Làm cách nào để tôi kích thước đúng các thành phần cho bộ lọc EMC để cung cấp nguồn cho ổ đĩa tần số thay đổi?

Một trong những sản phẩm mà công ty tôi thiết kế là, về cơ bản, là nguồn cung cấp năng lượng xe buýt phổ biến cho các ổ đĩa tần số thay đổi (VFD). Cho đến nay chúng tôi chỉ bán vào Hoa Kỳ. Chúng tôi đang xem xét bán vào châu Âu. Các tiêu chuẩn CE sẽ yêu cầu chúng tôi đáp ứng các yêu cầu khác nhau: an toàn xây dựng, chống ồn, nhiễu bức xạ, tiếng ồn được tiến hành và RoHS. Tôi không tin rằng chúng ta sẽ cần thay đổi nhiều về thiết kế của mình cho hầu hết các vấn đề đó. Mặc dù, tiến hành tiếng ồn, có vẻ như nó sẽ yêu cầu một số thành phần bổ sung. Tôi cần phải tìm ra những thành phần đó là gì trước khi chúng ta có thể tiến hành đánh giá tiêu chuẩn.

Tôi quen thuộc với một số VFD từ các nhà sản xuất khác nhau, cũng như một số nguồn cung cấp năng lượng xe buýt phổ biến khác. Tất cả những gì tôi thấy đều có chung một thiết kế bộ lọc EMC, bao gồm hai bộ nhảy đất bảo vệ (PE) tùy chọn có thể được thêm hoặc xóa theo ý muốn. Dưới đây là lý thuyết của tôi về bản chất và mục đích của các bộ lọc này. Nếu có một lỗ hổng trong sự hiểu biết của tôi, nó rõ ràng sẽ ảnh hưởng đến câu trả lời cho câu hỏi cuối cùng của tôi!

Điều này thể hiện một ổ tần số thay đổi được cung cấp từ một máy biến áp trung tính nối đất, với một lò phản ứng ba pha giữa hai. FET được sử dụng vì không có ký hiệu cho IGBT trong trình chỉnh sửa sơ đồ.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Khi IGBT chuyển đổi, cạnh chuyển đổi có nội dung tần số thành megahertz, có nghĩa là dung lượng ký sinh bắt đầu có vấn đề. Tôi sẽ đại diện cho những người có điện dung duy nhất từ ​​DC đến trái đất, mặc dù tất nhiên điện dung được phân phối dọc theo dây dẫn động cơ, vỏ và mọi thành phần khác trong hệ thống.

^{mô phỏng mạch này}

Vì mỗi pha của máy biến áp là một nguồn, dòng điện phải chảy ra một đầu của cuộn dây, sau đó trở về trung tính nối đất. Với điện dung ký sinh tại chỗ, có hai đường dẫn: trong một đầu vào AC của VFD và ra một đầu vào khác, hoặc trong một đầu vào AC và ra ngoài thông qua điện dung ký sinh. Đương nhiên, dòng điện đi theo tất cả các con đường, tỷ lệ với trở kháng của chúng. Ở tần số cao, điện dung ký sinh là trở kháng thấp hơn nhiều so với đường dẫn cảm ứng chủ yếu thông qua đầu vào AC. Về cơ bản, chúng ta có một bộ chia dòng và tụ điện có dòng điện lớn hơn nhiều so với đường dẫn khác ở tần số cao.

Dòng chảy qua điện dung ký sinh có tác động tiêu cực. Trong thực tế vật lý, đây là dòng chảy qua mọi vật thể tiếp đất gần VFD, dẫn động cơ và động cơ. Điều đó về cơ bản biến toàn bộ hệ thống thành một ăng ten khổng lồ phát nội dung tần số của cạnh chuyển mạch, chưa kể có thể làm rối các tài liệu tham khảo mặt đất khác gần đó. Có thể có những tác động xấu khác mà tôi không hiểu.

