotliwości, rzędu kilku kHz. Dzieje się tak wówczas, gdy spowodowane są nieliniowością procesu przekształcania energii elektrycznej (prostowniki szczytowe).

W zakresie większych częstotliwości zaburzenia te są natomiast wynikiem procesu przełączania kluczy półprzewodnikowych. Dzięki temu, że parametry obwodu zaburzeń różnicowych są słabo zależne od specyfiki danej instalacji, dość łatwo można je odfiltrować.

Z kolei zaburzenia asymetryczne rozchodzą się w układach przekształtnikowych m.in. w efekcie sprzężeń pojemnościowych. Inne przyczyny to m.in. sprzężenia przez wspólną impedancję, sprzężenia między płytką a obudową i pomiędzy elementami półprzewodnikowymi, a ich radiatorami.

W związku z tym, że rozprzestrzeniają się one w obwodzie, którego częścią jest uziemienie ochronne, może to skutkować sprzęganiem się zaburzeń do innych urządzeń przez wspólną impedancję uziemienia. Przenikanie zaburzeń wspólnych bywa także związane zeskładową magnetyczną pola elektromagnetycznego. Ich obwody często bowiem tworzą pętle o dużych powierzchniach.

Filtry sieciowe

Rys. 3. Ogólna struktura filtru sieciowego

Niemożliwe jest całkowite wyeliminowanie zaburzeń przewodzonych, które rozchodzą się w sieci elektroenergetycznej. Powinno się je jednak ograniczać do wartości dopuszczalnych, przy których dane urządzenie może poprawnie funkcjonować, samo nie zakłócając równocześnie pracy innych. Wartości graniczne określa się we właściwych przepisach.

Przykładem takiej normy jest dokument, w którym zapisano dopuszczalne poziomy zaburzeń w przypadku urządzeń do komunikacji z wykorzystaniem sieci zasilającej niskiego napięcia. Jest to norma PN-EN 50561. Przedstawiono w niej ponadto charakterystyki zaburzeń radioelektrycznych oraz metody ich pomiaru.

Rys. 4. Rozpływ prądów składowych asymetrycznej i symetrycznej w filtrze sieciowym

By ograniczyć zaburzenia przewodzone różnicowe i wspólne płynące z i do urządzenia oraz z i do sieci zasilającej, wykorzystuje się filtry sieciowe (przeciwzakłóceniowe). Instaluje się je między siecią elektroenergetyczną a obciążeniem. Są one budowane z odpowiednio ze sobą połączonych elementów pasywnych: cewek oraz kondensatorów.

Niezbędne komponenty filtru sieciowego (dławik, kondensatory C_X i C_Y) przedstawiono na rysunku 3. Na rysunku 4 natomiast zobrazowano rozpływ prądów składowej asymetrycznej i składowej symetrycznej zaburzeń w typowym filtrze przeciwzakłóceniowym.

Z jakich elementów składa się filtr sieciowy?

Częścią filtrów przeciwzakłóceniowych jest dławik skompensowany prądowo. Wykonuje się go, nawijając dwa takie same uzwojenia na rdzeniu toroidalnym, który charakteryzuje się dużą przenikalnością.

W związku z tym, że uzwojenia są nawinięte w przeciwnych kierunkach, zaburzenia różnicowe nawzajem się znoszą. W rezultacie tylko indukcyjność rozproszenia tłumi prądy różnicowe. W przypadku zaburzeń asymetrycznych prądy w dwóch uzwojeniach rozchodzą się w tym samym kierunku.

Strumień indukowany w rdzeniu dławika jest sumą strumieni indukowanych w obu uzwojeniach. Indukcyjność każdego uzwojenia tłumi więc prądy wspólne. Pozwala to na włączenie pomiędzy przewodami fazowymi i neutralnym a uziemieniem kondensatorów o małej pojemności.

Kondensatory C_Y tłumią zaburzenia wspólne, nie wpływają natomiast na zaburzenia różnicowe. Wartości pojemności C_Y są tak dobrane, żeby ich prąd upływu płynący przez przewód ochronny nie był większy od dopuszczalnych wartości określonych w normach. Kondensatory C_X tłumią natomiast wyłącznie zakłócenia różnicowe.

Filtry przeciwzakłóceniowe wyposażone są też w rezystor rozładowczy. Włącza się go równolegle z kondensatorami filtru w celu ich rozładowania po wyłączeniu urządzenia z sieci zasilającej.

