变频器篇之--变频器的干扰与处理（四）
七、 电机轴承的损坏问题
当变频拖动电机时，变频器的输出是包含很多高频成分的，变频器输出波形如图28所示。
图 28 变频器的PWM输出
变频器输出电缆上有共模电压(共模电压就是对地之间的电压)，这个尖峰电压中包含了丰富的高频成份，当它施加在电机的定子绕组上，通过定子绕组与电机轴杆直间的杂散电容耦合到电机轴杆上，电机轴杆与电机外壳之间通过轴承连接，电机的外壳与地连接。形成一个电流回路。
轴承放电需要轴承（转子和定子之间）的电压差，该电压差可以通过四种不同的方式产生，即电容耦合、感性耦合、由于接地阻抗高而造成的电机支架的电压和外部耦合能量。
这种高频电流轴承流到地上，称为轴承电流。需要注意的是，在轴承中有润滑油，起到绝缘作用。但是在轴承高速旋转时，绝缘强度时高时低，有时甚至彻底导通。因此，导致由于轴杆与轴瓦之间的导电通路时通时断，引起电火花，犹如接触式开关接通和断开的瞬间产生的弧光一样，这样电火花的烧蚀就会引起轴承损害。这个过程类似于机械式开关的通断过程，这个过程中会产生电弧，烧蚀轴杆、滚珠、轴碗的表面，形成凹坑。如果没有外部振动，小凹坑不会产生过大的影响，但是如果有外部振动时，会产生凹槽，这对电机的运转影响很大。变频器拖动电机轴承损伤如图29所示。
图 29 电机轴承上形成的小坑
解决轴承损伤的方法有两种，一种是机械的方法，就是在电机轴杆上安装一个接地刷，每时每刻都保证轴杆与电机外壳连接，或者使用绝缘轴承或者改用可导电的轴承润滑油，就不会出现打火花了。另外一个是从电气的角度解决，降低变频器的开关频率，或者在变频器的输出端安装正弦波滤波器和共模干扰滤波器。
八、 共模干扰和差模干扰
1. 共模干扰
共模干扰（Common- mode Interference）定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差，共模干扰的原理图如图30所示，U是共模电压，I1和I2是共模电流，两者方向相同，大小不一定相同。
图 30共模干扰的原理图
共模干扰产生的原因很多，例如雷电、设备电弧、不屏蔽的变频器电机线在信号线上感应出共模干扰、多个接地点接地阻抗不同，导致地电位差异引入共模干扰。
共模干扰有时比较大，有时可高达100V以上，另外，共模电压可通过不对称的电路转换成差模电压，直接影响传感器信号、造成元件损坏，这种干扰可以是直流或交流。
2. 差模干扰
差模干扰（Differential-mode Interference）定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差，差模干扰如图31所示，图中U是差模电压，I是差模电流，大小相同，方向相反。
图 31差模干扰原理图
差模干扰的起因是同一个线路工作的电机、开关电源、可控硅等它们工作时产生的尖峰电压、电压跌落等产生的干扰就是差模干扰。
任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，一般指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声，属于非对称性干扰。
在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。
消除共模干扰的方法包括：
Ø 采用屏蔽双绞线并有效接地。
Ø 强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽。
Ø 布线时远离高压线，更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线。
Ø 不要和电控所共用同一个电源。
Ø 采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV)。
九、 变频器的干扰实例及处理
这里，笔者用几个案例来分析工程现场的EMC干扰的产生，并给出不同的干扰的解决方案。
1. 电机安装不当产生的EMC干扰的案例
某地铁风机采用变频器+风机的形式，风机的安装如图32所示。
图 32电机安装的问题查找
现场存在的问题如下：
Ø 从图32中可明显的看到电缆的屏蔽层过长，降低了接地的效果。
Ø 屏蔽层盘成了一个环形再接地，这样地线的作用降低，并且在高频干扰下的阻抗变大。
解决方案：
