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西门子为什么驱动器的PE端要和变压器中性点有可靠连接?

1. 问题的提出

在设备安装接线时一般会将驱动器的PE端(或者说驱动器的外壳)和PE线连接起来,但却很少有人注意这个PE端是否和变压器的中性点可靠地连接起来了(如图1所示)。为什么驱动器的PE一定要和变压器中性点有可靠的连接呢?以下从两个方面作出解释。

为什么驱动器的PE端要和变压器中性点有可靠连接?

图1 进线连接图

2. 稳定相电压

以三相AC400V低压配电为例,车间的供电电源一般是来自于一个10KV/0.4KV的降压变压器,在变压器室内,变压器的中性点有良好的接地体深埋入地下,被钳制在大地上,保证是0电位,对于三相交流电路,说相电压必须有一个基准,这个基准就是中性点。以此为基准的抑制和平衡,三根相线才会形成稳定的120度夹角,彼此之间的线电压才是AC400V,相电压为AC230V。

如果驱动的PE端没有连接到中性点,而仅在负载附近埋入地下,那么由于不同接地点之间可能存在电位差VPE,则在驱动器这里的基准就不一定是0电位(如图2所示),而可能是漂浮不稳定的,容易出现某一相对驱动器PE端的高电压或者低电压。低电压可能造成驱动器无法工作,而这个电压一旦过高,超过了驱动器的例如绝缘等设计要求,就会损坏驱动器或者其附件。

此问题其实就是一个相电压的基点问题,相电压是相对中性点而言的,只有PE和中性点是等电位,说相电压的稳定才有意义,否则相电压就是不稳定的。

为什么驱动器的PE端要和变压器中性点有可靠连接?

 图2 相电压基准的变化

3. 承载返回电流,满足EMC要求

根据基尔霍夫电流定律,闭合电路中任何节点上的所有电流的代数和等于0。基尔霍夫电流定律实际上是电荷守恒定律,即流过电路的电荷决不会产生和消失,必然要返回电路的起点。三根相线L1/L2/L3共用PE线构成闭合电流回路,所以PE线上必然存在着返回变压器中性点的返回电流,在三相负载不平衡时这种电流会更为明显。

从驱动器角度看,现代驱动器普遍采用交—直—交的变频原理,整流器开始工作后直流母线电容一直在进行充放电,同时在逆变器的PWM原理控制作用下,由于电机以及电机动力电缆也具有电容效应,也在进行着充放电。两者的电容叠加效应必然要在驱动系统中产生较大的共模电流(如图3所示)。

整流器被变压器反复充电,形成了一种共模电流,而动力电缆和电机被逆变器反复充电也构成了一种共模电流。逆变器产生的共模电流通过动力电缆的屏蔽层,PE线和驱动装置的外壳回到了逆变器,构成电流回路。而整流器产生的共模电流则必须要通过PE线回到变压器中性点构成电流回路。在三相四线制中,因为这种共模电流肯定要流经PEN线,因此变频驱动的进线是不能安装漏电保护器的,否则漏电保护器会频繁地切断进线导致设备无法工作,也由此可见这种共模电流是比较大的。

为什么驱动器的PE端要和变压器中性点有可靠连接?

图3 共模电流通道

共模返回电流和三相进线不平衡导致的返回电流形成叠加效应,最终都要返回到中性点去。而为了保证设备的EMC性能,返回电流的返回通路是一定不能被忽视的。

如果承载返回电流的PE不能和中性点有可靠的连接,而电流仍要想方设法回到电源M端才行,返回电流仍然存在,此时返回电流就会自动寻找阻抗最小的返回通路,返回通路就变成了其它各种不可预测、不可控制的回路,如通过土壤大地回流,或者通过其它各种不规矩的导体回流。但是这种返回通路的阻抗是极不稳定的,例如土壤的电阻率在潮湿和干燥条件下差异很大,并且共模返回电流具有高频特性,不规矩的各种导体对高频信号的阻抗也是不稳定的,因此这种返回通路并不稳定可靠(如图4所示)。

EMC问题的根源在于对电场和磁场的阻抗控制,设备中电路间倾向于互相干扰,一旦返回电流通路不畅通,阻抗不稳定,则会在设备中间带来非常多的EMC问题,例如控制器的死机,传感器编码器信号紊乱,通讯的中断等等,而且往往没有明显的规律可循。

为什么驱动器的PE端要和变压器中性点有可靠连接?

图4 不稳定的返回电流通道示意图

输入进线一般都会被仔细考虑,但返回电流常常被忽视,即“只重视进不重视回”!这其实是很多EMC问题的根源。

如果我们要尽可能地提高设备的EMC性能,就必须掌控好返回电流的通路状况,使其通路的阻抗最小。所以,为了获得可靠的、低阻抗的电流返回通路,PE必须和中性点有足够截面积的导线连接,那么这种返回通路是基本可预测和可控的。

 

4. 结论

变压器的中性点作为三相基准和电源回路的M端,是非常重要的基点。无论从稳定相电压,还是从抗干扰的角度来说,驱动器的PE端(或者说电柜的金属底板)一定要和变压器中性点有可靠的连接。对于现场接线来说,无论是三相四线制或者三相五线制,一定要确认配电柜内的PEN/PE端子是从变压器中性点来的,和中性点有可靠的导线连接,那么这种接地才是真正的接地。由于概念认识上的错误,一些现场的配电系统名义上是三相五线制,但这个PE线仅仅是个重复接地,也就是俗称的“保护接地”,起到防止设备外壳带电的作用,但PE线和中性点没有直接的连接,既没有三相基准的作用,也无法构成电流回路,那么这种配电实际上还是三相四线制(如图5的右图所示),那么在这种情况下驱动器的PE端子应该维持PE线和N线的双重连接,才是正确的。

为什么驱动器的PE端要和变压器中性点有可靠连接?

图5 真假三相五线制

 

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