Результат интеллектуальной деятельности: ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОКА

Изобретение относится к преобразователю тока, в частности к частотному преобразователю, с указанными в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения признаками.

На сегодняшний день преобразователи тока используются во многих технических применениях. Так, например, для центробежных насосов, которые используются в качестве циркуляционных насосов систем отопления или тому подобного, на сегодняшний день имеет место в уровне техники оснащать их частотным преобразователем, который расположен в закрепленной в большинстве случае на корпусе двигателя клеммовой коробке или в корпусе частотного преобразователя. Подобные частотные преобразователи имеют множество электронных конструктивных элементов, из которых в качестве источника помех выходят электромагнитные и/или электростатические излучения, которые должны экранироваться, для того чтобы обеспечивать электромагнитную совместимость (ЭМС). С другой стороны такие частотные преобразователи имеют также чувствительные электронные конструктивные элементы (приемники помех), в частности электронику управления и регулировки, которые необходимо защищать от электромагнитных и/или электростатических воздействий.

Для этого в уровне техники имеет место заключать образующие преобразователь тока электрические и электронные конструктивные элементы в клетку Фарадея.

Из DE 297 22 918 U1 согласно уровню техники известно рассчитывать весь корпус преобразователя тока в виде клетки Фарадея.

Несмотря на такое полное экранирование преобразователя тока клеткой Фарадея, может быть затруднительно, обеспечивать электромагнитную совместимость преобразователя тока. На практике это реализуется вследствие того, что дополнительно адаптируется время переключения, в частности время нарастания и время спада при переключении электронных переключателей, для того чтобы в частности в диапазоне высоких частот получать более низкое излучение помех. Тем не менее, это имеет тот недостаток, что вследствие этого ухудшается коэффициент полезного действия частотного преобразователя, то есть возникают потери.

Также в уровне техники имеет место располагать большие помехоподавляющие ферриты вокруг входного кабеля.

Исходя из этого, в основе изобретения лежит задача по уменьшению указанных выше недостатков, то есть по улучшению электромагнитной совместимости преобразователя тока, в частности частотного преобразователя, по возможности без потерь мощности и без высокой конструктивной сложности.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью преобразователя тока с указанными в пункте 1 формулы изобретения признаками. Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения, в последующем описании и на чертеже. При этом указанные в зависимых пунктах формулы изобретения и в описании признаки могут в каждом случае по отдельности, а также в подходящей комбинации дополнительно развивать соответствующее изобретению решение согласно пункту 1 формулы изобретения.

Соответствующий изобретению преобразователь тока, в частности частотный преобразователь, имеет корпус, в котором расположены электрические и электронные конструктивные элементы, и который выполнен, по меньшей мере, частично в виде клетки Фарадея. Согласно изобретению корпус имеет, по меньшей мере, две клетки Фарадея.

Основная идея соответствующего изобретению решения - это предусматривать, по меньшей мере, две клетки Фарадея, для того чтобы таким образом достичь лучшего электромагнитного разделения конструктивных элементов или конструктивных узлов внутри частотного преобразователя и тем самым улучшить ЭМС.

Экранирование выпрямителей тока, в частности частотных преобразователей, является сложным, так как необходимо экранировать комбинацию из емкостных, магнитных и электромагнитных полей. Для экранирования магнитных полей важным является то, что клетка Фарадея образует замкнутую проводящую ток поверхность, чтобы индуцированные токи могли закорачиваться. Для экранирования емкостных или магнитных полей клетка Фарадея должна рассчитываться таким образом, что отверстие в клетке Фарадея всегда меньше, чем одна треть наименьшего расстояния от электрического конструктивного элемента до клетки. Для электромагнитного экранирования необходимым является то, что отверстия в клетке Фарадея значительно меньше, чем длина волны экранируемого электромагнитного поля, обычно тридцатая часть длины волны. Так как в выпрямителе тока возникают частоты до 30 ГГц, на практике клетка Фарадея для экранирования должна иметь дыры, отверстия, выемки или тому подобное, ширина в свету которых или диаметр которых меньше чем 3,3 мм. При этом расстояние от электрических/электронных конструктивных элементов до клетки Фарадея должно составлять более чем 10 мм.

