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。

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。

 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。

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。

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。

图5 真假三相五线制

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