CN101160706A - 具有三相交流电机和频率转换器的组件 - Google Patents
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Abstract
公开了一种具有三相交流电机和频率转换器的组件，具有下列特征：该三相交流电机包括定子和转子，其中定子和/或转子的至少三个电流回路对于交流电流的三相可彼此绝缘地工作，并可彼此绝缘地与频率转换器的每个单独的连接点相连接；并且所述频率转换器由中点接地的直流电压或直流电流中间回路构成，使得两个相应的连接点之间的每个电流回路可以输出在每个时刻相对于地电位对称的电压或电流。
Description
本发明涉及一种具有三相交流电机和频率转换器的组件。
一种已知的具有三相交流电机和频率转换器的组件例如具有下述特征：该三相交流电机包括一个转子和一个定子，其中转子通过轴承相对于定子可转动地放置。轴承的外圈与三相交流电机的电机外壳导电连接，其中电机外壳又通过一根保护接地线与接地点相连接，频率转换器也与该接地点相连接。三相交流电机的转子还可以与由该三相交流电机驱动的工作机械的轴相连接，其中这种连接可以通过导电或绝缘的方式实现。
三相交流电机的定子包括至少三个定子绕组，这些定子绕组的一端分别共同连接到一个星形接点上。这些定子绕组的另一端分别通过相应的电机接线端子与频率转换器的输出接线端子相连接。频率转换器与三相交流电机之间的连接例如是通过三芯的电机连接电缆来实现的。
按照频率转换器的切换程序，在特定时刻在频率转换器的三个输出接线端子上相对于地电位施加至少一个正电压或幅值相同的负电压。从而根据切换程序在频率转换器的输出接线端子上出现了具有陡峭脉冲沿的脉冲形电压变化。在频率转换器的输出接线端子上出现的所述电压总和的三分之一被表示为同相电压。
所述三个定子绕组中的每一个与转子之间都有几乎不可避免的寄生定子-转子杂散电容。由于这种定子-转子杂散电容，在与转子相连的电机接线端子上以及在轴承内圈(轴承的外圈如上所述与接地的电机外壳导电连接)出现的电压发生了跳变式的变化。通常，定子-转子杂散电容的总量比转子与电机外壳之间的转子-外壳杂散电容小一到两个10次幂，因此，尽管与轴承之间的电压跳变显著减弱，但在轴承上的电压值可能使得轴承内的润滑油膜被电击穿，并损伤轴承。由于每个定子-转子杂散电容与转子-外壳杂散电容分别形成了一个电容性的分压器，转子上的电压随时间的变化近似于每个同相电压。
此外，在三相交流电机上，在各个定子绕组与电机外壳之间还存在定子-外壳杂散电容，其使得每个定子绕组包含了下述寄生的电流回路：从频率转换器的相对于接地点的电压源出发，至频率转换器的输出接线端子，经由电机连接电缆至相应的定子绕组，经由定子-外壳杂散电容至电机外壳，并且还经由保护接地线回到接地点。在这些电流回路中的电流强度主要通过频率转换器的输出接线端子上的电压陡峭程度来确定。其中电流脉冲是针状的。电流主要是在切换过程期间流过，并在给定情况下在保护接地线的几乎不可避免的电感上引起了例如直至100伏的显著电压降。通过转子与电机外壳之间的转子-外壳杂散电容，也在转子上实现了电压脉冲，并在工作机械通过一根单独的保护接地线连接到接地点的情况下相对于工作机械产生了电位差。在这种情况下，对于三相交流电机的轴承以及对于每个工作机械都存在发生损坏的危险。在这种情况下，对于同时触摸电机外壳和工作机械外壳的人来说也存在危险。
为了避免上述轴承损伤，例如已知在如设计为滚动轴承的轴承外圈的外套上或者在轴承内圈的内套上装配一个陶瓷的绝缘层。这类绝缘的轴承尽管由于寄生电流很低(所述寄生电流可能例如由于电机的磁非对称性而在电机轴内感生出来)而提供了避免轴承损伤的良好保护，但由于这类轴承的电容很高，其绝缘效果相对于上述高频寄生电流来说是远远不够的。避免上述轴承损伤的另外一种可能性在于，采用陶瓷制成的辊身，它的制造开销相当可观，并且考虑到这类滚动轴承的成本也是不利的。
本发明的任务在于，提供一种改进的具有三相交流电机和频率转换器的组件，从而通过简单的方式和方法对尤其是三相交流电机及相连的工作机械的轴承进行保护，使其免于受到损伤，以及避免由于电流流过造成的损坏。
该任务通过权利要求1的主题来解决。具有优点的实施方式在从属权利要求中描述。
根据权利要求1，具有三相交流电机和频率转换器的组件具有下列特征：
-该三相交流电机包括定子和转子，其中定子和/或转子的至少三个电流回路对于交流电流的三相可彼此绝缘地工作，并可彼此绝缘地与频率转换器的每个单独的连接点相连接，并且
-所述频率转换器由中点接地的直流电压或直流电流中间回路构成，使得两个相应的连接点之间的每个电流回路可以输出在每个时刻相对于地电位对称的电压或电流。
