厨用超声清洗机电源及电磁兼容设计
厨用超声清洗机电源及电磁兼容设计[20191214193134]
摘 要
农药的使用及其在蔬菜水果中的残留对人体产生危害,厨用超声清洗机能够对农药残留物进行有效清洗，但厨用超声清洗机变成产品面临一些问题，本毕业设计解决其中三个：功率因数不稳定、电磁兼容差、辅助电源不完备。
本论文中，对应提出了三个解决方案，功率因数校正电路、EMI滤波器、辅助电源电路。首先设计了电路，对元器件进行了选型；然后通过软件绘制原理图和PCB图，并制作了变压器和电路实物。结合实际情况，测试、调试电路，分析并解决了一些遇到的问题。将功率因数校正电路用于超声清洗机中，功率因数和电流谐波分量稳定，且性能良好。辅助电源考虑小功率输出和两路输出隔离，采用反激变换，产生一路12V和一路12V5V隔离输出，与厨用超声清洗机其余电路联调，厨用超声清洗机能正常工作。通过分析，电路中的逆变电路和信号发生电路，开关电源产生电磁干扰，通过PCB优化和EMI滤波器，对电磁干扰有一定的抑制作用，电流谐波含量稳定为20%左右。
通过实验，本设计对提高功率因数、优化电磁兼容以及独立辅助电源供电是有效的。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声清洗；开关电源；电磁兼容；EMI滤波器；功率因数
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 开关电源及功率因数发展概况 2
1.3 电磁兼容国内外发展概况 3
1.3.1 电磁兼容的法律制度 3
1.3.2 电磁兼容国际和国内标准 4
1.4 本章小结 4
第2章 厨用超声清洗电源及电磁兼容基本原理 7
2.1 开关电源及功率因数矫正简介 7
2.2 本设计所用到开关电源的工作原理 7
2.3 厨用超声清洗电源工作原理 11
2.4 电磁兼容性相关原理 11
2.5 本章小结 12
第3章 开关电源功率因数矫正设计 13
3.1 拓扑选择 13
3.2电路设计 13
3.3 元器件选择 14
3.3.1 型号选择 16
3.3.2 电感和变压器的设计及制作 17
3.4 电路实物相关工作 19
3.4.1电路测试 19
3.4.2 电路调试 22
3.5 本章小结 23
第4章 辅助电源设计 24
4.1方案设计及拓扑选择 24
4.2芯片及元器件选择 26
4.3实物相关工作 27
4.4本章小结 28
第5章 电磁兼容设计 29
5.1厨用超声清洗机电磁兼容性分析 29
5.2 提高电磁兼容性对策研究 30
5.3 本章小结 32
第6章 总结与展望 33
6.1 总结 33
6.2 展望 33
参考文献 35
致谢 38
附录A 39
附录B 40
附录C 41
英文文献翻译 42
第1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
我国是农业生产大国，农药在农作物病虫害防治中起重要作用，保证农作物产量，带来了经济效益。但农药的使用也给农产品带来污染，危害人体健康。蔬菜和水果（以下简称“蔬果”）补充人体所需水分、维生素等，是日常生活中必须的食物。必须对蔬果中农药残留物（以下简称“药残”）进行清洗，提高人们生活质量。本毕业设计来源于国家自然科学基金项目“两种声波协同臭氧、紫外清洗与降解蔬果药残的机理研究（11274092）”。厨用超声清洗机是学校与企业合作，针对蔬果药残清洗，推向家用的产品。对药残有明显清洗效果[1]，但过去的方案存在着一些问题。本设计主要解决其中的三个：电源没有用到功率因数矫正，浪费了电网能量；系统设计时没有考虑电磁兼容的设计，电磁兼容差；没有专用辅助电源。解决这三个问题有利于厨用超声清洗机作为产品推广。
1.1.1研究背景
100 kHz～1 MHz超声辐照对有机物降解效果明显[2]，160 kHz 超声协同臭氧降解乙酰甲胺磷时产生显著效果[1]。超声清洗机在蔬果清洗应用中值得推广，与其他产品相比，取得核心竞争力，清洗机面临着效率问题；同时，作为产品推向民用面临着电磁兼容的问题。
如图1.1所示的从220V交流电网经整流后直接供给直流电路的无PFC变流方案被广泛使用，但由于整流器-电容滤波电路的组合虽然能使输入电 波形呈正弦，但输入交流电流 波形产生了畸变。不仅谐波电流会对电网造成危害，而且输入端功率因数下降，浪费电网能量。
(a)无PFC供电方案示意图 （b）无PFC供电方案波形图
图1.1 无PFC方案图
