EMV Entstören leicht gemacht

Transkript

1 MV ntstören leicht gemacht Herbert Blum Product Manager MC NP, -Jan-13 1 Inhalt > Störungsquellen > Kopplungsmechanismen > MV Filter Design > Aufbau von MV Filter > Überblick über die MV Normen > Praxisbeispiele > Zusammenfassung NP, -Jan

2 Störungsquellen Natürliche Störquellen Zivilisationsbedingte Störungen Zivilisationsbedingte unbeabsichtigte Störungen NP, -Jan-13 3 Kopplungsmechanismen Gestrahlte Störungen ca. MHZ-1GHz eitungsgebundene Störungen ca. 9kHz-MHz (SCHURTR Filter) NP, -Jan

3 MV Filter Design > Um leitungsgebundene missionen zu unterdrücken, eignet sich der insatz von Netzfiltern > Netzfilter sind immer in beide Richtungen wirksam > Immissionen vom Netz werden genau so unterdrückt wie Geräteemissionen NP, -Jan-13 MV Filter Design > Das MV Filter Design unterscheidet sich vom Design herkömmlicher Filter (Butterworth, Chebyshev, elliptic): > eitungsimpedanz ist meistens unbekannt > MV Filter sind meistens Tiefpassfilter > MV Filter weisen oft relativ hohe Verluste aus > Werte der Komponenten in MV Filter sind meistens nicht sehr kritisch > Flacher Frequenzverlauf, Phasenverzerrung, Welligkeit, Gruppenlaufzeitverzerrung sind Fremdworte für MV Filter > MV Filter sind charakterisiert durch infügungsdämpfung, Anzahl Stufen, Art der Kundenbestellung > Bei MV wird deshalb eine andere Technologie als bei Standardfiltern benötigt NP, -Jan

4 MV Filter Design > MV Filter sind Tiefpassfilter: > fs << fn > fs: Frequenz des Netzes (/6 Hz) > fn: Frequenz der Störquelle (1 khz MHz) > s gibt zwei Möglichkeiten, um die nergie einer Störung zu unterdrücken: Reflektion Kondensator, Drossel Absorption Kupferverluste, Kernverluste NP, -Jan-13 7 MV Filter Design > Mit MV Filtern wird versucht, die schlechteste Impedanzanpassung zwischen ingangs- und Netzseite zu erreichen > Dadurch wird die maximale Reflexion des Störsignals erreicht NP, -Jan

5 MV Filter Design > Um die Wirkungsweise der MV Filter besser zu verstehen, unterscheidet man zwischen symmetrischen (differential-mode) und asymmetrischen (commonmode) Signalen: Differential Mode (symmetrisch) Common Mode (asymmetrisch) I diff I com Main Power N P U diff I diff oad Main Power N P U com I com I com oad NP, -Jan-13 9 MV Filter Design > Die Schaltung eines Filters kann wie folgt vereinfacht werden: N/1 asy 2Cy N/1 1 Cx 1 N Cy Cy N sy 1 Cx Cy/2 1 N N asymmetrische Störung asy : asymmetrisch symmetrische Störung sy : symmetrisch NP, -Jan-13

6 MV Filter Design > Die Dämpfungskurve wird in symmetrische und asymmetrische Dämpfung unterteilt => bessere Übersicht U1 A db = log U > Damit wird die Funktionsweise der Komponenten eines Filters ersichtlich 2 1 Cx 1 1 Cx 1 N Cy Cy N N Cy Cy N symmetrische Störung asymmetrische Störung NP, -Jan MV Filter Design > Wichtig für die Funktionsweise eines Filters ist die Betrachtung der Netzeingangs- und der astimpedanz Netzimpedanz ingangsimpedanz eines geschalteten Netzteils NP, -Jan

7 MV Filter Design > Berechnungsbeispiel: Variation der Netz- und astimpedanz U U = U = f S R R + Z ( R, R, Z ) S S + R US = [V] RS = 8 [Ω] R = 1M [Ω] f = 1M [Hz] U = 9.936V US = [V] RS = [Ω] R = 1M [Ω] f = 1M [Hz] U = 9.937V US = [V] RS = [Ω] R = 1k [Ω] f = 1M [Hz] U = 1.36V NP, -Jan Aufbau von MV Filter > Die Hauptkomponenten von MV Filter sind Kondensatoren und stromkompensierte Drosseln NP, -Jan

