Odrušení, odrušovací filtry, příklady odrušení

Odrušení, odrušovací filtry, příklady odrušení

Elektromagnetická kompatibilita
Všechny výrobky, nejen spotřební elektronika, prodávané v ČR (tj. vyrobené v ČR nebo dovezené do ČR) musejí odpovídat zákonu č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky, a z hlediska EMC (elektromagnetické kompatibility) nařízení vlády 169/97 Sb.

Totéž platí v zemích EU pro možnost opatřit výrobek značkou CE. Touto značkou musejí být označeny všechny výrobky prodávané v zemích Evropské unie.

Značka CE v podstatě znamená, že výrobek vyhovuje všem platným evropským normám, které se na něj vztahují. Jedny z těchto norem jsou normy pro EMC. Jednoduše řečeno, elektromagneticky kompatibilní (slučitelný) výrobek je výrobek, který neruší okolí vyzařováním elektromagnetického pole a naopak je odolný vůči vnějšímu rušení.

Je možné si to představit např. tak, že mikrovlnná trouba svými účinky neruší příjem televizního signálu a při zapnutí žehličky spínání jejího termostatu nezmění chování mikrovlnné trouby (náhodně se nepřeprogramuje, nevypne apod.).

U průmyslových zařízení často jde o rozsáhlé systémy, které musí pracovat i za velkého vnějšího rušení, přičemž jediná porucha způsobená vnějším rušením může být velmi drahá – např. nenadálým posuvem obráběcího nože může být zničen drahý obrobek.

Základem kvalitních výrobků v tomto ohledu je nutnost, aby nerušily okolí. Budou-li citlivé na okolní rušení, ale jejich porucha nezpůsobí škody na zdraví, výrobky pouze nebudou konkurenceschopné. Jestliže výrobek ruší okolí, je identifikace zdroje rušení často velmi obtížná. Je-li však viník odhalen, následkem je v nejlepším případě nutnost odstranit zdroj rušení (odrušovacím filtrem). Může ale následovat i zastavení provozu a pokuta za porušení zákona 22. Proto je třeba při nákupu zařízení, a to i starších, dbát na odrušení a vyžadovat od dodavatele osvědčení o splnění podmínek EN 50081-1 nebo 50081-2. Prodejce nebo dovozce se jinak mohou vystavit zmíněným postihům. Též je známo mnoho případů, kdy firma potvrdila instalaci odrušení, a v dovezeném zařízení žádný filtr není. Je tedy třeba upozornit, že při nákupu je nutné dbát na to, aby výrobek skutečně vyhovoval deklarované normě.

Frekvenční měniče jako zdroj rušení
Jedním ze zařízení, které se v současné době v průmyslových aplikacích používají stále více, jsou frekvenční měniče. Tato zařízení mění frekvenci a jejím prostřednictvím otáčky asynchronních motorů. S poklesem cen výkonových polovodičových prvků se tyto měniče stávají velmi levnými, a téměř zcela vytlačují regulované stejnosměrné pohony (stejnosměrný motor je podstatně dražší než asynchronní). Nevýhodou frekvenčních měničů však je to, že jsou zdrojem dosti značného rušení, které může působit různé potíže. Může např. nežádoucím způsobem zkreslit měření různých veličin, ať již působením rušení přímo na čidlo nebo indukcí do vedení k čidlu apod. Možné je též rušení příjmu rozhlasu, televize, různých rádiových služeb apod.

Mnoho uživatelů zastává názor, že na síťovém vstupu měniče je diodový usměrňovač a za ním velký kondenzátor, který rušení nepustí, takže měnič vlastně nemůže rušit. Zde je třeba říci, že i samotný diodový usměrňovač je vlivem komutace diod zdrojem rušení, i když spíše v pásmu do 500 kHz. Hlavním zdrojem rušení ale jsou velmi rychlé spínací tranzistory IGBT nebo MOS, které na filtračním kondenzátoru zdroje způsobí nárůsty a poklesy proudu se spínací frekvencí měniče, tj. 2 až 10 kHz. Filtrační kondenzátor má jistou vnitřní indukčnost a další impedanci do obvodu vnášejí indukčnosti přívodů. Výsledkem jsou špičky 1 až 10 V s hranami 100 až 1 000 ns. Tyto kmitočty již snadno projdou přes kapacity výkonových diod na síťový vstup měniče a působí dosti silné rušení.

Největším zdrojem rušení však jsou výstupní vodiče k motoru. V tomto případě jsou úrovně rušivých napětí podstatně vyšší: 500 V a 100 až 1 000 ns při kmitočtu 2 až 10 kHz.

