di Patrik Kalbermatten, Responsabile Senior – Promozione Distribuzione, Gestione Prodotti MSABG – Magnetici, Sensori e Attuatori presso KEMET, parte del Gruppo YAGEO
I filtri EMI-RFI sono necessari per attenuare le interferenze elettromagnetiche (o il rumore) di modo comune e differenziale. Pur essendo semplici in linea di principio, essi non sono facili da progettare e spesso richiedono l’aiuto di uno specialista. Inoltre, nelle applicazioni con alimentazione trifase, un filtraggio adeguato può occupare un grande volume. Un filtro trifase integrato può ovviare al problema, sebbene i vincoli di spazio possano ancora spingere i progettisti a scegliere un filtro personalizzato per ottenere le dimensioni, la potenza e la risposta in frequenza di cui hanno bisogno. La combinazione di uno schema trifase integrato con la tecnologia compatta a nano-cristalli nei componenti induttivi offre ulteriori margini di libertà per ottenere una soluzione pronta all’uso.
Fonti di EMI e regolamenti
Un numero sempre più alto di apparecchi elettrici ed elettronici pervade ogni aspetto della nostra vita personale e professionale; per consentire alle persone di lavorare, fornire e fruire di servizi, gestire infrastrutture essenziali, monitorare e prendersi cura dell’ambiente, proteggere la nostra sicurezza e consentire la nostra vita sociale. Con il mondo che diventa sempre più densamente popolato da questi dispositivi e data la natura critica di molte delle loro funzioni, è essenziale garantirne la convivenza. Ciascuno di essi può essere una fonte di interferenze elettromagnetiche che, se non gestite, possono provocare il malfunzionamento di altre apparecchiature nelle vicinanze. Ridurre al minimo le EMI emesse e garantire l’immunità alle EMI esterne sono entrambi aspetti essenziali della progettazione di questi dispositivi ai fini della compatibilità elettromagnetica (EMC).
La normativa ha lo scopo di garantire che tutti i prodotti immessi sul mercato locale siano in grado di coesistere con gli altri. La direttiva EMC dell’Unione Europea (2014/30/UE) fa riferimento alle specifiche e agli standard di test stabiliti da vari organismi tecnici, tra cui la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), il CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) e l’International Standards Organisation (ISO).
Qualsiasi apparecchiatura elettrica può generare interferenze elettromagnetiche di vario tipo. Questo effetto è del tutto indesiderato, come la commutazione con emissioni ad alta frequenza da parte di un convertitore di potenza o l’energia di segnale di un componente prodotta da un accoppiamento di segnale indesiderato, quindi percepita come EMI.
Le interferenze elettromagnetiche possono essere condotte lungo le linee di trasmissione o irradiate attraverso l’aria tra sottosistemi o diversi elementi di un apparecchio. Quando i dispositivi elettronici sono collegati tramite un’alimentazione AC offline, le EMI generate da ciascuna unità possono raggiungere altre apparecchiature alimentate attraverso la linea di alimentazione.
Le emissioni condotte si suddividono in due categorie, in base al percorso attraverso cui si propagano. Il rumore di modo normale (differenziale) si riferisce alle emissioni asincrone che si producono tra l’alimentazione e le linee di segnale. In questo caso, la direzione della corrente emessa è opposta su ciascuna linea. Per contro, il rumore di modo comune si produce tra le linee di alimentazione o di segnale e la terra. In questo caso si hanno le cosiddette emissioni sincrone e la direzione della corrente è la stessa per ogni linea.
Filtri EMI-RFI
I filtri vengono applicati per attenuare queste emissioni indesiderate differenziali e di modo comune. Il rumore di modo normale (differenziale) viene attenuato utilizzando una combinazione di induttori in linea e di condensatori X collegati attraverso le linee elettriche, come mostrato in Figura 1a. La Figura 1b mostra come i condensatori Y posizionati tra le linee elettriche e la terra sono necessari per gestire le emissioni di modo comune.
Figure 1a e 1b. Filtraggio delle EMI di modo normale e di modo comune.
La figura 2 mostra come i due circuiti vengono combinati per creare un filtro EMI-RFI completo. Qualsiasi apparecchio alimentato dalla rete che contiene dispositivi a commutazione come convertitori AC/DC deve includere questo tipo di filtro per soddisfare gli obiettivi minimi di immunità e di suscettibilità alle emissioni, come prescritto dalla Direttiva Europea EMC (2014/30/UE).
Figura 2. Filtro EMI-RFI composto da filtri di modo differenziale e di modo comune.
Nel caso di un elettrodomestico come un frigorifero progettato per funzionare con alimentazione AC monofase, il filtro viene inserito tra la presa di corrente e il carico come mostrato in Figura 3, dato che molti elettrodomestici oggi utilizzano dispositivi a commutazione. Ciò differisce molto dal passato, in cui erano presenti solo un compressore e una sorgente di luce.
Figura 3. Filtro EMI-RFI in un’applicazione monofase.