При этом наиболее предпочтительно, если согласно усовершенствованию изобретения две разделенные клетки Фарадея имеют одну общую стенку клетки. Такая конструкция является высокоэффективной, а благодаря совместному использованию одной стенки клетки также экономичной. Проведение проводов через такую стенку осуществляется предпочтительно при помощи проходного конденсатора.

Наиболее предпочтительный вариант осуществления изобретения получается вследствие того, что один или несколько конструктивных элементов, которые во время работы образуют электромагнитный и/или электростатический источник помех, расположены, по меньшей мере, в одной клетке Фарадея, и один или несколько конструктивных элементов, которые чувствительны к приему электромагнитных и/или электростатических сигналов помех (приемник помех), расположены, по меньшей мере, в одной другой клетке Фарадея. Это соответствующее изобретению усовершенствование наиболее эффективно, так как при помощи, по меньшей мере, двух клеток Фарадея с одной стороны осуществляется экранирование конструктивных элементов, создающих сигналы помех, а с другой стороны образовано экранирование для наиболее чувствительных к сигналам помех конструктивных элементов. Вследствие этого возникающие внутри преобразователя тока высокочастотные помехи могу очень существенно сокращаться, в частности, если рассматривается выходящее в целом из преобразователя тока излучение помех, и периоды переключения больше не должны продлеваться.

При этом наиболее предпочтительно, если, по меньшей мере, электронные переключатели силовой цепи преобразователя тока, предпочтительно вся силовая цепь расположены в одной собственной клетке Фарадея. Силовая цепь преобразователя тока обычно представляет собой сравнительно большой источник помех, который экранируется предпочтительно отдельно внутри преобразователя тока посредством клетки Фарадея.

Дополнительно или альтернативно является наиболее предпочтительным, если, по меньшей мере, один или несколько входных и/или выходных помехоподавляющих фильтров расположены в отделенных друг от друга клетках Фарадея. Вследствие этого может эффективно предотвращаться излучение помех из преобразователя тока наружу.

Для того чтобы предотвращать то, что при прохождениях проводов внутри преобразователя тока между клетками Фарадея передаются сигналы помех, согласно усовершенствованию изобретения предусмотрен проходной конденсатор (feed through capacitor) в стенке между двумя клетками Фарадея. При этом в одной стенке могут быть предусмотрены один или несколько из таких проходных конденсаторов, в зависимости от количества проводимых проводов. При этом речь может идти о проводах для проведения электрических сигналов и/или для передачи электрической мощности из одной клетки в другую клетку.

Для того чтобы достигать наиболее эффективного сокращения излучения помех, согласно усовершенствованию изобретения, по меньшей мере, один конденсатор на одной стороне электрически соединен со стенкой клетки Фарадея, а на другой стороне электрически соединен с проводом, который проходит через проходное отверстие из одной клетки Фарадея в другую клетку Фарадея. При этом эффект тем лучше, чем ближе этот конденсатор электрически присоединен своей стороной стенки к проходному отверстию.

Такой конденсатор, который закорачивает высокие частоты на клетку Фарадея, предпочтительно предусмотрен в клетке Фарадея, в которой возникает сигнал помех, или, если он поступает снаружи, через которую такой сигнал помех проводится.

Согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения предусмотрена обособленная клетка Фарадея, которая образует клетку выходного фильтра преобразователя тока, который имеет два или большее количество выводящих мощность провода к двигателю и, по меньшей мере, один конденсатор, который подключен между одним проводом и стенкой клетки выходного фильтра. Эта конструкция предпочтительна в частности для исполнений, у которых проходящие к двигателю линии должны выводиться из клетки Фарадея.

В конструктивно простом, однако высокоэффективном с точки зрения ЭМС расположении наряду с проводящими электрическую мощность проводами лишь входной помехоподавляющий фильтр расположен в другой клетке Фарадея. Вследствие этого может эффективно предотвращаться то, что поступающие из силовой части электростатические и/или электромагнитные помехи проникают во входной помехоподавляющий фильтр.

