Common mode - Nieuwe ontwikkelingen en normontwikkeling - FHI, federatie van technologiebranches

Figuur 1: Verschil tussen een differential mode en common mode circuit.

Inleiding

Common mode is een belangrijke bron van interferentie, en de uitdagingen die ermee samenhangen nemen alleen maar toe met de opkomst van DC-netten en steeds meer geschakelde voedingen. Maar eerst, wat is common mode?

Verschil tussen differential mode en common mode

Om daarop in te gaan, is het makkelijker om te beginnen met differential mode. Bij differential mode draait het om het spanningsverschil tussen twee of meerdere geleiders, waarbij de aardgeleider wordt uitgezonderd. Dit spanningsverschil kan bedoeld zijn om energie of een signaal over te brengen. Daarnaast kunnen er ook ongewenste differential mode-signalen (stoorsignalen) aanwezig zijn. Bij common mode wordt er gekeken naar het verschil tussen de gemiddelde spanning op de geleiders van een bepaald circuit en aarde. In de meeste gevallen is dit een stoorsignaal.

Figuur 1: Verschil tussen een differential mode en common mode circuit.

Bron van common mode

Een common mode spanning ontstaat als de gemiddelde uitgangsspanning van een apparaat ongelijk is aan de referentiepotentiaal (meestal PE). Zo is het gemiddelde van de drie uitgangsspanningen van een generator (L1, L2 en L3) normaal gesproken 0 V. Dit geldt echter niet voor een frequentieomvormer waarbij met 6 halfgeleiders een sinus wordt gemaakt vanuit een gelijkspanning. Hier kan een uitgang naar de plus of de min van de tussenkring geschakeld worden. Het gemiddelde bij een drie fase uitgang is dus nooit gelijk aan 0 V, zoals te zien is in Figuur 2.

Figuur 2: Ontstaan van common mode spanningen.

L1	L2	L3	Ucm
+½ Udc	+½ Udc	+½ Udc	+½ Udc
+½ Udc	+½ Udc	-½ Udc	+⅙ Udc
+½ Udc	-½ Udc	-½ Udc	-⅙ Udc
-½ Udc	-½ Udc	-½ Udc	-½ Udc

Behalve dat common mode gegenereerd wordt door een gemiddelde spanning die ongelijk is aan 0 V, ontstaat er ook common mode door de hoge dv/dt die ontstaat tijdens het schakelen van de halfgeleiders.

Risico’s van common mode

In netten waarvan het sterpunt verbonden is met aarde, zogenaamde TN-netten, hoeft dit geen probleem te zijn, zolang de common mode stromen maar buiten gevoelige circuits gehouden worden. Dit kan normaal gesproken met filters aan de ingang van een common mode-bron en het aanbieden van gedefinieerde common mode-paden door bijvoorbeeld kabelschermen die aan twee zijden geaard zijn.

Figuur 3: Gedefinieerd common mode-pad in een net met een geaard sterpunt.

Bij netten waarvan het sterpunt niet met aarde verbonden is, zogenaamde IT-netten ontstaan er 2 problemen.

Terwijl bij netten met een geaard sterpunt de common mode spanning voornamelijk zichtbaar wordt aan de secundaire zijde van het net, waar bijvoorbeeld een motor is aangesloten die uitgelegd kan worden om hoge common mode-spanningen te verdragen, is dit in netten met een zwevend sterpunt niet het geval. In die netten wordt de common mode spanning bepaald door de verhouding tussen de totale capaciteit naar aarde aan de netzijde en aan de secundaire zijde. Deze capaciteiten bestaan uit filtercondensatoren naar aarde en parasitaire capaciteiten tussen bijvoorbeeld kabels en hun omgeving/scherm, en de capaciteit in motoren tussen hun wikkelingen en de stator. Als deze capaciteit in verhouding groot is, is de impedantie, en dus de common mode spanning, laag. Aan de andere zijde van de common mode-bron moet de capaciteit in verhouding dan klein zijn, de impedantie hoog, en als gevolg daarvan de common mode spanning ook hoog. In dit geval kan de common mode-spanning voor een belangrijk deel ook aan de netzijde van de common mode-bron komen te staan, waardoor andere apparaten die op het net zijn aangesloten belast worden met deze common mode spanning. Dit introduceert weer common mode stromen die schade kunnen veroorzaken.

Figuur 4: Verdeling van common mode-spanning tussen primaire en secundaire zijde van common mode-bron.