8 Aufbau von MV Filter > Cx Kondensator Symmetrische Störungen Attenuation loss [db] Frequency [MHz] sym. Cx 47nF sym. Cx 68nF sym. Cx nf sym. Cx 2nF Der X-Kondensator dämpft die symmetrischen Störungen zwischen und N. Bei hohen Frequenzen wird der Kondensator niederohmig. Der X- Kondensator besteht aus selbstheilendem (SH) metalisiertem Papier oder Polyester. Aus diesem Grund eignet sich diese Bauart für hohe Spannungsstösse. Der Kondensator kann bei solchen Spannungsstössen an Kapazität verlieren. Die Isolation allerdings bleibt bestehen. ine grössere Kapazität führt zu einer höheren infügungsdämpfung. Typische Werte: Sicherheitsklasse: X1 47, 68, nf.. µf 4kV pulse 1.2/µs X2 2.kV pulse 1.2/µs NP, -Jan-13 Aufbau von MV Filter > Cy Kondensator Asymmetrische Störungen Attenuation loss [db] Frequency [MHz] asym. Cy 2x 2.2nF sym. Cy 2x 2.2nF Der Y-Kondensator dämpft die asymmetrischen Störungen zwischen /N und P. Bei hohen Frequenzen werden die Kondensatoren niederohmig und führen die Störungsenergie gegen rde. Auch bei den Y-Kondensatoren handelt es sich um selbstheilende Bauteile. Die Kapazität ist wegen eckströmen auf bestimmte Grössen limitiert. Typische Werte: 2.2nF, 47pF, 1µF Sicherheitsklasse: Y1 8kV pulse 1.2/µs Y2 kv pulse 1.2/µs NP, -Jan

9 Aufbau von MV Filter > In einem MV Filter fliesst jeweils der gesamt aststrom durch die Drossel > s gibt einen eleganten Weg, um die Bauweise einer Drossel klein und deren Induktivität gross zu halten => stromkompensierte Drossel Die Drossel wirkt hauptsächlich nur bei asymmetrischen Störungen Auch Drosselkerne mit sehr hoher magnetischer Permeabilität (Ferrite) geraten nicht in die Sättigung NP, -Jan Aufbau von MV Filter > Wenn ein einfaches Filter nicht ausreicht um die angeforderten Grenzwerte für leitungsgebundene missionen einzuhalten, so muss der insatz von mehrstufigen Filter in Betracht gezogen werden 1 Stufe 2 Stufen 1 Cx 1 1 Cx Cx 1 N Cy Cy N N Cy Cy Cy Cy N 1 3 Stufen Cx Cx Cx 1 N Cy Cy Cy Cy Cy Cy N NP, -Jan

10 Überblick über die MV-Normen Generic Standards Basic Standards Product Standards Fachgrundnormen Grundnormen Produktnormen Grenzwerte (mission) und Prüfschärfen (Immunität) bezüglich einer definierten Umgebung (Haushalt oder Industrie) unabhängig vom zu prüfenden Produkt Beschreibt die Prüfausrüstung, Aufbau, Spezifikationen und die Prüfschärfe Grenzwerte (mission) und Prüfschärfen (Immunität) bezüglich des zu prüfenden Produktes. > Wenn eine Produktnorm für ein Gerät existiert, hat diese vor allen anderen Vorrang! In zweiter Priorität können Grundnormen angewandt werden. Wenn es weder Produkt- noch Grundnormen gibt, kommen die Fachgrundnormen zur Anwendung. > Der Testaufbau wird nach der Grundnorm N11 (Industrielle, wissenschaftliche und medizinische Hochfrequenzgeräte) geprüft. NP, -Jan Überblick über die MV-Normen > Die Fachgrundnorm N 6-6-x umfasst folgende MV-Messungen und Tests N N Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereich sowie Kleinbetriebe Störfestigkeit für Industriebereiche N N Störaussendung für Wohnbereich, Geschäfts- und Gewerbebereich sowie Kleinbetriebe Störaussendung für Industriebereiche Verweis auf CISPR11: Grenzwerte und Messverfahren Verweis auf CISPR16: Anforderungen an Messgeräte/ inrichtung und Festlegung der Messverfahren NP, -Jan-13

11 Überblick über die MV-Normen CISPR ist das Comité international spécial des perturbations radioélectriques (Internationales Sonderkomitee für Funkstörungen). Gründung Seine Mitglieder kommen teilweise aus dem IC (International lectrotechnical Commission) und aus anderen Interessengruppen. Die CISPR-Normen sind grösstenteils in europäische Normen eingeflossen: Internationale Norm uropäische Norm Deutsche Norm CISPR11 N11 VD NP, -Jan Praxisbeispiel 1 Testaufbau für leitungsgebundene missionen Messempfänger Netznachbildung Testaufbau NP, -Jan

12 Praxisbeispiel 1 > Schaltschema NP, -Jan Praxisbeispiel 1 > Grenzwerte N11 Klasse A N11 Quasi Peak Klasse B N11 Average Klasse B Klasse A = Industrieumgebung Klasse B = Haushaltsumgebung NP, -Jan

