4.4 變頻器接地技術(shù)
接地是提高變頻調(diào)速系統(tǒng)中電子電氣設(shè)備電磁兼容性的有效手段之一，正確的接地既能抑制外部電磁干擾的影響，又能防止變頻調(diào)速系統(tǒng)中電子電氣設(shè)備向外部發(fā)射電磁波；而錯誤的接地常常會引入非常嚴(yán)重的干擾，甚至?xí)棺冾l調(diào)速系統(tǒng)中電子電氣設(shè)備無法正常工作。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，因?yàn)橛卸喾N控制檢測裝置分散布置在許多地方，所以它們各自的接地往往會形成十分復(fù)雜的接地網(wǎng)絡(luò)，接地不僅需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時周密考慮，而且在安裝調(diào)試時也要仔細(xì)檢查和做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。接地目的有三個：
①接地使整個系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。
②防止外界電磁場的干擾。機(jī)柜接地可使由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)柜上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境作用下使設(shè)備對大地的電位發(fā)生變化，造成設(shè)備工作不穩(wěn)定。
在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電子電氣設(shè)備的某些部位與大地相連可以起到抑制外部干擾的作用，例如靜電屏蔽層接地可以抑制變化的電場干擾，電磁屏蔽用的導(dǎo)線若不接地常會帶來靜電耦合而產(chǎn)生所謂的“靜電屏蔽”效應(yīng)，所以仍需要接地。
③保證設(shè)備操作人員的人身安全。當(dāng)發(fā)生直接雷電電磁感應(yīng)時，接地可避免變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電氣電子設(shè)備毀壞；當(dāng)工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機(jī)柜相通時，可造成操作人員的觸電事故發(fā)生。
以確保人員和設(shè)備的安全為目的的接地稱為“保護(hù)接地”，它必須可靠地接在大地電位上。一般地說，變頻調(diào)速系統(tǒng)中的電子電氣設(shè)備的金屬外殼、底盤、機(jī)座的接地都屬于保護(hù)接地的范疇。
由此可見，設(shè)備接大地除了是對人員安全、設(shè)備安全的考慮外，也是抑制干擾發(fā)生的重要手段。良好的接地可以保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)的正常工作以及人身安全。可以消除各種電磁干擾和雷擊等。所以接地設(shè)計(jì)是非常重要的，但也是難度較大的課題。地線的種類很多，有邏輯地、信號地、屏蔽地、保護(hù)地等。接地的方式也可分單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮地等。理想的接地面應(yīng)為零電位，各接地點(diǎn)之間無電位差。但實(shí)際上，任何“地”或接地線都有電阻。當(dāng)有電流通過時，就會產(chǎn)生壓降，使地線上的電位不為零，兩個接地點(diǎn)之間就會存在地電壓。當(dāng)電路多點(diǎn)接地，并有信號聯(lián)系時，就將構(gòu)成地環(huán)路干擾電壓。
變頻調(diào)速系統(tǒng)中的各類電路電流的傳輸、信息轉(zhuǎn)換要求有一個參考的電位，這個電位還可防止外界電磁場信號的侵入，常稱這個電位為“邏輯地”。這個“地”不一定是“地理地”，可能是變頻調(diào)速系統(tǒng)的金屬機(jī)殼、底座、印刷電路板上的地線或建筑物內(nèi)的總接地端子、接地干線等；邏輯地可與大地接觸，也可不接觸，而“電氣地”必須與大地接觸。
雖然從抗雷電和靜電放電的角度，以及安全的角度，變頻調(diào)速系統(tǒng)中的設(shè)備需要接大地，但是從電磁干擾的角度看，大地可能形成地環(huán)路，對信號造成干擾。變頻調(diào)速系統(tǒng)中有將內(nèi)部電路連接到金屬機(jī)柜上的機(jī)柜地端子，也有為內(nèi)部電路地線電流提供的低阻抗通路的信號地端子。兩臺變頻器機(jī)柜的接地如圖4-5所示。兩臺設(shè)備與地板之間是絕緣的，信號端子與機(jī)柜接地分別在一點(diǎn)接地。這樣，流過設(shè)備的噪聲電流就不會流到信號地線上，因此不會造成電位基準(zhǔn)面的變動。并且，由于各個信號端子分別接地，因此不會發(fā)生地線電流的相互干擾。
（1）接地分類
變頻調(diào)速系統(tǒng)的接地概括來講，可以分為系統(tǒng)接地、屏蔽接地和防雷接地。系統(tǒng)接地又可以細(xì)化成下面幾種接地方式：
①交流工作接地（中性線），接地電阻不應(yīng)大于4Ω。
②安全保護(hù)接地，接地電阻不應(yīng)大于4Ω。
③直流工作接地（邏輯接地），接地電阻應(yīng)按照系統(tǒng)具體要求確定。
④防靜電接地。防靜電接地是電氣設(shè)計(jì)中不允許被忽視的組成部分，有許多靜電導(dǎo)致設(shè)備故障的事例，靜電接地可以經(jīng)限流電阻及自己的連接線與接地裝置相聯(lián)，在有爆炸和火災(zāi)隱患的危險(xiǎn)環(huán)境，為防止靜電能量泄放造成靜電火花引發(fā)爆炸和火災(zāi)，限流電阻值宜為1MΩ。
