TWI599158B - 變速驅動系統與其操作方法及電磁相容濾波器 - Google Patents

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Description

變速驅動系統與其操作方法及電磁相容濾波器
本申請案大體而言係關於電磁相容性(EMC)濾波器。本申請案更具體言之係關於供變速驅動器(variable speed drive；VSD)使用之電磁相容性濾波器。
相關專利申請案之交叉參考
不存在相關專利申請案。
關於聯邦政府獎助之研究或開發的聲明
本申請案不與任何聯邦政府獎助之研究或開發相關。
用於加熱、通風、空氣調節及製冷(HVAC&R)應用之變速驅動器(VSD)通常包括整流器或轉換器、DC鏈路及反相器。併有主動轉換器技術以提供功率因數校正及減少的輸入電流諧波之VSD亦產生與習知VSD相比顯著較高位準之共模RMS及峰值至峰值電壓至馬達定子繞組。
VSD產生相對於接地之共模雜訊，其可導致對無線電設備及傳輸之干擾。為了減少或消除藉由VSD產生之雜訊，需要藉由在VSD內給予雜訊循環路徑來抑制共模雜訊。此濾波器創建用於共模雜訊之小迴路區域，藉此減少干擾。
通常，EMC濾波器將結合VSD使用以減少電磁雜訊在VSD與主電源供應器之間的轉移。EMC濾波器包含與VSD輸入串聯連接之大電感器。此等EMC濾波器由於磁性損失而減少VSD之總效率，且進一步增加VSD之成本及大小。
其他特徵及優點將自本發明變得顯而易見。所揭示之教示擴展至屬於申請專利範圍之範疇的彼等實施例，不管該等實施例是否實現前述需要中之一或多者。
一個實施例係關於用於變速驅動器的新實施之電磁發射濾波器。此濾波器可在被動前端VSD或主動前端VSD上使用。該變速驅動系統經配置而以一固定AC輸入電壓量值及頻率接收一輸入AC電力且以一可變電壓及可變頻率提供一輸出AC電力，該變速驅動器包括：一轉換器級，其連接至提供輸入AC電壓之一AC電源，該轉換器級經組配以將該輸入AC電壓轉換為一升壓DC電壓；一DC鏈路，其連接至該轉換器級，該DC鏈路經組配以對來自該轉換器級之該升壓DC電壓濾波且儲存該電壓；一反相器級，其連接至該DC鏈路，該反相器級經組配以將來自該DC鏈路之該升壓DC電壓轉換成具有該可變電壓及該可變頻率之該輸出AC電力；以及一電磁相容性(EMC)濾波器；該EMC濾波器包含來自相位至接地電路的用於轉換器區段之每一輸入相位之一串聯RC電路，每一RC電路包括在轉換器區段之每一相位與接地之間與一電容器串聯連接之一電阻器；該EMC濾波器在該轉換器之一線路側上連接至該轉換器； 且一線路側電感器連接在輸入AC源與該EMC濾波器之間。
另一實施例係關於用於VSD之EMC濾波器。該EMC濾波器包括來自相位至接地電路的用於一轉換器區段之每一輸入相位之一串聯RC電路，每一串聯RC電路包括在轉換器區段之每一相位與接地之間與一電容器串聯連接之一電阻器。該EMC濾波器在該轉換器之一線路側上連接至該轉換器；且一線路側電感器連接在該輸入AC源與該EMC濾波器之間。
通常，EMC濾波器形成必須與VSD輸入串聯連接之大型電感器，藉此增加VSD之成本及大小。所揭示濾波器連接在電力電子裝置輸入與之間。此創建用於所產生雜訊之極小迴路區域。濾波器亦利用電路寄生及現有濾波器電感器來形成濾波器。允許濾波器小且極低成本。
一個優點為減少作為VSD之操作的結果而存在於AC電源處的與實施之電磁干擾及射頻干擾相關聯的共模及差分模式電流。
替代例示性實施例係關於如申請專利範圍中整體列舉的其他特徵及特徵之組合。
