CN205864242U - 三相四线emc滤波器及共模‑差模、差模‑共模电感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三相四线EMC滤波器，包括三相四线共模‑差模电感器(TFCDC)和三相四线差模‑共模电感器(TFDCC)。所述电感器包括圆环形或UI形θ型磁心与绕在磁心上的三个相线绕组和一个中线绕组(TFCDC和TFDCC中线绕组的极性相反)；所述圆环形θ型磁心是由在内圆开了两个槽的圆形磁环和插在槽中的磁桥组成；所述UI形θ型磁心是由开有两个槽的U形磁心、I形磁心及插在槽中的磁桥组成。上述三相四线EMC滤波器滤的插入损耗高、滤波性能好，而且体积小、重量轻、损耗低。

Description

三相四线EMC滤波器及共模-差模、差模-共模电感器

技术领域

本实用新型涉及电磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)领域，尤其涉及三相四线交流大功率电源变换器中的三相四线EMC滤波器、及三相四线共模-差模电感器、差模-共模电感器。

背景技术

现今，在网络通讯、自动控制、电力驱动、交通运输、太阳能和风力发电等广泛领域中所使用的各种电子设备和装置中的大功率电源变换器(开关电源、不间断电源、变频电源等)，都必需在其三相四线交流电源的输入端(或输出端)装置EMC滤波器，以抑制传导电磁干扰，使其本身产生的电磁干扰不至于对电网造成污染，亦使来自电网的电磁干扰不至于影响其正常的工作。

EMC滤波器的设计，必须将在一定的频带范围内传导电磁干扰的电平抑制在各类相应的EMC标准所规定的限定值以下，才能使产品通过EMC认证。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种三相四线EMC滤波器，以改善现今EMC滤波器的性能，并减少其体积、重量、成本和损耗。

为了实现上述目的，本实用新型一实施方式提供一种如图1所示的三相四线EMC滤波器，滤波网络中包括三相四线共模-差模电感器(Three-phase Four-line Common modewith Differential mode Choke，TFCDC)和三相四线差模-共模电感器(Three-phaseFour-line Differential mode with Common mode Choke，TFDCC)；如图2A、2B和图3A、3B所示，所述TFCDC和TFDCC均包括圆环形或UI形θ型磁心与绕在磁心上的三个相线绕组和一个中线绕组；所述TFCDC和TFDCC四个绕组的圈数相同，中线绕组的极性相反；所述圆环形θ型磁心是由在内圆开了两个槽的圆形磁环和插在槽中的磁桥组成；所述UI形θ型磁心是由开有两个槽的U形磁心、I形磁心及插在槽中的磁桥组成。

优选地，所述磁桥位于三个相线绕组和中线绕组之间。

优选地,所述圆环形或UI形θ型磁心的材质是相对磁导率μ_i＝5000-10000的锰锌铁氧体。

优选地,所述圆环形θ型磁心的表面喷涂有环氧树脂绝缘层。

本实用新型实施例的有益效果：

釆用了本实用新型提供的θ型磁心TFCDC和TFDCC作为滤波电感器的三相四线EMC滤波器，因一只TFCDC(或TFDCC)不仅集三相和中线电感器为一体，而且相当于现有滤波器中分立的共模电感L_CM和差模电感L_DM两只电感器，故带来了如下的有益效果：

1.减少了EMC滤波器的体积、重量、和线路板的面积；

2.节省了原材料，降低了成本；

3.减少了电感器的损耗，提高了滤波器的效率；

4.增强了EMC滤波器的性能，能有效地抑制共模和差模传导电磁干扰，即减少了电网传导电磁干扰对电源变換器工作的影响，又减少了电源变換器产生的电磁干扰对电网的汚染。

为了进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅为提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式中釆用TFCDC和TFDCC组成的两级三相四线EMC滤波器的电路图。

