(57)【要約】【課題】２つのサージ電圧抑制回路を設けることなく、電動機に印加されるコモンモードサージ電圧を低減することができる小型で低コストの電動機駆動装置を提供する。【解決手段】三相交流電力を直流電力に変換して出力するＰＷＭ整流器２１と、該ＰＷＭ整流器２１から出力される直流電力を三相交流電力に変換して電動機１４に供給するＰＷＭインバータ２３とを備えた電動機駆動装置１０であって、電動機１４に印加されるサージ電圧を、ＰＷＭ整流器２１の三相交流入力側及び直流出力側間に接続したコモンモードサージ電圧抑制装置３０で抑制する。【選択図】図１
2020010484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電力を直流電力に変換して出力するＰＷＭ整流器と、該ＰＷＭ整流器から出力される直流電力を三相交流電力に変換して電動機に供給するＰＷＭインバータとを備えた電動機駆動装置であって、
前記電動機に印加されるサージ電圧を、前記ＰＷＭ整流器の三相交流入力側及び直流出力側間に接続したコモンモードサージ電圧抑制装置で抑制することを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項２】
前記コモンモードサージ電圧抑制装置は、
前記ＰＷＭ整流器の三相交流入力側に接続されたコンデンサをスター結線した入力側コンデンサと、
前記ＰＷＭ整流器の直流出力側をコンデンサを介して高周波接続する出力側コンデンサと、
前記入力側コンデンサと前記三相交流との接続点と、前記ＰＷＭ整流器の直流出力側への前記出力側コンデンサの接続点との間に接続したコモンモード成分に効果のあるインダクタンス成分とを備え、
前記入力側コンデンサによって形成される三相仮想中性点と、前記出力側コンデンサの中立点とを接続したことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記コモンモードサージ電圧抑制装置の前記入力側コンデンサ、前記ＰＷＭ整流器、前記出力側コンデンサ、及び前記インダクタンス成分で構成される経路中に減衰抵抗を介挿したことを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
前記減衰抵抗と前記コモンモードサージ電圧抑制装置のコモンモード成分におけるＬＣ共振による減衰係数を０．２〜０．５の範囲に設定したことを特徴とする請求項３に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記コモンモードサージ電圧抑制装置のコモンモード成分におけるＬＣ共振周波数を、前記ＰＷＭ整流器のスイッチング周波数より低く設定することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記コモンモードサージ電圧抑制装置のコモンモード成分におけるＬＣ共振周波数を、前記三相交流電源の三次高調波周波数より高く設定することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
三相交流電力を直流電力に変換して出力するＰＷＭ整流器と、該ＰＷＭ整流器から出力される直流電力を三相交流電力に変換して電動機に供給するＰＷＭインバータとを備えた電動機駆動装置であって、
前記電動機に印加されるサージ電圧を、前記ＰＷＭ整流器の三相交流入力側及び直流出力側間に接続したコモンモードサージ電圧抑制装置で抑制し、
前記コモンモードサージ電圧抑制装置のコモンモード成分におけるＬＣ共振周波数を、三相交流系統整流器−前記ＰＷＭインバータ−前記電動機−アース線を介して形成されるループ経路のＬＣ共振周波数よりも高く設定することを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項８】
１台の前記ＰＷＭ整流器に対して、少なくとも１台の前記ＰＷＭインバータと、少なくとも２台以上の前記電動機とから構成され、前記１台の前記ＰＷＭ整流器に前記コモンモードサージ電圧抑制装置を接続したことを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の電動機駆動装置。
【請求項９】
１台の前記ＰＷＭ整流器に対して、複数台の前記ＰＷＭインバータと、複数台の前記電動機とを接続し、前記１台の前記ＰＷＭ整流器に前記コモンモードサージ電圧抑制装置を接続したことを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の電動機駆動装置。
【請求項１０】
前記１台のＰＷＭインバータと前記電動機との間にノーマルモードサージ電圧抑制装置を接続することを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機駆動装置。
【請求項１１】
三相交流電力を直流電力に変換して出力するＰＷＭ整流器と、該ＰＷＭ整流器から出力される直流電力を三相交流電力に変換して電動機に供給するＰＷＭインバータとを備えた電動機駆動装置であって、
前記電動機に印加されるサージ電圧を、前記ＰＷＭ整流器の三相交流入力側及び直流出力側間に接続したコモンモードサージ電圧抑制装置で抑制し、
