(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭインバータとそのインバータで駆動される交流電動機との間に挿入されたコモンモードリアクトルと、前記コモンモードリアクトルと前記交流電動機との接続点に接続された３相スター結線のリアクトルと、前記リアクトルの中性点を接地するコンデンサとを備え、前記コモンモードリアクトルと前記コンデンサによる共振周波数が、インバータの出力基本波周波数とキャリア周波数の中間に位置し、かつ、いずれからも十分に離れるように前記コモンモードリアクトルのインダクタンスと前記コンデンサのキャパシタンスとを選定したことを特徴とするＰＷＭインバータ用フィルタ回路。
【請求項２】
コモンモードリアクトルと交流電動機との接続点に接続する３相リアクトルの代わりに、２組の巻線を持った３個の単相リアクトルの一方の巻線をスター結線し、中性点をコンデンサで接地するとともに、他方の巻線をデルタ接続することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭインバータ用フィルタ回路。
【請求項３】
コモンモードリアクトルと交流電動機との接続点に接続する３相リアクトルの代わりに、２組の巻線を持った三相のリアクトルの一方の巻線をスター結線し、中性点をコンデンサで接地するとともに、他方の巻線をデルタ接続することを特徴とする請求項１記載のＰＷＭインバータ用フィルタ回路。
【請求項４】
スタ一結線したリアクトルの中性点をコンデンサを介して接地する代わりに、スター結線の各相の巻線にコンデンサを挿入することを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載のＰＷＭインバータ用フィルタ回路。
【請求項５】
リアクトルとコンデンサとを組み合わせたものをスタ一接続した回路の中性点を、別のコンデンサを介して接地したことを特徴とする請求項４記載のＰＷＭインバータ用フィルタ回路。
【請求項６】
３相の中性点をコンデンサを介して接地する代わりに、インバータの直流回路の中性点に接続したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載のＰＷＭインバータ用フィルタ回路。
【請求項７】
ＰＷＭインバータとそのインバータで駆動される交流電動機との間に挿入された、直列接続されたコモンモードリアクトルおよびノーマルモードリアクトルと、これらのリアクトルと前記交流電動機との接続点に接続された３相スター接続のコンデンサと、前記コンデンサの中性点を接地する他のコンデンサとを備え、前記コモンモードリアクトルと３相コンデンサおよび接地コンデンサによる共振周波数および前記ノーマルモードリアクトルと３相コンデンサによる共振周波数が、インバータの基本波周波数とキャリア周波数の中間に位置し、かつ、いずれからも十分に離れるようにインダクタンスとキャパシタンスとを選定したことを特徴とするＰＷＭインバータ用フィルタ回路。
【請求項８】
３相の中性点をコンデンサを介して接地する代わりに、インバータの直流回路の中性点に接続したことを特徴とする請求項７記載のＰＷＭインバータ用フィルタ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＰＷＭインバータによる交流電動機の駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＷＭインバータで交流電動機を駆動すると、インバータを構成する半導体スイッチング素子を数ｋＨｚ〜十数ｋＨｚのキャリア周波数でオン・オフさせるため、電動機巻線に急峻なパルス電圧が印加される。これにより、電動機およびケーブルの分布定数によって電源の２倍にも達する対地電圧が発生し、絶縁の劣化を発生させる。また、ステータ巻線とロータとの間の静電容量によりフレームと軸の間、すなわちベアリングの内輪・外輪間に電圧が発生し、この電圧がベアリングの油膜を破壊して、ベアリング自体の損傷に至ることがある。
このような問題点の解決策として、インバータの出力回路にフィルタを挿入する方法が、特開平２−２５４９７９号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平２−２５４９７９号公報に開示された技術は、基本的にＬ−Ｃフィルタによるものであるが、電圧の立ち上がり速度すなわちｄｖ／ｄｔを緩やかにするもので、ＬＣ共振周波数はキャリア周波数より高く設定しているため、Ｌ−Ｃによる共振現象が継続する。この共振の継続を抑制するために、抵抗器を挿入してダンピング効果を得ている。そのため、損失が発生するという欠点があり、また、適用事例毎にＬ、Ｃ、Ｒの定数を決定する必要がある。
そこで本発明が解決すべき課題は、キャリア周波数成分のコモンモード電圧を大輻に低減するとともに、ダンピングに起因する損失の発生を低減し、フィルタに用いるリアクトル、コンデンサの定数を、インバータの仕様のみで決定できるようにし、また、軸電圧によるベアリング破損を防止することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明のＰＷＭインバータ用フィルタ回路は、ＰＷＭインバータとそのインバータで駆動される交流電動機との間に挿入されたコモンモードリアクトルと、前記コモンモードリアクトルと前記交流電動機との接続点に接続された３相スター結線のリアクトルと、前記リアクトルの中性点を接地するコンデンサとを備え、前記コモンモードリアクトルと前記コンデンサによる共振周波数が、インバータの出力基本波周波数とキャリア周波数の中間に位置し、かつ、いずれからも十分に離れるように前記コモンモードリアクトルのインダクタンスと前記コンデンサのキャパシタンスとを選定したことを特徴とする。