Odrušovací filtry se většinou používají právě pro odrušení frekvenčních měničů. Filtr se připojuje mezi vstupní (síťové) svorky frekvenčního měniče a napájecí síť. Omezuje tedy rušení, které generuje frekvenční měnič a jež by se šířilo napájecí sítí do okolí.

České normy pro EMC
Zařízení musí splňovat normy pro EMC ČSN EN 50081-1 a 50081-2. Tyto normy definují vliv zařízení na okolí, ať už jde o emise harmonických, emise rádiového rušení do napájecího vedení, emise rádiového rušení elektromagnetickým polem, emise blikání a další. Tyto normy platí, jestliže pro daný výrobek neexistuje předmětová norma (svítidla, trakce, přístroje informační techniky atd.).

Pravidla použití závisejí na prostředí, ve kterém mají být zdroje rušení (např. frekvenční měniče) použity. Prostředí se dělí na:

• průmyslová prostředí,
• obytná prostředí, obchodní prostory a prostředí lehkého průmyslu.

Prostředí se dělí zejména podle připojení na veřejnou rozvodnou síť. Průmyslová prostředí mají vlastní vysokonapěťový transformátor a na jeho nízkonapěťovou stranu nejsou přímo napojeny obytné prostory. Je třeba zdůraznit, že povolené meze rušení pro obytná prostředí jsou mnohem přísnější, a proto i odrušení je dražší než odrušení pro průmyslová prostředí. Rozdělení kmitočtového spektra je v tab. 1.

Tab. 1. Rozdělení kmitočtového spektra

Měření rušení v pásmu 150 kHz až 30 MHz
Měřené zařízení do 25 A se zapojí přes umělou síť – LISN, která obsahuje kondenzátory, indukčnosti a rezistory. To má dvojí význam. LISN jednak výrazně omezuje rušení z napájecí sítě, způsobené např. jinými zdroji rušení (mohlo by zkreslit výsledky měření), a jednak nahrazuje reálnou síť její definovatelnou hodnotou 50 W s 50 µH paralelně. Tím se toto měření stává opakovatelným a výsledky nezávisejí na místě měření. Znázornění měření pomocí jednofázové umělé sítě je na obr. 1.

Trojfázová umělá síť je obdobná. Pro pětivodičový rozvod obsahuje tři fáze a nulový vodič.

Pro spotřebiče s odběrem nad 25 A se rušení měří sondou, tedy děličem s vyšším vstupním odporem – přibližně 2 500 W a více. Při měření děličem je nutné si uvědomit, že naměřené hodnoty na některých frekvencích mohou být rozdílné od hodnot naměřených prostřednictvím umělé sítě. Obvykle je to dáno těžko definovatelnou impedancí sítě. Tato impedance je vlastně zakončením odrušovacího filtru ze strany sítě.

Měřič rušení je v podstatě kvalitní přijímač, který má definovanou šířku pásma (9 kHz) a je dostatečně odolný proti vysoké úrovni vstupního napětí. Musí vydržet a hlavně správně měřit dosti vysoká vstupní napětí, např. 1 V = 120 dB/1 µV, což je obvyklá hodnota úrovně rušivého napětí u některých frekvenčních měničů bez odrušení.

Na výstupu přijímače, tedy mikrovoltmetru, jsou dva druhy detektorů. Jeden se nazývá kvazišpičkový QP. Napětí na jeho výstupu je v podstatě špičková hodnota rušení s normovanou časovou konstantou doznívání. Druhý typ detektoru měří střední hodnotu. Nazývá se detektor střední hodnoty AV a napětí na jeho výstupu je střední hodnota rušení. Výstupní napětí z detektoru ukazuje voltmetr, obvykle cejchovaný v decibelech nad 1 mV, tedy např. 60 dB = 1 mV. Norma definuje též rušení v decibelech nad 1 µV.

Zkouška je vyhovující tehdy, když zařízení splňuje úrovně rušení v celém pásmu, a to pro kvazišpičkový detektor QP i detektor střední hodnoty AV.

Potíž je v tom, že povolená mez pro obytné prostory je poměrně přísná a dosti často je problém odrušit zařízení na střední hodnotu. Je-li signál téměř sinusový, úroveň měřená detektorem střední hodnoty AV je stejná jako úroveň měřená detektorem QP, vlastní mez pro AV je však o 10 dB nižší.

