如何抑制变频系统中的共模噪声？

    答：共模噪声是一种相对于参考地的电噪声信号，其带来的电磁干扰问题将严重影响变频调速系统的正常工作。共模噪声所涉及的控制信号有：光码速度反馈信号，0～10V或4～20mA的I/O信号，PLC及变频器的通信信号(RS-232、RS-485、RemoteI/O、DH+、Scanport及DeviceNet)等。    目前，大多数变频器采用的功率开关器件为IGBT，其典型的上升时间为50ns～100ns。高速开关器件所带来的好处在于变频器总体效率的提高、减少电动机电流的谐波以及减小散热器体积等。但是，变频器输出电压中高的du/dt会通过电缆或电动机对地的杂散电容产生噪声电流，如图5-10所示。这种噪声电流称之为共模电流（或零序电流、对地电流）。对于50ns上升时间的IGBT，其产生的共模电流频谱可高达6MHz。因此，IGBT的开关频率越高，变频器输出中du/dt越大，所产生的共模电流也越多。系统的共模噪声也会随变频调速系统中所采用的变频器数量的增加而增大。
    图5-10    变频调速系统产生的共模噪声    (a)共模电流示意波形；(b) 1.5kW变频器输出电流波形（同时包括共模和差模电流）    变频调速系统所涉及的共模噪声问题与系统中的接地状况有着密切的关系，首先对以下两个概念加以描述：    ·TEGround（TrueEarth）：在工业应用中，通常将建筑物中的金属构架连接至大地（零参考电位）作为TE，其接地电阻与土壤的电阻系数有关，通常为1～2Ω。    ·PEGround (PowerEquipment)：PE通常作为设备的安全地。当变频器中的金属部件没有接地时，其表面可产生由于漏电流引入高于安全电压的电位。因此，在变频器柜中必须设置PE母排，并将变频器内部的PE端子、多台变频器或其他控制设备（如PLC）的金属背板的PE端子连接至PE母排。与变频器输入、输出连接电缆相关的屏蔽层，金属电缆管或线槽也必须连接至PE母排，PE母排单端与TE相连。    图5-11所示为一个不良接地变频调速系统的示例，变频器与电动机间采用非屏蔽三相三线电缆，随意排放在电缆线槽中，电动机外壳通过导线接PE。由于变频器输出电压du/dt产生的共模电流，部分通过电缆对线槽的杂散电容流经B点进入PE，其余共模电流通过电动机内部的杂散电容流经A点进入PE。所有共模电流流经PE，最后在供电变压器副边接地中点(X0)返回到变频器内部。    变频调速控制系统中的PE网络对于高频共模电流具有高阻抗特性，因此会在系统中不同PE点之间产生电位差，或称之为共模噪声电压。在图5-11中，C点与A点、C点与B点、A点与B点之间有一定的共模噪声电压，从而影响到外围控制设备（如PLC）与变频器之间的正常控制操作。
    图5-11    不良接地变频调速系统的共模噪声问题    根据工程实际经验，通常有3种基本对策用于共模噪声的抑制：系统接地方式的改进、减弱噪声源以及噪声屏蔽。    (1)系统接地方式：变频调速系统供电变压器副边中点X0的接地方式如图5-12所示。通常由用户根据自己的需要来决定，不同接地方式对系统中的共模噪声会产生不同的影响。
    图5-12    变频调速系统供电变压器副边中点X0的接地方式    (a)直接接地；(b)高阻接地；(c)不接地    当变频调速系统供电变压器副边中点X0采用可靠接地方式时，其对共模电流为低阻抗特性，本系统PE网络中的所有共模电流将通过此中点返回到变频器内部。相对于其他接地方式，供电变压器副边中点X0的可靠接地将在变频调速系统内部产生最大幅值的共模电流。从另一角度考虑，当供电变压器原边出现对地电压瞬变（如浪涌）时，副边中点X0的可靠接地可大幅减弱其对副边负载的影响，减少变频器内部过电压保护的负担。    当采用高阻抗接地方式时，通常在供电变压器副边中点X0与地之间串联一个150～200Ω的电阻，从而大大减弱了系统中共模电流的幅值，共模噪声得到有效抑制。设计中需要权衡由此而增加的原边对地电压瞬变对副边变频器的影响。    当变频调速系统供电变压器副边中点X0不接地时，共模电流的返回通路被切断，系统中共模噪声达到最小。但是，系统的安全性大幅降低，供电变压器原边的对地电压瞬变会直接影响到变频器的安全运行。    (2)减弱噪声源：最好的噪声抑制方法在于减弱噪声源，在变频器输出侧加装共模扼流圈是一种经济、有效的方法。共模扼流圈在不影响变频器输出电压的前提下，对高频对地电流噪声呈现高阻特性，大幅减小了共模电流的上升时间和幅值，从而减小了系统PE网络中共模噪声电压，如图5-13所示。同时，共模扼流圈具有相对于输出电抗器更小的体积。
    图5-13    共模扼流圈的应用效果    (3)噪声屏蔽：噪声屏蔽作为共模噪声抑制的第三种对策，其主要原理在于构造共模噪声的新通路，尽量减小变频调速系统PE网络中流过的共模电流，从而避免对接于本系统PE网络敏感电气设备的干扰。    ·三相四线电缆：图5-14所示为三相四线电    缆对共模噪声屏蔽作用的示例，变频器与电动机间采用三相四线电缆，并排放在电缆金属保护管中。电缆金属保护管的两端分别接到变频器外壳和电动机接线盒，电缆中的中线分别接到变频器的PE端子和电动机的地接线端子。部分共模电流将通过电缆金属保护管的接地点以及电动机机壳接入PE，大部分共模电流将在电缆金属保护管及中线中流过，因此C点与B点之间的共模噪声电压将有效地减小。同时，电缆金属保护管也将有效抑制电动机电缆的对外辐射电磁干扰。
    图5-14    三相四线电缆对共模噪声的屏蔽作用    如图5-14所示，系统中的共模电流流经变频器的PE端和供电变压器副边中点X0，最后返回到变频器的输入侧，当某些敏感电气设备接于C点与TE之间时，仍将受到共模噪声电压的干扰。因此，应在供电变压器与变频器之间也采用三相四线电缆，并尽量减小供电变压器与变频器之间的距离。    ·屏蔽电力电缆：采用屏蔽电力电缆是一种非常有效的共模噪声抑制方案，如图5-15所示。由于屏蔽电力电缆中的屏蔽层对高频信号的阻抗非常小，并且其PVC外壳对地有绝缘特性，因此几乎所有的共模电流被有效地控制在屏蔽电力电缆中流过。同时，屏蔽层也将有效抑制电动机电缆对外辐射的电磁干扰。
    图5-15    屏蔽电力电缆对共模噪声的屏蔽作用    变频调速系统中的共模电流流经变频器的PE端和供电变压器副边中点X0，最后返回到变频器的输入侧。当供电变压器与变频器之间距离较远时，接于1号敏感电气设备仍将受到共模噪声电压的干扰。因此，也应在供电变压器与变频器之间也采用屏蔽电力电缆。