前記コモンモードサージ電圧抑制装置のコモンモード成分におけるＬＣ共振周波数を、三相交流系統整流器−前記ＰＷＭインバータ−前記電動機−アース線を介して形成されるループ経路のＬＣ共振周波数よりも高く設定することを特徴とする電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流を整流器で直流に変換してインバータに供給し、このインバータで電動機を駆動するインバータ駆動電動機システムに適用する電動機駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータによって駆動される電動機駆動装置では、電動機に大きなサージ電圧が印可され絶縁破壊による破損・焼損を招く場合がある。特に、パルス幅変調（以下、ＰＷＭと称す）信号で制御されるＰＷＭ整流器と同様にＰＷＭ信号で制御されるＰＷＭインバータを組み合わせて使うシステム構成とすると、より大きなサージ電圧が電動機に印加される。
電動機の破損に繁がるサージ電圧は、電動機巻線の素線間の絶縁破壊に到るノーマルモード成分であるノーマルモードサージ電圧と電動機巻線とフレーム間の絶縁破壊に到るコモンモード成分であるコモンモードサージ電圧に分類される。
【０００３】
ノーマルモードサージ電圧はＰＷＭインバータのスイッチングスピードやスイッチングパターンに依存して発生する。
それに対し、コモンモードサージ電圧は、前述のノーマルモードサージ電圧に加え、ＰＷＭインバータが発生するコモンモード電圧変動、ＰＷＭ整流器が発生するコモンモード電圧変動の３種が合算されたものである。
つまり、ＰＷＭ整流器を含んでインバータ駆動電動機システムを構築すると、コモンモードサージ電圧がより大きくなる。
【０００４】
このサージ電圧を低減するための対策機器は種々提案されている。例えば、特許文献１に記載された先行技術では、インバータと負荷となる電動機との間の電動機配線にサージ電圧抑制回路が接続されている。このサージ電圧抑制回路は、インバータの出力線にリアクトルが夫々配置され、これらリアクトルと誘導電動機との間に一端が接続されたコンデンサの他端がインバータの入力側の負側直流配線に接続され、コンデンサの接続点と誘導電動機との間にダイオードブリッジ回路が接続され、このダイオードブリッジ回路の直流出力側がインバータの正負の直流配線に接続されている。
【０００５】
このサージ電圧抑制回路によって、インバータで発生するノーマルモードサージ電圧を低減する。このとき、コモンモードサージ電圧にも若干の低減効果を発揮し、ノーマルモードサージ電圧の低減量だけコモンモードサージ電圧も低減される。
それに対し、ノーマルモードサージ電圧とコモンモードサージ電圧の両方を低減するための対策機器も多く提案されている。例えば、特許文献２に記載された先行技術では、インバータと電動機との間にリアクトル及びコンデンサで構成される第１サージ電圧抑制回路が接続され、ＰＷＭ整流器の入力側にリアクトル及びコンデンサで構成される第２サージ電圧抑制回路が接続されている。
【０００６】
第１サージ電圧抑制回路は、特許文献１に記載された先行技術に記載されたダイオードブリッジ回路を除くリアクトルとコンデンサのみで構成されている。
第２サージ電圧抑制回路は、ＰＷＭ整流器の入力端に夫々リアクトルが接続され、これらリアクトルと交流電源との間に一端が接続され、他端が互いに接続されてＰＷＭ整流器の出力側の負極端子に接続されたコンデンサとで構成されている。
したがって、第１サージ電圧抑制回路では、ノーマルモードサージ電圧とインバータ起因のコモンモード電圧変動を低減し、第２サージ電圧抑制回路ではＰＷＭ整流器起因のコモンモード電圧変動を低減する。結果として、ノーマルモードサージ電圧とコモンモードサージ電圧の両方を大幅に低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３２０８８８号公報
【特許文献２】特開平９−２９４３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された先行技術について、コモンモードサージ電圧まで低減するためには、特許文献２に記載された先行技術のように第１サージ電圧抑制回路及び第２サージ電圧抑制回路を設ける複雑な回路構成となってしまい、対策機器の大型化やコスト増大の原因となっている。また、特許文献２に記載された先行技術では、第１サージ電圧抑制回路と第２サージ電圧抑制回路とのそれぞれがＰＷＭ整流器及びＰＷＭインバータ整流器間の直流部間に接続した一対のコンデンサの中間点に接続されている。これら第１サージ電圧抑制回路及び第２サージ電圧抑制回路のそれぞれは、リアクトルとコンデンサとが直列に接続されてＬＣ直列共振回路を構成する。２つのＬＣ直列共振回路が直列に接続されることから多重共振系を構成することになり、互いの共振周波数での過大な電圧・電流の発生を抑制することができない。
【０００９】
そこで、本発明は、上記特許文献２に記載された先行技術のように２つのサージ電圧抑制回路を設けることなく、電動機に印加されるコモンモードサージ電圧を低減することができる小型で低コストの電動機駆動装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る電動機駆動装置は、三相交流電力を直流電力に変換して出力するＰＷＭ整流器と、該ＰＷＭ整流器から出力される直流電力を三相交流電力に変換して電動機に供給するＰＷＭインバータとを備えた電動機駆動装置であって、電動機に印加されるサージ電圧を、ＰＷＭ整流器の三相交流入力側及び直流出力側間に接続したコモンモードサージ電圧抑制装置で抑制する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、電動機に印加されるコモンモードサージ電圧を低減する小型で低コストの電動機駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電動機駆動装置の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】サージ電圧の発生原理を説明する図であって、（ａ）はコモンモードサージ電圧の発生を説明する回路図、（ｂ）はコモンモードサージ電圧の抑制原理を説明する回路である。