Odrušení pro průmyslová prostředí
Doporučením pro průmyslové prostředí je použít jeden odrušovací filtr pro celé zařízení, a to přímo na vstupu zařízení, nejlépe tak, aby napájecí kabel vedl přímo do filtru. Obvykle se tak dosáhne vyhovujícího odrušení. Je vhodné použít stíněné kabely mezi měničem a motorem. Jestliže zařízení má též další odběry s vyšším příkonem, které nejsou zdrojem rušení – asynchronní motory, odporové topení apod. – zákazníci často dávají odrušovací filtr pouze k měniči. To někdy způsobuje problémy s různými indukčními a kapacitními vazbami, např. přes ovládací signály. Plastovými korýtky použitými pro ukrytí vodičů může být rušení rozvedeno po celém rozváděči. Při měření odrušení takového zařízení se může stát, že na některých frekvencích je úroveň rušení nad povolenou mezí. Řešením je použít jeden větší filtr zapojený přímo na síťovém vstupu skříně. Tak se lze vyhnout nevhodným vazbám. Pro kusové zakázky je tento postup nejlepší a většinou i nejlevnější.

Odrušení pro obytná a obchodní prostředí a prostředí lehkého průmyslu
Je třeba opět zdůraznit, že povolené meze rušení jsou velmi přísné a dosáhnout jich může být pracné a nákladné. V nejjednodušším případě stačí použít dvojitý filtr zapojený přímo na síťovém přívodu.

Doporučuje se použít jeden odrušovací filtr pro celé zařízení, a to na vstupu, nejlépe tak, aby napájecí kabel vedl přímo pouze do filtru. Druhý filtr se zapojí u zdroje rušení– frekvenčního měniče. K připojení motoru je nutné použít stíněné kabely. Při vyšší úrovni rušení na frekvencích nad 4 MHz pomáhají feritové toroidy se dvěma až třemi závity kabelu mezi měničem a motorem. Na nízkých frekvencích, zhruba do 0,5 MHz, pomáhají též síťové reaktory (tlumivky), doporučované výrobci měničů z důvodu omezení vyšších harmonických a snížení efektivní hodnoty vstupního proudu. Značnou pozornost je třeba věnovat zemnění filtrů co nejkratším vodičem o větším průřezu, přestože jím tečou řádově miliampéry. Rozhodující je malá indukčnost.

Unikající proud
Unikajícímu proudu je třeba věnovat pozornost při použití zařízení s pohyblivým přívodem a při použití proudových chráničů. Jde o proud, který teče nebo by mohl téci ochranným vodičem PE. Lze si jej představit jako proud, který by tekl lidským tělem při přerušení ochranného vodiče, kdyby se člověk držel jednou rukou kostry zařízení a druhou ruku by měl uzemněnou (např. dotykem na topení). Povolená hodnota unikajícího proudu je dána normami, obvyklá hodnota je 0,75 mA nebo 3,5 mA.

Proudové chrániče mají za úkol odpojit chráněné zařízení, jestliže vektorový součet všech proudů není roven nule, a kostrou, tj. svorkou PE, tedy teče jistý nežádoucí proud – např. při poruše izolace.

Při použití odrušovacích filtrů je třeba si všimnout kapacitního proudu tekoucího odrušovacími kondenzátory, zapojenými mezi fázemi a svorkou PE. Je nutné použít správný typ filtru s kondenzátory typu Y (bezpečnostní provedení kondenzátorů).

U trojfázových filtrů, které mají zcela shodné kapacity mezi fázemi a PE, je pro symetrickou síť proud tekoucí vodičem PE roven nule, proudový chránič však obvykle při zapnutí filtru vypadává. Důvodem je přechodový děj při zapnutí jednotlivých kondenzátorů. Proto je vhodné použít čtyřcívkové filtry typu 4 ELF. Zde jsou zapojeny kondenzátory mezi fázemi navzájem a mezi fázemi a vodičem N. Na proudový chránič (kontroluje tři fáze a N) by tyto kapacity neměly mít vliv. Mezi N a PE je zapojen např. kondenzátor 44nF Y, čemuž při napětí 230 V (spojené tři fáze a N proti PE) odpovídá unikající proud. Ve skutečnosti vodičem PE žádný proud neteče, protože napětí mezi N a PE je nulové. Je třeba si uvědomit, že velikost unikajícího proudu je závislá na hodnotě kapacity kondenzátoru vůči PE. Pro vyšší proudy zde vzniká problém s reálně dosažitelnou indukčností, aby filtr při dané velikosti unikajícího proudu dostatečně filtroval pro nízké frekvence. Obvyklá hodnota nastavení proudových chráničů je 30 až 100 mA, existují i proudové chrániče na 500 mA. Kvůli přechodovým dějům je třeba použít typy se zpožděním.

