46 ELEKTRO 10/2013 Ztráty sinusových filtrů pro měniče se spínacími tranzistory 1. Úvod S rozvojem techniky výkonových polo-vodičových měničů se v elektrotechnických systémech uplatňuje stále větší množství za-řízení, která pracují se spínacími tranzistory a se šířkově pulzní modulací (PWM). Přes-tože šířkově pulzní modulace na základě své-ho principu ohraničuje harmonické spektrum proudů a napětí, je stále platná skutečnost, že jsou při ní průběhy napětí tvořeny sledem ob-délníkových pulzů s velmi strmými hranami – až 5 000 V/μs.Negativní vlivy měničů s výkonovými spí-nacími tranzistory se projevují na vstupní i výstupní straně zařízení. Jde o mnoho vlivů, mezi nejvýznamnějšími lze jmenovat možné galvanické, indukční, kapacitní a rádiové ru-šení okolních elektronických zařízení, akus-tické vlivy, přídavné ztráty, v případě delšího vedení (přibližně nad 10 m) možnost vzniku vlnových jevů na vedení spojených se vzni-kem nebezpečných přepětí, deformace prů-běhů napětí sítě, zhoršení účiníku a činitele výkonu (opravdového účiníku) a další vlivy, často související s aktuálně používaným za-řízením.Vzhledem k rostoucímu množství a vý-konům využívaných zařízení se spínacími tranzistory narůstá potřeba co nejdokonalej-šího odstranění rušivých vlivů těchto zaříze-ní. Nejjednodušší a přitom účinné je odrušení pomocí pasivních prvků. V této kategorii jsou k dispozici tři skupiny odrušovacích prostřed-ků: tlumivky, filtry du/dt a sinusové filtry.Osvědčenými pasivními prvky pro odstí-nění vlivu zařízení pracujících se spínacími tranzistory jsou sinusové filtry. Požadavky na slučitelnost velkého počtu zařízení se spínací-mi tranzistory si vynucují použití sinusových filtrů ve stále větším počtu případů. Při odru-šování síťové strany zařízení se sinusové fil-try používají např. ve spojení s elektrickými rekuperačními pohony, které jsou vybaveny vstupním pulzním usměrňovačem, nebo ve spojení se síťovými střídači fotovoltaických zdrojů. V souvislosti s rozvojem elektromo-bility nabývá na významu použití sinusových filtrů na síťové straně nabíječek pro elektro-mobily. Příkladem použití sinusových filtrů na výstupní straně měniče jsou elektrické frekvenčně řízené pohony, kde se filtr připo-juje na výstup měniče frekvence v případě použití dlouhého přívodního kabelu k motoru.Sinusové filtry jsou nejčastěji zapojeny jako LC L-články, v třífázovém provedení se zapojením kondenzátorů do hvězdy nebo do trojúhelníku. Příklad zapojení třífázového sinusového filtru je na obr. 1.Sinusové filtry se vždy připojují k zaříze-ní se spínacími tranzistory stranou tlumivek. Zatímco pro základní harmonickou složku kondenzátory představují značnou impedanci, pro vyšší harmonické složky s řádově vyšší frekvencí představují v podstatě zkrat. Vzhle-dem k nutnosti dostatečného zvýšení impe-dance pro vyšší harmonické složky proudu jsou u sinusových filtrů použity tlumivky na železném jádru.Odrušovací účinky sinusových filtrů jsou velmi významné, z napětí formovaného šíř-kově pulzní modulací vytvoří v podstatě čis-tě sinusový průběh. Sinusové filtry jsou do-dávány pro široký rozsah proudů, přibližně od 1 A do jednotek kiloampérů. Při použití sinusových filtrů je však nutné uvážit i tyto negativní skutečnosti:– nezanedbatelné rozměry,– nezanedbatelná hmotnost,– úbytek napětí na filtru až 10 %,– cena,– vznik ztrátového výkonu.Ztrátový výkon sinusového filtru je dán především ztrátami v železném magnetickém obvodu tlumivek. Na těchto ztrátách se nej-výrazněji podílejí složky frekvencí odvozené od frekvence šířkově pulzní modulace. U fil-trů pro proudy řádově stovek ampérů nabývají tyto ztráty velikosti až stovek wattů. Takovýto ztrátový výkon ovlivňuje celkovou účinnost zařízení, ale zejména je s ním nutné počítat v celkové tepelné bilanci zařízení. To kom-plikuje odvod ztrátového tepla.2. Ztráty ve feromagnetiku Při studiu otázky ztrát ve feromagnetic-kém jádru sinusových filtrů, které jsou způso-beny vyššími harmonickými složkami prou-du, se vychází ze standardních postupů [1]. Ztráty ve feromagnetickém materiálu se dělí na ztráty hysterezní a ztráty vířivými proudy.Hysterezní ztráty jsou dány výkonem, kte-rý je nutné dodat do obvodu pro překonání magnetické paměti feromagnetického mate-riálu při průchodu střídavého magnetického toku. Velikost hysterezních ztrát je spojena s průběhem statické hysterezní smyčky jako závislosti magnetické indukce B na intenzitě magnetického pole H (obr. 2).Při magnetování materiálu od nulové hodnoty magnetické indukce B z bodu A na obr. 2 do maximální hodnoty magnetické prof. Ing. Jaroslav Novák, CSc., doc. Ing. Jan Chyský, CSc., ČVUT v Praze, Fakulta strojní,Ing. Petr Kořínek, Skybergtech, s. r. o.Předkládaný článek je zaměřen na problematiku určení především vysokofrekvenčních ztrát v magnetickém obvodu tlumivek sinusových filtrů, které se používají k odrušení polovo-dičových měničů pracujících se šířkově pulzní modulací. Sinusové filtry jsou koncipovány jako LC L-články. V článku je rozebrána problematika předmětných ztrát a jsou uvedeny některé výpočetní a experimentální metody k určení velikosti těchto ztrát.Obr. 1 Zapojení třífázového sinusového filtru Obr. 2 Hysterezní smyčka feromagnetického materiálu B D Br A 0 H