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技術文章在采用變頻器控制系統中接地問題的研究

技術文章在采用變頻器控制系統中接地問題的研究

摘要:從如何提高控制系統抗干擾能力和可靠性的角度出發，針對變頻器實際應用系統中的接地問題，從主回路、各種選配件、模擬和通信控制線及測試等方面的接地問題進行了分析，提出了具體的接地方法及一系列值得商榷的問題。
1引言
    在各種工業控制系統中，隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用，系統的電磁干擾日益嚴重，相應的抗干擾設計技術已經變得越來越重要。接地是抑制電磁干擾，提高電子設備電磁兼容性的重要手段之一。正確的接地既可以使系統有效地抑制外來干擾，又能降低設備本身對外界的干擾。在實際應用系統中，由于系統電源零線(中線)、地線(保護接地、系統接地)不分、控制系統屏蔽地(控制信號屏蔽地和主電路導線屏蔽地)的混亂連接，大大降低了系統的穩定性和可靠性。
2主回路接地
    對于變頻器，主回路端子PE(E、G)的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實際應用中一定要非常重視。
    在變頻器等電力電子設備中，為了提高裝置的抗干擾和防雷擊能力，在電源輸入側均有電容C1或者壓敏電阻R1組成的電源濾波(圖1)和壓敏電阻R1、放電管D1組成的防雷擊電路(圖2)。圖1、圖2分別示出了采用開關電源和線性電源的變頻器電源輸入線路及PE內部連線情況。
    對于兩種電源方式，為了提高抗干擾能力，一般不采用浮地和與系統直接接地方式，而是采用電容接地方式。C2一般選用安規電容，要求具有良好的高頻特性和足夠的耐壓，從而為高頻干擾分量提供對地通路，抑制分布電容的影響，缺點是對于低頻和直流仍舊是開路，一般通過加安規電阻R2來進行彌補。由于變頻器內部控制端子上控制屏蔽接地及采用線性電源變壓器的屏蔽層均連接至PE，因此PE的連接情況直接關系到變頻器的可靠性。在我國，大多數工廠采用三相四線制，有些用戶因沒有地線，干脆不接，或者為了簡單將PE接至零線。在這種情況下，由于防浪涌電路中的電容及壓敏電阻漏電流IC和IR較大，一般為幾十至幾百毫安，在接地情況不夠良好的情況下，R0較大，零線與地之間的電壓達到幾十伏，甚至上百伏，既不符合消防**規范，也對系統的可靠性產生重大影響，因此在條件允許的情況下應盡量采用專用接地線，避免與其他設備公用接地。變頻器接地導線的截面積一般應不小于2.5mm2，長度控制在20m以內。建議變頻器的接地與其它動力設備接地點分開，不能共地。
3控制線屏蔽接地
3.1通信線屏蔽接地
    在采用上位機PC/PLC通過RS232/485通信控制時，*容易犯的錯誤是兩點接地。對于圖3中的情況要特別注意，由于接地點不在一起，不同接地點之間會出現地電位差，在屏蔽線中形成地回路，不僅起不到屏蔽作用，反而帶來干擾。特別是在上位機側，一般用戶沒有專用接地，電源插座的接地端子往往采用接零線方式，會造成計算機或者變頻器的損壞。在某些PC或PLC中，開關電源采用非隔離方式，即使采用變頻器方面的單側接地，也會造成通信接口的損壞。
    由于變頻器通信控制信號一般低于100kHz，所以一般不用帶狀電纜，而采用屏蔽電纜或者雙絞線。但是，在實際應用過程中，由于接地不當，經常出現接地比不接地通信誤碼率高的現象，從而使人產生了屏蔽電纜要不要接地，如果要接地，是采用一點、兩點還是多點接地的疑惑。據有關資料和實踐證明，在通信速率低于100kHz時，選用一點接地效果較好，對于采用Profibus，Modbus總線控制的高速率通信控制電纜的屏蔽層應該選用多點接地，*少也應該兩端接地，并且采取在通信線路較長時在網絡的終端加終端匹配電阻等抗干擾措施。對于電纜的多點接地，一個附加的好處是可以減少屏蔽層的靜電耦合。另外，還有一個根據傳輸信號的波長來判別接地方式的參考標準。以傳輸信號的波長λ的1/4為界，通信傳輸線長度小于λ/4時采用一點接地;長度大于λ/4時，由于屏蔽層也能起到天線作用，應采用多點接地，在多點接地時，*理想的情況是每隔0.05~0.1λ有一個接地點。
