變頻器控制電機(jī)漏電問題的產(chǎn)生及解決方法

有的現(xiàn)場使用變頻器控制電機(jī)，會(huì)出現(xiàn)漏電問題，漏電電壓有幾十伏到二百伏電壓不等。針對(duì)這個(gè)問題，在這里特對(duì)此故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行理論的分析和說明如下。

一、漏電問題產(chǎn)生的原因

根據(jù)變頻器控制電機(jī)運(yùn)行的功能框圖(圖1)，三相電源經(jīng)過變頻器整流橋整流之后，經(jīng)電容濾波送到逆變橋(IGBT)，再經(jīng)過逆變橋輸出頻率、電壓可調(diào)的三 相交流電去控制電機(jī)的運(yùn)行。三相互差120度的交流電在電動(dòng)機(jī)的三相定子線圈繞組里流過，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的作用下自動(dòng)旋 轉(zhuǎn)起來。

我們都知道，電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組流過電流之后產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場，而根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，電動(dòng)機(jī)的外殼就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。此感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，就取決于變 頻器IGBT的開關(guān)頻率的大小和C*DV/DT(與IGBT的開關(guān)的速度有關(guān));由于高性能的控制要求較高的開關(guān)頻率，其開關(guān)速度要求較快，則DV/DT 偏大。如果這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢較大，那么人觸摸到就會(huì)感覺被電擊一樣。理論上IGBT的開關(guān)頻率越高，電機(jī)外殼的感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值(即感應(yīng)電壓)就越高，而 變頻器對(duì)電機(jī)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)也就越高，人體觸摸之后被電的感覺就越大;反之，IGBT的開關(guān)頻率越低，電機(jī)外殼的感應(yīng)動(dòng)勢的有效值(感應(yīng)電壓)就越 低，而從體觸摸到之后被電的感覺就越小。所以，某些國產(chǎn)低端的變頻器IGBT的開關(guān)頻率設(shè)計(jì)得較低，控制電機(jī)運(yùn)行之后，電機(jī)外殼的感應(yīng)電壓較低，但其控制 性能較差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。我司變頻器的性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都較好，因而我司變頻器IGBT的開關(guān)頻率和開關(guān)速度都較高，感應(yīng)電動(dòng)勢相對(duì)也就會(huì)大些。

由于異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)外殼都會(huì)有感應(yīng)電壓(即所謂的漏電)，所以，電機(jī)制造廠才會(huì)在電動(dòng)機(jī)出廠的時(shí)候，在其接線盒里面安上接地端子，方便用戶在應(yīng)用時(shí) 連接大地以消除其感應(yīng)電動(dòng)勢(即消除感應(yīng)漏電電壓)，以解決人體接觸電動(dòng)機(jī)時(shí)被電的感覺。當(dāng)然，因?yàn)楣ゎl運(yùn)行電機(jī)時(shí)，工頻的開關(guān)頻率約為50HZ，很低， 所以一般情況下幾乎不會(huì)有漏電的感覺(除非電機(jī)絕緣很差)。而變頻器控制時(shí)，由于其開關(guān)頻率都比工頻頻率高得多，所以變頻器在控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)外殼 就會(huì)有漏電的感覺。

二、漏電問題的解決方案

為了避免這個(gè)問題的發(fā)生，變頻器硬件在設(shè)計(jì)的時(shí)候，就加入了感應(yīng)電浪涌濾波器電路(其等效電路如圖1所示)，并將感應(yīng)浪涌濾波器的接地端與變頻器的外殼相 連，同時(shí)在變頻器的配線說明中，要求將電機(jī)的接地端與變頻器的接地端子B相連、將輸入電源的地(即大地)與變頻器的接地端子A相連。

從而使得電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電流能夠通過電機(jī)與變頻器的接地線、變頻器與電源之間的接地線形成回路，使得電動(dòng)機(jī)的地、變頻器的地與電源的地(即大地)都 處于同等的電位上，它們之間的電位差為0伏電壓。這樣，人體站在大地上面(也是電源的地)接觸到旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)的外殼、機(jī)械設(shè)備的機(jī)架(一般設(shè)備的機(jī)架是與大 地連接在一起的)、變頻器的外殼就都不會(huì)有被電的感覺了，因?yàn)樗鼈冎g的電位差(電壓差)為0伏，人體也就沒法感覺出來是否有電了。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的地線未能與變頻器的接地端連接在一起，而電源的地線也沒有與變頻器的地、機(jī)械設(shè)備的外殼或者電的接地端接在一起的時(shí)候，電機(jī)的外殼、變頻器的外 殼、電源的地(即大地)就不是處于同等電位了。假如在這種情況下，電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為100V，電動(dòng)機(jī)又與機(jī)械設(shè)備的某部分機(jī)架在一起，因?yàn)殡娫? 的地線在配電房沒有拉過來，而人體的電氣等效模型理論上可以等同于一個(gè)約2K歐姆的電阻(如果人體出汗、潮濕時(shí)電阻值更小，有時(shí)甚至只有幾十歐姆)，人體 站在大地上觸摸到與電動(dòng)機(jī)相連的設(shè)備金屬時(shí)，電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電(如100V)就能過人體向大地進(jìn)行放電，那么人體就會(huì)有電流流過，就會(huì)有被電的感覺。雖然， 理論上電機(jī)外殼與機(jī)械設(shè)備的機(jī)架是連接的，而設(shè)備的機(jī)架又是裝在大地上的，按理說人站在大地上觸摸到設(shè)備機(jī)架應(yīng)該是不會(huì)被感應(yīng)電觸電到的，但是，別忘了大 地雖然也是屬于導(dǎo)體，但大地畢竟是有阻值的，而且根據(jù)不同的土地的土壤成份，阻值也大小不一。否則，為什么國家供電局會(huì)要求每個(gè)變電站變壓器的接地線、每 個(gè)公司配電房的接地電阻要求小于4歐姆?為什么如果變電站或者高壓配電房的接地電阻不小于4歐姆就不給審批，不允許用電?其實(shí)就是這個(gè)道理。人與設(shè)備有距 離就會(huì)有感應(yīng)電壓，人體觸摸到設(shè)備時(shí)就會(huì)有電流流過人體，就會(huì)有被電的感覺，只是感應(yīng)電的大小，決定人被電的感覺大小也不一樣。

