从电容、滤波器、电感等角度解决电机的电磁兼容问题

2019-08-06 17:02:56 来源:电子发烧友网
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马达,特别是带电刷的马达,会产生大量的噪声。电器要满足电磁兼容标准的要求,必须对这些噪声进行处理。解决电磁兼容的手段无非是电容、电感(扼流圈)、电源滤波器和接地。
 
不幸的是,电磁兼容问题通常是在产品已彻底完成设计并组装完毕时发现。这时考虑 电磁兼容是十分困难的。制造商不仅面临着时间上的紧迫而且项目预算已经用完,责任工程师已经调到其它项目上,不能随时解决有关的问题。
 
解决这些问题的最好时机是在产品的设计阶段,而不是产品开发周期最终阶段。许多试验是可以在产品装入最终机壳之前进行的。
 
 
电容
电容通过向噪声源的公共端提供一条阻抗很低的通路来将电压尖峰旁路掉。尖峰电压主要是由马达电刷产生的。电容可以接在马达的每根引线与地之间,也可以接在 两根引线之间。如果尖峰噪声是共模的,则跨接在引线之间的电容几乎没有什么效果。但是这种由电刷产生的随机噪声通常是差模的。
 
尽管这样,在电刷与地之间接 入电容会有很大效果。电容安装什么位置或怎样连接主要取决于所面临的噪声的种类。电压尖峰是由电刷与换向片触点的断开产生的。尖峰的幅度可以通过将电刷材 料换成较软的材料或增加电刷对换 向片的压力来减小。但是这会缩短电刷的寿命周期和其它一些问题。
 
要使电容具有较好的滤波效果,它与噪声源的公共地之间的联线要尽量短。自由空间中的导线的电感约为每英寸1nH。如果电刷产生的噪声频率为50~100MHz,与电容连接的导线的长度为4~6英寸,那么即使不考虑电容的阻抗,仅导线电感的阻抗也已经有:
 
XL = 2πf L = 3.77
 
总阻抗还需要加上电容(0.1μF)的阻抗,XC = 1/2 π f C = 0.159 Ω。
 
从结果可以看出,单看电容的阻抗,这是一个非常好的旁路型滤波器。但是由于引线电感的影响,已经根本不起滤波器的作用了。如果将导线的长度缩短为1 英寸,则电感的阻抗仅为0.628Ω,这时滤波电容的效果提高了20%。
 
用马达外壳做接地端时,壳体上的漆必须去掉,以便导线能够良好的与地接触。依靠连接螺钉的4、5个螺纹来连接不是一个好办法。即使产品的外壳是金属的,将滤波器件直接安装在噪声源上,而不是靠近噪声源或外壳的某个位置,是一个聪明的选择。这消除额外的引线长度,使噪声回到噪声源的阻抗最小,具有最佳的滤波效果。
 
电源线滤波器
在许多产品中,电源线滤波器都必要的。电源线滤波器安装正确时,是一种简捷的解决干扰的方法。电源线滤波器保证了电网免受产品内部噪声的污染。但是,与其它滤波器件一样,使用电源线滤波器的关键点也是保证连接到噪声源公共端的导线尽量短。
 
电源线滤波器中有可以滤除差模和共模噪声的电感和电容。这种滤波器是 滤除电源线干扰的简单而又经济的方法。电源线滤波器要安装在电源线入口处。在有些产品中,滤波器安装在产品的中部,这会使产品内部产生的辐射干扰耦合到电 源输入端,使滤波器完全失效。记住以下三点,你的产品就有更大的可能符合电磁兼容标准:
 
1) 使用电源线滤波器;
 
2)良好的系统地线;
 
3)滤波器的衰减频率低到150kHz;
 
很难从滤波器产品样本上选择到合适的电源线滤波器。工业标准规定在50Ω输入/输出条件下测量滤波器的特性。在现实中,没有一个恰好为50Ω的环境。进行 传导发射测试时,在电源线的输入端要接入线路阻抗稳定网络(LISN)。这为所有的测试机构提供了一个标准的试验方法。
 
LISN的作用主要是为滤波器的输 入端在测试频率范围内提供稳定的50Ω阻抗。滤波器输出端的阻抗由家用电器产品本身决定,这绝不会恰好为50Ω。如果恰好为50Ω,你就可以利用滤波器样 本上的数据来确定哪个滤波器的性能更好。在实际中,通常要通过试验来确定一只最合适的滤波器。
 
作为一个原则,当实际阻抗条件不清楚时,可以将滤波器样本中 给出的数据减小20dB使用,以保证在实际产品中的效果。两线电器上,滤波器的性能不如在三线电器上好。滤波器有两种滤波机理,这就是串联和旁路。在两线 系统中,只有串联滤波(电感)和线-线间滤波电容起作用,线-地电容不起作用。
 
减小噪声的另一个方法是在电刷上直接放置一个电感器件。电感的作用是防止当电刷通过换向片间隙时流进电刷电流的突然变化。电感的电感量大约为 10~25μH。串联在电路中的扼流圈可以和到地的旁路电容组合起来构成一个低通滤波器,这可以增强单个电感或电容的滤波效果。这对抑制传导噪声很有好处。
 
单个电容和LC 滤波器之间的差别是很大的。 LC 滤波器比单个电容具有更宽的滤波带宽,因此对电刷产生的宽带噪声具有更大的效果。以上介绍的滤波技术能够消除传导干扰,但是尖峰产生的辐射干扰也是需要抑 制的。这可以通过屏蔽来实现。
 
接地
接地也是很重要的一个方法。 滤波器如果不接好地,就达不到设计的性能。对于旁路电容,如果接地阻抗过大,就起不到良好的旁路作用。这里的阻抗过大是指阻抗超过数mΩ。地线是消除噪声 的路径。
 
如果使用了性能良好的滤波器件,但是没有提供良好接地路径,器件的滤波效果将大打折扣。在非金属机箱中,没有将所有器件连接起来的接地板,这时滤 波是十分困难的。要获得一个良好的地线,可以将产生噪声的器件限制在一块公共地线板上。
 
设计人员要注意,导线束的状态必须与最终产品中的导线束状态很接近。对地线的处理 十分重要。如果没有良好的地线,滤波器和其它电磁兼容器件都不能有效地工作。
 
另外,建议对实际电路做一个简单的分析,包括马达绕组,以便了解个别滤波器件是怎样影响噪声的。这并不需要复杂的计算机辅助分析,只要了解阻抗与滤波器件之间的简单关系就可以了。
 
由于马达产生的噪声在幅度和频率上有很大的随机性,因此要使产品的干 扰发射与规定的极限值之间有较大的富裕量。还有,即使使用同一种器件,器件之间的差异性要比想象的大得多。
 
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