图2A为本实用新型一实施方式中圆环形θ型磁心TFCDC的结构示意图。

图2B为本实用新型另一实施方式中圆环形θ型磁心TFDCC的结构示意图。

图3A为本实用新型一实施方式中UI形θ型磁心TFCDC的结构示意图。

图3B为本实用新型另一实施方式中UI形θ型磁心TFDCC的结构示意图。

图4A为本实用新型一实施方式中圆环形θ型磁心TFCDC在共模干扰电流作用下的工作原理示意图。

图4B为本实用新型一实施方式中圆环形θ型磁心TFCDC在差模干扰电流作用下的工作原理示意图。

图5A为本实用新型另一实施方式中圆环形θ型磁心TFDCC在差模干扰电流作用下的工作原理示意图。

图5B为本实用新型另一实施方式中圆环形θ型磁心TFDCC在共模干扰电流作用下的工作原理示意图。

图6A为本实用新型一实施方式中圆环形磁心TFCC的结构示意图。

图6B为本实用新型另一实施方式中圆环形磁心TFDC的结构示意图。

图7A为本实用新型一实施方式中UI形磁心TFCC的结构示意图。

图7B为本实用新型另一实施方式中UI形磁心TFDC的结构示意图。

图8为本实用新型一实施方式中釆用一只TFCDC组成的单级三相四线EMC滤波器的电路图。

图9为本实用新型一实施方式中釆用两只TFCDC组成的两级三相四线EMC滤波器的电路图。

图10A、图10B为本实用新型一实施方式采用的θ型磁心开槽磁环的外形尺寸图。

图11A、图11B为本实用新型一实施方式所采用的θ型磁心磁桥的外形尺寸图。

图12A、图12B为本实用新型一实施方式TFCDC成品的外形尺寸图。

图13A、图13B为本实用新型另一实施方式TFDCC成品的外形尺寸图。

图14A、图14B为本实用新型一实施方式三相四线EMC滤波器模块的外形尺寸图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，以下结合本实用新型的优选实施例及其附图进行详细描述。

图1为本实用新型实施例所提供的一种三相四线EMC滤波器的电路图。与普通三相四线EMC滤波器一样，有跨接在相线与中线间的差模滤波电容器CX(及与其并联的放电电阻R)，和跨接在相线、中线与地线间的共模滤波电容器CY；而与普通三相四线EMC滤波器不同的是，滤波网络中釆用的电感元件为采用θ型磁心所绕制的TFCDC和TFDCC。

所述θ型磁心是一种新型的复合磁心，因形似希腊字母θ而得名。图2A与图2B为圆形磁环201和插在磁环槽中的磁桥202所组成的圆环形θ型磁心；而图3A和图3B为UI形磁心301和插在U形磁心槽中的磁桥302所组成的UI形θ型磁心。θ型磁心的材质为μ_i＝5000-10000的锰锌铁氧体。圆环形θ型磁心的表面喷涂环氧树脂绝缘层，三个相线绕组和中线绕组都绕在有绝缘层的磁心上。UI形θ型磁心的表面无绝缘层，三个相线绕组都绕在塑胶骨架上，中线绕组则穿绕在包有绝缘胶带的磁轭上。

TFCDC的三个相线绕组A-A＇、B-B＇、C-C＇和中线绕组N-N＇的圏数相同，绕组的绕向如图2A和图3A所示；TFDCC的三个相线绕组A＇-A＂、B＇-B＂、C＇-C＂和中线绕组N＂-N＇的圏数相同，绕组的绕向如图2B和图3B所示。TFCDC四个绕组的同名端为A、B、C和N，而TFDCC四个绕组的同名端为A＇、B＇、C＇和N＂，TFCDC和TFDCC中线绕组的极性相反。

下面以圆环形θ型磁心TFCDC和TFDCC为例，来说明它们的工作原理和特性。

图4A为圆环形θ型磁心TFCDC在共模干扰电流作用下的原理图。共模干扰电流流经三个相线绕组A-A＇、B-B＇、C-C＇和中线绕组N-N＇所产生的磁通(图中带箭头的虚线所示)，在磁环内的方向一致，磁通与四个绕组相交链，绕组因磁路的电感系数AL值高，而具有很大的共模电感值L_CM(绕组的电感值与AL值成正比)。