随着家用电器电子技术和生产工艺的发展，电磁环境变得复杂[3,4]，人们的健康随时可能受到电磁干扰危害；电子设备也不可避免的受到周围电磁场的影响，若不能很好地开展电磁兼容相关工作，环境中的电磁干扰能使电子、电气设备或系统等性能降级，甚至造成产品中元器件损坏，导致电路无法正常工作[5]。
电磁兼容受到国内外重视，各国对功率因数、谐波含量、电磁兼容性做了严格限制[6]。早在上世纪40年代，国外就开始关注电磁干扰（Electromagnetic Interference简称EMI）, 2001年我国加入世贸组织，技术关卡成为我国产品进入国外市场的壁垒。2003年中国强制性产品认证制度（China Compulsory Certification，简称3C）得到实施，凡列入目录内产品必须通过认证，走向市场。其中包括电磁兼容相关认证，通过制定标准来保证电磁兼容的合格。希望将电气电子设备电磁兼容技术提升到了一个新的高度。
1.1.2研究意义
本毕业设计的研究的目的是帮助超声协同臭氧处理药残的显著效果变为产品保护人体健康，造福大众。设计内容主要包括三个方面，功率因数校正电路、辅助电源、电磁兼容。
通过功率因数校正电路的设计，可提高电网利用率，节约电能，增加厨用超声清洗机的市场竞争力。电磁兼容标准中有对谐波电流（2到40次谐波）的检验项目，功率因数校正电路的设计有利于优化电路电磁兼容。
通过辅助电源的设计，可为厨用超声清洗机提供专用的电源，针对厨用超声清洗机需要，不浪费多余的资源且使用方便。
通过电子，电气设备电磁兼容的设计，可以有效的对电子、电气设备的电磁干扰进行控制，构造不危害健康的电磁环境，同时也保证不同设备同时工作时性能良好。
在设计电气电子产品时，必须在方案设计阶段就考虑电磁兼容的问题，一方面，进行电磁兼容设计，远比先研制样机再采取一定措施来优化电磁兼容要容易，另一方面，在设计阶段就考虑电磁兼容比对已成型产品控制电磁兼容要更加有效[7]。
1.2 AC-DC开关电源及功率因数校正发展概况
本毕业设计的内容中功率因数校正电路和辅助电源属于AC-DC（理解为AC转换为DC，即交流电转换为直流电）开关电源。开关电源是由线性稳压电源发展而来，传统的线性电源通常采用工频变压器和大电容滤波在通过线性调节器使输出电压变化。20世纪80年代，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT）的出现，把当时几十kHz提高到了100kHz以上。此后二十年，开关电源工作频率得到提高，同时也出现了一些新的技术，其中包括为了提高开关电源的功率因数,出现了功率因数校正技术[8-9]。开关电源向高功率因数、高性能、高效率和低污染的新阶段发展，开关电源的可靠性、稳定性、电磁兼容性、提高功率因数、增加系统自适应能力、提高工作频率、更高智能化等方面取得进步。
AC-DC开关电源主要用于将电网中的交流点转化为直流电为负载提供稳定的电压和电流。具有电源系统体积更小；重量更轻；转换效率更高；自适应能力更强；输出稳定、安全；可产生恒定的输出功率等优点[10]。目前，许多日常生活中的电器都用AC-DC开关电源。AC-DC开关电源的主要发展方向为高度集成化、功能复杂化、高效节能化。AD-DC变换器输入必须为50/60Hz交流电，需要较大储能电容同时也产生电磁兼容问题。
功率因数校正（Power Factor Correction，简称PFC）分为有源功率因数校正(Active Power Factor Correction ,简称APFC)?和无源PFC两种，其中无源PFC的功率因数较低，一般只有70%左右，同时还有电感量产难度大、质量大、容易产生震动噪声、输出功率不高的缺点。APFC电路较复杂，成本比被动PFC高，但功率因数、纹波、噪声等性能均比无源PFC更好，本设计采用APFC。
Alexander Abramovitz等[11] 分析了临界模式下电流峰值反馈方式的APFC工作原理，并分析了电流纹波的产生，从原理分析APFC中电流纹波的大小和影响APFC纹波大小的公式。对比输入滤波器和APFC电路，APFC电路的功率因数更高，电流谐波分量更少。
Zhongxian Wang等[12]用L6562控制APFC电路，并用EG8010是用来控制全桥逆变器电路。设计了一款可用，并且高效可变频的开关电源。并且拥有功率因数校正功能。
Martari等[13]了一款可用，并提出了一种新颖的线路电流传感器改良了APFC，可以安全和精确的数据采集功率因数测量。引起的固有的非线性光耦合器的第二次谐波被抵消。并做了实验，实验证明采用新的线路电流传感器对APFC的功率因数和效率都有一定的提升。
