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电机的漏电、轴电压与轴承电流问题 变频器驱动感应电机的电机模型如图6所示，图中Csf为定子与机壳之间的等效电容，Csr为定子与转子之间的等效电容，Crf为转子与机壳之间的等效电容，Rb为轴承对轴的电阻;Cb和Zb为轴承油膜的电容和非线性阻抗。高频PWM脉冲输入下，电机内分布电容的电压耦合作用构成系统共模回路，从而引起对地漏电流、轴电压与轴承电流问题。图6 变频器驱动感应电机的电机模型 漏电流主要是PWM三相供电电压极其瞬时不平衡电压与大地之间通过Csf产生。其大小与PWM的dv/dt大小与开关频率大小有关，其直接结果将导致带有漏电保护装置动作。另外，对于旧式电机，由于其绝缘材料差，又经过长期运行老化，有些在经过变频改造后造成绝缘损坏。因此，建议在改造前，必须进行绝缘的测试。对于新的变频电机的绝缘，要求要比标准电机高出一个等级。 轴承电流主要以三种方式存在:dv/dt电流、EDM(Electric Discharge Machining)电流和环路电流。轴电压的大小不仅与电机内各部分耦合电容参数有关，且与脉冲电压上升时间和幅值有关。dv/dt电流主要与PWM的上升时间tr有关，tr越小，dv/dt电流的幅值越大;逆变器载波频率越高，轴承电流中的dv/dt电流成分越多。EDM电流出现存在一定的偶然性，只有当轴承润滑油层被击穿或者轴承内部发生接触时，存储在电子转子对地电容Crf上的电荷(1/2 CrfUrf)通过轴承等效回路Rb、Cb和Zb对地进行火花式放电，造成轴承光洁度下降，降低使用寿命，严重地造成直接损坏。损坏程度主要取决于轴电压和存储在电子转子对地电容Crf的大小。 环路电流发生在电网变压器地线、变频器地线、电机地线及电机负载与大地地线之间的回路(如水泵类负载)中。环路电流主要造成传导干扰和地线干扰，对变频器和电机影响不大。避免或者减小环流的方法就是尽可能减小地线回路的阻抗。由于变频器接地线(PE变频器)一般与电机接地线(PE电机1)连接在一个点，因此，必须尽可能加粗电机接地电缆线径，减小两者之间的电阻，同时变频器与电源之间的地线采用地线铜母排或者专用接地电缆，保证良好接地。对于潜水深井泵这样的负载，接地阻抗ZE电机2可能小于ZE变压器与ZE变频器之和，容易形成地环流，建议断开ZE变频器，抗干扰效果好。 在变频器输出端串由电感、RC组成的正弦波滤波器是抑制轴电压与轴承电流的有效途径。目前有多家厂家可提供标准滤波器。电源线路滤波器中的漏电流在电气设备的正常运行过程中，一部分电流沿着保护接地导体流入大地。这些电流称为漏电流，1. 标准中的要求 保护接地器在电气设备出现故障或发生短路时，保护用户不会受到危险接触电压的伤害。为确保此基本功能，对保护接地线上的电流必须加以限制， 接触电流是人在接触电气装置或设备时，流过人体的所有电流。另一方面，保护导体电流是在设备或装置正常运行时，流过保护接地导体的电流。此电流也称为漏电流。 所有电气设备的设计都必须避免产生危及用户的接触电流和保护导体电流。一般来说，接触电流不得超过3.5mA，采用下文所述的测量方法进行测量。 3.5mA的极限值并不适用于所有设备，因此，在标准中，还对配备工业型电源接线器（B型可插拔设备）和保护接地器的设备进行了补充规定。如果保护接地电流不超过输入电流的5，那么接触电流可以超过3.5mA。另外，等电位联结导体的最小截面积必须符合EN 60950-1的规定。除了普通的产品安全标准之外，还有关于无源EMI滤波器的安全标准。在欧洲，新颁布了EN 60939，自2006年1月1日起代替了当时现行的EN 133200。然而，此标准没有关于滤波器漏电流的附加要求。美国的EMI滤波器标准，UL 1283，与此不同。不仅需要进行所有常规安全试验，还需要确认滤波器的漏电流。在默认情况下，此漏电流不允许超过0.5mA。否则，滤波器必须附带一个安全警告，说明滤波器不适用于住宅区。必须提供接地连接器以防触电，另外滤波器必须连接到接地电源引出线或接头上。2 漏电流的计算2.1 三相供电网中的漏电流 要计算三相供电网中的漏电流，需要确定电源中性点MQ和负载中性点ML之间的电压。在电源端，是3个相电压UL1、UL2和UL3，与中性点MQ相连接。在负载端，是3个阻抗Z1、Z2和Z3，也与一个星形相连接，如图1所示。两个中性点MQ和ML通过阻抗ZQL相连，此阻抗上的压降为UQL。