10‧‧‧輸入濾波器
16‧‧‧三相AC輸入電感器
18‧‧‧電感器抽頭部分
20‧‧‧電容性三相濾波器元件
21‧‧‧共點
22‧‧‧可選接地連接/接地
23‧‧‧接地電容器
26‧‧‧線路側電感器
28‧‧‧負載側電感器
32‧‧‧共模電容器
34‧‧‧VSD輸出端子
38‧‧‧馬達連接端子
50‧‧‧電磁相容性(EMC)濾波器
51‧‧‧RC濾波器
52‧‧‧電阻器
54‧‧‧電容器
102‧‧‧AC電源
104‧‧‧變速驅動器(VSD)
106‧‧‧馬達
201‧‧‧被動轉換器
202‧‧‧轉換器級/轉換器
204‧‧‧DC鏈路級
206‧‧‧反相器
302‧‧‧壓縮器
304‧‧‧冷凝器配置
306‧‧‧液體冷卻器或蒸發器配置
308‧‧‧控制面板
522‧‧‧可選接地連接/接地
802、902‧‧‧峰值
A、B、C‧‧‧相位
Lrectifier/3‧‧‧VSD 104之整流器側電感
Ccommon_mode‧‧‧VSD之共模電容
Rdamp‧‧‧輸入濾波器之阻尼電阻
Cparasitic‧‧‧自DC鏈路204及轉換器202/反相器206AC端子至接地的寄生電容
Lground_strap‧‧‧接地連接22之寄生電感
圖1A及圖1B說明例示性系統組態。
圖2A及圖2B說明VSD之不同實施例。
圖3大體說明使用圖1A及圖2A之系統組態及VSD之製冷或冷卻器系統的一個實施例。
圖4為輸入濾波器之元件的示意圖。
圖5為具有具EMC濾波器之輸出濾波器及共模/差分模式輸入濾波器電路的變速驅動器之一實施例。
圖6為包括被動轉換器之VSD之例示性實施例。
圖7為包括EMC濾波器之共模等效電路。
圖8為展示具有及不具EMC濾波器之VSD之共模阻抗的曲線圖。
圖9展示在VSD中安裝有EMC濾波器之VSD之電壓回應的曲線圖。
在轉向詳細地說明例示性實施例的圖式之前，應理解，本申請案不限於以下描述中所闡述或圖式中所說明之細節或方法。亦應理解，本文中所使用之措詞及術語僅出於描述之目的且不應被視為限制性的。
圖1A及圖1B大體說明系統組態。AC電源102為變速驅動器(VSD)104供電，該變速驅動器為馬達106(參見圖1A)或多個馬達106(參見圖1B)供電。馬達106較佳用以驅動製冷或冷卻器系統之對應壓縮機(通常參見圖3)。AC電源102將來自存在於位點處之AC電力網或分配系統的單相或多相(例如，三相)、固定電壓且固定頻率之AC電力提供至VSD 104。AC電源102較佳地可視對應AC電力網而以50Hz或60Hz之線路頻率將200V、230V、380V、460V或600V之AC電壓或線路電壓供應至VSD 104。
VSD 104接收來自AC電源102的具有特定固定線路電壓及固定線路頻率之AC電力且以所要電壓及所要頻 率將AC功率提供至馬達106，所要電壓及所要頻率兩者可改變以滿足特定要求。較佳地，VSD 104可將具有比馬達106之額定電壓及頻率高的電壓及頻率及低的電壓及頻率的AC功率提供至馬達106。在另一實施例中，VSD 104可再次提供比馬達106之額定電壓及頻率高及低的頻率，但僅在相同或較低電壓下。馬達106較佳為感應馬達，但可包括能夠以可變速度操作的任何類型之馬達。感應馬達可具有任何適合的極配置，包括兩極、四極或六極。
