家用电器电磁场辐射测量方法的分析
2015-12-06吴洪清冯海杰
吴洪清 冯海杰
(珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070)
家用电器电磁场辐射测量方法的分析
吴洪清 冯海杰
(珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070)
随着变频技术的应用,家用电器使用中产生的电磁辐射也越来越受到广大消费者的关注。本文根据标准IEC 62233的要求,对家用产品电磁场辐射的测量方法进行了深入的阐述,并结合空调的实际测试案例,对测量方法进行详解;文中根据电磁炉的案例,对测试结果和不确定度进行深入分析,以期帮助研究和设计人员更好理解标准。
电磁辐射;IEC 62233;家用电器;空调;测量方法
1 引言
国际电工委员会于2005年颁布IEC 62233《家用及类似用途器具-电磁场-评估及测量方法》规定了电磁场的测量方法。此标准定义了家用和类似用途器具周围频率不超过300GHz的电磁场评估方法,对于不打算作为一般家用,但对公众仍可以构成危险的器具,如商店、农场等使用的器具,也在该标准的限定范围之内。
2 测试方法步骤概述
2.1 家用产品电磁场辐射的测量及评估方法
IEC 62233定义了家用及类似用途电器(如电磁炉,空调器,电热毯等)的周围空间电磁场辐射水平的具体的测定及评估方法,针对各种器具规范了测量位置和测试条件。但此标准规定的方法仅适用与于频率范围10Hz~400KHz的电磁波。此辐射频率范围外的器具被认为是符合标准要求的而无需测量。对于带有内部变压器或电子线路的器具,如果其工作电压低于1000V则认为符合标准,不进行电场测量。
2.1.1 测试设备
测量的器具为电磁传感器,按测量面积,分为两种:第一种电磁传感器的测量面积为100cm2±5cm2,以下其设备样品是包含空间X、 Y、Z三个相互垂直同心线圈,可以同时测试各个方向的辐射量。线圈最大外径应小于等于13cm。测试时会将三个方向的测量值矢量叠加,所以这类仪器在测试时对放置方向没有太大的要求;另一种面积为3cm2±0.3cm2的传感器,其适用于在耦合因子确定的情况下,在高磁场区沿着最低梯度起点对表面正切进行测量。图1是一款常用的电磁场强仪。
2.1.2 测试条件
在该标准的附录A中规定了试验的通用要求。器具在正常使用条件下,以额定电压和频率(偏差均不应大于±2%)供电,设定于最大运行状态,试验前器具应运行足够的时间,以确保其为典型工作状态,在25℃±10℃环境温度下进行。标准附录表A.1也对某些具体的产品给出了准确的测试要求,包括测试距离、测试位置、操作条件、耦合系数。
2.1.3 测试方法
标准定义了三种磁场的测量方法,包括时域评估法、线状谱评估法、简化测试方法。下面分别对三种方法进行分析。
(1)时域评估法
当不依赖信号类型(辐射频谱独立于场源频谱之外)时,器具磁通量密度的测量可以用这种方法。该方法为避免争议时使用的参考方法。对于有多个频率的磁场,要用传递函数(转移函数)进行修正,以表示其与参考水平频率的关系。传递函数为频率的函数,与参考水平成反比。
传递函数:使用一个一阶滤波器建立,其特性如图2所示。
时域评估法的具体步骤如下(图3):
①对三个线圈分信号分别测量;
②利用传递函数对各分信号进行加权;
③加权信号平方;
④信号平方求和;
⑤将平方和求平均值;
⑥将平均值取平方根。
将测得的值Brms(磁通密度有效值)与在频率为50Hz下的磁通量密度参考水平值BRL(人可以承受的不会产生不良影响的均匀场的磁场强度的均方根值)相比较,不应超过BRL。用公式(1)计算加权结果。
W为测量结果的加权值,不应大于1。
对于带有局部高场强的器具,应考虑耦合系数ac(r1),即
此值也不应大于1。
(2)线状谱评估法
此方法一般适用于只有线状频谱的情况,例如磁场具有一个50Hz的基本频率和一些谐波。在每个相关频率处测量磁通量密度,通过记录磁通密度的时域信号并通过傅立叶变换对频谱分量进行评估来获得。测试步骤如下:
①每个线圈信号单独测量;
②每个线圈信号使用傅立叶变换获得频谱评估;
图1 电磁场强仪
表1 某电磁炉采集的10组测试数据表
③对每个不连续频谱的全部三种频谱矢量叠加。
磁通量密度B(j)为每个检波频率上的磁通密度的叠加,由公式(3)获得:
Bx、By、Bz指任何一种频率f(j)下,三个线圈各自的磁通密度。
抽象的求和总是导致辐射值和对于带有高频谐波分量或噪音的宽带磁场的评估过高,由于不在同一相位上产生频谱,使得基于以上公式的极限值非常保守。大多数测量设备测量不到相对相位,但可以对频率分量进行有效值求和,就此而言,该方法更加符合实际的结果。
加权结果Wn由公式(4)求得:
采用耦合系数加权的结果为Wnc=ac(r1)·Wn。
式中,BRL(j)为频率为f(j)下的磁通密度参考水平。加权值Wn不应超过1。
(3)简化测试方法
该法适用于只在电源频率及其谐波处产生磁场的器具。仅需在2KHz以下的频率范围内测试。当器具具备以下所有条件时,则认为其符合标准要求。
①产生磁场的电流(包括谐波电流)是已知的;
②振幅高于电源频率幅度10%的所有谐波电流在所覆盖的频率范围内持续衰减;
③在电源频率测量的磁通量密度小于电源频率下的参考水平的50%;
④在电源频率的抑制下,频率范围内宽带测量的磁通密度比该电源频率下的参考水平低15%。