Ø 措施是将环形线和屏蔽层剪短后接地。
Ø 安装上述的方案进行修改后，问题解决。
2. 电缆沟的走线布置不当产生的EMC干扰案例
某厂的装配生产线的电缆沟的走线如图33所示。
图 33装配生产线的走线
现场存在的问题如下：
Ø 此车间的电缆走线混乱，动力线、通讯线、控制线走到一起。
Ø 没有安装线槽。
解决方案：
Ø 应将动力供电线、变频器输出线、控制线、通讯线分别配置线槽。
Ø 将动力供电线、变频器输出线、控制线、通讯线分开走线，间隔距离至少分开20公分，而不是绞成一团。
安装上述的方案进行修改后，问题解决。
3. 机柜的地线接线不当引起的EMC干扰案例
现场的机柜的地线接线如图34所示。
图 34 现场接地
现场存在的问题如下：
Ø 地线太细而且被盘成环形。地线应至少10平方，地线要尽量短。
Ø 地线排有太多松动的地方，包括面板、门等等，这会导致地线阻值过高，不仅会导致EMC问题，更重要的是会出现人员安全的问题。
解决方案：
Ø 使用10平方以上的保护接地线
Ø 将所有的地线重新紧固一遍。
安装上述的方案进行修改后，问题解决。
4. 不当的电缆槽布线引发的EMC干扰案例
如图35所示是某水泵用变频器的电缆桥架布线，从左到右电缆依次是通讯线、左侧变频器的供电电源线、左侧变频器的电机线、右侧变频器的电机线、右侧变频器的电源线、右侧变频器的通讯线，现在两台变频器的通讯始终不能正常工作。
图 35 水泵变频器的电缆槽布线
现场存在的问题如下：
Ø 通讯线没有屏蔽，并且与动力线走到一个套管里。
Ø 电机线和动力线和控制线使用同一个线槽。
Ø 电机线、动力线、通讯线没有分开20公分以上。
解决方案：
Ø 使用两个线槽，通讯线单独走线，使用屏蔽线并将屏蔽层接地。
Ø 线和电机线分开20公分以上。
Ø 电机线使用屏蔽线，并将屏蔽层接地。
安装上述的三点进行修改后，问题解决。
5. 线圈浪涌和主触点的脉冲群引起的干扰问题
某地铁现场的图片如图36所示，用户发现接触器一启动，马达保护器的通讯就会报警。
图 36地铁现场的通讯安装图
现场存在的问题如下：
Ø 接触器的功率比较大，并且没有安装防浪涌装置。
Ø 接触器与通讯TAP距离太近。
解决方案：
Ø 接触器线圈加装RC组件。
Ø 将通讯线与接触器线分开走线。
Ø 安装上述的方案进行修改后，问题解决。
6. 走线错误引起的干扰问题
无溶剂复合机的变频器采用闭环控制，变频器开环运行正常，但是闭环运行时经常报反馈信号丢失、现场调试工程师已经意识到这是干扰问题，在变频器的动力线和编码器线上加装了磁环，情况有了改善，但还是偶尔会报反馈信号丢失SPF，图37中灰色电缆线是电机的动力线，绿色线是编码器线。用户为了美观，将电机的动力线与编码器线用扎带绑到了一起。
图 37 某无溶剂复合机现场图
现场的接地线，如图38所示。
图 38 现场的接地线
现场存在的问题如下：
Ø 检查变频器的接线时发现，用户尽管在动力线上绕接了磁环，但是却将编码器线和动力线捆扎在一起。
Ø 现场的接地的线径过细，使用的是3*1平方的线，按接地的要求，此电缆最小也要10平方的接地电缆。
现场的电机线没有屏蔽，虽然使用了磁环，但明显不能解决问题，使用示波器检查也印证了这一点,示波器图形如图39所示。
图 39 修改前的编码器输出波形
解决方案：
Ø 更换了所有的变频器编码器电缆，使用双绞双屏蔽的电缆作为编码器电缆，并将屏蔽层可靠接地。
Ø 重新焊接了屏蔽和变频器编码器电缆接头，在变频器侧将编码器与动力线尽量远离。
Ø 由于编码器电缆和电机电缆不能完全分开，并且短时间内买不到变频器的屏蔽动力电缆，所有现场将编码器电缆的外面又套上了金属软管，并将此金属软管可靠接地。
Ø 将现场的地线加粗，改善了PLC和变频器的整体EMC。
整改后，现场问题解决，整改后的现场波形如图40所示。
图 40 整改后的编码器输出已经变成了非常干净的方波
这个现场还有另一个抑制EMC干扰的方法，就是电机采用屏蔽线，并将屏蔽线可靠接地，缺点是是成本比较高。
四、 总结
由于安装和使用上的不规范，在项目执行中，变频器干扰导致PLC、现场仪表等等出了各种各样的问题，轻则导致模拟量给定值不准、通讯报错，设备报各种奇怪的故障，严重的会导致PLC死机、PLC或变频器通讯口烧毁，甚至出现设备伤人事故，因此。EMC电磁兼容问题必须得到电气工程人员和设备安装人员足够的重视，安装规范设计、安装和接线。
(全文完)