圖2A及圖2B說明VSD 104之不同實施例。VSD 104可具有三個級：轉換器級202、DC鏈路級204及具有一個反相器206(參見圖2A)或多個反相器206(參見圖2B)之輸出級。轉換器202將來自AC電源102之固定線路頻率、固定線路電壓AC電力轉換成DC電力。DC鏈路204對來自轉換器202之DC電力濾波且提供能量儲存組件。DC鏈路204可由作為展現高可靠性比率及極低故障速率之被動裝置的電容器、電感器或其組合組成。最終，在圖2A之實施例中，反相器206將來自DC鏈路204之DC電力轉換成用於馬達106之可變頻率、可變電壓AC電力，且在圖2B之實施例中，反相器206並聯連接在DC鏈路204上且每一反相器206將來自DC鏈路204之DC電力轉換成用於對應馬達106之可變頻率、可變電壓AC電力。反相器206可為電力模組，其可包括用線結合技術互連之功率電晶體、絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)電力開關及反二極體。此外，應理解，VSD 104之DC鏈路204及反相器206可併有不同於上文所述之組件的組件，只 要VSD 104之DC鏈路204及反相器206可為馬達106提供適當輸出電壓及頻率。
關於圖1B及圖2B，反相器206係由控制系統聯合地控制，以使得每一反相器206基於提供至反相器206中之每一者的共同控制信號或控制指令以相同的所要電壓及頻率將AC電力提供至對應馬達。在另一實施例中，反相器206由控制系統個別地控制，以准許每一反相器206基於提供至每一反相器206之單獨控制信號或控制指令以不同的所要電壓及頻率將AC電力提供至對應馬達106。此能力准許VSD 104之反相器206獨立於連接至其他反相器206之其他馬達106及系統之要求更有效地滿足馬達106及系統需求及負載。舉例而言，一個反相器206可將全功率提供至馬達106，而另一反相器206將一半功率提供至另一馬達106。任一實施例中的反相器206之控制可藉由控制面板或其他合適控制裝置進行。
對於待由VSD 104供電之每一馬達106，VSD 104之輸出級中存在對應反相器206。可由VSD 104供電之馬達106之數目取決於併入至VSD 104中之反相器206之數目。在一個實施例中，可存在併入VSD 104中之2或3個反相器206，該等反相器與DC鏈路204並聯連接且用於為對應馬達106供電。儘管VSD 104可具有2及3個之間的反相器206，但應理解，可使用3個以上反相器206，只要DC鏈路204可將適當DC電壓提供至反相器206中之每一者且維持該電壓。
圖3大體說明使用圖1A及圖2A之系統組態及 VSD 104之製冷或冷卻器系統的一個實施例。如圖3中所示，HVAC製冷或液體冷卻器系統300包括壓縮機302、冷凝器配置304、液體冷卻器或蒸發器配置306及控制面板308。壓縮機302係由藉由VSD 104供電之馬達106驅動。VSD 104接收來自AC電源102的具有特定固定線路電壓及固定線路頻率之AC電力且以所要電壓及所要頻率將AC功率提供至馬達106，所要電壓及所要頻率兩者可改變以滿足特定要求。控制面板308可包括多種不同組件(諸如類比至數位(A/D)轉換器、微處理器、非依電性記憶體及介面板)，以控制冷卻系統300之操作。控制面板308亦可用以控制VSD 104及馬達106之操作。
壓縮機302壓縮製冷劑蒸汽且經由排出管線將蒸汽傳遞至冷凝器304。壓縮機302可為任何合適類型之壓縮機，例如，螺旋壓縮機、離心壓縮機、往復式壓縮機、捲動壓縮機等。由壓縮機302傳遞至冷凝器304之製冷劑蒸汽參加與流體(例如，空氣或水)之熱交換關係，且作為與流體之熱交換關係的結果而經歷至製冷劑液體之相變。來自冷凝器304之冷凝液體製冷劑經由膨脹裝置(未圖示)流至蒸發器306。