    另外，在傳輸上升下降沿非常陡峭的信號時，也應按照變頻信號來處理，實施多點接地。*后要說明的一點;如果從干擾角度講，低頻干擾嚴重時采用屏蔽單點接地，在高頻干擾情況下要多點接地，同時建議在通訊電纜中提供一根等電位線將各節點的通訊地串起來，以提高抗干擾能力。
3.2傳感器信號屏蔽接地問題
    在采用變頻器調速的高精度快速響應控制系統中，一般要安裝速度傳感器(如脈沖編碼器、旋轉變壓器)來進行速度或位置閉環，或者在生產線和設備上安裝壓力、溫度、張力、線速度等檢測傳感器。這些傳感器的一個共同特點是：為了提高抗干擾能力，信號線均采用屏蔽線，而且屏蔽線在傳感器內部與傳感器殼體接在一起。當傳感器安裝在電機、管道或者生產線上時，屏蔽層就與這些設備相連接;而在傳感器與變頻器或其他控制設備連接時，屏蔽層又連接至PE端子。如果此時變頻器或外部設備接地**(RE、RG大于接地標準*大電阻或者嚴重不等)，就會出現通過屏蔽層接地的情況，如圖4所示，形成對地電流IE，對系統工作的可靠性產生很大影響;嚴重時，系統將無法工作。因此，在采用外部傳感器的閉環控制系統中，距離較遠時，一定要保證外部設備和變頻器的可靠獨立接地，或者選用傳感器外殼不與控制屏蔽層連接的傳感器，在變頻器側實施一點接地;距離較近時，可采用公共接地母排接地，保證傳感器與控制設備接地點之間電位差近似為零，從而消除地環流形成的干擾。
3.3模擬信號屏蔽層接地
    實踐證明，雙絞線或雙絞屏蔽線對磁場的屏蔽效果明顯優于單芯屏蔽線，對于采用標準4~20mA/0~10V/1~5V模擬信號控制變頻器頻率/轉速的系統，一定要采用雙絞線或屏蔽電纜。由于模擬信號頻帶較窄，原則上在接地的控制器或變頻器一側實施接地。控制裝置之間的信號電纜應在線路對地分布電容大的一端接地，這樣能夠減少信號電纜對地分布電容的影響。實際系統中，一般在信號電纜數量多的控制裝置一側接地。另外，對于抗干擾要求非常高的場合，可采用雙重靜電屏蔽的電纜，此時，外屏蔽層接至屏蔽地線，內屏蔽層接至系統地線。系統地線可以是變頻器外部控制隔離地、模擬控制地，或者是系統獨立的接地線。對于共模干擾嚴重的場合，可通過添加共模電感來消除共模干擾，如圖5(a)所示;對于多點地電位浮動頻繁的場合，可采用DC/DC隔離模塊來實現電氣隔離，如圖5(b)所示，徹底杜絕干擾。
4其他變頻器附件接地問題
    交直交電壓型變頻器(如圖6所示)輸入采用三相不可控整流電路，諧波大，功率因數低，對于電網的污染嚴重。因此，可針對不同的要求，采取相應措施。比如，要求輸入具有較高的功率因數時，必須加裝直流電抗器L2或交流輸入電抗器L1;要求減少變頻器輸出與電機的連接導線的無線電輻射干擾和延長變頻器與電機之間連線時，必須在變頻器輸出側加裝交流電抗器L3;要求減少變頻器的使用對周圍設備的干擾時，必須在變頻器輸入側加裝EMI濾波器，以減少傳導干擾，提高周邊設備如PLC控制設備及自動化儀表的可靠性。由于每個選件都有相應的屏蔽層，為了充分發揮性能，接地點的連線非常重要。對于在同一控制柜中的中小功率變頻調速系統，建議采用公共母排接地方式，如圖7所示;對于不在同一控制單元，較為分散的系統，推薦不同單元之間采用獨立接地方式，如圖8所示;盡量不要采用圖9所示的公共接地。
5測試中的接地問題
