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关于变频器控制电机有漏电问题的解决方案

日期: 2015-03-20
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一、漏电问题产生的原因
有的现场使用变频器控制电机,会出现漏电问题,漏电电压有几十伏到二百伏电压不等。针对这个问题,在这里特对此故障产生的原因进行理论的分析和说明如下。


关于变频器控制电机有漏电问题的解决方案
图1

根据变频器控制电机运行的功能框图(图1),三相电源经过变频器整流桥整流之后,经电容滤波送到逆变桥(IGBT),再经过逆变桥输出频率、电压可调的三相交流电去控制电机的运行。三相互差120度的交流电在电动机的三相定子线圈绕组里流过,产生旋转磁场,使电动机的转子在定子绕组旋转磁场的作用下自动旋转起来。
我们都知道,电动机的三相定子绕组流过电流之后产生了旋转磁场,而根据电磁感应的原理,电动机的外壳就会产生感应电动势。此感应电动势的大小,就取决于变频器IGBT的开关频率的大小和C*DV/DT(与IGBT的开关的速度有关);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,则DV/DT偏大。如果这个感应电动势较大,那么人触摸到就会感觉被电击一样。理论上IGBT的开关频率越高,电机外壳的感应电动势的有效值(即感应电压)就越高,而变频器对电机的控制精度和动态响应也就越高,人体触摸之后被电的感觉就越大;反之,IGBT的开关频率越低,电机外壳的感应动势的有效值(感应电压)就越低,而从体触摸到之后被电的感觉就越小。所以,某些国产低端的变频器IGBT的开关频率设计得较低,控制电机运行之后,电机外壳的感应电压较低,但其控制性能较差、动态响应较慢。我司变频器的性能和动态响应都较好,因而我司变频器IGBT的开关频率和开关速度都较高,感应电动势相对也就会大些。
由于异步电动机运转,电机外壳都会有感应电压(即所谓的漏电),所以,电机制造厂才会在电动机出厂的时候,在其接线盒里面安上接地端子,方便用户在应用时连接大地以消除其感应电动势(即消除感应漏电电压),以解决人体接触电动机时被电的感觉。当然,因为工频运行电机时,工频的开关频率约为50HZ,很低,所以一般情况下几乎不会有漏电的感觉(除非电机绝缘很差)。而变频器控制时,由于其开关频率都比工频频率高得多,所以变频器在控制电动机转动时,电机外壳就会有漏电的感觉。
二、漏电问题的解决方案
为了避免这个问题的发生,变频器硬件在设计的时候,就加入了感应电浪涌滤波器电路(其等效电路如图1所示),并将感应浪涌滤波器的接地端与变频器的外壳相连,同时在变频器的配线说明中,要求将电机的接地端与变频器的接地端子B相连、将输入电源的地(即大地)与变频器的接地端子A相连。


关于变频器控制电机有漏电问题的解决方案
图2

从而使得电动机运转产生的感应电流能够通过电机与变频器的接地线、变频器与电源之间的接地线形成回路,使得电动机的地、变频器的地与电源的地(即大地)都处于同等的电位上,它们之间的电位差为0伏电压。这样,人体站在大地上面(也是电源的地)接触到旋转的电动的外壳、机械设备的机架(一般设备的机架是与大地连接在一起的)、变频器的外壳就都不会有被电的感觉了,因为它们之间的电位差(电压差)为0伏,人体也就没法感觉出来是否有电了。
当电动机的地线未能与变频器的接地端连接在一起,而电源的地线也没有与变频器的地、机械设备的外壳或者电的接地端接在一起的时候,电机的外壳、变频器的外壳、电源的地(即大地)就不是处于同等电位了。假如在这种情况下,电动机运转产生的感应电压为100V,电动机又与机械设备的某部分机架在一起,因为电源的地线在配电房没有拉过来,而人体的电气等效模型理论上可以等同于一个约2K欧姆的电阻(如果人体出汗、潮湿时电阻值更小,有时甚至只有几十欧姆),人体站在大地上触摸到与电动机相连的设备金属时,电动机的感应电(如100V)就能过人体向大地进行放电,那么人体就会有电流流过,就会有被电的感觉。虽然,理论上电机外壳与机械设备的机架是连接的,而设备的机架又是装在大地上的,按理说人站在大地上触摸到设备机架应该是不会被感应电触电到的,但是,别忘了大地虽然也是属于导体,但大地毕竟是有阻值的,而且根据不同的土地的土壤成份,阻值也大小不一。否则,为什么国家供电局会要求每个变电站变压器的接地线、每个公司配电房的接地电阻要求小于4欧姆?为什么如果变电站或者高压配电房的接地电阻不小于4欧姆就不给审批,不允许用电?其实就是这个道理。人与设备有距离就会有感应电压,人体触摸到设备时就会有电流流过人体,就会有被电的感觉,只是感应电的大小,决定人被电的感觉大小也不一样。
但是,有些工厂内部为了配线方便,高压配电房里面的地线根本就没有拉到生产车间里面,甚至错误的认为大地就是地线了,为什么要拉地线呢?不是多此一举吗?这种想法就是错误的了,大家不防想想,如果大地可以当作地线,那么我们日常生活中所有的电线又何必要拉N线和地线呢?发电站里面的N线其实与地线也是连接在一起的呀?我们不用拉地线和N线不是可以节约很大电缆、电线了吗?为何要去做这种又浪费人力、又浪费物力、浪费时间、还浪费钱财的工作呢?
然而,现实中却的确有些工厂没有拉电源地线的,设备没法找到接地点,而电机在使用中却又有感应漏电的情况,遇到这种情况怎么办?在此,我们提出两种方案如下:
方案一:将电机外壳的接地端、机械设备的机架与变频器接地端连接在一起(如图3),