蒸發器306可包括用於冷卻負載之供應管線及回流管線之連接。次要液體(例如，水、乙烯、氯化鈣鹵水或氯化鈉鹵水)經由回流管線行進至蒸發器306中且經由供應管線離開蒸發器306。蒸發器306中之液體製冷劑參加與次要液體之熱交換關係以降低次要液體之溫度。蒸發器306中 之製冷劑液體作為與次要液體之熱交換關係的結果而經歷至製冷劑蒸汽之相變。蒸發器306中之蒸汽製冷劑藉由吸入管線而離開蒸發器306且回流至壓縮機302以完成循環。應理解，冷凝器304及蒸發器306之任何合適組態可用於系統300中，其條件為獲得製冷劑在冷凝器304及蒸發器306中之適當相變。
HVAC製冷或液體冷卻器系統300可包括圖3中未展示之許多其他特徵。為說明簡單起見，此等特徵已故意省略以簡化圖式。此外，儘管圖3說明HVAC製冷或液體冷卻器系統300具有連接在單一製冷劑電路中的一個壓縮機，但應理解，系統300可具有連接至一或多個製冷劑電路中之每一者的多個壓縮機，該等壓縮機藉由如圖1B及圖2B中所示的單一VSD或大體參見圖1A及2A中所示之實施例的多個VSD供電。
接下來參看圖4，展示輸入濾波器10之元件的示意圖。藉由將三相AC輸入電感器16分成每相之線路側電感器26及負載側電感器28，在轉換器202之前對藉由主動轉換器202產生之EMI/RFI源濾波。線路側電感器26及負載側電感器28係藉由電感器抽頭部分18連接。電容性三相濾波器元件20Y形連接在電感器抽頭部分18之間。可選接地連接22可連接至Y形連接濾波器元件20之共點21。接地連接22可替代地包括接地電容器23。線路側電感器26及負載側電感器28分別地及電容性濾波器元件20設計成具有電感值及電容值以提供EMI/RFI源(亦即，藉由轉換器202傳導之輸入 電流之高頻切換分量)之滾降。輸入濾波器將經由電感26及28之差分模式電感組件之高阻抗及經由三相Y形連接電容20之低阻抗提供至EMI/RFI源，同時經由具有最小阻抗之網路傳送電力電流之基本分量，例如，60Hz。藉由利用四或五分支(4/5)之輸入電感器16，共模電感組件經由電感26及28且與可選接地連接22或接地電容器23一起形成，增加至濾波器10之容量，作用以防止藉由轉換器202產生之共模電流流至主電源102中。輸入濾波器10之Y形連接點21可直接接地或替代地經由單獨電容器23接地，以提供高頻電流至接地之更大分流。在一個實施例中，電感器16可具備低的繞組間電容。
線路側電感器26提供Y形連接電容器20與AC電源102之間的VSD 104之預定切換頻率下的阻抗。線路側電感器26之阻抗經設計以允許Y形連接電容器20比輸入AC主電源102與VSD 104之間不具相當大阻抗之系統更有效。電感器26亦在反向方向上提供高頻阻抗，以約束高頻電流自轉換器202流至AC電源102。因此，電感器26約束或限制高頻發射反射回至AC電源102。
電感器28提供電容器20與至104之輸入之間的阻抗。電感器28提供AC電源102與VSD 104之主動轉換器202部分之間的高阻抗。替代地，若VSD 104為具有被動整流器轉換器之習知VSD，則電感器28之阻抗隔離VSD 104與輸入AC主電流102且減少自VSD 104傳導至主電源102之高頻發射。
Y形連接電容器組20針對VSD 104之至少一個切 換頻率提供相導體A、B及C之間的低阻抗，且針對差分模式電流提供低阻抗。Y形連接電容器組20亦針對至大地接地連接22之至少一個切換頻率之流提供低阻抗(假定提供大地接地連接)，以用於減小共模電流。
