電容電感抑制電動(dòng)工具電磁騷擾的理論和實(shí)驗(yàn)研究*

金 勇，孫 瑋

(浙江省質(zhì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018)

0 引言

手持式電動(dòng)工具是指需要手握持操作的、裝有電源線并內(nèi)裝電源開(kāi)關(guān)的、由電動(dòng)機(jī)或由電磁鐵做動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)工具。手持式電動(dòng)工具的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、體積小、功率大、結(jié)構(gòu)非常緊湊、便于攜帶和產(chǎn)品內(nèi)部空間小。大多數(shù)帶電源線的手持式電動(dòng)工具采用串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，定、轉(zhuǎn)子帶有勵(lì)磁繞組，通電后形成電磁場(chǎng)從而帶動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，由于換向器和碳刷的作用產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，維持轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子是通過(guò)跨接在換向器兩端的導(dǎo)電碳刷來(lái)連接電源的，換向器由換向片組成，它相當(dāng)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)的開(kāi)關(guān)裝置，換向片之間的間隙造成間歇性的接觸，決定了轉(zhuǎn)子電磁場(chǎng)能量形成的時(shí)間和順序。由于碳刷與換向片之間觸點(diǎn)快速接通和斷開(kāi)，會(huì)產(chǎn)生高頻的尖峰電壓突變和電流突變，具體表現(xiàn)為換向火花，由此產(chǎn)生的電磁騷擾會(huì)通過(guò)電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)，影響供電質(zhì)量［1］。影響電磁騷擾的因素通常包括:磁場(chǎng)平衡、換向性能、碳刷等級(jí)、碳刷壓力，碳刷配合、換向器參數(shù)和工藝、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和雜散電容。通常的抑制手段包括:電容抑制、電感抑制、屏蔽和鐵氧體磁珠［2］。手持式電動(dòng)工具普遍使用電容和電感抑制手段，以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4343.1－2009《家用電器、電動(dòng)工具和類似器具的電磁兼容要求 第1 部分:發(fā)射》的限值要求。從歷年來(lái)的手持式電動(dòng)工具國(guó)家監(jiān)督抽查結(jié)果來(lái)看，騷擾電壓的不合格現(xiàn)象主要發(fā)生在低頻段，這是由于電動(dòng)機(jī)和可控硅這類的干擾源會(huì)在電源線上產(chǎn)生差模干擾，而差模干擾一般頻率較低［3］。

關(guān)于電動(dòng)工具電磁騷擾抑制方面的研究，程麗玲［4］在濾波，接地和設(shè)計(jì)制造工藝上提出應(yīng)對(duì)措施;柯懿栒［5］對(duì)抑制騷擾源和減小騷擾源和敏感電路之間的耦合提出建議;金川［6］通過(guò)多種測(cè)試方案研究了電容電感組合的測(cè)試結(jié)果。

本研究通過(guò)從電容電感的高頻特性入手，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究不同型式、不同容量的電容和電感對(duì)手持式電動(dòng)工具的電磁騷擾性能的影響，找到影響抑制效果的最佳方案，在滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況下盡可能節(jié)約制造成本。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)方案

電容抑制騷擾的原理是:電容的阻抗是Zc=1/(2πfC)，頻率越高則電容阻抗越小，在高頻時(shí)電容為線路提供了一個(gè)并聯(lián)的低阻抗回路。根據(jù)這個(gè)特性，在電動(dòng)工具中，通過(guò)在干擾源(串勵(lì)電動(dòng)機(jī))附近設(shè)置高頻低阻抗回路，來(lái)減小通過(guò)電源線回饋到市電的干擾。在II 類電動(dòng)工具中普遍使用差模電容的接法(并接在電源線L 與N 之間)來(lái)消除差模干擾，在Ⅰ類工具中也可以同時(shí)使用差模電容和共模電容的方法，共模電容連接到定子引線和地之間。

電容的高頻等效電路如圖1 所示。

圖1 電容的高頻等效電路

串聯(lián)電路的阻抗:

諧振頻率:

當(dāng)工作頻率小于諧振頻率時(shí)，頻率越高，等效電容值越大。當(dāng)工作頻率超過(guò)諧振頻率時(shí)，電容實(shí)際上已經(jīng)變成電感，隨著頻率升高阻抗越來(lái)越大了。因此，要改善電容的高頻特性，應(yīng)該盡可能縮短電容的引線，減小電感。

電感具有過(guò)濾噪聲，穩(wěn)定電流等特點(diǎn)，從而起到抑制電磁干擾的效果。電感的阻抗為:ZL=2πfL，頻率越高阻抗越大，在高頻時(shí)給線路提供了高阻抗串聯(lián)回路。

電感的高頻等效電路如圖2 所示。

圖2 電感的高頻等效電路

并聯(lián)電路的阻抗:

諧振頻率:

當(dāng)工作頻率小于諧振頻率時(shí)，頻率越高，等效阻抗越大。當(dāng)工作頻率超過(guò)諧振頻率時(shí)，分布電容的影響占主導(dǎo)，阻抗已經(jīng)降低了。因此，要改善電感的高頻特性，應(yīng)該盡可能減小匝間的分布電容。

本研究以電錘為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。布置圖如圖3 所示。電錘是一種附有氣動(dòng)錘擊機(jī)構(gòu)的一種帶安全離合器的電動(dòng)式旋轉(zhuǎn)錘鉆。它利用活塞運(yùn)動(dòng)，壓縮氣體沖擊鉆頭，不需要手施加過(guò)多的力量，即可在混凝土、磚、石頭等硬性材料上開(kāi)孔，在工程施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用非常普遍。

圖3 試驗(yàn)布置圖

按照GB4343.1－2009《家用電器、電動(dòng)工具和類似器具的電磁兼容要求 第1 部分:發(fā)射》標(biāo)準(zhǔn)的要求［7］，本研究在電磁屏蔽室中，使用羅德與施瓦茨公司的ESCI3接收機(jī)，V 型人工電源網(wǎng)絡(luò)，模擬手對(duì)一款電錘進(jìn)行了電容電感的更換模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試內(nèi)容為150 kHz～30 MHz 的電源端子騷擾電壓。該電錘原廠使用了0.22 μF 的差模抑制電容，并聯(lián)在電源線火線和零線之間，未安裝抑制電感。

為了研究不同電容值對(duì)騷擾電壓的影響，該試驗(yàn)方案將更換同型式不同容量的電容，分別在0.1 μF，0.22 μF，0.33 μF，0.47 μF和無(wú)電容情況下進(jìn)行測(cè)試。為了研究不同電感值對(duì)騷擾電壓的影響，筆者在試驗(yàn)中更換11 μH，21 μH 的大差模電感和小差模電感，更換21μH 的差模電感和方形共模電感下進(jìn)行測(cè)試。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在不裝電容的情況下，騷擾電壓電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)裝了抑制電容的數(shù)據(jù)。隨電容量的增大，對(duì)騷擾電壓的抑制效果會(huì)更好，但是在不同頻段不同電容抑制效果并不同。

1.2.1 不同電容值對(duì)低頻段騷擾電壓的影響

為了研究電容在低頻段的抑制效果，150 kHz～700 kHz 的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同電容值的低頻騷擾電壓測(cè)試結(jié)果

在圖4 中可以明顯看出，在150 kHz～250 kHz 的頻段，電容量由小變大，騷擾電壓的電平值逐漸降低，變化比較明顯，250 kHz～700 kHz 頻率范圍內(nèi)，電容量的大小對(duì)騷擾電壓的影響并不明顯。電容量0.47 μF電容在150 kHz～250 kHz 的頻段里，體現(xiàn)出了電容量更大的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)電容阻抗公式，相同頻率范圍情況下電容量越大阻抗越小，更多的騷擾信號(hào)通過(guò)低阻抗回路，從而減少了通過(guò)電源線傳導(dǎo)的騷擾信號(hào)，因此抑制效果越好。

圖4 不同電容值的低頻騷擾電壓測(cè)試結(jié)果

1.2.2 不同電容值對(duì)高頻段騷擾電壓的影響

為了研究電容在高頻段的抑制效果，270 kHz～24 MHz的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 不同電容值的騷擾電壓測(cè)試結(jié)果