图4B为圆环形θ型磁心TFCDC在差模干扰电流作用下的原理图。差模干扰电流流经三个相线绕组A-A＇、B-B＇、C-C＇和中线绕组N＇-N所产生的两路磁通(图中带箭头的虚线所示)，在磁环内的方向相反，它们分别与三个相线绕组和中线绕组相交链，两路漏磁通的路径为各自经过磁桥和其两侧的磁环而闭合。没有磁桥时，两路漏磁通的路径将经过部分磁环和很长的空气隙而闭合。显然，在有磁桥的θ型磁心上，绕组因有磁桥的漏磁磁路的电感系数AL值较高，而具有较大的寄生差模电感值(Parasitic Differential modeInductance)L_PDM。TFCDC寄生的差模电感值可达其共模电感值的5％以上，即L_PDM≥0.05L_CM。

图5A为圆环形θ型磁心TFDCC在差模干扰电流作用下的原理图。差模干扰电流流经三个相线绕组A＇-A＂、B＇-B＂、C＇-C＂和中线绕组N＂-N＇所产生的磁通(图中带箭头的虚线所示)，在磁环内的方向一致，磁通与四个绕组相交链，绕组因磁路的电感系数AL值高，而具有很大的差模电感值L_DM。

图5B为圆环形θ型磁心TFDCC在共模干扰电流作用下的原理图。共模干扰电流流经三个相线绕组A＇-A＂、B＇-B＂、C＇-C＂和流经中线绕组N＇-N＂所产生的两路磁通(图中带箭头的虚线所示)，在磁环内的方向相反，它们分别与三个相线绕组和中线绕组相交链，两路漏磁通的路径为各自经过磁桥和其两侧的磁环而闭合。没有磁桥时，两路漏磁通的路径将经过部分磁环和很长的空气隙而闭合。显然，在有磁桥的θ型磁心上，绕组因有磁桥的漏磁磁路的AL值较高，而具有较大的寄生共模电感L_PCM，TFDCC寄生的共模电感值为其差模电感值的1％左右，即L_PCM≈0.01L_DM。

在本实用新型一实施方式中，在传导电磁干扰电平较低的情况下，若无需籍寄生的差模和共模电感来进一步改善滤波效果，为降低滤波电感器和三相四线EMC滤波器的成本，可釆用没有磁桥的圆环形或UI形磁心来制造如图6A、图7A所示的三相四线共模电感器和如图6B、7B所示的三相四线差模电感器。

在本实用新型一实施方式中，在传导电磁干扰中的差模干扰电平较低的情况下，为降低三相四线EMC滤波器的成本，还可釆用如图8所示的由一只TFCDC组成的单级三相四线EMC滤波器。

在本实用新型一实施方式中，在传导电磁干扰中的共模干扰电平较髙的情况下，还可釆用如图9所示两级的电慼器都为TFCDC的三相四线EMC滤波器，以増強滤波效果。

本实用新型实施例的有益效果：

釆用了本实用新型提供的θ型磁心TFCDC和TFDCC作为滤波电感器的三相四线EMC滤波器，因一只TFCDC(或TFDCC)不仅集三相和中线电感器为一体，而且相当于现有滤波器中分立的共模电感L_CM和差模电感L_DM两只电感器，故带来了如下的有益效果：

