RU2397602C2 - Частотно-регулируемый привод и способ снижения тока утечки на землю и защиты транзистора - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемых приводах. Техническим результатом является снижение тока утечки на землю, наводимого емкостями системы на землю при перепадах высокочастотного напряжения, и увеличение эффективной диэлектрической прочности транзисторных модулей привода, обеспечивающих выходное напряжение высоконадежного привода при заданном номинальном напряжении транзистора. Все более широкое использование частотно-регулируемых приводов (50) ставит задачи, связанные с их соответствием конкретным требованиям различных приложений. По многим причинам, включая правила техники безопасности и электромагнитные помехи, требуется снижение тока утечки на землю. По экономическим соображениям требуется изготовление приводов (50) с высокими выходными напряжениями с использованием транзисторов, номинальное напряжение которых ниже выходного напряжения частотно-регулируемого привода. Частотно-регулируемый привод и способ снижения тока утечки на землю и защиты транзистора позволяют решить эти и другие задачи отчасти путем расположения электроизоляционной пластины (С_Р 176) с высокой теплопроводностью, малой диэлектрической постоянной и высокой диэлектрической прочностью между пластинчатым радиатором силового полупроводникового модуля частотно-регулируемого привода и заземленной охлаждающей пластиной (80 ТЕ). 4 н. и 17 з п. ф-лы, 3 табл. 6 ил.

Description

Предпосылки создания изобретения

Обычные источники синусоидального переменного напряжения обеспечивают только постоянную частоту вращения двигателя и не способны быстро реагировать на изменения режима нагрузки. Появление частотно-регулируемых приводов позволило создать двигатели с лучшими рабочими характеристиками при более низких затратах энергии. Двигатели с частотно-регулируемыми приводами быстро реагируют на изменение режима нагрузки, например при воздействии ударных нагрузок. Двигатели с частотно-регулируемыми приводами обеспечивают точный выходной крутящий момент и непрерывный контроль скорости. Благодаря многим преимуществам частотно-регулируемых приводов их использование в промышленности все более возрастает.

Ниже приведено описание системы с обычным двигателем на среднее напряжение с частотно-регулируемым приводом со ссылкой на фиг.1.

Нейтраль N 26 шины 20 постоянного тока заземлена для защиты транзисторных ключей от возможных всплесков напряжения, приводящих к ухудшению изоляции и повреждению компонентов. Пластинчатый радиатор транзисторов в инверторном мосте также заземлен, однако это заземляющее соединение на фиг.1 не показано. На фиг.2А показано заземление транзисторного модуля инверторного моста через пластинчатый радиатор 126, которое более подробно описано ниже. На фиг.1 трехфазные кабели 30 одним концом соединены с выходными контактами 52 частотно-регулируемого привода 50. Кабели 30 обладают собственной емкостью на единицу длины. Полная емкость кабеля обозначена C_C 32.

По этим кабелям подают питание на двигатель М 40, который также имеет емкость благодаря обмотке, обозначенной С_М 42, и импедансу, обозначенному Z_M 44.

На фиг.3А представлена принципиальная эквивалентная схема 300 обычного двигателя с частотно-регулируемым приводом, например приводом, изображенным на фиг.1. Выключатель S 60 моделирует изменения напряжения на выходе привода 50. При включении выключателя S 60 изменение напряжения между заземленной нейтралью и положительным потенциалом 22 или отрицательным потенциалом 23 на шине 20 на выходе привода 50 подают в цепь 300. Ток утечки I_GND 200 с изменениями напряжения, обеспечиваемыми емкостями C_M 42 двигателя и С_С 32 кабеля, свободно течет по заземляющему соединению. Емкость C_IB 62 инверторного моста подсоединена между нейтралью N 26, землей РЕ 70 нетоковедущих частей и фактической грунтовой землей ТЕ 80 параллельно короткозамкнутому соединению нейтрали N 26 с землей ТЕ 80. Так как в этой обычной схеме C_IB 62 подключена параллельно короткозамкнутому соединению с землей, вклад C_IB 62 в ток утечки на землю пренебрежимо мал.