Dimenzování filtrů
Filtry se dimenzují podle jmenovitého vstupního proudu použitého frekvenčního měniče. Filtry jsou obvykle schopny přenést bez poškození nárazový proud při zapnutí frekvenčního měniče na síť (nabití kondenzátoru stejnosměrného meziobvodu).

Kompenzovaná indukčnost
Odrušovací filtry jsou kvůli ceně a rozměrům zapojeny jako kompenzovaná indukčnost. Vektorový součet vstupních proudů musí být roven nule. V praxi to znamená, že svorkou PE nesmí téci pracovní proud. Tedy – je--li zařízení zapojeno tak, že se v trojfázové soustavě používá nulový vodič N jako pracovní (je použit jednofázový spotřebič zapojený mezi fázi a N), je nutné zařízení napájet pěti vodiči (tři fáze, N a PE) a použít čtyřcívkový odrušovací filtr (tři fáze a N ). N a PE se spojí před odrušovacím filtrem.

Odrušovací filtry nelze použít místo fázových reaktorů – jejich indukčnost je kompenzována. Odrušovací filtry nelze řadit paralelně, protože jednotlivé filtry nejsou proudově vykompenzovány.

Tab. 2. Povolená úroveň rušení v pásmu 150 kHz až 30 MHz

Tab. 3. Ztrátové teplo filtrů

Zdroj tepla
Při použití filtrů je třeba počítat se ztrátovým teplem filtrů. Příklad pro filtry ELFIS je v tab. 3.

Měření útlumu filtrů
Měření útlumu odrušovacích filtrů sinusovým signálem a pro ohmickou zátěž 50 W, navíc pro malé signály, často dává naprosto zkreslené výsledky, odlišné od útlumu při skutečném měření odrušení reálného zařízení. Značný rozdíl ve výsledcích je dán jednak proudem protékajícím indukčností, jednak zcela neznámou impedancí zdroje rušení a závislostí této impedance na frekvenci.

Proto se pro měření vložného útlumu filtrů někdy používá metoda in situ. Metoda spočívá v tom, že se testovaný filtr vloží do obvodu skutečného zdroje rušení (frekvenčního měniče), jehož rušivé svorkové napětí U₁ (dB) je předem změřeno (v celém požadovaném frekvenčním pásmu), a změří se úroveň rušení při použití filtru U₂ (dB). Vložný útlum je rozdíl U₁ – U₂. Tato metoda dává výsledky poněkud více se blížící realitě.

Příklady odrušení

Odrušení rozváděče výtahu
Rozváděč obsahuje frekvenční měnič, 15kW motor, rekuperaci do rezistoru, ovládání brzdy, ovládání otevírání dveří a řídicí systém výtahu. Ovládací tlačítka jsou v jednotlivých patrech, celý systém je tedy vlastně roztažen do celé budovy.

Je požadováno odrušení pro prostředí obytných budov, neboť zařízení je přímo napojeno na nízkonapěťovou síť v obytné budově.

Výtah musí odpovídat normám ČSN EN 55011 pro zařízení třídy B – měření rušivých napětí na síťových svorkách v pásmu 150 kHz až 30 MHz a ČSN EN 50081-1 pro prostředí obytné, obchodní, kancelářské a lehkého průmyslu.

Použitými odrušovacími prostředky (pětivodičová napájecí soustava) jsou odrušovací filtr se čtyřmi cívkami na vstupu a filtr se třemi cívkami přímo u frekvenčního měniče. Pro dosti značný nutný útlum byly použity dva filtry. Nutné bylo dokonalé spojení zemí. Kabel, který spojuje výstup frekvenčního měniče s motorem, je stíněný. Stínění je spojeno s kostrou na obou stranách. Délka kabelu je 10 m.

Filtr 1 ELF 6V je určen k filtraci (zvýšení odolnosti) napájecího napětí pro řízení. Je dobré si všimnout obráceného zapojení, tj. svorkami 1 ne k síti, ale ke spotřebiči. Tlumivka na výstupu měniče filtruje výstupní proud a tím pomáhá redukovat celkovou úroveň rušení.

Z grafu na obr. 3 je vidět typické hodnoty vlivu elektromagnetického rušení samotných frekvenčních měničů bez interního odrušení.

Odrušení balicího stroje
Balicí stroj obsahuje frekvenční měnič s asynchronním motorem 22 kW s rekuperací do odporu a řídicí systém. Požadované odrušení je pro průmyslové prostředí. Stroj musí odpovídat normě ČSN EN 50081-2. Stroj s pětivodičovou napájecí soustavou je odrušen odrušovacím filtrem se čtyřmi cívkami, který je zapojen přímo na vstupu rozváděče.

