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技术文章在采用变频器控制系统中接地问题的研究

技术文章在采用变频器控制系统中接地问题的研究
摘要:从如何提高控制系统抗干扰能力和可靠性的角度出发，针对变频器实际应用系统中的接地问题，从主回路、各种选配件、模拟和通信控制线及测试等方面的接地问题进行了分析，提出了具体的接地方法及一系列值得商榷的问题。 
 1引言
    在各种工业控制系统中，随着变频器等电力电子装置的广泛使用，系统的电磁干扰日益严重，相应的抗干扰设计技术已经变得越来越重要。接地是抑制电磁干扰，提高电子设备电磁兼容性的重要手段之一。正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中，由于系统电源零线(中线)、地线(保护接地、系统接地)不分、控制系统屏蔽地(控制信号屏蔽地和主电路导线屏蔽地)的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。
2主回路接地
    对于变频器，主回路端子PE(E、G)的正确接地是提高变频器抑制噪声能力和减小变频器干扰的重要手段，因此在实际应用中一定要非常重视。
    在变频器等电力电子设备中，为了提高装置的抗干扰和防雷击能力，在电源输入侧均有电容C1或者压敏电阻R1组成的电源滤波(图1)和压敏电阻R1、放电管D1组成的防雷击电路(图2)。图1、图2分别示出了采用开关电源和线性电源的变频器电源输入线路及PE内部连线情况。
    对于两种电源方式，为了提高抗干扰能力，一般不采用浮地和与系统直接接地方式，而是采用电容接地方式。C2一般选用安规电容，要求具有良好的高频特性和足够的耐压，从而为高频干扰分量提供对地通路，抑制分布电容的影响，缺点是对于低频和直流仍旧是开路，一般通过加安规电阻R2来进行弥补。由于变频器内部控制端子上控制屏蔽接地及采用线性电源变压器的屏蔽层均连接至PE，因此PE的连接情况直接关系到变频器的可靠性。在我国，大多数工厂采用三相四线制，有些用户因没有地线，干脆不接，或者为了简单将PE接至零线。在这种情况下，由于防浪涌电路中的电容及压敏电阻漏电流IC和IR较大，一般为几十至几百毫安，在接地情况不够良好的情况下，R0较大，零线与地之间的电压达到几十伏，甚至上百伏，既不符合消防**规范，也对系统的可靠性产生重大影响，因此在条件允许的情况下应尽量采用专用接地线，避免与其他设备公用接地。变频器接地导线的截面积一般应不小于2.5mm2，长度控制在20m以内。建议变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。
3控制线屏蔽接地
3.1通信线屏蔽接地
    在采用上位机PC/PLC通过RS232/485通信控制时，*容易犯的错误是两点接地。对于图3中的情况要特别注意，由于接地点不在一起，不同接地点之间会出现地电位差，在屏蔽线中形成地回路，不仅起不到屏蔽作用，反而带来干扰。特别是在上位机侧，一般用户没有专用接地，电源插座的接地端子往往采用接零线方式，会造成计算机或者变频器的损坏。在某些PC或PLC中，开关电源采用非隔离方式，即使采用变频器方面的单侧接地，也会造成通信接口的损坏。
    由于变频器通信控制信号一般低于100kHz，所以一般不用带状电缆，而采用屏蔽电缆或者双绞线。但是，在实际应用过程中，由于接地不当，经常出现接地比不接地通信误码率高的现象，从而使人产生了屏蔽电缆要不要接地，如果要接地，是采用一点、两点还是多点接地的疑惑。据有关资料和实践证明，在通信速率低于100kHz时，选用一点接地效果较好，对于采用Profibus，Modbus总线控制的高速率通信控制电缆的屏蔽层应该选用多点接地，*少也应该两端接地，并且采取在通信线路较长时在网络的终端加终端匹配电阻等抗干扰措施。对于电缆的多点接地，一个附加的好处是可以减少屏蔽层的静电耦合。另外，还有一个根据传输信号的波长来判别接地方式的参考标准。以传输信号的波长λ的1/4为界，通信传输线长度小于λ/4时采用一点接地;长度大于λ/4时，由于屏蔽层也能起到天线作用，应采用多点接地，在多点接地时，*理想的情况是每隔0.05~0.1λ有一个接地点。