Благодаря своим улучшенным рабочим характеристикам и низкому потреблению энергии частотно-регулируемые приводы востребованы во многих приложениях с высокими требованиями, включая нагрузку вентиляторов и насосов. Однако при необходимости иметь малые токи утечки на землю использование частотно-регулируемых приводов в приложениях на среднее напряжение может быть осложнено. Необходимость малого тока утечки на землю возникает в потенциально взрывоопасных средах или средах, требующих пониженных электромагнитных помех. Высокочастотные токи утечки на землю с частотой до мегагерцевого диапазона могут привести к возникновению электромагнитных помех, например в радиоприемниках, компьютерах, системах, использующих штриховой код, и системах технического зрения.

Например, малый ток утечки на землю требуется при подземных горных работах. К среде, в которой проводят подземные горные работы, предъявляют исключительные требования и применяют особые правила техники безопасности. Двигатели для подземных горных работ предпочтительно рассчитаны на среднее напряжение от 690 В до 15 кВ и обычно работают от привода 4160 В. Обычный частотно-регулируемый привод на среднее напряжение, обеспечивающий на выходе 4160 В, может вызвать протекающий от электропривода 50 к двигателю М 40 по заземляющему проводу ток I_GND 200 утечки на землю до 10 А. Хотя использование двигателя на среднее напряжение позволяет применять меньшие кабели, максимально допустимый ток I_GND 200 утечки по проводу заземления от привода к двигателю может быть ниже 1 А.

В отличие от приводов обычных двигателей синусоидального переменного тока изменения выходного напряжения частотно-регулируемых приводов требуют порядка нескольких микросекунд. Следовательно, большие токи утечки на землю вызваны емкостями C_M и С_С, присущие двигателям с частотно-регулируемыми приводами даже при относительно низких напряжениях, например 690 В. По-видимому, для уменьшения тока утечки на землю целесообразно отсоединять нейтраль N 26 шины 20 постоянного тока от земли ТЕ 80, как изображено на фиг.3. На фиг.3В схематически изображено отсоединение нейтрали N 26 от земли в обычном частотно-регулируемом приводе 302. Как видно из фиг.3В, отсоединение нейтрали N 26 от земли ТЕ 80 меняет модель цепи тока I_GND 202 утечки на землю. Теперь емкость C_IB 62 включена последовательно параллельному соединению емкости С_С 32 и емкости C_M 42. Это приводит к увеличению импеданса для тока утечки на землю из-за уменьшения общей емкости системы. Однако отсоединение нейтрали N 26 от земли ТЕ 80 делает транзисторы S₁-S₁₂ в инверторном мосте чувствительными к всплескам напряжения.

Отсоединение нейтрали N 26 от земли ТЕ 80 приводит к плавающему напряжению на транзисторах относительно нейтрали N 26. При полном потенциале шины постоянного тока всплески напряжения могут быть приложены к транзисторам в инверторном мосте. На фиг.2А эти всплески напряжения проходят между полупроводниковой подложкой 122 транзисторов и пластинчатым радиатором 126 транзисторов через тонкий изолятор 124.

При более низких напряжениях привода, в частотно-регулируемых приводах, в которых нейтраль шины постоянного тока отсоединена от земли ТЕ, можно использовать существующие транзисторы, номинальные напряжения которых превышают разность между положительной и отрицательной шинами постоянного тока, с получением на транзисторах плавающего напряжения.

Такую схему успешно используют, например, в модели микропривода SMC на 2300 В (VFD, Microdrive, 2,300 V model, SMC Electrical Products, 2003). Однако при необходимости иметь более высокое выходное напряжение частотно-регулируемого привода, или когда невозможно использовать транзисторы с номинальными напряжениями, покрывающими полный потенциал шины постоянного тока, требуется защита транзисторов от всплесков полного потенциала шины постоянного тока для предотвращения сокращения срока службы компонентов и их отказа. Использование частотно-регулируемого привода порождает ряд проблем. Одной из них является, например, уменьшение тока утечки на землю с одновременной защитой частотно-регулируемого привода, в частности инверторного моста. Другая состоит в максимально возможном уменьшении тока утечки на землю.