    在變頻器產品的維修過程中，由于采用三相逆變橋控制，在輸出功率模塊損壞時，需采用示波器觀察三相驅動與輸出電壓、電流波形。一般對于小功率變頻器，T1、T3、T5采用三組獨立的驅動電源，T4、T6、T2采用一組驅動電源，四組電源間及與大地之間絕緣電壓要求達到2000VDC以上;而對于大功率變頻器，為了減少彼此之間干擾，T1~T6采用六組獨立電源。因此，在采用示波器測量PWM驅動波形時，*好不要直接測量，建議采用高壓探頭進行測量。如無隔離措施，建議將示波器電源接地端子拔掉，以確保示波器機殼帶電部分與其他電源或線路絕緣，特別是將示波器放置于導電的防靜電實驗臺上時，要注意其外露金屬殼體部分不與導電桌布接觸，然后采用帶衰減的示波器探頭直接測量。另外要特別提醒的是：盡管大多數電源插座未接地線，但插在同一插座上的設備地線也可能形成了地回路，如使用不當，有時會造成多臺設備損壞的局面。測試設備的電源*好全部采用隔離電源。即使采取這些措施，也有可能造成測試設備的損壞。
    轉矩儀內部通過7805將GND與機殼相連，當三腳插頭接地腳沒有被剪掉時，由于示波器探頭負極與機殼相連，通過轉矩儀的7805和RS232通訊口的GND與所關聯設備的GND相連，當探頭加到調速器時，GND點的電位升高到被測點(100V左右)，因此串連在此回路中的元器件無一幸免損壞。剪除接地極之后，示波器與轉矩儀/計算機之間沒有電路聯系，故沒有出現問題。但是由于GND與保護地仍然相連，干擾通過GND-232引入到計算機/仿真器系統，導致仿真器頻繁死機。剪除所有電源線插頭的接地極，同時將轉矩測試儀表的7805芯片與機箱之間墊入絕緣導熱材料，使GND與機殼之間絕緣。經過實驗，仿真器的干擾現象也消失。
6幾個值得商榷的問題
6.1在三相四線制式中用電設備不宜采用獨立接地體
    我國絕大部分低壓供電系統為三相四線制，按照國外特別是歐洲電氣公司的要求，用電設備的PE線要采用獨立接地體的三相五線制式，筆者認為，在三相五線制未實施的現場如果采用PE獨立接地，能提高系統的抗干擾能力，但不能避免觸電事故。
    當電氣設備R、S、T輸入相線與機殼相碰時，將有接地電流I0流過對地保護電阻R0、R1，由于獨立地線埋設條件一般比變壓器零線情況稍差，現假設R1=R0(R1一般大于R0)，在上述情況下，設備外殼將達110V。一般接地電阻標準為小于10Ω，如果按照5Ω來計算，短路故障電流I0=220/(5+5)=22A。為了使保護設備可靠工作，接地短路電流一般不小于快速熔斷器額定電流的3倍或自動空氣開關整定電流的1.25倍，據此可以計算出，對于電氣設備中快速熔斷器電流大于7.3A或自動空氣整定電流大于17.6A的電氣設備，保護設備將不能有效動作。
6.2控制系統PE線中漏電流超標
    前面已經講過，在變頻器的輸入回路一般均安裝電源浪涌抑制器或EMI濾波器等電路，在直流側加裝直流電抗器，在輸出側安裝電抗器等附件，附件屏蔽層對地線之間產生很大的漏電流。經過測試，目前許多變頻器PE端子接入系統地線時漏電流達到了300mA以上，而我國消防有關規定，要求PE地線中漏電流應小于210mA，這樣許多變頻器是不符合防火要求的。因此對于火警危險的工作場所，在使用變頻器等產品時一定要確認地線對地漏電流是否符合標準，以防止由于絕緣故障引起的火災。等效原理圖如圖12所示，如果變頻器與電機的連線比較短，而且電機與變頻器同時采用ES一點接地，分布參數C1、C2、C3比較小，則iE12可以忽略不計，iA、iB、iC之和等于iE，在數值上亦較小，一般均符合要求;如果變頻器與電機的連線較長，分布參數C1、C2、C3比較大，iE12分量將增大，致使控制系統PE線中漏電流iE12與iE1之和超標。
6.3三相五線制中零線與地線之間的電壓不合標準
    目前，我國正在推行三線五線制供電模式，但是往往由于各種人為原因，造成零線與地線在變電站接在一起，或是為了節省成本，地線埋設嚴重不合要求，或是地線、零線線徑不符合標準，造成零線、地線與大地間電阻超過標準10Ω，從而導致零線、地線分別對地及零線與地線之間電壓很高，嚴重時超過36V**電壓，造成**隱患和降低系統的抗干擾能力。為了減小部分電氣設備的接地系統引起的電氣噪聲，中性線與接地之間的電壓應小于1V。