    另外，在传输上升下降沿非常陡峭的信号时，也应按照变频信号来处理，实施多点接地。*后要说明的一点;如果从干扰角度讲，低频干扰严重时采用屏蔽单点接地，在高频干扰情况下要多点接地，同时建议在通讯电缆中提供一根等电位线将各节点的通讯地串起来，以提高抗干扰能力。
3.2传感器信号屏蔽接地问题
    在采用变频器调速的高精度快速响应控制系统中，一般要安装速度传感器(如脉冲编码器、旋转变压器)来进行速度或位置闭环，或者在生产线和设备上安装压力、温度、张力、线速度等检测传感器。这些传感器的一个共同特点是：为了提高抗干扰能力，信号线均采用屏蔽线，而且屏蔽线在传感器内部与传感器壳体接在一起。当传感器安装在电机、管道或者生产线上时，屏蔽层就与这些设备相连接;而在传感器与变频器或其他控制设备连接时，屏蔽层又连接至PE端子。如果此时变频器或外部设备接地**(RE、RG大于接地标准*大电阻或者严重不等)，就会出现通过屏蔽层接地的情况，如图4所示，形成对地电流IE，对系统工作的可靠性产生很大影响;严重时，系统将无法工作。因此，在采用外部传感器的闭环控制系统中，距离较远时，一定要保证外部设备和变频器的可靠独立接地，或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器，在变频器侧实施一点接地;距离较近时，可采用公共接地母排接地，保证传感器与控制设备接地点之间电位差近似为零，从而消除地环流形成的干扰。
3.3模拟信号屏蔽层接地
    实践证明，双绞线或双绞屏蔽线对磁场的屏蔽效果明显优于单芯屏蔽线，对于采用标准4~20mA/0~10V/1~5V模拟信号控制变频器频率/转速的系统，一定要采用双绞线或屏蔽电缆。由于模拟信号频带较窄，原则上在接地的控制器或变频器一侧实施接地。控制装置之间的信号电缆应在线路对地分布电容大的一端接地，这样能够减少信号电缆对地分布电容的影响。实际系统中，一般在信号电缆数量多的控制装置一侧接地。另外，对于抗干扰要求非常高的场合，可采用双重静电屏蔽的电缆，此时，外屏蔽层接至屏蔽地线，内屏蔽层接至系统地线。系统地线可以是变频器外部控制隔离地、模拟控制地，或者是系统独立的接地线。对于共模干扰严重的场合，可通过添加共模电感来消除共模干扰，如图5(a)所示;对于多点地电位浮动频繁的场合，可采用DC/DC隔离模块来实现电气隔离，如图5(b)所示，彻底杜绝干扰。
4其他变频器附件接地问题
    交直交电压型变频器(如图6所示)输入采用三相不可控整流电路，谐波大，功率因数低，对于电网的污染严重。因此，可针对不同的要求，采取相应措施。比如，要求输入具有较高的功率因数时，必须加装直流电抗器L2或交流输入电抗器L1;要求减少变频器输出与电机的连接导线的无线电辐射干扰和延长变频器与电机之间连线时，必须在变频器输出侧加装交流电抗器L3;要求减少变频器的使用对周围设备的干扰时，必须在变频器输入侧加装EMI滤波器，以减少传导干扰，提高周边设备如PLC控制设备及自动化仪表的可靠性。由于每个选件都有相应的屏蔽层，为了充分发挥性能，接地点的连线非常重要。对于在同一控制柜中的中小功率变频调速系统，建议采用公共母排接地方式，如图7所示;对于不在同一控制单元，较为分散的系统，推荐不同单元之间采用独立接地方式，如图8所示;尽量不要采用图9所示的公共接地。
5测试中的接地问题