Согласно альтернативному предпочтительному варианту осуществления изобретения может быть предпочтительным располагать статор электрического двигателя, проводящие мощность провода между выпрямителем тока и электрическим двигателем и силовую цепь преобразователя тока в одной общей клетке Фарадея. Такая общая клетка Фарадея может предпочтительно образовываться металлическим корпусом двигателя или альтернативно соответствующим экранированием статора, экранированием кабелей линии между двигателем и выпрямителем тока, а также клеткой Фарадея, которая образует корпус преобразователя тока или часть него.

Целесообразно, но не обязательно клетки Фарадея преобразователя тока и при необходимости также двигателя электрически соединены друг с другом и предпочтительно с потенциалом земли. Наиболее предпочтительно, если корпус преобразователя тока имеет три клетки Фарадея, а именно одну, в которой расположена, по меньшей мере, силовая часть преобразователя тока, другую для входного помехоподавляющего фильтра и дальнейшую, в которой расположена цепь сопряжения преобразователя тока. Благодаря этому расположению ЭМС выполненного таким образом преобразователя тока может дополнительно улучшаться.

Если- что зачастую случается при неправильном соединении электронных компонентов- в выпрямителе тока предусмотрена печатная плата с расположенными на ней электронными конструктивными элементами, которые соединены токопроводящими дорожками на верхней стороне платы, то согласно предпочтительному усовершенствованию изобретения, по меньшей мере, некоторые электронные конструктивные элементы охвачены, по меньшей мере, одной клеткой Фарадея, причем проводящий слой печатной платы образует стенку клетки Фарадея. Таким образом, если конструктивные элементы соединены друг с другом токопроводящими дорожками на верхней стороне, то этим проводящим слоем обычно является находящийся под ними слой или же слой на нижней стороне печатной платы.

Если, что предпочтительно, электронные конструктивные элементы расположены в отделенных друг от друга областях печатной платы, то предпочтительно одна или несколько из этих разделенных областей охвачены одной или же несколькими клетками Фарадея, причем проводящая поверхность платы образует стенку клеток Фарадея. Таким образом, на одной стороне печатной платы могут располагаться несколько клеток Фарадея друг около друга, причем предпочтительно соседние клетки Фарадея в каждом случае имеют одну общую стенку, и нижняя стенка клеток образуется проводящей поверхностью печатной платы, например промежуточным слоем или проводящим слоем на нижней стороне.

Альтернативно или дополнительно электронные конструктивные элементы могут быть расположены на верхней и нижней стороне печатной платы, причем клетки Фарадея могут распространяться с обеих сторон от печатной платы, и проводящий слой внутри печатной платы образует стенку клеток Фарадея на обеих сторонах. В этом случае печатная плата является многослойной печатной платой.

Таким образом, согласно изобретению клетки Фарадея могут быть расположены на одной стороне печатной платы друг около друга и/или на обеих сторонах печатной платы по отдельности или друг около друга. Согласно усовершенствованию изобретения одна клетка Фарадея может также распространяться с обеих сторон печатной платы, в этом случае печатная плата предпочтительно на обеих сторонах снабжена электронными конструктивными элементами и соединена посредством электрических проводников (отверстий под проволоку), которые проходят через печатную плату. В этом случае клетка Фарадея распространяется сквозь саму печатную плату.

Наиболее предпочтительно конструкция соответствующего изобретению преобразователя тока используется для частотного преобразователя электрического приводного двигателя лопастного насоса, корпус которого (частотного преобразователя) расположен в или на корпусе двигателя и/или насоса, так что образованные в корпусе частотного преобразователя клетки Фарадея могут простым образом с проведением электричества соединяться при необходимости с корпусом двигателя и/или корпусом насоса. В качестве приводного двигателя предпочтительно служит асинхронный электродвигатель или двигатель с постоянными магнитами.