6.4靜電問題
    在工業生產過程中，許多設備(如塑料機械)本體與變頻器共用同一個系統地線，由于許多廠家無單獨地線，仍舊采用零線替代，結果使整個系統產生電壓很高的靜電，此高壓將產生很強的電場，干擾控制器和變頻器的正常工作。筆者曾經遇到一塑料制品廠家設備連續工作3日左右，控制系統(含變頻器)均頻繁報警，故障復位后仍舊不能正常工作，但掉電后放置2天左右，又能正常工作3天的情況。重新埋設了系統地線，結果故障迎刃而解。
6.5關于機箱的錯誤觀點
    在我國，對于變頻器類工業化產品，人們對采用塑膠殼，體積小、重量輕的以日本為代表的產品較為青睞，而不看好符合EMC標準的價格較高的板筋件或以鑄鋁結構為主的歐洲型產品。由于變頻器內部使用高速開關器件(如IGBT、IPM)，其快速的開通關斷產生很大的dv/dt，盡管機內加裝snubber電路，但仍舊產生很大的電磁波輻射，對于一般電氣控制柜內的設備造成很大干擾，此時板筋件產品明顯優于塑膠件產品，因此在采用變頻器時必須從價格、美觀和EMC要求三方面權衡考慮，合理選擇機型。盡管某些廠家在塑膠機殼中塑噴導電膠或加裝屏蔽錫紙，但效果并不十分理想。
6.6系統地線與保護地線不分
    對于小型小功率的電氣控制系統，如果系統地線與保護地線不分，系統還是可以正常工作的。但是，對于如軋鋼機、集裝箱提升設備等用高壓大功率變流裝置，系統抗干擾能力和**保護可靠性的要求尤為突出，必須實施系統地線與保護地線的分離。系統保護地母線一般采用與廠房鋼結構連接而實現良好接地，而對于整個控制系統的系統地及屏蔽地通過地線匯流排連接至符合標準的單獨接地極接地。地線匯流排一般要采用25mm2以上大截面絕緣導線或鍍絕緣漆銅排，以保證一點接地。此時要注意屏蔽地接地電極與變壓器零線等其它強電設備接地電極的距離大于15m。
6.7誤用空氣開關
    在實際使用過程當中，有許多客戶延用原來的采用三相四線制漏電流保護功能的空氣開關，造成在變頻器正常使用過程中頻繁跳閘。原因是對于潛水泵、地下礦用風機、泵類等設備，由于設備本身已經與大地可靠接地，如圖12中的EM接地點，輸出PWM的dv/dt通過導線與地、機殼與地的分布電容造成對地EM的漏電流iE2超標，輸出電流iU、iV、iW之和不等于零，iA、iB、iC之和大于iE，當誤差大于空氣開關規定的跳閘電流時，空氣開關跳閘，導致生產無法正常運行，同時給絕緣測試帶來難度。
    另外，在圖12中，如果無EM接地點的存在，即使對地漏電流iE超標，也不會造成空氣開關誤動作，但是實際生產中是很難保證這一點的。因此，在條件允許的情況下，在采用變頻器的系統中需要更換帶有漏電保護的空氣開關，否則，只能采用在變頻器輸入側加裝隔離變壓器，杜絕電網對大地的漏電流，或者降低變頻器載波頻率，減小分布參數造成的對地漏電流等方法來部分解決問題。
7結論
    隨著電力電子技術的發展，半導體變流裝置對于電網污染越來越嚴重，與綠色工業的矛盾日益突出。解決途徑有二：一是采用從源頭上消除電磁和諧波污染，如采用輸入可控PWM整流，采用多電平輸出及軟開關PWM等技術，從根本上解決問題，但卻帶來系統復雜，成本上升和可靠性下降;二是采用各種濾波器、電抗器等配件產品，減少諧波污染和減弱干擾傳導的治標方法，由于其具有成本低，配置靈活等特點，成為目前應用*多的方案。在這種情況下，接地技術成為能否發揮配件性能，有效解決諧波和干擾問題的關鍵。本文中從變頻器實際應用接地的幾個方面提出了實際應用系統中接地存在的問題、解決方法和一系列值得商榷的問題，對于提高采用變頻調速器等工業設備運行的可靠性和**性具有一定的指導意義。

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