工业变频器的电磁兼容标准须知

作者：Martin Staebler

工业变频器和伺服驱动器的设计工程师需要了解电磁兼容 (EMC) 抗扰度与电磁发射 (EMI)，以及隔离安全要求。 你知道你设计的产品的法规需求吗？ 每个终端产品设计都必须满足相应的标准，以确保产品在所需的终端设备类别和环境中使用合规且安全。

国际电工委员会 (IEC) 发布的关于变速驱动系统的相应终端设备标准包括针对 EMC 和 EMI 的 IEC 61800-3 以及针对系统安全要求 (包括隔离) 的 IEC 61800-5-1。IEC 61800-3 标准中指定的 EMC 和 EMI 要求取决于变频器所属的类别。 类别范围从C1到C4，且规定了变频器的最高额定电压和可以安装使用的环境。 变频器的最高额定电压可以小于1000V，也可以大于1000V。分以下两种环境：

第一种环境是指在由公共电网供电的房屋或办公楼等住宅楼宇中使用变频器。 而第二个环境是指在由专用变压器供电的工业区域中使用的要求，该变压器提供 480V、560V 或 690VAC 等三相电压。 在这篇博文中，我将重点介绍第 2 类 (C2) 和第 3 类 (C3)，并指导您观看相应的培训视频系列。

C2类变频器的额定电压在1000V以下，适合在第一类环境中使用，但不能插拔，也不能由专业人员移动和安装。 C3类 变频器的额定电压也低于 1000V，但仅限于在第二类环境中使用。

半导体在器件级别也有自己特定的 EMC 要求和隔离等级。 表 1 中显示了一些示例。

参数	标准
EMC抗扰度 (比如静电放电ESD)	人体模型 (HBM) 充电设备模型 (CDM) IEC 61000-4-2
光型隔离	IEC 60747-5-5 (VDE* 0884-5-5)
增强型电容型或者磁型隔离	VDE 0884-10/VDE 0884-11 (新标准是IEC 60747-17)
*Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V (VDE 德语缩写)

表1 半导体器件级别标准

工业变频器是如何对应EMC 抗扰度、EMI 和隔离要求的？相应的测试是什么样的？图 1 显示了一个工业变频器的简化架构，它被划分为各种子系统，并在机柜外提供可访问的接口和连接器。浪涌 (Surge) ，电快速瞬变 (EFT) 或者静电放电 (ESD) 等 EMC 抗扰度测试干扰信号施加于每个子系统的接口连接器。 具有可访问接口或连接器的典型子系统包括通信接口，用户输入和输出 (I/O) 接口，位置反馈接口，动力线接口和交流电源输入。

图1. 工业变频器EMC 抗扰度测试信号示例

EMC 抗扰度

让我们看看 EMC 抗扰度要求和测试方法。 IEC 61800-3 规定了干扰电压等级和测试通过判据等 EMC 抗扰度要求，并参考了 IEC 61000-4-x 标准，该标准描述了 ESD、EFT 和Surge的测试方法和测试平台搭建。 第二种环境的 EMC 抗扰度要求较高，而第一种环境的 EMC 抗扰度要求较低。 因此，我们关注第二环境。 图 2 显示了针对第二种环境的 IEC 61800-3 EMC 抗扰度要求的摘录。

图2. 第二种环境中IEC 61800-3 的EMC抗扰度要求

每个端口都需要通过特定的过电压干扰，如 IEC 61000-4-4 标准中针对 +/- 2kV 电压等级的快速瞬变脉冲群 (EFT) 所规定的。

我们如何验证变频器是否通过了测试？ 因此，如图 2 所示的性能验收标准是验证终端设备相关 EMC 测试的一个非常重要的依据。

判据A 规定在 EMC 测试期间或之后不得影响变频器正常工作性能。

判据B 规定临时性能下降仅在 EMC 测试期间是可接受的。在EMC 测试之后，变频器必须在没有任何人工干预的情况下恢复并以正常工作性能运行。

判据C规定在测试期间暂时的功能或性能损失是可以接受的，并允许手动干预，如重新上下电或硬件复位重置来恢复正常运行状态。

与通常根据判据C 进行验证的大多数半导体不同，终端设备必须至少满足判据 B 或 A，其中 A 规定了系统即使在 EMC 测试期间也必须保持指定的性能。对于许多供应商而言，IEC61000-4-4 定义的快速瞬变脉冲群 (EFT) 抗扰度实验是证明工业变频器稳健性的最重要的 EMC 抗扰度测试。这是因为通过逆变器 PWM 开关电压耦合到电缆或印刷电路板的脉冲噪声对变频器性能的影响与快速瞬变脉冲群 (EFT) 相似。

您如何设计符合 EMC 标准的子系统？ TI 工业变频器参考设计旨在满足工业变频器的 EMC 抗扰度要求。 例如，绝对式编码器的通用数字接口参考设计为四线和两线编码器设计了符合 EMC 标准的 RS-485 接口。 该参考设计符合 IEC 61800-3 要求，通过了比标准定义高出两倍的所需测试电压。

要详细了解 EMC 抗扰度要求、测试平台搭建以及有关如何基于位置编码器参考设计来设计符合工业IEC EMC 标准的硬件的指导，请观看培训视频系列的 第 2 节和 第 3 节。

EMI 电磁发射

IEC 618000-3 还规定了变频器的电磁对外发射要求，并参考标准 CISPR 11 A 类和等效的欧洲标准 EN 55011 A 类标准进行特定测试平台搭建。 CISPR 是 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques 的简称。 辐射发射是在 30MHz 至 1GHz 的频带内测量的。 对于属于 IEC61000-3 类别 2 或 3 的工业设备，需要满足准峰值限值以分贝（微伏每米）为单位的电场强度，如表 3 所示。

测试频率 MHz	2类设备在10米测试条件下的准峰值限值电场强度 dB (µV/m)
30 ≤ f ≤ 230	40
230 ≤ f ≤ 1000	47

表3. 30MHz到1000MHz频带下的辐射发射限值 (参考 IEC-61800-3, Table 15)

符合 EMI/EMC 标准的工业温度双网口千兆以太网 PHY 参考设计，这个设计是通过 IEC 61800-3 EMC 抗扰度要求并低于 EN 55011/CISPR 11 A 类辐射发射限值要求 4.3dB 的一个很好的例子。

要了解有关 EMI，测试平台搭建以及如何设计符合工业 EMC 和 EMI 标准的硬件的更多信息，请观看培训视频系列的第 4 部分。

审核编辑：汤梓红