2. Daarnaast wordt in netten met een zwevend sterpunt de capaciteit naar aarde vaak beperkt in verband met aardfoutdetectiesystemen en brandrisico’s. Dit betekent dat het veel moeilijker is om common mode-stromen via een gewenst pad terug naar hun bron te leiden. De common mode-stroom zal zelf een pad zoeken, en dit pad kan in meer of mindere mate samenvallen met signaalcircuits, waardoor storingen kunnen ontstaan, of kleine filtercondensatoren in voedingscircuitsbeschadigd kunnen raken.

Figuur 5: Common mode stroompaden in een net met zwevend sterpunt.

Nieuwe technische ontwikkelingen

Met de introductie van nieuwe energiebronnen, zoals brandstofcellen, zonnepanelen en generatoren die op variabele snelheid draaien, energieopslag in bijvoorbeeld accu’s en vliegwielen, en de focus op het minimaliseren van energieverlies, wordt het steeds interessanter om met DC-netten te werken. Echter, om deze DC-spanning om te zetten in andere DC-spanningen of AC-spanningen zijn schakelende omvormers nodig, die dus common mode kunnen genereren. Daarnaast worden veel (kleinere) transformatoren vervangen door schakelende voedingen, die ook weer common mode kunnen veroorzaken.

Dit heeft twee belangrijke gevolgen. Ten eerste neemt de common mode-verstoring toe en ten tweede komt het vaker voor dat een frequentieomvormer wordt gebruikt als microgridconverter, die niet een motor voedt maar een verscheidenheid aan kleine AC-gebruikers. Motoren kunnen nog worden ontworpen om common mode-spanning aan te kunnen met behulp van betere isolatie, maar voor deze hoeveelheid aan kleine AC-gebruikers is dit veel lastiger.

Uitdagingen in normontwikkeling

Bij twee technische commissies binnen de IEC heeft dit in het bijzonder de aandacht omdat daar ook veel gewerkt wordt met netten met een zwevend sterpunt. Dit zijn:

TC18: Elektrische installaties op schepen en op verplaatsbare en vaste eenheden te water
TC82: Zonne-energiesystemen

Samen met TC77 (Elektromagnetische compatibiliteit) en CISPR (Internationale Speciale Commissie voor Radiostoring) zoeken deze commissies naar manieren om common mode in normen vast te leggen. Het probleem met de huidige CISPR-normen is dat ze niet echt geschikt zijn om iets te zeggen over common mode-niveaus in zwevende netten of voor apparatuur die bedoeld is voor zwevende netten. CISPR gebruikt LISNs (Line Impedance Stabilisation Networks) waarin grote capaciteiten naar aarde zitten. Door het aansluiten van deze apparaten wordt dus de verhouding in capaciteit naar aarde tussen de ingang en uitgang van de common mode-bron gewijzigd en dus ook de gemeten spanning. Daarnaast is het de ervaring dat het aansluiten van LISNs en CISPR probes geregeld tot schade leidt wanneer deze in zwevende netten worden aangesloten. De common mode stromen zijn dusdanig groot dat LISNs uitbranden, of de common mode spanning, met name tussen 2 en 150 kHz, is dusdanig hoog dat CISPR 16 probes defect raken. Daarnaast kunnen de LISNs ook geïntegreerde aardfoutbewaking in omvormers dusdanig beïnvloeden dat de omvormers vanwege veiligheidsredenen uitschakelen.

Nieuwe ontwikkelingen

Om toch een manier te vinden om iets over de hoogte van common mode-signalen te zeggen wordt er gekeken naar nieuwe meetmethodes. Zo is men in TC18 bezig met meetnetwerken die een hoge impedantie naar aarde hebben om de beïnvloeding van de common mode-spanning te minimaliseren. TC82 kijkt naar metingen met laagfrequent magnetische antennes waarbij de impedantie naar aarde niet ook beïnvloed wordt.

Conclusie

Met de continue ontwikkeling in de elektrotechniek blijven er op EMC-gebied nieuwe uitdagingen ontstaan. Binnen het IEC wordt door een team van belanghebbenden gewerkt aan nieuwe methodes en limieten om om te gaan met deze nieuwe elektrotechnische ontwikkelingen. Van belang hierbij is dat er een balans blijft bestaan tussen betrouwbare apparatuur en extra kosten voor aanvullende maatregelen in de apparatuur en metingen.

Normalisatiewerk

Mocht u interesse hebben in normalisatiewerk, dan kunt u hier meer informatie vinden: https://www.nen.nl/normontwikkeling