- 頭條PWM電機系統漏電流分析2020-04-24 作者：牛峰、曹石然、王堯、韓振鐸、黃曉艷、張健、李奎、方攸同 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室、河北工業大學河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室、浙江大學電氣工程學院的研究人員牛峰、曹石然、王堯、韓振鐸、黃曉艷、張健、李奎、方攸同，在2019年第8期《電工技術學報》上撰文指出，隨著PWM變頻器在電機控制中的廣泛應用，在電機控制性能顯著提高的同時，系統共模電流（正常漏電流）的問題愈發嚴重。同時，當電機系統發生漏電故障時，現有漏電保護裝置不能區分故障漏電流和正常漏電流，導致系統存在安全隱患。 針對此問題，首先對PWM電機系統正常漏電流計算模型和流通路徑進行研究，然后對系統的漏電故障點及相應故障漏電流進行了分析，最后通過試驗測試對PWM電機系統正常漏電流和正常與故障混合漏電流的時頻特性進行深入分析和研究，為正常漏電流的有效抑制和故障漏電流的準確檢測提供理論指導。
隨著電力電子技術的不斷發展，PWM變頻器的開關性能不斷提高，PWM變頻器驅動電機的動靜態控制性能也有了明顯的提升。但是隨著PWM變頻器開關頻率越來越高，變頻器輸出的共模電壓所帶來的問題愈發嚴重。例如，共模電壓會在電機轉軸上感應出高幅值軸電壓，并形成軸承電流，導致電機軸承損壞，縮短電機使用壽命。
此外，由于電機系統存在大量對地分布電容，共模電壓在變頻器開關跳變期間會產生較大的du/dt，進而對電機系統分布電容進行充放電形成共模電流，也就是正常漏電流。當電機系統對地分布電容數值較大時，正常漏電流也會隨之增大，可能導致電機不能正常運轉。
同時，正常漏電流的存在會造成系統漏電保護裝置誤動作，使電機不能安全、可靠運行。此外，共模電流產生的傳導共模電磁干擾（Electro- magnetic Interference, EMI）會影響其他電子設備正常運行。
為了深入了解這些問題，國內外學者對PWM電機系統正常漏電流進行了大量研究。由于電機系統的構成較復雜，部分學者從等效模型著手。比如，裴雪軍簡化了逆變器的共模等效模型，以便研究共模電流的振幅和頻率特性。O. Magdun和A. Binder建立高頻等效電機模型，簡化了EMI的仿真過程。S. Ogasawara和H. Akagi建立LCR串聯諧振等效電路，降低了分析共模電流的難度。
在對共模電流分析的效率逐漸提高的情況下，對共模電流特性方面的研究也越來越方便，J. S. Lai發現，如果建立精確的寄生參數模型，則可以在頻域分析和識別不同傳播路徑的EMI。N. Mutoh和M. Ogata對電機系統中不同位置和不同流通路徑下的EMI噪聲進行了詳細對比分析，對EMI噪聲的特性有了較全面的了解。
此外，漏電流抑制方法主要從優化硬件拓撲結構和改進軟件控制方法兩方面著手，如圖1所示。其中優化硬件拓撲結構以在電機系統中添加濾波器為主，主要包括添加有源、無源濾波器等。還有部分學者對光伏并網系統的共模電流問題進行了研究。雖然優化硬件拓撲結構能有效抑制共模電流，但存在結構復雜和成本較高等問題，因此多數學者傾向于通過改進軟件控制方法來抑制共模電流。
通過改進軟件控制方法抑制共模電流以采用無零矢量控制方法為主，主要包括RSPWM、AZSPWM、NSPWM]等方法。此外，文獻[14]提出一種基于布爾函數邏輯運算的新型載波調制策略。該方法可以保持共模電壓恒定，從而能夠有效抑制共模電流。
圖1 漏電流抑制方法
綜上所述，國內外研究學者對PWM電機系統的等效模型和正常漏電流的特征與流通路徑進行了大量研究并對正常漏電流的抑制取得了有指導意義的研究成果。但是對PWM電機系統漏電流的特性尚需進行深入分析研究。
因此，本文對PWM電機系統正常運行時存在的正常漏電流和發生漏電故障時產生的故障漏電流進行詳細的測試和分析，為正常漏電流的有效抑制和故障漏電流的準確檢測提供了理論依據。
圖2 PWM電機系統典型拓撲結構示意圖
圖6 試驗平臺結構示意圖
圖7 試驗平臺實物圖
結論
本文對PWM電機系統漏電流相關特性進行了研究。首先建立了正常漏電流計算模型，并對其流通路徑進行了分析。然后對電機系統的漏電故障點及相應故障后的漏電流波形進行了分析。最后通過試驗測試對電機系統故障發生前后的正常/混合漏電流時頻特性進行了分析和研究，具體結論如下：
1）PWM電機系統電機輸入側正常漏電流的有效值與對地分布電容的容值呈正比例關系，正常漏電流主要包含直流分量和高頻分量，其中高頻分量主要為逆變器開關頻率及其倍頻分量。
2）PWM電機系統電機輸入側存在漏電故障時，混合漏電流有效值相應增大。其中，低頻分量的幅值變化可作為是否發生漏電故障的判斷依據。
上述結論能夠為正常漏電流的有效抑制和故障漏電流的準確檢測提供理論指導。
