PWM电机系统漏电流分析
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室、河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室、浙江大学电气工程学院的研究人员牛峰、曹石然、王尧、韩振铎、黄晓艳、张健、李奎、方攸同，在2019年第8期《电工技术学报》上撰文指出，随着PWM变频器在电机控制中的广泛应用，在电机控制性能显著提高的同时，系统共模电流（正常漏电流）的问题愈发严重。同时，当电机系统发生漏电故障时，现有漏电保护装置不能区分故障漏电流和正常漏电流，导致系统存在安全隐患。
针对此问题，首先对PWM电机系统正常漏电流计算模型和流通路径进行研究，然后对系统的漏电故障点及相应故障漏电流进行了分析，最后通过试验测试对PWM电机系统正常漏电流和正常与故障混合漏电流的时频特性进行深入分析和研究，为正常漏电流的有效抑制和故障漏电流的准确检测提供理论指导。
随着电力电子技术的不断发展，PWM变频器的开关性能不断提高，PWM变频器驱动电机的动静态控制性能也有了明显的提升。但是随着PWM变频器开关频率越来越高，变频器输出的共模电压所带来的问题愈发严重。例如，共模电压会在电机转轴上感应出高幅值轴电压，并形成轴承电流，导致电机轴承损坏，缩短电机使用寿命。
此外，由于电机系统存在大量对地分布电容，共模电压在变频器开关跳变期间会产生较大的du/dt，进而对电机系统分布电容进行充放电形成共模电流，也就是正常漏电流。当电机系统对地分布电容数值较大时，正常漏电流也会随之增大，可能导致电机不能正常运转。同时，正常漏电流的存在会造成系统漏电保护装置误动作，使电机不能安全、可靠运行。此外，共模电流产生的传导共模电磁干扰（Electro- magnetic Interference, EMI）会影响其他电子设备正常运行。
为了深入了解这些问题，国内外学者对PWM电机系统正常漏电流进行了大量研究。由于电机系统的构成较复杂，部分学者从等效模型着手。比如，裴雪军简化了逆变器的共模等效模型，以便研究共模电流的振幅和频率特性。O. Magdun和A. Binder建立高频等效电机模型，简化了EMI的仿真过程。S. Ogasawara和H. Akagi建立LCR串联谐振等效电路，降低了分析共模电流的难度。
在对共模电流分析的效率逐渐提高的情况下，对共模电流特性方面的研究也越来越方便，J. S. Lai发现，如果建立精确的寄生参数模型，则可以在频域分析和识别不同传播路径的EMI。N. Mutoh和M. Ogata对电机系统中不同位置和不同流通路径下的EMI噪声进行了详细对比分析，对EMI噪声的特性有了较全面的了解。
此外，漏电流抑制方法主要从优化硬件拓扑结构和改进软件控制方法两方面着手，如图1所示。其中优化硬件拓扑结构以在电机系统中添加滤波器为主，主要包括添加有源、无源滤波器等。还有部分学者对光伏并网系统的共模电流问题进行了研究。虽然优化硬件拓扑结构能有效抑制共模电流，但存在结构复杂和成本较高等问题，因此多数学者倾向于通过改进软件控制方法来抑制共模电流。
通过改进软件控制方法抑制共模电流以采用无零矢量控制方法为主，主要包括RSPWM、AZSPWM、NSPWM]等方法。此外，文献[14]提出一种基于布尔函数逻辑运算的新型载波调制策略。该方法可以保持共模电压恒定，从而能够有效抑制共模电流。
图1 漏电流抑制方法
综上所述，国内外研究学者对PWM电机系统的等效模型和正常漏电流的特征与流通路径进行了大量研究并对正常漏电流的抑制取得了有指导意义的研究成果。但是对PWM电机系统漏电流的特性尚需进行深入分析研究。因此，本文对PWM电机系统正常运行时存在的正常漏电流和发生漏电故障时产生的故障漏电流进行详细的测试和分析，为正常漏电流的有效抑制和故障漏电流的准确检测提供了理论依据。
图2 PWM电机系统典型拓扑结构示意图
图6 试验平台结构示意图
图7 试验平台实物图
本文对PWM电机系统漏电流相关特性进行了研究。首先建立了正常漏电流计算模型，并对其流通路径进行了分析。然后对电机系统的漏电故障点及相应故障后的漏电流波形进行了分析。最后通过试验测试对电机系统故障发生前后的正常/混合漏电流时频特性进行了分析和研究，具体结论如下：
1）PWM电机系统电机输入侧正常漏电流的有效值与对地分布电容的容值呈正比例关系，正常漏电流主要包含直流分量和高频分量，其中高频分量主要为逆变器开关频率及其倍频分量。
2）PWM电机系统电机输入侧存在漏电故障时，混合漏电流有效值相应增大。其中，低频分量的幅值变化可作为是否发生漏电故障的判断依据。
上述结论能够为正常漏电流的有效抑制和故障漏电流的准确检测提供理论指导。