變頻器在接地時需要注意哪些.doc

變頻器在接地時需要注意哪些通過實踐證明了，變頻器的接地是因為這樣可以抑制噪聲和防止干擾的現(xiàn)象。一個好的接地方法可以在很大的程度上抑制機器內(nèi)部噪聲的耦合，從而可以防止外部的干擾信號侵入，提升了系統(tǒng)的抗干擾能力。此外變頻器的本身具有專用的接地端子pe端，如果從安全的角度和降低噪聲的角度出發(fā)來看的話那么它必須要接地。在這里我們提醒大家：(1)千萬不要將地線接在電器設(shè)備的外殼上面，同時也不能接在零線上；(2)我們可以使用較粗的短線一端接到pe端，而另外的一端可以喝接地極相連，接地的電阻取值一般要小于100，而接地線的長度也要在20m以內(nèi)；(3)一定要注意選擇合理的接地方式。變頻器的接地方式有單點接地式、有多點接地式以及混合接地式等等形式的，而這些形式都是要根據(jù)實際的具體情況來選擇使用的，所以一定要注意不能由于接地不良的緣故而對設(shè)備產(chǎn)生影響和干擾。下面我們來看看這些形式所具有的特點：單點接地：單點接地指的是在同一個電路或者是裝置中，僅僅只有一個物理點的定義為接地點，而在低頻的情況下性能會顯得非常好；多點接地：所謂的多點接地是指在裝置中的每個接地點都能夠直接鏈接到距離它最近的接地點的位置，而在高頻的情況下性能會顯得非常好；混合接地：至于混合接地則是將單點接地和多點接地混合使用。但是要根據(jù)系統(tǒng)抗干擾性的要求來進行合理的選用。電磁干擾的傳播途徑都有哪些呢？變頻器可以產(chǎn)生很大功率的諧波從而會對系統(tǒng)以及其他的設(shè)備造成一定的干擾性。而且變頻器的干擾方式和普通電磁的干擾方式都是幾乎相同的，有電磁輻射、電路耦合、感應(yīng)耦合等等，下面我們就來看看詳細(xì)的內(nèi)容。（1）電磁輻射 變頻器相對于電網(wǎng)來講它是屬于非線性的負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波將會對接入的同一電網(wǎng)中的其它電子和電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波的干擾。當(dāng)變頻器的金屬外殼帶有縫隙或者是孔洞，則輻射強度就和干擾信號的波長有關(guān)聯(lián)，當(dāng)孔洞的大小和電磁波的波長比較接近的時候，就會形成向四周輻射的干擾輻射源。（2）電路耦合 電磁干擾除了可以通過和它相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射以外，還能夠通過阻抗耦合或者是接地回路耦合。通常來說接自工業(yè)低壓的網(wǎng)絡(luò)變頻器所能夠產(chǎn)生的干擾信號是沿著配電變壓器進入中壓網(wǎng)絡(luò)中的，并且是沿著其它的配電變壓器最后才進入民用的低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，從而使民用配電的電氣設(shè)備成為了遠(yuǎn)程的受害者。（3）感應(yīng)耦合 當(dāng)變頻器在輸入或者是輸出電路和其他的設(shè)備電路十分相近的時候，變頻器的高次諧波信號能夠通過感應(yīng)的方式耦合到其它的設(shè)備中去。其中電流干擾的信號主要以電磁感應(yīng)的方式來傳播的，電壓干擾的信號通常主要是以靜電感應(yīng)的方式來進行傳播的。變頻器會對外部造成哪些干擾呢 上一篇文章講解了關(guān)于外部對變頻器所帶來的干擾。而今天我們要講的是變頻器對外部所造成的干擾。 變頻器對于電網(wǎng)來講它也是非線性的負(fù)載，它產(chǎn)生的諧波都會對同一個電網(wǎng)下的其他電子和電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波的干擾。此外逆變器通常采用的是spwm技術(shù)，當(dāng)它工作用于開關(guān)模式并且是在高速切換的時候，這時就會產(chǎn)生大量的噪聲,從而會對同一個電網(wǎng)下的其他的電子和電氣設(shè)備造成電磁干擾的現(xiàn)象。(1) 輸入電流的波形 對于ac-dc-ac壓型變頻器來說，它的輸入主要是整流和濾波電路，只有在電源的線電壓ul大于電容器兩端的直流電壓ud的時候，整流橋中才會有充電的電流產(chǎn)生。所以充電電流總是會出現(xiàn)在電源電壓的振幅值周圍，通常會呈現(xiàn)不連續(xù)的沖擊波形式。而且它還具有非常強的高次諧波成分，其中5次諧波和7次諧波的分量相當(dāng)大。(2) 輸出電壓與電流的波形 變頻器的逆變橋基本上都是使用spwm技術(shù)，它的輸出電壓和電流的功率譜是呈離散型的，而且還帶有和開關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。其高載波頻率和場控開關(guān)器件的高速切換所引起的輻射干擾就顯得相當(dāng)?shù)耐怀隽?。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。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)電源零線中線、地線保護接地、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 PEE、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(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 來進行彌補。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，既不符合消防安全規(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，最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(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，會造成計算機或者變頻器的損壞。