驅動器漏電流測試及產生原因分析

   日期：2019-08-21

一、驅動器漏電流產生原因

驅動器主電路普遍采用電壓型拓撲結構，主電路如圖1所示，主要包括整流電路、濾波電路、逆變電路等部分，實現交－直－交變換。驅動器輸出給電機的是高頻脈寬調制的電壓波形，輸出電壓是在負母線電壓到正母線電壓之間快速跳變的脈動電壓，虛線是經過電機線圈電感后產生的進似的正弦電壓波形，如圖2所示。

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電機的繞組和機殼之間存在分布電容，在工頻拖動的情況下，電源線上只有50Hz的工頻電壓，由于頻率很低，通過分布電容的漏電流很小。但在使用驅動器變頻拖動情況下，由于驅動器輸出的是高頻脈寬調制的電壓波形，輸出電壓是在負母線電壓到正母線電壓之間快速跳變的脈動電壓，對于同樣的電機同樣的分布電容，漏電流會明顯增大，其大小取決于驅動器逆變IGBT的開關頻率，逆變IGBT的開關的速度，直流母線電壓的幅值，電機的繞組對機殼的分布電容（i=C*dU/dt），由于高性能的控制要求較高的開關頻率，其開關速度要求較快，此現象更加明顯，這是由驅動器的工作原理決定的。

圖3是實測的驅動器輸入端的漏電流波形，驅動器逆變IGBT的開關頻率10kHz，可以看出，漏電流主要成分是10kHz的開關頻率的電流。

圖3? 實測的驅動器輸入端的漏電流波形

二、驅動器漏電流組成

圖4? 驅動系統漏電流組成

如圖4所示，驅動系統總漏電流由驅動器本身漏電流、電機電纜線漏電流、電機漏電流組成。

下表1是驅動器配7.5KW主軸電機實測漏電流，根據基爾霍夫電流定理，流進電流等于流出電流，可以看出進線AC380 L1、L2、L3漏電流≈進線PE漏電流，當驅動器不接電機碼盤線時，電機動力線U、V、W漏電流≈電機動力線PE漏電流。

驅動系統總漏電流=驅動器本身漏電流+電機電纜線漏電流+電機漏電流，

即：進線AC380L1、L2、L3漏電流=驅動器本身漏電流+電機電纜線漏電流+電機動力線U、V、W漏電流,則：254~255mA=驅動器本身漏電流+242~243mA

或 ：進線PE漏電流=驅動器本身漏電流+電機電纜線漏電流+電機動力線PE漏電流,則：244~245mA=驅動器本身漏電流+224~225mA

由上式可見，驅動器本身漏電流所占比例很小，由于測試中使用2米的電機電纜線，電機電纜線漏電流所占比例也很小，因此電機漏電流所占比例較大。

此結論也得到第三方驗證。具體內容可參見文獻：

胡宏秋-變頻率系統漏電分析與研究-電氣傳動2013年第43卷第8期。

三、降低驅動系統漏電流方法

驅動系統漏電流大小取決于驅動器逆變IGBT的開關頻率，逆變IGBT的開關的速度，直流母線電壓的幅值，電機的繞組對機殼的分布電容（i=C*dU/dt），因此，IGBT的開關頻率由10kHz降低到5kHz時，漏電流明顯降低，直流母線電壓的幅值由DC540V（進線電壓AC380V）降低到DC340V時（進線電壓AC242V），漏電流明顯降低，降低逆變IGBT的開關的速度（門極電阻由6.8Ω增加到15Ω），漏電流略微降低。改進電機的電磁設計，減少電機繞組和機殼之間的分布電容，對減小驅動系統的漏電流也是有一定的效果。

另一方面， 降低IGBT的開關頻率，電流環的帶寬變窄，電機的動態特性變差，電機運行時噪音變大。降低母線電壓，電機不能上高速運行。加大門極電阻，會造成IGBT的開關損耗變大，驅動器發熱變大。? ??

針對此問題，國內外學者提出，改進軟件控制方法和優化硬件拓撲結構兩方面著手，軟件上采用無零矢量控制方法來抑制漏電流，主要包括RSPWM、AZSPWM、NSPWM等控制方法；優化硬件拓撲結構是在驅動系統中外加有源、無源濾波器，有源、無源濾波器作用是產生一個極性相反的電流波形與漏電流波形疊加，從而抵消漏電流的作用和影響。

具體內容可查閱以下文獻：

（牛峰等 PWM電機系統漏電流分析 電工技術學報 2019年4月 第34卷 第8期
姜艷姝等 PWM變頻器輸出共模電壓及其抑制技術的研究 中國電機工程學報 2005年5月 第25卷 第9期
高強 PWM逆變器輸出端共模與差模電壓dv/dt濾波器設計 電工技術學報 2007年1月 第22卷 第1期）

四、漏電保護開關原理

圖5? 普通漏電保護開關原理圖

如上圖所示，普通漏電保護開關主要由零序電流互感器、輔助電路、主開關、脫扣器等組成。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

L1、L2、L3三根火線和零線N同時穿過漏電保護開關的零序電流互感器，正常情況下，L1、L2、L3三根火線和零線N的電流和為零，零序電流互感器次級線圈沒有電流輸出，脫扣器不動作。當有漏電流時，漏電流經接地線流回電網，根據基爾霍夫電流定理，流進電流等于流出電流，L1、L2、L3三根火線和零線N的電流和等于經接地線流回電網的漏電流，此時L1、L2、L3三根火線和零線N的電流和不為零，零序電流互感器次級線圈有電流輸出，經輔助電路處理后轉換成電壓加在脫扣器的線圈上，當漏電流達到額定漏電動作電流時，脫扣器動作，主開關動作切斷電源。

五、總結

由于變頻調速本身的技術特點，驅動系統漏電流就一定存在，目前還沒有從根本上解決此問題的辦法，想要確保漏電保護開關不跳閘，關鍵還是要有效降低電機漏電流，目前能夠采取手段是如加裝電抗器、濾波器等減小或抵消漏電流，或加裝隔離變壓器規避此問題。