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变频系统漏电分析与研究

文档作者：胡宏秋文档来源：长沙凯瑞重工机械有限公司		点击数：	更新时间： 2021年10月09日
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ELECTRIC DRIVE 2013 Vo1．43 No．8 电气传动2013年 第43卷第8期
变频系统漏电分析与研究
胡宏秋
(长沙凯瑞grx-~械有限公司技术q-心，湖南长沙410013)
摘要：为了减小变频系统漏电电流，提高用电系统安全程度，就漏电流产生的机理进行了相关的理论分
析．并通过大量的实验测试。得到漏电流产生的关键因素是变频器内部的高次谐波，从而给出了改善漏电流的
一些行之有效的方法，比如：减小变频器的载波频率、提高电机的绝缘强度等。这些方法对减小漏电流、保证人
身、设备安全有非常明显的作用。
关键词：变频系统；漏电；载波频率；接地；分布电容；寄生电容
中图分类号：Ⅱ)23 文献标识码：A
Analys~ and Research of Leakage in Frequency Conversion System
HU Hong-qiu
(Technology Center，Changsha Carrie Heavy Machinery Limited Company，Changsha 410013，Hunan，China)
Abstract：In order to reduce the leakage current in~equency system and enhance electric safety，based on a
lot of experimental tests，a theoretical analysis of the leakage problems generating mechanism in~equency system
was made and concluded that the crucial factor of obtaining leakage current is high harmonics in frequency
convertor．Therefore，it presented some practical methods of improving leakage current，namely，reducing carrier
frequency and improving the motor insulation strength，which play a very obvious role in cutting down leakage
current，ensuring the safety of the people and that of the equipment．
Key words：frequency system；leakage；carrierfrequency；grounding；distributed capacitan ce；parasitic capacitance
1 引言 电保护开关、零序电流检测装置、智能开关(或控
制接触器)、变频器、三相交流电机组成。
在交流拖动系统中．工频拖动的漏电流都很
小，只有20 mA左右，变频拖动的漏电流都很大，
一般在200～600 mA之间，甚至更大。在变频拖动
中．一般在变频器的前端都安装了漏电保护装
置．经常会出现漏电保护跳闸的现象，严重影响
系统的工作：同时。如果接地系统达不到要求，还
会产生安全事故 很多情况下认为是变频器品质
的原因，但更换变频器后，故障现象依然存在，原
因一下子很难找到，更没有很好的解决办法。本 电缆分布电
文对变频器漏电进行了理论分析和实验研究．得
到了有效改善变频系统漏电的方法。
2 变频系统结构分析
如图1所示．变频系统主回路一般由进线馈
作者简介：胡宏秋(1964一)，男，高级工程师，Email：923759074@qq．eonl
⋯ ⋯ ． 三 电源
图1 变频系统结构
Fig．1 System structure of frequency conversion system
进线馈电保护开关是系统漏电保护执行装
13
电气传动20l3年 第43卷 第8期 胡宏秋：变频系统漏电分析与研究
置，当漏电流大于设定值时断开．达到保护设备
和人员安全的目的
零序互感器是漏电流检测装置 检测三相电
流的矢量和，控制进线馈电开关的动作。系统有
漏电流存在时，三相电流的矢量和就不为0。也有
