变频器在接地时需要注意哪些.doc

变频器在接地时需要注意哪些通过实践证明了，变频器的接地是因为这样可以抑制噪声和防止干扰的现象。一个好的接地方法可以在很大的程度上抑制机器内部噪声的耦合，从而可以防止外部的干扰信号侵入，提升了系统的抗干扰能力。此外变频器的本身具有专用的接地端子pe端，如果从安全的角度和降低噪声的角度出发来看的话那么它必须要接地。在这里我们提醒大家：(1)千万不要将地线接在电器设备的外壳上面，同时也不能接在零线上；(2)我们可以使用较粗的短线一端接到pe端，而另外的一端可以喝接地极相连，接地的电阻取值一般要小于100，而接地线的长度也要在20m以内；(3)一定要注意选择合理的接地方式。变频器的接地方式有单点接地式、有多点接地式以及混合接地式等等形式的，而这些形式都是要根据实际的具体情况来选择使用的，所以一定要注意不能由于接地不良的缘故而对设备产生影响和干扰。下面我们来看看这些形式所具有的特点：单点接地：单点接地指的是在同一个电路或者是装置中，仅仅只有一个物理点的定义为接地点，而在低频的情况下性能会显得非常好；多点接地：所谓的多点接地是指在装置中的每个接地点都能够直接链接到距离它最近的接地点的位置，而在高频的情况下性能会显得非常好；混合接地：至于混合接地则是将单点接地和多点接地混合使用。但是要根据系统抗干扰性的要求来进行合理的选用。电磁干扰的传播途径都有哪些呢？变频器可以产生很大功率的谐波从而会对系统以及其他的设备造成一定的干扰性。而且变频器的干扰方式和普通电磁的干扰方式都是几乎相同的，有电磁辐射、电路耦合、感应耦合等等，下面我们就来看看详细的内容。（1）电磁辐射 变频器相对于电网来讲它是属于非线性的负载，它所产生的谐波将会对接入的同一电网中的其它电子和电气设备产生谐波的干扰。当变频器的金属外壳带有缝隙或者是孔洞，则辐射强度就和干扰信号的波长有关联，当孔洞的大小和电磁波的波长比较接近的时候，就会形成向四周辐射的干扰辐射源。（2）电路耦合 电磁干扰除了可以通过和它相连的导线向外部发射以外，还能够通过阻抗耦合或者是接地回路耦合。通常来说接自工业低压的网络变频器所能够产生的干扰信号是沿着配电变压器进入中压网络中的，并且是沿着其它的配电变压器最后才进入民用的低压配电网络中，从而使民用配电的电气设备成为了远程的受害者。（3）感应耦合 当变频器在输入或者是输出电路和其他的设备电路十分相近的时候，变频器的高次谐波信号能够通过感应的方式耦合到其它的设备中去。其中电流干扰的信号主要以电磁感应的方式来传播的，电压干扰的信号通常主要是以静电感应的方式来进行传播的。变频器会对外部造成哪些干扰呢 上一篇文章讲解了关于外部对变频器所带来的干扰。而今天我们要讲的是变频器对外部所造成的干扰。 变频器对于电网来讲它也是非线性的负载，它产生的谐波都会对同一个电网下的其他电子和电气设备产生谐波的干扰。此外逆变器通常采用的是spwm技术，当它工作用于开关模式并且是在高速切换的时候，这时就会产生大量的噪声,从而会对同一个电网下的其他的电子和电气设备造成电磁干扰的现象。(1) 输入电流的波形 对于ac-dc-ac压型变频器来说，它的输入主要是整流和滤波电路，只有在电源的线电压ul大于电容器两端的直流电压ud的时候，整流桥中才会有充电的电流产生。所以充电电流总是会出现在电源电压的振幅值周围，通常会呈现不连续的冲击波形式。而且它还具有非常强的高次谐波成分，其中5次谐波和7次谐波的分量相当大。(2) 输出电压与电流的波形 变频器的逆变桥基本上都是使用spwm技术，它的输出电压和电流的功率谱是呈离散型的，而且还带有和开关频率相应的高次谐波群。其高载波频率和场控开关器件的高速切换所引起的辐射干扰就显得相当的突出了。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 PEE、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，既不符合消防安全规范，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，最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，最少也应该两端接地，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。以传输信号的波长的 1/4 为界，通信传输线长度小于/4 时采用一点接地长度大于/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，最理想的情况是每隔 0.050.1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。最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不良RE、RG 大于接地标准最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 420mA/010V/15V 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 5a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 5b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，T1T6 采用六组独立电源。因此，在采用示波器测量 PWM 驱动波形时，最好不要直接测量，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。测试设备的电源最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，如图 10 所示。图 10 中转矩仪内部通过 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。在图 11 中，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 R1R0R1 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 10，如果按照 5来计算，短路故障电流 I0220/5522A。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 10，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 安全电压，造成安全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，系统抗干扰能力和安全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