本发明是基于这样的认识：以相反极性耦合到三相交流电机的一个轴上的寄生电压相互抵消，从而例如当三相交流电机的定子绕组彼此绝缘地工作时，与施加到各定子绕组上的仅对地对称的电压相关地，避免了前面所述的在轴承损伤和接触电压方面的缺点，当在转子和定子之间采用相对于电流流过绝缘的轴承以及当采用没有这类绝缘的轴承时，这是很符合实际的。与先前所提到的组件相比，本发明所述组件必须允许三相交流电机以开放的三角形配置来工作，使得频率转换器具有至少六个用于输出对地对称的电压的输出接线端子，并且三相交流电机和频率转换器与一个至少六芯的电机连接电缆相连接。因此根据本发明的组件具有以下优点，即下面所列出的该组件的部件始终保持在地电位上：三相交流电机的转子及与之相连的轴承内圈，还有必要时所设置的与连接到三相交流电机的其它机械(例如工作机械)的轴之间的耦合；电机外壳以及与所述电机外壳相连的轴承外圈；最后还有其整个长度都位于三相交流电机和接地点之间的保护接地线。
由此得到了本发明所述组件的下述优点：输出到频率转换器的输出接线端子上的电压的边沿不会使电流流过三相交流电机的保护接地线。由于杂散电容所出现的施加到轴承上的寄生电压得以避免。通过使布线、尤其是在三相交流电机和频率转换器之间的来回引线的布线非常紧凑地实现，具有优点地实现了很小的高频辐射。此外，在多重接地的情况下，高频辐射只有微小的提高。最后，电机连接电缆在必要时甚至可以设计成无屏蔽的。对于人来说，触摸该设备是安全的。另外，对于本发明所述的整个组件来说，具有优点的是，尤其是考虑到是否容易发生故障，可以全部采用经过试验验证的部件。
对于本发明所述组件的毫无疑问的功能实现来说，所需要的唯一前提是：每个定子绕组相对于电机外壳或者相对于转子的杂散电容关于该定子绕组的两个连接点之间的中点基本上对称分布。但这通常是许多三相交流电机的固有特性。与每个单个定子绕组相对于转子或相对于电机外壳的这种电容性对称性的较小偏离或者在频率转换器的对地对称的输出电压中的不对称性仅导致小寄生剩余电流的出现，并且本发明所述组件的效率降低是微不足道的。
本发明的其它优点、特征和细节由下面借助附图所描述的本发明的实施例给出。
图1为具有频率转换器和三相交流电机的组件的电路原理图，以及
图2为频率转换器的换极电路的电路原理图。
图1作为本发明的一个实施例示出了具有频率转换器100和三相交流电机200的组件的电路原理图。三相交流电机200包括转子210和定子，其中转子210通过可构造为相对于电流流过不具有绝缘的至少两个滚动轴承231和232相对于定子可转动地设置。滚动轴承231和232的外圈可以与三相交流电机200的电机外壳220导电连接，其中电机外壳220还通过保护接地线175与一个接地点125相连接，频率转换器100也与该接地点相连接。此外，三相交流电机200的转子210与一个由三相交流电机200驱动的工作点290的轴相耦合。
三相交流电机200的定子包括至少三个定子绕组，其中为了清楚起见，只示出了一个定子绕组25。每个定子绕组的两端与频率转换器100的相应的输出接线端子111、112或114、115或117、118相连。频率转换器100和三相交流电机200之间的连接通过一根至少六芯的、必要时设计为没有屏蔽的电机连接电缆170来实现，该电缆在所示的实施方式中包括用于保护接地线175的另一根芯线。下面对于连接在频率转换器100的输出接线端子111和112上的定子绕组225的描述也相应地适用于其他在图1中没有示出的连接在输出接线端子114和115以及117和118上的定子绕组。
三相交流电机200被如此设计，使得在定子绕组225和转子210之间，定子绕组225的两个连接点之间的定子-转子杂散电容241和242相对于其中点基本上对称分布。相应地这也适用于定子绕组225和电机外壳220之间的定子-外壳杂散电容251和252。杂散电容241和242以及251和252的上述对称性在许多三相交流电机中都是作为固有特性存在的。
按照频率转换器100的切换程序，在定子绕组225的两个连接点上施加预定大小的对地对称的电压，或者施加等于零的电压。为了产生上述对地对称的电压，频率转换器100例如对于定子绕组225包括一个所谓的换极电路，它将借助图2更详细地描述。为此，在频率转换器100中的输入接线端子121上提供了具有预定大小的正的直流电压，而在输入接线端子122上提供了幅值相等的负的直流电压。为了得到所述的对地对称的电压，输入接线端子123作为频率转换器100的直流电压侧的中点与接地点125相连接。
杂散电容241和242及252和252的所述对称性以及对地对称的电压的共同作用允许人们设想下述的情况：由于定子-转子杂散电容241和242的对称性，可以将它们想象为两个大小相等的电容241和242，其中的一个电容对应于定子绕组225的两个连接点中的一个，而另一个电容对应于定子绕组225的另一个连接点。由于对地对称的电压，在这两个电容241和242上施加了幅值相等但符号相反的电压，使得耦合到转子210上的电压跳变由于符号不同而被抵消。因此转子210的电势恒定地对应于控制脉冲的中点电势，它符合前提条件地等于地电位。由于转子210的导电表面很大，以及由此得到的整个转子210或电机轴的电阻很小，产生了在空间上恒定的电势。对于定子-外壳电容251和252，同样可以把它们想象为两个具有相同大小的电容241和242，前面对定子-转子电容241和242的说明也相应适用，使得电机外壳220也始终处于地电位。这意味着在滚动轴承231和232上没有出现电压。由于电容耦合到转子上的电压，作为电流流过的结果出现的轴承损伤和轴承损坏从而得以避免。
