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技術(shù)文章在采用變頻器控制系統(tǒng)中接地問題的研究

技術(shù)文章在采用變頻器控制系統(tǒng)中接地問題的研究
摘要:從如何提高控制系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性的角度出發(fā)，針對變頻器實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)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(jìn)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(yè)控制系統(tǒng)中，隨著變頻器等電力電子裝置的廣泛使用，系統(tǒng)的電磁干擾日益嚴(yán)重，相應(yīng)的抗干擾設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)變得越來越重要。接地是抑制電磁干擾，提高電子設(shè)備電磁兼容性的重要手段之一。正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設(shè)備本身對外界的干擾。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源零線(中線)、地線(保護(hù)接地、系統(tǒng)接地)不分、控制系統(tǒng)屏蔽地(控制信號屏蔽地和主電路導(dǎo)線屏蔽地)的混亂連接，大大降低了系統(tǒng)的穩(wěn)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(shí)際應(yīng)用中一定要非常重視。
    在變頻器等電力電子設(shè)備中，為了提高裝置的抗干擾和防雷擊能力，在電源輸入側(cè)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(guān)電源和線性電源的變頻器電源輸入線路及PE內(nèi)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(tǒng)直接接地方式，而是采用電容接地方式。C2一般選用安規(guī)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(diǎn)是對于低頻和直流仍舊是開路，一般通過加安規(guī)電阻R2來進(jìn)行彌補(bǔ)。由于變頻器內(nèi)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(guān)系到變頻器的可靠性。在我國，大多數(shù)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(dá)到幾十伏，甚至上百伏，既不符合消防**規(guī)范，也對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生重大影響，因此在條件允許的情況下應(yīng)盡量采用專用接地線，避免與其他設(shè)備公用接地。變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)不小于2.5mm2，長度控制在20m以內(nèi)。建議變頻器的接地與其它動力設(shè)備接地點(diǎn)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(jī)PC/PLC通過RS232/485通信控制時，*容易犯的錯誤是兩點(diǎn)接地。對于圖3中的情況要特別注意，由于接地點(diǎn)不在一起，不同接地點(diǎn)之間會出現(xiàn)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(jī)側(cè)，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(jì)算機(jī)或者變頻器的損壞。在某些PC或PLC中，開關(guān)電源采用非隔離方式，即使采用變頻器方面的單側(cè)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(shí)際應(yīng)用過程中，由于接地不當(dāng)，經(jīng)常出現(xiàn)接地比不接地通信誤碼率高的現(xiàn)象，從而使人產(chǎn)生了屏蔽電纜要不要接地，如果要接地，是采用一點(diǎn)、兩點(diǎn)還是多點(diǎn)接地的疑惑。據(jù)有關(guān)資料和實(shí)踐證明，在通信速率低于100kHz時，選用一點(diǎn)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(yīng)該選用多點(diǎn)接地，*少也應(yīng)該兩端接地，并且采取在通信線路較長時在網(wǎng)絡(luò)的終端加終端匹配電阻等抗干擾措施。對于電纜的多點(diǎn)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(jù)傳輸信號的波長來判別接地方式的參考標(biāo)準(zhǔn)。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(diǎn)接地;長度大于λ/4時，由于屏蔽層也能起到天線作用，應(yīng)采用多點(diǎn)接地，在多點(diǎn)接地時，*理想的情況是每隔0.05~0.1λ有一個接地點(diǎn)。