【図３】第１実施形態のサージ抑制状態を説明する図であって、（ａ）はコモンモードサージ電圧抑制装置を用いない場合を示し、（ｂ）はコモンモードサージ電圧抑制装置を用いた場合を示している。
【図４】第１の実施形態の変形例を示す回路図である。
【図５】本発明に係る電動機駆動装置のコモンモードサージ電圧抑制装置の第２実施形態を示す回路図である。
【図６】第１実施形態の等価回路を示す回路図である。
【図７】コモンモードサージ電圧抑制装置の第２実施形態の第１変形例を示す回路図である。
【図８】コモンモードサージ電圧抑制装置の第２実施形態の第２変形例を示す回路図である。
【図９】コモンモードサージ電圧抑制装置の第２実施形態の第３変形例を示す回路図である。
【図１０】コモンモードサージ電圧抑制装置の第５実施形態を説明する電動機駆動装置の全体構成を示す回路図である。
【図１１】本発明に係る電動機駆動装置の第１〜第５実施形態の第１変形例を示すブロック図である。
【図１２】本発明に係る電動機駆動装置の第１〜第５実施形態の第２変形例を示すブロック図である。
【図１３】本発明に係る電動機駆動装置の第１〜第５実施形態の第３変形列を示すブロック図である。
【図１４】本発明に係る電動機駆動装置の第１〜第５実施形態の第４変形例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
以下、本発明に係る電動機駆動装置の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１に示すように、電動機駆動装置１０は、三相交流電源１１と、この三相交流電源１１から出力される三相交流電力が電源トランス１２を介して入力される電力変換装置１３と、この電力変換装置１３から出力される三相電力によって駆動される三相電動機１４とを備えている。
電源トランス１２は、Δ−Ｙ結線とされ、三相交流電源１１に接続される一次側がΔ結線とされ、電力変換装置１３に接続される二次側がＹ（スター）結線とされている。この電源トランス１２は、二次側のＹ結線の中性点が接地されている。
【００１５】
電力変換装置１３は、電源トランス１２から三相交流リアクトル３２を介して入力される三相交流電力を直流電力に変換するパルス幅変調（以下、ＰＷＭと称す）制御されるＰＷＭ整流器２１と、このＰＷＭ整流器２１から出力される直流電力を平滑化する平滑コンデンサ２２と、この平滑コンデンサ２２で平滑化された直流電力を三相交流電力に変換して三相電動機１４に供給するＰＷＭ制御されるＰＷＭインバータ２３とを備えている。
ここで、ＰＷＭ整流器２１は、図１に示すように、正極側配線Ｌｐ及び負極側配線Ｌｎ間に、Ｒ相スイッチングレグＣＳＬｒ、Ｓ相スイッチングレグＣＳＬｓ及びＴ相スイッチングレグＣＳＬｔが並列に接続されたフルブリッジ回路を備えている。
【００１６】
Ｒ相スイッチングレグＣＳＬｒは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成される２つのスイッチング素子Ｑ１１及びＱ１２が直列に接続されている。Ｓ相スイッチングレグＣＳＬｓ及びＴ相スイッチングレグＣＳＬｔも、Ｒ相スイッチングレグＣＳＬｒと同様のスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４及びＱ１５，Ｑ１６が直列に接続されている。なお、各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６には、逆並列に還流ダイオードＤ１１〜Ｄ１６が接続されている。
また、三相交流リアクトル３２は、３つのリアクトルＬｃｒ、Ｌｃｓ及びＬｃｔで構成されている。各リアクトルＬｃｒ、Ｌｃｓ及びＬｃｔの一端は、電源トランス１２の出力側に接続され、各リアクトルＬｃｒ、Ｌｃｓ及びＬｃｔの他端は、各スイッチングレグＣＳＬｒ、ＣＳＬｓ及びＣＳＬｔのスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１３及びＱ１５とスイッチング素子Ｑ１２，Ｑ１４及びＱ１６との接続点である中間点に接続されている。
【００１７】
さらに、各スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のゲートには、図示しないゲート駆動回路からパルス幅変調（ＰＷＭ）信号でなるゲート信号が入力されることにより、電源トランス１２からの交流電力を直流電力に変換して正極側配線Ｌｐ及び負極側配線Ｌｎに出力する。
また、ＰＷＭインバータ２３は、図１に示すように、平滑コンデンサ２２が接続された正極側配線Ｌｐ及び負極側配線Ｌｎ間に、Ｕ相スイッチングレグＩＳＬｕ、Ｖ相スイッチングレグＩＳＬｖ及びＷ相スイッチングレグＩＳＬｗが並列に接続されたフルブリッジ回路を備えている。
【００１８】