H. S. Athab等[14] 可用提出了一种基于新的准有源功率因数校正方案的颖进行输入电流整形。通过反激变换器第三次级绕组供电，搭建了辅助的PFC电路，使电路拥有高的功率因数和低的谐波分量，对工作原理进行了分析，通过实验验证了电路的高功率因数和低谐波分量。
1.3 电磁兼容国内外发展概况
国际电工委员会（International Electro technical Commission，简称IEC）制定了较有影响力的电磁兼容基础标准[15]；国际无线电干扰特别委员会(International Special Committee on Radio Interference ，简称CISPR)是IEC的一部分，颁布或出版工业、科学、医疗射频设备等范围电磁兼容标准；国际无线电科学联盟（International Union of Radio Science ，简称URSI）研究电磁噪声和干扰，涉及到电磁兼容各方面；电磁兼容技术委员会（Technical Committee 77?，简称TC77）是IEC的分技术委员会之一，也称IEC/TC77，负责抗扰度、低频范围、部分高频范围和产品抗扰度的电磁兼容标准制定[16-17]。
IEC标准体系有基础标准、通用标准和产品标准三个层次，每个层次都可分为A类和B类。
我国的电磁兼容标准制定机构 “全国无线电干扰标准化技术委员会” 在1986年成立,1997年 “电磁兼容标准化联合工作组”的成立后于2000年2月更名为“全国电磁兼容标准化技术委员会” ，主要工作是统一组织、规划和协调电磁兼容标准的制修订。2000年7月，全国电磁兼容标准化技术委员会成立，主要职责与IEC/TC77相同[18]。
1.3.1 电磁兼容的法律制度
欧洲共同体对在市场流通的商品质量，以指令（Directive)形式统一要求。1989年欧盟委员会率先颁布89/336/EEC指令（俗称欧盟EMC指令），规定从1996年起，所有电气电子产品必须通过认证，加贴欧洲统一（Conformite Europpene，简称CE）标志，才能在欧共体上销售，违者将被责令从市场收回并处重罚。2004年欧盟公布新版EMC指令2004/108/EC，美国联邦法典CFR?47/FCC?Rules也对电磁兼容认证提出了明确要求，任何不满足FCC要求的电磁辐射体都不得投放市场。向欧洲和美国出口的国家指令的制约，形成技术壁垒。
摘 要
农药的使用及其在蔬菜水果中的残留对人体产生危害,厨用超声清洗机能够对农药残留物进行有效清洗，但厨用超声清洗机变成产品面临一些问题，本毕业设计解决其中三个：功率因数不稳定、电磁兼容差、辅助电源不完备。
本论文中，对应提出了三个解决方案，功率因数校正电路、EMI滤波器、辅助电源电路。首先设计了电路，对元器件进行了选型；然后通过软件绘制原理图和PCB图，并制作了变压器和电路实物。结合实际情况，测试、调试电路，分析并解决了一些遇到的问题。将功率因数校正电路用于超声清洗机中，功率因数和电流谐波分量稳定，且性能良好。辅助电源考虑小功率输出和两路输出隔离，采用反激变换，产生一路12V和一路12V5V隔离输出，与厨用超声清洗机其余电路联调，厨用超声清洗机能正常工作。通过分析，电路中的逆变电路和信号发生电路，开关电源产生电磁干扰，通过PCB优化和EMI滤波器，对电磁干扰有一定的抑制作用，电流谐波含量稳定为20%左右。
通过实验，本设计对提高功率因数、优化电磁兼容以及独立辅助电源供电是有效的。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:超声清洗；开关电源；电磁兼容；EMI滤波器；功率因数
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 开关电源及功率因数发展概况 2
1.3 电磁兼容国内外发展概况 3
1.3.1 电磁兼容的法律制度 3
1.3.2 电磁兼容国际和国内标准 4
1.4 本章小结 4
第2章 厨用超声清洗电源及电磁兼容基本原理 7
2.1 开关电源及功率因数矫正简介 7
2.2 本设计所用到开关电源的工作原理 7
2.3 厨用超声清洗电源工作原理 11
2.4 电磁兼容性相关原理 11
2.5 本章小结 12
第3章 开关电源功率因数矫正设计 13
3.1 拓扑选择 13
3.2电路设计 13
3.3 元器件选择 14