В некоторых случаях проблемой также является обеспечение двигателей на номинальное напряжение выше 4160 В надежным частотно-регулируемым приводом. Например, для двигателя с номинальным напряжением выше 4160 В требуется частотно-регулируемый привод, обеспечивающий выходной сигнал 6,9 кВ. Однако существующие в настоящее время транзисторы, используемые при изготовлении частотно-регулируемого привода с выходным сигналом 6,9 кВ, чувствительны к нарушению изоляции и приближающемуся отказу компонентов. Для получения выходного сигнала частотно-регулируемого привода в 6,9 кВ необходима шина постоянного тока с максимально допустимым напряжением 11,5 кВ. Существуют транзисторы инверторного моста с максимально допустимым напряжением изоляции 5100 В. Даже когда нейтраль шины постоянного тока заземлена, напряжение пробоя изоляции 124 транзисторного модуля (фиг.2А) составляет 5100 В и менее половины потенциала на шине постоянного тока (11,5 кВ). Еще одной проблемой в частотно-регулируемых приводах является защита инверторного моста, в котором имеющиеся в наличии транзисторы соединены последовательно для создания выходных напряжений частотно-регулируемого привода выше 4160 В при номинальном напряжении транзисторов менее половины напряжения шины постоянного тока.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает пониженный ток утечки на землю в двигателе с частотно-регулируемым приводом и защиту инверторного моста.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение тока утечки на землю в двигателе с частотно-регулируемым приводом.

Еще одной задачей настоящего изобретения является уменьшение тока утечки на землю посредством обеспечения плавающей нейтрали шины постоянного тока.

Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение плавающей нейтрали шины постоянного тока с одновременной защитой от отказа компонентов частотно-регулируемого привода из-за всплесков напряжения.

Еще одной задачей настоящего изобретения является увеличение импеданса для токов утечки на землю.

Еще одной задачей настоящего изобретения является дальнейшее уменьшение тока утечки на землю в двигателе на среднее напряжение с частотно-регулируемым приводом без уменьшения емкости системы на землю.

Еще одной задачей настоящего изобретения является уменьшение полной емкости на землю двигателя с частотно-регулируемым приводом.

Еще одной задачей настоящего изобретения является уменьшение полной емкости на землю двигателя с частотно-регулируемым приводом посредством пластины с высокой диэлектрической прочностью и малой диэлектрической постоянной, расположенной между пластинчатым радиатором транзисторного модуля частотно-регулируемого привода и заземленной охлаждающей пластиной.

Еще одной задачей настоящего изобретения является повышение надежности инверторного моста и срока службы компонентов частотно-регулируемого привода, содержащего транзисторы, номинальное напряжение которых менее половины полного потенциала шины постоянного тока, за счет дополнительной эффективной изоляции при заземленной нейтрали шины постоянного тока в частотно-регулируемом приводе.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть использованы в приводах на низкое, среднее и высокое напряжение.

В соответствии с задачами настоящего изобретения в устройстве согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения нейтраль шины постоянного тока является плавающей и отсоединена от земли.

В устройстве согласно еще одному варианту осуществления электроизоляционная пластина с высокой теплопроводностью, высокой диэлектрической прочностью и малой диэлектрической постоянной термически и электрически соединяет полупроводниковую подложку транзистора и охлаждающую пластину.

В устройстве согласно еще одному варианту осуществления на выходе частотно-регулируемого привода установлен синфазный фильтр.

Способ согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает обеспечение плавающей нейтрали шины постоянного тока и увеличение импеданса цепи тока утечки на землю за счет диэлектрической подложки.

Еще один способ согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает увеличение импеданса цепи утечки на землю за счет диэлектрической подложки и повышение диэлектрической прочности транзисторного модуля частотно-регулируемого привода до значения, превышающего полное напряжение шины постоянного тока.

Еще один способ согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает обеспечение плавающей нейтрали шины постоянного тока, увеличение импеданса цепи утечки на землю за счет диэлектрической подложки и установку синфазного фильтра на трехфазных кабелях частотно-регулируемого привода.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения станут очевидны для специалистов из нижеприведенного описания с учетом сопроводительных чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 представлен обычный двигатель с частотно-регулируемым приводом.

На фиг.2А проиллюстрированы заземление инверторного моста через изоляционную пластину транзисторного модуля и результирующая емкость инверторного моста обычного частотно-регулируемого привода.

