Für Systemintegratoren, Schaltschrankbauer und Elektroingenieure, die industrielle Frequenzumrichter (VFDs) entwickeln, ist die Einhaltung der Oberschwingungs- und Emissionsgrenzwerte von IEC 61800-3 eine ständige Herausforderung. Ein einziger nicht bestandener EMV-Test in einem akkreditierten Labor kann Tausende Euro an Nachprüfungsgebühren kosten, den Produktstart um Wochen verzögern und kostspielige Neukonstruktionen von Filtern, Abschirmungen und PCB-Layouts erzwingen.
Die EMC testing services von TPS Elektronik wurden entwickelt, um dieses Risiko zu reduzieren: Vorabprüfungen für leitungsgebundene und gestrahlte Störaussendungen, Oberschwingungsanalyse nach IEC 61800-3, Störfestigkeitsprüfungen und Filterdesign-Unterstützung – damit Probleme behoben werden, bevor die formelle Zertifizierung beginnt.
1. IEC 61800-3 Übersicht: Der EMV-Produktstandard für drehzahlveränderbare Antriebe
IEC 61800-3 ist der internationale EMV-Produktstandard für drehzahlveränderbare elektrische Antriebssysteme (PDS) und Werkzeugmaschinen. Er legt die elektromagnetischen Verträglichkeitsanforderungen (EMV) für drehzahlveränderbare AC- oder DC-Motorantriebe mit Wandlereingangs- und/oder -ausgangsspannungen bis zu 35 kV AC RMS fest. Die Norm definiert Mindestanforderungen für Störaussendung und Störfestigkeit im Frequenzbereich von 0 Hz bis 400 GHz.
Für Frequenzumrichter, die für den europäischen Markt bestimmt sind, ist die Konformität mit IEC 61800-3 (veröffentlicht als EN 61800-3) für die CE-Kennzeichnung gemäß der EMV-Richtlinie 2014/30/EU unerlässlich. Die Norm adressiert zwei primäre EMV-Belange:
- Niederfrequente Störaussendungen (unter 150 kHz): hauptsächlich Oberschwingungen und Spannungsverzerrungen, die durch die Gleichrichterstufe des Frequenzumrichters verursacht werden
- Hochfrequente Störaussendungen (über 150 kHz): leitungsgebundene und gestrahlte Störaussendungen von der schaltenden Leistungsstufe des Frequenzumrichters
Die Norm definiert auch Störfestigkeitsanforderungen, um sicherzustellen, dass Frequenzumrichter zuverlässig in Gegenwart elektromagnetischer Störungen anderer Geräte arbeiten.
IEC 61800-3 wurde zuletzt 2022 aktualisiert, mit wichtigen Änderungen wie der Erweiterung des Frequenzbereichs für Störfestigkeitsprüfungen auf 6 GHz. Die Aktualität dieser sich entwickelnden Anforderungen ist für Hersteller und Systemintegratoren, die Marktzugang anstreben, von entscheidender Bedeutung.
2. Die vier Emissionskategorien: C1, C2, C3 und C4
IEC 61800-3 definiert vier Emissionskategorien – C1, C2, C3 und C4 – die die geltenden Emissionsgrenzwerte und Prüfanforderungen für einen Frequenzumrichter festlegen. Die Kategorie wird durch die vorgesehene Installationsumgebung und die elektrischen Eigenschaften des Antriebs bestimmt.
Kategorie C1 gilt für PDS-Geräte mit einer Nennspannung unter 1000 V, die für den Einsatz in der ersten Umgebung bestimmt sind – Wohn-, Geschäfts- und Leichtindustriebereiche. Dies ist die strengste Kategorie mit den niedrigsten Emissionsgrenzwerten, da die Geräte keine Störungen in Unterhaltungselektronik und empfindlichen Geräten verursachen dürfen. Frequenzumrichter der Kategorie C1 müssen die Klasse-B-Grenzwerte gemäß EN 55011 einhalten.
Kategorie C2 gilt für PDS-Geräte mit einer Nennspannung unter 1000 V, die für den Einsatz in der ersten Umgebung, aber nicht steckbar oder beweglich sind – typischerweise fest installierte Geräte in gewerblichen oder leichtindustriellen Umgebungen. Die Emissionsgrenzwerte sind weniger streng als bei C1, erfordern aber dennoch ein sorgfältiges Filterdesign.