3.3.1 型号选择 16
3.3.2 电感和变压器的设计及制作 17
3.4 电路实物相关工作 19
3.4.1电路测试 19
3.4.2 电路调试 22
3.5 本章小结 23
第4章 辅助电源设计 24
4.1方案设计及拓扑选择 24
4.2芯片及元器件选择 26
4.3实物相关工作 27
4.4本章小结 28
第5章 电磁兼容设计 29
5.1厨用超声清洗机电磁兼容性分析 29
5.2 提高电磁兼容性对策研究 30
5.3 本章小结 32
第6章 总结与展望 33
6.1 总结 33
6.2 展望 33
参考文献 35
致谢 38
附录A 39
附录B 40
附录C 41
英文文献翻译 42
第1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
我国是农业生产大国，农药在农作物病虫害防治中起重要作用，保证农作物产量，带来了经济效益。但农药的使用也给农产品带来污染，危害人体健康。蔬菜和水果（以下简称“蔬果”）补充人体所需水分、维生素等，是日常生活中必须的食物。必须对蔬果中农药残留物（以下简称“药残”）进行清洗，提高人们生活质量。本毕业设计来源于国家自然科学基金项目“两种声波协同臭氧、紫外清洗与降解蔬果药残的机理研究（11274092）”。厨用超声清洗机是学校与企业合作，针对蔬果药残清洗，推向家用的产品。对药残有明显清洗效果[1]，但过去的方案存在着一些问题。本设计主要解决其中的三个：电源没有用到功率因数矫正，浪费了电网能量；系统设计时没有考虑电磁兼容的设计，电磁兼容差；没有专用辅助电源。解决这三个问题有利于厨用超声清洗机作为产品推广。
1.1.1研究背景
100 kHz～1 MHz超声辐照对有机物降解效果明显[2]，160 kHz 超声协同臭氧降解乙酰甲胺磷时产生显著效果[1]。超声清洗机在蔬果清洗应用中值得推广，与其他产品相比，取得核心竞争力，清洗机面临着效率问题；同时，作为产品推向民用面临着电磁兼容的问题。
如图1.1所示的从220V交流电网经整流后直接供给直流电路的无PFC变流方案被广泛使用，但由于整流器-电容滤波电路的组合虽然能使输入电 波形呈正弦，但输入交流电流 波形产生了畸变。不仅谐波电流会对电网造成危害，而且输入端功率因数下降，浪费电网能量。
(a)无PFC供电方案示意图 （b）无PFC供电方案波形图
图1.1 无PFC方案图
随着家用电器电子技术和生产工艺的发展，电磁环境变得复杂[3,4]，人们的健康随时可能受到电磁干扰危害；电子设备也不可避免的受到周围电磁场的影响，若不能很好地开展电磁兼容相关工作，环境中的电磁干扰能使电子、电气设备或系统等性能降级，甚至造成产品中元器件损坏，导致电路无法正常工作[5]。
电磁兼容受到国内外重视，各国对功率因数、谐波含量、电磁兼容性做了严格限制[6]。早在上世纪40年代，国外就开始关注电磁干扰（Electromagnetic Interference简称EMI）, 2001年我国加入世贸组织，技术关卡成为我国产品进入国外市场的壁垒。2003年中国强制性产品认证制度（China Compulsory Certification，简称3C）得到实施，凡列入目录内产品必须通过认证，走向市场。其中包括电磁兼容相关认证，通过制定标准来保证电磁兼容的合格。希望将电气电子设备电磁兼容技术提升到了一个新的高度。
1.1.2研究意义
本毕业设计的研究的目的是帮助超声协同臭氧处理药残的显著效果变为产品保护人体健康，造福大众。设计内容主要包括三个方面，功率因数校正电路、辅助电源、电磁兼容。
通过功率因数校正电路的设计，可提高电网利用率，节约电能，增加厨用超声清洗机的市场竞争力。电磁兼容标准中有对谐波电流（2到40次谐波）的检验项目，功率因数校正电路的设计有利于优化电路电磁兼容。
通过辅助电源的设计，可为厨用超声清洗机提供专用的电源，针对厨用超声清洗机需要，不浪费多余的资源且使用方便。
通过电子，电气设备电磁兼容的设计，可以有效的对电子、电气设备的电磁干扰进行控制，构造不危害健康的电磁环境，同时也保证不同设备同时工作时性能良好。
在设计电气电子产品时，必须在方案设计阶段就考虑电磁兼容的问题，一方面，进行电磁兼容设计，远比先研制样机再采取一定措施来优化电磁兼容要容易，另一方面，在设计阶段就考虑电磁兼容比对已成型产品控制电磁兼容要更加有效[7]。
1.2 AC-DC开关电源及功率因数校正发展概况