На фиг.2В проиллюстрированы последовательное соединение инверторного моста с землей через изоляционную пластину транзисторного модуля, пластинчатый радиатор этого модуля и электроизоляционная пластина с высокой диэлектрической прочностью, малой диэлектрической постоянной и высокой теплопроводностью в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3А схематически изображен контур тока замыкания на землю в обычном частотно-регулируемом приводе, например представленном на фиг.1, включающий емкость инверторного моста.

На фиг.3В схематически изображен частотно-регулируемый привод с плавающей нейтралью шины постоянного тока без использования настоящего изобретения.

На фиг.4 схематически изображен контур тока замыкания на землю в частотно-регулируемом приводе, использующий один из вариантов осуществления настоящего изобретения и включающий емкость транзисторного модуля и емкость изоляционной пластины с малой диэлектрической постоянной.

На фиг.5 изображен еще один вариант осуществления настоящего изобретения, включающий синфазный фильтр, установленный на трехфазных кабелях привода.

На фиг.6 представлен вариант реализации монтажных средств, обеспечивающих электрическую изоляцию и теплопроводность между силовым полупроводниковым модулем частотно-регулируемого привода и заземленной охлаждающей пластиной и крепление силового полупроводникового модуля частотно-регулируемого привода к изоляционной пластине, а также крепление изоляционной пластины к заземленной охлаждающей пластине.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение позволяет уменьшить ток утечки на землю благодаря обеспечению плавающей нейтрали N шины постоянного тока без воздействия на транзисторы инверторного моста чрезмерных всплесков напряжения.

На фиг.2А представлено обычное заземление инверторного моста в транзисторном модуле. Заземление инверторного моста осуществляют через пластинчатый радиатор 126 транзисторного модуля. Между полупроводниковой подложкой 122 и радиатором 126 параллельно тонкой изоляционной пластине124 образована емкость C_IB 62. Подложка 122, пластина 124 и радиатор 126 вместе образуют обычный силовой полупроводниковый модуль частотно-регулируемого привода, также называемый транзисторным модулем частотно-регулируемого привода. При этом радиатор 126 установлен на заземленной охлаждающей пластине 130 и электрически соединен с ней.

На фиг.2В представлено заземление инверторного моста в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Подложка 122 транзисторного модуля, пластина 124 и радиатор 126 соединены между собой как в обычных заземляющих средствах на фиг.2А. Однако согласно одному из вариантов осуществления между радиатором 126 и пластиной 130 установлена электроизоляционная пластина Р 175 с высокой диэлектрической прочностью, малой диэлектрической постоянной и высокой теплопроводностью. Обычно пластинчатый радиатор изготовлен из алюминиево-кремниевого карбида. Однако изготавливать радиатор 126 из алюминиево-кремниевого карбида нет необходимости. Его можно полноценно заменить материалом, обеспечивающим хорошую электро- и теплопроводность.

Подложка 122 инверторного моста термически соединена с пластиной 130 и электрически изолирована от нее посредством пластины Р 175. Поскольку диэлектрическая постоянная изоляционной пластины Р мала, между радиатором 126 транзисторного модуля и пластиной 130 образована малая емкость С_Р 176. Эта емкость меньше внутренней емкости C_IB 62 транзисторов и подключена последовательно с ней (фиг.2А, 2В и 4). Емкость C_IB 62 представляет собой побочный продукт емкостной связи между поверхностью подложки 122 и радиатора 126 транзистора, изолированных друг от друга тонким изолятором 124, как показано на фиг.2А.

Как видно из фиг.3А, заземление нейтрали N 26 шины 20 постоянного тока и заземление одного вывода C_B 62 на одну землю ТЕ 80 в обычном инверторном мосте создает цепь к шине постоянного тока для токов смещения, наводимых при каждом изменении сигнала. Такое заземление предотвращает влияние одного транзистора на другой в инверторном мосте. Более конкретно, как видно из фиг.3В, снятие заземления нейтрали N 26 шины 20 приводит к плавающему напряжению на одном выводе C_IB 62 относительно нейтрали N 26, что в свою очередь приводит к взаимному влиянию токов смещения транзисторов в инверторном мосте через соответствующие емкости C_IB 62 транзисторов, связанных через пластину 130. Такое взаимное влияние может вызвать чрезмерные всплески напряжения между подложкой 122 транзисторного модуля и его радиатором 126, что может привести к отказу компонентов.

