柯萬宇，雷 力，湯前進(jìn)，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(dá)了一個(gè)前所未有的高度，各種各樣的工業(yè)技術(shù)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成熟。但由于我國進(jìn)入工業(yè)化的時(shí)間較短，一些先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備系統(tǒng)并不完善，因此在運(yùn)用上就會(huì)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)漏電流的產(chǎn)生原因進(jìn)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是利用變壓器的性能調(diào)整來保證電壓恒定，使系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行各個(gè)模塊的調(diào)整，同時(shí)工作人員還可以隨意設(shè)置裝備的每個(gè)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(yùn)行。但由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要同時(shí)連接多個(gè)電源，周圍的環(huán)境問題會(huì)導(dǎo)致輸入的頻率不同，當(dāng)達(dá)到閾值就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉開關(guān)，強(qiáng)制關(guān)閉設(shè)備，造成數(shù)控加工設(shè)備斷開，干擾設(shè)備的正常運(yùn)行。

針對上述問題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)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(dú)立分裂電容的非隔離型中性點(diǎn)箝位逆變器漏電流抑制方法。上述傳統(tǒng)抑制方法較為復(fù)雜，雖然具有一定的效果，但產(chǎn)生的其他影響也較為嚴(yán)重，致使漏電流的情況不可預(yù)計(jì)，因此，為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)一種數(shù)控加工裝備多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)漏電流抑制方法，期望從本質(zhì)上抑制漏電流的產(chǎn)生，在保證系統(tǒng)運(yùn)行的條件下及時(shí)進(jìn)行反饋，降低拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的誤差，提高生產(chǎn)效率。

1 漏電流產(chǎn)生原因分析及計(jì)算

抑制漏電流產(chǎn)生的根本目的就是要保證大地與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的電位差達(dá)到最小，從而使電壓的變化固定在相同的頻率，實(shí)質(zhì)上就是通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換變壓器的調(diào)節(jié)模式。多次計(jì)算與調(diào)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(yùn)行過程中會(huì)隨著橋臂的互相變換而變化，會(huì)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(yuǎn)端電壓；ti為漏電流產(chǎn)生的初始時(shí)間；td為結(jié)束時(shí)間。當(dāng)電場中的漏電流持續(xù)增大，要立即阻斷電流的產(chǎn)生，增大各設(shè)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(dá)到最小，從而降低漏電流的產(chǎn)生概率，同時(shí)也增大了系統(tǒng)回路中的電阻。

假設(shè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)形成一個(gè)閉合回路，且其中一點(diǎn)接地，那么此時(shí)的電阻用R來表示，加入屏蔽板后電阻會(huì)突然變小，由于耦合層的連接作用，其他因素的干擾就會(huì)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(chǎn)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(dāng)電壓恒定時(shí)[5]，干擾因素達(dá)到最小，保證接地時(shí)的直流母線最短，漏電流的影響就會(huì)忽略不計(jì)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)維持穩(wěn)定運(yùn)行。

由于接入的電源不變，受到周圍磁場的干擾就會(huì)限制其功率的大小，輸出的電壓與漏電流也會(huì)發(fā)生改變，在共模電壓的基礎(chǔ)上，增加濾過器來篩選出合適的電流大小，減少能源的浪費(fèi)，進(jìn)一步抑制漏電流的大小，使其在可控范圍內(nèi)[6]?；谧儔浩鞯霓D(zhuǎn)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(gè)電位點(diǎn)；icma為電源兩端產(chǎn)生的漏電流；icmb為直流母線兩端產(chǎn)生的漏電流；icmc為接地產(chǎn)生的漏電流。整個(gè)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(huì)影響電路的正常流動(dòng)，以此完成漏電流產(chǎn)生原因的分析，為后續(xù)漏電流抑制提供基礎(chǔ)。

2 多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立

由于加工裝備方式有所不同，導(dǎo)致系統(tǒng)偶爾會(huì)出現(xiàn)漏電流情況，在以往研究的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用電流流動(dòng)方式的差異性形成一個(gè)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(gè)參數(shù)的變化，直接計(jì)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(shí)多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的漏電流基本不受任何影響。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備之間都是通過自動(dòng)感應(yīng)電纜所連接的，因?yàn)橹绷麟娐返牟粩嘧兓瘯?huì)使電功率波動(dòng)明顯，因此，只有確定光伏陣列的具體電壓，才能實(shí)現(xiàn)電功率的多次轉(zhuǎn)換[9]，那么此時(shí)形成的三路電壓就可稱為共模電壓，以某系統(tǒng)為例，假設(shè)M為光伏陣列中直流電的中點(diǎn)，那么與電壓之間的關(guān)系式為

