在高效能運算與通訊基礎設施日益普及的今日，AI Server、BBU(備援電池模組)以及 CSP(雲端服務供應商) 等設備已成為資料中心與邊緣運算架構中的核心元件。

這些設備不僅承載龐大的電力需求，也對電網品質與穩定性產生顯著影響。

為了確保這類電子設備在連接公共電力系統時不會造成過度諧波污染、電壓波動或閃爍干擾，IEC 61000-3 系列標準提供了明確的電磁相容（EMC）規範與測試要求。

本篇文章將簡要介紹 IEC 61000-3-2與IEC61000-3-12 標準的核心內容與適用範圍，並針對 AI Server、BBU、CSP 等設備在設計與測試階段所需注意的法規要求進行簡易說明，協助工程師在產品開發與合規驗證上更具掌握。

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• 何謂諧波?

在電力領域中，諧波失真 (Harmonic Distortion)是由電力系統中的非線性設備所引起。

電力系統中常見的諧波源(非線性設備)包括整流設備、電力電子設備、氣體放電燈管、可飽和電抗、電弧爐、電弧熔焊機、電子與電腦設備等，這些諧波源的共同特色之一、就是電流的波形為非正弦的週期性波。

• 由非線性電阻所引起之電流失真

以一個例子來說明這個觀念，一個正弦波電壓加到一個簡單的非線性電阻時，其電壓與電流的變化如曲線所示。雖然所加入的電壓是一個完美的正弦波，但是產生的電流卻是失真的。
然而稍微增加這個電壓可能會導致電流加倍並且呈現出不同的波形。這就是電力系統中大部分諧波失真的來源。

 

• 失真波形之傅立葉級數

任何週期性的失真波形可以被表示成一組正弦函數的和。
當一個波形從一個週期到下一個週期是完全相同的，它就能被表示成一組純正弦波形的和，其中每一個正弦函數的頻率都是該失真波形之基本頻率的整數倍。
這個倍數被稱為基本波的諧波(harmonic)，這些正弦函數的和就被稱為傅立葉級數(Fourier series)

 

• 在數學中，傅立葉級數是把類似波的函數表示成簡單正弦波的方式。

 

• 諧波造成的影響

常可以聽到可調速馬達或是感應爐因為諧波而不能正確地運轉。這代表什麼呢?通常它是指接下來的三件事：
1. 諧波電壓太大（電壓太過扭曲）導致在控制上無法正確地確定觸發角度。
2. 對電力供應系統中某些設備的容量而言諧波電流太大，例如一個變壓器，它必須以低於額定功率的情況運轉。
3. 對一個給定的系統而言，因為設備所產生的諧波電流太大導致同時諧波電壓也變大。

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• IEC61000-3-2(<16A電流諧波測試)的測試分類為四大類：

 

Class A

• 平衡三相設備
• 家用電器產品，不包含被定義在 Class D的產品
• 電動工具，不包含手電動工具
• 白熾燈調光器
• 音響設備

 

Class B

• 手電動工具
• 非專業使用之電焊設備

 

Class C

• 照明設備

 

Class D

• 設備具有電源輸入並小於等於600W，並屬於下列產品:
• 個人電腦及螢幕
• 電視接收機
• 具有可調速壓縮馬達的冰箱及冷凍櫃

 

排除產品:

• 除了照明設備外，設備額定功率小於75W。
• 專業設備額定功率大於1kW。
• 對稱控制加熱元件額定功率小於等於200W。
• 白熾燈使用獨立調光器額定功率小於等於1kW。

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• IEC61000-3-2(<16A電流諧波測試)的四大類限制值：

Class A限制值

 

Class B限制值

• Class B 產品的限制值為 Class A 的限制值的 1.5倍

Class C限制值

Class C產品的限制值的應用

• 輸入功率>25W, 當輸入功率大於25W時，諧波電流不得超過Table 2的限制值。當白熾燈具有調光器時，限制值不得超過Class A的要求。
• 放電照明設備含有調光器時需滿足下列條件：

       - 在最大負載下，諧波電流不得超過Table 2的限制值。

       - 在任何調光的位置，諧波電流不得超過最大負載狀況的量測值。

       - 設備需要依照附錄C.5所要求的方式量測。

• 輸入功率<=25W，放電燈具輸入功率小於等於25W，需滿足下列兩項條件之一：

      - 諧波電流不得超過Table 3的第2欄要求。

     - 第三次諧波電流不得超過主波電流的86%，第五次諧波電流不得超過主波電流的61%，並在60度角達到5%輸入電流波形的峰值電流，最大峰值電流需出現在65度角之前，且在90度角時電流下降不低於峰值的5%。

 

 

Class D限制值

 

量測示意圖

 

附錄A針對於Power Source定義了限制值：

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• IEC61000-3-12(>16A至75A電流諧波測試)的測試分類與限制值為四大類：

Tabel 2通常針對單相超過16A的待測物或者除平衡三相設備以外的其他設備

 

Tabel 3通常針對三相平衡的設備：

 

Tabel 4針對的是三相平衡設備(a,b,c)：

若滿足下列任一條件，則可將Table 4 用於三相平衡設備。

a) 在整個測試觀察期間，第5 次和 7 次諧波電流均小於參考電流的 5%。

注意：此條件通常由 12 Pulse整流器。

b) 設備的設計使得 第5 次諧波電流的相位角隨時間變化無明顯規律，可在整個區間 [0° - 360°] 內取任意值。

注意：此條件通常由採用全控閘管橋式變流器滿足。

c) 在整個測試觀察期間，第5 次諧波電流相對於基波相電壓（參見 3.16）的相位角在 90° 至 150° 範圍內。

注意：此條件通常由採用非控整流橋和電容濾波器（包括 3% 交流濾波器）的設備滿足或 4% 直流反應器。

 

Tabel 5針對的是三相平衡設備(d,e,f)：

若滿足下列任一條件，則可將Table 5 可用於三相平衡設備：

d) 在整個測試觀察期間，第5 次和 7 次諧波電流均小於參考電流的 3%。

注意：此條件通常由 12 Pulse整流器。

e) 設備的設計使得 第5 次諧波電流的相位角隨時間變化無明顯規律，可在 [0° - 360°] 區間內取任意值。

注意：此條件通常由採用全控閘管橋式變流器滿足。

f) 在整個測試觀察期間，第5 次諧波電流相對於基波相電壓（參見 3.16）的相位角在 150° - 210° 範圍內。

注意：通常情況下，具有較小DC-Link電容的 6 Pulse整流器作為負載即可滿足此條件。

 

以上為IEC61000-3-2與IEC61000-3-12法規淺談，若有需要更進一步的法規交流或討論則可來信告知。

後續將會再增加更深入的討論。

下一篇技術文章將淺談IEC61000-3-3與IEC61000-3-11。

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