伺服驱动器PE端未和中性点可靠连接的危害

2019-08-13张绍军

设备管理与维修 2019年7期

张绍军

（西门子工厂自动化工程有限公司西安分公司，陕西西安 710065）

0 引言

在数控设备安装接线时，一般会将伺服驱动器的PE端（或者说驱动器的外壳）和配电系统中的PE线连接起来。但很多场合下却不注意这个PE端最终是否和变压器的中性点可靠地连接起来了（如图1所示）。从日常设备管理和维护的实践看，这一点容易被忽视。如果驱动的PE端和中性点没有可靠连接，则会对数控系统产生较大的危害和影响。因此，驱动器的PE端一定要和变压器中性点可靠连接。

图1 进线连接图

1 稳定驱动器的相电压

以三相AC400 V低压配电为例，车间的供电电源来自于1个10 kV/0.4 kV的降压变压器，在变压器房内，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1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°夹角，才是相电压为AC230 V，线电压为AC400 V。

如果驱动的PE端没有连接到中性点（例如就在设备附近埋入地下），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），而可能是漂浮的不稳定的（零点漂移），相电压比较容易发生变化，容易出现某一相或几相对驱动器PE端的低电压或者高电压。低电压可能造成驱动器进线报警无法工作，而这个电压过高，则会逐步损害驱动器的绝缘性能。例如：一般三相AC400 V伺服驱动器的气隙，绝缘等被设计为最大允许相电压AC300 V。一旦没有中性点的抑制和稳定作用，相电压超高甚至超过最大允许值的概率会大大增加，同时，频繁的幅值较大的电压瞬变也会给IGBT模块等功率元器件带来动态过载损害问题，最终造成驱动器对地短路损坏或者功率器件失效。

图2 相电压基准的变化

此问题其实就是1个相电压的基准问题。只有PE端和中性点是等电位，说相电压的稳定才有意义，否则驱动器的相电压就是不稳定的。而要等做到电位，驱动器的PE端和中性点必须要可靠连接。

2 承载返回电流，满足系统的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。实际上就是电荷守恒定律，即流过电路的电荷不会产生和消失，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，现代数控系统的伺服驱动器普遍采用交—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（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）原理控制作用下，由于电机线圈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。

整流器电容被变压器反复充电，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一种共模电流。系统中的共模电流会通过动力电缆的屏蔽层，驱动装置的外壳和PE线，在变压器和伺服驱动系统中构成若干回路，部分共模电流必须要通过PE线回到变压器中性点构成电流回路。在TN-C网络中，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剩余电流保护器的，否则剩余电流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。为保证设备的EMC（Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性）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线不能和中性点有可靠的连接，但是电流仍要想方设法回到电源端才行，返回电流仍然存在，但此时返回电流就会自动寻找阻抗最小的返回通路，此时的返回通路就变成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）。

图4 不稳定的返回电流通道示意图

EMC问题的根源在于对电场和磁场的阻抗控制，由于电子学性质决定了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干扰问题，例如CNC控制器的死机，编码器传感器信号紊乱，总线通信的中断等，而且往往没有明显的规律可循。

如图5显示的CNC机床直线光栅尺的例子：设备经常性出现“主动编码器硬件故障”报警，或者有较大的位置误差，设备伺服驱动的PE端未和中性点有导线连接。通过示波器观察光栅尺信号波形：左图为PE端和中性点未连接时的波形，而右图则是PE端和中性点连接后的波形。可以明显地看出，在PE端和中性点未连接时，光栅尺信号受到了较大的干扰波形明显杂乱；而在PE端和中性点连接好后，光栅尺信号变得非常规则。

图5 光栅尺信号波形对比

在车间现场层面，输入进线一般都会被着重考虑，但常常忘了“电流永远都要流回源头”，因此返回电流常常被忽视，即“只重视进不重视回”，这是很多EMC问题的根源。如果我们要尽可能地提高数控设备的EMC性能，就必须掌控好返回电流的通路状况，得到可靠的、低阻抗的电流返回通路。因为共模电流具有相当多的高频成分，从降低阻抗的角度来说，整块的金属底板构成回路的阻抗最小，而越密的网格接地线越接近于金属底板，如果成本允许应该尽量使用网格地线，否则至少应该保证足够截面积的良好导线连接，那么这种返回通路是基本可预测和可控的，数控设备的EMC性能有基本的保障。虽然设备EMC问题的原因不仅限于此，但相关性很大。

3 常见连接错误和原因

数控伺服驱动器的PE端和中性点没有直接的连接，会在系统中产生较大的危害和影响。使用现场之所以会出现很多PE端和中性点断开连接的情况，基本上出于两个原因：误解TN-S（三相五线制），规避剩余电流保护器。

如图6所示，由于概念认识上的错误，很多人将右侧的配电方式认为是三相五线制，但其实这个PE线仅仅是个安全重复接地，只能起到防止设备外壳带电的作用。因为这个PE线和中性点没有直接的连接，所以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TN-C。在这种错误的认知下，如果伺服驱动接入了3根相线和PE，实际就成了TT系统，基于上述的论述，这种情况下伺服系统的运行可靠性会显著下降。因此这种情况下，伺服驱动的PE端应该保持N线和PE线的双重连接。

图6 真假三相五线制

另外一种情况就是在某些TN-C的系统中，电柜进线前安装剩余电流保护器。使用人员为了规避剩余电流保护器的动作，伺服系统只接入3根相线，而单独在设备旁边做一个接地装置作为PE。这其实还是构成了TT系统，仍然会出现上述的问题。对于安装剩余电流保护器情况的解决方法，应根据GB14050——2016的规定，或者改为局部TNC-S，或者通过隔离变压器隔离，伺服驱动的PE端接入隔离变压器的中性点，如图7所示。