工業(yè)變頻器的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)須知

工業(yè)變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)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(jì)的產(chǎn)品的法規(guī)需求嗎？ 每個(gè)終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)都必須滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，以確保產(chǎn)品在所需的終端設(shè)備類(lèi)別和環(huán)境中使用合規(guī)且安全。

國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 發(fā)布的關(guān)于變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相應(yīng)終端設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)包括針對(duì) EMC 和 EMI 的 IEC 61800-3 以及針對(duì)系統(tǒng)安全要求 (包括隔離) 的 IEC 61800-5-1。IEC 61800-3 標(biāo)準(zhǔn)中指定的 EMC 和 EMI 要求取決于變頻器所屬的類(lèi)別。 類(lèi)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(gè)環(huán)境是指在由專(zhuān)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(diǎn)介紹第 2 類(lèi) (C2) 和第 3 類(lèi) (C3)，并指導(dǎo)您觀看相應(yīng)的培訓(xùn)視頻系列。

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

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

表1 半導(dǎo)體器件級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)

工業(yè)變頻器是如何對(duì)應(yīng)EMC 抗擾度、EMI 和隔離要求的？相應(yīng)的測(cè)試是什么樣的？圖 1 顯示了一個(gè)工業(yè)變頻器的簡(jiǎn)化架構(gòu)，它被劃分為各種子系統(tǒng)，并在機(jī)柜外提供可訪問(wèn)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(cè)試干擾信號(hào)施加于每個(gè)子系統(tǒng)的接口連接器。 具有可訪問(wèn)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(dòng)力線接口和交流電源輸入。

圖1. 工業(yè)變頻器EMC 抗擾度測(cè)試信號(hào)示例

EMC 抗擾度

讓我們看看 EMC 抗擾度要求和測(cè)試方法。 IEC 61800-3 規(guī)定了干擾電壓等級(jí)和測(cè)試通過(guò)判據(jù)等 EMC 抗擾度要求，并參考了 IEC 61000-4-x 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)描述了 ESD、EFT 和Surge的測(cè)試方法和測(cè)試平臺(tái)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(duì)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(gè)端口都需要通過(guò)特定的過(guò)電壓干擾，如 IEC 61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì) +/- 2kV 電壓等級(jí)的快速瞬變脈沖群 (EFT) 所規(guī)定的。

我們?nèi)绾悟?yàn)證變頻器是否通過(guò)了測(cè)試？ 因此，如圖 2 所示的性能驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是驗(yàn)證終端設(shè)備相關(guān) EMC 測(cè)試的一個(gè)非常重要的依據(jù)。

判據(jù)A 規(guī)定在 EMC 測(cè)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(shí)性能下降僅在 EMC 測(cè)試期間是可接受的。在EMC 測(cè)試之后，變頻器必須在沒(méi)有任何人工干預(yù)的情況下恢復(fù)并以正常工作性能運(yùn)行。

判據(jù)C規(guī)定在測(cè)試期間暫時(shí)的功能或性能損失是可以接受的，并允許手動(dòng)干預(yù)，如重新上下電或硬件復(fù)位重置來(lái)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

與通常根據(jù)判據(jù)C 進(jìn)行驗(yàn)證的大多數(shù)半導(dǎo)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(cè)試期間也必須保持指定的性能。對(duì)于許多供應(yīng)商而言，IEC61000-4-4 定義的快速瞬變脈沖群 (EFT) 抗擾度實(shí)驗(yàn)是證明工業(yè)變頻器穩(wěn)健性的最重要的 EMC 抗擾度測(cè)試。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)逆變器 PWM 開(kāi)關(guān)電壓耦合到電纜或印刷電路板的脈沖噪聲對(duì)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(jì)符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的子系統(tǒng)？ TI 工業(yè)變頻器參考設(shè)計(jì)旨在滿足工業(yè)變頻器的 EMC 抗擾度要求。 例如，絕對(duì)式編碼器的通用數(shù)字接口參考設(shè)計(jì)為四線和兩線編碼器設(shè)計(jì)了符合 EMC 標(biāo)準(zhǔn)的 RS-485 接口。 該參考設(shè)計(jì)符合 IEC 61800-3 要求，通過(guò)了比標(biāo)準(zhǔn)定義高出兩倍的所需測(cè)試電壓。

要詳細(xì)了解 EMC 抗擾度要求、測(cè)試平臺(tái)搭建以及有關(guān)如何基于位置編碼器參考設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)符合工業(yè)IEC EMC 標(biāo)準(zhǔn)的硬件的指導(dǎo)，請(qǐng)觀看培訓(xùn)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(duì)外發(fā)射要求，并參考標(biāo)準(zhǔn) CISPR 11 A 類(lèi)和等效的歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 55011 A 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行特定測(cè)試平臺(tái)搭建。 CISPR 是 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques 的簡(jiǎn)稱(chēng)。 輻射發(fā)射是在 30MHz 至 1GHz 的頻帶內(nèi)測(cè)量的。 對(duì)于屬于 IEC61000-3 類(lèi)別 2 或 3 的工業(yè)設(shè)備，需要滿足準(zhǔn)峰值限值以分貝（微伏每米）為單位的電場(chǎng)強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)溫度雙網(wǎng)口千兆以太網(wǎng) PHY 參考設(shè)計(jì)，這個(gè)設(shè)計(jì)是通過(guò) IEC 61800-3 EMC 抗擾度要求并低于 EN 55011/CISPR 11 A 類(lèi)輻射發(fā)射限值要求 4.3dB 的一個(gè)很好的例子。

要了解有關(guān) EMI，測(cè)試平臺(tái)搭建以及如何設(shè)計(jì)符合工業(yè) EMC 和 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的硬件的更多信息，請(qǐng)觀看培訓(xùn)視頻系列的第 4 部分。

作者：Martin Staebler