Специалистам известно, что высоковольтные биполярные транзисторы с изолированным затвором, выполненные в виде модулей или с изолированной базой, требуют заземления нейтрали шины постоянного тока. Такое заземление обеспечивает величину максимального напряжения между выводами транзистора и охлаждающей пластиной, не превышающую половины максимального напряжения шины постоянного тока. Если нейтраль отсоединена от земли, емкость C_IB, образованная между полупроводниковой подложкой транзисторного модуля и его пластинчатым радиатором, все еще заземлена на стороне пластины 130. При этом напряжение на емкости инверторного моста является плавающим относительно положительных и отрицательных напряжений 22 и 23 шины постоянного тока, а емкость электрически соединена с внутренними емкостями C_IB 62 других транзисторов в инверторном мосте через заземленную пластину 130. Если транзисторы, подключенные к положительному напряжению шины постоянного тока, выключены, полупроводниковая подложка непосредственно подключена к положительному напряжению шины постоянного тока. Далее, если транзисторы, соединенные с отрицательным напряжением, включены, это приводит к зарядке внутренних емкостей C_IB 62 транзистора при отрицательном потенциале шины постоянного тока. Поскольку все соответствующие внутренние емкости C_IB 62 транзисторов соединены одной стороной, полупроводниковые подложки транзисторов, подключенных к положительному напряжению, подключены к полному напряжению шины постоянного тока. Обычно полное напряжение шины постоянного тока значительно выше максимально допустимого напряжения изоляции транзистора, что приводит к повреждению транзистора.

На фиг.4 представлено схематическое изображение 304 варианта осуществления частотно-регулируемого привода согласно настоящему изобретению, содержащего изоляционную пластину Р 175, как показано, например, на фиг.2В. Здесь емкость С_Р 176 изолятора соединена последовательно с C_IB 62. Емкость С_Р 176 соединена с заземленной на ТЕ пластиной 130. Последовательно подключенные емкости C_IB и С_Р обеспечивают более высокий импеданс обратной цепи к источнику V 140 напряжения, уменьшая ток I_GND 204 утечки на землю. Пластина Р 175 (фиг.2В) служит также для повышения прочности изоляции между охлаждающей пластиной и силовым полупроводниковым модулем. Как видно из уравнений 1 и 2, соответствующих схеме, приведенной на фиг.4, полная емкость системы C_SYS падает. Сначала из уравнения 1 определяют емкость C_VFD частотно-регулируемого привода.

Уменьшение емкости C_SYS в свою очередь уменьшает ток I_GND 204, вызванный изменениями напряжения на выходе частотно-регулируемого привода, согласно уравнению 3.

Нижеследующие экспериментальные данные, приведенные в таблицах 1 и 2, были получены с использованием и без использования варианта осуществления настоящего изобретения и подтверждают его эффективность. В таблицу 1 сведены данные, полученные при контрольных условиях. Модуль частотно-регулируемого привода представляет собой микропривод с выходным сигналом 4160 В (SMC Electrical Products, патент США №6822866). Двигатель представляет собой асинхронный двигатель мощностью 500 л.с. с номинальным напряжением не более 4000 В. Измерения тока замыкания на землю проводили на трехфазном экранированном кабеле длиной 30, 250 и 1300 футов. Ток замыкания на землю измеряли непрерывно на выводах частотно-регулируемого привода и на двигателе. Переключение частотно-регулируемого привода осуществляли на 1 кГц, а скорость двигателя поддерживали на значении 30%. Как видно из фиг.3В, контрольные измерения не могли быть проведены при отсоединенной нейтрали N шины постоянного тока от земли, когда она являлась плавающей, при отсутствии пластины Р 175. Отсоединение нейтрали N от земли привело к тому, что транзисторы инверторного моста были защищены только тонким изолятором 124, что вызвало, как и ожидалось, отказ компонентов в результате взаимного влияния. Конденсатор емкостью 1,5 мкФ был включен последовательно между нейтралью N и землей и параллельно C_IB с созданием цепи с очень высоким импедансом, что обеспечивает большую защиту, чем разомкнутая цепь. Конденсатор емкостью 1,5 мкФ создает цепь с высоким импедансом от нейтрали на землю без ущерба для инверторного моста. В Таблице 1 приведены контрольные данные, полученные без пластины Р 175. Значения тока в таблицах 1-3 являются среднеквадратическими.