用剩余电流断路器作为漏电保护的．其原理完全
一样，只是把检测、控制、执行做成一体了。
智能开关(或控制接触器)是根据控制回路
的逻辑控制变频器的工作电源接通和断开。
变频器是电源频率控制单元．根据外部手动
或自动的频率指令输出不同频率的工作电源．达
到转速调节的目的
电机是系统的执行单元．为连接的机械提供
所需要的转速和转矩。在变频系统中．电机一般
采用变频电机，为了适应变频系统的要求，与普
通电机相比．变频电机在机械结构和电磁结构做
了较大的改进
变频器的安规电容是变频器内部的器件．对
电源共模、差模干扰起滤波作用，此电容器失效
后，不会导致电击，不危及人身安全。为了研究说
明方便，特把此电容列出。
电缆分布电容和电机寄生电容是电流与周围
介质之间产生的电容．产生漏电流。电流与介质特
性直接决定电容的大小，从而影响漏电流的大小。
其中所有电容末端均应与大地有很好的连接。
3 漏电流产生原因分析
如图1所示．变频拖动系统漏电流产生的原
因是非常复杂的 主要有以下3个方面。
1)电机绕组与机壳之间的寄生电容。变频器
输出的信号并不是一个理想的正弦波．而是一个
经过调制的脉冲串．脉冲串频率(调制或载波频
率)比工频高得多，一般为1～4 kHz(可在变频器
中设置)．高频脉冲使电机绕组与机壳之间产生
寄生电容。图2是变频器调制输出波形图。图2a
14
U
0
0
一
图2 变频器调制输出波形
Fig．2 Output waveform of frequency modulation
是设计思想．理想的正弦波叠加在三角形调制波
上：图2b为实际输出波形，实线是输出的脉冲
波， 虚线是加在电机上的近似的电压曲线。
变频器的高速脉冲产生高次谐波．高次谐波在
电机绕组与机壳之间产生寄生电容．从而形成漏
电流。
2)变频器安规电容。此电容主要作用是：一
方面消除电网的噪声干扰．另一方面改善变频器
的高次谐波对电网的影响。但在充电过程中
会产生较大的短暂漏电电流．比如在电源接通的
瞬间
3)变频器与电机之间连接电缆的分布电容。
此电容与电缆的长度、截面积、屏蔽有关。与长度
成正比，与截面积成反比。使用屏蔽电缆可以减
小分布电容。一般情况下．变频器与电机的距离
较近．此电容较小。
4 实验研究与分析
根据以上的结构和原因分析．进行了相关的
实验研究和分析。
4．1 实验设计
实验对象：INVT(英威腾)660 V，35 kW变频
器1台，660 V，30 kW 三相变频电机l台；实验设
备：Agilent4通道示波器1台，零序互感器1个，
万用表等。实验接线：如图3所示。三相4线进
线．主回路中串接零序电流互感器，检测零线电
流：地线分别接智能开关、变频器、电机的地(外
壳)．中间串接万用表同样检测零线电流。与示波
器比较 监视检测数据的准确性。
接地点1
接地点2
接地点3
图3 实验接线图
Fig．3 Wiring diagram of the experiment
实验目的：改变接线和调整变频器相关参
数．通过示波器读取零序互感器的不平衡电流
(或万用表)，根据数据分析，得到影响漏电流的
胡宏秋：变频系统漏电分析与研究 电气传动2013年 第43卷第8期
关键因素．从而提出解决问题的建议。示波器数
据采集界面如图4所示。
嚣 ： ： S “5= 00 停止 ，一 。
’
Agil~nt
高分辨率
125 kSs／s
． 。
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DC l加：l
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DC l()00：1
越{ijjiiJ 盛j盥I 幽l I lij 交漉有娃值-FS(3) 空荫蛙值
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漏电流 形 嘏电流有效值
—
l ll Il l
图4 示波器数据采集
Fig．4 Data acquisition of oscilloscope
4．2 实验方法与结果
1)调整变频器输出频率，测试结果如表l所示。
表1 改变输出频率测试数据
Tab．1 The test data of changing the output frequency
输出频率，Hz 载波频率／kHz示波器读数／mA万用表读数／mA
2)改变载波频率，测试结果如表2所示。
表2 改变载波频率测试数据
Tab．2 The test data of altering the carrier frequency
