伺服驅(qū)動(dòng)器PE 端未和中性點(diǎn)可靠連接的危害

張紹軍

（西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司西安分公司，陜西西安 710065）

0 引言

在數(shù)控設(shè)備安裝接線時(shí)，一般會(huì)將伺服驅(qū)動(dòng)器的PE 端（或者說驅(qū)動(dòng)器的外殼）和配電系統(tǒng)中的PE 線連接起來。但很多場(chǎng)合下卻不注意這個(gè)PE 端最終是否和變壓器的中性點(diǎn)可靠地連接起來了（如圖1 所示）。從日常設(shè)備管理和維護(hù)的實(shí)踐看，這一點(diǎn)容易被忽視。如果驅(qū)動(dòng)的PE 端和中性點(diǎn)沒有可靠連接，則會(huì)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生較大的危害和影響。因此，驅(qū)動(dòng)器的PE 端一定要和變壓器中性點(diǎn)可靠連接。

圖1 進(jìn)線連接圖

1 穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)器的相電壓

以三相AC400 V 低壓配電為例，車間的供電電源來自于1個(gè)10 kV/0.4 kV 的降壓變壓器，在變壓器房?jī)?nèi)，變壓器的中性點(diǎn)有良好的接地體深埋入地下，被鉗制在大地上，保證是0 電位。對(duì)于三相交流電路，說相電壓必須有1 個(gè)基準(zhǔn)，這個(gè)基準(zhǔn)就是中性點(diǎn)。以此為基準(zhǔn)的抑制和平衡，三根相線才會(huì)形成穩(wěn)定的120°夾角，才是相電壓為AC230 V，線電壓為AC400 V。

如果驅(qū)動(dòng)的PE 端沒有連接到中性點(diǎn)（例如就在設(shè)備附近埋入地下），那么由于不同接地點(diǎn)之間可能存在電位差VPE，則在驅(qū)動(dòng)器這里的基準(zhǔn)就不一定是0 電位（如圖2 所示），而可能是漂浮的不穩(wěn)定的（零點(diǎn)漂移），相電壓比較容易發(fā)生變化，容易出現(xiàn)某一相或幾相對(duì)驅(qū)動(dòng)器PE 端的低電壓或者高電壓。低電壓可能造成驅(qū)動(dòng)器進(jìn)線報(bào)警無(wú)法工作，而這個(gè)電壓過高，則會(huì)逐步損害驅(qū)動(dòng)器的絕緣性能。例如：一般三相AC400 V 伺服驅(qū)動(dòng)器的氣隙，絕緣等被設(shè)計(jì)為最大允許相電壓AC300 V。一旦沒有中性點(diǎn)的抑制和穩(wěn)定作用，相電壓超高甚至超過最大允許值的概率會(huì)大大增加，同時(shí)，頻繁的幅值較大的電壓瞬變也會(huì)給IGBT 模塊等功率元器件帶來動(dòng)態(tài)過載損害問題，最終造成驅(qū)動(dòng)器對(duì)地短路損壞或者功率器件失效。

圖2 相電壓基準(zhǔn)的變化

此問題其實(shí)就是1 個(gè)相電壓的基準(zhǔn)問題。只有PE 端和中性點(diǎn)是等電位，說相電壓的穩(wěn)定才有意義，否則驅(qū)動(dòng)器的相電壓就是不穩(wěn)定的。而要等做到電位，驅(qū)動(dòng)器的PE 端和中性點(diǎn)必須要可靠連接。

2 承載返回電流，滿足系統(tǒng)的EMC 要求

根據(jù)基爾霍夫電流定律，閉合電路中任何節(jié)點(diǎn)上的所有電流的代數(shù)和等于0。實(shí)際上就是電荷守恒定律，即流過電路的電荷不會(huì)產(chǎn)生和消失，必然要返回電路的起點(diǎn)。三根相線L1/L2/L3共用PE 線構(gòu)成閉合電流回路，所以PE 線上必然存在著返回變壓器中性點(diǎn)的返回電流，在三相負(fù)載不平衡時(shí)這種電流會(huì)更為明顯。