Chúng tôi không thể loại bỏ điện dung ký sinh này. Chúng tôi cũng không thể giảm đáng kể nội dung tần số của cạnh chuyển đổi (mặc dù chúng tôi có thể làm chậm quá trình chuyển đổi IGBT ở một mức độ nào đó). Những gì chúng ta có thể làm là thay đổi các tỷ lệ trở kháng và giảm lượng dòng điện chạy qua điện dung ký sinh.

Đầu tiên, chúng tôi thêm một chế độ chung choke. Điều này có thể đi trên bus DC hoặc đầu vào AC, nhưng sớm hơn trong dòng điện có lẽ tốt hơn sau này. Tôi sẽ hiển thị của tôi trên xe buýt DC để dễ vẽ.

^{mô phỏng mạch này}

Một cuộn cảm ở chế độ chung tối ưu xuất hiện dưới dạng trở kháng bằng không đối với bất kỳ dòng điện nào chảy đối xứng qua thiết bị. Thay vào đó, nó xuất hiện dưới dạng điện cảm cao đối với bất kỳ dòng điện vi sai nào. Thiết bị này đã tăng độ tự cảm của đường đi qua điện dung ký sinh, tăng trở kháng tần số cao và giảm dòng điện qua đường dẫn này.

Thứ hai, chúng tôi thêm các tụ điện từ dòng AC vào trái đất.

^{mô phỏng mạch này}

Các tụ điện này cung cấp cho các dòng chuyển đổi tần số cao một đường dẫn đến trái đất không bị chặn bởi cuộn cảm chế độ chung. Tổng trở kháng của con đường đó đến trái đất bây giờ thấp hơn nhiều so với điện dung ký sinh. Không giống như điện dung ký sinh, đây là các tụ điện rời rạc vật lý gắn trực tiếp với dây nối đất. Các dòng chuyển mạch được chứa trong một đường dẫn xác định, thay vì gây ô nhiễm căn cứ của toàn bộ khu phố điện.

(Lưu ý: trong VFD thực tế, các tụ điện này thường được bố trí như đã thấy ở đây . Tôi không tin rằng sự sắp xếp có vấn đề cho mục đích của câu hỏi này, miễn là đạt được điện dung giữa các dòng. Xếp hạng an toàn hạng Y.)

Do cuộn cảm ở chế độ chung có độ tự cảm rò rỉ, nên nó thêm một số trở kháng tần số cao vào đường dẫn qua các tụ lọc dòng AC. Vì vậy, chúng tôi thêm thành phần bộ lọc thứ ba của chúng tôi, các tụ điện trên tuyến dưới của bus DC của cuộn cảm chế độ chung.

^{mô phỏng mạch này}

Các tụ điện này có trở kháng chế độ vi sai bổ sung tương tự như điện dung ký sinh, nhưng giá trị của chúng cao hơn nhiều so với trở kháng ký sinh, và do đó trở kháng của chúng sẽ thấp hơn. Giống như các tụ điện dòng AC, chúng cũng phải được xếp hạng Y.

Tất cả điều này tôi hiểu, hoặc ít nhất là nghĩ rằng tôi làm. Nhưng làm thế nào để một kích thước phù hợp các thành phần này?

Dường như với tôi rằng kịch bản tốt nhất là rõ ràng. Đầu tiên, làm cho các tụ lọc càng lớn càng tốt, cho trở kháng tần số cao tối thiểu. Chúng ta cần các tụ điện được xếp hạng Y với các mức điện áp AC và DC thích hợp cần thiết, điều này đối với một tụ điện riêng lẻ đặt chúng ta trong phạm vi <1uF. Có lẽ là phim, mặc dù có một số mũ gốm xếp hạng Y. Nhưng chúng ta có thể song song nhiều tụ điện như chúng ta muốn. Làm thế nào để tôi biết khi nào nên dừng lại?

Thứ hai, làm cho cuộn cảm ở chế độ chung có trở kháng vi sai càng cao và độ tự cảm rò rỉ càng thấp càng tốt. Tôi không biết nhiều về cuộn cảm quanh co, nhưng điều này dường như có nghĩa là sử dụng lõi lớn với số vòng quay tối thiểu. Nhưng một lần nữa, chúng ta có thể nhận hoặc lắp ráp các lõi lớn tùy ý.