输出频率／Hz 载波频率／kHz示波器读数／mA万用表读数／mA
3)改变接地，参考图1接线，分别断开接地
点1，2，3，测试结果如表3所示。
表3 改变接地点测试数据
Tab．3 The test data of changing the ground
4)更换电机，更换一台绝缘强度加强的电
机，测试结果如表4所示。
表4 更换电机测试数据
Tab．4 Th e test data of replacement of motor
5)更换电缆，将屏蔽电缆更换为普通电缆，
测试结果如表5所示。
表5 更换电缆测试数据
Tab．5 Th e test data of replacing cable
6)单独接地，断开进线零线，将接地1，2，3
通过接地体进行并行接地(接地电阻8 Q左右)，
测试结果如表6所示。
表6 更改接地测试数据
Tab．6 The test data of changing the ground
4．3 实验分析与结论
根据表1～表6的数据，可得以下结论：
1)变频器的输出频率对漏电流的影响较小：
2)载波频率对漏电流的影响较大：
3)漏电流90％左右是电机的寄生电容引起：
4)加强电机的绝缘可改善漏电现象：
5)短距离的电缆分布电容对漏电影响较小：
6)单独良好的接地可改善漏电现象。产生
漏电流的关键因素是电机绕组与机壳之间的寄
生电容。
5 变频系统漏电改进建议
根据以上实验和分析．产生漏电流的原因是
变频器输出信号的高次谐波．产生的载体是电
机，所以，为了改善变频系统的漏电流，同时，确
保人身、装备的安全，提出如下改进建议：
1)适当调小载波频率(默认设置一般是2 kHz)：
2)改进电机的电磁设计(磁路不饱和设计、加
强绕组与机壳之间的绝缘、减小铜耗等)。从实验
数据可以看出．变频系统90％的漏电流是由电机
绕组与机壳之间的寄生电容产生．改进电机的电磁
设计，对减小系统的漏电流是非常有效的措施：
3)把电机的地、开关的地、变频器的地与系
统地牢固接在一起：
4)对漏电流要求较高的系统中．采用5段发
(下转第37页)
1 5
朱鹏．等：规则采样方式下相移栽波PWM调制双傅里叶分析 电气传动2013年 第43卷第8期
实验结果，分别与仿真相对照。
出，实验与仿真结果相吻合。
从图4中可以看 C4] Xu H S．EnhancedRotorFieldOrientedControl ofFive—ph
6 结论
文中对H桥型逆变器规则采样方式下相移
载波PWM调制方法进行了研究。利用双重傅里
叶变换．分析了规则采样方式下输出共模电压和
输出相电压的频谱特性。可以得到以下结论：
1)当调制波、载波均移竹角时，共模电压最
小(为零)；
2)当调制波移霄角时．直流母线电压利用率
最高．输出电压谐波最小。
通过对输出电压和共模电压的频谱特性分
析．可以进一步为逆变器共模电压抑制和输出滤
波器设计等问题的解决提供理论依据。
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收稿日期：2012-08-04
修改稿日期：2013-03—24
(上接第15页)
波的 控制变频器。不要采用7段发波的矢量
控制变频器．因为在5段发波的控制方式中，每
一相的输出电压有1／3左右时间是没有开关动作
的。也可在变频器的参数设置中设置发波方式：
5)加强系统接地，接地电阻控制在1O Q以下。
良好的接地既可保证系统安全．也可改善漏电流
现象：
6)对于变频系统。建议不安装漏电保护装置．
如果确要安装．可安装符合IEC60755国际电工
标准的B型漏电保护器。如果是零序电流控制漏
电保护．可把保护电流调整为200 mA．保护延时
调整为0．2 S左右：
7)变频器与电机之间的电缆采用屏蔽电缆。
6 结论
众所周知。采用变频技术是节能降耗、保证
工艺的有效途经．在实际的应用中取得的效果和
效益是有目共睹的。但由于变频本身的技术特
点，输出信号中的高次谐波不可避免．漏电流也
就一定存在。目前，还没有从根本上解决此问题
的办法．以上的分析与探讨是基于现状的一些研
究．仅供变频器应用人员参考
近年来，国内外一些公司正在研制“无电网
污染”变频器 据报道．这类变频器具有功率因数
高、效率高、无谐波污染、无需专用电机的特点，
并采用了多项先进技术：三电平拓扑技术：曲折
变压器移相技术；IGBT智能化驱动技术：永磁内
嵌式直流电抗器等。随着技术的发展和进步，变
频器性能会逐步完善
收稿日期：2012—08—09
修改稿日期：2013—03—03
37

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