CN102497158B - 一种降低电气设备漏电流的方法及其电气设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低电气设备漏电流的方法及其电气设备，其采用一三相Y型交流电源进行供电，其中性点直接耦接至接地电压，包括：一功率器件单元，包括多个功率开关；一接地等电位端，用于提供所述功率开关在工作过程中所产生的漏电流的释放路径；以及一箝位电路，电性连接于所述交流电源与所述接地等电位端之间，用于将所述接地等电位端的电位箝位至不大于一预定电压阈值。采用本发明，通过箝位电路中的电阻和/或电容来构建一虚拟中性点，从而功率开关在高频开关操作时所形成的漏电流的相当一部分可经由该箝位电路进行释放，避免人体不小心触碰接地等电位端时从而发生触电事故，提高电气设备的安全性和可靠性。

Description

一种降低电气设备漏电流的方法及其电气设备

技术领域

本发明涉及三相Y型交流电源，尤其涉及采用三相Y型交流电源来降低电气设备漏电流的方法以及该电气设备。

背景技术

当前，随着马达控制功能和需求的不断增强，诸如马达驱动器的电气设备应用越来越广泛，其应用领域不仅涉及到工业控制领域，而且还涉及到很多其他的行业。此外，马达驱动器也正朝着小型化、多功能、高性能和专用化方向发展，其灵活性和适用性也不断改善。

例如，现有技术中的通用变频器一般采用PWM(Pulse WidthModulation，脉宽调制)控制技术。通过功率变换器对电能进行变换和控制，从而可使电机系统的性能指标得到较大地提高。另一方面，由于马达驱动器中的功率器件需要工作在较高频率的开关状态，这些功率器件的高速开关动作会使得电压和电流在短时间内发生跳变，导致电压和电流中均含有很多高次谐波，并且这些高次谐波将通过杂散电容或马达驱动器的接地线来产生漏电流。为了解决漏电流的问题，马达驱动器一般都会预留接地端口，当用户使用该马达驱动器时，必须手动地将驱动器中所预留的接地端口进行接地，从而为漏电流提供一低阻抗回路以释放电流。

然而，在实际使用过程中，用户往往会遗忘将驱动器的接地端口进行接地的操作环节，或者由于现场环境影响根本无法就近接地。此时，因功率器件的高频开关动作所产生的漏电流便无法沿低阻抗回路进行释放，这些漏电流转而在马达驱动器的接地等电位端(如散热片等)以及与大地间的杂散电容上形成电荷聚集，进而造成驱动器的接地等电位端与大地间的相对电压提升(如该杂散电容上的电压为100V)。当使用者不小心触碰此接地等电位端时，漏电流经由人体形成放电路径，使人产生触点感觉。

有鉴于此，如何设计一种可降低漏电流的马达驱动器以及包含功率器件单元的其它电气设备，以便在使用者即使忘记将这些电气设备接地时也可防止触电，保证人体安全，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。

发明内容

针对现有技术中的具有功率器件单元的电气设备在实际使用时所存在的上述缺陷，本发明提供了一种降低电气设备漏电流的方法及其电气设备。

依据本发明的一个方面，提供了一种低漏电流的电气设备，其采用一三相Y型交流电源进行供电，并且所述交流电源的中性点直接耦接至一接地电压，其中，该电气设备还包括：一功率器件单元，包括多个功率开关；一接地等电位端，用于提供所述功率开关在工作过程中所产生的漏电流的释放路径；以及一箝位电路，电性连接于所述交流电源与所述接地等电位端之间，用于将所述接地等电位端的电位箝位至不大于一预定电压阈值。

优选地，该箝位电路包括三个箝位支路，每一箝位支路电性连接至所述三相交流电源的每一相。在一实施例中，每一箝位支路为一电阻。在另一实施例中，每一箝位支路为一电容。在又一实施例中，每一箝位支路由一电阻和一电容串联连接所构成。在再一实施例中，每一箝位支路由一电阻和一电容并联连接所构成。