对电源频率占支配地位而仅产生非常微弱磁场的器具,当满足以下所有条件时,认为符合标准要求。
①产生磁场的电流(包括谐波电流)是已知的;
②振幅高于电源频率幅度10%的所有谐波电流在所覆盖的频率范围内持续衰减;
③在整个频率范围内测得的磁通密度小于电源频率下的参考水平的30%。
当使用线状谱或简化测试方法得到的值超出参考水平,则使用时域评估法再次进行评估判定。
2.1.4 结果判断
如果测试结果超出极限值的75%时,则需要考虑测试不确定度。在不考虑不确定度情况下,当最终测试值超出了参考水平时,则要利用耦合系数修正结果,以确定是否符合基础限制。相应的耦合系数按照附录C确定。若采用耦合系数仍然超过参考水平,并不能就此判定其不符合标准,还需要通过计算电流密度的方法来确定。
2.2 空调测试步骤
这里以空调为例,具体说明家用电器电磁场辐射的测试要求。
2.2.1 测试前准备
在一可控的环境下,测试环境工况:25±10℃。
电源:额定电压±2%,频率±2%,如是电源范围则优先选出售国家的常用电源。
在未开机运行前,先测试环境中的辐射值,记录数值W1。
2.2.2 开机运行
开机运行直到稳定状态或运行1小时,取较长者。
以挂壁空调为例,样机运行模式:
(1)制冷模式
温度设定最小值(16℃)。
环境工况:室内30±5℃;室外25±10℃。
(2)制热模式
温度设定最大值(30℃)。
环境工况:室内15±5℃;室外25±10℃。
2.2.3 测试位置
不同器具的测试位置、测试距离及器具运行模式不同,具体根据标准附表A.1选取。空调要求在器具周围进行测试,测试距离r=30cm。图4中r为测试距离。
2.2.4 测试结果判定
测试采用ELT-400测试仪,推荐使用时域评估法较为方便操作,此仪器中有专门选项。所得的测试值要减去W1,最终结果应小于100%,则测试合格。如测试超出标准值,则需要引入空调的耦合系数α=0.18。
2.3 测试不确定度
如果测试结果超出极限值的75%时,才需要考虑测试不确定度。一般情况下空调的电磁辐射较低,可以不需要考虑不确定度。
目前电磁炉和微波炉的电磁辐射较高,一般需要判定不确定度,可根据以下程序进行确定。
2.3.1 不确定度来源
(1)测试时引进的不确定度
在同一条件测试多组,这里以某电磁炉为例,采集10组测试数据,如表1所示。
数据平均值为:
通过贝塞尔公式,求得标准差为:
(2)测试仪器引进的不确定度
根据仪器说明书的测量不确定度为u=4%,由于符合均匀分布,所以。
(3)电源引进的不确定度
根据电源的计量证书的测量不确定度为u=0.11%,K=2。
2.3.2 合成不确定度
将所有不确定度合成不确定度:
置信水平为P=95%,包含因子K=1.96。得出扩展不确定度为:
3 结语
市场竞争日益加剧,产品出口的技术门坎在不断的提高。家用产品的电磁辐射越来越受到关注,欧盟国家是最先提出这方面测试要求的地区,澳洲最近也增加了相关要求。对于销往这些地区的产品,特别是电磁炉等小家电的辐射值比较大,需要进行严格的测试。
图2 传递函数特性
图3 时域评估过程示意图
图4 器具测试距离示意图
[1]IEC 62233-2005《Measurement methods for electromagnetic fields of household appliances and similar apparatus with regard to human exposure》
Analysis on electromagnetic measurement methods of household electric appliances
WU Hongqing FENG Haijie
(GREE Electric Appliance Incorporate of Zhuhai Zhuhai 519070)
With the use of inverter technology, the phenomena that the household electric appliances give off the electromagnetic radiation in operation are paid more and more attention. This paper analyses the electromagnetic measurement methods of household appliances according to the standard IEC 62233. And the paper takes the airconditioner for an example to illuminate the measurement steps. And the paper analyzes the result of the microwave oven and the uncertain factors, which helps the researchers to understand the standard better.
Electromagnetic ration; IEC 62233; Household electric appliances; Air-conditioner; Measurement methods