FILTRE ELECTRICE - Filtre electrice pasive pentru semnalul util, Filtre de retea, Filtre pentru retele trifazate, Filtre pentru hiperfrecvente

FILTRE ELECTRICE

Filtrele electrice au rolul de a atenua interferentele de conductie, care altfel ar fi introduse in echipamentul electric sau electronic prin conductoarele de legatura intre sursa si echipament, sau prin linia electrica de alimentare a echipamentului.

Din punct de vedere al rolului functional, in tehnica COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA filtrele se clasifica in:

- filtre pentru semnalul util;

- filtre de retea.

Din punct de vedere al caracteristicii de frecventa, filtrele se clasifica in:

- filtre trece-jos;

- filtre trece-sus

- filtre trece-banda

- filtre cu banda de rejectie.

Fig. 1 Pozitia filtrului de semnal util si a celui de retea.

Criteriul de baza in clasificarea filtrelor dupa caracteristica de frecventa il constituie atenuarea de -3 dB.

Obs: Parametrii specifici filtrelor electrice sunt atenuarea si defazajul.

Atenuarea este raportul intre marimea de intrare si marimea de iesire (puteri, tensiuni sau curenti).

Defazajul este unghiul dintre marimea de intrare si cea de iesire (tensiuni sau curenti sinusoidali).

Atenuarea se poate exprima astfel:

Filtrele atenueaza transmiterea perturbatiilor prin conductie. Utilizarea lor fara probleme presupune ca, pe cat posibil, componentele spectrale ale semnalului util sunt separate de componentele spectrale ale perturbatiilor.

Printr-o alegere corespunzatoare a frecventelor de taiere si a pantei flancurilor functiilor de transfer ale filtrelor se obtine o atenuare selectiva a perturbatiilor, fara o infuenta importanta asupra semnalului util.

Componentele pasive ale filtrelor formeaza, impreuna cu impedantele surselor si ale receptoarelor, divizoare de tensiune al caror raport de divizare, dependent de frecventa, reprezinta “atenuarea reala a filtrului”.

Deoarece o impedanta interna redusa a sursei de pertubatii de inalta frecventa nu permite o divizare importanta a tensiunii, prin conectarea in serie a unor bobine acest raport de divizare se poate mari.

Componentele de baza ale filtrelor elementare sunt:

- impedante longitudinale (bobine);

- impedante transversale (condensatoare).

Fig. 2

Fig. 3

Se considera ca atenuarea filtrului este neglijabila in domeniul de frecventa al semnalului util.

In tehnica COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA un loc important il ocupa filtrele trece-jos, deoarece in general semnalul de interferenta are o frecventa mult mai mare decat semnalul util sau decat frecventa retelei.

1 Filtre electrice pasive pentru semnalul util

Din punct de vedere al COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA introducerea unui filtru intre sursa si receptor conduce la formarea unui divizor de tensiune, pe baza caruia se poate aprecia eficienta filtrului.

Calculul atenuarii unui filtru trece-jos (pasiv)

(a) (b) (c)

Fig. 4 Filtre electrice pasive pentru semnalul util

Filtru cu impedanta longitudinala (Fig. 4 a)

a=20log, dB

Filtru cu impedanta transversala (Fig. 4 b)

Filtru cu impedanta longitudinala si impedanta transversala (Fig. 4 c)

Zs si Zl sunt conectate in serie; Zq si Zr sunt conectate in paralel.

Concluzie: atenuarea depinde de frecventa semnalului perturbator dar si de impedanta sursei si a receptorului.

Fig. 5 Conexiunea standard pentru determinarea practica a atenuarii unui filtru electric

Determinarea practica a eficientei unui filtru se face astfel:

• se standardizeaza impedantele sursei si receptorului; Z_s=Z_r=50Ω
• se masoara tensiunea de interferenta Udr in absenta filtrului si in prezenta filtrului. Atenuarea va fi:

2 Filtre de retea

Filtrul de retea se plaseaza intre reteaua electrica si aparatul electric sau electronic.

