[发明专利]用于降低的接地泄漏电流和晶体管保护的可变频率驱动系统装置和方法

说明书

背景技术

传统的正弦AC电压供给只提供了固定的电动机速度，不能快速 响应负载条件的变化。随着可变频率驱动系统(VFD)的出现，可以 实现更低能量消耗下的更好性能的电动机。VFD驱动的电动机快速响 应负载条件的变化，例如响应振动负载。VFD驱动的电动机提供了精 确扭矩输出以及连续的速度控制。由于其具有的许多优点，在工业应 用中VFD的利用持续增长。

以下参照图1描述传统的中间电压VFD驱动的电动机系统。DC 总线20的中性点N 26接地，以保护晶体管开关免受可以引起绝缘退 化和元件故障的电位电压尖峰。反相电桥中晶体管的散热板也接地， 但是接地连接未在图1中示出。图2A示出了反相电桥晶体管模块经 由散热板126接地，这在以下详细描述。再参照图1，三相电缆30的 一端与VFD 50的输出端52连接。电缆30具有每单位长度的固有电 容。总的电缆电容示为C_C 32。这些电缆为电动机M 40馈电，由于绕 组，电动机M 40也具有电容，示为C_M 42，电动机阻抗示为Z_M 44。

图3A示意电路300，表示传统VFD驱动电动机系统，例如图1 所示的驱动系统。开关S 60表示从VFD 50输出的电压转变 (transition)。当关闭开关S 60时，从VFD50输出的从接地中性到 DC总线20的正电位22或负电位23的电压转变被施加在电路300上。 由于电动机电容C_M 42和电缆电容C_C 32，接地泄漏电流I_GND 200自由 地在与电压转变的接地连接中流动。反相电桥电容C_IB 62，从中性点 N 26连接到设备地PE 70和真正的地球地TE 80，与中性点N 26与真 正的地球地TE 80的短路连接并联。在这样的传统配置中，由于C_IB 62 与接地的短路连接并联，C_IB 62对接地泄漏电流的贡献可以忽略。

由于其高性能和低功率消耗，期望VFD用于多种需求的应用，包 括风扇和泵负载。然而，如果低接地泄漏电流是必要的，则在中间电 压应用中使用VFD会很复杂。低接地泄漏电流在潜在的爆炸性环境中 或在需要降低的电磁干扰(EMI)的环境中将是必要的。高达MHz 范围的高频接地泄漏电流可以在例如无线电接收机、计算机、条形码 系统和显示系统中导致EMI。

需要低接地泄漏电流的应用的一个示例是地下开采；地下开采环 境具有独特的要求和安全标准。地下开采电动机优选地在中间电压范 围内(在690V和15kV之间)，典型地在4,160V被驱动。提供4,160V 输出的传统中间电压VFD可以产生多于10安培的接地泄漏电流I_GND200，所述接地泄漏电流I_GND 200在接地线中从VFD 50流至电动机M 40。当使用中间电压电动机便于使用更小的电缆时，电动机接地线泄 漏电流I_GND 200的最大允许驱动可以在1安培以下。

与传统AC正弦电动机驱动不同，VFD输出的电压在微秒的时间 量级上转变。因此，由于电容C_M和C_C而感应出大的接地泄漏电流， 这是VFD驱动电动机系统固有的，即使在相对低的例如690伏的电压 下。参照图3A，将DC总线20的中性点N 26与TE地80断开看起 来是一种降低接地泄漏电流的可行方法。在传统VFD系统302中将中 性点N 26与地断开的示意表示在图3B中示出。如图3B所示，将DC 总线的中性点N 26与TE地80断开改变了接地泄漏电流I_GND 202的 电流模型。反相电桥电容C_IB 62现在与电缆电容C_C 32和电动机电容 C_M 42的并联组合相串联。由于总的系统电容降低，这造成接地泄漏 电流的更高阻抗。然而，将中性点N 26与TE地80断开使得反相电 桥中的晶体管S₁-S₁₂易受电压尖峰的影响。

将DC总线的中性点N 26与TE地80断开，使得晶体管相对于 DC总线的中性点N 26浮置。满DC总线电位的电压尖峰可以施加在 反相电桥中的晶体管两端。参照图2A，这样的电压尖峰在晶体管半导 体基板122和晶体管散热板126之间穿过薄绝缘体124传送。