Kategorie C3 gilt für PDS-Geräte mit einer Nennspannung unter 1000 V, die für den Einsatz in der zweiten Umgebung bestimmt sind – industrielle Standorte, an denen die Geräte nicht an ein öffentliches Niederspannungsnetz angeschlossen sind. Dies ist die häufigste Kategorie für industrielle Frequenzumrichter mit Grenzwerten, die über denen des generischen Emissionsstandards IEC 61000-6-4 liegen.
Kategorie C4 gilt für PDS-Geräte mit einer Nennspannung ≥1000 V oder einem Nennstrom ≥400 A, die typischerweise in komplexen Industrieanlagen eingesetzt werden. Diese Antriebe erfordern eine standortspezifische EMV-Planung und oft maßgeschneiderte Filterlösungen.
Die korrekte Identifizierung der anwendbaren Kategorie ist der erste Schritt zur Konformität. Ein Frequenzumrichter für eine Wohnumgebung (Kategorie C1) erfordert deutlich mehr Filterung als einer für eine Fabrikhalle (Kategorie C3).
3. Oberschwingungsemissionen: Die niederfrequente Herausforderung
Oberschwingungsemissionen sind eine der häufigsten Konformitätshürden für Frequenzumrichter-Hersteller und Systemintegratoren. Der nichtlineare Eingangsgleichrichter eines Frequenzumrichters zieht Strom in Impulsen statt in einer sinusförmigen Wellenform und injiziert Oberschwingungsströme in das AC-Netz. Diese Oberschwingungen können Spannungsverzerrungen verursachen, andere Geräte stören und die in IEC 61800-3 definierten Grenzwerte überschreiten.
IEC 61800-3 behandelt Oberschwingungsemissionen durch Anforderungen, die auf die IEC-61000-3-Reihe von Normen verweisen:
- IEC 61000-3-2 gilt für Geräte mit Eingangsstrom ≤16 A pro Phase
- IEC 61000-3-12 gilt für Geräte mit Eingangsstrom >16 A und ≤75 A pro Phase
Für Geräte mit Eingangsstrom über 75 A pro Phase werden Oberschwingungsgrenzwerte typischerweise durch standortspezifische Vereinbarungen mit dem Energieversorger oder durch die Anwendung der Oberschwingungsanforderungen von IEC 61800-3 adressiert.
Oberschwingungsströme werden durch ihre Frequenz charakterisiert – Vielfache der Grundfrequenz 50 Hz oder 60 Hz. Die dritte Oberschwingung (150 Hz oder 180 Hz), die fünfte Oberschwingung (250 Hz oder 300 Hz) und die siebte Oberschwingung (350 Hz oder 420 Hz) sind typischerweise die bedeutendsten. Die gesamte harmonische Verzerrung (THD) muss unter den geltenden Grenzwerten bleiben.
Häufige Minderungsstrategien für Oberschwingungsemissionen umfassen:
- Aktive Eingangsgleichrichter (AFE), die die Eingangsstromwellenform aktiv formen
- Passive Oberschwingungsfilter, die auf bestimmte Oberschwingungsfrequenzen abgestimmt sind
- Mehrpuls-Gleichrichter (12-Puls, 18-Puls, 24-Puls), die niederfrequente Oberschwingungen kompensieren
- Zwischenkreisdrosseln, die die Welligkeit und Verzerrung des Eingangsstroms reduzieren
Die EMC testing services von TPS Elektronik umfassen Oberschwingungsanalysen zur Identifizierung der Grenzwertüberschreitungen und zur Quantifizierung der Wirksamkeit von Minderungsmaßnahmen.
4. Leitungsgebundene Störaussendungen: 150 kHz bis 30 MHz
Leitungsgebundene Störaussendungen sind Störungen, die sich vom Frequenzumrichter über die Stromkabel zurück ins AC-Netz ausbreiten. Diese Störungen treten im Frequenzbereich von 150 kHz bis 30 MHz auf und werden mit einer Netz-Nachbildung (LISN) und einem Spektrumanalysator oder EMV-Messempfänger gemessen.
Die Grenzwerte für leitungsgebundene Störaussendungen in IEC 61800-3 variieren je nach Kategorie. Für Kategorie C1 (Wohnumgebungen) sind die Grenzwerte mit EN 55011 Klasse B vergleichbar, mit Quasi-Spitzen-Grenzwerten von etwa 66–56 dBµV und Mittelwert-Grenzwerten von 56–46 dBµV im Bereich 150 kHz bis 30 MHz. Kategorie C3 (industrielle Umgebungen) erlaubt höhere Emissionspegel.