Filtry sieciowe można podzielić na filtry jednofazowe oraz trójfazowe. Filtry przeciwzakłóceniowe trójfazowe dostępne są w wersjach bez przewodu neutralnego (L1, L2, L3 + PE) lub z przewodem neutralnym (L1, L2, L3, N + PE).

Jak się definiuje tłumienność filtru?

Rys. 5. Przykłady filtrów sieciowych o strukturze: a) jednostopniowej, b) dwustopniowej, c) trzystopniowej i d) wielostopniowej

Inny sposób klasyfikacji to podział na filtry sieciowe w konfiguracji jednostopniowej oraz wielostopniowej (rys. T5). Dalej przedstawiamy najważniejsze parametry filtrów przeciwzakłóceniowych. Filtry dobiera się ze względu na dopuszczalny prąd i napięcie znamionowe urządzenia, w którym będą używane.

Jednym z ważniejszych parametrów filtrów przeciwzakłóceniowych jest również tłumienność wtrąceniowa. Charakteryzuje ona ich skuteczność w zakresie tłumienia zaburzeń elektroenergetycznych. Stratę niepożądanego sygnału wyznacza się, odnosząc wartość sygnału w obwodzie z filtrem sieciowym (U2) do wartości sygnału w tym samym obwodzie, ale bez filtru (U1). W związku z tym tłumienność wtrąceniową opisuje następujący wzór:

Charakterystyki tłumienności wtrąceniowej przedstawiane są w kartach katalogowych filtrów przeciwzakłóceniowych. Przebiegi te wyznacza się według wytycznych odpowiednich norm. Przykładem jest dokument PN-CISPR 17 pt. "Kompatybilność elektromagnetyczna - Metody pomiaru charakterystyk tłumienności biernych filtrów i elementów przeciwzakłóceniowych". Pozostałe ważne parametry, na które powinno się zwrócić uwagę w dokumentacji technicznej filtrów sieciowych, to: prąd upływu oraz ich obciążalność prądowa w różnych temperaturach otoczenia, zwykle w +25 i +40°C.

Parametry filtrów sieciowych

Prąd upływu powstaje na skutek istnienia pojemności pasożytniczych oraz pojemności C_Y pomiędzy przewodami sieciowymi a obudową (przewodem uziemiającym PE). W praktyce decydujący wpływ ma suma pojemności C_Y. Prąd upływu w przybliżeniu jest opisywany następującą zależnością:

gdzie: U_N - napięcie znamionowe, f - częstotliwość znamionowa, a C - suma pojemności C_Y.

Natężenie prądu upływu nie powinno przekraczać poziomów, które określono w odpowiednich normach. Przykładowe dokumenty, w których ta wielkość została zestandaryzowana, to PN-EN 60950 pt. "Bezpieczeństwo urządzeń techniki informatycznej" oraz PN-EN 62841 pt. "Narzędzia o napędzie elektrycznym, ręczne, przenośne, do trawników i inne ogrodnicze - Bezpieczeństwo użytkowania".

Wartości natężenia prądu upływu, które zamieszcza się w kartach katalogowych filtrów sieciowych, są wyznaczane w najbardziej niekorzystnych warunkach (m.in. przy dużej tolerancji napięcia znamionowego, dużej tolerancji pojemności kondensatorów i przerwanych przewodach fazowych).

Prąd obciążenia, który płynie przez filtr przeciwzakłóceniowy, jest zależny od temperatury otoczenia. Ten znamionowy może płynąć w temperaturze, która nie przekracza pewnej ustalonej wartości progowej. Zazwyczaj jako tę ostatnią przyjmuje się +40°C.

Po przekroczeniu tej wartości granicznej prąd płynący przez filtr powinien mieć natężenie mniejsze niż znamionowe, a w maksymalnej temperaturze, w jakiej filtr może być używany, powinien spaść do zera. Zależność tę opisuje następujący wzór:

gdzie: I - natężenie prądu dopuszczalne w konkretnej temperaturze, I_N - natężenie prądu znamionowego, T_MAX - maksymalna temperatura, w jakiej filtr sieciowy może pracować, T_O - temperatura otoczenia, T_Z - największa temperatura, przy której przez filtr może płynąć prąd znamionowy (przeważnie +40°C).

Filtry sieciowe - przykłady

Rys. 6. Schemat filtru FN406

Filtry sieciowe dostępne są w różnym wykonaniu. Jednym z nich są filtry gotowe do zamontowania na PCB. Projektuje się je w taki sposób, by zajmowały możliwie najmniej miejsca. Filtry te, zwykle w konfiguracji jednostopniowej, są umieszczane w kompaktowej obudowie, a ich maksymalna moc jest ograniczona.