    另外，在傳輸上升下降沿非常陡峭的信號時，也應(yīng)按照變頻信號來處理，實(shí)施多點(diǎn)接地。*后要說明的一點(diǎn);如果從干擾角度講，低頻干擾嚴(yán)重時采用屏蔽單點(diǎn)接地，在高頻干擾情況下要多點(diǎn)接地，同時建議在通訊電纜中提供一根等電位線將各節(jié)點(diǎn)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(diào)速的高精度快速響應(yīng)控制系統(tǒng)中，一般要安裝速度傳感器(如脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器)來進(jìn)行速度或位置閉環(huán)，或者在生產(chǎn)線和設(shè)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(diǎn)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(nèi)部與傳感器殼體接在一起。當(dāng)傳感器安裝在電機(jī)、管道或者生產(chǎn)線上時，屏蔽層就與這些設(shè)備相連接;而在傳感器與變頻器或其他控制設(shè)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(shè)備接地**(RE、RG大于接地標(biāo)準(zhǔn)*大電阻或者嚴(yán)重不等)，就會出現(xiàn)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(tǒng)工作的可靠性產(chǎn)生很大影響;嚴(yán)重時，系統(tǒng)將無法工作。因此，在采用外部傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，距離較遠(yuǎn)時，一定要保證外部設(shè)備和變頻器的可靠獨(dú)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(cè)實(shí)施一點(diǎn)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(shè)備接地點(diǎn)之間電位差近似為零，從而消除地環(huán)流形成的干擾。
3.3模擬信號屏蔽層接地
    實(shí)踐證明，雙絞線或雙絞屏蔽線對磁場的屏蔽效果明顯優(yōu)于單芯屏蔽線，對于采用標(biāo)準(zhǔn)4~20mA/0~10V/1~5V模擬信號控制變頻器頻率/轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)，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(cè)實(shí)施接地。控制裝置之間的信號電纜應(yīng)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(shí)際系統(tǒng)中，一般在信號電纜數(shù)量多的控制裝置一側(cè)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(nèi)屏蔽層接至系統(tǒng)地線。系統(tǒng)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(tǒng)獨(dú)立的接地線。對于共模干擾嚴(yán)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(diǎn)地電位浮動頻繁的場合，可采用DC/DC隔離模塊來實(shí)現(xiàn)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(shù)低，對于電網(wǎng)的污染嚴(yán)重。因此，可針對不同的要求，采取相應(yīng)措施。比如，要求輸入具有較高的功率因數(shù)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(jī)的連接導(dǎo)線的無線電輻射干擾和延長變頻器與電機(jī)之間連線時，必須在變頻器輸出側(cè)加裝交流電抗器L3;要求減少變頻器的使用對周圍設(shè)備的干擾時，必須在變頻器輸入側(cè)加裝EMI濾波器，以減少傳導(dǎo)干擾，提高周邊設(shè)備如PLC控制設(shè)備及自動化儀表的可靠性。由于每個選件都有相應(yīng)的屏蔽層，為了充分發(fā)揮性能，接地點(diǎn)的連線非常重要。對于在同一控制柜中的中小功率變頻調(diào)速系統(tǒng)，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(tǒng)，推薦不同單元之間采用獨(dú)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(chǎn)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(qū)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(dú)立的驅(qū)動電源，T4、T6、T2采用一組驅(qū)動電源，四組電源間及與大地之間絕緣電壓要求達(dá)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(dú)立電源。因此，在采用示波器測量PWM驅(qū)動波形時，*好不要直接測量，建議采用高壓探頭進(jìn)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(jī)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(dǎo)電的防靜電實(shí)驗(yàn)臺上時，要注意其外露金屬殼體部分不與導(dǎo)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(shù)電源插座未接地線，但插在同一插座上的設(shè)備地線也可能形成了地回路，如使用不當(dāng)，有時會造成多臺設(shè)備損壞的局面。測試設(shè)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(shè)備的損壞。
