驱动器漏电流测试及产生原因分析

一、驱动器漏电流产生原因 驱动器主电路普遍采用电压型拓扑结构，主电路如图所示，主要包括整流电路、滤波电路、逆变电路等部分，实现交－直－交变换。驱动器输出给电机的是高频脉宽调制的电压波形，输出电压是在负母线电压到正母线电压之间快速跳变的脉动电压，虚线是经过电机线圈电感后产生的进似的正弦电压波形，如图所示。 图  驱动器主电路电压型拓扑结构   图  高频脉宽调制的电压波形，其电压幅值为+Ud和Ud 电机的绕组和机壳之间存在分布电容，在工频拖动的情况下，电源线上只有Hz的工频电压，由于频率很低，通过分布电容的漏电流很小。但在使用驱动器变频拖动情况下，由于驱动器输出的是高频脉宽调制的电压波形，输出电压是在负母线电压到正母线电压之间快速跳变的脉动电压，对于同样的电机同样的分布电容，漏电流会明显增大，其大小取决于驱动器逆变IGBT的开关频率，逆变IGBT的开关的速度，直流母线电压的幅值，电机的绕组对机壳的分布电容（i=C*dU/dt），由于高性能的控制要求较高的开关频率，其开关速度要求较快，此现象更加明显，这是由驱动器的工作原理决定的。 图是实测的驱动器输入端的漏电流波形，驱动器逆变IGBT的开关频率kHz，可以看出，漏电流主要成分是kHz的开关频率的电流。 图  实测的驱动器输入端的漏电流波形 二、驱动器漏电流组成   图  驱动系统漏电流组成 如图所示，驱动系统总漏电流由驱动器本身漏电流、电机电缆线漏电流、电机漏电流组成。 下表是驱动器配.KW主轴电机实测漏电流，根据基尔霍夫电流定理，流进电流等于流出电流，可以看出进线AC L、L、L漏电流≈进线PE漏电流，当驱动器不接电机码盘线时，电机动力线U、V、W漏电流≈电机动力线PE漏电流。 驱动系统总漏电流=驱动器本身漏电流+电机电缆线漏电流+电机漏电流， 即：进线ACL、L、L漏电流=驱动器本身漏电流+电机电缆线漏电流+电机动力线U、V、W漏电流,则：~mA=驱动器本身漏电流+~mA 或 ：进线PE漏电流=驱动器本身漏电流+电机电缆线漏电流+电机动力线PE漏电流,则：~mA=驱动器本身漏电流+~mA 由上式可见，驱动器本身漏电流所占比例很小，由于测试中使用米的电机电缆线，电机电缆线漏电流所占比例也很小，因此电机漏电流所占比例较大。 此结论也得到第三方验证。具体内容可参见文献： 胡宏秋变频率系统漏电分析与研究电气传动年第卷第期。 三、降低驱动系统漏电流方法 驱动系统漏电流大小取决于驱动器逆变IGBT的开关频率，逆变IGBT的开关的速度，直流母线电压的幅值，电机的绕组对机壳的分布电容（i=C*dU/dt），因此，IGBT的开关频率由kHz降低到kHz时，漏电流明显降低，直流母线电压的幅值由DCV（进线电压ACV）降低到DCV时（进线电压ACV），漏电流明显降低，降低逆变IGBT的开关的速度（门极电阻由.Ω增加到Ω），漏电流略微降低。改进电机的电磁设计，减少电机绕组和机壳之间的分布电容，对减小驱动系统的漏电流也是有一定的效果。 另一方面， 降低IGBT的开关频率，电流环的带宽变窄，电机的动态特性变差，电机运行时噪音变大。降低母线电压，电机不能上高速运行。加大门极电阻，会造成IGBT的开关损耗变大，驱动器发热变大。     针对此问题，国内外学者提出，改进软件控制方法和优化硬件拓扑结构两方面着手，软件上采用无零矢量控制方法来抑制漏电流，主要包括RSPWM、AZSPWM、NSPWM等控制方法；优化硬件拓扑结构是在驱动系统中外加有源、无源滤波器，有源、无源滤波器作用是产生一个极性相反的电流波形与漏电流波形叠加，从而抵消漏电流的作用和影响。 具体内容可查阅以下文献： （牛峰等 PWM电机系统漏电流分析 电工技术学报 年月 第卷 第期姜艳姝等 PWM变频器输出共模电压及其抑制技术的研究 中国电机工程学报 年月 第卷 第期高强 PWM逆变器输出端共模与差模电压dv/dt滤波器设计 电工技术学报 年月 第卷 第期） 四、漏电保护开关原理   图  普通漏电保护开关原理图 如上图所示，普通漏电保护开关主要由零序电流互感器、辅助电路、主开关、脱扣器等组成。                                                                                         L、L、L三根火线和零线N同时穿过漏电保护开关的零序电流互感器，正常情况下，L、L、L三根火线和零线N的电流和为零，零序电流互感器次级线圈没有电流输出，脱扣器不动作。当有漏电流时，漏电流经接地线流回电网，根据基尔霍夫电流定理，流进电流等于流出电流，L、L、L三根火线和零线N的电流和等于经接地线流回电网的漏电流，此时L、L、L三根火线和零线N的电流和不为零，零序电流互感器次级线圈有电流输出，经辅助电路处理后转换成电压加在脱扣器的线圈上，当漏电流达到额定漏电动作电流时，脱扣器动作，主开关动作切断电源。 五、总结 由于变频调速本身的技术特点，驱动系统漏电流就一定存在，目前还没有从根本上解决此问题的办法，想要确保漏电保护开关不跳闸，关键还是要有效降低电机漏电流，目前能够采取手段是如加装电抗器、滤波器等减小或抵消漏电流，或加装隔离变压器规避此问题。

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