Rõ ràng là có một số tối thiểu chấp nhận được đối với các giá trị thành phần này, cho phép chúng tôi tối ưu hóa kích thước và chi phí. Làm thế nào để tôi biết nó là gì và biết khi nào tôi đạt được nó? Và trên thực tế có một giá trị tối đa chấp nhận được cho bất kỳ thành phần bộ lọc nào không?

Được rồi, tôi nghĩ rằng tôi nhận được nó ngay bây giờ. Đã một thập kỷ kể từ khi tôi làm bất cứ điều gì như thế này ở trường, và tôi không bao giờ hiểu nó khi tôi làm. Nhưng ở đây đi.

Bắt đầu với sơ đồ ổ đĩa, nhưng chúng ta sẽ chỉ quan tâm đến một chân biến tần. Chúng ta sẽ di chuyển điện dung ký sinh để được trên chân động cơ đó. Chúng tôi cũng sẽ loại bỏ các cuộn cảm phụ, vì đơn giản. Chúng tôi sẽ thêm nó trở lại sau.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Bây giờ, chúng tôi quan tâm đến phân tích tần số cao. Điều đó có nghĩa là tất cả các "nguồn" trở thành ngắn mạch. Chúng tôi sẽ tính các mũ xe buýt DC là ngắn, vì chúng quá lớn so với mọi thứ khác. Chúng tôi cũng sẽ coi điốt là ngắn mạch. Tất cả điều đó có nghĩa là tất cả các dòng AC và DC của chúng ta giờ chỉ là một nút "nguồn", là đầu cuối của biến áp nguồn.

Chúng tôi cũng phải tìm ra cách điều trị những FET đó. Ước tính đầu tiên, chúng là điện áp sóng vuông giữa nút nguồn và điện dung ký sinh.

(Rõ ràng đây không phải là một sóng vuông hoàn hảo trong thực tế. Nó sẽ có nội dung tần số vô hạn, mà ai đó đã từng chỉ ra sẽ phá hủy vũ trụ. Các IGBT có thời gian chuyển đổi hữu hạn, vì vậy sóng điện áp giống như một hình thang. Chi tiết về điều này sẽ cực kỳ quan trọng sau này.)

^{mô phỏng mạch này}

Điều chúng tôi quan tâm là làm giảm ảnh hưởng của điện áp sóng vuông đó đến điện áp tại các cực của máy biến áp, trong trường hợp này có nghĩa là điện áp trên Lsource . Những gì chúng ta có ở đây là một bộ chia điện áp, mà chúng ta có thể vẽ lại theo cách sắp xếp phổ biến hơn.

^{mô phỏng mạch này}

Đây là bố cục cơ bản nhất, chưa được lọc, chỉ chứa các yếu tố ký sinh. Chức năng chuyển kết thúc chỉ là một bộ chia điện áp phức tạp.

Hãy kiểm tra các thái cực, để xem nếu chúng có ý nghĩa.

• Nguồn của số 0 trong thực tế có nghĩa là nguồn đó vô cùng cứng và không thể làm biến dạng. Trong các phương trình, điều đó có nghĩa là hàm truyền điện áp bằng 0, nghĩa là không có điện áp chuyển mạch nào xuất hiện trên Lsource. Thích hợp.
• Điện dung ký sinh bằng 0 trong thực tế có nghĩa là chúng ta không có khớp nối điện dung, và do đó không có nhiễu. Trong các phương trình, điều đó mang lại cho hàm truyền của chúng ta mức tăng bằng 0, một lần nữa có nghĩa là không có nhiễu chuyển đổi trên Lsource. Thích hợp.
• Ở tần số vô hạn, Cpa là một mạch ngắn và Lsource mở. Điều đó có nghĩa là điện áp chuyển đổi đầy đủ xuất hiện trên Lsource.
• Ở tần số 0, Cpa là một mạch mở và Lsource là một mạch ngắn. Điều đó có nghĩa là không có điện áp xuất hiện trên Lsource.

