電容電感抑制電動工具電磁騷擾的理論和實驗研究*

金 勇，孫 瑋

(浙江省質量檢測科學研究院，浙江 杭州 310018)

0 引言

手持式電動工具是指需要手握持操作的、裝有電源線并內裝電源開關的、由電動機或由電磁鐵做動力來驅動的電動工具。手持式電動工具的特點是轉速高、體積小、功率大、結構非常緊湊、便于攜帶和產品內部空間小。大多數帶電源線的手持式電動工具采用串勵電動機，定、轉子帶有勵磁繞組，通電后形成電磁場從而帶動電機的運轉，由于換向器和碳刷的作用產生交變電磁場，維持轉子的旋轉。轉子是通過跨接在換向器兩端的導電碳刷來連接電源的，換向器由換向片組成，它相當于一個旋轉的開關裝置，換向片之間的間隙造成間歇性的接觸，決定了轉子電磁場能量形成的時間和順序。由于碳刷與換向片之間觸點快速接通和斷開，會產生高頻的尖峰電壓突變和電流突變，具體表現為換向火花，由此產生的電磁騷擾會通過電源線傳導到電網，影響供電質量［1］。影響電磁騷擾的因素通常包括:磁場平衡、換向性能、碳刷等級、碳刷壓力，碳刷配合、換向器參數和工藝、轉子動平衡、電動機轉速和雜散電容。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］。手持式電動工具普遍使用電容和電感抑制手段，以達到國家標準GB4343.1－2009《家用電器、電動工具和類似器具的電磁兼容要求 第1 部分:發射》的限值要求。從歷年來的手持式電動工具國家監督抽查結果來看，騷擾電壓的不合格現象主要發生在低頻段，這是由于電動機和可控硅這類的干擾源會在電源線上產生差模干擾，而差模干擾一般頻率較低［3］。

關于電動工具電磁騷擾抑制方面的研究，程麗玲［4］在濾波，接地和設計制造工藝上提出應對措施;柯懿栒［5］對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］通過多種測試方案研究了電容電感組合的測試結果。

本研究通過從電容電感的高頻特性入手，通過實驗，研究不同型式、不同容量的電容和電感對手持式電動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，在滿足標準的情況下盡可能節約制造成本。

1 實驗研究

1.1 實驗原理和設計方案

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，在高頻時電容為線路提供了一個并聯的低阻抗回路。根據這個特性，在電動工具中，通過在干擾源(串勵電動機)附近設置高頻低阻抗回路，來減小通過電源線回饋到市電的干擾。在II 類電動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)來消除差模干擾，在Ⅰ類工具中也可以同時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

串聯電路的阻抗:

諧振頻率:

當工作頻率小于諧振頻率時，頻率越高，等效電容值越大。當工作頻率超過諧振頻率時，電容實際上已經變成電感，隨著頻率升高阻抗越來越大了。因此，要改善電容的高頻特性，應該盡可能縮短電容的引線，減小電感。

電感具有過濾噪聲，穩定電流等特點，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，在高頻時給線路提供了高阻抗串聯回路。

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

并聯電路的阻抗:

諧振頻率:

當工作頻率小于諧振頻率時，頻率越高，等效阻抗越大。當工作頻率超過諧振頻率時，分布電容的影響占主導，阻抗已經降低了。因此，要改善電感的高頻特性，應該盡可能減小匝間的分布電容。

本研究以電錘為例，進行實驗研究。布置圖如圖3 所示。電錘是一種附有氣動錘擊機構的一種帶安全離合器的電動式旋轉錘鉆。它利用活塞運動，壓縮氣體沖擊鉆頭，不需要手施加過多的力量，即可在混凝土、磚、石頭等硬性材料上開孔，在工程施工現場應用非常普遍。

圖3 試驗布置圖

按照GB4343.1－2009《家用電器、電動工具和類似器具的電磁兼容要求 第1 部分:發射》標準的要求［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，V 型人工電源網絡，模擬手對一款電錘進行了電容電感的更換模擬實驗，測試內容為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騷擾電壓的影響，該試驗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和無電容情況下進行測試。為了研究不同電感值對騷擾電壓的影響，筆者在試驗中更換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行測試。

1.2 實驗結果分析

從測試結果來看，在不裝電容的情況下，騷擾電壓電平遠遠超過裝了抑制電容的數據。隨電容量的增大，對騷擾電壓的抑制效果會更好，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 的測試數據如表1 所示。

表1 不同電容值的低頻騷擾電壓測試結果

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，電容量的大小對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，體現出了電容量更大的優勢。根據電容阻抗公式，相同頻率范圍情況下電容量越大阻抗越小，更多的騷擾信號通過低阻抗回路，從而減少了通過電源線傳導的騷擾信號，因此抑制效果越好。

圖4 不同電容值的低頻騷擾電壓測試結果

1.2.2 不同電容值對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的測試數據如表2 所示。

表2 不同電容值的騷擾電壓測試結果

(續表)

由圖5 可以發現，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，電容量的大小對騷擾電壓的影響并不明顯。隨著頻率的增大，當工作頻率超過諧振頻率時，電容阻抗越來越大，抑制效果越來越差。

圖5 不同電容值的騷擾電壓測試結果

1.2.3 不同電感值對騷擾電壓的影響

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。不同電感值對騷擾電壓的影響對比如表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試結果

圖6 不同電感量下騷擾電壓的測試結果

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騷擾電壓的影響

差模電感和共模電感的測試數據比較如表4 所示。

表4 共模電感和差模電感下騷擾電壓的測試結果

從圖8 可以看出，對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試結果

2 結束語

從上述數據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生了諧振，阻抗開始隨頻率的升高而增加，對高頻噪聲的旁路效果變差。一旦頻率超過諧振頻率，那么抑制效果就會消失。因此，在運用中，要關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。當要濾除的噪聲頻率確定時，可以通過調整電容量，使諧振點剛好落在騷擾頻率上。

因此，在電動工具的設計和維修應用中，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，電容的引線應盡可能短，電容安裝盡量靠近換向器，在不影響工具通風散熱的前提下，電感安裝盡量靠近定子線圈，通過使用大差模電感來抑制騷擾電壓。

［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.電動工具EMC 問題分析及解決［J］.環境技術，2008(4):23-25.

［6］金 川.電動工具電磁干擾抑制技術的研究［J］.機械研究與應用，2011(2):45-46.

［7］國家標準化工作委員會.GB 4343.1-2009，家用電器、電動工具和類似器具的電磁兼容要求 第1 部分:發射［S］.北京:中國標準出版社，2010.