变频调速系统噪声源分析

    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50~100ns。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，变频器输出电压的高du/dt会通过电缆或电动机对地的杂散电容产生相当的噪声电流，如图8-5 (a)所示，这种噪声电流被称之为共模电流（或零序电流、对地电流）。相关测试可观察到高达20A峰值的共模电流，且其幅值与变频器的容量关系不大。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，变频器输出电压的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。变频调速系统所涉及到的共模噪声问题与系统中的接地状况有着密切的关系，首先对两个概念加以描述：

    图8-5    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）

   (1) TE Ground (True Earth)。连接至大地（零参考电位）的建筑结构中的金属构架通常在工业应用作为TE，其接地电阻与土壤的电阻系数有关，通常为1~2Ω。

   (2)  PE Ground (Power Equpment)。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充电而带来的高于安全接触的电位。因此，在电控机柜中必须设置PE母排，并将变频器内部的PE端子，将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，金属电缆导管或导槽也必须连接至PE母排和变频器的PE端子。最后，PE母排单端与TE相连。

    图8-6为一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，随意排放在电缆导槽中，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，部分通过电缆对导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，最后在供电变压器二次侧接地中点(X0)返回到变频器内部。

    图8-6    不良接地变频调速系统的共模噪声问题

    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，因此会在系统中的不同PE点之间产生电位差，或称之为共模噪声电压。如图8-6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。