    在变频器产品的维修过程中，由于采用三相逆变桥控制，在输出功率模块损坏时，需采用示波器观察三相驱动与输出电压、电流波形。一般对于小功率变频器，T1、T3、T5采用三组独立的驱动电源，T4、T6、T2采用一组驱动电源，四组电源间及与大地之间绝缘电压要求达到2000VDC以上;而对于大功率变频器，为了减少彼此之间干扰，T1~T6采用六组独立电源。因此，在采用示波器测量PWM驱动波形时，*好不要直接测量，建议采用高压探头进行测量。如无隔离措施，建议将示波器电源接地端子拔掉，以确保示波器机壳带电部分与其他电源或线路绝缘，特别是将示波器放置于导电的防静电实验台上时，要注意其外露金属壳体部分不与导电桌布接触，然后采用带衰减的示波器探头直接测量。另外要特别提醒的是：尽管大多数电源插座未接地线，但插在同一插座上的设备地线也可能形成了地回路，如使用不当，有时会造成多台设备损坏的局面。测试设备的电源*好全部采用隔离电源。即使采取这些措施，也有可能造成测试设备的损坏。
    转矩仪内部通过7805将GND与机壳相连，当三脚插头接地脚没有被剪掉时，由于示波器探头负极与机壳相连，通过转矩仪的7805和RS232通讯口的GND与所关联设备的GND相连，当探头加到调速器时，GND点的电位升高到被测点(100V左右)，因此串连在此回路中的元器件无一幸免损坏。剪除接地极之后，示波器与转矩仪/计算机之间没有电路联系，故没有出现问题。但是由于GND与保护地仍然相连，干扰通过GND-232引入到计算机/仿真器系统，导致仿真器频繁死机。剪除所有电源线插头的接地极，同时将转矩测试仪表的7805芯片与机箱之间垫入绝缘导热材料，使GND与机壳之间绝缘。经过实验，仿真器的干扰现象也消失。
6几个值得商榷的问题
6.1在三相四线制式中用电设备不宜采用独立接地体
    我国绝大部分低压供电系统为三相四线制，按照国外特别是欧洲电气公司的要求，用电设备的PE线要采用独立接地体的三相五线制式，笔者认为，在三相五线制未实施的现场如果采用PE独立接地，能提高系统的抗干扰能力，但不能避免触电事故。
    当电气设备R、S、T输入相线与机壳相碰时，将有接地电流I0流过对地保护电阻R0、R1，由于独立地线埋设条件一般比变压器零线情况稍差，现假设R1=R0(R1一般大于R0)，在上述情况下，设备外壳将达110V。一般接地电阻标准为小于10Ω，如果按照5Ω来计算，短路故障电流I0=220/(5+5)=22A。为了使保护设备可靠工作，接地短路电流一般不小于快速熔断器额定电流的3倍或自动空气开关整定电流的1.25倍，据此可以计算出，对于电气设备中快速熔断器电流大于7.3A或自动空气整定电流大于17.6A的电气设备，保护设备将不能有效动作。
6.2控制系统PE线中漏电流超标
    前面已经讲过，在变频器的输入回路一般均安装电源浪涌抑制器或EMI滤波器等电路，在直流侧加装直流电抗器，在输出侧安装电抗器等附件，附件屏蔽层对地线之间产生很大的漏电流。经过测试，目前许多变频器PE端子接入系统地线时漏电流达到了300mA以上，而我国消防有关规定，要求PE地线中漏电流应小于210mA，这样许多变频器是不符合防火要求的。因此对于火警危险的工作场所，在使用变频器等产品时一定要确认地线对地漏电流是否符合标准，以防止由于绝缘故障引起的火灾。等效原理图如图12所示，如果变频器与电机的连线比较短，而且电机与变频器同时采用ES一点接地，分布参数C1、C2、C3比较小，则iE12可以忽略不计，iA、iB、iC之和等于iE，在数值上亦较小，一般均符合要求;如果变频器与电机的连线较长，分布参数C1、C2、C3比较大，iE12分量将增大，致使控制系统PE线中漏电流iE12与iE1之和超标。
6.3三相五线制中零线与地线之间的电压不合标准
    目前，我国正在推行三线五线制供电模式，但是往往由于各种人为原因，造成零线与地线在变电站接在一起，或是为了节省成本，地线埋设严重不合要求，或是地线、零线线径不符合标准，造成零线、地线与大地间电阻超过标准10Ω，从而导致零线、地线分别对地及零线与地线之间电压很高，严重时超过36V**电压，造成**隐患和降低系统的抗干扰能力。为了减小部分电气设备的接地系统引起的电气噪声，中性线与接地之间的电压应小于1V。
