CN1106979A - 降低感应干扰的电力变换装置 - Google Patents

Abstract

为了降低由泄漏到逆变器外侧的高次谐波电流 所引起的感应干扰，本发明利用一种简单的结构。其 中，逆变器外壳与受热板形成绝缘，受热板与滤波电 容器通过一预定的电感连接。由于高次谐波电流经 由开关元件内的静电电容与一电感组成的谐振滤波 器被旁路至该滤波电容器，故可以通过该简单的结构 来降低感应干扰。

Description

本发明涉及电力变换装置，尤其涉及一种能降低其感应干扰的电力变换装置。

现有技术的电力变换装置中存在这样一个问题，即由逆变器产生的高次谐波分量传导到感应电动机，并通过感应电动机的电枢绕组与电动机座之间的杂散电容，在电气车辆的机身中传导，由此将把诸如失灵等不利影响施加到地面上的信号装置。在由193001/1992号日本公开专利所披露的技术中，将电动机的电力线（高次谐波电流经由其而传导）设置在一种导电的导管内，以此防止高次谐波电流流到车辆的机身，于是，通过将电动机机座与该导管电气地连接，并通过将该导管用作高次谐波电流的反馈通路，从而可以消除磁力线。

然而，在上述现有技术中，泄漏到车辆机身的高次谐波电流还不能减低到足够的程度。

这是因为具有几百千克重量的电动机或重部件，利用螺钉或类似的元件被安装在电气车辆的车架上，高次谐波电流将由此通过那些螺钉和车架泄漏到车辆机身上。

这样，流经车辆机身的高次谐波电流将会产生一个问题，即地面上或车辆上的信号装置将受到不利影响。

本发明考虑到以上所涉及的问题，其目的在于利用一种简单的结构，减低因电力变换器产生的高次谐波电流而造成的不利影响。

为了实现上述目的，本发明以高次谐波电流不在逆变器外传导，而在该逆变器内部进行处理的基本概念为基础。在一个电力变换装置内，该电力变换装置具有一个借助绝缘器把开关元件和冷却装置组合的结构，因此该冷却装置与用于开关元件的电源的接地端由此而相互连接。

注意，组成电力变换装置的开关元件具有一个静电电容，其中，高次谐波电流通过静电电容流入冷却装置。高次谐波电流另外可以流入电动机的电力线，它将通过该冷却装置与电源接地端的电气联接被旁路至该电源的接地端。

结果，有可能减少另外泄漏到逆变器外部的高次谐波电流。

图1表示本发明一个实施例的示意图;

图2表示本发明另一个实施例的示意图;

图3表示本发明又一个实施例的示意图;

图4表示本发明又一个实施例的示意图;

图5表示本发明再一个实施例的示意图;

图6表示用于本发明的一个开关元件的内部结构的示意图;

图7表示一个二电平逆变器的主电路示意图;

图8表示一个三电平逆变器的主电路示意图;

图9表示高次谐波电流在外壳上流动的示意图;

图10表示电力变换装置在电气车辆上的安装示意图。

以下将参照图10结合本发明的一个实施例进行描述，其中的逆变器安装在电气车辆上。

逆变器20安装在电气车辆22的地板下，它通过导电弓架2和正极线路P从架空电缆1取得直流电源，并将它变换成具有可变电压和可变频率的一个三相交流电流，由此向感应电动机10a和10b供电，以驱动电气车辆。

另一方面，来自逆变器20的返回电流，通过负极线路N、与车轮25的轴24有滑动接触的固定电刷23以及轨道返回到未图示的变电站。

再有，逆变器20在其壳体两侧设置了具有U相、V相和W相的a路和b路电源部件，用以驱动a路和b路感应电动机10a和10b。

以下将参照图7和图8描述该逆变器的一例主电路结构。

图7中，由架空电缆1供应的直流电通过导电弓架2以及由滤波扼流圈3和滤波电容器7组成的滤波电路，加到每个相支路4、5和6，通过有选择地接通和关断每一相的开关元件，将直流电变换为两电平相电压，以驱动感应电动机10旋转。

其中所用的开关元件，其典型的例证是自熄灭型开关元件，例如控制极可关断的闸流管（即GTD闸流管）、双极晶体管或绝缘栅双极晶体管（即IGBT）。

另一方面，近年来已把一种三电平逆变器用作电气车辆的逆变器。这种逆变器可以输出正电压、零电压和负电压，作为输出相电压，由此可提高视在开关频率，输出一个非常类似于正弦波的交流电流。接下来将参照图8进行描述。