4.减少了EMC滤波器的体积、重量、和线路板的面积；

5.节省了原材料，降低了成本；

6.减少了电感器的损耗，提高了滤波器的效率；

4.增强了EMC滤波器的性能，能有效地抑制共模和差模传导电磁干扰，即减少了电网传导电磁干扰对电源变換器工作的影响，又减少了电源变換器产生的电磁干扰对电网的汚染。

现以釆用圆环形θ型磁心TFCDC和TFDCC作为滤波电感器的三相四线EMC滤波器为例，对本实用新型一实施方式三相四线EMC滤波器的设计方法作详细的说明。

一、根据三相四线EMC滤波器的技术要求，选择元件电阻R、电容C_X和C_Y的参数。

二、TFCDC的设计方法：

1、根据三相四线EMC滤波器工作电流I(A)和所需共模电感值L_CM(H)的大小，选择θ型磁心的尺寸。

2、计算TFCDC三个相线绕组的圈数N：

设所选定的θ型磁心的电感系数为AL(nH/N²)，则：

L_CM＝AL×10^-9×N²

3、选取三个相线绕组圆铜线的直径d_cu：

设圆铜线的并绕根数为n，当选取电流密度为j_cu(A/mm²)时：

$d_{cu}=1.13\sqrt{\frac{I}{{\mathrm{nj}}_{cu}}}mm$

其中，j_cu的选取必须保证TFCDC的温升不超过国际标准IEC 1046的规定。

4、选取中线绕组的圈数和线径：

与三个相线绕组的圈数相同，中线绕组的圈数为N。考虑到便于绕组的绕制与固定，选取中线绕组圆铜线的直径d_cuN＝1.0mm。

三、TFDCC的设计方法：

在同一滤波器中，当TFDCC与TFCDC采用相同的θ型磁心和相同的绕组圈数N时，因他们中线绕组的极性(绕向)相反(参看图2A和图2B)，将TFDCC中相线绕组的末端与中线绕组的首端相串联(如A＇-A＂-N＂-N＇)时，差模电感值L_DM约为TFCDC中相线绕组与中线绕组同极性相并联(如A、N-A＇、N＇)时的共模电感值L_CM的四倍。

L_DM＝AL×10^-9×(2N)²

＝4AL×10^-9×N²

相同材质和外形尺寸的θ型磁心，其AL值仍稍有差异，故L_DM≈4L_CM。

本实用新型一实施方式的设计计算举例：

一三相四线EMC滤波器的主要电气参数如下：

额定线电压V＝440V，额定线电流I＝25A，TFCDC的共模电感值L_CM＝2.5×10^-3H±30％，TFDCC的差模电感值L_DM＝10×10^-3H±30％。

一、选择元件R、C_X、C_Y的参数：

电阻R＝0.33MΩ，电容C_X＝1.5μF，电容C_Y＝33nF。

二、TFCDC的设计计算：

1、选择θ型磁心的材质和尺寸：

磁环和磁桥的材质均采用的μ_i＝10000±30％的高磁导率锰锌铁氧体；开槽磁环的外形和尺寸如图10A、10B所示：外径为80mm，内径为40mm，厚度为30mm，槽宽为4mm，两槽底部间距为40mm；磁桥的外形和尺寸如图11A、11B所示：长为39.8mm，宽为30mm，厚为3.8mm；将磁桥插入磁环槽中，并在其表面喷涂环氧树脂绝缘层，组成复合的θ型磁心，其电感系数AL＝36000nH/N²±30％。

2、计算TFCDC三个相线绕组的圈数N：

3、选取三个相线绕组圆铜线的直径d_cu：

釆用两根圆铜线並绕n＝2，选取电流密度j_cu＝7.0A/mm²，则：

$\begin{array}{c}{d}_{cu}=1.13\sqrt{\frac{I}{{\mathrm{nj}}_{cu}}}\\ =1.13\sqrt{\frac{25}{2\×7}}\\ \≈1.5mm\end{array}$

4、选取中线绕组的圈数和线径：

中线绕组的圈数N＝8圈，中线绕组圆铜线的直径d_cuN＝1.0mm。

三、TFDCC的设计计算：

1、θ型磁心的材质和尺寸：

因L_DM＝4L_CM，故TFDCC采用与TFCDC相同的θ型磁心,材质采用μ_i＝10000±30％的高磁导率锰锌铁氧体；开槽磁环和磁桥的尺寸见图10A、10B和图11A、11B，圆环形θ型磁心的电感系数AL＝36000nH/N²±30％。

2、TFDCC三个相线绕组的圈数N：

TFDCC三个相线绕组的圈数与TFCDC的相同。

3、TFDCC三个相线绕组圆铜线的直径d_cu：

TFDCC三个相线绕组与TFCDC的相同，釆用两根圆铜线並绕n＝2，选取电流密度j_cu＝7.0A/mm²时，圆铜线的直径d_cu＝1.5mm。

4、TFDCC中线绕组的圈数和线径：

TFDCC中线绕组的圈数和线径均与TFCDC的相同，但极性(绕向)相反。中线绕组的圈数N＝8圈，中线绕组圆铜线的直径d_cuN＝1.0mm。

在三相四线EMC滤波器能使电源变换器达到EMC认证要求的前提下，而对TFDCC的差模电感值L_DM要求较小(例如L_DM＜L_CM)时，则可选用较小尺寸的θ型磁心另行设计，以降低TFDCC和EMC滤波器的成本。

