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变频器的EMC标准及典型试验方法

技术专栏

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变频器的EMC标准及典型试验方法

  • 分类:技术专栏
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  • 发布时间:2022-08-14 20:41

  EMC是Electromagnetic Magnetic Compatibility的简称,中文是电磁兼容性。EMC是指“设备在电磁环境中正常工作的能力,而不会对环境中的其他设备造成不可容忍的干扰”。

  在日益复杂的系统中,电力电子设备与微电子设备的结合使用日益增多,这意味着在确保复杂系统和设备正常运行时,电磁兼容性已成为一个极其重要的问题。因此,在设备和系统的规划阶段就必须考虑到电磁兼容性问题。

  变频器适用于调速电驱动系统(Power Drive Systems,简称PDS)的EMC产品标准GB 12668.3,标准名称:调速电气传动系统 第3部分:电磁兼容性要求及特定的试验方法,等同于国际标准IEC61800-3。下面就标准对PDS的抗扰度要求和电磁发射要求进行简要介绍。

  一、概述

  GB 12668.3标准根据应用环境条件定义了抗干扰性要求和干扰发射限值。按照安装位置,将环境分为“第一类”和“第二类”。

  第一类环境

  包括民用房屋的环境,也包括不经过中间变压器而直接连接到向民用建筑物供电的低压供电网的应用环境。

  第二类环境

  包括除直接连接到向民用建筑物供电的低压供电网的应用环境外的所有环境。

  根据变速驱动器的安装位置和输出电流,PDS产品分为四种类别(C1到C4):

  C1类PDS

  额定电压<1000V,在“第一类”环境中使用不受限制的驱动系统。

  C2类PDS

  额定电压<1000V,在“第二类”环境中的固定位置使用的驱动系统。既不是插入式设备也不是移动式设备,并且当用于第一类环境时,规定为只能由专业人员安装和调试的PDS。必须遵守制造商提供的警告和安装信息。

  C3类PDS

  额定电压<1000V,在“第二类”环境中使用的不受限制的驱动系统。

  C4类PDS

  额定电压 ≥1000V或额定电流≥400A,用于“第二”环境中的复杂系统的驱动系统。

  

  在“第一类”环境(即民用环境)中,允许的干扰等级较低。因此,设计用于“第一类”环境的设备必须具有低的干扰发射。但同时,它们只要求相对较低的抗干扰性。

  在“第二类”环境中(即工业区),允许的干扰等级较高。为在“第二”环境中使用而设计的设备允许具有相对较高水平的干扰发射,但它们也要求具有较高水平的抗干扰性。

  所有试验评价,都是在产品的端口上进行,PDS产品内部接口和端口示意如下:

  针对PDS及其子部件按给定骚扰的影响,抗扰度试验分为A、B、C三种验收(性能)准则:

  

  二、抗扰度测试要求:低频骚扰

  理想电力系统:单一频率,单一波形(正弦)。

  现代电力电子装置的大量出现,非线性负荷的适用,供电电源与用电设备间的非线性接口电路等,都不可避免的产生很强的电流谐波及电磁干扰,对电力系统的安全构成潜在的威胁。为此,GB 12668.3规定了PDS电源端口上的谐波和换相缺口/电压畸变的抗扰度要求。

  2.1谐波和换相缺口/电压畸变

  PDS设备应能承受下表给出的抗扰度等级。

  

  2.2、电压偏差(变动、变化、波动)、电压跌落和短时中断

  电压跌落是电网中偶尔产生的短路、接地故障,或负荷突然出现大的变化所造成的。电压短时中断则可能是故障情况下的连续快速重合闸造成的,持续时间可能短于0.5s。

  GB 12668.3规定了PDS系统或部件电压偏差(变动、变化、波动)、电压跌落和短时中断抗扰度要求如下。

  

  2.3、电压不平衡和频率变化

  出现不平衡有多方面的原因,比如说出现了断线的故障,如果断线,没有接地或者隔离开关没有接通,就会导致三相参数不对称,直接会出现电压不平衡的问题。

  电压不平衡一般用负序(或零序)分量与正序分量之比来定义。

  电力系统的频率变化是多方面因素决定的。小的频率波动可能是由于可再生能源发电的不稳定和负载变化造成的。大的频率波动则是由于发电机组或重要输电线路的故障造成的。

  GB 12668.3规定了PDS系统或部件电压不平衡和频率变化抗扰度要求如下。

  

  三、抗扰度测试要求:高频骚扰

  3.1第一类环境

  用于第一类环境的PDS产品,应满足如下测试要求。

  如果是CDM/BDM产品,则应在使用说明书中包含一个书面形式的警告,指明其预期用途不是工业装备。

  