(4)

UD為整個(gè)系統(tǒng)的總電壓；uC為直流電與接地點(diǎn)之間的電壓差；uP為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身產(chǎn)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(dāng)整個(gè)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)變化時(shí)，與直流母線存在電壓差，且接地時(shí)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(jù)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(shí)間參數(shù)；UAB為任意一段的輸入電壓。而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(diǎn)的電壓；uCMng為此時(shí)的共享電壓；(ia+ib+ic)為3個(gè)點(diǎn)的電流和；Rm為電路中的電阻。那么可得

(9)

因此，拓?fù)潆娐返妮斎肱c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(dá)到最大，系統(tǒng)終端就會(huì)合理地調(diào)整電壓的大小。

3 漏電流抑制實(shí)現(xiàn)

在上述多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行漏電流抑制。對于直流電的轉(zhuǎn)換來說，采用可以調(diào)節(jié)的PWM逆變器來完成[11]，通過對電機(jī)的感應(yīng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)，形成共模電壓[12]，可表示為

(11)

Ua、Ub和Uc為3個(gè)點(diǎn)兩端的電壓。

當(dāng)電壓達(dá)到一定程度時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)控制開關(guān)，使電機(jī)呈關(guān)機(jī)狀態(tài)，抑制漏電流的變大。但頻率保持不變，電路電流經(jīng)過逆變器后，就會(huì)與磁場相互感應(yīng)，形成一個(gè)具有電流的閉合電路[13]，在多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電流占主要位置，電流的波動(dòng)會(huì)影響驅(qū)動(dòng)功能系統(tǒng)運(yùn)行的速度，甚至?xí)?dǎo)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(shí)產(chǎn)生的共模電壓的表達(dá)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(gè)橋臂接收到的干擾信號會(huì)隨著電壓的變小而變小，使電流的值不斷增大，形成一個(gè)開關(guān)電流，開關(guān)電流會(huì)抑制漏電流的增大，其大小可表示為

(14)

ihCM為開關(guān)機(jī)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(shè)定一個(gè)反饋系統(tǒng)[15]，限制漏電流的變化，表達(dá)式為

(15)

A為損耗的能量；μr為導(dǎo)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(zhì)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(huì)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(yīng)；λ為電磁波長度。那么在特定電場內(nèi)系統(tǒng)的波動(dòng)變化頻率就可以形成一個(gè)單獨(dú)的函數(shù)關(guān)系，即

g=|G1(s)|

(18)

那么通過耦合層后可得

在上述計(jì)算過程后，對漏電流進(jìn)行抑制，過程如圖1所示。

圖1 多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)漏電流抑制流程

由圖1可知，當(dāng)電壓出現(xiàn)細(xì)微波動(dòng)時(shí)，電流就會(huì)隨之變化，同時(shí)抑制漏電流產(chǎn)生，保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照正常的模型繼續(xù)運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)對比

為驗(yàn)證提出的數(shù)控加工裝備多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)漏電流抑制方法的有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將基于耦合電感的抑制方法、基于獨(dú)立分裂電容的抑制方法與本文方法進(jìn)行對比，對比3種方法的漏電流抑制效果。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中采用的仿真軟件為Saber，實(shí)驗(yàn)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(guān)頻率為15 kHz，感應(yīng)電機(jī)的額定電壓為382 V，額定功率為50 Hz。逆變器樣機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 逆變器樣機(jī)參數(shù)

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)結(jié)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(jīng)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(chǔ)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(fèi)的時(shí)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(shí)間內(nèi)就能夠?qū)崿F(xiàn)漏電流抑制，較另外2種方法抑制時(shí)間少，具有較好的抑制效果。

5 結(jié)束語

本文主要針對漏電流的抑制方法進(jìn)行研究，利用變頻器的功能改變了原本的電機(jī)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(shí)減少電阻，連接大地，保證閉合電路的形成。結(jié)果證明該方法簡單準(zhǔn)確，并具有較好的漏電流抑制效果。