變頻調(diào)速系統(tǒng)中有許多屏蔽單元，如供電隔離變壓器的屏蔽層，局部空間或線路的屏蔽罩（設(shè)備外殼），動力屏蔽電纜、信號傳輸屏蔽電纜的屏蔽層。這些屏蔽的導(dǎo)體只有良好接地才能充分發(fā)揮作用。
系統(tǒng)接地和屏蔽接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻按照其中最小值確定。設(shè)置防雷接地時，應(yīng)按照現(xiàn)行的《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94設(shè)計(jì)，并應(yīng)采取《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的防止反擊措施。
（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)的接地方式
變頻調(diào)速系統(tǒng)的接地一般有三種方式，如圖4-6所示。其中圖4-6 (a)為變頻器和其它設(shè)備分別接地方式，這種接地方式最好。如果做不到每個設(shè)備專用接地，可使用圖4-6 (b)公共接地方式，但不允許使用圖4-6 (c)的共用接地方式，特別是應(yīng)避免與電動機(jī)變壓器等動力設(shè)備共用接地。安裝變頻器時，安裝板應(yīng)使用無漆鍍鋅鋼板，以確保變頻器的散熱器和安裝板之間有良好的電氣連接。確保變頻器柜中的所有設(shè)備接地良好，使用短和粗的接地線連接到公共接地點(diǎn)或接地母排上。特別重要的是，連接到變頻器的任何控制設(shè)備（如PLC）要與其共地，同樣也要使用短和粗的導(dǎo)線接地。最好采用扁平導(dǎo)體（例如金屬網(wǎng)）因其在高頻時阻抗較低，電動機(jī)電纜的地線應(yīng)直接連接到相應(yīng)變頻器的接地端子（PE）。
（3）變頻調(diào)速系統(tǒng)通信線屏蔽層接地
在采用上位機(jī)通過RS-232/485與變頻調(diào)速系統(tǒng)通信時，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)，一般沒有專用接地，電源插座的接地端子往往采用接中性線方式，會造成上位機(jī)或者變頻調(diào)速系統(tǒng)的接口模塊損壞。
由于變頻調(diào)速系統(tǒng)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，最少也應(yīng)該兩端接地，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。對于高速率通信的電纜采取多點(diǎn)接地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，最理想的情況是每隔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)實(shí)施多點(diǎn)接地。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，同時在通信電纜中提供一根等電位線將各節(jié)點(diǎn)的通信地串起來，以提高抗干擾能力。
（4）傳感器信號的屏蔽層接地
變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸入端接有各類傳感器(如脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、壓力、溫度、張力、線速度等)，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)傳感器安裝在電動機(jī)、管道或者生產(chǎn)線的設(shè)備上時，屏蔽層就與這些設(shè)備相連接，而在傳感器與變頻調(diào)速系統(tǒng)或其他控制設(shè)備連接時，屏蔽層又連接至PE端子。如果此時變頻調(diào)速系統(tǒng)或外部設(shè)備接地不良，就會出現(xiàn)通過屏蔽層接地的情況，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系統(tǒng)中，距離較遠(yuǎn)時，一定要保證外部設(shè)備和變頻調(diào)速系統(tǒng)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，在變頻調(diào)速系統(tǒng)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。
（5）模擬信號的屏蔽層接地
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模擬信號的變頻調(diào)速系統(tǒng)，傳輸模擬信號的電纜一定要采用雙絞線或屏蔽電纜。在實(shí)際的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，各種通道的信號頻率大多在１MHz內(nèi)，屬于低頻范圍。由于模擬信號頻帶較窄，原則上在變頻調(diào)速系統(tǒng)一側(cè)實(shí)施接地，即應(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。在實(shí)際系統(tǒng)中，一般在信號電纜數(shù)量多的一側(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)地線可以是變頻調(diào)速系統(tǒng)的隔離地、模擬控制地，或是系統(tǒng)獨(dú)立的接地線。對于共模干擾嚴(yán)重的場合，可通過增加共模電感來消除共模干擾，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)電氣隔離以抑制干擾。
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