    轉(zhuǎn)矩儀內(nèi)部通過7805將GND與機(jī)殼相連，當(dāng)三腳插頭接地腳沒有被剪掉時，由于示波器探頭負(fù)極與機(jī)殼相連，通過轉(zhuǎn)矩儀的7805和RS232通訊口的GND與所關(guān)聯(lián)設(shè)備的GND相連，當(dāng)探頭加到調(diào)速器時，GND點(diǎn)的電位升高到被測點(diǎn)(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(zhuǎn)矩儀/計(jì)算機(jī)之間沒有電路聯(lián)系，故沒有出現(xiàn)問題。但是由于GND與保護(hù)地仍然相連，干擾通過GND-232引入到計(jì)算機(jī)/仿真器系統(tǒng)，導(dǎo)致仿真器頻繁死機(jī)。剪除所有電源線插頭的接地極，同時將轉(zhuǎn)矩測試儀表的7805芯片與機(jī)箱之間墊入絕緣導(dǎo)熱材料，使GND與機(jī)殼之間絕緣。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，仿真器的干擾現(xiàn)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(shè)備不宜采用獨(dú)立接地體
    我國絕大部分低壓供電系統(tǒng)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(shè)備的PE線要采用獨(dú)立接地體的三相五線制式，筆者認(rèn)為，在三相五線制未實(shí)施的現(xiàn)場如果采用PE獨(dú)立接地，能提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但不能避免觸電事故。
    當(dāng)電氣設(shè)備R、S、T輸入相線與機(jī)殼相碰時，將有接地電流I0流過對地保護(hù)電阻R0、R1，由于獨(dú)立地線埋設(shè)條件一般比變壓器零線情況稍差，現(xiàn)假設(shè)R1=R0(R1一般大于R0)，在上述情況下，設(shè)備外殼將達(dá)110V。一般接地電阻標(biāo)準(zhǔn)為小于10Ω，如果按照5Ω來計(jì)算，短路故障電流I0=220/(5+5)=22A。為了使保護(hù)設(shè)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(guān)整定電流的1.25倍，據(jù)此可以計(jì)算出，對于電氣設(shè)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(shè)備，保護(hù)設(shè)備將不能有效動作。
6.2控制系統(tǒng)PE線中漏電流超標(biāo)
    前面已經(jīng)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(cè)加裝直流電抗器，在輸出側(cè)安裝電抗器等附件，附件屏蔽層對地線之間產(chǎn)生很大的漏電流。經(jīng)過測試，目前許多變頻器PE端子接入系統(tǒng)地線時漏電流達(dá)到了300mA以上，而我國消防有關(guān)規(guī)定，要求PE地線中漏電流應(yīng)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(chǎn)品時一定要確認(rèn)地線對地漏電流是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以防止由于絕緣故障引起的火災(zāi)。等效原理圖如圖12所示，如果變頻器與電機(jī)的連線比較短，而且電機(jī)與變頻器同時采用ES一點(diǎn)接地，分布參數(shù)C1、C2、C3比較小，則iE12可以忽略不計(jì)，iA、iB、iC之和等于iE，在數(shù)值上亦較小，一般均符合要求;如果變頻器與電機(jī)的連線較長，分布參數(shù)C1、C2、C3比較大，iE12分量將增大，致使控制系統(tǒng)PE線中漏電流iE12與iE1之和超標(biāo)。
6.3三相五線制中零線與地線之間的電壓不合標(biāo)準(zhǔn)
    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(jié)省成本，地線埋設(shè)嚴(yán)重不合要求，或是地線、零線線徑不符合標(biāo)準(zhǔn)，造成零線、地線與大地間電阻超過標(biāo)準(zhǔn)10Ω，從而導(dǎo)致零線、地線分別對地及零線與地線之間電壓很高，嚴(yán)重時超過36V**電壓，造成**隱患和降低系統(tǒng)的抗干擾能力。為了減小部分電氣設(shè)備的接地系統(tǒng)引起的電氣噪聲，中性線與接地之間的電壓應(yīng)小于1V。
6.4靜電問題
