EMV Entstören leicht gemacht

EMV
Entstören leicht gemacht
Herbert Blum
Product Manager EMC
NP, 15-Jan-13
1
Inhalt
>
>
>
>
>
>
>
Störungsquellen
Kopplungsmechanismen
EMV Filter Design
Aufbau von EMV Filter
Überblick über die EMV Normen
Praxisbeispiele
Zusammenfassung
NP, 15-Jan-13
2
1
Störungsquellen
Natürliche
Störquellen
Zivilisationsbedingte Störungen
Zivilisationsbedingte unbeabsichtigte
Störungen
3
NP, 15-Jan-13
Kopplungsmechanismen
Gestrahlte Störungen
ca. 30MHZ-1GHz
Leitungsgebundene Störungen
ca. 9kHz-30MHz
(SCHURTER Filter)
NP, 15-Jan-13
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2
EMV Filter Design
> Um leitungsgebundene Emissionen zu unterdrücken, eignet sich der Einsatz
von Netzfiltern
> Netzfilter sind immer in beide Richtungen wirksam
> Immissionen vom Netz werden genau so unterdrückt wie Geräteemissionen
NP, 15-Jan-13
5
EMV Filter Design
> Das EMV Filter Design unterscheidet sich vom Design herkömmlicher Filter
(Butterworth, Chebyshev, elliptic):
>
>
>
>
>
Leitungsimpedanz ist meistens unbekannt
EMV Filter sind meistens Tiefpassfilter
EMV Filter weisen oft relativ hohe Verluste aus
Werte der Komponenten in EMV Filter sind meistens nicht sehr kritisch
Flacher Frequenzverlauf, Phasenverzerrung, Welligkeit, Gruppenlaufzeitverzerrung
sind Fremdworte für EMV Filter
> EMV Filter sind charakterisiert durch Einfügungsdämpfung, Anzahl Stufen, Art der
Kundenbestellung
> Bei EMV wird deshalb eine andere Technologie als bei Standardfiltern benötigt
NP, 15-Jan-13
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3
EMV Filter Design
> EMV Filter sind Tiefpassfilter:
> fs << fn
> fs: Frequenz des Netzes (50/60 Hz)
> fn: Frequenz der Störquelle (150 kHz – 30 MHz)
> Es gibt zwei Möglichkeiten, um die Energie einer Störung zu unterdrücken:
Reflektion
Kondensator, Drossel
NP, 15-Jan-13
Absorption
Kupferverluste, Kernverluste
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EMV Filter Design
> Mit EMV Filtern wird versucht, die
schlechteste Impedanzanpassung
zwischen Eingangs- und Netzseite zu
erreichen
> Dadurch wird die maximale Reflexion
des Störsignals erreicht
NP, 15-Jan-13
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4
EMV Filter Design
> Um die Wirkungsweise der EMV Filter besser zu verstehen, unterscheidet man
zwischen symmetrischen (differential-mode) und asymmetrischen (commonmode) Signalen:
Differential Mode
Common Mode
(symmetrisch)
Idiff
(asymmetrisch)
Icom
L
Icom
N
Load
Main Power
Idiff
N
Load
Main Power
Udiff
L
Ucom
Icom
PE
PE
9
NP, 15-Jan-13
EMV Filter Design
> Die Schaltung eines Filters kann wie folgt vereinfacht werden:
Lasy
N/L1
2Cy
N/L1’
L
L1
N
L’1
Cx
Cy
Cy
E
E
N’
Lsy
E
E
L1
N
Cx
Cy/2
L’1
N’
asymmetrische Störung
symmetrische Störung
Lasy : L asymmetrisch
Lsy : L symmetrisch
NP, 15-Jan-13
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5
EMV Filter Design
> Die Dämpfungskurve wird in
symmetrische und asymmetrische
Dämpfung unterteilt => bessere Übersicht
Adb = 20 log
U1
U2
> Damit wird die Funktionsweise der
Komponenten eines Filters ersichtlich
L
L1
N
Cx
L
Cy
Cy
E
symmetrische Störung
L’1
L1
N’
N
E
E
L’1
Cx
Cy
Cy
N’
E
asymmetrische Störung
11
NP, 15-Jan-13
EMV Filter Design
> Wichtig für die Funktionsweise eines Filters ist die Betrachtung der
Netzeingangs- und der Lastimpedanz
Netzimpedanz
NP, 15-Jan-13
Eingangsimpedanz
eines geschalteten
Netzteils
12
6
EMV Filter Design
> Berechnungsbeispiel: Variation der Netz- und Lastimpedanz
UL = US ⋅
RL
RS + Z L + RL
U L = f (RS , RL , Z L )
US = 10 [V]
RS = 80 [Ω]
RL = 1M [Ω]
f = 1M [Hz]
UL = 9.936V
US = 10 [V]
RS = 20 [Ω]
RL = 1M [Ω]
f = 1M [Hz]
UL = 9.937V
US = 10 [V]
RS = 20 [Ω]
RL = 1k [Ω]
f = 1M [Hz]
UL = 1.36V
NP, 15-Jan-13
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Aufbau von EMV Filter
> Die Hauptkomponenten von EMV Filter sind Kondensatoren und
stromkompensierte Drosseln
NP, 15-Jan-13
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7
Aufbau von EMV Filter
80
> Cx Kondensator
70
Attenuation loss [dB]
60
Symmetrische Störungen
50
40
30
20
10
0
-10
0.01
0.1
sym. Cx 47nF
1
10
Frequency [MHz]
sym. Cx 68nF
sym. Cx 100nF
100
400
sym. Cx 220nF
Der X-Kondensator dämpft die symmetrischen Störungen zwischen L 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. Eine grössere Kapazität führt zu einer höheren
Einfügungsdämpfung.