Nói cách khác, những gì chúng ta có ở đây là bộ lọc thông cao đơn cực với tần số góc là $\frac{1}{\sqrt{L_{sc}C_{pa}}}$. Tiếng ồn càng cao, càng có nhiều khả năng xuất hiện ở các cực của máy biến áp. Đó rõ ràng là điều ngược lại với những gì chúng ta muốn.

Vì vậy, hãy thêm thành phần đầu tiên của chúng tôi, các tụ lọc từ bus DC vào trái đất. Trong mô hình của chúng tôi, đó là một tụ điện với một đầu được gắn với trái đất và đầu còn lại gắn giữa trở kháng nguồn và nguồn nhiễu. Nói cách khác, đó là một tụ điện song song với Lsource.

^{mô phỏng mạch này}

Bây giờ chúng ta có một bộ chia điện áp khác nhau, với chức năng chuyển giao là:

Một lần nữa, chúng tôi sẽ kiểm tra các thái cực để xem nếu chúng có ý nghĩa.

• Nếu Cdc bằng 0, chúng ta có hàm truyền mà chúng ta đã có trước khi thêm các tụ điện, điều này có ý nghĩa.
• Ở tần số 0, chúng tôi vẫn không có nhiễu trên trở kháng nguồn. Bộ lọc thông cao đã không biến mất.
• Ở tần số vô hạn, Cdc hoạt động như một đoạn ngắn, nghĩa là bây giờ chúng ta không có điện áp nhiễu trên trở kháng nguồn. Thêm tụ điện này đã cho chúng tôi một bộ lọc thông thấp thứ nhất, giảm tiếng ồn chúng tôi đang cố gắng chống lại.

Đặc biệt, tần số góc của bộ lọc này là $\frac{1}{\sqrt{L_{sc}(C_{pa}+C_{dc})}}$.

Bây giờ chúng tôi thêm thành phần bộ lọc thứ hai của chúng tôi, cuộn cảm ở chế độ chung quanh bus DC. Là một cuộn cảm ở chế độ chung, nó thêm một cuộn cảm cho bất kỳ dòng điện bất đối xứng nào, bao gồm các đường dẫn đến trái đất thông qua Cdc và Cpa. Chúng ta có thể vẽ nó như vậy:

^{mô phỏng mạch này}

Đại số đang ngày càng mở rộng tại thời điểm này, nhưng bây giờ chúng ta có bộ lọc thông thấp thứ nhất với tần số góc là $\frac{1}{\sqrt{(L_{sc}+L_{cm})(C_{pa}+C_{dc})}}$. Vẫn là bộ lọc đơn hàng đầu tiên, tất cả những gì chúng tôi đã làm là chuyển cực đến tần số thấp hơn.

Bây giờ chúng tôi thêm các tụ điện dòng AC.

^{mô phỏng mạch này}

Điều này trở thành bộ lọc thông thấp thứ hai với hai cực tại các vị trí rất phức tạp để thể hiện.

Thêm dòng điện trở lại trong ...

^{mô phỏng mạch này}

Và chúng ta có cùng một bộ lọc thông thấp thứ hai, nhưng với một bộ chia điện áp trên nó, dịch chuyển các cực trở lại các tần số thấp hơn. Chúng tôi sẽ giả vờ rằng bây giờ không có, vì nó là tùy chọn trong một số cài đặt.

Mỗi giai đoạn cung cấp cho chúng tôi thêm -3dB ở tần số góc (chia điện áp cho sqrt (2)). Mỗi giai đoạn cho độ dốc bổ sung -20dB / thập kỷ, có nghĩa là điện áp bị cắt bởi hệ số mười mỗi khi tần số tăng thêm 10 lần. Vì vậy, bộ lọc bậc hai sẽ có -6dB ở tần số góc, nghĩa là tại thời điểm đó điện áp bằng 1/2 giá trị không được lọc. Và với tần số gấp 10 lần, chúng tôi giảm xuống -46dB, nghĩa là điện áp hiện là 1/200 của giá trị chưa được lọc.

