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前沿技术分享:变频冰箱引起GFCI跳闸的原因分析和解决方案

2019-11-11 09:25| 发布者: 好人| 查看: 38| 评论: 0

摘要: 本文研究了变频冰箱引起GFCI(接地故障电路中断器)跳闸的原因:GFCI除了对工频泄漏电流敏感外,还会对更高频率的泄漏电流敏感,这些都能够引起GFCI跳闸。变频冰箱中变频电路产生的具有高dv/dt特性的共模电压,通过 ...


     本文研究了变频冰箱引起GFCI(接地故障电路中断器)跳闸原因:GFCI除了对工频泄漏电流敏感外,还会对更高频率的泄漏电流敏感,这些都能够引起GFCI跳闸。变频冰箱中变频电路产生的具有高dv/dt特性的共模电压,通过压缩机驱动线在箱体内与电源线之间分布电容,以及通过压缩机定子绕组与压缩机外壳之间的分布电容,而形成高频共模电流,再流出电源线而形成很大的高频泄漏电流,触发GFCI跳闸。提出了两个对策措施,解决了GFCI跳闸的问题:其一是将箱体内的压缩机驱动线与电源线分开走线,减小耦合;其二是在压缩机舱电源线上施加滤波器。



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引言

变频冰箱的压缩机驱动电源采用变频电路,以提升冰箱性能,具有制冷速度快、温度自动调节范围小、耗能节省、低频启动和运行噪音小等优点。而变频电路会产生很强的电磁干扰杂讯,变频冰箱需要施加许多措施来抑制干扰杂讯,以满足市场的EMC认证要求。同时还可能与用户环境的其他设备设施存在其他兼容性问题,需要引起重视,比如用户家中安装了带GFCI功能的插座,当变频冰箱通过这种插座供电工作时,有可能会出现因非工频泄漏电流引起GFCI跳闸的问题。

本文将以某款变频冰箱在北美市场用户家里引起GFCI跳闸的事件为例,分析其原因并提出解决方案。


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原因分析

GFCI是Ground Fault Circuit Interrupters的缩写,即接地故障电路中断器,用于防止人员受到电击伤害,北美市场许多用户家中安装了GFCI插座,GFCI的北美参考标准是UL 943 [1],该标准规定GFCI的工频泄漏电流跳闸电平为4~6mA,一般设计在5mA,图1是插座式GFCI的实物图片和电路原理简图,GFCI工作原理是检测GFCI插座上的用电产品(比如:冰箱)的工频(50/60Hz)泄漏电流,即检测出L、N两根线上电流的差值,相当于检测出电源接地线上的泄漏电流,当泄漏电流超过设定的阈值时,它的内部机构会跳脱而中断给用电产品的供电。

图1 插座式GFCI的实物图片和电路原理简图

该案例中的变频冰箱在设计时已经控制工频泄漏电流小于1mA,并有测试确认工频泄漏电流为0.8mA,远小于GFCI限值5mA,即引起GFCI跳闸的原因不是冰箱的工频泄漏电流,需要分析真正的原因。

经过反复观察确认只是在压缩机启动时GFCI才跳闸,引起GFCI跳闸应该与变频电路的工作有关系。那么是否是变频电路产生的电磁杂讯干扰了GFCI而引起GFCI误动作?还是变频电路产生的高频共模电流形成泄漏电流而触发了GFCI跳闸?

通过一个试验来鉴别:参看图1的GFCI的电路原理简图,将冰箱接在GFCI的LINE侧,这样使得冰箱的工作电流不被GFCI检测到,但是冰箱产生的电磁干扰同样能够进入到GFCI的控制电路。再看看GFCI是否还会跳闸?如果还会跳闸就表明是GFCI受到了冰箱的电磁干扰。

进行试验的结果是GFCI不再跳闸,表明GFCI是因为变频电路产生的高频共模电流形成泄漏电流而触发了GFCI跳闸,做下面几项试验进行验证:

(1)测量GFCI对高频(这里的高频是指kHz量级,即变频电路的载波和谐波频率)泄漏电流的跳闸电平。

(2)测量引起GFCI跳闸的冰箱的总泄漏电流并进行FFT频谱分析,看看其中的高频泄漏电流是否有足够幅值,能够引起GFCI跳闸。

2.1 对冰箱泄漏电流进行频谱分析

测量冰箱总泄漏电流并进行FFT分析其所包含的频谱,进一步明确引起GFCI跳闸的主要频谱分量。

用示波器和电流探头测量引起GFCI跳闸的冰箱的接地线上的电流,见图2,示波器曲线说明:洋红曲线表示火线电流,绿色曲线表示接地线总泄漏电流,橙色曲线表示接地线总泄漏电流的FFT频谱。

