解读IEC 61800-5-1-2007

这份标准的完整名称是:
《调速电气传动系统 - 第5-1部分:安全要求 - 电气、热和能量》

简单来说,它是关于变频器、伺服驱动器等调速电气传动系统 在产品设计和功能上,如何保障人身安全的核心安全标准


一、 核心定位与适用范围

  • 它是什么? 它是IEC 61800系列标准中专门针对"安全"的子部分。这个系列标准涵盖了整个电气传动系统(PDS),包括变频驱动电机、伺服系统等。

  • 它管什么? 它规定了确保传动系统在电气、热和能量方面安全的基本要求。其目标是防止由传动系统直接或间接引起的危险,例如:

    • 电击

    • 能量危险(如电弧、短路引起的爆炸)

    • 火灾

    • 热危害(如高温表面导致烫伤)

    • 机械危险(间接导致,例如非预期的启动)

  • 适用于谁? 主要面向制造商,用于指导传动设备(如变频器、伺服驱动器)的设计和制造。同时,系统集成商和最终用户在评估设备安全性和进行风险评估时,也需要依据此标准。

二、 主要内容和关键概念

IEC 61800-5-1的核心思想是 "风险导向的安全" 。它不仅仅是列出一堆技术指标,而是建立了一套完整的安全框架。

1. 风险评价

标准要求制造商必须对其产品进行风险评价。这个过程包括:

  • 危险识别: 找出所有潜在的危险源(如高压端子、散热片、旋转轴等)。

  • 风险评估: 评估这些危险可能导致伤害的严重程度和发生概率。

  • 风险降低: 通过设计来消除或降低风险至可接受的水平。

2. 安全功能与安全停止类别

这是标准中非常关键的部分,它定义了传动系统必须具备的几种基本安全功能,特别是与停止相关的功能。这些功能直接关系到设备维护和故障处理时的人员安全。

  • 安全转矩取消 (STO - Safe Torque Off)

    • 定义: 一种安全功能,它切断电机转矩产生的能力,使电机无法旋转。注意:STO并不切断主电源! 它只是让驱动器的功率器件(如IGBT)停止输出转矩。

    • 目的: 防止电机的意外启动。这是最基本、最常用的安全功能,常用于安全联锁,例如在打开设备护门时激活STO。

    • 实现方式: 通常通过两个独立的通道(冗余设计)来实现高安全性。

  • 安全停止1 (SS1 - Safe Stop 1)

    • 定义: 一种受控的停止功能,在达到"零速"后自动激活STO。

    • 过程: 接收到安全停止信号 -> 驱动器按预设的减速时间让电机平稳停下来 -> 电机速度为零 -> 自动激活STO。

    • 应用场景: 适用于需要平稳停车以避免过程或机械损坏的场景,例如传送带、起重机。

  • 安全停止2 (SS2 - Safe Stop 2)

    • 定义: 一种受控的停止功能,在电机停止后,持续监控停止状态并保持通电,但不产生转矩。

    • 过程: 接收到安全停止信号 -> 驱动器按预设的减速时间让电机平稳停下来 -> 电机速度为零 -> 驱动器保持上电状态,并通过内部监控确保电机不会转动(例如通过抱闸控制),但不激活STO

    • 应用场景: 适用于停止后需要立即准备重新启动的场景。安全性依赖于系统的持续监控。

  • 其他安全功能:

    • 安全制动控制 (SBC - Safe Brake Control): 安全地控制电机抱闸。

    • 安全操作停止 (SOS - Safe Operating Stop): 在静止状态下防止运动。

    • 安全限速 (SLS - Safely Limited Speed): 将速度限制在一个预设的安全值以下。

    • 安全方向 (SDI - Safe Direction): 只允许电机在预设的安全方向上运行。

3. 电气安全与绝缘配合
  • 规定了设备在过电压类别、污染等级等条件下的电气间隙和爬电距离要求。

  • 确保设备能承受预期的瞬态过电压(如雷击、开关操作)而不会发生击穿。

  • 保护接地、等电位连接提出了明确要求。

4. 热危害防护
  • 规定了设备外表面和可接触部件的最高允许温度,防止烫伤。

  • 要求对可能引起灼伤的热部件(如散热器、制动电阻)进行防护(如加装护罩)和警示标识。

三、 标准的重要意义

  1. 统一全球安全规范: 作为国际标准,它为全球范围内的传动设备制造商提供了统一的安全设计准则,促进了贸易和技术交流。

  2. 奠定功能安全基础: 虽然IEC 61800-5-1本身主要关注"电气安全",但它定义的STO、SS1等安全功能,为后来更专注于"功能安全"的 IEC 61800-5-2 标准奠定了基础。IEC 61800-5-2会详细规定这些安全功能的安全完整性等级(SIL/PL)。

  3. 提升设备安全水平: 强制制造商从设计源头考虑安全,大大降低了传动系统在使用、维护过程中对人员造成的风险。

  4. 指导系统集成与选型: 为系统集成商和用户提供了明确的安全功能定义和要求,便于他们在设计和采购时选择符合安全标准的设备。

四、 与IEC 61800-5-2的关系

  • IEC 61800-5-1 (2007): 主要规定 "是什么"------即需要实现哪些安全功能(如STO)以及基本的电气、热安全要求。

  • IEC 61800-5-2 (2016): 主要规定 "怎么做"以及"有多可靠" ------即如何实现这些安全功能,并为其分配安全完整性等级(SIL 根据IEC 61508 / PL 根据ISO 13849),确保其可靠性。

可以理解为:5-1是安全功能的"需求规格书",而5-2是这些安全功能的"设计和验证指南"。

总结

IEC 61800-5-1:2007 是现代调速电气传动系统安全领域的基石标准。它从风险评价出发,明确规定了防止电击、火灾、热危害等的基本要求,并首次在国际标准层面系统化地定义了安全转矩取消(STO) 等关键安全功能。理解和应用该标准,对于设备制造商确保产品合规性与安全性,以及对于用户实现安全生产和维护都至关重要。

在实际应用中,通常需要将IEC 61800-5-1与IEC 61800-5-2以及其他机械安全标准(如ISO 13849)结合使用,才能构建一个完整的安全控制系统。

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