Innym przykładem są filtry przeciwzakłóceniowe zabudowane w złączu IEC. Ważną zaletą filtrów sieciowych zintegrowanych z gniazdem sieciowym jest możliwość umieszczenia dodatkowych przełączników i bezpieczników w jednej obudowie. Dostępne są oprócz tego filtry do montażu wewnętrznego, zamykane w metalowej osłonie.

Rys. 7. Charakterystyki tłumienności wtrąceniowej filtru FN406

Dalej przedstawiamy przykłady dwóch filtrów przeciwzakłóceniowych w różnym wykonaniu z oferty firmy Schaffner.

Na rysunku 6 przedstawiono schemat filtru FN406. Jest to filtr jednofazowy przeznaczony do montażu na PCB, umieszczony w kompaktowej, aluminiowej obudowie, o niskim profilu. W zależności od modelu zakres prądowy wynosi od 0,5 do 8,4 A w temperaturze najwyżej +40°C, natomiast prąd upływu w normalnych warunkach pracy od 2 do 373 µA (jeśli przewód neutralny zostanie przerwany, prąd upływu może osiągnąć podwójną wartość). Na rysunku 7 przedstawiono charakterystyki tłumienności wtrąceniowej tego filtru.

Projektowanie filtrów sieciowych

Rysunek 8 z kolei przedstawia schemat filtru FN 9222 z wtykiem IEC. Jest on dostępny w różnych wersjach, w tym medycznej (typ B, zgodny z normą IEC/EN 60601-1 do testów powierzchniowej wytrzymałości dielektrycznej, prądów upływu i wysokopotencjałowych), z obudową montowaną na zatrzask (typ S i S1), ochroną przeciwprzepięciową (typ Z) i wersją złącza Hot Inlet (typ H1). Prąd znamionowy w zależności od modelu wynosi od 1 do 20 A w temperaturze maksymalnie +50°C, a prąd upływu w normalnych warunkach pracy od 2 do 373 µA. Na rysunku 9 przedstawiono z kolei charakterystyki tłumienności wtrąceniowej tego filtru.

Rys. 8. Schemat filtru FN 9222

Rys. 9. Charakterystyki tłumienności wtrąceniowej filtru FN 9222

Projektowanie skutecznych filtrów przeciwzakłóceniowych nie jest łatwym zadaniem. Jednym z kluczowych zagadnień jest wybór materiału rdzenia dławika. Powinien on być tak dobrany, żeby impedancja cewek sprzężonych w danym przedziale częstotliwości zaburzeń wspólnych była jak największa.

W tym celu stosuje się rdzenie o dużej przenikalności, przede wszystkim ferrytowe. Pozwala to również zmniejszyć pojemności pasożytnicze cewek sprzężonych. Cel ten można osiągnąć przez odpowiedni sposób nawinięcia uzwojeń. Na przykład mniejsze pojemności pasożytnicze charakteryzują cewki nawijane jednowarstwowo.

W przypadku kondensatorów celem jest natomiast zmniejszenie indukcyjności pasożytniczej. Dotyczy to indukcyjności wewnętrznej i zewnętrznej. W przypadku tej drugiej osiąga się to, stosując krótkie wyprowadzenia. Jeżeli zaś chodzi o pasożytniczą indukcyjność wewnętrzną, ważny jest rodzaj kondensatora - na przykład kondensatory ceramiczne charakteryzuje mniejsza wartość tego parametru niż te metalizowane.

Jak poprawnie zamontować filtr sieciowy?

O tym, czy filtr przeciwzakłóceniowy będzie skutecznie tłumił zaburzenia, decyduje, poza tym, czy został on właściwie zaprojektowany, a następnie dobrany do potrzeb aplikacji, również sposób jego montażu. Na tym etapie można bowiem popełnić wiele błędów, które skutkować będą przenikaniem zaburzeń z i do sieci zasilającej.

Przykładowo nie powinno się umieszczać innych urządzeń między filtrem przeciwzakłóceniowym a urządzeniem, które jest źródłem zaburzeń bądź które ma być przed nimi chronione. Istotny jest ponadto sposób prowadzenia przewodów wejściowych i wyjściowych filtru - należy je układać w przeciwnych kierunkach i tak, aby nie tworzyć anteny pętlowej. Podczas montażu tych elementów trzeba też zadbać o to, żeby połączenie do masy miało małą impedancję.

Monika Jaworowska