图1 电源和负载和星型连接 阻抗ZQL的实际电压UQL可以使用下述公式计算： （1） 无源三相滤波器的一种常见配置是3个X电容器的中性点连接，并通过Y电容器与地电位或者滤波器的外壳相连接，如图2所示。对于平衡电容电网，漏电流可以忽略。另一方面，当相位之间达到最高的不平衡时，电网达到最高的漏电流值。不平衡的原因包括电容器值的公差，以及供电网的电压不平衡。 图2 三相滤波器的典型电容器配置因此，漏电流的关键要素是电容器CX1、CX2和CX3的不平衡产生的电压UQL。对于大多数滤波器，额定值是相同的，但是也存在制造公差的影响。电容器CY处的压降UQL产生的漏电流Ileak,max可以根据下式确定： （2） (当时) 大多数制造商在确定无源滤波器中的电容器的额定值时，公差为20%。CY的最高压降发生在两个X电容器具有最小的公差，而一个电容器具有最大公差的时候。另外，假设CY的公差值最大。将这些假设代入方程(1)和(2)，则漏电流为： （3） 为更好地了解此理论，可以提供一个480V三相滤波器的计算实例。电容器值为CX=4.4F、CY=1.8F；所有电容器的公差均为制造商规定的20%。不考虑电源电压的不平衡，计算出的漏电流大约为23mA。 实践经验表明电容器的公差差距不会如此之大。比较真实的公差范围从-20至0。根据此假设，上述计算得出的漏电流大约为10mA。应该指出：不同制造商采用的滤波器漏电流计算方法并不统一。因此，即使两个滤波器的电路图和元件值相同，但是漏电流也可能不同。到目前为止，在计算中并没有考虑供电网的电压不平衡。在实际应用中，供电网确实存在不平衡。为在计算中考虑进此因素，采用了供电网标准EN 50160，此标准规定了公共供电网的状态。根据此标准，地区供电网的电压不平衡应该不超过3。将此条件代入前述计算，当电容器公差为20%时，漏电流上升到26mA，当公差为+0/-20%时，漏电流为13mA。2.2 单相供电网中的漏电流 与三相供电网相比，单相供电网中的漏电流计算要容易的多。在电压和频率给定之后，漏电流只取决于总电容。图3所示是单相滤波器的典型电容器回路。 图3 单相滤波器的典型电容器配置在正常工作时，漏电流由电容器CYL和CYN决定。总电流值由下式给出： （4） 当CX=100nF、CY=2.2nF，并且给定的公差为20%时，漏电流为190A。最坏的情形发生在中性导体断开的时候。此时，总电容由两个平行电容器组成：一边是CYL，另一边是串联的CX和CYN。图4是等效电路图。 图4 中性导体断开时的总电容 总电容根据下述公式计算： （5）在发生故障时，最大漏电流可以高达377A。 3 漏电流的测量 计算漏电流是一回事，进行测量又是另外一回事。各种产品安全标准规定了必要的测量方法。尽管不同标准之间存在差异，基本方法是类似的。下文将详细叙述根据EN 60950进行计算。 我们在“标准中的要求”中提到：EN 60950使用术语“接触电流”和“保护接地电流”而不是“漏电流”。测得的电流总是接触电流。因为单相和三相供电网所用的方法非常类似，所以只叙述单相设备所用的方法。基本测量设置如图5所示。测量设备的输出B与系统的接地中性导体相连接。输出A通过开关STEST与设备的接地端子相连接。开关SPE打开。图5 接触电流的测量设置图中：接电源（Power connection） 被测设备（EUT） 测量设备（Measurement equipment） 测量必须采用反极性。为此，电路使用了开关SPOL。许可漏电流取决于设备的类型，并在标准中进行了规定。 另外，设备可操作件的接触电流的测量与设备类型无关。然而，并没有详细描述该测量，因为与漏电流自身无关。 图5所示的测量设备可以有二种版本。第一种可能性采用图6所示的电压测量回路。 图6 电压测量设备 图中： RS1500 RB500 R110k CS0.22F C10.022F 测量电压U2所需的输入阻抗必须大于1M，输入电容必须小于200pF。频率范围需要在15Hz至1MHz之间。U2到Ileak的转换公式为： （6） 除了根据图6测量电压之外，还可以根据图7所示的电路测量电流。 图7 电流测量设备 图中： M动圈式仪表 R1+RV1+Rm在C=150nF1%时，15001%，或者在C=112nF1%且0.5mA 时，20001% D测量整流器 RS无感应电阻器，量程X10 S量程选择器 对于非正弦波形，并且频率超过100Hz，则图6所示电压测量可以获得更为精确的结果。4 供电网拓朴对漏电流的影响 在“漏电流的测量”中，已经提到当供电网和电容网络取得平衡时，漏电流最低