數(shù)控加工裝備多驅動系統(tǒng)漏電流抑制方法

柯萬宇，雷 力，湯前進，彭 瑞

(武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引言

近年來，現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展，到達了一個前所未有的高度，各種各樣的工業(yè)技術與電機驅動系統(tǒng)已經逐漸成熟。但由于我國進入工業(yè)化的時間較短，一些先進的技術與設備系統(tǒng)并不完善，因此在運用上就會出現(xiàn)一些弊端。目前，已有大量研究人員對數(shù)控裝備多驅動系統(tǒng)漏電流的產生原因進行研究，從根本上抑制或者減少漏電流，避免造成裝備的損傷。多驅動系統(tǒng)主要是利用變壓器的性能調整來保證電壓恒定，使系統(tǒng)可以自動進行各個模塊的調整，同時工作人員還可以隨意設置裝備的每個參數(shù)，不但節(jié)省了更多的資源，還能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。但由于驅動系統(tǒng)需要同時連接多個電源，周圍的環(huán)境問題會導致輸入的頻率不同，當達到閾值就會自動關閉開關，強制關閉設備，造成數(shù)控加工設備斷開，干擾設備的正常運行。

針對上述問題，許多學者進行了相關問題的研究，其中，鄭慶杰等[1]研究了基于耦合電感的光伏逆變器漏電流抑制方法；張純江等[2]研究了基于獨立分裂電容的非隔離型中性點箝位逆變器漏電流抑制方法。上述傳統(tǒng)抑制方法較為復雜，雖然具有一定的效果，但產生的其他影響也較為嚴重，致使漏電流的情況不可預計，因此，為了實現(xiàn)驅動系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文設計一種數(shù)控加工裝備多驅動系統(tǒng)漏電流抑制方法，期望從本質上抑制漏電流的產生，在保證系統(tǒng)運行的條件下及時進行反饋，降低拓撲結構的誤差，提高生產效率。

1 漏電流產生原因分析及計算

抑制漏電流產生的根本目的就是要保證大地與驅動系統(tǒng)之間的電位差達到最小，從而使電壓的變化固定在相同的頻率，實質上就是通過拓撲結構轉換變壓器的調節(jié)模式。多次計算與調整后，只要電路中的電流與電阻的變化成反比[3]，電感盡量保持不變，即可最大程度減少裝備的損傷。

變壓器在運行過程中會隨著橋臂的互相變換而變化，會增大漏電流的生成概率[4]，可表示為

(1)

ig為漏電流;Ci為電容；Ud為近端電壓值；Us為遠端電壓；ti為漏電流產生的初始時間；td為結束時間。當電場中的漏電流持續(xù)增大，要立即阻斷電流的產生，增大各設備表面的散熱面積，并利用屏蔽板來切斷電壓，使其中的電容以及磁場影響達到最小，從而降低漏電流的產生概率，同時也增大了系統(tǒng)回路中的電阻。

假設驅動系統(tǒng)已經形成一個閉合回路，且其中一點接地，那么此時的電阻用R來表示，加入屏蔽板后電阻會突然變小，由于耦合層的連接作用，其他因素的干擾就會驟然增大，將電容記作為CR，電流保持不變，那么兩端電壓就可以表示為

(2)

要想徹底減少干擾信號的產生就要從根源上避免，確定電容與電阻的值，使信號隨電壓的變化而變化。當電壓恒定時[5]，干擾因素達到最小，保證接地時的直流母線最短，漏電流的影響就會忽略不計，驅動系統(tǒng)自動維持穩(wěn)定運行。

由于接入的電源不變，受到周圍磁場的干擾就會限制其功率的大小，輸出的電壓與漏電流也會發(fā)生改變，在共模電壓的基礎上，增加濾過器來篩選出合適的電流大小，減少能源的浪費，進一步抑制漏電流的大小，使其在可控范圍內[6]?；谧儔浩鞯霓D換作用，漏電流的公式可表示為

ig=icma+icmb+icmc

(3)

a、b、c為針對接地的3個電位點；icma為電源兩端產生的漏電流；icmb為直流母線兩端產生的漏電流；icmc為接地產生的漏電流。整個系統(tǒng)中最大的漏電流即為三者的和[7]，只要限制在最大值，就不會影響電路的正常流動，以此完成漏電流產生原因的分析，為后續(xù)漏電流抑制提供基礎。

2 多驅動系統(tǒng)拓撲結構建立

由于加工裝備方式有所不同，導致系統(tǒng)偶爾會出現(xiàn)漏電流情況，在以往研究的基礎上，對其結構進行改進，利用電流流動方式的差異性形成一個穩(wěn)定的光伏陣列，使系統(tǒng)直接接地[8]?；诮拥仉妷旱姆€(wěn)定性可以忽略電阻與功率2個參數(shù)的變化，直接計算出光伏陣列中的電流大小，然后保證其兩端電壓持續(xù)小于接地電壓，此時多驅動系統(tǒng)的漏電流基本不受任何影響。驅動系統(tǒng)中每個設備之間都是通過自動感應電纜所連接的，因為直流電路的不斷變化會使電功率波動明顯，因此，只有確定光伏陣列的具體電壓，才能實現(xiàn)電功率的多次轉換[9]，那么此時形成的三路電壓就可稱為共模電壓，以某系統(tǒng)為例，假設M為光伏陣列中直流電的中點，那么與電壓之間的關系式為

(4)

UD為整個系統(tǒng)的總電壓；uC為直流電與接地點之間的電壓差；uP為驅動系統(tǒng)自身產生的電壓；uL為光伏陣列中的電壓值；uM為系統(tǒng)兩端的電位差，還可將其簡化為

