電動工具EMC整改

1、家用電器、電動工具和類似器具的電磁兼容性處理實(shí)例錢振宇1 電動工具的電磁騷擾抑制 11 電動工具電磁騷擾的產(chǎn)生在電動工具中廣泛使用的串激電動機(jī)，在其工作時(shí)隨著電樞的轉(zhuǎn)動電刷可將相鄰的換向片短路，導(dǎo)致參加換向的電樞線圈短路，在回路中流過短路電流。當(dāng)換向片轉(zhuǎn)到與電刷斷開的位置時(shí)，電刷和換向片之間產(chǎn)生換向火花，形成電磁騷擾。這種電磁騷擾的頻譜較廣（從中波到甚高頻波段內(nèi)是連續(xù)分布的），對廣播電視設(shè)備、通訊設(shè)備以及其他電子設(shè)備在很廣的范圍內(nèi)造成干擾。此外，在電動工具中還有一些非線性的器件（如可控硅、二極管和晶體管等），當(dāng)這些器件工作時(shí)，在導(dǎo)通和截止的瞬間也會產(chǎn)生高頻電磁騷擾。還有，電動機(jī)的定子鐵芯和轉(zhuǎn)子

2、的開槽設(shè)計(jì)和線圈上的磁路設(shè)計(jì)比較飽和，也會產(chǎn)生較大的工頻諧波成分，形成電磁騷擾。上述所有電磁騷擾都會通過與電動機(jī)連接的電源線以傳導(dǎo)和輻射方式向公共電網(wǎng)和空間傳播，直接或間接影響其他設(shè)備的正常工作。 12 電動工具電磁騷擾的抑制 濾波在考慮了電動工具的工作特點(diǎn)以及騷擾抑制措施可能要花費(fèi)的代價(jià)后，使用最多的要數(shù)濾波措施了。電動機(jī)電刷產(chǎn)生的噪聲既有共模、又有差模，解決的手段主要是采用電容、電感和接地等。其中，對待共模噪聲，電容器可接在電動機(jī)的每根引線和地之間；但對差模噪聲，電容器應(yīng)當(dāng)跨接在電源引線之間。對于由炭刷產(chǎn)生的噪聲，通常都是差模的，是由炭刷與換向器觸點(diǎn)斷開時(shí)產(chǎn)生的。圖1是一種常用的低通濾波電

3、路。接在電動工具電源輸入端的濾波器為工頻電源提供低阻抗通路，對于頻率較高的騷擾信號則產(chǎn)生較大衰減，實(shí)現(xiàn)騷擾的抑制，削弱了向電網(wǎng)側(cè)的傳導(dǎo)騷擾的輸出。其中C 1、C 2、C 4、C 5和L C 用于抑制共模騷擾；C 3和C 6用于抑制差模騷擾。C 1、C 2、C 4和C 5的典型值為1000pF 4700pF ；C 3和C 6的典型值為0.1F 0.47F ；共模電感L C 的典型值為0.01mH 3mH 。實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)電動工具產(chǎn)生騷擾的情況，可以采用圖1電路的全部或部分，形成C 型（純電容）、L 型（一個電感和一個電容）、T 型（兩個電感和一個電容）和型（一個電感和兩個電容）。倘若電動機(jī)產(chǎn)生

4、的差模騷擾較大時(shí)，圖1中的L C 可改用兩個相同的差模電感分別串接在相線和中線里，有時(shí)也能達(dá)到很好的騷擾抑制作用。 圖1 接在電動工具電源輸入端的低通濾波器此外，在電動機(jī)電刷兩端并接一個1000pF 4700pF 的電容；在電刷和定子激磁線圈間分別串接一個相同的電感。電感的作用是防止炭刷在通過換向器的間隙時(shí)使流進(jìn)炭刷的電流產(chǎn)生突變，電感量大約為1025µH。串聯(lián)的電感與旁路到地的電容合在一起可以構(gòu)成一個低通濾波器，這可以增強(qiáng)單個電感和電容的濾波效果，對抑制傳導(dǎo)噪聲很有好處，使它有更寬的濾波頻帶及更大的濾波效果。若要進(jìn)一步降低電動機(jī)在甚高頻下的電磁噪聲，除了加電容之外，還可以在電源線上

5、套一個鐵氧體的磁環(huán)（電源線中的相線和中線共套一個鐵氧體磁環(huán)），這樣還能提高幾個dB 的騷擾抑制效果。 接地和電氣連接在電動工具中的接地和電氣連接應(yīng)可靠、牢固，不良的接觸會產(chǎn)生數(shù)倍于正常工作時(shí)的騷擾。接地是保證相線、中線對地有一個低阻抗回路抑制騷擾的一個重要手段，實(shí)際使用時(shí)，圖1中C 1、C 2、C 3常用一個三角形連接的抑制電容來代替，在三根引出線中，中間一根為射頻接地，接電動機(jī)定子的鐵芯，另外兩根分別接在開關(guān)后面的相線作了中線上。接線時(shí)要注意接地良好，而且電容線的引腳也要盡可能地短。電容器的引腳越長，電容器的自諧振頻率就低，高頻濾波的效果就差。電容器引腳的長和短，在騷擾的抑制效果上可以相差2