Ｕ相スイッチングレグＩＳＬｕは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成される２つのスイッチング素子Ｑ２１及びＱ２２が直列に接続されている。Ｖ相スイッチングレグＩＳＬｖ及びＷ相スイッチングレグＩＳＬｗも、Ｕ相スイッチングレグＩＳＬｕと同様のスイッチング素子Ｑ２３，Ｑ２４及びＱ２５，Ｑ２６が直列に接続されている。なお、各スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６のそれぞれには、還流ダイオードＤ２１〜Ｄ２６が逆並列に接続されている。
また、各スイッチングレグＩＳＬｕ、ＩＳＬｖ及びＩＳＬｗのスイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２３及びＱ２５とスイッチング素子Ｑ２２，Ｑ２４及びＱ２６との接続点が三相出力側ケーブル２４を介して三相電動機１４に接続されている。
【００１９】
さらに、ＰＷＭインバータ２３の各スイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６のゲートには、図示しないゲート駆動回路からパルス幅変調（ＰＷＭ）信号でなるゲート信号が入力される。このＰＷＭインバータ２３で、ＰＷＭ整流器２１の直流出力側に接続された正極側配線Ｌｐ及び負極側配線Ｌｎから供給される直流電力を交流電力に変換して三相出力側ケーブル２４を介して三相電動機１４に供給する。
このように、ＰＷＭ整流器２１とＰＷＭインバータ２３とで構成される電力変換装置１３では、スイッチング素子をスイッチング動作させることにより電力変換を行うようにしている。このため、ＰＷＭインバータのスイッチングスピードやスイッチングパターンに依存するノーマルモードサージ電圧が発生する。
【００２０】
さらに、上記構成を有する電力変換装置１３では、前述したように、ノーマルモードサージ電圧と、ＰＷＭインバータ２３が発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｍｍ＿ｉｎｖと、ＰＷＭ整流器２１が発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｍｍ＿ｃｎｖとの３種が合算されたコモンモードサージ電圧が発生する。
また、インバータサージによる電動機破損の不具合は、ＰＷＭインバータ単体で使用する場合に比べ、ＰＷＭ整流器とＰＷＭインバータを組み合わせたシステムを構築した場合の方が圧倒的に多い。
【００２１】
このことに着目すると、ＰＷＭ整流器２１が追加されること、すなわちＰＷＭ整流器２１が発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｍｍ＿ｃｎｖが、電動機破損に到る直接的な原因であり、ＰＷＭ整流器２１が発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｍｍ＿ｃｎｖだけを適切に低減できれば、インバータサージ電圧による電動機破損を防止できることになる。
そこで、本発明は、ＰＷＭ整流器２１が発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｍｍ＿ｃｎｖのみを大幅に低減するコモンモードサージ電圧抑制装置３０を設けている。
このコモンモードサージ電圧抑制装置３０は、電源トランス１２の二次側と三相交流リアクトル３２との間に設けた入力側コンデンサ３１及び三相交流リアクトル３２の零相成分と、ＰＷＭ整流器２１の出力側に設けた出力側コンデンサ３３とで構成されている。
【００２２】
入力側コンデンサ３１は、電源トランス１２の出力側にスター結線された３つのコンデンサＣｒ、Ｃｓ及びＣｔで構成されている。これらコンデンサＣｒ、Ｃｓ及びＣｔはそれぞれ一端が電源トランス１２の二次側に接続され、他端が互いに接続されている。
出力側コンデンサ３３は、ＰＷＭ整流器２１の直流出力側となる正極側配線Ｌｐ及び負極配線Ｌｎとの間に直列に接続された２つのコンデンサＣｓ１及びＣｓ２で構成されている。
そして、入力側コンデンサ３１の各コンデンサＣｒ、Ｃｓ及びＣｔの互いに接続された他端が出力側コンデンサ３３のコンデンサＣｓ１及びＣｓ２間の接続点に接続されている。
【００２３】
次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
電動機駆動装置１０は、ＰＷＭ整流器２１とＰＷＭインバータ２３と電動機１４から構成され、系統側は電源トランス１２の２次側中性点を接地している。このようなシステムを構築した際には、電動機１４に印加されるコモンモードサージ電圧が大きくなる。このコモンモードサージ電圧は、ＰＷＭ整流器２１で発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｏｍ＿ｃｏｎにＰＷＭインバータ２３で発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｏｍ＿ｉｎｖを加えたモータサージのコモンモード成分とＰＷＭインバータ２３で発生するサージ電圧のノーマルモード成分とを加えたものとなる。
【００２４】
ここで、ＰＷＭ整流器２１を構成するスイッチング素子のスイッチングごとに直流部とアース間に、コモンモード電圧変動が生じる。通常、スイッチング素子が一度スイッチングすると、直流中間電圧の１／３のコモンモード電圧変動が生じる。しかし、ＰＷＭ整流器２１のスイッチング素子のスイッチングパターンによっては、コモンモード電圧変動が加算される条件があり、より大きなコモンモードサージ電圧が電動機１４に印加される。