Síťová tlumivka 3 TS 050 filtruje harmonické složky napájecího proudu a omezuje nabíjecí proudy diodového usměrňovače frekvenčního měniče. Motorová tlumivka 3 TM 050 se používá pro delší kabel k motoru, přibližně 40 m, chrání výstup měniče od napěťových špiček z kabelu, snižuje napěťové namáhání motoru, filtruje výstupní proud a tím pomáhá redukovat celkovou úroveň rušení.

Odrušení regulátoru pro klimatizaci
Součástí regulátoru pro klimatizaci je mikroprocesorový regulátor a frekvenční měnič s jednofázovým vstupem a trojfázovým výstupem pro motor 0,75 kW.

Požadované odrušení je pro obytné budovy, zařízení je přímo zapojeno na nízkonapěťovou síť v obytné budově. Zařízení musí odpovídat normě ČSN EN 50081-1, a tedy jde o měření rušivých napětí na síťových svorkách v pásmu 150 kHz až 30 MHz.

Použitým odrušovacím prostředkem (trojvodičová napájecí soustava) je dvoustupňový odrušovací filtr se dvěmi cívkami Elfis typu 1 ELF 10VY-4.Tento filtr je zapojen přímo na vstupních svorkách rozváděče, ještě před hlavním vypínačem. Pro omezení rušení z výstupu měniče byly použity indukčnosti tvořené třemi závity kabelu k motoru na feritovém toroidu o průměru 36 mm z materiálu H40.

Odrušení tyristorového regulátoru Elfistor
Tyristorový regulátor Elfistor typu 3FX100/400 100 A 400 V obsahuje tři dvojice antiparalelních tyristorů a používá se např. pro rozběh asynchronních motorů (softstart) v elektrických pohonech. Stejné zapojení a rušivé vlastnosti má např. regulátor topení sklářské pece. Regulátor je zapojen na primární straně trojfázového transformátoru, na sekundární straně transformátoru jsou topné odporové tyče.

Požadované odrušení je podle ČSN EN 50081-2 pro průmyslové prostředí.

K odrušení (čtyřvodičová napájecí soustava) byl použit odrušovací filtr se třemi cívkami Elfis typu 3 ELF 100L.

Z grafu (obr. 9) jsou vidět poměrně nižší hodnoty rušení v porovnání s frekvenčními měniči.

Odrušení frekvenčních měničů filtrem, který se montuje přímo pod měnič
Takto konstrukčně upravené filtry jsou využívány pro úsporu místa v rozváděčích. Používají se jednoduché i dvojité filtry. Dvojité filtry jsou určeny pro obytná prostředí. V řadě proudů 3, 6, 10, 16 a 20 A je pro jednofázové (230 V) i trojfázové napájení (400 V) vyrábí firma Elfis (kontakt viz inzerát). Rozměry upevňovacích matic pro připevnění měniče lze dodávat podle přání zákazníků.

Zásady odrušování
Při odrušování frekvenčních měničů platí, že nejvíce vyzařuje kabel mezi frekvenčním měničem a motorem. Používá se stíněný kabel, pokud možno nepřerušený. Řídicí a ovládací signály k frekvenčnímu měniči je třeba vést co nejdále od výstupních vodičů k motoru. Křížení kabelů by mělo být nejlépe v  úhlu 90°. Zemnicí spoj má být co nejkratší a zapojen do bodu s dokonalým uzemněním. Pro zemnění je nutné používat vodič s větším průřezem, nikoliv kvůli protékajícímu proudu, ale pro jeho menší indukčnost. Většina problémů vzniká nedokonalým uzemněním. To se projeví tím, že rušivá napětí na vstupu filtru jsou v normě, ale měření na vstupní svorkovnici je nad povolenou mezí. Používání plastových korýtek pro vedení vodičů často svádí k souběžnému vedení odrušených vodičů s neodrušenými vodiči, avšak tím je způsobeno snížení útlumu filtru vlivem kapacitní a zejména indukční vazby.

Závěr
Používat rušivá zařízení bez odrušení je riskantní. Na odrušení je nutné dbát již při návrhu zařízení, protože na dodatečnou montáž odrušení většinou není příhodné nebo vůbec žádné místo. Obvyklou prosbu zákazníků, že stačí jeden kondenzátor na vhodném místě, z 99 % nelze splnit.

ELFIS spol. s r. o.
Kolmá 10
190 00 Praha 9
tel./fax 02/683 82 92, 683 82 95, 683 83 00
e-mail: elfis@elfis.cz
http://www.elfis.cz