Fig. 6 Pozitia filtrului de retea.

Din punct de vedere functional, filtrul de retea este un filtru “trece-jos”. Atenuarea produsa la trecerea curentului de 50Hz prin filtru este nesemnificativa, in timp ce la frecvente superioare atenuarea este foarte mare.

Rolul functional al filtrului de retea este atat de a opri ca semnalele de interferenta sa patrunda din reteaua electrica de alimentare in aparatul electric sau electronic, cat si de a opri ca semnalele de interferenta produse de functionarea unui receptor sa fie transmise in retea.

Filtrul trebuie sa fie eficient atat pentru semnalele de interferenta de mod diferential, cat si pentru semnalele de interferenta in acelasi tact.

Fig. 7 Schema electrica a unui filtru de retea.

Functionarea filtrului la interferente contratact.

Fig. 8 Functionarea filtrului la interferente contratact

Pentru frecventa de exploatare (50 Hz) fluxurile magnetice  produse de cele 2 bobine se anuleaza, cu exceptia unui mic flux de dispersie (Fig. 9). In acest caz efectul de filtrare este produs numai de condesatoarele C₁ si C₂, de capacitate mare.

Cand filtrul nu este in serviciu, descarcarea condensatoarelor C₁ si C₂ este asigurata de rezistenta R. In acest mod de functionare, condensatoarele C₃ si C₄ nu joaca un rol esential.

Fig. 9

Functionarea filtrului la interferente in acelasi tact

Fig. 10 Functionarea filtrului la interferente in acelasi tact.

Interferenta in acelasi tact se datoreaza cuplajului prin radiatie electromagnetica al liniei L si a conductorului neutru N. In acest caz atat conductorul L cat si conductorul neutru N primesc practic acelasi potential fata de pamant.

Acest tip de interferenta este de inalta frecventa (100 kHz…1GHz).

La functionarea in acelasi tact, fluxurile magnetice generate de catre cele 2 bobine in miezul de ferita sunt in acelasi sens (Fig. 11). Deci, bobinele functioneaza ca si reactante sumatoare (valoarea reactantei fiind proportionala cu frecventa curentului). In consecinta, semnalul de interferenta ajunge mult atenuat la receptor.

La frecvente mai ridicate (peste 10 MHz) permeabilitatea miezului de ferita dispare, iar functia de filtraj este preluata de condensatoarele C₃ si C_4.

Fig. 11

3 Filtre pentru retele trifazate

Invertorul static constituie una dintre cele mai suparatoare surse de perturbatii care se propaga pe linia de alimentare cu energie electrica si, ca urmare, poate produce efect de interferenta asupra altor receptoare conectate la linie.

Efectul perturbator se datoreaza armonicilor de inalta frecventa care apar in procesul de choppare cu front drept. Aceste armonici excita reteaua de inductivitati si capacitati parazite si provoaca astfel oscilatii pe frecvente proprii.

Fara nici o protectie impotriva acestor oscilatii de inalta frecventa are loc atat o propagare galvanica pe conductoarele retelei, cat si o radiatie electromagnetica directa in mediul ambiant.

Masuri pentru eliminarea acestor interferente:

se introduce convertorul static intr-o cutie metalica conectata la pamant;

linia de alimentare dintre convertor si consumator se ecraneaza prin introducerea conductoarelor intr-o teava metalica sau prin folosirea unui cablu ecranat cu manta din lita metalica;

convertorul static se alimenteaza prin intermediul unui filtru trifazat trece-jos, filtru a carui carcasa metalica este in contact direct cu cutia metalica a convertorului.

Fig. 12 Masuri pentru eliminarea interferentelor cauzate de functionarea convertorului static.