この発明の実施態様を次に示す。
コモンモードリアクトルと交流電動機との接続点に接続する３相リアクトルの代わりに、２組の巻線を持った３個の単相リアクトルの一方の巻線をスター結線し、中性点をコンデンサで接地するとともに、他方の巻線をデルタ接続する。
コモンモードリアクトルと交流電動機との接続点に接続する３相リアクトルの代わりに、２組の巻線を持った三相のリアクトルの一方の巻線をスター結線し、中性点をコンデンサで接地するとともに、他方の巻線をデルタ接続する。
スタ一結線したリアクトルの中性点をコンデンサを介して接地する代わりに、スター結線の各相の巻線にコンデンサを挿入する。
リアクトルとコンデンサとを組み合わせたものをスタ一接続した回路の中性点を、別のコンデンサを介して接地する。
３相の中性点をコンデンサを介して接地する代わりに、インバータの直流回路の中性点に接続する。
ＰＷＭインバータとそのインバータで駆動される交流電動機との間に挿入された、直列接続されたコモンモードリアクトルおよびノーマルモードリアクトルと、これらのリアクトルと前記交流電動機との接続点に接続された３相スター接続のコンデンサと、前記コンデンサの中性点を接地する他のコンデンサとを備え、前記コモンモードリアクトルと３相コンデンサおよび接地コンデンサによる共振周波数および前記ノーマルモードリアクトルと３相コンデンサによる共振周波数が、インバータの基本波周波数とキャリア周波数の中間に位置し、かつ、いずれからも十分に離れるようにインダクタンスとキャパシタンスとを選定する。
３相の中性点をコンデンサを介して接地する代わりに、インバータの直流回路の中性点に接続する。
【０００５】
【作用】
本発明は、基本的には、キャリア周波数成分のコモンモード電圧を除去するためのローパスＬＣフィルタをインバータと電動機との間に挿入する。ＬＣ共振周波数は、キャリア周波数に比べて十分に低＜、またインバータ出力基本波周波数に比べて十分高くなるように選定する。この出力基本波周波数は一般の用途では数十Ｈｚでキャリア周波数はＩＧＢＴの適用で十数ｋＨｚにすることは容易であるので、このような共振周波数の選定が可能である。キャリア周波数の成分は、ローパスフィルタで減衰するので、サージ電圧やべアリング電圧が抑制される。また、キャリア周波数、出力基本波周波数は、ＬＣ共振周波数と離れているので、共振回路を励振する電圧源とはなり難くなる。
また、３相の中性点をコンデンサを介して接地する代わりに、インバータの直流回路の中性点に接続することにより、本フィルタを通して大地に流れる電流が無くなるので、コモンモード電圧の低減により，電動機およびケーブルの静電容量を通じて流れる接地電流が抑制され、漏洩電流と電磁ノイズの低減が実現できる。
【０００６】
【実施例】
以下に図面に沿って実施例を説明する。
図１は、本発明の基本動作を示す回路図である。本回路においては、電圧形ＰＷＭインバータ１１とこのインバータで駆動される交流電動機１２との間にコモンモードリアクトル１を挿入している。コモンモードリアクトル１は、同一の鉄心に３組の巻線（３相の場合）を施しており、各巻線の端子間に流れる電流に対してはインダクタンスを示すが、通常の３相電流に対しては、各巻線が発生する磁束が打ち消し合ってインダクタンスを示さない性質を持っているので、電動機の基本特性には影響を与えない。３は３相リアクトルで、各相Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の相互間では通常のインダクタンスとして作用するが、各相と中性点ｎ１との間の合成したコモンモードインダクタンスは、磁束の相殺作用で原理的にゼロである。したがって、コモンモード電圧について考察するうえでは、３相リアクトル３を無視することが可能で、本回路はコモンモードリアクトル１のインダクタンスＬ１とコンデンサ２のキャパシタンスＣ１によるローパスフィルタとみなすことができる。
このフィルタ回路は２次のローパスフィルタで、共振周波数ｆｒは、
ｆｒ＝１／（２π（Ｌ１Ｃ１）１／２）
で表せる。
本発明ではこの共振周波数ｆｒを、図２に示すようにキャリア周波数ｆｃと基本波周波数ｆ０との中間に置き、かつ双方からできるだけ離れるように、例えば両者の相乗平均値付近になるように設定することを特徴とする。その結果、キャリア周波数成分は大輻に減衰させることができる。また、キャリア周波数および基本波周波数によって、共振回路が励振され難くなる。
【０００７】
図１の３相リアクトル３は、図３（ａ）のような構成であるが、漏洩磁束により各相間の磁気結合が不完全であると、コモンモードの電圧降下が発生して、フィルタの減衰特性が低下する。図３（ｂ）のように各相を２巻線にし、一方をスター結線に、他方をデルタ結線にすることにより、磁気結合を改善することができる。同図では、単相のリアクトル３個で構成しているが、３相のリアクトルを用いてもよい。また、同一の相の２巻線は、２本の電線を合わせて同時に巻くバイファイラ巻にすると一層好結果が得られる。