接下來參看圖5，說明具有具EMC濾波器之輸出濾波器及視情況共模/差分模式輸入濾波器電路之變速驅動器的實施例。如上文關於圖4所描述之EMI/RFI輸入濾波器連接在轉換器202之輸入處，且執行如上所述之相同濾波功能。在VSD 104之輸入處添加具有電感器16之輸入濾波器有效地提供AC電力主電源102與VSD 104之間的高阻抗電路。為提供用於共模電流之低阻抗路徑，包括三個共模電容器32之三相Y形連接電容器組30連接在VSD之馬達連接端子38與大地接地22之間。電容器組30等效於高頻下之短路(亦即，低阻抗)，從而將存在於三個VSD輸出端子34上之破壞性高頻AC分量有效地接地且防止破壞性AC分量到達連接至VSD的馬達或其他類型之負載，因此濾除產生於共模電壓之電流。電容器組30允許高頻AC分量繞過馬達之寄生電容性接地元件且消除由共模電壓及電流引起的軸承損害。
EMC濾波器50包括來自相位至接地電路的用於主動轉換器區段202之每一輸入相位A、B及C之串聯RC電路。在一個實施例中，EMC濾波器50包括每一相位A、B及C與接地22之間的三個RC濾波器51，其包括與電容器54串聯連接之電阻器52。
接下來參看圖6，在另一例示性實施例中，VSD 104包括被動轉換器201，以替代圖5中所示之主動轉換器。如上文關於圖5所描述，轉換器201將來自AC電源102之線路電壓AC電力轉換成DC電力。DC鏈路204對來自轉換器202之DC電力濾波且提供能量儲存組件。反相器206將來自DC鏈路204之DC電力轉換成可變頻率、可變電壓AC電力。在一實施例中，與電容器54串聯連接之電阻器52可具有一電阻值，其減小VSD可產生並聯諧振所在之頻率下的增益，從而導致峰值雜訊轉移。RC濾波器可具有用於電阻器52及電容器54之不同值，以針對峰值雜訊頻率之變化進行調整，峰值雜訊頻率可在150kHz至30000kHz之範圍中。
EMC濾波器50包括來自相位至接地電路的用於被動轉換器區段201之每一輸入相位A、B及C之串聯RC電路。在一個實施例中，EMC濾波器50包括三個RC濾波器51，RC濾波器51包括在每一相位A、B及C與接地22之間與電容器54串聯連接之電阻器52。EMC濾波器在轉換器201之線路側上在抽頭18處連接至被動轉換器201。線路側電感器26連接在輸入AC源102與EMC濾波器50之間。
參看圖7，展示了包括EMC濾波器50之共模等效電路。Lrectifier/3為VSD 104之整流器側電感，Ccommon_mode為VSD之共模電容，Rdamp為輸入濾波器之阻尼電阻，Cparasitic為自DC鏈路204及轉換器202/反相器206 AC端子至接地的寄生電容，且Lground_strap為接地連接22之寄生電感。Rf為電阻器52且Cf為電容器54。電阻器52將通過電容器54及主動轉換器區段202之峰值電流減至最小， 且電容器54在接近於基本輸入頻率(例如，50/60kHz)下減小電阻器52中之功率損耗。電阻器52之值可經選擇，以使得在並聯諧振頻率下獲得增益之足夠減小。轉換器產生之雜訊衰減，如分別在圖8及圖9中之峰值802及902處可見。
應理解，本申請案不限於以下描述中所闡述或圖式中所說明之細節或方法。亦應理解，本文中所使用之措詞及術語僅出於描述之目的且不應被視為限制性的。
儘管圖式中所說明且本文中所描述之例示性實施例係目前較佳的，但應理解，此等實施例僅以實例方式提供。因此，本申請案不限於特定實施例，而擴展至儘管如此屬於所附申請專利範圍之範疇的各種修改。任何處理程序或方法步驟之次序或順序可根據替代實施例改變或重新定序。
本人主張本文中所揭示的所有可獲專利之標的。
18‧‧‧電感器抽頭部分
26‧‧‧線路側電感器