优选地，该电气设备还包括一散热装置，所述接地等电位端设置于一所述散热装置上，其与所述功率器件单元间具有一第一电容，以及其与所述接地电压间具有一第二电容。更优选地，电阻和/或所述电容与所述第二电容之间满足一预定的关系式，以降低所述接地等电位端对地的漏电流。

优选地，该电气设备为一马达驱动器。

优选地，该接地等电位端亦可同时电性连接至所述接地电压。

优选地，该预定电压阈值为人体安全电压。

依据本发明的另一个方面，提供了一种降低电气设备漏电流的方法，该电气设备包括一三相Y型交流电源和一功率器件单元，并且所述功率器件单元具有多个功率开关，其中，该方法包括：

设置一接地等电位端，以提供所述功率开关在工作过程中所产生的漏电流的释放路径，其中，所述接地等电位端与所述功率器件单元间具有一第一电容，且与接地电压间具有一第二电容；以及

提供一箝位电路，电性连接于交流电源与接地电位端之间，以箝位所述接地等电位端的电位至不大于一预定电压阈值。

优选地，该箝位电路包括三个箝位支路，每一箝位支路电性连接至所述三相交流电源的每一相。在一实施例中，每一箝位支路为一电阻。在另一实施例中，每一箝位支路为一电容。在又一实施例中，每一箝位支路由一电阻和一电容串联连接所构成。在再一实施例中，每一箝位支路由一电阻和一电容并联连接所构成。

优选地，电阻和/或所述电容与所述第二电容之间满足一预定的关系式，以降低所述接地等电位端对地的漏电流。

优选地，该方法还包括：将所述接地等电位端同时电性连接至所述接地电压。

优选地，该预定电压阈值为人体安全电压。

采用本发明的降低电气设备漏电流的方法及其电气设备，将箝位电路设置于电性连接在三相交流电源与接地等电位端之间，利用箝位电路中的电阻和/或电容来构建一虚拟中性点，从而功率开关在高频开关操作时所形成的漏电流的相当一部分可经由该箝位电路所形成的低阻抗回路进行释放。如此一来，即使忘记将电气设备进行接地处理，也可藉由上述箝位电路形成一低阻抗回路，进而减小电气设备对地的漏电流，避免人体不小心触碰接地等电位端时从而发生触电事故，提高电气设备的安全性和可靠性。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1示出现有技术的低漏电流的电气设备的电路结构示意图；

图2示出依据本发明的一个方面的低漏电流的电气设备的第一优选实施例的电路图；

图3示出依据本发明的一个方面的低漏电流的电气设备的第二优选实施例的电路图；

图4示出依据本发明的一个方面的低漏电流的电气设备的第三优选实施例的电路图；

图5示出依据本发明的一个方面的低漏电流的电气设备的第四优选实施例的电路图；以及

图6示出图2至图5的电气设备中的箝位电路的阻抗配置示意图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。

下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1示出现有技术的低漏电流的电气设备的电路结构示意图。参照图1，以马达驱动器为例，该马达驱动器采用一三相Y型交流电源进行供电，并且该交流电源的中性点直接耦接至马达驱动器的接地电压(如，0V)，其中，该三相Y型交流电源由R相、T相和S相构成，R相、T相和S相各自的一端均连接至中性点，该中性点因与驱动器的接地电压相连接，因而该中性点的电位电压也为0V。

该电气设备还包括功率器件单元，本实施例中功率器件单元包括一整流模块、一逆变模块和一接地等电位端P1。更详细地，整流模块由二极管D1～D6构成，其中，二极管D1和D2构成一整流桥臂，D3和D4构成另一整流桥臂，以及D5和D6构成又一整流桥臂，并且，由D1和D2所构成的整流桥臂对应于三相Y型交流电源的R相，由D3和D4所构成的整流桥臂对应于T相，以及由D5和D6所构成的整流桥臂对应于S相，从而对交流电源的电压信号进行整流处理，以获得一直流电压。