Sistemi Trifase: sfida tripla
Le apparecchiature industriali ad alta potenza che richiedono più potenza di quella che può fornire un’alimentazione AC monofase, sono generalmente alimentate da un’alimentazione trifase. Gli esempi includono grandi robot industriali, azionamenti a motore e dispositivi medicali di grandi dimensioni come gli scanner MRI. Le apparecchiature trifase richiedono naturalmente tre canali di filtraggio EMI-RFI: uno su ciascuna linea. È comune per i fornitori di filtri fornire come filtro trifase delle unità che integrano tre singoli filtri di linea in un unico alloggiamento, per fornire una soluzione compatta.
Criteri di selezione del filtro
Tuttavia, non è sempre facile ottenere la combinazione desiderata di prestazioni in termini di risposta in frequenza e di potenza in un fattore di forma adatto ai vincoli dimensionali prevalenti, e ciò può spingere il progettista a scegliere un filtro personalizzato. Questa scelta può comportare diversi problemi. I team di prodotto spesso scoprono che il fornitore prescelto non può servirli per tempo. Se il volume di produzione previsto è basso, alcuni fornitori potrebbero non essere disposti a discutere di un progetto di filtro personalizzato.
Supponendo che sia possibile trovare un fornitore disponibile, lo sviluppo del filtro personalizzato aggiunge inevitabilmente tempo e costi al progetto. Gli ingegneri devono prima attendere la produzione dei campioni. Successivamente, se le prove dimostrano che il progetto del filtro deve subire modifiche, ci saranno probabilmente ulteriori ritardi prima di poter fornire gli esemplari di produzione. Inoltre, le applicazioni devono essere conformi a prescrizioni EMC diverse in base al luogo di installazione. Nelle applicazioni puramente industriali sono presenti i requisiti più laschi, tuttavia nelle aree residenziali i requisiti sono più severi. In ambienti medicali come gli ospedali, una corrente verso terra non è consentita o deve essere limitata e i filtri senza condensatori a Y costituiscono l’unica soluzione.
Risparmiare più spazio
I materiali nano-cristallini consentono di avere componenti induttivi, o induttanze notevolmente più piccole nei filtri EMI-RFI di quanto sia possibile con l’utilizzo di nuclei di ferrite convenzionali. Grazie a questi risparmi di spazio, è possibile ottenere un filtro che offre una risposta in frequenza adeguata e soddisfa i vincoli di spazio richiesti. Inoltre, il materiale del nucleo nano-cristallino offre l’attenuazione in un intervallo di frequenze più elevate grazie alle proprietà del materiale e alla necessità di un numero inferiore di avvolgimenti in rame per ottenere la stessa induttanza. Gli avvolgimenti danno origine a una capacità parassita che riduce l’attenuazione alle alte frequenze. In particolare, con la moderna tecnologia a larga banda che opera a velocità di commutazione più elevate, questi intervalli di frequenze superiori richiedono una maggiore attenuazione rispetto al passato.
KEMET ha utilizzato la propria tecnologia nano-cristallina per creare una famiglia di 24 filtri trifase compatti pronti all’uso. Questi filtri possono essere specificati con uno qualsiasi dei sei valori di capacità Y, da 0pF a 470.000pF, che forniscono una scelta di caratteristiche di attenuazione di modo comune adatte a varie topologie di apparecchiature. La Figura 4 mostra l’effetto sull’attenuazione di modo comune per ciascuno dei sei diversi valori di capacità.
Figura 4. Risposta in frequenza dei filtri trifase con diversi valori della capacità Y.
Inoltre, ogni configurazione è disponibile con uno fra quattro valori di corrente nominale compreso fra 30A e 60A. La varietà di correnti nominali e di caratteristiche di attenuazione aiuta a garantire agli ingegneri la possibilità di trovare un modello pronto all’uso per soddisfare i requisiti del proprio progetto, evitando i costi fissi associati a un progetto personalizzato. Oltre a beneficiare di un accesso più rapido ai campioni e di una maggiore semplicità di ordinazione delle quantità di produzione, gli ingegneri possono valutare rapidamente e facilmente uno o più dispositivi alternativi della famiglia, a fronte solo di un minimo intervento tecnico con il fornitore.
Rispetto a un filtro EMI-RFI trifase convenzionale con caratteristiche analoghe, un dispositivo della serie GTX occupa meno del 30% del volume e offre una riduzione simile della massa complessiva del filtro (Figura 5).
Figura 5. La tecnologia con nucleo nano-cristallino riduce le dimensioni e il peso del filtro trifase a meno del 30%.
Conclusione
Gli apparecchi elettrici alimentati dalla linea AC devono disporre di un filtro di linea per ogni fase di alimentazione per soddisfare le prescrizioni EMC. Se i vincoli di spazio sono stringenti, gli ingegneri possono essere costretti a trovare uno specialista per progettare un filtro personalizzato per fornire l’attenuazione desiderata con un filtro di dimensioni adeguate. Gli induttori con nucleo nanocristallino consentono di ottenere un’elevata attenuazione di modo comune in un ampio intervallo di frequenze in un’unità piccola e leggera, che consente ai filtri standard di soddisfare i requisiti delle applicazioni nel campo dell’automazione industriale, dell’energia rinnovabile e degli scanner medicali che richiedono un’attenuazione profonda con capacità di corrente elevata.
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