13 Praxisbeispiel 1 > Messung des Grundpegels in Industrieumgebung Nulleiter Phase N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Phase 2 Phase N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Quasi Peak Average Trotz Netznachbildung weist das Testsystem bereits einen hohen Störpegel im Bereich 1-kHz aus. Die Messungen sollten deshalb besser in einer dafür vorgesehen Testkammer durchgeführt werden. Der Testaufbau wird nach Grenzwerten Klasse B geprüft N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M NP, -Jan-13 2 Praxisbeispiel 1 > Dimmer bei % eistung, ohne Filter Quasi Peak Average Nulleiter Phase N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Massive Grenzwertverletzungen, welche durch Phasenanschnittsteuerung im Dimmer entstehen. NP, -Jan

14 Praxisbeispiel 1 > Dimmer bei % eistung, mit 1-phasen inbaufilter Quasi Peak Average Nulleiter Phase N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Durch Verwendung eines 1-phasen inbaufilters werden die Grenzwerte Klasse B nach N11 eingehalten. NP, -Jan Praxisbeispiel 1 Testsystem ohne ingangsfilter, FU ohne internen Filter Quasi Peak Average Phase 1 Phase2 Phase N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Das Testsystem weist Grenzwertverletzungen Klasse A nach N11 aus! => 1. Schritt: ösung via internen Filter im Frequenzumrichter. NP, -Jan

15 Praxisbeispiel 1 Testsystem ohne ingangsfilter Phase 1, ohne internen FU-Filter Average Phase 1, mit internem FU-Filter Quasi Peak N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Der Frequenzumrichter hält mit dem internen Filter die Grenzwerte für industrielle Umgebung Klasse A nach N11 ein. Das Testsystem als Ganzes betrachtet weist aber immer noch Grenzwertverletzungen für Klasse B aus. => 2. Schritt: ösung via Netzeingangsfilter möglich. NP, -Jan Praxisbeispiel 1 Testsystem mit 2-stufen ingangsfilter, FU mit internem Filter Quasi Peak Average Phase 1 Phase2 Phase N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Mit dem 2-stufen ingangsfilter werden die Grenzwerte für Quasi Peak und Average für leitungsgebundene missionen Klasse B nach N11 eingehalten. NP, -Jan-13

16 N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M N 11 Voltage on Mains QP N 11 Voltage on Mains AV 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Praxisbeispiel 1 Testsystem mit 1-stufen ingangsfilter, FU mit internem Filter Quasi Peak Average Phase 1 Phase2 Phase N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP 6 N 11 Voltage on Mains QP N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV N 11 Voltage on Mains AV k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M 1k 8 1M 2M 3M 4M M 6 8 M M M Mit dem 1-stufen ingangsfilter werden die Grenzwerte für Quasi Peak und Average für leitungsgebundene missionen Klasse B nach N11 eingehalten. NP, -Jan Praxisbeispiel 1 1-stufen Filter vs. 2-stufen Filter Phase 1, mit 1-stufen ingangsfilter Phase 1, mit 2-stufen ingangsfilter Quasi Peak Average Für diesen Testfall eignet sich das 1-stufige Filter besser, da grössere Kondensatoren gegen rde geschaltet sind. s ist aber mit grösseren Ableitströmen zu rechnen. Beim zweiten Filter wird durch die 2-Stufigkeit ein Resonanzkreis gebildet, je nach System kann dieser Kreis zum Schwingen angeregt werden. Das 2-stufen Filter kommt zum insatz, wenn die Ableitströme gegen rde begrenzt sein müssen. Mit beiden Filtern werden die Grenzwerte Klasse B nach N11 eingehalten. NP, -Jan

17 Praxisbeispiel 2 > Filter montiert > Reduzierte Anschlussfläche NP, -Jan Praxisbeispiel 2 > Filter montiert (auf dem Kopf) > Mittelgrosse Anschlussfläche zur rdung NP, -Jan

18 Praxisbeispiel 2 > Filter montiert (auf der Seite liegend) > Grosse Kontaktfläche zur rde NP, -Jan-13 3 Ableitstrom (Worstcasefall) FMAC CO 16A C2= 2.2uF C3= 3.3uF => I ableit = 9mA FMBC CO A C3= 1uF C4= nf => I ableit =,7mA NP, -Jan

19 Praxisbeispiele > Zusammenfassung > Filter immer via rdleitungskabel oder Gehäuse verbinden > Filter mit möglichst grosser Auflagefläche montieren > Filter innerhalb des Betriebsmittels am Netzeingang montieren > Kabeleingang und -Ausgang eines Filters dürfen nicht gekreuzt werden > Ableitströme der Filter und Anlage prüfen NP, -Jan MV Messservice Vorprüfungen für leitungsgebundene mmissionen Mobiler Service für Messungen vor Ort 2A ISN von R&S Messempfänger R&S NP, -Jan

20 Ihr Nutzen > Aktuellste Normeninformationen > Modernste Messtechnologien > Neueste Filtertechnologien professioneller, umfassender, zuverlässiger NP, -Jan-13 39