逆变模块电性连接至整流模块，该逆变模块包括功率器件T1～T6。其中，功率器件T1和T2构成一逆变桥臂，T3和T4构成另一逆变桥臂，以及T5和T6构成又一逆变桥臂，当在功率器件T1～T6施加预定时序的PWM信号时，该逆变模块可将来自整流模块的该直流电压转换为频率、幅值和相位均可调的交流电压，并采用该交流电压来控制三相电机M的运转。如前所述，因逆变模块中的功率器件工作在较高频率的开关状态，这些功率器件的高速开关动作会使电压和电流在短时间内发生跳变，致使电压和电流均含有丰富的高次谐波，这些高次谐波通过杂散电容或驱动器接地线就产生了漏电流。

接地等电位端P1位于功率器件单元和就近的接地电压端P2之间，用于提供该功率器件单元中的功率器件在工作过程中所产生的漏电流的释放路径。也就是说，接地等电位端P1为马达驱动器所预留的接地端口，当用户使用该马达驱动器时，需要将接地等电位端P1与接地电压端P2电性接通，从而为上述漏电流提供作为其释放路径的低阻抗回路。然而，由于现场环境的影响或者用户忘记将驱动器接地，当接地等电位端P1与接地电压端P2并未接通时，漏电流就会在马达驱动器接地等电位端P1(如散热片)与接地电压端P2之间的杂散电容C3上形成电荷聚集。当人体不小心触碰到该接地等电位端P1时，漏电流经由人体流向接地电压，从而使人体产生触点感觉。毫无疑问，这将会造成马达驱动器潜在的安全隐患。

图2示出依据本发明的一个方面的低漏电流的电气设备的第一优选实施例的电路图。参照图2，本发明的低漏电流的电气设备采用一三相Y型交流电源进行供电，并且该交流电源的中性点直接耦接至一接地电压。该电气设备，诸如马达驱动器，功率器件单元包括一整流电路、一逆变电路、一接地等电位端P1和一箝位电路。

本领域的技术人员应当理解，本发明的低漏电流的电气设备包括但不只局限于上述的马达驱动器，在除马达驱动器之外的其他电气设备中若包含功率器件单元，由于该功率器件单元中的一个或多个功率开关在高频开关动作时将会使电压和电流在短时间内发生跳变，致使电压和电流均含有丰富的高次谐波，这些高次谐波通过杂散电容或电气设备的接地端必定产生漏电流，因而，包含了功率器件单元的电气设备如可适用本发明，也应当在本发明的精神范围内。此外，上述优选实施例中的马达驱动器也仅仅用来描述与功率器件单元相关的功率开关的高频开关动作，并不构成对本发明的范围的任何限制。

接地等电位端P1位于功率器件单元和接地电压端P2之间，用于提供功率器件单元中的功率器件在高频开关操作过程中所产生的漏电流的释放路径。具体来说，当将接地等电位端P1与接地电压端P2电性接通时，其漏电流可沿着接地线这一低阻抗回路予以释放。然而，当使用者在忘记将马达驱动器进行接地处理时，接地电位端P1并未与接地电压端P2电性导通，因而漏电流会在杂散电容C3上形成电荷聚集。

如上所述，现有技术中，正是由于杂散电容C3上所聚集的电荷导致人体在不小心触碰该接地等电位端P1时发生触电感觉。相比之下，本发明还提供了一箝位电路，该箝位电路电性连接于交流电源与接地等电位端之间，用来将接地等电位端P1的电位箝位至不大于一预定的电压阈值。从图2中可以看出，接地等电位端P1处所聚集的电荷经由箝位电路这一低阻抗回路进行释放。

在一具体实施例中，该箝位电路包括三个箝位支路，每一箝位支路电性连接至三相交流电源的每一相。优选地，每一箝位支路为一电阻，即电阻R1对应于三相Y型交流电源的S相，电阻R2对应于三相Y型交流电源的T相，以及电阻R3对应于三相Y型交流电源的R相。

本领域的技术人员应当理解，虽然图2示意性地描述了本发明中低漏电流的电气设备，然而本发明并不只局限于此。例如，图2中的箝位电路结构还可作为单独的漏电流功能模块接入其他的包含功率器件单元的电气设备中，同样也可实现减小漏电流和箝位接地等电位的功能。此外，该漏电流功能模块还可使用到无预设接地端口的其他仪器或设备中，以便通过箝位电路所构建的低阻抗回路来释放漏电流。

