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变频调速系统安装与调试技术讲座 | 变频器周边控制回路的抗干扰措施(二)

发布日期:2017-11-29 浏览次数:558
4.4  变频器接地技术

       接地是提高变频调速系统中电子电气设备电磁兼容性的有效手段之一,正确的接地既能抑制外部电磁干扰的影响,又能防止变频调速系统中电子电气设备向外部发射电磁波;而错误的接地常常会引入非常严重的干扰,甚至会使变频调速系统中电子电气设备无法正常工作。在变频调速系统中,因为有多种控制检测装置分散布置在许多地方,所以它们各自的接地往往会形成十分复杂的接地网络,接地不仅需要在系统设计时周密考虑,而且在安装调试时也要仔细检查和做适当的调整。接地目的有三个:
 
      ①接地使整个系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位,保证电路系统能稳定地工作。
 
     ②防止外界电磁场的干扰。机柜接地可使由于静电感应而积累在机柜上的大量电荷通过大地泄放,否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外,对于电路的屏蔽体,若选择合适的接地,也可获得良好的屏蔽效果。避免设备在外界电磁环境作用下使设备对大地的电位发生变化,造成设备工作不稳定。
 
      在变频调速系统中,电子电气设备的某些部位与大地相连可以起到抑制外部干扰的作用,例如静电屏蔽层接地可以抑制变化的电场干扰,电磁屏蔽用的导线若不接地常会带来静电耦合而产生所谓的“静电屏蔽”效应,所以仍需要接地。
 
      ③保证设备操作人员的人身安全。当发生直接雷电电磁感应时,接地可避免变频调速系统中的电气电子设备毁坏;当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机柜相通时,可造成操作人员的触电事故发生。
 
     以确保人员和设备的安全为目的的接地称为“保护接地”,它必须可靠地接在大地电位上。一般地说,变频调速系统中的电子电气设备的金属外壳、底盘、机座的接地都属于保护接地的范畴。
 
     由此可见,设备接大地除了是对人员安全、设备安全的考虑外,也是抑制干扰发生的重要手段。良好的接地可以保护设备或系统的正常工作以及人身安全。可以消除各种电磁干扰和雷击等。所以接地设计是非常重要的,但也是难度较大的课题。地线的种类很多,有逻辑地、信号地、屏蔽地、保护地等。接地的方式也可分单点接地、多点接地、混合接地和悬浮地等。理想的接地面应为零电位,各接地点之间无电位差。但实际上,任何“地”或接地线都有电阻。当有电流通过时,就会产生压降,使地线上的电位不为零,两个接地点之间就会存在地电压。当电路多点接地,并有信号联系时,就将构成地环路干扰电压。
 
     变频调速系统中的各类电路电流的传输、信息转换要求有一个参考的电位,这个电位还可防止外界电磁场信号的侵入,常称这个电位为“逻辑地”。这个“地”不一定是“地理地”,可能是变频调速系统的金属机壳、底座、印刷电路板上的地线或建筑物内的总接地端子、接地干线等;逻辑地可与大地接触,也可不接触,而“电气地”必须与大地接触。
 
     虽然从抗雷电和静电放电的角度,以及安全的角度,变频调速系统中的设备需要接大地,但是从电磁干扰的角度看,大地可能形成地环路,对信号造成干扰。变频调速系统中有将内部电路连接到金属机柜上的机柜地端子,也有为内部电路地线电流提供的低阻抗通路的信号地端子。两台变频器机柜的接地如图4-5所示。两台设备与地板之间是绝缘的,信号端子与机柜接地分别在一点接地。这样,流过设备的噪声电流就不会流到信号地线上,因此不会造成电位基准面的变动。并且,由于各个信号端子分别接地,因此不会发生地线电流的相互干扰。
 

    (1)接地分类
    变频调速系统的接地概括来讲,可以分为系统接地、屏蔽接地和防雷接地。系统接地又可以细化成下面几种接地方式:
   ①交流工作接地(中性线),接地电阻不应大于4Ω。
 