Таблица 1
ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ ДЛЯ КАБЕЛЕЙ ДЛИНОЙ 30,250 И 1300 ФУТОВ (А)
Без пластины из нитрида бора
	30'	250'	1300'
Привод	4,7	8,0	38,3
Двигатель	2,3	2,0	3,7

В таблице 2 приведены экспериментальные данные, полученные при использовании варианта осуществления настоящего изобретения. Тестовые условия испытаний были идентичны контрольным условиям, упомянутым выше, со следующими тестовыми изменениями. Пластина Р 175 была установлена между радиатором 126 и пластиной 130, как показано на фиг.2В и 6. Нейтраль N шины постоянного тока была отсоединена от земли и являлась плавающей. В этом тестовом варианте осуществления изоляционная пластина Р является керамической, выполненной из нитрида бора. На фиг.4 представлено схематическое изображение тестовых условий, сведенных в таблицу 2.

Таблица 2
ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ ДЛЯ КАБЕЛЕЙ ДЛИНОЙ 30,250 И 1300 ФУТОВ (А)
С пластиной из нитрида бора
	30'	250'	1300'
Привод	0,7	1,1	5,5
Двигатель	0,5	0,3	0,4

Дополнительные экспериментальные измерения проводили в системе в соответствии с еще одним вариантом осуществления, содержащей синфазный фильтр CMF 150, показанный, например, на фиг.5. CMF 150, включающий трансформатор и стабилизатор тока, установлен на трехфазных кабелях, соединяющих выход частотно-регулируемого привода с двигателем. Сбор данных, приведенных ниже в таблице 3, осуществляли на асинхронном двигателе мощностью 500 л.с., работавшем на 50% от максимальной скорости. Все другие тестовые условия были идентичны условиям, при которых осуществляли сбор тестовых данных, приведенных в таблице 2. Переключение частотно-регулируемого привода осуществляли на частоте 1 кГц. Измерения тока замыкания на землю проводили на выводах частотно-регулируемого привода и на двигателе. Приведенные значения тока являются среднеквадратичными, как и в вышеприведенном случае.

Таблица 3
ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ ДЛЯ КАБЕЛЕЙ ДЛИНОЙ 250 ФУТОВ (А)
с пластиной из нитрида бора
	без CMF	с CMF
Привод	5,2	0,05
Двигатель	0,8	0,05

Как видно из данных таблицы 3, при установке керамической пластины из нитрида бора и CMF согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, ток утечки на землю уменьшен до пренебрежимой величины 50 мА.

Хотя в вариантах осуществления для сбора экспериментальных данных использовали пластины из нитрида бора, можно использовать и другие оксидные и нитридные материалы или другие изоляционные вещества, обладающие требуемыми диэлектрическими и термическими свойствами, описанными применительно к настоящему изобретению. Например, можно использовать синтетические алмазные пластины, обладающие требуемыми диэлектрическими свойствами и превосходной теплопроводностью.

Установка пластины 175, изображенной на фиг.2В, также обеспечивает решение еще одной задачи настоящего изобретения, состоящей в обеспечении использования транзисторов с номинальным напряжением менее половины полного потенциала шины постоянного тока при создании надежного частотно-регулируемого привода с заземленной нейтралью шины постоянного тока. Например, для двигателя с номинальным напряжением выше 4160 В требуется частотно-регулируемый привод, обеспечивающий выходное напряжение выше 4160 В, например 6,9 кВ. Существуют шины постоянного тока с максимально допустимым напряжением 11,5 кВ для использования в частотно-регулируемых приводах, пригодные для обеспечения на выходе частотно-регулируемого привода напряжения 6,9 кВ. Существуют транзисторы для изготовления инверторного моста с номинальным напряжением 5100 В. Даже если нейтраль заземлена, напряжение пробоя изоляции транзистора 124 на фиг.2А (5100 В) составляет менее половины полного напряжения на шине постоянного тока (11,5 кВ). Как показано на фиг.2В, установка пластины Р 175 с достаточной диэлектрической прочностью, как описано выше, увеличивает эффективную изоляцию транзисторов инверторного моста, аналогично эффекту, достигаемому последовательным соединением С_Р и C_IB по сравнению с использованием только C_IB. Улучшенная изоляция повышает срок службы компонентов и надежность системы. Следовательно, установка пластины Р 175 позволяет последовательно соединять несколько транзисторов, как, например, S1-S12 на фиг.1 и 5, и охлаждать их с помощью общей пластины 130, представленной, например, на фиг.2В, для получения более высокого выходного напряжения частотно-регулируемого привода при малых затратах с использованием существующих транзисторов с номинальным напряжением менее половины полного напряжения шины постоянного тока при сохранении преимуществ от использования одной заземленной охлаждающей пластины.