(5)

當整個系統(tǒng)處于動態(tài)變化時，與直流母線存在電壓差，且接地時的電位差為0，因此可以推斷uM就是直流橋的共享電壓[10]。根據電壓變化規(guī)律可得

(6)

χ為交流電路兩端電壓的波長變化，且χ=2π×50；t為時間參數(shù)；UAB為任意一段的輸入電壓。而拓撲結構電壓的變化規(guī)律公式為

(7)

將上述方程兩兩相加，得

(8)

uag、ubg、ucg分別為電位點的電壓；uCMng為此時的共享電壓；(ia+ib+ic)為3個點的電流和；Rm為電路中的電阻。那么可得

(9)

因此，拓撲電路的輸入與輸出的電壓方程為

(10)

在電功率保持不變的前提下，使電壓的數(shù)值達到最大，系統(tǒng)終端就會合理地調整電壓的大小。

3 漏電流抑制實現(xiàn)

在上述多驅動系統(tǒng)結構設計的基礎上，進行漏電流抑制。對于直流電的轉換來說，采用可以調節(jié)的PWM逆變器來完成[11]，通過對電機的感應能力來獲得穩(wěn)定的交流電，盡可能地減少漏電流，利用特定的連接方式改變原來的驅動系統(tǒng)，形成共模電壓[12]，可表示為

(11)

Ua、Ub和Uc為3個點兩端的電壓。

當電壓達到一定程度時，系統(tǒng)就會自動控制開關，使電機呈關機狀態(tài)，抑制漏電流的變大。但頻率保持不變，電路電流經過逆變器后，就會與磁場相互感應，形成一個具有電流的閉合電路[13]，在多驅動系統(tǒng)中，電流占主要位置，電流的波動會影響驅動功能系統(tǒng)運行的速度，甚至會導致短路以及系統(tǒng)故障，使電子元件受到一定的損耗[14]，此時產生的共模電壓的表達式為

(12)

Vcm1為電子元件的電壓差。那么電源兩端的共模電壓可表示為

(13)

在共模電壓的前提下，每個橋臂接收到的干擾信號會隨著電壓的變小而變小，使電流的值不斷增大，形成一個開關電流，開關電流會抑制漏電流的增大，其大小可表示為

(14)

ihCM為開關機電流；LhT為電子元件的散熱表面積。為了減小電阻，增大散熱面積，可以設定一個反饋系統(tǒng)[15]，限制漏電流的變化，表達式為

(15)

A為損耗的能量；μr為導電率；Ωr為電阻率；f為常數(shù)。損耗的能量是由于空氣中的介質所影響的，其規(guī)律符合麥克斯韋方程，即

(16)

在磁場的干擾下，方程就會變?yōu)?/p>

(17)

εr為誤差系數(shù)；j為電纜；E(r)為能量變化；H(r)為磁場感應；λ為電磁波長度。那么在特定電場內系統(tǒng)的波動變化頻率就可以形成一個單獨的函數(shù)關系，即

g=|G1(s)|

(18)

那么通過耦合層后可得

在上述計算過程后，對漏電流進行抑制，過程如圖1所示。

圖1 多驅動系統(tǒng)漏電流抑制流程

由圖1可知，當電壓出現(xiàn)細微波動時，電流就會隨之變化，同時抑制漏電流產生，保證驅動系統(tǒng)按照正常的模型繼續(xù)運行。

4 實驗對比

為驗證提出的數(shù)控加工裝備多驅動系統(tǒng)漏電流抑制方法的有效性，進行實驗，并將基于耦合電感的抑制方法、基于獨立分裂電容的抑制方法與本文方法進行對比，對比3種方法的漏電流抑制效果。

4.1 實驗準備

實驗中采用的仿真軟件為Saber，實驗與仿真條件為：在共模電壓檢測部分，電感器的共模電感為0.02 mH，并聯(lián)電容為3 pF；功率變換器的開關頻率為15 kHz，感應電機的額定電壓為382 V，額定功率為50 Hz。逆變器樣機參數(shù)如表1所示。

表1 逆變器樣機參數(shù)

在上述實驗環(huán)境下進行實驗，詳細結果如下所述。

4.2 漏電流抑制效果對比

分析本文方法的漏電流值，本文方法與另外2種方法的抑制效果如表2所示。

表2 漏電流值對比

由表2可知，經本文方法抑制后，漏電流較低，與另2種抑制方法相比可知，本文方法較其抑制效果好，有效降低了電流泄漏情況。

在此基礎上，分析抑制過程中的漏電流振蕩情況，3種波形如圖2所示。

圖2 電流高頻部分抑制效果對比

由圖2可知，采用本文方法抑制后，漏電流振蕩幅度較小，有效抑制了電流中的高頻部分。而另外2種方法抑制后，電流振蕩幅度仍然較大，不能有效抑制電流中的高頻部分。

4.3 漏電流抑制效率對比

3種方法在漏電流抑制上花費的時間如圖3所示。

圖3 漏電流抑制效率對比

由圖3可知，本文方法在短時間內就能夠實現(xiàn)漏電流抑制，較另外2種方法抑制時間少，具有較好的抑制效果。

5 結束語

本文主要針對漏電流的抑制方法進行研究，利用變頻器的功能改變了原本的電機變化的頻率，阻止了干擾信號的入侵，在控制電壓變化的同時減少電阻，連接大地，保證閉合電路的形成。結果證明該方法簡單準確，并具有較好的漏電流抑制效果。