6、dB 5dB 。 設(shè)計(jì)和制造工藝騷擾抑制可以從電動機(jī)本身入手，因?yàn)榻佑|部分的接觸不良、炭刷的不干凈都會產(chǎn)生數(shù)倍于正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的騷擾情況。為了減小騷擾，要保持接觸部分的接觸可靠，開、合動作正常，觸頭的壓力要保持均勻；要保持炭刷和換向器的干凈，保證炭刷本身的質(zhì)量（用軟一些和品質(zhì)純凈一些的材料）和換向器的光潔度；另外，要保持炭刷對換向器有適當(dāng)?shù)膲毫Γ▔毫ι源笠恍?，有利于降低騷擾的值，但過大的壓力會縮短炭刷的壽命和產(chǎn)生一些其他問題）。同時(shí)，要注意在電動工具內(nèi)部的走線整潔、清晰，連線要盡可能短，避免形成不必要的環(huán)路，以減少線路的輻射。最后，要注意刷握和機(jī)座牢固固定，要避免在電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)引起刷握跳動而產(chǎn)生

7、高頻騷擾。13 電動工具電磁騷擾的抑制例 角向磨光機(jī)的電磁騷擾抑制例圖2 a是一臺未經(jīng)處理的角向磨光機(jī)傳導(dǎo)騷擾測試?yán)?。從測試結(jié)果的頻譜看，應(yīng)當(dāng)是既有差模騷擾超標(biāo)又有共模騷擾超標(biāo)的情況。為此，先在開關(guān)后接入一個0.33F 2×3300pF 的組合電容器，地線接定子鐵芯。在圖2 b中顯示高頻端的共模騷擾已被抑制。為了進(jìn)一步抑制低頻段的差模騷擾，在電刷和定子線圈之間分別串一個20H 的電感，一開始抑制效果并不明顯，繼續(xù)增大到250H ，從圖2 c中可以看出，已經(jīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。一個完整的、經(jīng)過整改后的角向磨光機(jī)電磁騷擾抑制線路見圖3。 a 整改前的傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果 b 第一次整改后的傳導(dǎo)騷擾

8、測試結(jié)果 C 最終整改后的傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果 圖2 角向磨光機(jī)傳導(dǎo)騷擾測試?yán)?圖3 整改后的角向磨光機(jī)電磁騷擾抑制線路 調(diào)速電鉆的電磁騷擾抑制例圖4 a是送試的調(diào)速電鉆傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果。調(diào)速電鉆采用可控硅的移相控制來調(diào)節(jié)電動機(jī)的端電壓，電動機(jī)的傳導(dǎo)騷擾就是由于這種調(diào)壓方式以及電動機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的換向火花所引起的。從測試結(jié)果的頻譜看，主要是差模騷擾。為此在調(diào)速電鉆的開關(guān)后面接入一個0.33F 2×3300pF 的組合電容器，在定子和電刷間各接一個50H 的差模電感，測試結(jié)果便已滿足限值要求（見圖4 b所示）。圖5給出了一個完整的、經(jīng)過整改后的調(diào)速電鉆電磁騷擾抑制線路。 a 整改前的傳導(dǎo)騷

9、擾測試結(jié)果 b 整改后的傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果圖4 調(diào)速電鉆的傳導(dǎo)騷擾測試?yán)?圖5 經(jīng)過整改后的調(diào)速電鉆電磁騷擾抑制線路 電動螺絲刀的電磁騷擾抑制例圖6 a是電動螺絲刀的輻射功率測試結(jié)果，它顯示出電動螺絲刀的不合格頻點(diǎn)主要集中在45MHz 50MHz 之間。分析電動螺絲刀的控制線路后認(rèn)為騷擾是由于電源控制端在降壓后通過整流二極管整流造成的。解決的思路是在整流輸出到直流電動機(jī)接入之前再加接兩個對接的0.1F/100VDC電容，電容器的公共端接電動螺絲刀的外殼（地），以形成對地的低阻抗通路。進(jìn)一步測試（見圖6 b）表明電動螺絲刀的電磁騷擾己得到明顯抑制。若在電源控制變壓器的初級再接一個0.22F 0.3