由于流过定子-外壳杂散电容251和252的总电流等于零，在电机外壳220上得到的电流也同样等于零，因此在转子-外壳杂散电容260上也没有电流流过。这样，三相交流电机200的保护接地线175也具有优点地不传导电流，使得在其电感176上没有电压降。频率变换器的输出接线端子111和112以及114和115以及117和118之间的对地对称的电压可以利用已知的、在图2中示出的所谓换极电路产生。其中向换极电路的直流电压馈送通过两个输入接线端子121(正电压)和122(负电压)相对于地电位对称地实现。在频率转换器100的两个输出接线端子111和112之间接入了定子绕组225。对于从输出接线端子111出发经由定子绕组225流至输出接线端子112的电流，可以使半导体开关141和144闭合，而另一半导体开关142和143必须断开。对于相反的电流方向，半导体开关142和143闭合而半导体开关141和144断开。半导体开关141、142、143和144例如作为晶体管、IGBT或GTO来实现。换极电路的二极管152用来以已知的方式保护半导体开关141、142、143和144，以免在其断开的瞬间发生过压。换极电路的电阻154用来降低切换状态期间电机连接电缆170中以及杂散电容241、242、251、252中的剩余电荷，在所述切换状态下所有半导体开关141、142、143和144均断开。为了在输出接线端子114和115之间以及117和118之间产生相应的电压，如前面所述在频率转换器100中设置了相应的换极电路。
附图标记列表
100 频率转换器
111，112，114，115，117，118 输出接线端子
121，122，123 输入接线端子
125 接地点
141，142，143，144 半导体开关
152 二极管
153 电阻
170 电极连接电缆
175 保护接地线
176 电感
200 三相交流电机
210 转子
220 电机外壳
225 定子绕组
231，232 滚动轴承
241，242 定子-转子杂散电容
251，252 定子-外壳杂散电容
260 转子-外壳杂散电容
290 工作机械
Claims (15)
1.一种具有三相交流电机和频率转换器的组件，具有下列特征：
-该三相交流电机包括定子和转子，其中定子和/或转子的至少三个电流回路对于交流电流的三相可彼此绝缘地工作，并可彼此绝缘地与频率转换器的每个单独的连接点相连接，并且
-所述频率转换器由中点接地的直流电压或直流电流中间回路构成，使得两个相应的连接点之间的每个电流回路可以输出在每个时刻相对于地电位对称的电压或电流。
2.如权利要求1所述的组件，其中所述转子通过至少一个轴承相对于所述定子可转动地放置。
3.如权利要求2所述的组件，其中所述轴承包括滚动轴承。
4.如权利要求3所述的组件，其中所述滚动轴承主要由滚动轴承钢制成。
5.如权利要求3或4所述的组件，其中所述滚动轴承包括滚子轴承，尤其是圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和/或球面轴承承，和/或球轴承。
6.如权利要求2至5中任一项所述的组件，其中所述轴承被设计为相对于电流流过绝缘的轴承。
7.如权利要求1至6中任一项所述的组件，其中每个电流回路包括一个三相交流电机绕组。
8.如权利要求1至7中任一项所述的组件，其中所述频率转换器被设计为在两个极性相反但幅值相等的直流电压电势之间引出对地对称的电压或电流。
9.如权利要求1至8中任一项所述的组件，其中所述对地对称的电压或电流被脉宽调制。
10.如权利要求1至9中任一项所述的组件，其中所述频率转换器对于每个电流回路包括一个换极电路。
11.如权利要求1至10中任一项所述的组件，其中所述三相交流电机被设计为使得每个电流回路相对于该三相交流电机的外壳的杂散电容关于该电流回路的两个连接点之间的电流回路中点基本上对称分布。
12.如权利要求1至11中任一项所述的组件，其中所述三相交流电机被设计为使得每个电流回路相对于该三相交流电机的轴的杂散电容关于该电流回路的两个连接点之间的电流回路中点基本上对称分布。
13.如权利要求1至12中任一项所述的组件，其中所述三相交流电机可通过一根至少六芯的连接线与所述频率转换器相连接。
14.如权利要求13所述的组件，其中所述连接线还包括至少一根第七芯线，用于连接三相交流电机的外壳与频率转换器上的接地点。
15.如权利要求13或14所述的组件，其中所述连接线被设计为无屏蔽。
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