Cá nhân tôi chưa xem xét các thông số kỹ thuật CE, nhưng trên mỗi MTE , người thực hiện điều này để kiếm sống, giới hạn CE là điện áp RMS của:

• 150 KHz - <500 KHz 66 dB (uV)
• 500 KHz - <5 MHz 60 dB (uV)
• 5 MHz - <30 MHz 60 dB (uV)

Bây giờ, 60 dB (uV) là gì? 20 dB là 10 x, vì vậy 60 dB là 1000x. 60 dB (uV) là 1 mV. 6 dB là 2x, vì vậy 66 dB (uV) là 2 mV.

Họ cũng chỉ ra rằng ổ đĩa PWM không được lọc điển hình đưa ra ~ 120 dB (uV) trong dải tần quan tâm, sẽ là khoảng một RMS volt. Giả sử họ đang nói về ổ đĩa 230VAC (bus DC là 325), chuyển đổi ở tốc độ 4 kHz với thời gian chuyển đổi là 100 nS (hợp lý, dựa trên Infineon FS75R06 ). Giả sử điện áp chuyển đổi là sóng tam giác, RMS của đó sẽ là$325\sqrt{\frac{D}{3}}$. D là 100 nS / 250 uS, hoặc 1/2500. Điều đó mang lại cho chúng ta điện áp chuyển đổi RMS khoảng 3,75 volt (khoảng 130 dB uV). Bây giờ, nó thực sự không ở đâu gần đơn giản này, nội dung tần số của cạnh chuyển mạch được trải đều trên phổ. Nhưng chúng ta đang ở đâu đó trong sân bóng.

Vì vậy, chúng ta cần lọc xuống từ 130 dB đến 66 dB tại 150 kHz, là 64 dB. Tần số góc cho chúng ta -6 dB, vì vậy chúng ta cần thêm 58 dB. ở mức -40 dB / thập kỷ, tức là 1,45 thập kỷ trước 150 kHz, hoặc 28,18x, cho tần số góc 5,3 kHz.

Giả sử chúng ta có độ tự cảm ở chế độ chung là 100 uH, có vẻ như là số thế giới thực hợp lý, khoảng sáu vòng quanh lõi có đường kính ~ 2 "trong Digikey. Chúng ta cũng có thể giả sử trở kháng nguồn 100 uH, mà MTE liệt kê như trở kháng 5% cho hệ thống 230VAC 30 kW. Chạy đại số điên thông qua XCAS, chúng tôi nhận được công suất AC và DC trên mặt đất khoảng 5,5 uF, đây là một con số hoàn toàn hợp lý cho các mũ có sẵn trên Digikey. hai cực, một cực khoảng 8 kHz, cực kia khoảng 2,9 kHz. Chúng có trọng tâm khoảng 5,3 kHz.

Thật thú vị, giá trị thực tế của điện dung ký sinh có ảnh hưởng tương đối ít đến chức năng chuyển bộ lọc. Những gì nó không ảnh hưởng đến là tổng trở kháng của tải nhìn thấy bởi các máy phát điện sóng vuông. Cho đến khi chúng tôi thêm$C_{dc}$, trở kháng được nhìn thấy bởi sóng vuông tương đối cao ở mọi tần số; bây giờ nó giảm mà không bị ràng buộc khi tần số tăng. Trở kháng càng thấp, dòng điện cực đại tức thời qua các thiết bị chuyển mạch càng lớn, có thể biến thành các vấn đề nhiễu bức xạ và các sự kiện khử bão hòa có thể xảy ra.$C_{pa}$chi phối trở kháng đó qua một điểm nhất định. Ví dụ: với các giá trị trên của chúng tôi và bộ lọc một cực, chúng tôi kết thúc với trở kháng 1 Mhz là 16 kOhm với điện dung ký sinh là 10 pF. Đó chỉ là một vài mA hiện tại. Nhưng nếu chúng ta tăng điện dung ký sinh lên 1 nF, chúng ta giảm trở kháng xuống 160 ohms.

Xếp hạng năng lượng của ổ đĩa cũng có tác dụng tương đối ít, ngoại trừ trong trường hợp nó ảnh hưởng đến cuộn cảm nguồn và dòng.