Для того чтобы обеспечивать достаточное экранирование от магнитных, электромагнитных и емкостных полей, клетка Фарадея предпочтительно образована настолько закрытой, что отверстия, выемки или просветы выполнены настолько малыми, что их ширина в свету или их максимальный диаметр меньше чем 3,3 мм. Кроме того, является преимуществом, если электрические/электронные конструктивные элементы внутри клетки Фарадея, исключая области, в которых проведены линии, имеют расстояние, по меньшей мере, в 10 мм до стенки клетки. Это минимальное расстояние должно естественно занижаться в области проходов линий. В этой области требуются описанные более подробно вверху меры, например расположение проходных конденсаторов, для того чтобы эффективно предотвращать вход или выход излучений помех из клетки Фарадея.

Далее изобретение поясняется более подробно при помощи изображенных на чертежах примеров осуществления, на которых показано:

фиг. 1 - электрическая схема снабженного входным помехоподавляющим фильтром частотного преобразователя согласно изобретению с подключенным двигателем, на которой двигатель соединен с частотным преобразователем через кабель;

фиг. 2 - альтернативное исполнение на изображении согласно фиг. 1, на котором двигатель и частотный преобразователь расположены в одном общем корпусе;

фиг. 3a - электрическая схема входного помехоподавляющего фильтра первого варианта осуществления;

фиг. 3b - электрическая схема входного помехоподавляющего фильтра согласно второму варианту осуществления;

фиг. 4 - на разрезе через многослойную печатную плату соединение двух клеток фарадея;

фиг. 5 - разрез по линии V-V разреза на фиг. 4; и

фиг. 6 - разрез по линии VI-VI разреза на фиг. 5.

Изображенный на фиг. 1 частотный преобразователь предусмотрен для подключения к сети 1 переменного тока. На фигуре по причинам лучшей наглядности изображена однофазная версия, однако следует понимать, что в соответствии с тем же принципом конструкции благодаря добавлению соответствующих линий и конструктивных элементов может быть также предусмотрено многофазное питание. Подключаемая к сети 1 переменного тока питающая линия 2 сначала проведена через входной помехоподавляющий фильтр 3, который расположен в первой клетке 4 Фарадея или экранирован ею. Внутри входного помехоподавляющего фильтра 3 оба провода 2a и 2b соединены друг с другом при помощи конденсатора 5, говоря о котором, речь идет о конденсаторе класса защиты X2. Кроме того, провода 2a и 2b питающей линии 2 внутри первой клетки 4 Фарадея соединены с проведением электричества в каждом случае через конденсатор 6 с клеткой 4 Фарадея.

Наконец, провода 2a и 2b, после того как они с целью короткого замыкания высоких частот прошли конденсатор 5, подведены к синфазному дросселю 7 (CMC), а именно провод 2a к одной стороне дросселя, а провод 2b к другой стороне дросселя 7, прежде чем они через отверстие 8 в стенке первой клетки 4 Фарадея выведены во вторую клетку 9 Фарадея. Рядом с отверстием 8 провода 2a и 2b в каждом случае через конденсатор 10 соединены с проведением электричества со второй клеткой 9 Фарадея, говоря о конденсаторах 10, речь идет о конденсаторах класса защиты Y2. Далее провода 2a и 2b соединены со стороны входа второй клетки 9 Фарадея посредством конденсатора 11, который так же, как и конденсатор 5 является конденсатором класса защиты X2.

