变频器的电磁兼容及其抑制（变频器控制电磁铁）

作者：马丁施泰布勒

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性(EMC) 抗扰度和电磁辐射(EMI) 以及隔离安全要求。您知道您设计的产品的法规要求吗？每个最终产品设计必须符合适当的标准，以确保产品符合要求并可以在所需的终端设备类别和环境中安全使用。

国际电工委员会(IEC) 发布的针对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 标准中规定的EMC 和EMI 要求取决于变频器所属的类别。类别范围从C1到C4，规定了逆变器的最大额定电压以及可以安装和使用的环境。变频器的最大额定电压可以小于1000V，也可以大于1000V。有两种环境：

第一种环境是指由公共电网供电的住宅或办公楼等住宅建筑中使用变频器。而第二环境是指在工业领域使用提供480V、560V或690VAC等三相电压的专用变压器供电的要求。在这篇博文中，我将重点关注类别2 (C2) 和类别3 (C3)，并指导您完成相应的培训视频系列。

C2类逆变器的额定电压在1000V以下，适合在1类环境下使用，但不能插拔，也不能由专业人员移动和安装。 C3类逆变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 要求和隔离级别。表1 显示了一些示例。

参数标准EMC 抗扰度（例如静电放电ESD） 人体模型(HBM)

充电设备模型（CDM）

IEC 61000-4-2 光隔离IEC 60747-5-5 (VDE* 0884-5-5) 增强型电容或磁隔离VDE 0884-10/VDE 0884-11

（新标准为IEC 60747-17）*Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V（VDE德文缩写） 表1 半导体器件级别标准

工业变频器如何满足EMC 抗扰度、EMI 和隔离要求？相应的测试是什么样的？图1显示了工业变频器的简化架构，该架构分为各个子系统，并在机柜外部提供可访问的接口和连接器。 EMC抗扰度测试干扰信号如浪涌、电快速瞬变(EFT)或静电放电(ESD)被施加到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、电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

我们来看看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标准等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构建。第二环境具有较高的EMC抗扰度要求，而第一环境具有较低的EMC抗扰度要求。因此，我们重点关注第二个环境。图2 显示了第二环境的IEC 61800-3 EMC 抗扰度要求的摘录。

图2. IEC 61800-3在第二环境中的EMC抗扰度要求

每个端口都需要通过特定的过压干扰，如IEC 61000-4-4 标准中针对+/- 2kV 电压水平的快速瞬变(EFT) 的规定。

如何验证变频器是否通过测试？因此，图2所示的性能验收标准是验证与终端设备相关的EMC测试的非常重要的基础。

标准A 规定，在EMC 测试期间或之后不得影响变频器的正常运行性能。

标准B 规定，仅在EMC 测试期间暂时的性能下降是可接受的。 EMC 测试后，变频器必须恢复并以正常运行性能运行，无需任何人为干预。

标准C 规定，测试期间功能或性能的暂时损失是可以接受的，并允许手动干预（例如电源循环或硬件重置）以恢复正常操作条件。

与大多数通常根据标准C 进行验证的半导体不同，终端设备必须至少满足标准B 或A，其中A 规定系统即使在EMC 测试期间也必须保持指定的性能。对于许多供应商来说，IEC61000-4-4定义的突发快速瞬变（EFT）抗扰度测试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驱动器性能的影响与快速瞬变(EFT) 突发相似。

如何设计符合EMC 要求的子系统？ TI 的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，绝对编码器通用数字接口参考设计具有适用于四线和两线编码器的符合EMC 标准的RS-485 接口。该参考设计符合IEC 61800-3 要求，通过了标准规定两倍高的所需测试电压。

要了解有关EMC 抗扰度要求、测试台设置以及如何基于位置编码器参考设计设计工业IEC EMC 兼容硬件的指南的更多信息，请观看培训视频系列的第2 部分和第3 部分。

EMI电磁辐射

IEC 618000-3还规定了变频器的电磁外部发射要求，并参考标准CISPR 11 Class A和等效的欧洲标准EN 55011 Class A搭建了具体的测试平台。CISPR是Comit International Spcial des Perturbations的缩写无线电。辐射发射是在30MHz 至1GHz 频段内测量的。对于属于IEC61000-3 类别2 或3 的工业设备，需要以分贝（微伏/米）为单位的电场强度来满足准峰值限值，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极限电场强度dB（V/m） 30 f 23040230 f 100047 表3. 30MHz 至1000MHz 频段的辐射发射限值（参见符合IEC-61800-3，表15)

符合EMI/EMC标准的工业温度双网口千兆位以太网PHY参考设计。该设计通过了IEC 61800-3 EMC 抗扰度要求，并且比EN 55011/CISPR 11 A 类辐射发射限制要求低4.3dB。一个很好的例子。

要了解有关EMI、测试台设置以及如何设计满足工业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。

审稿编辑：唐子红