10、3F 的旁路電容，測試結(jié)果還能改善（36）dB 。圖7給出了一個完整的、經(jīng)過整改后的電動螺絲刀電磁騷擾抑制線路。 b 整改后的傳導(dǎo)騷擾測試結(jié)果 圖6 電動螺絲刀的輻射功率測試?yán)?圖7 經(jīng)過整改后的電動螺絲刀電磁騷擾抑制線路2 小家電產(chǎn)品電磁騷擾發(fā)射情況的改進(jìn) 21 小家電產(chǎn)品中的電磁騷擾發(fā)射在對小家電產(chǎn)品進(jìn)行3C 認(rèn)證的電磁兼容測試時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有諧波電流和電磁騷擾的發(fā)射存在超標(biāo)問題。下面是一些具體的例子，例如電吹風(fēng)存在諧波電流、騷擾電壓和輻射功率超標(biāo)；而可以調(diào)速的真空吸塵器常存在諧波電流超標(biāo)；不可調(diào)的真空吸塵器常存在騷擾電壓和輻射功率超標(biāo)；帶機(jī)械式定時(shí)器的洗衣機(jī)也是騷擾電壓和輻射功率超標(biāo)；而

11、23 匹的空 氣調(diào)節(jié)器則諧波電流經(jīng)常不合格。 造成家用電器的諧波電流超標(biāo)的主要原因是由于電路中存在非線性元器件。 這里有兩個 主要原因： 電路中擁有鐵磁飽和特性的變壓器、鐵心電抗器和空氣壓縮機(jī)等； 設(shè)備內(nèi) 部裝有采用電力電子器件（二極管、可控硅、VMOS 管和 IGBT 管等）的開關(guān)電源和變頻器 等。 家用電器的騷擾電壓和騷擾功率超標(biāo)則是由于在其內(nèi)部廣泛采用了開關(guān)電源、 變頻器和 高速數(shù)字電路， 這些功率電子部件和高速電子線路工作中所產(chǎn)生的電壓和電流瞬變是形成高 頻電磁騷擾的主要原因。此外，設(shè)備內(nèi)部的繼電器、定時(shí)器、熱斷路器的動作，開關(guān)觸點(diǎn)在 斷開和接觸過程中所產(chǎn)生的電弧也是產(chǎn)生高頻電磁騷擾的

12、重要原因。 22 小家電產(chǎn)品電磁騷擾發(fā)射情況的改進(jìn)例 調(diào)速、調(diào)溫電吹風(fēng)的諧波電流抑制例 采用二極管的單相導(dǎo)電性能可以將電吹風(fēng)中電機(jī)和電熱絲的工作電流減半， 達(dá)到電吹風(fēng) 的調(diào)速和調(diào)溫的目的，見圖 8。圖中 S1 和 S2 是開關(guān)，D1D5 是二極管，M 是風(fēng)扇，R1 是保 護(hù)電阻，R2 是電熱絲，TH1 是熱斷路器。電吹風(fēng)的額定功率是 1500W。 D2D5 S1 M D1 220V AC S2 TH1 R1 R2 圖 8 整改前的調(diào)速、調(diào)溫電吹風(fēng)控制線路 圖 8 中的開關(guān) S1 和 S2 的動作見表 1 ，第一檔是空檔；第二檔是微風(fēng)、低溫檔；第三檔 是強(qiáng)風(fēng)、高溫檔。 表1 未經(jīng)改進(jìn)的電吹風(fēng)工作

13、情況說明 S1 第1檔 第2檔 第3檔 斷開 接通 接通 S2 斷開 斷開 接通 風(fēng)扇半波直流供電，電熱絲半波直流供電 風(fēng)扇全波直流供電，電熱絲交流直接供電 說明 對于電吹風(fēng)的第二檔， 就是利用二極管的單向?qū)щ娦阅苁沟昧鬟^電扇和電熱絲的電流減 半來實(shí)現(xiàn)的（在一個工頻周期中，只有一半時(shí)間是有電流流過的，見圖 9 所示，流過的電流 呈脈動形狀） 。 圖9 二極管單向?qū)щ娦允沟昧鬟^電扇和電熱絲的電流呈脈動狀 二極管的這種工作方式， 雖然使得流過電吹風(fēng)的電流依然保持有周期性這一特點(diǎn)， 但是 電流卻是單方向的，即： 6 I sint i（t） 0 當(dāng) 0tT/2 當(dāng)T/2t0 由于是周期信號，上述函數(shù)可