На фиг.6 представлен вариант осуществления монтажных средств, обеспечивающих электрическую изоляцию и теплопроводность между силовым полупроводниковым модулем 50 частотно-регулируемого привода и заземленной пластиной 130 и прикрепляющих силовой полупроводниковый модуль к пластине 175, а указанную пластину - к заземленной пластине 130. Модуль 50, представленный также на фиг.2А и 2В, надежно закреплен на пластине 175, в свою очередь надежно закрепленной на заземленной пластине 130 с помощью L-образных стальных скобок 180. Скобки 180 с одной стороны прикреплены непосредственно к пластине 130, а другой стороной крепят силовой полупроводниковый модуль частотно-регулируемого привода с помощью установочных винтов 182 и керамических дисков 184.

На фиг.6 представлен только один из многих возможных вариантов осуществления средств для прикрепления силового полупроводникового модуля частотно-регулируемого привода и изоляционной пластины к охлаждающей пластине. Скобка может быть изготовлена из любого материала, обладающего прочностью, достаточной для выдерживания прижимного усилия, требуемого в соответствии с техническими характеристиками транзисторного модуля. Для специалиста ясно, что могут быть реализованы различные способы физического прикрепления силового полупроводникового модуля частотно-регулируемого привода к изоляционной пластине и изоляционной пластины к охлаждающей пластине при обеспечении электрической изоляции и теплопроводных свойств изоляционной пластины.

Таким образом, снижение тока утечки на землю в частотно-регулируемом приводе желательно по многим причинам в различных условиях применения. Электроизоляционная пластина с высокой диэлектрической прочностью, малой диэлектрической постоянной и высокой теплопроводностью, закрепленная между силовым полупроводниковым модулем частотно-регулируемого привода и заземленной охлаждающей пластиной, представляет собой эффективное средство понижения емкости системы и уменьшает таким образом токи утечки на землю, вызываемые изменениями высокочастотного напряжения частотно-регулируемого привода. Вышеописанная установка изоляционной пластины защищает транзисторы в инверторном мосте от пробоя изоляции за счет улучшения изоляции между силовым полупроводниковым модулем частотно-регулируемого привода и землей.

Несмотря на то что настоящее изобретение проиллюстрировано и описано здесь на основе вариантов его осуществления, для специалиста очевидно, что возможны различные изменения по форме или в деталях, не выходящие за пределы сущности и объема изобретения, ограниченого нижеследующей формулой изобретения.

Claims (21)

1. Способ уменьшения тока утечки на землю в частотно-регулируемом приводе, включающий: обеспечение плавающей нейтрали на шине постоянного тока частотно-регулируемого привода и расположение электроизоляционной пластины с высокой теплопроводностью, малой диэлектрической постоянной и высокой диэлектрической прочностью между силовым полупроводниковым модулем частотно-регулируемого привода и охлаждающей пластиной.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий присоединение первого конца кабелей к соответствующим выводам частотно-регулируемого привода и присоединении второго их конца к устройству, приводимому в действие частотно-регулируемым приводом.

3. Способ по п.2, дополнительно включающий установку синфазного фильтра на кабели, соединенные с соответствующими выводами частотно-регулируемого привода.

4. Способ по п.2, в котором ток утечки на землю снижают до значения менее 1,5А.

5. Способ по п.3, в котором ток утечки на землю снижают до значения менее 1А.