在另一具体实施例中，该电气设备还包括一散热装置，并且图2中的接地等电位端P1设置于该散热装置上。该散热装置与逆变电路间具有一第一电容C2，并且其与接地电压端之间具有一第二电容C3，此处的第一电容C2和第二电容C3均为杂散电容。因此，功率器件在高频开关动作期间，产生的漏电流经由杂散电容C2释放至虚拟中性点(即，电阻R1、R2和R3的共同节点)，从而将接地等电位端P1处的电压箝位至一预定的电压阈值，例如，该预定的电压阈值为人体安全电压(36V)。与此同时，这也降低了接地等电位端P1对接地电压端P2的对地电压。

在又一具体实施例中，为了更好地消除设备中的漏电流，在设置本发明中的箝位电路以将接地等电位端P1的电压箝位的同时，还可将该接地等电位端P1与接地电压端P2电性接通，从而使接地电位端P1的电压等于接地电压。

图3示出依据本发明的一个方面的低漏电流的电气设备的第二优选实施例的电路图。参照图3，本发明的低漏电流的电气设备包括一整流电路、一逆变电路、一接地等电位端P1和一箝位电路。

其中，图3中的整流电路、逆变电路、接地等电位端P1与图2中的整流电路、逆变电路、接地等电位端P1可采用相同或相似的电路结构，为描述方便起见，此处不再赘述，并以引用方式包含于图3所示的电气设备中。

该箝位电路也包括三个箝位支路，每一箝位支路电性连接至三相交流电源的每一相。不同于图2，每一箝位支路为一电容，即电容C4对应三相Y型交流电源的S相，电容C5对应三相Y型交流电源的T相，以及电容C6对应三相Y型交流电源的R相。本领域的技术人员容易理解，采用图3所示的箝位电路，同样可构建一虚拟中性点(即，电容C4、C5和C6的共同节点)，从而将功率器件在高频开关动作期间产生的漏电流经由杂散电容C2释放至该虚拟中性点，因而可降低接地等电位端P1对接地电压端P2的对地电压。

图4示出依据本发明的一个方面的低漏电流的电气设备的第三优选实施例的电路图。参照图4，本发明的低漏电流的电气设备包括功率器件单元，本实施例中功率器件单元包括一整流电路、一逆变电路、一接地等电位端P1和一箝位电路。

与图2和图3不同的是，图4的箝位电路包括三个箝位支路，每一箝位支路由一电阻和一电容并联连接所构成。即，电容C4与电阻R1并联连接，对应于三相Y型交流电源的S相；电容C5与电阻R2并联连接，对应于三相Y型交流电源的T相；以及电容C6与电阻R3并联连接，对应于三相Y型交流电源的R相。

图5示出依据本发明的一个方面的低漏电流的电气设备的第四优选实施例的电路图。参照图5，本发明的低漏电流的电气设备包括功率器件单元，本实施例中功率器件单元包括一整流电路、一逆变电路、一接地等电位端P1和一箝位电路。

与图2～图4不同的是，图5的箝位电路包括三个箝位支路，每一箝位支路由一电阻和一电容并联连接所构成。即，电容C4与电阻R1串联连接，对应于三相Y型交流电源的S相；电容C5与电阻R2串联连接，对应于三相Y型交流电源的T相；以及电容C6与电阻R3串联连接，对应于三相Y型交流电源的R相。

图6示出图2至图5的电气设备中的箝位电路的阻抗配置示意图。为了显著降低电气设备中的漏电流，箝位电路中的电阻和/或电容的取值由第二电容C3的电容值决定。然而，由于电气设备(如马达驱动器)的功率不同，第二电容C3的电容值也不同，因而，使用固定电容值来确定箝位电路的电阻或电容相对比较不易。