    在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多設(shè)備(如塑料機(jī)械)本體與變頻器共用同一個系統(tǒng)地線，由于許多廠家無單獨(dú)地線，仍舊采用零線替代，結(jié)果使整個系統(tǒng)產(chǎn)生電壓很高的靜電，此高壓將產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，干擾控制器和變頻器的正常工作。筆者曾經(jīng)遇到一塑料制品廠家設(shè)備連續(xù)工作3日左右，控制系統(tǒng)(含變頻器)均頻繁報警，故障復(fù)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(shè)了系統(tǒng)地線，結(jié)果故障迎刃而解。
6.5關(guān)于機(jī)箱的錯誤觀點(diǎn)
    在我國，對于變頻器類工業(yè)化產(chǎn)品，人們對采用塑膠殼，體積小、重量輕的以日本為代表的產(chǎn)品較為青睞，而不看好符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的價格較高的板筋件或以鑄鋁結(jié)構(gòu)為主的歐洲型產(chǎn)品。由于變頻器內(nèi)部使用高速開關(guān)器件(如IGBT、IPM)，其快速的開通關(guān)斷產(chǎn)生很大的dv/dt，盡管機(jī)內(nèi)加裝snubber電路，但仍舊產(chǎn)生很大的電磁波輻射，對于一般電氣控制柜內(nèi)的設(shè)備造成很大干擾，此時板筋件產(chǎn)品明顯優(yōu)于塑膠件產(chǎn)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(quán)衡考慮，合理選擇機(jī)型。盡管某些廠家在塑膠機(jī)殼中塑噴導(dǎo)電膠或加裝屏蔽錫紙，但效果并不十分理想。
6.6系統(tǒng)地線與保護(hù)地線不分
    對于小型小功率的電氣控制系統(tǒng)，如果系統(tǒng)地線與保護(hù)地線不分，系統(tǒng)還是可以正常工作的。但是，對于如軋鋼機(jī)、集裝箱提升設(shè)備等用高壓大功率變流裝置，系統(tǒng)抗干擾能力和**保護(hù)可靠性的要求尤為突出，必須實(shí)施系統(tǒng)地線與保護(hù)地線的分離。系統(tǒng)保護(hù)地母線一般采用與廠房鋼結(jié)構(gòu)連接而實(shí)現(xiàn)良好接地，而對于整個控制系統(tǒng)的系統(tǒng)地及屏蔽地通過地線匯流排連接至符合標(biāo)準(zhǔn)的單獨(dú)接地極接地。地線匯流排一般要采用25mm2以上大截面絕緣導(dǎo)線或鍍絕緣漆銅排，以保證一點(diǎn)接地。此時要注意屏蔽地接地電極與變壓器零線等其它強(qiáng)電設(shè)備接地電極的距離大于15m。
6.7誤用空氣開關(guān)
    在實(shí)際使用過程當(dāng)中，有許多客戶延用原來的采用三相四線制漏電流保護(hù)功能的空氣開關(guān)，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(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備，由于設(shè)備本身已經(jīng)與大地可靠接地，如圖12中的EM接地點(diǎn)，輸出PWM的dv/dt通過導(dǎo)線與地、機(jī)殼與地的分布電容造成對地EM的漏電流iE2超標(biāo)，輸出電流iU、iV、iW之和不等于零，iA、iB、iC之和大于iE，當(dāng)誤差大于空氣開關(guān)規(guī)定的跳閘電流時，空氣開關(guān)跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)無法正常運(yùn)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(diǎn)的存在，即使對地漏電流iE超標(biāo)，也不會造成空氣開關(guān)誤動作，但是實(shí)際生產(chǎn)中是很難保證這一點(diǎn)的。因此，在條件允許的情況下，在采用變頻器的系統(tǒng)中需要更換帶有漏電保護(hù)的空氣開關(guān)，否則，只能采用在變頻器輸入側(cè)加裝隔離變壓器，杜絕電網(wǎng)對大地的漏電流，或者降低變頻器載波頻率，減小分布參數(shù)造成的對地漏電流等方法來部分解決問題。
7結(jié)論
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體變流裝置對于電網(wǎng)污染越來越嚴(yán)重，與綠色工業(yè)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(guān)PWM等技術(shù)，從根本上解決問題，但卻帶來系統(tǒng)復(fù)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(chǎn)品，減少諧波污染和減弱干擾傳導(dǎo)的治標(biāo)方法，由于其具有成本低，配置靈活等特點(diǎn)，成為目前應(yīng)用*多的方案。在這種情況下，接地技術(shù)成為能否發(fā)揮配件性能，有效解決諧波和干擾問題的關(guān)鍵。本文中從變頻器實(shí)際應(yīng)用接地的幾個方面提出了實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)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(diào)速器等工業(yè)設(shè)備運(yùn)行的可靠性和**性具有一定的指導(dǎo)意義。