Wichtige Einflussfaktoren auf leitungsgebundene Störaussendungen bei Frequenzumrichtern sind:
- Schaltfrequenz – höhere Schaltfrequenzen können Rauschen in höhere Frequenzbereiche verschieben, wo die Filterung einfacher ist, erhöhen aber auch die hochfrequenten Störaussendungen
- Dioden-Sperrverhalten – schnelle Sperrdioden erzeugen weniger Rauschen, können aber die Kosten erhöhen
- PCB-Layout und Erdung – ein schlechtes Layout kann unbeabsichtigte Antennen erzeugen, die Rauschen zurück in die Eingangsleitungen abstrahlen
- Kabelverlegung und Abschirmung – ungeschirmte oder falsch verlegte Kabel können Rauschen von der Ausgangsseite auf die Eingangsseite einkoppeln
Leitungsgebundene Störaussendungen werden sowohl an den Stromeingangsleitungen als auch an den Steuer-/Signalleitungen gemessen. Der Prüfaufbau muss den spezifischen Anforderungen von IEC 61800-3 entsprechen, einschließlich korrekter Kabelverlegung, Erdung und LISN-Platzierung.
5. Gestrahlt Störaussendungen: 30 MHz bis 6 GHz
Gestrahlt Störaussendungen sind elektromagnetische Felder, die sich vom Frequenzumrichter, seinen Kabeln und seinem Gehäuse durch den Raum ausbreiten. Diese Störungen treten im Frequenzbereich von 30 MHz bis 6 GHz auf (die Ausgabe von 2022 erweiterte die obere Grenze für Störfestigkeitsprüfungen von 1 GHz auf 6 GHz).
Gestrahlt Störaussendungen werden mit Antennen in bestimmten Abständen gemessen – typischerweise 3 Meter für kleine Geräte oder 10 Meter für größere Anlagen. Die Grenzwerte variieren je nach Kategorie, wobei Kategorie C1 die strengsten Anforderungen stellt.
Wichtige Quellen gestrahlter Störaussendungen bei Frequenzumrichtern sind:
- Schnelle Schaltflanken – die schnellen Spannungs- und Stromänderungen in den IGBTs oder MOSFETs erzeugen hochfrequente Komponenten, die abstrahlen
- Motorleitungssstrahlung – die Kabel zwischen Frequenzumrichter und Motor können als effiziente Antennen wirken und Schaltrauschen abstrahlen
- Gehäusefugen und Öffnungen – ungeschirmte Fugen, Lüftungsschlitze und Steckverbinderöffnungen können elektromagnetischen Feldern den Austritt ermöglichen
- Steuer- und Signalkabel – ungeschirmte Steuerkabel können Rauschen abstrahlen und es in andere Schaltungen einkoppeln
Minderungsstrategien für gestrahlte Störaussendungen umfassen:
- Geeignete Abschirmung – Verwendung geschirmter Motorkabel mit korrekt angeschlossenen Schirmen
- Ausgangsfilter – Sinusfilter oder dV/dt-Filter zur Glättung der Ausgangsspannungswellenform
- Gehäusedesign – durchgehende leitfähige Fugen, geeignete Dichtungen und vergitterte Lüftungsöffnungen
- Komponentenplatzierung – hochfrequente Schaltkomponenten fern von Kabeln und Öffnungen halten
Für die EMV-Konformität von Industrieantrieben sind gestrahlte Störaussendungen oft am schwierigsten zu adressieren, da sie von Installationsdetails abhängen – Kabelverlegung, Erdungspraktiken und Gehäusedesign – die von Installation zu Installation variieren können. Das EMV-Labor von TPS kann sowohl den Antrieb selbst als auch die gesamte Installation bewerten, um Probleme mit gestrahlten Störaussendungen zu identifizieren und zu beheben.
6. Filterdesign-Unterstützung: EMV-Probleme an der Quelle lösen
Die Behebung von EMV-Problemen durch Filterung ist oft kostengünstiger als die Neugestaltung von Leiterplatten oder Gehäusen. TPS Elektronik bietet Filterdesign-Unterstützung als Teil seiner EMC testing services an und hilft Kunden bei der Identifizierung der richtigen Filterlösungen für ihre Frequenzumrichter-Anwendungen.
