4.4 變頻器接地技術
接地是提高變頻調速系統中電子電氣設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，又能防止變頻調速系統中電子電氣設備向外部發射電磁波；而錯誤的接地常常會引入非常嚴重的干擾，甚至會使變頻調速系統中電子電氣設備無法正常工作。在變頻調速系統中，因為有多種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雜的接地網絡，接地不僅需要在系統設計時周密考慮，而且在安裝調試時也要仔細檢查和做適當的調整。接地目的有三個：
①接地使整個系統中的所有單元電路都有一個公共的參考零電位，保證電路系統能穩定地工作。
②防止外界電磁場的干擾。機柜接地可使由于靜電感應而積累在機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備內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。避免設備在外界電磁環境作用下使設備對大地的電位發生變化，造成設備工作不穩定。
在變頻調速系統中，電子電氣設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，電磁屏蔽用的導線若不接地常會帶來靜電耦合而產生所謂的“靜電屏蔽”效應，所以仍需要接地。
③保證設備操作人員的人身安全。當發生直接雷電電磁感應時，接地可避免變頻調速系統中的電氣電子設備毀壞；當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柜相通時，可造成操作人員的觸電事故發生。
以確保人員和設備的安全為目的的接地稱為“保護接地”，它必須可靠地接在大地電位上。一般地說，變頻調速系統中的電子電氣設備的金屬外殼、底盤、機座的接地都屬于保護接地的范疇。
由此可見，設備接大地除了是對人員安全、設備安全的考慮外，也是抑制干擾發生的重要手段。良好的接地可以保護設備或系統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。所以接地設計是非常重要的，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、保護地等。接地的方式也可分單點接地、多點接地、混合接地和懸浮地等。理想的接地面應為零電位，各接地點之間無電位差。但實際上，任何“地”或接地線都有電阻。當有電流通過時，就會產生壓降，使地線上的電位不為零，兩個接地點之間就會存在地電壓。當電路多點接地，并有信號聯系時，就將構成地環路干擾電壓。
變頻調速系統中的各類電路電流的傳輸、信息轉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”，可能是變頻調速系統的金屬機殼、底座、印刷電路板上的地線或建筑物內的總接地端子、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，變頻調速系統中的設備需要接大地，但是從電磁干擾的角度看，大地可能形成地環路，對信號造成干擾。變頻調速系統中有將內部電路連接到金屬機柜上的機柜地端子，也有為內部電路地線電流提供的低阻抗通路的信號地端子。兩臺變頻器機柜的接地如圖4-5所示。兩臺設備與地板之間是絕緣的，信號端子與機柜接地分別在一點接地。這樣，流過設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面的變動。并且，由于各個信號端子分別接地，因此不會發生地線電流的相互干擾。
（1）接地分類
變頻調速系統的接地概括來講，可以分為系統接地、屏蔽接地和防雷接地。系統接地又可以細化成下面幾種接地方式：
①交流工作接地（中性線），接地電阻不應大于4Ω。
②安全保護接地，接地電阻不應大于4Ω。
③直流工作接地（邏輯接地），接地電阻應按照系統具體要求確定。
④防靜電接地。防靜電接地是電氣設計中不允許被忽視的組成部分，有許多靜電導致設備故障的事例，靜電接地可以經限流電阻及自己的連接線與接地裝置相聯，在有爆炸和火災隱患的危險環境，為防止靜電能量泄放造成靜電火花引發爆炸和火災，限流電阻值宜為1MΩ。
變頻調速系統中有許多屏蔽單元，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。這些屏蔽的導體只有良好接地才能充分發揮作用。
系統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。設置防雷接地時，應按照現行的《建筑物防雷設計規范》GB50057-94設計，并應采取《建筑物防雷設計規范》中規定的防止反擊措施。
（2）變頻調速系統的接地方式
變頻調速系統的接地一般有三種方式，如圖4-6所示。其中圖4-6 (a)為變頻器和其它設備分別接地方式，這種接地方式最好。如果做不到每個設備專用接地，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，特別是應避免與電動機變壓器等動力設備共用接地。安裝變頻器時，安裝板應使用無漆鍍鋅鋼板，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備接地良好，使用短和粗的接地線連接到公共接地點或接地母排上。特別重要的是，連接到變頻器的任何控制設備（如PLC）要與其共地，同樣也要使用短和粗的導線接地。最好采用扁平導體（例如金屬網）因其在高頻時阻抗較低，電動機電纜的地線應直接連接到相應變頻器的接地端子（PE）。
（3）變頻調速系統通信線屏蔽層接地
在采用上位機通過RS-232/485與變頻調速系統通信時，由于接地點不在一起，不同接地點之間會出現地電位差，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，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，會造成上位機或者變頻調速系統的接口模塊損壞。
由于變頻調速系統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。但在實際應用過程中，由于接地不當，經常出現接地比不接地通信誤碼率高的現象，從而使人產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。據有關資料和實踐證明，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該選用多點接地，最少也應該兩端接地，在通信線路較長時，在網絡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接地可以減少屏蔽層的靜電耦合。另外，還有一個根據傳輸信號的波長來判別接地方式的參考標準。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時采用一點接地；長度大于λ/4時，由于屏蔽層也能起到天線作用，應采用多點接地，在多點接地時，最理想的情況是每隔0.05～0.1λ有一個接地點。
另外，在傳輸上升下降沿非常陡峭的信號時，也應實施多點接地。如果從干擾角度講，低頻干擾嚴重時采用屏蔽單點接地，在高頻干擾情況下要多點接地，同時在通信電纜中提供一根等電位線將各節點的通信地串起來，以提高抗干擾能力。
（4）傳感器信號的屏蔽層接地
變頻調速系統的輸入端接有各類傳感器(如脈沖編碼器、旋轉變壓器、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部與傳感器殼體接在一起。當傳感器安裝在電動機、管道或者生產線的設備上時，屏蔽層就與這些設備相連接，而在傳感器與變頻調速系統或其他控制設備連接時，屏蔽層又連接至PE端子。如果此時變頻調速系統或外部設備接地不良，就會出現通過屏蔽層接地的情況，形成對地電流IE，對系統工作的可靠性產生很大影響，嚴重時系統將無法工作。因此，在采用外部傳感器的系統中，距離較遠時，一定要保證外部設備和變頻調速系統的可靠獨立接地，或者選用傳感器外殼不與控制屏蔽層連接的傳感器，在變頻調速系統側實施一點接地；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備接地點之間電位差近似為零，從而消除地環流形成的干擾。
（5）模擬信號的屏蔽層接地
實踐證明，雙絞線或雙絞屏蔽線對磁場的屏蔽效果明顯優于單芯屏蔽線，對于采用標準4～20mA/0～10V/1～5V模擬信號的變頻調速系統，傳輸模擬信號的電纜一定要采用雙絞線或屏蔽電纜。在實際的變頻調速系統中，各種通道的信號頻率大多在１MHz內，屬于低頻范圍。由于模擬信號頻帶較窄，原則上在變頻調速系統一側實施接地，即應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。在實際系統中，一般在信號電纜數量多的一側接地。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，內屏蔽層接至系統地線。系統地線可以是變頻調速系統的隔離地、模擬控制地，或是系統獨立的接地線。對于共模干擾嚴重的場合，可通過增加共模電感來消除共模干擾，對于多點地電位浮動頻繁的場合，可采用DC/DC隔離模塊來實現電氣隔離以抑制干擾。
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