分压电容器71和72按一个（1∶1）的分压比对输入的直流进行分压，并通过串联连接的四个单独的相支路的开关动作，输出正电压、零电压和负电压，作为相电压。

以下将以U相支路4为例作进一步的描述。

当IGBT或类似的开关元件43和44导通时，P点的电位输出至感应电动机10。当开关元件44和45导通时，输出O点的中性电位;当开关元件45和46导通时，输出N点电位。

由于开关元件有选择地导通和截止，故输出经脉宽调制的交流电流。

现在，当逆变器20如上所述执行开关动作时，含有高次谐波的电流将引起感应干扰，它将由逆变器输出。

接下来参见图7进行描述。

由逆变器输出的高次谐波电流，流经感应电动机10的电枢绕组，存在于电动机壳体内的杂散电容101以及大地，直至其反馈回逆变器20的负端。

如图10所示，逆变器20和感应电动机相互间隔一段距离，并相互通过导体连接。这样，如果高次谐波电流流过该导体，则该导体相当于天线，将噪声干扰的不利作用施加到轨道的信号系统，诸如感应或无线操作。

这种感应干扰还发生在另一条线路。以下将参照图9加以描述。图9是表示图10所示逆变器20的内部的一个截面图。该逆变器20由两个图7所示的两电平逆变器组成。其中，右侧逆变器驱动a线路的电动机10a，左侧逆变器驱动b线路的电动机10b。图9中仅示出一个相。类似的讨论也适用于余下的相。

受热板（或热块）18a和18b用以吸收由开关元件产生的热量，后者通过未图示的螺栓安装在逆变器装置外壳20的两侧。相对这些受热板18a和18b，各有附加的散热器19，用以将由这些受热板吸收的热量散射到空气中。

此外，起开关元件作用的半导体器件41a和42a，41b和42b均通过螺栓或类似零件固定安装并封装到受热板18a和18b。

现在将参照图6描述一例半导体器件的内部结构。

该半导体器件由半导体芯片32，与集电极板连接的正电极33、负电极、绝缘板31以及铜底板30组成，这些元件均利用焊锡相互联接。此外，这些半导体器件的外侧用塑料或类似的绝缘封装覆盖，提供一种模块型器件。虽然未作图示，本发明甚至也适用于把它的飞轮（free  wheel）二极管封装起来的一种模块。

绝缘板31起到在电气上绝缘铜底板30与半导体芯片32的作用，并将半导体芯片32中产生的热耗传递到铜底板30。

另一方面，所用的绝缘板31主要由氧化铝（Al₂O₃）或氮化铝（AlN）制成。

由于绝缘板31相当于一个介电元件，故在与正电极33连接的集电极板与铜底板30之间建立了一个静电电容。

当开关元件导通/截止时，主电路电流由绝缘板31阻塞，但通过静电电容可以在壳体内感应出高频电流。

例如，在图9中，开关元件41b截止，但是开关元件42b导通。当开关元件41a由截止变为导通，而开关元件42a由导通变为截止的瞬间，开关元件42a截止，而开关元件41a导通。此时，其作用相当于电源的滤波电容器7上的电压即加到开关元件42a的集电极板上。充电电流开始从该集电极流到铜底板30，它取决于开关元件42a的绝缘板31的介电常数或类似因素。这样，已经外流的泄漏电流，由受热板18a通过壳体20，并通过导通开关元件42b的绝缘板31的静电电容，返回到滤波电容器7。顺便说说，为了防止电击，壳体20通过一条外壳接地线路36连接到负端（或接地）线路N，通过它将一部分泄露电流返回到滤波电容器7。

尽管以上仅对a和b线路的一相作了描述，但上述描述本质上同样也适合于其余的各相，且作为泄漏电流流动的电流全部覆盖壳体的表面。该泄漏电流包含各种频率成分，它取决于开关元件的开关速率、绝缘体的静电电容、主电路的寄生电感以及壳体的阻抗。

我们的经验已经表明，如几百千赫兹或更高的高频电流在每相中可有几十安培流过。

流经壳体的高频泄露电流还引起了噪声问题，它将影响到用于铁路的通信系统，诸如感应无线通信系统，该系统设置在轨道的附近。

接下来将描述一个实施例，它将消除迄今所述的两种高次谐波电流（例如，连同主电路电流流向负端的电流，以及壳体表面上的泄漏电流）中的一种或两种。

图1表示本发明的一个实施例。

这里所作的说明局限于某些方面，即局限于某些不同于图9中所示构造的地方。

受热板18a和18b通过足够厚的橡皮绝缘体17附加到逆变器的壳体20。此外，构成冷却器的这些受热板18a和18b直接连接到主电路的负极线路。

幸亏采用此种结构，高次谐波电流被各个开关元件41a、42a、41b和42b的静电电容以及导线（或导体）91旁路，以直接返回到滤波电容器，由此将不会泄露到逆变器20的外侧，否则，它将流到感应电动机10。其结果，可以减少流经连接逆变器20与感应电动机10的导体的高次谐波电流，这样，该导体则起到减少感应干扰的一种天线的角色。