Далее питающая линия 2 подведена к цепи 12 выпрямителя, выход которой известным по существу способом запитывает промежуточную цепь 13, а также сверх этого импульсный блок 14 питания, который предусмотрен для электропитания расположенной в третьей клетке 15 Фарадея связующей цепи 16. цепь 16 сопряжения включает в себя расположенный за пределами третьей клетки 15 Фарадея датчик 17, который при помощи линии 18 через отверстие 19 соединен со связующей цепью 16 внутри третьей клетки 15 Фарадея. Сигналы связующей цепи 16 передаются беспроводным способом при помощи интегрированных в стенку между третьей и второй клеткой Фарадея оптронов 20 и затем принимаются микроконтроллером 21, который расположен внутри второй клетки 9 Фарадея и управляет шестью силовыми выключателями 22, которые в каждом случае попарно согласованы с проводами 23a, 23b и 23c, которые образуют питающие линии для трех фаз подключенного к ним электрического двигателя 24. цепь 16 сопряжения служит для подключения одного или нескольких датчиков и для подключения одного или нескольких кабелей передачи данных или беспроводных каналов передачи данных. Соединение между связующей цепью 16 и микроконтроллером 21 частотного преобразователя гальванически изолировано посредством изображенных здесь в качестве примера оптронов 20 или передатчиков. В идеале гальваническая изоляция расположена в отверстии между двумя клетками Фарадея. Электропитание для связующей цепи 16 должно также присоединяться к клетке Фарадея при помощи конденсатора, который расположен максимально близко к отверстию, через которое питающий кабель проведен через стенку.

Провода 23a, 23b и 23c в каждом случае проведены через дроссель 25 и непосредственно перед выводом проводов через отверстие 26 соединены во второй клетке 9 Фарадея через конденсаторы 27 с линией 28, которая в свою очередь через конденсатор 10 соединена с проведением электричества со второй клеткой 9 Фарадея. Конденсаторы 27 являются конденсаторами класса защиты X2.

Провода 23 во второй клетке 9 Фарадея, которая вмещает в себя входную, промежуточную и силовую цепь частотного преобразователя, проведены через отверстие 26 в четвертую клетку 29 Фарадея, которая образует клетку выходного фильтра, в которой каждый из проводов 23a, 23b и 23c сначала проходит дроссель 30 и непосредственно перед своим выходом через отверстие 31 соединен с конденсатором 32, другая сторона которого соединена с проведение электричества с четвертой клеткой 29 Фарадея. Конденсаторы 32 являются конденсаторами класса защиты Y2.

Клетки 4, 9, 15 и 29 Фарадея соединены с проведением электричества друг с другом и с потенциалом земли. Они, как наглядно показывает электрическая схема согласно фиг. 1, имеют частично общие стенки и образованы посредством металлической оболочки или посредством очень мелкоячеистой сетки, например медной сетки. Они могут образовывать часть корпуса частотного преобразователя, а также одну или несколько печатных плат, на которых расположены и подключены конструктивные элементы.

На Фиг. 1 показан вариант осуществления, в котором частотный преобразователь имеется в виде собранного из нескольких клеток Фарадея блока, вход которого обозначен питающей линией 2, и выход которого обозначен проводами 23a, 23b и 23c, которые питают двигатель 24.

В изображенном при помощи фиг. 2 варианте осуществления, который, если касаться первой и третьей клетки 4 и 15 Фарадея, идентично совпадает с описанным выше исполнением, третья клетка Фарадея, которая на фиг. 2 обозначена ссылочной позицией 33, включает в себя сверх этого еще двигатель 24, а также проводку линии к двигателю. При этом проводка линии образована посредством общего экранирования 34 линии, которое с одной стороны соединено с третьей клеткой 33 Фарадея и прилегает к ней, а с другой стороны прилегает к корпусу 35 статора, который экранирует статор двигателя 24 и таким образом образует часть третьей клетки 33 Фарадея. Как наглядно показывает электрическая схема согласно фиг. 2, такое расположение делает возможным отказ от дросселей 25 и 30, а также от конденсаторов 27 и 32 согласно варианту осуществления на фиг. 1, таким образом выходной помехоподавляющий фильтр не нужен вследствие этого.

Общим для обоих исполнений является то, что силовая цепь всегда расположена в отдельной клетке Фарадея, так как силовая цепь образует во всем частотном преобразователе самый большой электромагнитный/электростатический источник помех. От нее отделена наиболее чувствительная цепь сопряжения, которая расположена в третьей клетке 15 Фарадея. Наконец, от силовой цепи также отделена клетка Фарадея, которая образует входной помехоподавляющий фильтр. Его конструкцию в подробностях также показывает фиг. 3a, которой ниже противопоставлена фиг. 3b, которая показывает еще более улучшенный по сравнению с фиг. 3a вариант осуществления. В варианте осуществления согласно фиг. 3b два входных помехоподавляющих фильтра 3 соединены последовательно друг за другом, вследствие чего дополнительно улучшается электромагнитная совместимость частотного преобразователя.