6.4静电问题
    在工业生产过程中，许多设备(如塑料机械)本体与变频器共用同一个系统地线，由于许多厂家无单独地线，仍旧采用零线替代，结果使整个系统产生电压很高的静电，此高压将产生很强的电场，干扰控制器和变频器的正常工作。笔者曾经遇到一塑料制品厂家设备连续工作3日左右，控制系统(含变频器)均频繁报警，故障复位后仍旧不能正常工作，但掉电后放置2天左右，又能正常工作3天的情况。重新埋设了系统地线，结果故障迎刃而解。
6.5关于机箱的错误观点
    在我国，对于变频器类工业化产品，人们对采用塑胶壳，体积小、重量轻的以日本为代表的产品较为青睐，而不看好符合EMC标准的价格较高的板筋件或以铸铝结构为主的欧洲型产品。由于变频器内部使用高速开关器件(如IGBT、IPM)，其快速的开通关断产生很大的dv/dt，尽管机内加装snubber电路，但仍旧产生很大的电磁波辐射，对于一般电气控制柜内的设备造成很大干扰，此时板筋件产品明显优于塑胶件产品，因此在采用变频器时必须从价格、美观和EMC要求三方面权衡考虑，合理选择机型。尽管某些厂家在塑胶机壳中塑喷导电胶或加装屏蔽锡纸，但效果并不十分理想。
6.6系统地线与保护地线不分
    对于小型小功率的电气控制系统，如果系统地线与保护地线不分，系统还是可以正常工作的。但是，对于如轧钢机、集装箱提升设备等用高压大功率变流装置，系统抗干扰能力和**保护可靠性的要求尤为突出，必须实施系统地线与保护地线的分离。系统保护地母线一般采用与厂房钢结构连接而实现良好接地，而对于整个控制系统的系统地及屏蔽地通过地线汇流排连接至符合标准的单独接地极接地。地线汇流排一般要采用25mm2以上大截面绝缘导线或镀绝缘漆铜排，以保证一点接地。此时要注意屏蔽地接地电极与变压器零线等其它强电设备接地电极的距离大于15m。
6.7误用空气开关
    在实际使用过程当中，有许多客户延用原来的采用三相四线制漏电流保护功能的空气开关，造成在变频器正常使用过程中频繁跳闸。原因是对于潜水泵、地下矿用风机、泵类等设备，由于设备本身已经与大地可靠接地，如图12中的EM接地点，输出PWM的dv/dt通过导线与地、机壳与地的分布电容造成对地EM的漏电流iE2超标，输出电流iU、iV、iW之和不等于零，iA、iB、iC之和大于iE，当误差大于空气开关规定的跳闸电流时，空气开关跳闸，导致生产无法正常运行，同时给绝缘测试带来难度。
    另外，在图12中，如果无EM接地点的存在，即使对地漏电流iE超标，也不会造成空气开关误动作，但是实际生产中是很难保证这一点的。因此，在条件允许的情况下，在采用变频器的系统中需要更换带有漏电保护的空气开关，否则，只能采用在变频器输入侧加装隔离变压器，杜绝电网对大地的漏电流，或者降低变频器载波频率，减小分布参数造成的对地漏电流等方法来部分解决问题。
7结论
    随着电力电子技术的发展，半导体变流装置对于电网污染越来越严重，与绿色工业的矛盾日益突出。解决途径有二：一是采用从源头上消除电磁和谐波污染，如采用输入可控PWM整流，采用多电平输出及软开关PWM等技术，从根本上解决问题，但却带来系统复杂，成本上升和可靠性下降;二是采用各种滤波器、电抗器等配件产品，减少谐波污染和减弱干扰传导的治标方法，由于其具有成本低，配置灵活等特点，成为目前应用*多的方案。在这种情况下，接地技术成为能否发挥配件性能，有效解决谐波和干扰问题的关键。本文中从变频器实际应用接地的几个方面提出了实际应用系统中接地存在的问题、解决方法和一系列值得商榷的问题，对于提高采用变频调速器等工业设备运行的可靠性和**性具有一定的指导意义。
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