IEC 61800-3 erfordert, dass EMV-Filter gemäß den Anforderungen der Norm ausgewählt und installiert werden. Häufige Filtertypen für Frequenzumrichter-Anwendungen sind:
- Eingangs-EMI-Filter – auf der AC-Netzseite installiert, um leitungsgebundene Störaussendungen ins Netz zu reduzieren
- Ausgangsfilter – auf der Motorseite installiert, um gestrahlte Störaussendungen zu reduzieren und den Motor vor Schalttransienten zu schützen
- Gleichtaktdrosseln – dämpfen Gleichtaktströme, die sowohl zu leitungsgebundenen als auch zu gestrahlten Störaussendungen beitragen
Die Filterauswahl muss mehrere Faktoren berücksichtigen:
- Erforderliche Emissionskategorie – C1 erfordert aggressivere Filterung als C3
- Schaltfrequenz – Filter müssen bei der Schaltfrequenz und ihren Oberschwingungen wirksam sein
- Motorleitungslänge – längere Kabel erfordern mehr Filterung zur Unterdrückung von Abstrahlung
- Leitungs- und Lastimpedanz – Filter müssen mit der spezifischen Impedanz der Installation kompatibel sein
Die Filterdesign-Unterstützung von TPS umfasst:
- Vorabprüfungsmessung – Identifizierung der Frequenzen, die die Grenzwerte überschreiten und um wie viel
- Filterspezifikation – Empfehlung geeigneter Filtertypen, Komponentenwerte und Hersteller
- Installationsberatung – Anleitung zur korrekten Filterplatzierung, Erdung und Kabelverlegung
- Verifikationsprüfung – erneute Prüfung nach der Filterinstallation zur Bestätigung der Konformität
Für industrielles EMV-Filterdesign kann das EMV-Labor von TPS die Filterwirksamkeit unter realen Bedingungen bewerten und Wechselwirkungen zwischen Filter und Antrieb identifizieren, die die Leistung beeinträchtigen könnten.
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7. Der Vorteil der Vorabprüfung: Probleme frühzeitig erkennen
Die formelle EMV-Prüfung in akkreditierten Laboren ist teuer und zeitkritisch. Ein einziger Fehlschlag kann Tausende Euro an Nachprüfungsgebühren und wochenlange Verzögerungen kosten. Die Vorabprüfung ist die Gegenmaßnahme.
Bei TPS ist unser Vorabprüfungsansatz in unsere übergeordneten EMS- und Engineering-Dienstleistungen integriert. Wir führen Prüfungen der leitungsgebundenen und gestrahlten Störaussendungen, Oberschwingungsanalysen und Störfestigkeitsprüfungen an Prototypen, Pilotgeräten und sogar frühen Produktionsmustern durch. Ziel ist es nicht nur, Prüfungen zu bestehen, sondern EMV-Probleme zu identifizieren und zu beheben, bevor sie die formelle Zertifizierung erreichen.
Unser Prozess für die IEC-61800-3-Konformität umfasst:
- Designprüfung – Bewertung von Schaltplänen, PCB-Layout, mechanischem Design und Kabelverlegung auf EMV-Risikofaktoren
- Vorabprüfungsmessung – Durchführung der gleichen Prüfungen wie in akkreditierten Laboren mit kalibrierter Ausrüstung und normkonformen Methoden
- Oberschwingungsanalyse – Identifizierung von Oberschwingungsverzerrungen und -quellen
- Iterative Verbesserung – Durchführung von Änderungen – Filterung, Layoutanpassungen, zusätzliche Abschirmung – und erneute Prüfung zur Verifikation der Wirksamkeit
- Dokumentation – Bereitstellung von Prüfberichten, die bei der formellen Zertifizierung referenziert werden können
Dieser Ansatz ist besonders wertvoll für Frequenzumrichter-Hersteller und Systemintegratoren, bei denen EMV-Probleme im späten Entwicklungszyklus kostspielig zu beheben sind. Durch die frühzeitige Erkennung von Problemen hilft TPS Kunden, die Kosten und Verzögerungen durch Neugestaltung von Filtern, Abschirmungen und PCB-Layouts zu vermeiden, nachdem die formelle Prüfung bereits versucht wurde.
Für leistungselektronische EMV-Prüfungen ist das EMV-Labor von TPS für die besonderen Herausforderungen von Hochleistungs-, Hochspannungs-Frequenzumrichtern gerüstet – einschließlich der hohen Ströme und schnellen Schalttransienten, die diese Systeme charakterisieren.
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