變頻器控制電機漏電問題的產生及解決方法

有的現場使用變頻器控制電機，會出現漏電問題，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生的原因進行理論的分析和說明如下。

一、漏電問題產生的原因

根據變頻器控制電機運行的功能框圖(圖1)，三相電源經過變頻器整流橋整流之后，經電容濾波送到逆變橋(IGBT)，再經過逆變橋輸出頻率、電壓可調的三 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，產生旋轉磁場，使電動機的轉子在定子繞組旋轉磁場的作用下自動旋 轉起來。

我們都知道，電動機的三相定子繞組流過電流之后產生了旋轉磁場，而根據電磁感應的原理，電動機的外殼就會產生感應電動勢。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、動態響應較慢。我司變頻器的性能和動態響應都較好，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，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產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，電動機運轉產生的感應電壓為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，那么我們日常生活中所有的電線又何必要拉N線和地線呢?發電站里面的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、還浪費錢財的工作呢?

然而，現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，并且經過變頻器內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 電動機旋轉產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，電動機旋轉產生的感應電壓已經是很小了，已經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 部電路里面，因此做成外接方式。

我們曾經過大量的實驗證明，通過方案二這種接法的現場整改，在沒有接電源的地線的應用場合下，都能將電動機運轉產生的感應電壓減小到20V以下，確保現場 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，如果現場是有多臺變頻器控制電動機運轉時，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場幾臺變頻器的接地端、現場電動機的接地端、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。