Typische Werte:
Sicherheitsklasse:
X1
X2
47, 68, 100nF .. 10µF
4kV pulse 1.2/50µs
2.5kV pulse 1.2/50µs
15
NP, 15-Jan-13
Aufbau von EMV Filter
Asymmetrische Störungen
Attenuation loss [dB]
> Cy Kondensator
50
40
30
20
10
0
-10
0.01
0.1
1
10
100
400
Frequency [MHz]
asym. Cy 2x 2.2nF
sym. Cy 2x 2.2nF
Der Y-Kondensator dämpft die asymmetrischen Störungen zwischen L/N und PE. Bei
hohen Frequenzen werden die Kondensatoren niederohmig und führen die
Störungsenergie gegen Erde. Auch bei den Y-Kondensatoren handelt es sich um
selbstheilende Bauteile. Die Kapazität ist wegen Leckströmen auf bestimmte Grössen
limitiert.
Typische Werte:
Sicherheitsklasse:
NP, 15-Jan-13
Y1
Y2
2.2nF, 470pF, 1µF
8kV pulse 1.2/50µs
5kV pulse 1.2/50µs
16
8
Aufbau von EMV Filter
> In einem EMV Filter fliesst jeweils der gesamt Laststrom durch die Drossel
> Es 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
17
NP, 15-Jan-13
Aufbau von EMV Filter
> Wenn ein einfaches Filter nicht ausreicht um die angeforderten Grenzwerte für
leitungsgebundene Emissionen einzuhalten, so muss der Einsatz von
mehrstufigen Filter in Betracht gezogen werden
1 Stufe
L1
N
2 Stufen
L
L
Cx
Cy
Cy
E
L’1
L1
N’
N
E
E
Cx
L
L’1
Cx
Cy
Cy
Cy
Cy
N’
E
3 Stufen
L
L
L
L1
Cx
N
E
NP, 15-Jan-13
Cy
L’1
Cx
Cx
Cy
Cy
Cy
Cy
Cy
N’
E
18
9
Überblick über die EMV-Normen
Generic
Standards
Fachgrundnormen Grenzwerte (Emission) und Prüfschärfen
(Immunität) bezüglich einer definierten Umgebung
(Haushalt oder Industrie) unabhängig vom zu
prüfenden Produkt
Basic
Standards
Grundnormen
Beschreibt die Prüfausrüstung, Aufbau,
Spezifikationen und die Prüfschärfe
Product
Standards
Produktnormen
Grenzwerte (Emission) 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 EN55011 (Industrielle,
wissenschaftliche und medizinische Hochfrequenzgeräte) geprüft.