但是，有些工廠內(nèi)部為了配線方便，高壓配電房里面的地線根本就沒有拉到生產(chǎn)車間里面，甚至錯(cuò)誤的認(rèn)為大地就是地線了，為什么要拉地線呢?不是多此一舉嗎? 這種想法就是錯(cuò)誤的了，大家不防想想，如果大地可以當(dāng)作地線，那么我們?nèi)粘Ｉ钪兴械碾娋€又何必要拉N線和地線呢?發(fā)電站里面的N線其實(shí)與地線也是連接 在一起的呀?我們不用拉地線和N線不是可以節(jié)約很大電纜、電線了嗎?為何要去做這種又浪費(fèi)人力、又浪費(fèi)物力、浪費(fèi)時(shí)間、還浪費(fèi)錢財(cái)?shù)墓ぷ髂?

然而，現(xiàn)實(shí)中卻的確有些工廠沒有拉電源地線的，設(shè)備沒法找到接地點(diǎn)，而電機(jī)在使用中卻又有感應(yīng)漏電的情況，遇到這種情況怎么辦?在此，我們提出兩種方案如下：

方案一：將電機(jī)外殼的接地端、機(jī)械設(shè)備的機(jī)架與變頻器接地端連接在一起(如圖3)，

電機(jī)、變頻器、機(jī)架三個(gè)的地線連接在一起之后，使它們處于同等的電位，并且經(jīng)過變頻器內(nèi)部的感應(yīng)浪涌濾波器電路進(jìn)行吸收、泄放，使感應(yīng)電壓大大減小，從而 電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電相對(duì)于電源的地(即大地)的電壓也大大的減小，從而，不至于使人觸摸之后會(huì)有被電的感覺。也就是說沒有電源地線也沒有關(guān)系，只要將 電機(jī)的地、變頻器的地和機(jī)架連接在一起就好了，這樣變頻器內(nèi)部的感應(yīng)電浪涌濾波器才會(huì)起到真正的作用。

方案二：一般情況下，通過方案一處理之后，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓已經(jīng)是很小了，已經(jīng)不至于會(huì)漏電電人的，但是由于某些特殊原因(如：電動(dòng)機(jī)絕緣不好、電器柜在裝電器時(shí)全部沒有接地等)，感應(yīng)電壓還是較高，還會(huì)有漏電電人的感覺時(shí)，提出了方案二。

方案二是在方案一的前提下，再在變頻器輸入電源端增加一個(gè)感應(yīng)電浪涌濾波器。

并將感應(yīng)電浪涌濾波器的地與電動(dòng)機(jī)的地、變頻器的地接在一起(如圖4中的紅色線所示)，讓感應(yīng)電浪涌濾波器再一次對(duì)電機(jī)的感應(yīng)電進(jìn)行吸收和泄放，進(jìn)一步減 小感應(yīng)電壓，達(dá)到防止漏電電人的目前的。增加的感應(yīng)電浪涌濾波器的電路原理與變頻器內(nèi)部的浪涌濾波電路是一樣的，是由于體積太大，沒法設(shè)計(jì)安裝在變頻器內(nèi) 部電路里面，因此做成外接方式。

我們?cè)?jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，通過方案二這種接法的現(xiàn)場整改，在沒有接電源的地線的應(yīng)用場合下，都能將電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓減小到20V以下，確保現(xiàn)場 操作人員的安全，不會(huì)再有被漏電電人的感覺。但是，方案二中如果接有電源線的地線，那么也就不用外接感應(yīng)電浪涌濾波器都可以了。

另外，如果現(xiàn)場是有多臺(tái)變頻器控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，且不方便安裝多個(gè)感應(yīng)電浪涌濾波器的，并不一定是要求每臺(tái)變頻器都配一下感應(yīng)電浪涌濾波器，也可以只接一 個(gè)或兩個(gè)感應(yīng)電浪涌濾波器，并將濾波器的接地端與現(xiàn)場幾臺(tái)變頻器的接地端、現(xiàn)場電動(dòng)機(jī)的接地端、設(shè)備機(jī)架接在一起，如圖5所示：

由于每臺(tái)變頻器內(nèi)部都有感應(yīng)電浪涌濾波器電路，但如果電機(jī)的接地線沒有接回到變頻器的接地端子去的話，感應(yīng)電浪涌濾波器也就不起作用了，所以現(xiàn)場應(yīng)用中電 動(dòng)機(jī)的接地端一定要與變頻器的接地端接到一起。當(dāng)然有些設(shè)備在某些場合電機(jī)不接地線也不會(huì)有漏電的感覺，這與本文前面所說的“大地雖然也是屬于導(dǎo)體，但大 地畢竟是有阻值的，而且根據(jù)不同的土地的土壤成份，阻值也大小不一”原理是一樣的。但是按照正確的用電安全規(guī)范，是要求電機(jī)良好接地的，但條件不允許(如 沒有電源接地端)的，電動(dòng)機(jī)的地、電柜外殼與變頻器的地總可以接在一起的。