Fig. 13  Filtru trifazat de retea (trece-jos)

Bobinele din structura filtrului trifazat de retea (3x5mH) sunt practicate pe acelasi miez de ferita. Bobinele sunt compensate, in sensul ca la functionarea normala fluxul magnetic produs de curentii de exploatare este nul in miezul de ferita.

Se urmareste suntarea semnalelor de inalta frecventa atat intre faze, cat si intre faze si pamant.

4 Conexiuni de incercare

Performantele filtrelor de retea se apreciaza pe baza unor conexiuni standardizate, in care impedanta de intrare in filtru si impedanta de iesire a filtrului sunt normalizate.

Conexiunea simetrica – cu aceasta conexiune se simuleaza producerea semnalelor la interferenta contratact.

Fig. 14

In Fig. 14 un generator de semnal cu banda larga, cu tensiunea U₀ si impendanta interna de natura rezistiva excita filtrul prin intermediul unui transformator de izolare de raport 1:1. Sarcina filtrului se alimenteaza tot prin intermediul unui transformator de izolare cu raportul 1:1. Bornele filtrului sunt izolate fata de masa, iar carcasa metalica a filtrului este legata la pamant.

In absenta filtrului, u_z=Uo/2 (deoarece impedanta interna a sursei si cea a receptorului sunt egale).

Atenuarea filtrului se determinba cu relatia:

Dezavantajul acestei conexiuni este legat de necesitatea utilizarii unor tranformatoare cu raportul 1:1 pana la frecvente foarte inalte.

Conexiunea nesimetrica

In aceasta conexiune se simuleaza tot interferente contratact; bornele filtrului nu mai sunt izolate fata de masa.

Uo

Fig. 15

Conexiunea asimetrica

Aceasta conexiune simuleaza generarea semnalelor de interferenta in acelasi tact, bornele de intrare ale filtrului sunt legate impreuna, la fel si bornele de iesire sunt legate impreuna.

Fig. 16

5 Filtre pentru hiperfrecvente

In domeniul producerii microundelor (cu magnetroane, klystroane, f=2450 MHz, 5800 MHz, 22125 MHz in Europa), pentru utilizari in tehnica radar si in transmitatoarele de microunde, filtrarea instalatiilor de frecventa joasa se realizeaza cu ajutorul filtrelor de absorbtie, in domeniul de frecventa 100 MHz … 100 GHz.

In domeniul microundelor, filtrele de absorbtie sunt mai avantajoase decat filtrele cu bobine pe miez de ferita (de ex: se elimina reflexiile, formarea de unde stationare, discontinuitatea de impendanta, conectarea la pamant).

Filtrele de absorbtie se construiesc in 2 variante:

(1). Varianta solenoidala

Componenta esentiala a filtrului este masa absorbanta pe baza de rasina epoxidica (rezistenta la temperature 175^o C), optimizata d.p.d.v. magnetic, in care este inglobat solenoidul, parcurs de curentul intens (≤ 60 A), de frecventa joasa.

Fig. 17 Filtru de absorbtie, varianta solenoidala

Structura activa a filtrului (Fig. 17), protejata de invelisul izolant este inchisa cu capacele izolante, astfel incat spre exterior, conductorul se conecteaza prin lipitura sau insurubare la circuitul principal .

(2). Varianta flexibila                           

In fig. 18 este prezentata varianta flexibila a unui filtru pentru hiperfrecvente, care se compune din:

1- conductorul central parcurs de curent de lucru intens (1…100 A) la tensiune relativ mare (500 V 15 kV); 2 - invelisul absorbant; 3 - izolatie; 4 – ecran din tresa metalica; 5 - invelisul izolant de protectie.

Atenuarea oferita de un astfel de filtru flexibil depinde de lungimea sa, care poate varia intre aproximativ 75 mm si 600 mm.

Cu cat lungimea este mai mare, cu atat atenuarea este mai mare. Spre exemplu la 1GHz, atenuarea 100dB se obtine pentru lungimea de 75mm. Aceeasi atenuare se regaseste la 200MHz la o lungime a filtrului de 600mm.