    ②安全保护接地,接地电阻不应大于4Ω。
 
   ③直流工作接地(逻辑接地),接地电阻应按照系统具体要求确定。
 
    ④防静电接地。防静电接地是电气设计中不允许被忽视的组成部分,有许多静电导致设备故障的事例,静电接地可以经限流电阻及自己的连接线与接地装置相联,在有爆炸和火灾隐患的危险环境,为防止静电能量泄放造成静电火花引发爆炸和火灾,限流电阻值宜为1MΩ。
 
    变频调速系统中有许多屏蔽单元,如供电隔离变压器的屏蔽层,局部空间或线路的屏蔽罩(设备外壳),动力屏蔽电缆、信号传输屏蔽电缆的屏蔽层。这些屏蔽的导体只有良好接地才能充分发挥作用。
 
    系统接地和屏蔽接地宜共用一组接地装置,其接地电阻按照其中最小值确定。设置防雷接地时,应按照现行的《建筑物防雷设计规范》GB50057-94设计,并应采取《建筑物防雷设计规范》中规定的防止反击措施。
 
   (2)变频调速系统的接地方式
     变频调速系统的接地一般有三种方式,如图4-6所示。其中图4-6 (a)为变频器和其它设备分别接地方式,这种接地方式最好。如果做不到每个设备专用接地,可使用图4-6 (b)公共接地方式,但不允许使用图4-6 (c)的共用接地方式,特别是应避免与电动机变压器等动力设备共用接地。安装变频器时,安装板应使用无漆镀锌钢板,以确保变频器的散热器和安装板之间有良好的电气连接。确保变频器柜中的所有设备接地良好,使用短和粗的接地线连接到公共接地点或接地母排上。特别重要的是,连接到变频器的任何控制设备(如PLC)要与其共地,同样也要使用短和粗的导线接地。最好采用扁平导体(例如金属网)因其在高频时阻抗较低,电动机电缆的地线应直接连接到相应变频器的接地端子(PE)。
 
 
    (3)变频调速系统通信线屏蔽层接地
     在采用上位机通过RS-232/485与变频调速系统通信时,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,一般没有专用接地,电源插座的接地端子往往采用接中性线方式,会造成上位机或者变频调速系统的接口模块损坏。
 
    由于变频调速系统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,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。对于高速率通信的电缆采取多点接地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λ的1/4为界,通信传输线长度小于λ/4时采用一点接地;长度大于λ/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0.05~0.1λ有一个接地点。
 
     另外,在传输上升下降沿非常陡峭的信号时,也应实施多点接地。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,同时在通信电缆中提供一根等电位线将各节点的通信地串起来,以提高抗干扰能力。
 
    (4)传感器信号的屏蔽层接地
     变频调速系统的输入端接有各类传感器(如脉冲编码器、旋转变压器、压力、温度、张力、线速度等),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。当传感器安装在电动机、管道或者生产线的设备上时,屏蔽层就与这些设备相连接,而在传感器与变频调速系统或其他控制设备连接时,屏蔽层又连接至PE端子。如果此时变频调速系统或外部设备接地不良,就会出现通过屏蔽层接地的情况,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系统中,距离较远时,一定要保证外部设备和变频调速系统的可靠独立接地,或者选用传感器外壳不与控制屏蔽层连接的传感器,在变频调速系统侧实施一点接地;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。
 
    (5)模拟信号的屏蔽层接地
     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4~20mA/0~10V/1~5V模拟信号的变频调速系统,传输模拟信号的电缆一定要采用双绞线或屏蔽电缆。在实际的变频调速系统中,各种通道的信号频率大多在1MHz内,属于低频范围。由于模拟信号频带较窄,原则上在变频调速系统一侧实施接地,即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。在实际系统中,一般在信号电缆数量多的一侧接地。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调速系统的隔离地、模拟控制地,或是系统独立的接地线。对于共模干扰严重的场合,可通过增加共模电感来消除共模干扰,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以抑制干扰。
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