そして、図１に示すように系統側の電源トランス１２の２次側が中性点接地されており、この点を基準としてコモンモード電圧変動が生じる。すなわち、電源トランス１２の中性点接地から遠ざかるほど、つまり一番遠い電動機１４に最も大きなコモンモード電圧変動が到達する。
【００２５】
このとき、図２（ａ）に示すように、スター結線した入力側コンデンサ３１がＰＷＭ整流器２１の直流出力側すなわち直流中間部に接続されていないものとすると、最も安定な系統側の電源トランス１２の中性点に最も近いＰＷＭ整流器２１の入力側に接続された入力側コンデンサ３１のスター結線した三相の仮想中性点が、電動機駆動装置１０の中で接地に対して最も安定している。
しかし、前述のようにＰＷＭ整流器２１がコモンモード電圧を発生させるためＰＷＭ整流器２１の出力側の直流中間部には、図２（ａ）に示すように、ＰＷＭ整流器２１を構成するスイッチング素子のスイッチングに応じて直流中間電圧の１／３のステップ状に変化する大きなコモンモード電圧変動Ｖｃｏｍ＿ｃｏｎが生じる。
【００２６】
このため、本実施形態では、ＰＷＭ整流器２１の入力側及び出力側を結ぶコモンモードサージ電圧抑制装置３０を設けている。
このコモンモードサージ電圧抑制装置３０によって、図２（ｂ）に示すように、安定なＰＷＭ整流器２１の入力側に設けた入力側コンデンサ３１の三相仮想中性点と直流中間部とを出力側コンデンサ３３のコンデンＣｓ１及びＣｓ２を介して接続する。
このような構成とすることで、出力側コンデンサ３３によって直流中間部の高周波は短絡しているようにふるまうことから、急峻なコモンモード電圧変動Ｖｃｏｍ＿ｃｏｎを大幅に抑制できる。
【００２７】
ただし、ただ単に入力側の仮想中性点と直流中間部を出力側コンデンサ３３のコンデンサＣｓ１及びＣｓ２を介して短絡すると本来のＰＷＭ整流器２１の役割である入力電流を正弦波にできなくなってしまう。
このことを防止するため、ＰＷＭ整流器２１の入力側にはコモンモード成分（零相成分）に効果のあるリアクトルが必要になる。なお、図１ではこのリアクトルをＰＷＭ整流器２１の三相交流リアクトル３２の零相成分で構成している図となっているが、コモンモードリアクトルを新たに追加する場合もある。またコモンモードリアクトルは、直流中間部に接続しても良い。
【００２８】
このように第１の実施形態によれば、ＰＷＭ整流器２１とＰＷＭインバータ２３と電動機１４を組み合わせた電動機駆動装置１０において、ＰＷＭ整流器２１の入力側及び出力側間に設けたコモンモードサージ電圧抑制装置３０によって、ＰＷＭ整流器２１が発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｏｍ＿ｃｏｎを大幅に抑制でき、結果として電動機１４に印加されるコモンモードサージ電圧を適切に低減できるコモンモードサージ電圧抑制装置を実現できる。
しかも、電動機１４に印加されるコモンモードサージ電圧の低減が、ＰＷＭ整流器２１の入力側と出力側との間にコモンモードサージ電圧抑制装置３０を設けるだけでよく、ＰＷＭインバータ２３側にコモンモードサージ電圧抑制装置を設ける必要がないので、簡易な構成でコモンモードサージ電圧抑制装置を構成することができる。
【００２９】
さらに、ＰＷＭ整流器２１の出力側コンデンサＣｓ１及びＣｓ２の中間点にコモンモードサージ電圧抑制装置３０のみが接続されているので、前述した特許文献２の先行技術に記載されているように、ＰＷＭ整流器の出力側に接続された一対のコンデンサ間にＰＷＭインバータと並列な第１サージ電圧抑制装置と、ＰＷＭ整流器と並列な第２サージ電圧抑制回路とが接続されることがないので、ＬＣ共振回路が直列に接続されて多重共振系が形成されることがなく、ＰＷＭ整流器で発生するコモンモード電圧変動を確実に抑制することができる。
【００３０】
なお、上記第１の実施形態では、ＰＷＭ整流器２１の入力側のスター結線した入力側コンデンサ３１とＰＷＭ整流器２１の出力側の直流中間部を高周波的に短絡する出力側コンデンサ３３のコンデンサＣｓ１及びＣｓ２の接続点を直接接続する場合について説明した。しかしながら、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、図４に示すように、出力側コンデンサ３３のコンデンサＣｓ１及びＣｓ２間の接続点と、入力側コンデンサ３１の各コンデンサＣｃｒ〜Ｃｃｔの接続点である中性点との間に中間コンデンサＣｍを介挿するようにしてもよい。このような場合には、コンデンサＣｓ１及びＣｓ２を削除し、ＰＷＭ整流器やＰＷＭインバータの平滑コンデンサ２２を直列接続された複数のコンデンサ群で構成し、このコンデンサ群の中間接続点を活用することも可能である。
【００３１】
［第２実施形態］
次に、本発明に係るコモンモードサージ電圧抑制装置の第２実施形態について図５及び図６について説明する。
この第２実施形態では、コモンモードサージ電圧抑制フィルタで構成されるＬＣ共振回路の共振周波数での過大な電圧・電流が生じることを防止するようにしたものである。
すなわち、第２実施形態では、図５に示すように、コモンモードサージ電圧抑制装置３０の入力側コンデンサ３１と電源トランス１２及び三相交流リアクトル３２の接続点との間に減衰抵抗３４を接続している。この減衰抵抗３４は、入力側コンデンサ３１の各コンデンサＣｃｒ、Ｃｃｓ及びＣｃｔと直列に接続された抵抗Ｒｂｒ、Ｒｂｓ及びＲｂｔで構成されている。
【００３２】