NP, 15-Jan-13
19
Überblick über die EMV-Normen
>
Die Fachgrundnorm EN 61000-6-x umfasst folgende EMV-Messungen und Tests
EN 61000-6-1 Störfestigkeit für Wohnbereich, Geschäfts- und
Gewerbebereich sowie Kleinbetriebe
EN 61000-6-2 Störfestigkeit für Industriebereiche
EN 61000-6-3 Störaussendung für Wohnbereich, Geschäfts- und
Gewerbebereich sowie Kleinbetriebe
EN 61000-6-4 Störaussendung für Industriebereiche
Verweis auf CISPR11: Grenzwerte und Messverfahren
Verweis auf CISPR16: Anforderungen an Messgeräte/
Einrichtung und Festlegung der Messverfahren
NP, 15-Jan-13
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10
Überblick über die EMV-Normen
CISPR ist das Comité international spécial des perturbations radioélectriques
(Internationales Sonderkomitee für Funkstörungen). Gründung 1934. Seine
Mitglieder kommen teilweise aus dem IEC (International Electrotechnical
Commission) und aus anderen Interessengruppen.
Die CISPR-Normen sind grösstenteils in europäische Normen eingeflossen:
Internationale Norm
Europäische Norm
Deutsche Norm
CISPR11
EN55011
VDE 0875-11
21
NP, 15-Jan-13
Praxisbeispiel 1
Testaufbau für leitungsgebundene Emissionen
Messempfänger
Netznachbildung
Testaufbau
NP, 15-Jan-13
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11
Praxisbeispiel 1
> Schaltschema
23
NP, 15-Jan-13
Praxisbeispiel 1
> Grenzwerte
EN55011
Klasse A
EN55011 Quasi Peak
Klasse B
EN55011 Average
Klasse B
Klasse A =
Industrieumgebung
Klasse B =
Haushaltsumgebung
NP, 15-Jan-13
24
12
Praxisbeispiel 1
Quasi Peak
> Messung des Grundpegels in Industrieumgebung
Nulleiter
Phase1
80
80
75
75
70
70
65
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
50
Level in dBµV
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
45
40
35
45
40
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
150k
300 400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
0
150k
30M
300
400 500
800 1M
Phase 2
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Phase 3
Trotz Netznachbildung weist das
Testsystem bereits einen hohen
Störpegel im Bereich 150-200kHz
aus.
Die Messungen sollten deshalb
besser in einer dafür vorgesehen
Testkammer durchgeführt
werden.
Der Testaufbau wird nach Grenzwerten Klasse B geprüft.
80
80
75
75
70
70
65
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
50
Level in dBµV
2M
Frequency in Hz
Frequency in Hz
45
40
35
45
40
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
0
150k
Average
5
300
400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
0
150k
30M
300
Frequency in Hz
400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Frequency in Hz
25
NP, 15-Jan-13
Praxisbeispiel 1
Quasi Peak
> Dimmer bei 50% Leistung, ohne Filter
Nulleiter
Average
Phase1
80
80
75
75
70
70
65
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
45
40
35
45
40
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
Level in dBµV
50
0
150k
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
5
300 400 500
800 1M
2M
3M
Frequency in Hz
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
0
150k
300
400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Frequency in Hz
Massive Grenzwertverletzungen, welche durch Phasenanschnittsteuerung im Dimmer
entstehen.
NP, 15-Jan-13
26
13
Praxisbeispiel 1
Quasi Peak
> Dimmer bei 50% Leistung, mit 1-phasen Einbaufilter
Nulleiter
Phase1
80
80
75
75
70
70
65
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
50
Level in dBµV
Average
45
40
35
45
40
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
150k
300 400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
0
150k
30M
300
400 500
800 1M
Frequency in Hz
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Frequency in Hz
Durch Verwendung eines 1-phasen Einbaufilters werden die Grenzwerte Klasse B nach
EN55011 eingehalten.
27
NP, 15-Jan-13
Praxisbeispiel 1
Quasi Peak
Testsystem ohne Eingangsfilter, FU ohne internen Filter
Phase 1
Phase2
Phase3
80
80
75
75
75
70
70
70
65
80
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
35
45
40
35
45
40
35
30
30
30
25
25
25
20
20
15
15
15
10
10
10
5
0
150k
20
5
300
400 500
800 1M
2M
3M
Frequency in Hz
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
0
150k
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
40
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
45
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
Average
5
300
400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
0
150k
300
400 500
Frequency in Hz
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Frequency in Hz
Das Testsystem weist Grenzwertverletzungen Klasse A nach EN55011 aus!
=> 1. Schritt: Lösung via internen Filter im Frequenzumrichter.