從驅(qū)動(dòng)器角度看，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器普遍采用交—直—交的變頻原理，整流器開始工作后直流母線電容一直在進(jìn)行充放電，同時(shí)在逆變器的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）原理控制作用下，由于電機(jī)線圈以及電機(jī)動(dòng)力電纜也具有電容效應(yīng)，也在進(jìn)行著充放電。兩者的電容疊加效應(yīng)必然要在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的共模電流，如圖3 所示。

整流器電容被變壓器反復(fù)充電，形成了一種共模電流，而動(dòng)力電纜和電機(jī)被逆變器反復(fù)充電也構(gòu)成一種共模電流。系統(tǒng)中的共模電流會(huì)通過動(dòng)力電纜的屏蔽層，驅(qū)動(dòng)裝置的外殼和PE線，在變壓器和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中構(gòu)成若干回路，部分共模電流必須要通過PE 線回到變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成電流回路。在TN-C 網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)檫@種共模電流肯定要流經(jīng)PEN 線，因此變頻驅(qū)動(dòng)的進(jìn)線是不能安裝剩余電流保護(hù)器的，否則剩余電流保護(hù)器會(huì)頻繁地切斷進(jìn)線導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法工作，也由此可見這種共模電流是比較大的。

圖3 共模電流通道

共模返回電流和三相不平衡導(dǎo)致的返回電流形成疊加效應(yīng)，最終都要返回到中性點(diǎn)去。為保證設(shè)備的EMC（Electro Magnetic Compatibility，電磁兼容性）性能，返回電流的返回通路是一定不能被忽視的。

如果承載返回電流的PE 線不能和中性點(diǎn)有可靠的連接，但是電流仍要想方設(shè)法回到電源端才行，返回電流仍然存在，但此時(shí)返回電流就會(huì)自動(dòng)尋找阻抗最小的返回通路，此時(shí)的返回通路就變成其它各種不可預(yù)測(cè)不可控制的回路，如通過土壤大地回流，或者通過其它各種不規(guī)矩的導(dǎo)體回流。但是這種返回通路的阻抗是極不穩(wěn)定的，例如土壤的電阻率在潮濕和干燥條件下差異很大，并且共模返回電流具有高頻特性，不規(guī)矩的各種導(dǎo)體對(duì)高頻信號(hào)的阻抗也是不穩(wěn)定的，因此這種返回通路并不穩(wěn)定可靠（如圖4 所示）。

圖4 不穩(wěn)定的返回電流通道示意圖

EMC 問題的根源在于對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的阻抗控制，由于電子學(xué)性質(zhì)決定了設(shè)備中電路間傾向于互相干擾，一旦返回電流通路不暢通，阻抗不穩(wěn)定，則會(huì)在設(shè)備中間帶來非常多的EMC 干擾問題，例如CNC 控制器的死機(jī)，編碼器傳感器信號(hào)紊亂，總線通信的中斷等，而且往往沒有明顯的規(guī)律可循。

如圖5 顯示的CNC 機(jī)床直線光柵尺的例子：設(shè)備經(jīng)常性出現(xiàn)“主動(dòng)編碼器硬件故障”報(bào)警，或者有較大的位置誤差，設(shè)備伺服驅(qū)動(dòng)的PE 端未和中性點(diǎn)有導(dǎo)線連接。通過示波器觀察光柵尺信號(hào)波形：左圖為PE 端和中性點(diǎn)未連接時(shí)的波形，而右圖則是PE 端和中性點(diǎn)連接后的波形。可以明顯地看出，在PE 端和中性點(diǎn)未連接時(shí)，光柵尺信號(hào)受到了較大的干擾波形明顯雜亂；而在PE 端和中性點(diǎn)連接好后，光柵尺信號(hào)變得非常規(guī)則。

