浅谈变频系统接地抗干扰问题

摘要：对于如何提高控统抗干扰能力及其可靠性的方面出发，针对实际应用中的接地问题，包括主体电路、控制电路控制线等方面的接地问题进行了分析，提出了具体的接地抗干扰方法。

关键词：变频系统 抗干扰能力

一、概述

随着电力电子技术的广泛使用，电气系统的电磁干扰越发严重，抗干扰技术已经越来越重要。而接地是抑制电磁干扰，提高电子设备ECM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，由于零线与地线及控制系统屏蔽线的混接，极大影响了系统的稳定性和可靠性。

二、主体电路接地

给变频系统输入加装EMI 滤波器，可以有效抑制变频器对电网的传导干扰，加装输入交流和直流电抗器，可以提高功率因数，减少谐波污染，综合效果好。在变频系统中，主回路端子的正确接地是提高气抑制噪声能力和减小干扰的重要手段，为了提高装置的抗干扰和防雷击能力，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。某些电机与变频器之间距离超过100m 的场合，需要在变频器侧添加交流输出电抗器，解决因为输出导线对地分布参数造成的漏电流保护的减少对外部的辐射干扰。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。建议变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。

三、各类控制线接地

在采用变频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来进行速度或位置闭环，或者在设备上安装压力、温度、线速度等检测传感器。所有的传感器都有一个共同特点是：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。如果变频器或外部设备接地不良就会出现通过屏蔽层接地的情况，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。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，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。

通信线路屏蔽接地。对于PROFIBUS或RS485、RS232等通讯线连接系统中，最容易犯的错误是两点接地。对于接地点不在一起的情况，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。对于控制中心的PLC和单片机，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。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。最后要说明如从干扰角度讲，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，同时在通讯电缆中提供一根等电位线，以提高抗干扰能力。

四、其他接地问题

在电压型变频系统的输入一般采用三相不可控整流电路，其具有谐波干扰大，功率因数较低，网污染严重的特点。据此，可依据需求的不同，采取相应措施。例如，要求输入具有较高的功率因数时，必须加装直流电抗器或交流输入电抗器；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，在变频器输出侧加装交流电抗器；要求减少变频器的使用对周围设备的干扰时，在变频器输入侧加装EMI滤波器，以减少传导干扰，提高周边设备如单片机或可编程控制器及自动化仪表的可靠性。对于每个选件相应的屏蔽层，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。

系统地线与保护地线不分。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。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。在工业生产过程中，许多设备本体与变频器共用同一个系统地线，由于许多系统无单独地线，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。

五、结论

接地抗干扰能否发挥作用，是有效解决谐波和干扰问题的关键。随着电力电子技术的发展，变频系统对于电网污染越发严重，亟待解决。解决方法有二：一是采用各种电抗器和滤波器等，减少谐波污染和减弱干扰传导的治标方法，此方法成本低，配置灵活，目前应用最多。在这种情况下；二是采用采用输入可控PWM整流，加装负反馈结构，采用多电平输出及软开关等技术从源头上消除电磁和谐波污染根本上解决问题，但却带来系统复杂，成本上升和可靠性下降。本文就变频系统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、解决方法对于提高采用变频系统等工业设备运行的可靠性和安全性具有一定的帮助。

参考文献

[1]李良仁等.变频调速技术与应用.电子工业出版社，2004.

[2]张松春等.电子控制设备干扰技术及其应用.北京：机械工业出版社，1998

[3] 周旭主编. 电子设备防干扰原理与技术. 国防工业出版社.2005