本实用新型一实施方式中的三相四线EMC滤波器的生产流程如下：

一、备齐组装三相四线EMC滤波器所需的电阻、电容元件。

二、TFCDC和TFDCC的生产流程：

除了中线绕组的绕向相反外，TFCDC和TFDCC的生产流程是相同的。

1、在圆环形θ型磁心磁桥下侧的大窗口，用n根直径为d_cu的漆包铜线，绕制三个分佈均匀、圏数为N、绕向一致的相线绕组，如图2A和图2B所示。三个相线绕组间的绝缘距离不小於5mm。

2、在圆环形θ型磁心磁桥上侧的小窗口，用一根d_cuN＝1mm的漆包铜线，绕制圈数为N、绕向如图2A(TFCDC)和图2B(TFDCC)所示的中线绕组。

3、将各绕组的引线穿过底板上的定位圆孔，并用环氧树脂将带绕组的圆环形θ型磁心固定在底板上，组装成滤波电感器件TFCDC和TFDCC。TFCDC成品的外形尺寸图如图12A和图12B所示，TFDCC成品的外形尺寸图如图13A和图13B所示。

4、对TFCDC和TFDCC做外观检查及电气参数的测量。

三、将TFCDC、TFDCC、电阻和电容等元件，按图1所示的电路图，可在各种大功率电源变换器(开关电源、不间断电源、变频电源等)主机线路板的三相四线交流电源输入端(或输出端)，组装成三相四线EMC滤波器。

四、将TFCDC、TFDCC、电阻和电容等元件，按图1所示的电路图在线路板上组装，组件放入金属外壳，其输入、输出端的引线与装于外壳上的端子排、螺栓端子或铜排端子连接后，经环氧树脂罐封，制成三相四线EMC滤波器模块。图14A和图14B为本实用新型实施例三相四线EMC滤波器模块的外形尺寸图。

综上所述，本实用新型提供的三相四线EMC滤波器减少了EMC滤波器的体积、重量、和线路板的面积，节省了原材料，降低了成本，减少了电感器的损耗，提高了滤波器的效率，增强了EMC滤波器的性能，能有效地抑制共模和差模传导电磁干扰，即减少电网传导电磁干扰对电源变換器工作的影响，又减少了电源变換器产生的电磁干扰对电网的汚染。

以上所述为本实用新型的一种具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种三相四线EMC滤波器，其特征在于，包括三相四线共模-差模电感器或三相四线共模-差模电感器和三相四线差模-共模电感器；

所述三相四线共模-差模电感器和所述三相四线差模-共模电感器均包括圆环形或UI形θ型磁心与绕在磁心上的三个相线绕组和一个中线绕组；

所述三相四线共模-差模电感器和所述三相四线差模-共模电感器的四个绕组的圈数相同，中线绕组的极性相反；

所述圆环形θ型磁心是由在内圆开了两个槽的圆形磁环和插在槽中的磁桥组成；所述UI形θ型磁心是由开有两个槽的U形磁心、I形磁心及插在槽中的磁桥组成。

2.根据权利要求1所述的三相四线EMC滤波器，其特征在于:

所述磁桥位于三个相线绕组和中线绕组之间。

3.根据权利要求1所述的三相四线EMC滤波器，其特征在于:

所述圆环形或UI形θ型磁心的材质是相对磁导率μ_i＝5000-10000的锰锌铁氧体。

4.根据权利要求1所述的三相四线EMC滤波器，其特征在于:

所述圆环形θ型磁心的表面喷涂有环氧树脂绝缘层。

5.一种三相四线共模-差模电感器，其特征在于：

包括圆环形或UI形θ型磁心与绕在磁心上的三个相线绕组和一个中线绕组；

所述圆环形θ型磁心是由在内圆开了两个槽的圆形磁环和插在槽中的磁桥组成；所述UI形θ型磁心是由开有两个槽的U形磁心、I形磁心及插在槽中的磁桥组成。

6.根据权利要求5所述的三相四线共模-差模电感器，其特征在于：

所述磁桥是位于三个相线绕组和中线绕组之间。

7.一种三相四线差模-共模电感器，其特征在于：

所述三相四线差模-共模电感器与权利要求5或6所述的三相四线共模-差模电感器的结构相同，唯中线绕组的极性相反。