Assessment of EMI filters in three-phase inverter-fed motor-drive systems : from the noise-source impedance to the actual insertion loss

Power-electronic systems for industrial applications are demanding in terms of power-quality and electromagnetic-compatibility requirements. Among them, modern three-phase inverter-fed motor-drive systems represent sources of conducted emission (CE) which require proper electromagnetic-interference (EMI) filters to fulfill standard limits. Unfortunately, the insertion loss (IL) provided by filter manufacturers according to standard measurement methods refers to modal characterizations (common-mode, pseudo-differential modes) in measurement setups involving radio-frequency equipment with constant 50-ohm output/input port impedances. Therefore, this IL does not really represent the broadband behavior of the EMI filter in the real inverter-fed motor-drive systems, where the noise-source impedance is frequency dependent and unknown. This thesis proposes a solution to this problem, which is aimed at providing added value to the classic experimental approach used to find out the best external EMI filter to reduce CE. First, an experimental campaign involving a commercial inverter is carried out to investigate properties of CE including how CE varies with different type of EMI filters. Second, the two-probe method for noise-source impedance measurement originally proposed by V. Tarateeraseth (2010) for single-phase devices is reviewed and extended here for the common-mode in a three-phase system, and in a broader frequency range. Finally, this noise-source impedance is used in a common-mode circuit model, including a behavioral model of the EMI filter, to predict the actual IL of the filter in the frequency range 9 kHz-30 MHz. The proposed method does not require disclosure of proprietary manufacturers’ information, since it can be applied to any kind of inverter-fed drive and EMI filter, which are treated as black-box equipment subject to measurement only at external ports. Consequently, it may represent a theoretical framework for selecting the most appropriate EMI filter on the basis of a rigorous prediction of IL, thus overcoming the conventional practitioner’s approach based on trial-and-error troubleshooting.

I sistemi elettronici di potenza per applicazioni industriali devono seguire molti requisiti inerenti alla qualità energetica e alla compatibilità elettromagnetica. Tra questi, i moderni sistemi di azionamento a motore trifase alimentati da inverter rappresentano fonti di emissioni condotte (CE) che richiedono adeguati filtri di interferenza elettromagnetica (EMI) per soddisfare i limiti imposti dalle normative. Sfortunatamente, la perdita di inserzione (IL) fornita dai produttori di filtri secondo i metodi di misurazione standard, si riferisce alle caratterizzazioni modali (modalità comune, modalità pseudo-differenziali) nelle configurazioni di misurazione che coinvolgono apparecchiature a radiofrequenza con impedenze di uscita / ingresso costanti di 50 ohm. Pertanto, questa IL non rappresenta realmente il comportamento della banda larga del filtro EMI nei sistemi di azionamento a motore alimentati da inverter reali, in cui l'impedenza della sorgente di rumore è dipendente dalla frequenza e pertanto risulta essere sconosciuta. Questo lavoro di tesi propone una soluzione al problema definito, che mira a fornire un valore aggiunto al classico approccio sperimentale utilizzato per scoprire il miglior filtro EMI esterno per ridurre le CE. In primo luogo, viene condotta una campagna sperimentale che coinvolge un inverter commerciale per studiare le proprietà delle CE, incluso il modo in cui le CE variano con i diversi tipi di filtri EMI. In secondo luogo, il metodo a due sonde per la misurazione dell'impedenza della sorgente di rumore originariamente proposto da V. Tarateeraseth (2010) per i dispositivi monofase viene rivisto ed esteso qui per il modo comune in un sistema trifase e in un intervallo di frequenza più ampio. Infine, questa impedenza sorgente di rumore viene utilizzata in un modello di circuito di modo comune, includendo anche un modello “comportamentale” del filtro EMI, per prevedere l'IL reale del filtro nella gamma di frequenza che varia da 9 kHz a 30 MHz. Il metodo proposto non richiede la divulgazione delle informazioni dei produttori proprietari, poiché può essere applicato a qualsiasi tipo di azionamento e filtro EMI alimentati da inverter. Questi vengono, quindi, trattati come apparecchiature “Black-box” soggette a misurazione solo su porte esterne. Infine, questa tesi può rappresentare un quadro teorico per la selezione del filtro EMI più appropriato sulla base di una previsione rigorosa delle IL, superando così l'approccio del professionista convenzionale basato sulla risoluzione di problemi ed errori.