为此，本发明根据电阻、电容以及电阻和电容的组合阻抗与第二电容C3之间的大小关系来优化选取结果。具体地，将整个三相Y型交流电源的等效阻抗表示为Z6，其包括该交流电源中每相上的阻抗Z0，将箝位电路中的等效阻抗表示为Z7，接地等电位端P1至接地电压端P2之间的等效阻抗为Z4，以及功率器件单元到接地等电位端P1之间的等效阻抗为Z5。其中，箝位电路中的等效阻抗Z7包括对应于每相的阻抗Z1、Z2和Z3。例如，该阻抗Z1对应于一电阻、一电容、电阻和电容的串联组合、电阻和电容的并联组合等。参照图6，来自功率器件单元的漏电流经由阻抗Z5后，会通过相对较低阻抗的两条回路予以释放，其一是从阻抗Z5流向虚拟中性点(即阻抗Z1、Z2和Z3的共同节点)，其二是从阻抗Z5和Z4流向接地电压端P2。为了减小流过Z4的漏电流，则最好使Z7与Z6的阻抗值之和远小于Z4的阻抗进行漏电流的分流，从而使接地等电位端P1的电压箝位至一预定的电压阈值。

采用本发明的降低电气设备漏电流的方法及其电气设备，将箝位电路设置于电性连接在三相交流电源与接地等电位端之间，利用箝位电路中的电阻和/或电容来构建一虚拟中性点，从而功率器件在高频开关操作时所形成的漏电流的相当一部分可经由该箝位电路所形成的低阻抗回路进行释放。如此一来，即使忘记将驱动器进行接地处理，也可藉由上述箝位电路形成一低阻抗回路，进而减小电气设备对地的漏电流，避免人体不小心触碰接地等电位端时发生触电事故，因而可提高设备的安全性和可靠性。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (16)

1.一种低漏电流的电气设备，其采用一三相Y型交流电源进行供电，并且所述交流电源的中性点直接耦接至一接地电压，其特征在于，所述电气设备还包括：

一功率器件单元，包括多个功率开关；

一接地等电位端，用于提供所述功率开关在工作过程中所产生的漏电流的释放路径；以及

一箝位电路，电性连接于所述交流电源与所述接地等电位端之间，用于将所述接地等电位端的电位箝位至不大于一预定电压阈值，其中，所述预定电压阈值为人体安全电压。

2.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述箝位电路包括三个箝位支路，每一箝位支路电性连接至所述三相交流电源的每一相。

3.根据权利要求2所述的电气设备，其特征在于，所述每一箝位支路为一电阻。

4.根据权利要求2所述的电气设备，其特征在于，所述每一箝位支路为一电容。

5.根据权利要求2所述的电气设备，其特征在于，所述每一箝位支路由一电阻和一电容串联连接所构成。

6.根据权利要求2所述的电气设备，其特征在于，所述每一箝位支路由一电阻和一电容并联连接所构成。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的电气设备，其特征在于，还包括一散热装置，所述接地等电位端设置于一所述散热装置上，其与所述功率器件单元间具有一第一电容，以及其与所述接地电压间具有一第二电容。

8.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述电气设备为一马达驱动器。

9.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述接地等电位端亦可同时电性连接至所述接地电压。

10.一种降低电气设备漏电流的方法，该电气设备包括一三相Y型交流电源和一功率器件单元，并且所述功率器件单元具有多个功率开关，其特征在于，该方法包括以下步骤：

设置一接地等电位端，以提供所述功率开关在工作过程中所产生的漏电流的释放路径，其中，所述接地等电位端与所述功率器件单元间具有一第一电容，且与接地电压间具有一第二电容；以及

提供一箝位电路，电性连接于所述交流电源与所述接地电位端之间，以箝位所述接地等电位端的电位至不大于一预定电压阈值，其中，所述预定电压阈值为人体安全电压。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述箝位电路包括三个箝位支路，每一箝位支路电性连接至所述三相交流电源的每一相。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述每一箝位支路为一电阻。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述每一箝位支路为一电容。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述每一箝位支路由一电阻和一电容串联连接所构成。

15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述每一箝位支路由一电阻和一电容并联连接所构成。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

将所述接地等电位端同时电性连接至所述接地电压。

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