為何驅(qū)動(dòng)器的PE端要和變壓器中性點(diǎn)有可靠連接？

1. 問(wèn)題的提出

在設(shè)備安裝接線時(shí)一般會(huì)將驅(qū)動(dòng)器的PE端（或者說(shuō)驅(qū)動(dòng)器的外殼）和PE線連接起來(lái)，但卻很少有人注意這個(gè)PE端是否和變壓器的中性點(diǎn)可靠地連接起來(lái)了（如圖1所示）。為什么驅(qū)動(dòng)器的PE一定要和變壓器中性點(diǎn)有可靠的連接呢？以下從兩個(gè)方面作出解釋。

圖1 進(jìn)線連接圖

2. 穩(wěn)定相電壓

以三相AC400V低壓配電為例，車間的供電電源一般是來(lái)自于一個(gè)10KV/0.4KV的降壓變壓器，在變壓器室內(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(shuō)相電壓必須有一個(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度夾角，彼此之間的線電壓才是AC400V，相電壓為AC230V。

如果驅(qū)動(dòng)的PE端沒(méi)有連接到中性點(diǎn)，而僅在負(fù)載附近埋入地下，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），而可能是漂浮不穩(wěn)定的，容易出現(xiàn)某一相對(duì)驅(qū)動(dòng)器PE端的高電壓或者低電壓。低電壓可能造成驅(qū)動(dòng)器無(wú)法工作，而這個(gè)電壓一旦過(guò)高，超過(guò)了驅(qū)動(dòng)器的例如絕緣等設(shè)計(jì)要求，就會(huì)損壞驅(qū)動(dòng)器或者其附件。

此問(wèn)題其實(shí)就是一個(gè)相電壓的基點(diǎn)問(wèn)題，相電壓是相對(duì)中性點(diǎn)而言的，只有PE和中性點(diǎn)是等電位，說(shuō)相電壓的穩(wěn)定才有意義，否則相電壓就是不穩(wěn)定的。

圖2 相電壓基準(zhǔn)的變化

3. 承載返回電流，滿足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?；鶢柣舴螂娏鞫蓪?shí)際上是電荷守恒定律，即流過(guò)電路的電荷決不會(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)代驅(qū)動(dòng)器普遍采用交—直—交的變頻原理，整流器開(kāi)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原理控制作用下，由于電機(jī)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)成了一種共模電流。逆變器產(chǎn)生的共模電流通過(guò)動(dòng)力電纜的屏蔽層，PE線和驅(qū)動(dòng)裝置的外殼回到了逆變器，構(gòu)成電流回路。而整流器產(chǎn)生的共模電流則必須要通過(guò)PE線回到變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成電流回路。在三相四線制中，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)線是不能安裝漏電保護(hù)器的，否則漏電保護(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(jiàn)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進(jìn)線不平衡導(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。而為了保證設(shè)備的EMC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不能和中性點(diǎn)有可靠的連接，而電流仍要想方設(shè)法回到電源M端才行，返回電流仍然存在，此時(shí)返回電流就會(huì)自動(dòng)尋找阻抗最小的返回通路，返回通路就變成了其它各種不可預(yù)測(cè)、不可控制的回路，如通過(guò)土壤大地回流，或者通過(guò)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）。

EMC問(wèn)題的根源在于對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的阻抗控制，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(lái)非常多的EMC問(wèn)題，例如控制器的死機(jī)，傳感器編碼器信號(hào)紊亂，通訊的中斷等等，而且往往沒(méi)有明顯的規(guī)律可循。

圖4 不穩(wěn)定的返回電流通道示意圖

輸入進(jìn)線一般都會(huì)被仔細(xì)考慮，但返回電流常常被忽視，即“只重視進(jìn)不重視回”！這其實(shí)是很多EMC問(wèn)題的根源。

如果我們要盡可能地提高設(shè)備的EMC性能，就必須掌控好返回電流的通路狀況，使其通路的阻抗最小。所以，為了獲得可靠的、低阻抗的電流返回通路，PE必須和中性點(diǎn)有足夠截面積的導(dǎo)線連接，那么這種返回通路是基本可預(yù)測(cè)和可控的。

4. 結(jié)論

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(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)器的PE端（或者說(shuō)電柜的金屬底板）一定要和變壓器中性點(diǎn)有可靠的連接。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)接線來(lái)說(shuō)，無(wú)論是三相四線制或者三相五線制，一定要確認(rèn)配電柜內(nèi)的PEN/PE端子是從變壓器中性點(diǎn)來(lái)的，和中性點(diǎn)有可靠的導(dǎo)線連接，那么這種接地才是真正的接地。由于概念認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤，一些現(xiàn)場(chǎng)的配電系統(tǒng)名義上是三相五線制，但這個(gè)PE線僅僅是個(gè)重復(fù)接地，也就是俗稱的“保護(hù)接地”，起到防止設(shè)備外殼帶電的作用，但PE線和中性點(diǎn)沒(méi)有直接的連接，既沒(méi)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)際上還是三相四線制（如圖5的右圖所示），那么在這種情況下驅(qū)動(dòng)器的PE端子應(yīng)該維持PE線和N線的雙重連接，才是正確的。