この減衰抵抗３４は、入力側コンデンサ３１及び出力側コンデンサ３３と三相交流リアクトル３２とによるＬＣ共振回路の共振周波数での過大な電圧・電流が生じることを防止する。
すなわち、コモンモードサージ電圧抑制装置３０を等価回路で表すと、図６に示すようになる。
このコモンモードサージ電圧抑制装置３０は、三相交流リアクトル３２の零相成分である零相リアクトルＬｒ、入力側の三相仮想中性点を形成する入力側コンデンサ３１の合成容量Ｃｆ、および直流中間部を高周波短絡する出力側コンデンサ３３の合成容量ＣＰＮから構成され、閉ループのＬＣ共振回路が形成されることが確認できる。
【００３３】
このＬＣ共振回路は、共振周波数ω０（＝１／√ＬＣ）では過大な電圧・電流が生じるが、この共振周波数ω０での過大な電圧・電流を減衰抵抗Ｒｄｒ〜Ｒｄｔで減衰させることができる。このとき、減衰抵抗Ｒｄｒ〜Ｒｄｔの値は、発生損失の低減と共振減衰効果の向上を考慮すると、減衰係数ζが０．２〜０．５の範囲となるように設定することが好ましい。ここで、減衰係数を０．２未満の値に設定すると、過大な電圧・電流の減衰効果が小さくなり、減衰係数を０．５を超える値に設定すると、過大な電圧・電流の減衰効果は大きくなるが、逆に発生損失も大きくなり何れも好ましくない。発生損失を抑制しながら過大な電圧・電流の低減効果を発揮するには減衰係数を０．３程度に設定することがより好ましい。
【００３４】
この第２実施形態によると、前述した第１実施形態の効果に加えて、コモンモードサージ電圧抑制装置３０を構成する三相交流リアクトル３２のインダクタンスと入力側コンデンサ３１及び出力側コンデンサ３３の静電容量とによって形成されるＬＣ共振回路の共振周波数での過大な電圧・電流の発生を防止することができる。したがって、ＬＣ共振による過大な電圧・電流が生じることを防止したコモンモードサージ電圧抑制装置を提供することができる。
このとき、減衰係数が０．３程度となるように減衰抵抗Ｒｄｒ〜Ｒｄｔの値を設定することにより、減衰抵抗Ｒｄｒ〜Ｒｄｔによる発生損失を抑制しながら過大な電圧・電流の低減効果を発揮させることができる。
【００３５】
なお、減衰抵抗３４は、入力側コンデンサ３１と直列に接続する場合に限らず、図７に示すように、入力側コンデンサ３１と出力側コンデンサ３３との間の接続線に１つの抵抗Ｒｄとして接続するようにしてもよい。また、図８に示すように、出力側コンデンサ３３のコンデンサＣｓ１及びＣｓ２間に抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２として直列に接続するようにしてもよい。さらには、図９に示すように、三相交流リアクトル３２の各リアクトルＬｃｒ〜Ｌｃｒｔと並列に抵抗Ｒｄｒ〜Ｒｄｔを接続するようにしてもよい。要は、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ共振による過大な電圧・電流を低減できればコモンモードサージ電圧抑制装置３０内の何れの個所に減衰抵抗を介挿してもよい。
【００３６】
また、図５および図７〜図９では、零相リアクトルＬｒをＰＷＭ整流器２１の三相交流リアクトル３２の零相成分で構成している図となっているが、第１実施形態と同様に、コモンモードリアクトルを新たに追加してもよい。
なお、上記第１および２実施形態では、ＰＷＭ整流器２１を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、２つのダイオードを直列に接続したダイオードレグを３組並列に接続したダイオード整流器にも適用することができる。
【００３７】
［第３実施形態］
次に、本発明に係る電動機駆動装置の第３実施形態について前述した図１を伴って説明する。
この第３実施形態では、コモンモードサージ電圧抑制装置３０の共振周波数とＰＷＭ整流器のスイッチング周波数が一致することがないようにしたものである。
すなわち、第３実施形態では、電動機駆動装置１０は、図１に示すように、電源トランス１２、ＰＷＭ整流器２１、平滑用コンデンサ２２、ＰＷＭインバータ２３及び電動機１４で構成され、ＰＷＭ整流器２１の入力側及び出力側を結ぶコモンモードサージ電圧抑制装置３０が設けられ、このコモンモードサージ電圧抑制装置３０によってＰＷＭ整流器２１で発生するコモンモード電圧変動Ｖｃｏｍ＿ｃｏｎを抑制するようにしている。
【００３８】
このようなコモンモードサージ電圧抑制装置３０では、前述の第２実施形態で説明したように、三相交流リアクトル３２と入力側コンデンサ３１及び出力側コンデンサ３３とで直列ＬＣ共振回路が構成される。このため、直列ＬＣ共振回路の共振周波数ω０で過大な電圧・電流が発生する共振状態となる。この共振状態は前述の第２実施形態の減衰抵抗３４によって抑制することが可能であるが、このＬＣ共振周波数とＰＷＭ整流器２１のスイッチング周波数が一致すると、より過大な電圧・電流が生じてしまう。
そこで、第３実施形態では、コモンモードサージ電圧抑制装置３０の直列共振周波数ω０を、ＰＷＭ整流器２１のスイッチング周波数よりも、低く設定することで、過大な電圧・電流の発生を防止している。
【００３９】
すなわち、ＰＷＭ整流器２１は、例えば１０ｋＷ以下の場合には、スイッチング周波数を変更できる機種であってもスイッチング周波数が８ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度が一般的である。