关于变频器控制电机有漏电问题的解决方案
图3

电机、变频器、机架三个的地线连接在一起之后,使它们处于同等的电位,并且经过变频器内部的感应浪涌滤波器电路进行吸收、泄放,使感应电压大大减小,从而电动机旋转产生的感应电相对于电源的地(即大地)的电压也大大的减小,从而,不至于使人触摸之后会有被电的感觉。也就是说没有电源地线也没有关系,只要将电机的地、变频器的地和机架连接在一起就好了,这样变频器内部的感应电浪涌滤波器才会起到真正的作用。
方案二:一般情况下,通过方案一处理之后,电动机旋转产生的感应电压已经是很小了,已经不至于会漏电电人的,但是由于某些特殊原因(如:电动机绝缘不好、电器柜在装电器时全部没有接地等),感应电压还是较高,还会有漏电电人的感觉时,提出了方案二。
方案二是在方案一的前提下,再在变频器输入电源端增加一个感应电浪涌滤波器。


关于变频器控制电机有漏电问题的解决方案
图4

并将感应电浪涌滤波器的地与电动机的地、变频器的地接在一起(如图4中的红色线所示),让感应电浪涌滤波器再一次对电机的感应电进行吸收和泄放,进一步减小感应电压,达到防止漏电电人的目前的。增加的感应电浪涌滤波器的电路原理与变频器内部的浪涌滤波电路是一样的,是由于体积太大,没法设计安装在变频器内部电路里面,因此做成外接方式。
我们曾经过大量的实验证明,通过方案二这种接法的现场整改,在没有接电源的地线的应用场合下,都能将电动机运转产生的感应电压减小到20V以下,确保现场操作人员的安全,不会再有被漏电电人的感觉。但是,方案二中如果接有电源线的地线,那么也就不用外接感应电浪涌滤波器都可以了。
另外,如果现场是有多台变频器控制电动机运转时,且不方便安装多个感应电浪涌滤波器的,并不一定是要求每台变频器都配一下感应电浪涌滤波器,也可以只接一个或两个感应电浪涌滤波器,并将滤波器的接地端与现场几台变频器的接地端、现场电动机的接地端、设备机架接在一起,如图5所示:


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图5

由于每台变频器内部都有感应电浪涌滤波器电路,但如果电机的接地线没有接回到变频器的接地端子去的话,感应电浪涌滤波器也就不起作用了,所以现场应用中电动机的接地端一定要与变频器的接地端接到一起。当然有些设备在某些场合电机不接地线也不会有漏电的感觉,这与本文前面所说的“大地虽然也是属于导体,但大地毕竟是有阻值的,而且根据不同的土地的土壤成份,阻值也大小不一”原理是一样的。但是按照正确的用电安全规范,是要求电机良好接地的,但条件不允许(如没有电源接地端)的,电动机的地、电柜外壳与变频器的地总可以接在一起的。


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