図４は、図１の接地コンデンサ２を３相リアクトル３の各相に分散して４ａ、４ｂ、４ｃとして挿入したものである。各コンデンサのキャパシタンスを図１の場合の３分の１にすれば。コモンモードフィルタとしての特性は等価になる。この方式では、リアクトル３に流れるノーマルモード電流に対してコンデンサ４ａ、４ｂ、４ｃが限流作用をするので、リアクトル３を小形化することができる。インバータで駆動する電動機に制動をかけるときに、直流電流を流すことがあるが、このようなときにコンデンサ４ａ、４ｂ、４ｃはリアクトル３に流れる直流を遮断する機能を持つという利点もある。
図５は、図４の回路にさらに接地コンデンサ２を追加したものである。リアクトル３とコンデンサ４ａ、４ｂ、４ｃでリアクトルのノーマルモード電流を設定し、コモンモードリアクトル１とコンデンサ４ａ、４ｂ、４ｃおよび２とでコモンモードフィルタの特性を設定でき、設計自由度が向上する。
図６に、中性点ｎ１を得る他の方法を示す。３相リアクトル５とその出力側にスター接続したコンデンサ６ａ、６ｂ、６ｃは、ノーマルモードフィルタを形成し、その共振周波数をコモンモードフィルタと同様に、キャリア周波数と基本波周波数との中間に設定すれば、正弦波に近い線間波形を得ることができる。スター接続したコンデンサ６ａ、６ｂ、６ｃの中性点ｎ１をコンデンサ２を介して接地すれば、コモンモードフィルタを形成することができる。その共振周波数は、コモンモードリアクトル１のインダクタンスＬ１とコンデンサのキャパシタンスＣ１、Ｃ３によって、決定される。
【０００８】
以上のフィルタ回路の共振周波数は、直列成分のコモンモードインダクタンスと並列成分のコモンモードキャパシタンスの積で決まるので、組み合わせの自由度は無限にある。一方、この回路ではインダクタンスとキヤパシタンスを通して接地電流が流れ、これが大きいと、電源に設置した漏電ブレーカが動作することがある。接地電流を小さくするには、インダクタンスを大きく、キャパシタンスを小さく設定する必要がある。図７は、図１の回路でコンデンサ２の一端を接地する代わりに、コンデンサ７、８で作るインバータ直流母線の中性点ｎ２に接続したものである。コモンモードフィルタを通して流れる電流は、インバータ内のみで循環し、電源から見た漏洩電流とはならないので、主回路素子の負担に影響を与えない範囲で、最も経済的なインダクタンスとキャバシタンスの組み合わせを採用することができる。この直流中性点への接続方法は、前記フィルタ回路の全てに適用できる。図８は、図６の回路のコンデンサ２の一端を接地する代わりに、コンデンサ７、８で作るインバータ直流母線の中性点ｎ２に接続したものである。
コンデンサ７、８は、安定した直流中性点電位を求めるために、コンデンサ２に比べて十分に大きい静電容量を持たせることを想定しているが、Ｃ４＝（１／２）Ｃ１としてコンデンサ７、８にフィルタ機能を持たせ、コンデンサ２を省くこともできる。
【０００９】
【発明の効果】
（１）  ローパスフィルタの効果により、キャリア周波数成分のコモンモード電圧が大輻に低減できる。２次形フィルタでは４０ｄＢ／ｄｅｃで減衰するので、共振周波数とキャリア周波数との比が１：１０であるとすると、振輻は１００分の１に低減される。
（２）  フィルタに用いるリアクトル、コンデンサの定数は、インバータの仕様のみで決定でき、効果は電動機の特性や設置条件に影響され難い。
（３）  結果として、対地電圧のサージは発生しない。
（４）  同様に、軸電圧によるベアリング破損を防止できる。
（５）  図６の方式では、線間電圧の電圧リップルも大輻に低減できるので、電動機の絶縁低下等の問題を防止できる。
（６）  図７、８の回路方式では、漏洩電流が無くなり、電磁ノイズの低減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本動作を示す回路図である。
【図２】ＬＣフィルタの振幅特性図である。
【図３】三相リアクトルの接続方法を示すもので、（ａ）は従来のもの、（ｂ）は磁気結合を改善したものを示す。
【図４】接地コンデンサを３相リアクトルの各相に分散して挿入した例を示す系統図である。
【図５】図４の回路にさらに接地コンデンサを追加した系統図である。
【図６】中性点ｎ１を得る他の方法を示す系統図である。
【図７】コンデンサの接続の他の例を示す系統図である。
【図８】コンデンサ及びインダクタンスの接続の他の例を示す系統図である。
【符号の説明】
１  コモンモードリアクトル、２  コンデンサ、３  ３相リアクトル、４ａ，４ｂ，４ｃ  コンデンサ、５  ３相リアクトル、６ａ，６ｂ，６ｃ  コンデンサ、７，８  コンデンサ、１１  電圧形ＰＷＭインバータ、１２  交流電動機
【図１】
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【図２】
0003596694.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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