此外，冷却器和壳体用相对高频波有足够高的阻抗绝缘，并冷却器和负线通过相对该高频波有足够低的阻抗的导体连接。结果，随开关元件42a的集电极电位变化而产生的泄漏电流，在其转变为逆变器20的壳体中流动的杂散电流之前，即由绝缘体17所阻塞，并直接旁路到滤波电容器的负端。

这样，就没有电流将会流入逆变器20的壳体。

接下来将参照图2描述本发明的另一个实施例。

该实施例与图1所示的实施例不同，它设置了一个外壳接地开关37，并通过导体91建立接地开关37的接地端与受热板18a和18b之间的连接。接地开关37用以测试主电路的充电部分与外壳之间的绝缘。在绝缘测试期间，通过断开该接地开关37将一个预定电压加在主电路的充电部分与外壳之间。此时，由于连接受热板18a和18b的导体91因接地开关断开而与主电路充电部分隔开，故在主电路的充电部分与外壳之间进行绝缘测试时，不会产生干扰。

在迄今所述的实施例中，所进行的只是通过导体91连接受热板与滤波电容器的负端。然而，接下来将描述一个实施例，其中，通过建设性的利用开关元件中的静电电容，在导向感应电动机的通道中，滤掉特定频率分量，从而使这个特定频率成分减少。

接下来将再次参照图6来计算绝缘板31的电容量。

制造绝缘板的氧化铝的特定介电常数∈_r表示为：

∈_r=8.5;以及tanδ=5-20×10^-4。

如果绝缘氧化铝板具有0.5mm的厚度t，100mm的长度A和100mm的宽度B，则其电容量可由下列方程式表示：

C=∈_ro×A×B/t

∈_o：真空中介电常数=8.85×10^-15F/mm）=1.5×10^-9（F），

其中tamδ取一个较小的值，并有较小的内部损耗，由此可以将它看作一个电容器）。

接下来将参照图3进行详细描述。

与图1和图2所示实施例不同的是，尽管这些实施例具有两条a和b线路上的逆变器，但本发明也可以实际用于一条线路。

换句话说，前面的实施例试图防止因两条线路而产生的杂散电流。另一方面，本实施例试图减少至少将流入感应电动机的高次谐波电流。此外，即使在采用两个或多个逆变器的情况下，本实施例也能实际地减少杂散电流。

开关元件41和42固定到一个共用的受热板18。

受热板18和逆变器20的外壳，通过螺栓21穿过绝缘体17加以固定。该绝缘体17防止高次谐波电流流入逆变器20的外壳，否则它将流经开关元件内的静电电容。

现在，为了防止因切换开关元件而产生的高次谐波电流流入逆变器20与感应电动机10之间的导体，主要办法是在它到达该导体之前，旁路掉该高次谐波电流。

根据本实施例，通过建设性地利用开关元件内的静电电容，作为用以旁路高次谐波电流的一个LC滤波器的电容，即可利用一种简单的结构来防止感应干扰。

尤其是，连接于受热板18与滤波电容器7之间的电感元件，是根据被旁路的高次谐波电流的频率以及前述确定的静电电容计算得到的，其数值如此确定的电感元件连接于受热板18与滤波电容器7之间。结果，如果所需电感如线绕电感那样高，那就无需专门连接电抗器。这样，图1和图2所示的实施例即可视为本实施例的一个特例。

接下来将描述一个例子，其中，用于铁路内信号通信的频带为200KHz。为了防止该频率的干扰电屋檐泄漏到电气车辆（即逆变器）的外侧，该LC谐振频率可选择在200KHz。由于频率和电容量已确定，以下公式用以确定LC谐振滤波器的电感量：