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、兩點還是多點接地的疑惑。據(jù)有關(guān)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(yīng)該選用多點接地，最少也應(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)。以傳輸信號的波長的 1/4 為界，通信傳輸線長度小于/4 時采用一點接地長度大于/4 時，由于屏蔽層也能起到天線作用，應(yīng)采用多點接地，在多點接地時，最理想的情況是每隔 0.050.1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(yīng)按照變頻信號來處理，實施多點接地。最后要說明的一點如果從干擾角度講，低頻干擾嚴(yán)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(jié)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(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、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)備接地不良RE、RG 大于接地標(biāo)準(zhǔn)最大電阻或者嚴(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(shè)備接地點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) 420mA/010V/15V 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 5a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(xiàn)電氣隔離，如圖 5b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的連接導(dǎo)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(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，T1T6 采用六組獨立電源。因此，在采用示波器測量 PWM 驅(qū)動波形時，最好不要直接測量，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(dǎo)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(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)備的電源最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，如圖 10 所示。圖 10 中轉(zhuǎn)矩儀內(nèi)部通過 7805 將 GND 與機殼相連，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(zhuǎn)矩儀/計算機之間沒有電路聯(lián)系，故沒有出現(xiàn)問題。但是由于 GND 與保護地仍然相連，干擾通過 GND-232 引入到計算機/仿真器系統(tǒng)，導(dǎo)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(zhuǎn)矩測試儀表的 7805 芯片與機箱之間墊入絕緣導(dǎo)熱材料，使 GND 與機殼之間絕緣。經(jīng)過實驗，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 線要采用獨立接地體的三相五線制式，筆者認(rèn)為，在三相五線制未實施的現(xiàn)場如果采用 PE 獨立接地，能提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但不能避免觸電事故。在圖 11 中，當(dāng)電氣設(shè)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(shè)條件一般比變壓器零線情況稍差，現(xiàn)假設(shè) R1R0R1 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 10，如果按照 5來計算，短路故障電流 I0220/5522A。為了使保護設(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(shù) C1、C2、C3 比較小 ，則 iE12 可以忽略不計，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) 10，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 安全電壓，造成安全隱患和降低系統(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)于機箱的錯誤觀點在我國，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，合理選擇機型。盡管某些廠家在塑膠機殼中塑噴導(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)地線與保護地線不分，系統(tǒng)還是可以正常工作的 。但是，對于如軋鋼機、集裝箱提升設(shè)備等用高壓大功率變流裝置，系統(tǒng)抗干擾能力和安全保護可靠性的要求尤為突出，必須實施系統(tǒng)地線與保護地線的分離。 系統(tǒng)保護地母線一般采用與廠房鋼結(jié)構(gòu)連接而實現(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(shè)備接地電極的距離大于 15m。6.7 誤用空氣