NP, 15-Jan-13
28
14
Praxisbeispiel 1
Quasi Peak
Testsystem ohne Eingangsfilter
Average
Phase 1, ohne internen FU-Filter
Phase 1, mit internem FU-Filter
80
80
75
75
70
70
65
65
60
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
50
Level in dBµV
EN 55011 Voltage on Mains QP
55
55
45
40
35
EN 55011 Voltage on Mains AV
45
40
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
150k
300 400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
0
150k
30M
300 400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Frequency in Hz
Frequency in Hz
Der Frequenzumrichter hält mit dem internen Filter die Grenzwerte für industrielle Umgebung
Klasse A nach EN55011 ein. Das Testsystem als Ganzes betrachtet weist aber immer noch
Grenzwertverletzungen für Klasse B aus. => 2. Schritt: Lösung via Netzeingangsfilter möglich.
29
NP, 15-Jan-13
Praxisbeispiel 1
Quasi Peak
Testsystem mit 2-stufen Eingangsfilter, FU mit internem Filter
Phase 1
Phase2
80
75
75
75
70
70
70
80
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
35
45
40
35
45
40
35
30
30
30
25
25
25
20
20
15
15
15
10
10
10
5
0
150k
20
5
300
400 500
800 1M
2M
3M
Frequency in Hz
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
0
150k
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
40
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
45
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
Phase3
80
65
Average
5
300
400 500
800 1M
2M
3M
Frequency in Hz
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
0
150k
300
400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Frequency in Hz
Mit dem 2-stufen Eingangsfilter werden die Grenzwerte für Quasi Peak und Average
für leitungsgebundene Emissionen Klasse B nach EN55011 eingehalten.
NP, 15-Jan-13
30
15
Praxisbeispiel 1
Quasi Peak
Testsystem mit 1-stufen Eingangsfilter, FU mit internem Filter
Phase 1
Phase2
80
80
75
75
75
70
70
70
65
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
35
45
40
35
45
40
35
30
30
30
25
25
25
20
20
15
15
15
10
10
10
5
0
150k
20
5
5
300
400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
0
150k
Frequency in Hz
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
40
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
45
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
Phase3
80
65
Average
300
400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
0
150k
30M
300
400 500
800 1M
Frequency in Hz
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Frequency in Hz
Mit dem 1-stufen Eingangsfilter werden die Grenzwerte für Quasi Peak und Average
für leitungsgebundene Emissionen Klasse B nach EN55011 eingehalten.
31
NP, 15-Jan-13
Praxisbeispiel 1
Quasi Peak
1-stufen Filter vs. 2-stufen Filter
Phase 1, mit 1-stufen Eingangsfilter
Average
Phase 1, mit 2-stufen Eingangsfilter
80
80
75
75
70
70
65
65
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
EN 55011 Voltage on Mains AV
45
40
35
30
EN 55011 Voltage on Mains AV
50
Level in dBµV
Level in dBµV
50
45
40
35
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
0
150k
EN 55011 Voltage on Mains QP
60
55
5
300 400 500
800 1M
2M
3M
Frequency in Hz
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
0
150k
300 400 500
800 1M
2M
3M
4M 5M 6
8 10M
20M
30M
Frequency in Hz
Für diesen Testfall eignet sich das 1-stufige Filter besser, da grössere Kondensatoren gegen
Erde geschaltet sind. Es 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 Einsatz, wenn
die Ableitströme gegen Erde begrenzt sein müssen. Mit beiden Filtern werden die Grenzwerte
Klasse B nach EN55011 eingehalten.
NP, 15-Jan-13
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Praxisbeispiel 2
> Filter montiert
> Reduzierte Anschlussfläche
NP, 15-Jan-13
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Praxisbeispiel 2
> Filter montiert (auf dem Kopf)
> Mittelgrosse Anschlussfläche zur Erdung
NP, 15-Jan-13
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Praxisbeispiel 2
> Filter montiert (auf der Seite liegend)
> Grosse Kontaktfläche zur Erde
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NP, 15-Jan-13
Ableitstrom (Worstcasefall)
FMAC ECO 16A
C2= 2.2uF
C3= 3.3uF
=> Iableit = 95mA
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FMBC ECO 20A
C3= 1uF
C4= 10nF
=> Iableit = 0,7mA
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Praxisbeispiele
> Zusammenfassung
> Filter immer via Erdleitungskabel 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, 15-Jan-13
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EMV Messservice
•Vorprüfungen für leitungsgebundene
Emmissionen
•Mobiler Service für Messungen vor Ort
•250A LISN von R&S
•Messempfänger R&S
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Ihr Nutzen
> Aktuellste Normeninformationen
> Modernste Messtechnologien
> Neueste Filtertechnologien
…professioneller, umfassender, zuverlässiger…
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