L=4.2×10^-4（H）

如代入f=1/（2π $\sqrt{\mathrm{(LC)}}$ ＝200KHz，C=1.5×10^-9（F）。

通过将谐振电感92设定至4.2×10^-4，来获得200KHz的谐振滤波器。

图4是表示前述实施例的示意图，它采用一个三相逆变器。独立开关元件41至62的静电容941至962示于开关元件41至62的集电极与受热板18之间。此外，在受热板与滤波电容器7之间，连接按上式计算的谐振电感92。该谐振电感92根据空芯电抗器、铁芯电抗器、仅仅一个绕组或仅仅一根线的电感数值加以选择。

以下将参照图7描述一个等效电路。

标号94至96表示用于单独各相的独立开关元件的静电电容的合成电容，标号92表示谐振电感。这些元件构成一个旁路滤波器9。

幸亏有旁路滤波器9，高次谐波电流才不至于泄漏到逆变器的外侧或进入感应电动机的通路。

根据该实施例，可以用简单的结构减少感应干扰。

图5表示本发明的另一个实施例。

尽管图4所示的实施例通过单个受热板18一起对三相进行冷却，但本实施例仍表示三相被单独冷却的例子。

该例中的谐振电感924至926连接各相的受热板与滤波电容器7的负端。

根据本实施例，LC谐振频率元件的高次谐波分量不会像以前那样传输到感应电动机10，因为它由滤波电路所旁路。

尽管前面所述是直接针对仅有一个逆变器安装在逆变器20壳体内的情况，但即使在安装多条线路的情况下，它同样不仅能抑制高次谐波电流（否则它将流到感应电动机10），而且能抑制杂散电流（否则它将流到壳体表面外）。

尽管以上所述以两电平逆变器为例，但如果将本发明应用于如图8所示明显具有较高开关频率的一种三电平逆变器，它也能取得较佳的效果。

此外，尽管以上描述以逆变器为例，但即使将本发明应用于诸如PWM（脉宽调制）变换器一类的电力变换器，也能达到类似的效果。

尽管以上描述以电气车辆为例，但也可以利用本发明来减少由于电力变换器与负载之间的高次谐波，或由于壳体上的高次谐波电流所产生的电波干扰。

如前所述，根据本发明，可以用简单的结构来减少因逆变器的切换而产生的感应干扰。

Claims (9)

1、一种电力变换装置，包括通过一绝缘体相互紧贴的开关元件和冷却装置，其特征在于，所述冷却装置与用于所述开关元件的电源的接地端相互连接。

2、一种电力变换装置，包括通过一绝缘体相互紧贴的开关元件和冷却装置，其特征在于，在所述冷却装置与容纳所述电力变换装置的壳体之间形成绝缘，所述冷却装置与用于所述开关元件的电源的接地端相互连接。

3、一种电力变换装置，包括通过一绝缘体相互紧贴的开关元件和冷却装置，其特征在于，所述冷却装置与用于所述开关元件的电源的接地端，通过具有一预定电感分量的导体相互连接。

4、一种电力变换装置，包括通过一绝缘体相互紧贴的开关元件和冷却装置，其特征在于，在所述冷却装置与容纳所述电力变换装置的壳体之间形成绝缘，所述冷却装置与用于所述开关元件的电源的接地端，通过具有一预定电感分量的导体相互连接。

5、一种电力变换装置，具有至少两个结构，其中每个结构均包括通过一绝缘体相互紧贴的开关元件和冷却装置，其特征在于，在所述冷却装置与容纳所述电力变化装置的壳体之间形成绝缘，所述冷却装置与用于所述开关元件的电源的接地端相互连接。

6、一种电力变换装置，包括相互紧贴的开关元件和冷却装置，其特征在于，所述开关元件在紧贴所述冷却装置的表面上具有一静电电容，所述冷却装置与用于所述开关元件的电源的接地端，通过具有一预定电感分量的导体相互连接。

7、一种电力变换装置，包括相互紧贴的开关元件和冷却装置，其特征在于，所述开关元件在紧贴所述冷却装置的表面上具有一静电电容，在所述冷却装置与容纳所述电力变换装置的壳体之间形成绝缘，所述冷却装置与用于所述开关元件的电源的接地端，通过具有一预定电感分量的导体相互连接。

8、一种电力变换装置，包括相互紧贴的开关元件和冷却装置，其特征在于，在容纳所述电力变换装置的壳体与用于所述开关元件的电源之间连接一接地开关，在所述冷却装置与容纳所述电力变换装置的壳体之间形成绝缘，所述冷却装置与所述接地开关连接所述壳体的一端相互连接。

9、一种电力变换装置，借助接通和关断一开关元件来变换电力，其特征在于，所述开关元件在其正电极与一预定表面之间具有静电电容，所述开关元件的所述预定表面与其负电极相互连接。

Images