变频调速系统共模噪声及抑制优化

共模噪声是一种相对于参考地的电噪声信号，作为变频调速系统负面效应的一种，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干扰包括：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（RS-232、RS-485、RemoteI/O、DH+、Scanport及DeviceNet）等。

1.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的体积等。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噪声电流，变频调速系统产生的共模噪声如图3-10所示，这种噪声电流被称为共模电流（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3-10 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）

TEGround（TrueEarth）：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中作为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充电而带来的高于安全接触的电位。因此，在变频器柜中必须设置PE母排，并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，金属电缆管或线槽也必须连接至PE母排，PE母排单端与TE相连。

图3-11所示为一不良接地变频调速系统的共模噪声问题。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。变频器输出电压的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，最后在供电变压器二次侧接地中点（X₀）返回到变频器内部。

图3-11 不良接地变频调速系统的共模噪声问题

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3-11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。

2.共模噪声抑制对策

根据工程实际经验，通常有三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二次侧中点X₀的接地方式如图3-12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。

当变频调速系统供电变压器二次侧中点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，供电变压器二次侧中点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，当供电变压器二次侧出现对地电压瞬变（如浪涌）时，二次侧中点X₀的可靠接地可大大减弱其对二次侧负载的影响，减少变频器内部过电压保护的负担。

图3-12 变频调速系统供电变压器二次侧中点X₀的接地方式

a）直接接地 b）高阻接地 c）不接地

当采用高阻抗接地方式时，通常在供电变压器二次侧中点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一次侧对地电压瞬变对二次侧变频器的影响。

当变频调速系统供电变压器二次侧中点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，系统的安全性大大降低，供电变压器一次侧的对地电压瞬变会直接影响到变频器的安全运行。(www.xing528.com)

图3-13 共模扼流圈的应用效果

（2）减弱噪声源

最好的噪声抑制方法是减弱噪声源，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，大大减小了共模电流的上升时间和幅值，共模扼流圈的应用效果如图3-13所示，从而减小了系统PE网络中的共模噪声电压。同时，共模扼流圈具有相对于输出电抗器更小的体积。

（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。

1）三相四线电缆。图3-14所示为三相四线电缆对共模噪声的屏蔽作用，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地抑制电动机电缆的对外辐射电磁干扰。

图3-14 三相四线电缆对共模噪声的屏蔽作用

在图3-14所示的系统中，共模电流流经变频器的PE端和供电变压器二次侧中点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。

2）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，屏蔽电力电缆对共模噪声的屏蔽作用如图3-15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，屏蔽层也将有效地抑制电动机电缆对外辐射电磁干扰。

图3-15 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端和供电变压器二次侧中点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，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采用屏蔽电力电缆。

3.变频器柜布线

变频器机壳通常作为变频器内部控制系统的参考电位，因此，必须尽量减小流过用于安装变频器的机柜背板中的噪声电流，防止出现变频器的PE端与本系统中远端其他相关电子设备参考电位之间的噪声电压，以提高系统的可靠性。

图3-16所示为一个包含多台变频器及PLC的变频器柜布线实例。在不正确的布线实例中，变频器输出电缆被安装在靠近PLC背板的正上方，电缆屏蔽层接在机柜上方，变频器输入采用非屏蔽且未采用金属保护管的三相三线电缆，变频器柜PE母排在靠近PLC背板的下方与TE相连。对于这样一个布线系统，由于变频器产生的共模电流将通过电缆屏蔽层及电缆中线流回到机柜，并通过系统中的PE通路经TE及供电变压器二次侧中点X₀最后返回到变频器的输入侧，因此有大量噪声电流流过用于安装PLC的机柜背板，如图3-16a所示，将严重干扰PLC控制系统的正常工作。

图3-16 变频器柜布线实例

a）不正确布线 b）正确布线

系统的改进如图3-16b所示，变频器输出电缆被安装在靠近变频器背板的正上方，输出电缆中线接到变频器的PE端。同时，变频器输入也采用三相四线屏蔽电缆，并且，变频器柜PE母排与TE相连接点被放在靠近变频器背板的下方。由图3-16b可见，布线改进后，有效地减少了流过用于安装PLC的机柜背板的噪声电流。