6. Способ по п.4, в котором ток утечки на землю снижают до значения менее 1,5А независимо от емкости на землю, создаваемой кабелями, присоединенными к выводам частотно-регулируемого привода.

7. Способ по п.4, дополнительно включающий приведение в действие двигателя посредством выходного напряжения частотно-регулируемого привода, причем ток утечки на землю снижают до значения менее 1,5А независимо от емкости двигателя.

8. Способ по п.5, в котором ток утечки на землю снижают до значения менее 1А независимо от емкости на землю, создаваемой кабелями, присоединенными к выводам частотно-регулируемого привода.

9. Способ по п.5, дополнительно включающий приведение в действие двигателя посредством выходного напряжения частотно-регулируемого привода, причем ток утечки на землю снижают до значения менее 1А независимо от емкости двигателя.

10. Способ уменьшения тока утечки на землю в частотно-регулируемом приводе на среднее напряжение, включающий обеспечение плавающей нейтрали на шине постоянного тока частотно-регулируемого привода и расположение электроизоляционной пластины с высокой теплопроводностью, малой диэлектрической постоянной и высокой диэлектрической прочностью между силовым полупроводниковым модулем частотно-регулируемого привода и охлаждающей пластиной, причем ток утечки на землю снижают до значения менее 1,5А.

11. Частотно-регулируемый привод на среднее напряжение с малым током утечки на землю, содержащий: шину постоянного тока с плавающей нейтралью, инверторный мост силового полупроводникового модуля частотно-регулируемого привода, электрически соединенный с шиной постоянного тока; электроизоляционную пластину с высокой теплопроводностью, малой диэлектрической постоянной и высокой диэлектрической прочностью; и охлаждающую пластину, причем силовой полупроводниковый модуль указанного привода закреплен на указанной электроизоляционной пластине, которая в свою очередь закреплена на охлаждающей пластине, а охлаждающая пластина заземлена.

12. Привод по п.11, в котором кабели одним концом соединены с соответствующими выводами привода, а вторым концом соединены с устройством, приводимым в действие указанным приводом, причем кабели содержат синфазный фильтр, фильтрующий выходной сигнал привода.

13. Привод по п.12, в котором ток утечки на землю снижен до значения менее 1А.

14. Привод по п.11, в котором ток утечки на землю снижен до значения менее 1,5А.

15. Привод по п.13, в котором длина кабелей, подсоединенных к выводам указанного привода, превышает 30 футов.

16. Привод по п.12, в котором выходное напряжение на его выводах превышает 690 В.

17. Привод по п.11, в котором изоляционная пластина выполнена из керамического материала.

18. Привод по п.11, в котором изоляционная пластина выполнена из нитрида бора.

19. Привод по п.11, в котором между силовым полупроводниковым модулем указанного привода и охлаждающей пластиной параллельно электроизоляционной пластине образована емкость, величина которой меньше внутренней емкости на землю транзистора инверторного моста, при этом полная емкость на землю привода уменьшена.

20. Привод по п.11, дополнительно содержащий по меньшей мере одно монтажное устройство, обеспечивающее электрическую изоляцию и теплопроводность между силовым полупроводниковым модулем указанного привода и заземленной охлаждающей пластиной и прикрепляющее указанный модуль к изоляционной пластине, а также прикрепляющее изоляционную пластину к заземленной охлаждающей пластине.

21. Частотно-регулируемый привод на среднее напряжение, содержащий: шину постоянного тока с заземленной нейтралью и силовые полупроводниковые модули указанного привода, причем транзисторные модули инверторного моста соединены последовательно, инверторные мосты электрически соединены с шиной постоянного тока, а максимально допустимое напряжение изоляции транзисторных модулей составляет менее половины полного максимального напряжения шины постоянного тока, а привод дополнительно содержит электроизоляционную пластину с высокой теплопроводностью, малой диэлектрической постоянной и высокой диэлектрической прочностью; и заземленную охлаждающую пластину, при этом силовой полупроводниковый модуль указанного привода закреплен на указанной электроизоляционной пластине, которая в свою очередь закреплена на заземленной охлаждающей пластине, а эффективная изоляция привода относительно земли увеличена.

Images