圖5 光柵尺信號(hào)波形對(duì)比

在車間現(xiàn)場(chǎng)層面，輸入進(jìn)線一般都會(huì)被著重考慮，但常常忘了“電流永遠(yuǎn)都要流回源頭”，因此返回電流常常被忽視，即“只重視進(jìn)不重視回”，這是很多EMC 問題的根源。如果我們要盡可能地提高數(shù)控設(shè)備的EMC 性能，就必須掌控好返回電流的通路狀況，得到可靠的、低阻抗的電流返回通路。因?yàn)楣材ｋ娏骶哂邢喈?dāng)多的高頻成分，從降低阻抗的角度來說，整塊的金屬底板構(gòu)成回路的阻抗最小，而越密的網(wǎng)格接地線越接近于金屬底板，如果成本允許應(yīng)該盡量使用網(wǎng)格地線，否則至少應(yīng)該保證足夠截面積的良好導(dǎo)線連接，那么這種返回通路是基本可預(yù)測(cè)和可控的，數(shù)控設(shè)備的EMC性能有基本的保障。雖然設(shè)備EMC 問題的原因不僅限于此，但相關(guān)性很大。

3 常見連接錯(cuò)誤和原因

數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)器的PE 端和中性點(diǎn)沒有直接的連接，會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的危害和影響。使用現(xiàn)場(chǎng)之所以會(huì)出現(xiàn)很多PE端和中性點(diǎn)斷開連接的情況，基本上出于兩個(gè)原因：誤解TN-S（三相五線制），規(guī)避剩余電流保護(hù)器。

如圖6 所示，由于概念認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤，很多人將右側(cè)的配電方式認(rèn)為是三相五線制，但其實(shí)這個(gè)PE 線僅僅是個(gè)安全重復(fù)接地，只能起到防止設(shè)備外殼帶電的作用。因?yàn)檫@個(gè)PE 線和中性點(diǎn)沒有直接的連接，所以既沒有三相基準(zhǔn)的作用，也無(wú)法構(gòu)成電流回路，那么這種配電實(shí)際上還是TN-C。在這種錯(cuò)誤的認(rèn)知下，如果伺服驅(qū)動(dòng)接入了3 根相線和PE，實(shí)際就成了TT 系統(tǒng)，基于上述的論述，這種情況下伺服系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性會(huì)顯著下降。因此這種情況下，伺服驅(qū)動(dòng)的PE 端應(yīng)該保持N 線和PE 線的雙重連接。

圖6 真假三相五線制

另外一種情況就是在某些TN-C 的系統(tǒng)中，電柜進(jìn)線前安裝剩余電流保護(hù)器。使用人員為了規(guī)避剩余電流保護(hù)器的動(dòng)作，伺服系統(tǒng)只接入3 根相線，而單獨(dú)在設(shè)備旁邊做一個(gè)接地裝置作為PE。這其實(shí)還是構(gòu)成了TT 系統(tǒng)，仍然會(huì)出現(xiàn)上述的問題。對(duì)于安裝剩余電流保護(hù)器情況的解決方法，應(yīng)根據(jù)GB14050——2016 的規(guī)定，或者改為局部TNC-S，或者通過隔離變壓器隔離，伺服驅(qū)動(dòng)的PE 端接入隔離變壓器的中性點(diǎn)，如圖7 所示。

圖7 使用隔離變壓器

4 結(jié)術(shù)語(yǔ)

變壓器的中性點(diǎn)作為三相基準(zhǔn)和電源回路的M 端，是非常重要的基點(diǎn)。無(wú)論從穩(wěn)定相電壓，還是從抗干擾的角度來說，數(shù)控設(shè)的伺服驅(qū)動(dòng)器的PE 端（或者說設(shè)備電柜的金屬底板）一定要和變壓器中性點(diǎn)有可靠的連接。注意這一點(diǎn)，數(shù)控設(shè)備及其伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性會(huì)顯著地增加。