したがって、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ直列共振周波数ω０が８ｋＨｚ未満となるように、入力側コンデンサ３１の静電容量Ｃｆ、三相交流リアクトル３２のインダクタンスＬｒ及び出力側コンデンサ３３の静電容量Ｃｐｎを設定すればよい。
ここで、ＰＷＭ整流器２１のスイッチング周波数は１００ｋＷを超えるＰＷＭ整流器２１の場合には、５ｋＨｚ以下となることもある。この場合には、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ直列共振周波数ω０を５ｋＨｚ未満に設定すればよい。
【００４０】
なお、ＰＷＭインバータ２３の出力側に本実施形態と類似した構成のサージ電圧抑制フィルタが提案されているものの、この場合には三相交流リアクトルが原理的に不要となり構成が異なる。また、スイッチング周波数が１ｋＨｚ以下まで変更できるものが多い。
よって、ＰＷＭインバータ２３の出力側に接続するコモンモードサージ電圧抑制フィルタの場合には、ＬＣ共振周波数を１ｋＨｚよりも小さく設定する必要があり、コモンモード抑制用サージ抑制フィルタが大型化したり、ＰＷＭインバータ２３のスイッチング周波数設定に制約を設けるなどの追加の措置を施したりする必要がある。
【００４１】
しかしながら、本実施形態のように、ＰＷＭ整流器２１の入力側及び出力側を結ぶコモンモードサージ電圧抑制装置３０を設ける場合には、ＰＷＭ整流器２１のスイッチング周波数がＰＷＭインバータ２３のスイッチング周波数に比較して高いので、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ直列共振周波数ω０を５倍以上高く設定することができ、コモンモードサージ電圧抑制装置３０が大型化したり、ＰＷＭ整流器２１のスイッチング周波数設定に制約を受けたりするなどの追加の処置を施す必要がない。
したがって、ＰＷＭ整流器２１とＰＷＭインバータ２３および電動機１４を組み合わせた電動機駆動装置において、電動機１４に印加されるコモンモードサージ電圧を適切に低減でき、また、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ共振とＰＷＭ整流器２１のスイッチング周波数が一致することによる過大な電圧・電流が生じることを防止できるコモンモードサージ電圧抑制装置を実現できる。
【００４２】
［第４実施形態］
次に、本発明に係る電動機駆動装置の第４実施形態について前述した図１を伴って説明する。
この第４実施形態では、コモンモードサージ電圧抑制装置のＬＣ直列共振周波数の下限値を設定するようにしたものである。
すなわち、第４実施形態では、図１に示すコモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ共振周波数ω０の下限値の設定について説明する。
【００４３】
ＰＷＭ整流器２１は、三相入力電流を正弦波状にするためのパワーエレクトロニクス機器であるが、二相変調動作を行う場合、電源周波数の３倍の奇数次（３次、９次、１５次…）の低次高調波のスペクトルも発生させることになる。この低次高調波スペクトルとコモンモードサージ電圧抑制装置のＬＣ共振周波数が重なると過大な電圧・電流が生じてしまう。
低次高調波スペクトルは周波数が高＜なるほど振幅が小さくなるため、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ直列共振周波数は、最低限電源周波数の３次高調波成分を超える周波数、実用的には５０Ｈｚ／６０Ｈｚどちらでも１ｋＨｚ以上の成分となる２１次高調波成分以上に設定することが好ましい。
【００４４】
このようにコモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ直列共振周波数の下限値を電源周波数の２１次高調波成分を超える値に設定することにより、ＰＷＭ整流器２１とＰＷＭインバータ２３および電動機１４を組み合わせたシステム構成において、電動機１４に印加されるコモンモードサージ電圧を適切に低減できる。
また、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ直列共振周波数とＰＷＭ整流器２１が動作したことによって生じる電源周波数の３次高調波成分が一致することによって過大な電圧・電流が生じることを防止できるコモンモードサージ電圧抑制装置を実現できる。
ところで、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のＬＣ直列共振周波数を設定するだけでは、三相交流リアクトル３２のインダクタンスＬと入力側コンデンサ３１及び出力側コンデンサ３３の静電容量Ｃの値は一意に決まらない。
【００４５】
そこで、上述した低次高調波成分、特に３次高調波成分に的を絞って、コモンモードサージ電圧抑制装置３０のインダクタンスＬと静電容量Ｃの値を決定する。具体的には、インダクタンスＬが小さくするほどコモンモードサージ電圧抑制装置３０は構成が小さくなる。しかしながら、インダクタンスＬを小さくするとコモンモードサージ電圧抑制装置３０を還流する電流が増えるため、ＰＷＭインバータ２３のスイッチング素子に流れる電流や三相交流リアクトルに流れる電流等の出力電流が増えてしまう。
この出力電流を小さくするためにインダクタンスＬを大きくすると、コモンモードサージ電圧抑制装置３０が大型化してしまう。そこで、目安としてこの出力電流がＰＷＭ整流器２１の定格電流の１／８以下になるようにコモンモードサージ電圧抑制装置３０のリアクトルを決定するとコモンモードサージ電圧抑制装置３０を大型化することなく出力電流を小さくすることができる。