本毕业设计的内容中功率因数校正电路和辅助电源属于AC-DC（理解为AC转换为DC，即交流电转换为直流电）开关电源。开关电源是由线性稳压电源发展而来，传统的线性电源通常采用工频变压器和大电容滤波在通过线性调节器使输出电压变化。20世纪80年代，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT）的出现，把当时几十kHz提高到了100kHz以上。此后二十年，开关电源工作频率得到提高，同时也出现了一些新的技术，其中包括为了提高开关电源的功率因数,出现了功率因数校正技术[8-9]。开关电源向高功率因数、高性能、高效率和低污染的新阶段发展，开关电源的可靠性、稳定性、电磁兼容性、提高功率因数、增加系统自适应能力、提高工作频率、更高智能化等方面取得进步。
AC-DC开关电源主要用于将电网中的交流点转化为直流电为负载提供稳定的电压和电流。具有电源系统体积更小；重量更轻；转换效率更高；自适应能力更强；输出稳定、安全；可产生恒定的输出功率等优点[10]。目前，许多日常生活中的电器都用AC-DC开关电源。AC-DC开关电源的主要发展方向为高度集成化、功能复杂化、高效节能化。AD-DC变换器输入必须为50/60Hz交流电，需要较大储能电容同时也产生电磁兼容问题。
功率因数校正（Power Factor Correction，简称PFC）分为有源功率因数校正(Active Power Factor Correction ,简称APFC)?和无源PFC两种，其中无源PFC的功率因数较低，一般只有70%左右，同时还有电感量产难度大、质量大、容易产生震动噪声、输出功率不高的缺点。APFC电路较复杂，成本比被动PFC高，但功率因数、纹波、噪声等性能均比无源PFC更好，本设计采用APFC。
Alexander Abramovitz等[11] 分析了临界模式下电流峰值反馈方式的APFC工作原理，并分析了电流纹波的产生，从原理分析APFC中电流纹波的大小和影响APFC纹波大小的公式。对比输入滤波器和APFC电路，APFC电路的功率因数更高，电流谐波分量更少。
Zhongxian Wang等[12]用L6562控制APFC电路，并用EG8010是用来控制全桥逆变器电路。设计了一款可用，并且高效可变频的开关电源。并且拥有功率因数校正功能。
Martari
H. S. Athab
1.3 电磁兼容国内外发展概况
国际电工委员会（International Electro technical Commission，简称IEC）制定了较有影响力的电磁兼容基础标准[15]；国际无线电干扰特别委员会(International Special Committee on Radio Interference ，简称CISPR)是IEC的一部分，颁布或出版工业、科学、医疗射频设备等范围电磁兼容标准；国际无线电科学联盟（International Union of Radio Science ，简称URSI）研究电磁噪声和干扰，涉及到电磁兼容各方面；电磁兼容技术委员会（Technical Committee 77?，简称TC77）是IEC的分技术委员会之一，也称IEC/TC77，负责抗扰度、低频范围、部分高频范围和产品抗扰度的电磁兼容标准制定[16-17]。
IEC标准体系有基础标准、通用标准和产品标准三个层次，每个层次都可分为A类和B类。
我国的电磁兼容标准制定机构 “全国无线电干扰标准化技术委员会” 在1986年成立,1997年 “电磁兼容标准化联合工作组”的成立后于2000年2月更名为“全国电磁兼容标准化技术委员会” ，主要工作是统一组织、规划和协调电磁兼容标准的制修订。2000年7月，全国电磁兼容标准化技术委员会成立，主要职责与IEC/TC77相同[18]。
1.3.1 电磁兼容的法律制度
欧洲共同体对在市场流通的商品质量，以指令（Directive)形式统一要求。1989年欧盟委员会率先颁布89/336/EEC指令（俗称欧盟EMC指令），规定从1996年起，所有电气电子产品必须通过认证，加贴欧洲统一（Conformite Europpene，简称CE）标志，才能在欧共体上销售，违者将被责令从市场收回并处重罚。2004年欧盟公布新版EMC指令2004/108/EC，美国联邦法典CFR?47/FCC?Rules也对电磁兼容认证提出了明确要求，任何不满足FCC要求的电磁辐射体都不得投放市场。向欧洲和美国出口的国家指令的制约，形成技术壁垒。
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