伺服驅動器PE 端未和中性點可靠連接的危害

張紹軍

（西門子工廠自動化工程有限公司西安分公司，陜西西安 710065）

0 引言

在數控設備安裝接線時，一般會將伺服驅動器的PE 端（或者說驅動器的外殼）和配電系統中的PE 線連接起來。但很多場合下卻不注意這個PE 端最終是否和變壓器的中性點可靠地連接起來了（如圖1 所示）。從日常設備管理和維護的實踐看，這一點容易被忽視。如果驅動的PE 端和中性點沒有可靠連接，則會對數控系統產生較大的危害和影響。因此，驅動器的PE 端一定要和變壓器中性點可靠連接。

圖1 進線連接圖

1 穩定驅動器的相電壓

以三相AC400 V 低壓配電為例，車間的供電電源來自于1個10 kV/0.4 kV 的降壓變壓器，在變壓器房內，變壓器的中性點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。對于三相交流電路，說相電壓必須有1 個基準，這個基準就是中性點。以此為基準的抑制和平衡，三根相線才會形成穩定的120°夾角，才是相電壓為AC230 V，線電壓為AC400 V。

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

圖2 相電壓基準的變化

此問題其實就是1 個相電壓的基準問題。只有PE 端和中性點是等電位，說相電壓的穩定才有意義，否則驅動器的相電壓就是不穩定的。而要等做到電位，驅動器的PE 端和中性點必須要可靠連接。

2 承載返回電流，滿足系統的EMC 要求

根據基爾霍夫電流定律，閉合電路中任何節點上的所有電流的代數和等于0。實際上就是電荷守恒定律，即流過電路的電荷不會產生和消失，必然要返回電路的起點。三根相線L1/L2/L3共用PE 線構成閉合電流回路，所以PE 線上必然存在著返回變壓器中性點的返回電流，在三相負載不平衡時這種電流會更為明顯。

從驅動器角度看，現代數控系統的伺服驅動器普遍采用交—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行充放電，同時在逆變器的PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）原理控制作用下，由于電機線圈以及電機動力電纜也具有電容效應，也在進行著充放電。兩者的電容疊加效應必然要在驅動系統中產生較大的共模電流，如圖3 所示。

整流器電容被變壓器反復充電，形成了一種共模電流，而動力電纜和電機被逆變器反復充電也構成一種共模電流。系統中的共模電流會通過動力電纜的屏蔽層，驅動裝置的外殼和PE線，在變壓器和伺服驅動系統中構成若干回路，部分共模電流必須要通過PE 線回到變壓器中性點構成電流回路。在TN-C 網絡中，因為這種共模電流肯定要流經PEN 線，因此變頻驅動的進線是不能安裝剩余電流保護器的，否則剩余電流保護器會頻繁地切斷進線導致設備無法工作，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致的返回電流形成疊加效應，最終都要返回到中性點去。為保證設備的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 線不能和中性點有可靠的連接，但是電流仍要想方設法回到電源端才行，返回電流仍然存在，但此時返回電流就會自動尋找阻抗最小的返回通路，此時的返回通路就變成其它各種不可預測不可控制的回路，如通過土壤大地回流，或者通過其它各種不規矩的導體回流。但是這種返回通路的阻抗是極不穩定的，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，不規矩的各種導體對高頻信號的阻抗也是不穩定的，因此這種返回通路并不穩定可靠（如圖4 所示）。

圖4 不穩定的返回電流通道示意圖

EMC 問題的根源在于對電場和磁場的阻抗控制，由于電子學性質決定了設備中電路間傾向于互相干擾，一旦返回電流通路不暢通，阻抗不穩定，則會在設備中間帶來非常多的EMC 干擾問題，例如CNC 控制器的死機，編碼器傳感器信號紊亂，總線通信的中斷等，而且往往沒有明顯的規律可循。

如圖5 顯示的CNC 機床直線光柵尺的例子：設備經常性出現“主動編碼器硬件故障”報警，或者有較大的位置誤差，設備伺服驅動的PE 端未和中性點有導線連接。通過示波器觀察光柵尺信號波形：左圖為PE 端和中性點未連接時的波形，而右圖則是PE 端和中性點連接后的波形。可以明顯地看出，在PE 端和中性點未連接時，光柵尺信號受到了較大的干擾波形明顯雜亂；而在PE 端和中性點連接好后，光柵尺信號變得非常規則。

圖5 光柵尺信號波形對比

在車間現場層面，輸入進線一般都會被著重考慮，但常常忘了“電流永遠都要流回源頭”，因此返回電流常常被忽視，即“只重視進不重視回”，這是很多EMC 問題的根源。如果我們要盡可能地提高數控設備的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。因為共模電流具有相當多的高頻成分，從降低阻抗的角度來說，整塊的金屬底板構成回路的阻抗最小，而越密的網格接地線越接近于金屬底板，如果成本允許應該盡量使用網格地線，否則至少應該保證足夠截面積的良好導線連接，那么這種返回通路是基本可預測和可控的，數控設備的EMC性能有基本的保障。雖然設備EMC 問題的原因不僅限于此，但相關性很大。

3 常見連接錯誤和原因

數控伺服驅動器的PE 端和中性點沒有直接的連接，會在系統中產生較大的危害和影響。使用現場之所以會出現很多PE端和中性點斷開連接的情況，基本上出于兩個原因：誤解TN-S（三相五線制），規避剩余電流保護器。

如圖6 所示，由于概念認識上的錯誤，很多人將右側的配電方式認為是三相五線制，但其實這個PE 線僅僅是個安全重復接地，只能起到防止設備外殼帶電的作用。因為這個PE 線和中性點沒有直接的連接，所以既沒有三相基準的作用，也無法構成電流回路，那么這種配電實際上還是TN-C。在這種錯誤的認知下，如果伺服驅動接入了3 根相線和PE，實際就成了TT 系統，基于上述的論述，這種情況下伺服系統的運行可靠性會顯著下降。因此這種情況下，伺服驅動的PE 端應該保持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 的系統中，電柜進線前安裝剩余電流保護器。使用人員為了規避剩余電流保護器的動作，伺服系統只接入3 根相線，而單獨在設備旁邊做一個接地裝置作為PE。這其實還是構成了TT 系統，仍然會出現上述的問題。對于安裝剩余電流保護器情況的解決方法，應根據GB14050——2016 的規定，或者改為局部TNC-S，或者通過隔離變壓器隔離，伺服驅動的PE 端接入隔離變壓器的中性點，如圖7 所示。

圖7 使用隔離變壓器

4 結術語

變壓器的中性點作為三相基準和電源回路的M 端，是非常重要的基點。無論從穩定相電壓，還是從抗干擾的角度來說，數控設的伺服驅動器的PE 端（或者說設備電柜的金屬底板）一定要和變壓器中性點有可靠的連接。注意這一點，數控設備及其伺服傳動系統的可靠性會顯著地增加。