图2 冰箱泄漏电流频谱分析

从图2中可以看到,接地线总泄漏电流的均方根(rms)值为16.3mA,从FFT频谱图可以读出:工频电流50Hz仅为0.8mA,相对很小,主要频谱分量是高频电流,各主要分量是:4.5kHz为9.8mA、9kHz为8.5mA、13.5kHz为9.6mA……了解冰箱各工作电路,可以知道4.5kHz、9kHz、13.5kHz是变频电路载波的基波(4.5kHz)及谐波。

根据总泄漏电流FFT频谱分析数据,说明冰箱的工频泄漏电流远小于GFCI跳闸的工频电流电平,很可能是变频电路产生的高频泄漏电流引起了GFCI跳闸,下面进一步证明。

2.2 测量GFCI对高频泄漏电流的跳闸电平

需要知道GFCI对高频泄漏电流的跳闸电平,询问了几家GFCI厂家,都没有GFCI高频泄漏电流的跳闸电平的相关数据,也没有相关的测量设备。

利用公司现有设备,自己设计搭建测试治具,见图3,使用信号发生器输出某一频率和幅度的正弦波,注入到GFCI的LINE HOT和LOAD HOT之间,同时GFCI需要供电115V工作,用电流探头和示波器读出GFCI跳闸时的注入信号的电流均方根值(rms)。

图3 测量GFCI跳闸的高频泄漏电流电平的测试治具

收集到4个品牌8个型号共18个GFCI样品,4个品牌是LEVITON、LEGRAND、EATON、COOPER,8个型号是LEVITON GFTR1-3W、LEVITON GFNT2-3W、LEGRAND 1597W3PKCC4、EATON TRSGF15、EATON SGF15W-3、COOPER型号不明(15A)、EATON型号不明(20A)、EATON 型号不明(15A)

采用图3的测试治具测量了各品牌型号GFCI高频泄漏电流的跳闸电平,图4是各品牌型号GFCI高频泄漏电流的跳闸电平曲线图。

图4 各品牌型号GFCI高频漏电流的跳闸电平曲线图

可以看到所有GFCI对高频泄漏电流都会有一定的敏感度,不过敏感度有较大的差异:

(1)LEVITON品牌的2个型号GFTR1-3W、GFNT2-3W对高频泄漏电流最敏感,4.5kHz的跳闸电平是7.45mA、7.46mA,随频率较平缓的线性上升,即变频电路载波频率的基波(4.5kHz)和前几次谐波对这两个型号GFCI的跳闸会起到较大的贡献。这2个型号正是本案例在北美市场用户家里跳闸的GFCI中出现的主要型号。

(2)LEGRAND品牌的型号1597W3PKCC4对高频泄漏电流最不敏感,4.5kHz的跳闸电平15.9mA,触发电平整体较高,不容易受到变频电路载波及谐波频率泄漏电流的触发。本案例在北美市场用户家里跳闸的GFCI中没有出现这个型号。

(3)EATON和COOPER品牌的几个型号的敏感性居中,4.5kHz的跳闸电平9.205mA~10.96mA,在13.5kHz开始随频率快速上升,即变频电路载波频率的3次谐波开始就不会对这些型号GFCI的跳闸起到大的贡献。这里面有2个型号是本案例在北美市场用户家里跳闸的GFCI中出现的次要型号。

2.3 冰箱泄漏电流频谱数据与GFCI高频泄漏电流跳闸电平的比较分析

观察章节2.1的冰箱泄漏电流FFT频谱数据和章节2.2的各品牌型号GFCI高频泄漏电流跳闸电平曲线图,比较冰箱泄漏电流在4.5kHz的频谱分量(用A表示)与各GFCI型号在4.5kHz的泄漏电流跳闸电平(用B表示),有如下结论:

(1)LEVITON品牌的2个型号GFTR1-3W、GFNT2-3W,A大大超过B,应可以引起跳闸;

(2)EATON品牌的3个型号EATON TRSGF15、EATON SGF15W-3、EATON型号不明(20A),A与B相接近,可能引起跳闸,也可能不引起跳闸;

(3)其他几个型号GFCI,A远小于B,不会引起跳闸。

进行试验,将冰箱连接到各型号GFCI供电,观察到引起GFCI跳闸的实际情况与上面分析的结果相符。上面的分析和试验结果说明确实是变频冰箱的高频泄漏电流引起GFCI跳闸。


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