【００４６】
［第５実施形態］
次に、本発明に係る電動機駆動装置の第５実施形態について図１０を伴って説明する。
この第５の実施形態では、コモンモードサージ電圧抑制装置のＬＣ直列共振周波数を電動機駆動装置１０のシステム全体の共振周波数と一致しないようにしたものである。
すなわち、電動機駆動装置１０のシステム全体の共振周波数は、図１０に示すように、電源トランス１２の二次側−入力側ケーブル２５一ＰＷＭ整流器２１一ＰＷＭインバータ２３ー出力側ケーブル２４−電動機１４−アース線２６を介して形成されるループ経路で決まる。
【００４７】
１０ｋＷ電動機駆動装置でＰＷＭインバータ２３と電動機１４との間の出力側ケーブル２４の長さを２００ｍとした場合、このシステム全体の共振周波数は２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚであり、前述したＰＷＭ整流器２１のスイッチング周波数よりも高＜、現状では大きな問題にはならない。
しかし、システム全体の共振周波数は、ケーブル長やシールド線、他のフィルタの影響などで、より低＜なることがある。また、ＳｉＣ、ＧａＮと言った次世代パワー半導体の普及が進むと、ＰＷＭ整流器２１のスイッチング周波数が１００ｋＨｚ程度まで上昇することが予測され、コモンモードサージ電圧抑制装置３０の共振周波数と一致させたくない共振周波数として、システム全体の共振周波数が一致する条件が増えてくる。
【００４８】
この共振周波数よりも、コモンモードサージ電圧抑制装置３０の共振周波数を高＜設定することで、より過大な電圧・電流が流れることを防止できる。
なお、上記第１〜第５の実施形態では、ＰＷＭ整流器２１の１台につき、ＰＷＭインバータ２３及び電動機１４がともに１台の条件について説明してきた。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、図１１に示すように一つのＰＷＭインバータ２３で複数の電動機１４を駆動する場合や、図１２に示すように、ＰＷＭ整流器２１の直流中間部に複数のＰＷＭインバータ２３ー電動機１４を接続する構成（コモンコンバータ方式）であってもＰＷＭ整流器２１の入力側及び出力側にコモンモードサージ電圧抑制装置３０を接続すればよい。
【００４９】
特にコモンコンバータ方式の場合には、１台のＰＷＭ整流器２１に対して１０台を超えるインバータ２３、電動機１４が接続されていても、コモンモードサージ電圧抑制装置３０はＰＷＭ整流器２１に１台に追加するだけでよく、１台のコモンモードサージ電圧抑制装置３０で全ての電動機１４に対する保護の効果が得られるため、コモンモードサージ電圧抑制装置３０の適用個数削減によるトータルコスト低減や設置体積低減に大きな効果をもたらす。
また、前述のように電動機のサージ電圧による絶縁破壞は、コモンモード成分だけでなく、ノーマルモードサージ成分によって生じる場合もある。このように、両成分が組み合わさって、より厳しいサージ電圧が印可される電動機についてのみ、図１３及び図１４に示すように、ＰＷＭインバータの交流出力側及び電動機１４間にノーマルモードサージ電圧抑制装置４０を接続することで、より信頼性の高い電動機駆動装置１０を構成できる。
【００５０】
ここで、ノーマルモードサージ電圧抑制装置４０としては、例えば、ＰＷＭインバータ２３と電動機１４との間に接続された三相リアクトルと、この三相リアクトルと電動機１４との間に接続されたスター結線されたコンデンサとで構成されている。
図１３では、前述した図１１と同様に１台のＰＷＭインバータ２３で複数の電動機１４を駆動する場合を示し、ＰＷＭインバータ２３と下側の電動機１４との間にノーマルモードサージ電圧抑制装置４０が設けられている。
図１４では、前述した図１２と同様に１台のＰＷＭ整流器２１で複数のＰＷＭインバータ２３及び電動機１４の組を駆動する場合を示し、下側のＰＷＭインバータ２３と電動機１４との間にノーマルモードサージ電圧抑制装置４０が設けられている。
【符号の説明】
【００５１】
１０…電動機駆動装置、１１…三相交流電源、１２…電源トランス、１３…電力変換装置、１４…三相電動機、２１…ＰＷＭ整流器、２２…平滑用コンデンサ、２３…ＰＷＭインバータ、２４…出力側ケーブル、２５…入力側ケーブル、３０…コモンモードサージ電圧抑制装置、３１…入力側コンデンサ、３２…三相交流リアクトル、３３…出力側コンデンサ、３４…減衰抵抗、４０…ノーマルモードサージ電圧抑制装置
【図１】
2020010484.tif 000003
【図２】
2020010484.tif 000004
【図３】
2020010484.tif 000005
【図４】
2020010484.tif 000006
【図５】
2020010484.tif 000007
【図６】
2020010484.tif 000008
【図７】
2020010484.tif 000009
【図８】
2020010484.tif 000010
【図９】
2020010484.tif 000011
【図１０】
2020010484.tif 000012
【図１１】
2020010484.tif 000013
【図１２】
2020010484.tif 000014
【図１３】
2020010484.tif 000015
【図１４】
2020010484.tif 000016