Изображенные при помощи фиг. с 1 по 3 электрические схемы иллюстрируют по существу электрическое расположение и соединение конструктивных элементов. Как эти элементы можно располагать на одной или нескольких печатных платах в различных клетках Фарадея, было описано уже вначале, для конструктивного многообразия границы здесь практически отсутствуют. В частности при использовании имеющих многослойную структуру печатных плат проводящий слой платы может предпочтительно образовывать часть одной или же нескольких клеток Фарадея. Также клетка Фарадея может проходить сквозь печатную плату, как это изображено в подробностях при помощи фиг. с 4 по 6.

Изображенная на фиг. с 4 по 6 многослойная печатная плата 36 имеет в целом четыре проводящих электричество слоя 37, 38, 39 и 40, которые в каждом случае могут использоваться по существу для электрического монтажа расположенных на них или под ними электронных конструктивных элементов. Если проводящий электричество слой 37 на верхней стороне или проводящий электричество слой 40 на нижней стороне образуют известным по существу образом токопроводящие дорожки для расположенных на верхней стороне или расположенных на нижней стороне конструктивных элементов, то как на верхней стороне могут образовываться одна или несколько клеток Фарадея, которые внизу замыкаются проводящим электричество слоем 38, так и могут образовываться расположенные на нижней стороне клетки Фарадея, которые вверху замыкаются проводящим слоем 39.

При помощи фиг. с 4 по 6 изображено, как предусмотренная на верхней стороне печатной платы клетка 41 Фарадея с проведение электричества соединяется через печатную плату с предусмотренной на одной прямой относительно нее на нижней стороне печатной платы клеткой 42 Фарадея, для того чтобы таким образом образовывать одну общую, включающую в себя участок печатной платы клетку 41, 42 Фарадея. Соединение клеток 41 и 42 осуществляется через отверстие 43 под провод (wire holes -) и, исходя из них, через расположенные в проводящем слое 37 на верхней стороне или в проводящем слое 40 на нижней стороне замыкающие токопроводящие дорожки, на которых контактируют стенки клеток 41 и 42 Фарадея. На определенном расстоянии друг от друга предусмотрены эти отверстие 43 под провод, которые образованы посредством пронизывающего плату 36 сквозного отверстия, на стенку которого нанесен проводящий электричество слой, который в области соединен с проводящим электричество слоем 37 на верхней стороне, а также с проводящим электричество слоем 40 на нижней стороне платы. Расположенные между проводящими электричество слоями 37 и 40 на верхней и соответственно нижней стороне печатной платы 36, проводящие электричество слои 38 и 39 убраны в области этих отверстий 43 под провод и таким образом могут использоваться для других электрических соединений.

СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 сеть переменного тока

2 питающая линия с проводами 2a и 2b

2a фаза

2b нулевой провод

3 входной помехоподавляющий фильтр

4 первая клетка Фарадея

5 конденсатор класса защиты X2

6 конденсатор класса защиты Y2

7 синфазный дроссель (CMC)

8 отверстие

9 вторая клетка Фарадея

10 конденсатор класса защиты Y2

11 конденсатор класса защиты X2

12 цепь выпрямителя

13 промежуточная цепь

14 импульсный блок питания

15 третья клетка Фарадея

16 цепь сопряжения

17 датчик

18 линия

19 отверстие

20 оптрон

21 микроконтроллер

22 силовой выключатель

23 a, b, c провод

24 двигатель

25 дроссель

26 отверстие

27 конденсатор класса защиты X2

28 линия

29 четвертая клетка Фарадея

30 дроссель

31 отверстие

32 конденсатор класса защиты Y2

33 третья клетка Фарадея (фиг. 2)

34 экранирование линии

35 корпус статора

36 многослойная печатная плата.