14、以展開成富里葉級數(shù)： i（t） I1/(1/2Isint(2/3cos2t(2/15cos4t (2/35cos6t 從上式可見，工作在電吹風(fēng)第二檔時(shí)，流過電吹風(fēng)的電流含有直流、基波電流和大量的 偶次諧波電流。最終導(dǎo)致了電吹風(fēng)的諧波電流超標(biāo)（見 GB17625.1） 。 基于電吹風(fēng)的這種工作情況，有必要對電吹風(fēng)的控制線路作一些改變，詳情參見圖 10 所示。二極管只是控制直流電機(jī)回路，用以調(diào)節(jié)風(fēng)速，而溫度的高低是通過電熱絲電阻的變 化來實(shí)現(xiàn)的（電熱絲一拆為二，分兩種情況工作，但都由交流直接供電） ，這樣就可以避免 二極管上流過大電流，從而減少了流過電吹風(fēng)里的諧波電流。 D2D5 M D1 S1

15、R1 R2 220V AC S2 TH1 R3 圖 10 電吹風(fēng)控制線路的改進(jìn) 表 2 是改進(jìn)后的開關(guān)動作情況。 表2 經(jīng)過改進(jìn)后的電吹風(fēng)工作情況說明 S1 第1檔 第2檔 第3檔 斷開 接通 接通 S2 斷開 斷開 接通 風(fēng)扇半波直流供電，電熱絲 R2 交流直接供電 風(fēng)扇全波直流供電，電熱絲 R2 和 R3 交流直接供電 說明 改進(jìn)前后的諧波電流頻譜對比見圖 11 所示。二次諧波電流由 1.398A 減少到 0.137A， 同時(shí)也減少了所有偶次諧波電流的電流大小。 7 圖 11 電吹風(fēng)控制線路改進(jìn)前后的諧波電流頻譜對比 可見， 要想解決一個產(chǎn)品的諧波電流問題， 要從分析產(chǎn)品諧波電流超標(biāo)的主要

16、原因著手， 然后制訂電路的改進(jìn)方案， 很有可能在電路控制方面只是作了很小的改動， 但這一改動卻是 關(guān)鍵性的，真正解決了產(chǎn)品存在的問題。 帶機(jī)械開關(guān)的洗衣機(jī)傳導(dǎo)騷擾發(fā)射情況改進(jìn)例 帶機(jī)械開關(guān)的洗衣機(jī)的電磁騷擾主要是由于換向定時(shí)開關(guān)工作所引起的。 它在工作時(shí)不 停地改變內(nèi)部金屬觸點(diǎn)的接觸位置來達(dá)到電動機(jī)換向的目的。 但是金屬觸點(diǎn)在接觸和分離的 過程中會產(chǎn)生電弧， 這種電弧就是使洗衣機(jī)產(chǎn)生電磁騷擾的主要原因。 由電弧放電所引起的 電磁騷擾通常具有較寬的頻譜，而在 30MHz 以下的傳導(dǎo)騷擾發(fā)射尤其明顯，在測試中經(jīng)常 會發(fā)現(xiàn)連續(xù)及斷續(xù)的傳導(dǎo)騷擾電壓不合格。 這類騷擾常常會傳導(dǎo)公共電網(wǎng)， 使其他電子設(shè)備

17、 的正常工作受到影響。 對于傳導(dǎo)騷擾的抑制通常會選擇用 LC 濾波器來進(jìn)行濾波， 然而要想解決這類由機(jī)械開 關(guān)拉弧引起的電磁騷擾時(shí)，效果就顯得不明顯了。使用電容濾波，在電弧發(fā)生的時(shí)候，電容 器迅速充電，吸收了部分電弧的能量，但由于沒有放電回路，使得電容器上始終保持充滿電 的狀態(tài)。 而電容器的放電要在機(jī)械開關(guān)重新閉合的瞬間才能進(jìn)行， 由于放電回路沒有限流電 阻，在放電瞬間的電流幅值可以很大，而放電的持續(xù)時(shí)間十分短暫，這反過來又對電網(wǎng)形成 了沖擊，因此使用單獨(dú)一個電容起不到對這類干擾有比較好的抑制作用。 根據(jù)實(shí)際情況，使用電容和電阻的組合則是解決這類騷擾的一種比較有效的方案。圖 12 是一個實(shí)際使用電路。由于電容和電阻的并聯(lián)構(gòu)成了一個完整的電容放電回路，電容器 吸收了在電弧形成瞬間的能量， 隨即又通過與電容器并聯(lián)的電阻釋放了所吸收的能量， 放電 的速率由所選擇的電容和電阻時(shí)間常數(shù)決定。 等到機(jī)械開關(guān)重新閉合時(shí)， 電容量上貯存的能 量早已釋放完畢，不可能再形成幅值大、持續(xù)時(shí)間短暫的電流瞬變，原先電容放電對電網(wǎng)形 成的沖擊已不復(fù)存在。 所以采用電容和電阻并聯(lián)的組合電路對電磁騷擾的抑制有比較好的作 用。 使用本方案時(shí)要注意電容與電阻組成的濾波吸收電路的引線不能過長， 過長的引線會對