工業(yè)變頻器的電磁兼容標準須知

作者：Martin Staebler

工業(yè)變頻器和伺服驅(qū)動器的設(shè)計工程師需要了解電磁兼容 (EMC) 抗擾度與電磁發(fā)射 (EMI)，以及隔離安全要求。 你知道你設(shè)計的產(chǎn)品的法規(guī)需求嗎？ 每個終端產(chǎn)品設(shè)計都必須滿足相應的標準，以確保產(chǎn)品在所需的終端設(shè)備類別和環(huán)境中使用合規(guī)且安全。

國際電工委員會 (IEC) 發(fā)布的關(guān)于變速驅(qū)動系統(tǒng)的相應終端設(shè)備標準包括針對 EMC 和 EMI 的 IEC 61800-3 以及針對系統(tǒng)安全要求 (包括隔離) 的 IEC 61800-5-1。IEC 61800-3 標準中指定的 EMC 和 EMI 要求取決于變頻器所屬的類別。 類別范圍從C1到C4，且規(guī)定了變頻器的最高額定電壓和可以安裝使用的環(huán)境。 變頻器的最高額定電壓可以小于1000V，也可以大于1000V。分以下兩種環(huán)境：

第一種環(huán)境是指在由公共電網(wǎng)供電的房屋或辦公樓等住宅樓宇中使用變頻器。 而第二個環(huán)境是指在由專用變壓器供電的工業(yè)區(qū)域中使用的要求，該變壓器提供 480V、560V 或 690VAC 等三相電壓。 在這篇博文中，我將重點介紹第 2 類 (C2) 和第 3 類 (C3)，并指導您觀看相應的培訓視頻系列。

C2類變頻器的額定電壓在1000V以下，適合在第一類環(huán)境中使用，但不能插拔，也不能由專業(yè)人員移動和安裝。 C3類 變頻器的額定電壓也低于 1000V，但僅限于在第二類環(huán)境中使用。

半導體在器件級別也有自己特定的 EMC 要求和隔離等級。 表 1 中顯示了一些示例。

表1 半導體器件級別標準

工業(yè)變頻器是如何對應EMC 抗擾度、EMI 和隔離要求的？相應的測試是什么樣的？圖 1 顯示了一個工業(yè)變頻器的簡化架構(gòu)，它被劃分為各種子系統(tǒng)，并在機柜外提供可訪問的接口和連接器。浪涌 (Surge) ，電快速瞬變 (EFT) 或者靜電放電 (ESD) 等 EMC 抗擾度測試干擾信號施加于每個子系統(tǒng)的接口連接器。 具有可訪問接口或連接器的典型子系統(tǒng)包括通信接口，用戶輸入和輸出 (I/O) 接口，位置反饋接口，動力線接口和交流電源輸入。

圖1. 工業(yè)變頻器EMC 抗擾度測試信號示例

EMC 抗擾度

讓我們看看 EMC 抗擾度要求和測試方法。 IEC 61800-3 規(guī)定了干擾電壓等級和測試通過判據(jù)等 EMC 抗擾度要求，并參考了 IEC 61000-4-x 標準，該標準描述了 ESD、EFT 和Surge的測試方法和測試平臺搭建。 第二種環(huán)境的 EMC 抗擾度要求較高，而第一種環(huán)境的 EMC 抗擾度要求較低。 因此，我們關(guān)注第二環(huán)境。 圖 2 顯示了針對第二種環(huán)境的 IEC 61800-3 EMC 抗擾度要求的摘錄。

圖2. 第二種環(huán)境中IEC 61800-3 的EMC抗擾度要求

每個端口都需要通過特定的過電壓干擾，如 IEC 61000-4-4 標準中針對 +/- 2kV 電壓等級的快速瞬變脈沖群 (EFT) 所規(guī)定的。

我們?nèi)绾悟炞C變頻器是否通過了測試？ 因此，如圖 2 所示的性能驗收標準是驗證終端設(shè)備相關(guān) EMC 測試的一個非常重要的依據(jù)。

判據(jù)A 規(guī)定在 EMC 測試期間或之后不得影響變頻器正常工作性能。

判據(jù)B 規(guī)定臨時性能下降僅在 EMC 測試期間是可接受的。在EMC 測試之后，變頻器必須在沒有任何人工干預的情況下恢復并以正常工作性能運行。

判據(jù)C規(guī)定在測試期間暫時的功能或性能損失是可以接受的，并允許手動干預，如重新上下電或硬件復位重置來恢復正常運行狀態(tài)。

與通常根據(jù)判據(jù)C 進行驗證的大多數(shù)半導體不同，終端設(shè)備必須至少滿足判據(jù) B 或 A，其中 A 規(guī)定了系統(tǒng)即使在 EMC 測試期間也必須保持指定的性能。對于許多供應商而言，IEC61000-4-4 定義的快速瞬變脈沖群 (EFT) 抗擾度實驗是證明工業(yè)變頻器穩(wěn)健性的最重要的 EMC 抗擾度測試。這是因為通過逆變器 PWM 開關(guān)電壓耦合到電纜或印刷電路板的脈沖噪聲對變頻器性能的影響與快速瞬變脈沖群 (EFT) 相似。

您如何設(shè)計符合 EMC 標準的子系統(tǒng)？ TI 工業(yè)變頻器參考設(shè)計旨在滿足工業(yè)變頻器的 EMC 抗擾度要求。 例如，絕對式編碼器的通用數(shù)字接口參考設(shè)計為四線和兩線編碼器設(shè)計了符合 EMC 標準的 RS-485 接口。 該參考設(shè)計符合 IEC 61800-3 要求，通過了比標準定義高出兩倍的所需測試電壓。

要詳細了解 EMC 抗擾度要求、測試平臺搭建以及有關(guān)如何基于位置編碼器參考設(shè)計來設(shè)計符合工業(yè)IEC EMC 標準的硬件的指導，請觀看培訓視頻系列的 第 2 節(jié)和 第 3 節(jié)。

EMI 電磁發(fā)射

IEC 618000-3 還規(guī)定了變頻器的電磁對外發(fā)射要求，并參考標準 CISPR 11 A 類和等效的歐洲標準 EN 55011 A 類標準進行特定測試平臺搭建。 CISPR 是 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques 的簡稱。 輻射發(fā)射是在 30MHz 至 1GHz 的頻帶內(nèi)測量的。 對于屬于 IEC61000-3 類別 2 或 3 的工業(yè)設(shè)備，需要滿足準峰值限值以分貝（微伏每米）為單位的電場強度，如表 3 所示。

表3. 30MHz到1000MHz頻帶下的輻射發(fā)射限值 (參考 IEC-61800-3, Table 15)

符合 EMI/EMC 標準的工業(yè)溫度雙網(wǎng)口千兆以太網(wǎng) PHY 參考設(shè)計，這個設(shè)計是通過 IEC 61800-3 EMC 抗擾度要求并低于 EN 55011/CISPR 11 A 類輻射發(fā)射限值要求 4.3dB 的一個很好的例子。

要了解有關(guān) EMI，測試平臺搭建以及如何設(shè)計符合工業(yè) EMC 和 EMI 標準的硬件的更多信息，請觀看培訓視頻系列的第 4 部分。

審核編輯：湯梓紅