變頻器控制電機漏電問題的產(chǎn)生及解決方法

有的現(xiàn)場使用變頻器控制電機，會出現(xiàn)漏電問題，漏電電壓有幾十伏到二百伏電壓不等。針對這個問題，在這里特對此故障產(chǎn)生的原因進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)變頻器控制電機運行的功能框圖(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的運行。三相互差120度的交流電在電動機的三相定子線圈繞組里流過，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使電動機的轉(zhuǎn)子在定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的作用下自動旋 轉(zhuǎn)起來。

我們都知道，電動機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)電磁感應的原理，電動機的外殼就會產(chǎn)生感應電動勢。此感應電動勢的大小，就取決于變 頻器IGBT的開關頻率的大小和C*DV/DT(與IGBT的開關的速度有關);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，則DV/DT 偏大。如果這個感應電動勢較大，那么人觸摸到就會感覺被電擊一樣。理論上IGBT的開關頻率越高，電機外殼的感應電動勢的有效值(即感應電壓)就越高，而 變頻器對電機的控制精度和動態(tài)響應也就越高，人體觸摸之后被電的感覺就越大;反之，IGBT的開關頻率越低，電機外殼的感應動勢的有效值(感應電壓)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的開關頻率設計得較低，控制電機運行之后，電機外殼的感應電壓較低，但其控制 性能較差、動態(tài)響應較慢。我司變頻器的性能和動態(tài)響應都較好，因而我司變頻器IGBT的開關頻率和開關速度都較高，感應電動勢相對也就會大些。

由于異步電動機運轉(zhuǎn)，電機外殼都會有感應電壓(即所謂的漏電)，所以，電機制造廠才會在電動機出廠的時候，在其接線盒里面安上接地端子，方便用戶在應用時 連接大地以消除其感應電動勢(即消除感應漏電電壓)，以解決人體接觸電動機時被電的感覺。當然，因為工頻運行電機時，工頻的開關頻率約為50HZ，很低， 所以一般情況下幾乎不會有漏電的感覺(除非電機絕緣很差)。而變頻器控制時，由于其開關頻率都比工頻頻率高得多，所以變頻器在控制電動機轉(zhuǎn)動時，電機外殼 就會有漏電的感覺。

二、漏電問題的解決方案

為了避免這個問題的發(fā)生，變頻器硬件在設計的時候，就加入了感應電浪涌濾波器電路(其等效電路如圖1所示)，并將感應浪涌濾波器的接地端與變頻器的外殼相 連，同時在變頻器的配線說明中，要求將電機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。

從而使得電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應電流能夠通過電機與變頻器的接地線、變頻器與電源之間的接地線形成回路，使得電動機的地、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)的電動的外殼、機械設備的機架(一般設備的機架是與大 地連接在一起的)、變頻器的外殼就都不會有被電的感覺了，因為它們之間的電位差(電壓差)為0伏，人體也就沒法感覺出來是否有電了。

當電動機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、機械設備的外殼或者電的接地端接在一起的時候，電機的外殼、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，電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應電壓為100V，電動機又與機械設備的某部分機架在一起，因為電源 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約2K歐姆的電阻(如果人體出汗、潮濕時電阻值更小，有時甚至只有幾十歐姆)，人體 站在大地上觸摸到與電動機相連的設備金屬時，電動機的感應電(如100V)就能過人體向大地進行放電，那么人體就會有電流流過，就會有被電的感覺。雖然， 理論上電機外殼與機械設備的機架是連接的，而設備的機架又是裝在大地上的，按理說人站在大地上觸摸到設備機架應該是不會被感應電觸電到的，但是，別忘了大 地雖然也是屬于導體，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要求每個變電站變壓器的接地線、每 個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?其實就是這個道理。人與設備有距 離就會有感應電壓，人體觸摸到設備時就會有電流流過人體，就會有被電的感覺，只是感應電的大小，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，甚至錯誤的認為大地就是地線了，為什么要拉地線呢?不是多此一舉嗎? 這種想法就是錯誤的了，大家不防想想，如果大地可以當作地線，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人力、又浪費物力、浪費時間、還浪費錢財?shù)墓ぷ髂?

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

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

電機、變頻器、機架三個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)部的感應浪涌濾波器電路進行吸收、泄放，使感應電壓大大減小，從而 電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應電相對于電源的地(即大地)的電壓也大大的減小，從而，不至于使人觸摸之后會有被電的感覺。也就是說沒有電源地線也沒有關系，只要將 電機的地、變頻器的地和機架連接在一起就好了，這樣變頻器內(nèi)部的感應電浪涌濾波器才會起到真正的作用。

方案二：一般情況下，通過方案一處理之后，電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應電壓已經(jīng)是很小了，已經(jīng)不至于會漏電電人的，但是由于某些特殊原因(如：電動機絕緣不好、電器柜在裝電器時全部沒有接地等)，感應電壓還是較高，還會有漏電電人的感覺時，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感應電浪涌濾波器。

并將感應電浪涌濾波器的地與電動機的地、變頻器的地接在一起(如圖4中的紅色線所示)，讓感應電浪涌濾波器再一次對電機的感應電進行吸收和泄放，進一步減 小感應電壓，達到防止漏電電人的目前的。增加的感應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，沒法設計安裝在變頻器內(nèi) 部電路里面，因此做成外接方式。

我們曾經(jīng)過大量的實驗證明，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用場合下，都能將電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的感應電壓減小到20V以下，確?，F(xiàn)場 操作人員的安全，不會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電浪涌濾波器都可以了。

另外，如果現(xiàn)場是有多臺變頻器控制電動機運轉(zhuǎn)時，且不方便安裝多個感應電浪涌濾波器的，并不一定是要求每臺變頻器都配一下感應電浪涌濾波器，也可以只接一 個或兩個感應電浪涌濾波器，并將濾波器的接地端與現(xiàn)場幾臺變頻器的接地端、現(xiàn)場電動機的接地端、設備機架接在一起，如圖5所示：

由于每臺變頻器內(nèi)部都有感應電浪涌濾波器電路，但如果電機的接地線沒有接回到變頻器的接地端子去的話，感應電浪涌濾波器也就不起作用了，所以現(xiàn)場應用中電 動機的接地端一定要與變頻器的接地端接到一起。當然有些設備在某些場合電機不接地線也不會有漏電的感覺，這與本文前面所說的“大地雖然也是屬于導體，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，是要求電機良好接地的，但條件不允許(如 沒有電源接地端)的，電動機的地、電柜外殼與變頻器的地總可以接在一起的。