38‧‧‧馬達連接端子
50‧‧‧電磁相容性(EMC)濾波器
51‧‧‧RC濾波器
52‧‧‧電阻器
54‧‧‧電容器
102‧‧‧AC電源
104‧‧‧變速驅動器(VSD)
201‧‧‧被動轉換器
204‧‧‧DC鏈路級
206‧‧‧反相器
522‧‧‧可選接地連接/接地
A、B、C‧‧‧相位

Claims (10)

  1. 一種變速驅動系統，其組配來接收處於一固定交流(AC)輸入電壓量值及頻率的AC電力作為一輸入，且以一可變電壓及一可變頻率提供一輸出AC電力，該變速驅動器包含：一轉換器，其經調適以耦接至提供輸入AC電壓之一AC電源，該轉換器係組配來將該輸入AC電壓轉換為一直流(DC)電壓；一DC鏈路，其連接至該轉換器，該DC鏈路係組配來對該DC電壓濾波且儲存來自該轉換器之能量；一反換器，其連接至該DC鏈路，該反換器組配來將來自該DC鏈路之該DC電壓轉換成具有該可變電壓及該可變頻率之該輸出AC電力；一輸入濾波器，其包含具有三個繞組之一三相電感器，每一繞組具有經調適以耦接至該輸入AC電力之一相的一第一端、及耦接至該反換器的一第二端；以及一電磁相容濾波器，其具有在輸入濾波器繞組之該等第二端中之至少一者與一接地點之間的一電阻器電容器電路，其中該電磁相容濾波器並不需要載運該變速驅動系統之所有電流，且其中該電磁相容濾波器係組配來實質上減小該轉換器藉由並聯諧振產生雜訊所在的一頻率範圍上的雜訊之增益，藉此防止來自該並聯諧振之該雜訊經由該輸入濾波器傳遞至該輸入AC電力之一 來源。
  2. 如請求項1之變速驅動系統，該電磁相容濾波器進一步包含連接至該輸入濾波器繞組之個別第二端的第一濾波器端，及連接至一共同接地點之一第二濾波器端。
  3. 如請求項2之變速驅動系統，該電磁相容濾波器進一步包含一電阻器電容器濾波器組，連接至該輸入濾波器繞組之該等個別第二端的該等第一濾波器端形成一Y形組態。
  4. 如請求項1之變速驅動系統，其進一步包含為該轉換器上之一接地點的共同接地點。
  5. 如請求項1之變速驅動系統，其進一步包含具有一被動前端之一轉換器。
  6. 如請求項1之變速驅動系統，其進一步包含該三相電感器的每一繞組具有將每一繞組分成一對電感器區段之一中心抽頭。
  7. 如請求項6之變速驅動系統，其進一步包含具有一主動前端之一轉換器。
  8. 一種操作變速驅動系統之方法，該方法包含：接收處在一固定AC輸入電壓量值及頻率的輸入AC電力；在一轉換器中將輸入AC電壓轉換為一DC電壓；在一DC鏈路中對該DC電壓濾波且儲存來自該轉換器之能量；將來自該DC鏈路之該DC電壓反換成AC電力； 以一可變電壓及一可變頻率提供一輸出AC電力；以及使用具有一電阻器電容器電路之一電磁相容濾波器衰減該轉換器中藉由並聯諧振導致之雜訊之增益，藉此防止該雜訊經由輸入濾波器傳遞至該輸入AC電力之一來源。
  9. 一種配合變速驅動器使用之電磁相容濾波器，該變速驅動器包含經調適以耦接至一輸入AC電源之一輸入、耦接在該輸入與一轉換器之間的一輸入濾波器，該電磁相容濾波器在一第一端處耦接至該輸入濾波器與該轉換器之接合點且在一第二端處耦接至一接地點，該電磁相容濾波器在該第一端與該第二端之間具有一電阻器電容器電路，以及該電磁相容濾波器能夠使該轉換器中藉由並聯諧振導致之雜訊之增益衰減，藉此防止該雜訊經由該輸入濾波器傳遞至該AC電源。
  10. 如請求項9之電磁相容濾波器，其進一步包含該第二端所耦接的該接地點為該轉換器上之一接地點。
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