  3.2、第二类环境

  如下抗扰度等级适用于预期用途为第二类环境的PDS设备。同时也适用于额定电压高于1 000V的PDS的低压端口或低压接口(电源、信号)。

  注:额定电压高于1000V的PDS的低压端口和接口示例:

  低压机壳端口:辅助设备、控制和保护的机壳

  低压电源端口:PDS的低压电源

  低压电源接口:PDS主要部件内的辅助电源配电

  低压信号接口:PDS主要部件内的低压信号接口

  低压过程端口:PDS的信号端口

  

  对于施加到额定绝缘电压高于1 000V的端口上来说,这些现象是不恰当的。这类端口称为额定电压高于1000V的PDS的高压端口。

  注:额定电压高于1000V的PDS的高压端口和接口示例:

  高压机壳端口:变压器、变流器部分和电动机的机壳

  高压电源端口:变压器的一次侧

  高压电源接口:PDS主要部件内的高压配电

  高压信号接口:PDS主要部件内的高压信号接口

  3.3、电磁场抗扰度补充说明

  如果PDS是一下情形,应按照GB/T 17626.3和IEC 61000-4-6试验:

  —— 额定电压不高于500 V;

  —— 额定电流不大于200 A;

  —— 总质量不大于250 kg;和

  —— 高度、宽度和深度不大于1.9 m。

  如果PDS的额定值大于或高于以上段落中的值,则需要在以下两个选项中做出选择:

  —— 在PDS上进行GB/T 17626.3和IEC 61000-4-6中的项目;或者

  —— 在敏感子部件上进行GB/T 17626.3和IEC 61000-4-6中的项目。

  如果电动机太大以至于不能再试验场地投入使用,只要对CDM/BDM的运行没有不利影响,就可以用较小尺寸的电动机替代进行试验。

  在只是已经对子部件进行试验的情况下,应在成套PDS上进行与一般工业用途的无线电通信设备的对比试验。这一试验只对特定场所、所安装设备和所试验频率有效。

  4、发射测试

  PDS依据产品类别应分别满足相应的要求,其中C1、C2、C3需要进行符合性验证,对于C4类按照标准6.5完成工程设计实践。

  

  在PDS不符合C1类的限值的场合,应在使用说明书中包括以下警告:

  

  五、试验方案

  5.1电波暗室法

  试验项目简介:

  CISPR 16等标准规定,EUT需要在开阔场地或电波暗室进行30MHz以上的辐射发射测试。EUT放在地平面上规定的高度并模拟正常运行状态来布置。天线按规定的距离放置。在水平面内旋转EUT并记下最大的读数。再调节天线高度,使直射波和地面反射波接近或达到同相叠加,找出最大的骚扰值。

  测量距离:是指EUT最接近天线的一点与天线的中心在地面上的投影间的距离。优先采用10米法,可选3米法。

  天线高度:天线距离地面的高度应在规定的范围内变化,以便获得直射波和反射波同相位时会出现的最大读数。对于测量距离≤10米时,天线高度最好在1m~4m间变化。

  辐射发射测试布置示意图

  射频电磁场辐射抗扰度试验用来模拟设备遭受射频辐射干扰的情形,尤其是模拟设备周围人员在使用移动电话时可能对设备带来的影响。尽管单个手机的功率并不大,但由于距离近,有可能造成局部场强很高的情况。其他如无线电台、电视发射台、移动无线电发射机、各种工业电磁辐射源,以及电焊机、可控硅整流器、荧光灯等在工作时也会对设备产生辐射现象。最新标准所规定的频率范围为:80MHz - 6GHz;测试场强在1 - 30V/m之间。

  射频电磁场测试布置示意图

  世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司实验室测试方案:

  10m电波暗室SAC-10采用最先进的电磁兼容测试解决方案。暗室工程德国全程控制,工艺严谨,施工规范。吸波材料采用独特的纳米材料,替代传统的碳粉技术吸波材料性能优异、稳定、测试一致性极好 。并且吸波材料具有完全不燃烧、全球唯一满足DIN4102 A2防火等级要求,避免暗室着火事件发生。

  电波暗室SAC-10主要性能参数如下:

  

  PDS及其子部件测试需求评估:

  电波暗室系统完全满足PDS产品第3.1和3.2章节关于80MHz~1 000MHz频段3V/m的射频电磁场(RS)测试,以及第4章节10m场辐射发射(RE)30MHz-1000MHz测试需求。并且电波暗室采用3测试轴设计,EMI、EMS无需切换场地,极大节约了场地布置和仪器调试时间,让测试变得更简单、高效。

  5.2谐波电流和电压闪烁

  试验项目简介:

  由于电子产品内部大量使用开关电源,在提高电源效率的同时,由于非线性的电能转换,会向电网里注入大量谐波电流,它不仅会干扰同一电网中的其他设备,还会使电网的中线电流超载,影响输电能力。此外,对电源的相位控制还会引起电网有效值电流发生变化,导致负载侧的有效值电压产生波动,引起照明灯具的灯光闪烁。

  谐波测试主要测量EUT工作时注入到电网中的谐波,谐波测量电路中,试验电源S是一个理想化的交流电源,具有内阻小、波形纯、电压稳和频率准的特点。测量设备M是个离散傅里叶变换的时域分析仪器,可以分析1-40阶次的谐波电流值。

  电压波动和闪烁的测试,主要测量EUT引起的电网电压的变化。电压的变化产生的干扰影响不仅仅取决于电压变化的幅度,还取决于它发生的频度,电压变化通常用两个指标来评价,即电压波动和闪烁。电压波动指标反映了突然的较大的电压变化程度,而闪烁指标则反映了一段时间内连续的电压变化情况。电压波动和闪烁电路中,供电电源S的参考阻抗Z(在50Hz时)的组成:RA=0.24Ω,jXN=0.15Ω;RN=0.16Ω,jXN=0.10Ω。

  谐波电流和电压闪烁测试布置示意图

  世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司实验室测试方案:

  谐波和闪烁分析仪DPA 503N,是一台全认证级的谐波和闪烁分析仪,它满足最新版IEC/EN61000-3-2、IEC/EN61000-3-3 和 JIS C 61000-3-2标准要求。同时符合IEC/EN 61000-4-7:2002 和Am.1:2008 (A 类仪器)以及 IEC/EN 61000-4-15:2003标准要求。完全满足PDS产品低频发射(电源端口)测试需求。

  5.3传导骚扰

  试验项目简介:

  电源线传导骚扰的测试,尽管不同产品由不同标准进行规定,但基本方法是一样的,由人工电源网络(AMN或称线路阻抗稳定网络LISN)和EMI测试接收机组成,其中(50μH+5Ω)//50Ω或者50μH//50Ω的V型人工电源网络可以在给定频率范围内,为骚扰电压的测量提供标准规定的50欧姆阻抗,并使受试设备(EUT)与电源相互隔离。当LISN不适用时,可使用电压探头进行测量。

  传导骚扰测试简图

  世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司实验室测试方案:

  ESR接收机完全符合CISPR 16-1-1 标准。该接收机可以通过传统步进式频率扫描或者在极高的速度下通过基于 FFT 的时域扫描测量电磁干扰。 与此同时,R&S®ESR 亦可作为一款功能全面的强大的信号及频谱分析仪。传导骚扰测试系统还配置了具有高阻容性电压探头CVP9222C、高压探头TK9420(2.5kV)、人工电源网络NNLK 8129 RC等多套专业测试 仪器,可完全满足GB 12668.3对电源端口、电信端口测量要求。

  5.4静电放电

  试验项目简介:

  静电放电抗扰度试验主要检查人或物体在接触设备时所引起的放电(直接放电),以及人或物体对设备邻近物体的放电(间接放电)时对设备工作造成的影响。静电放电时可以在0.5-20ns的时间内产生1-50A的放电电流。虽然电流很大但因持续时间很短,故能量较小。所以一般静电放电不会对人产生伤害,但对集成电路芯片等电子产品可能产生破坏性的危害。

  静电放电试验的测试等级为:接触放电2kV,4kV,6kV,8kV;空气放电:2kV,4kV,8kV,15kV。

  静电放电测试布置示意图

  世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司实验室测试方案:

  EMTEST静电放电信号发生器NX30,空气放电和接触放电的测试电压最高可达 30 kV,放电频率最高可达 25 Hz,多种可方便更换放电模块和放电头。供电电池支持在 30 kV 电压放电 30,000 次,支持 Windows 7 操作系统的控制和分析软件。

  该静电放电信号发生器完全满足PDS产品空气放电8kV和接触放电4kV测试要求,并且NX30轻便,易移动,使用符合人体工程学设计,操作极其便捷。

  5.5电快速瞬变脉冲群

  试验项目简介:

  电快速瞬变脉冲群抗扰度试验是模拟电网中众多机械开关在切换感性负载时所产生的干扰。这类干扰的特点是:成群出现的窄脉冲、脉冲的重复频率较高(kHz-MHz级)、上升沿陡峭(ns级)、单个脉冲的持续时间短暂(10-100ns级)、幅度达到kV级。成群出现的窄脉冲可对半导体器件的结电容充电,当能量积累到一定程度后可引起线路或设备出错。试验时将脉冲叠加在电源线和通信线路,对设备形成干扰。

  受试设备(EUT)的试验部分主要包括设备的供电电源端口、保护接地(PE)、信号和 控制端口。

  电快速瞬变脉冲群测试布置示意图

  世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司实验室测试方案:

  Compact NX5超小型模拟器是一台多功能测试设备,能够满足国际标准(基础标准与通用标准)和产品系列标准对瞬变、脉冲等测试的各种要求。Compact NX5 配备了易于使用的彩色触摸屏、内置了单相耦合/去耦网络,通过自动控制的外置耦合网络NX系列的三相耦合/去耦网络耦合EFT/Burst脉冲,EUT电压可高达1000 VDC / 3 x 690 VAC。以及可测试电缆直径最大 40 mm、脉冲群电压 7 kV 的CCI电容耦合钳。完全满足PDS产品电源端口、过程测量和控制线端口及信号接口2kV/ 5 kHz试验等级需求。

  5.6浪涌(冲击)抗扰度

  试验项目简介:

  浪涌(冲击)抗扰度试验,是模拟自然界里的雷击(间接雷)以及供电线路中因大型开关切换所引起的电压变化对供电线路和通信线路的影响。浪涌试验

  规定了两种波形(1.2/50μs和通信波10/700μs)、幅值为0.5kV到4kV,能量特别大,对EUT的影响可能是破坏性的。10/700μs(俗称通信波)适用于长距离对称通信端口,1.2/50μs适用于电源线端口和其他信号线端口。

  浪涌(冲击)测试布置示意图

  世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司实验室测试方案:

  Compact NX5超小型模拟器是一台多功能测试设备,能够满足国际标准(基础标准与通用标准)和产品系列标准对瞬变、脉冲等测试的各种要求。Compact NX5 配备了易于使用的彩色触摸屏、内置了单相耦合/去耦网络,通过自动控制的外置耦合网络NX系列的三相耦合/去耦网络耦合浪涌脉冲,EUT电压可高达1000 VDC / 3 x 690 VAC。并具有各类通信端口测试使用的耦合去耦网络。完全满足PDS产品的电源端口、过程测量和控制线端口及信号接口1kV、2kV的试验等级需求。

  5.7射频场感应传导抗扰度

  试验项目简介:

  对于低频(150kHz-80MHz/230MHz)的射频信号,由于其波长比EUT尺寸要长得多,EUT的互连电缆(包括电源线和信号线)比EUT本身更容易成为天线而接收电磁场,因此射频抗扰度试验的低频部分,采用传导测试量方式更直接。注入方式有CDN直接容性耦合注入、电磁钳注入、电流钳注入和直流注入法。

 

  世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司实验室测试方案:

  NSG 4070C是一款多功能设备,可根据IEC / EN 61000-4-6和一些汽车BCI标准进行EMC抗扰度测试和符合性测试。NSG 407C0的模块化设置,可使用内部或外部放大器,以适应各种各样的应用。强大且易于使用的固件使NSG 4070独立于外部PC和控制软件,但它也可以远程控制系统操作。电源端口耦合去耦网络可用频率范围150 kHz - 80 MHz, 线数5,最大电流100 A, 最大电压600 VAC,6 mm 安全香蕉头接头;电磁注入钳最大直径 20mm,最大射频输入功率100W。完全满足PDS产品电源端口、信号接口、过程测量和控制线端口及信号接口0.15MHz~80MHz频率范围内10V/m测试要求。

  5.8电源质量抗扰度

  试验项目简介:

  电压暂降和电压中断是由电网、电力设施的故障或负荷突然出现大的变化引起的。电压变化是由连接到电网的负荷的连续变化引起的。如果EUT对电源电压的变化不能及时作出反应,就有可能引发故障。

  电压暂降的测试等级以%UT(暂降后剩余电压为参考电压的百分比)表示:0%,40%,70%,80%。

  短时中断,一般指电源完全中断达250个周期(50Hz)或者300个周期(60Hz)。

  电压变化,一般指突变到70%后维持1个周期,再经过25/30个周期后恢复到参考电压的情况。

  世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司实验室测试方案:

  多功能可编程交直流电源质量抗扰度模拟器NetWave 67,内置任意波形发生器,轻松模拟复杂波形。电源频率范围 DC - 5 kHz,输出功率最高可达 270 kVA AC / 324 kW DC,输出电压最高 3 x 690 V AC (p-n),±1120 V DC。内置标准测试程序符合 IEC / EN 标准、航空标准和 MIL-STD 军用标准测试要求。

  电源故障模拟器 PFS503N用于电压暂降、短时中断和电压变化测试。该设备为全兼容三相测试系统,符合 IEC 61000-4-11 Ed.2:2004 和 IEC 61000-4-34 标准,适用于三角形 和星形供电被试品测试。额定电压最高可达 3 x 690 V 交流,600 V 直流标称电流最大可达每相 100 A。

世纪汇泽(苏州)检测技术有限公司

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