(續(xù)表)

由圖5 可以發(fā)現(xiàn)，頻段在2 MHz～7 MHz 之間，0.1 μF電容的抑制效果較差，而7 MHz 以上，電容量的大小對(duì)騷擾電壓的影響并不明顯。隨著頻率的增大，當(dāng)工作頻率超過(guò)諧振頻率時(shí)，電容阻抗越來(lái)越大，抑制效果越來(lái)越差。

圖5 不同電容值的騷擾電壓測(cè)試結(jié)果

1.2.3 不同電感值對(duì)騷擾電壓的影響

抑制電感主要分共模電感和差模電感。電感量在10 μH～25 μH。電感往往和接地的電容一起形成低通濾波器，濾波器的帶寬要大于單使用電容的帶寬，這樣抑制效果比單用電容或單用電感效果更好。不同電感值對(duì)騷擾電壓的影響對(duì)比如表3所示。

從圖6 可以看出，大小相同的電感，電感量越大抑制效果越好。

表3 不同電感下騷擾電壓的測(cè)試結(jié)果

圖6 不同電感量下騷擾電壓的測(cè)試結(jié)果

從圖7 可以看出，相同電感量情況下，小電感由于容易磁飽和，抑制效果不如大電感。

1.2.4 差模電感和共模電感對(duì)騷擾電壓的影響

差模電感和共模電感的測(cè)試數(shù)據(jù)比較如表4 所示。

表4 共模電感和差模電感下騷擾電壓的測(cè)試結(jié)果

從圖8 可以看出，對(duì)30 MHz 以下的電磁干擾，共模電感抑制效果不如差模電感。

圖8 共模電感和差模電感下騷擾電壓的測(cè)試結(jié)果

2 結(jié)束語(yǔ)

從上述數(shù)據(jù)和理論分析可以看出，電容和電感在高頻情況下，電容量不是越大濾波效果越好，電容量越大對(duì)低頻干擾的旁路效果雖然好，但是由于電容在較低的頻率發(fā)生了諧振，阻抗開(kāi)始隨頻率的升高而增加，對(duì)高頻噪聲的旁路效果變差。一旦頻率超過(guò)諧振頻率，那么抑制效果就會(huì)消失。因此，在運(yùn)用中，要關(guān)注如何提高諧振頻率，一方面要縮短電容的引線，減小寄生電感，另一方面也要盡量減小電感的分布電容。這樣才能取得良好的騷擾電壓抑制效果。當(dāng)要濾除的噪聲頻率確定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整電容量，使諧振點(diǎn)剛好落在騷擾頻率上。

因此，在電動(dòng)工具的設(shè)計(jì)和維修應(yīng)用中，為了取得較好的騷擾電壓抑制效果，筆者建議采用0.22 μF，0.33 μF 電容量，電容的引線應(yīng)盡可能短，電容安裝盡量靠近換向器，在不影響工具通風(fēng)散熱的前提下，電感安裝盡量靠近定子線圈，通過(guò)使用大差模電感來(lái)抑制騷擾電壓。

［1］GANESAN R，DAS S K，SINHA B K.Analysis and Control of EMI from Single Phase Commutator Motor used in Household Mixer［C］// Proceedings of Electromagnetic Interference and Compatibility.Madras:［s.n.］，1995:423-427.

［2］JABBAR M A，RAHMAN M A.Radio frequency interference of electric motors and associated controls［J］.Industry Applications，IEEE Transactions，1991，27(1):27-31.

［3］楊繼深.共模干擾和差模干擾［J］.安全與電磁兼容，2002(2):48-50.

［4］程麗玲.電動(dòng)工具的電磁干擾抑制［J］.安全與電磁兼容，2004(1):52-54.

［5］柯懿栒，劉金華.電動(dòng)工具EMC 問(wèn)題分析及解決［J］.環(huán)境技術(shù)，2008(4):23-25.

［6］金 川.電動(dòng)工具電磁干擾抑制技術(shù)的研究［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2011(2):45-46.

［7］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì).GB 4343.1-2009，家用電器、電動(dòng)工具和類似器具的電磁兼容要求 第1 部分:發(fā)射［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.