(57)【要約】【課題】  対地電圧の変動を抑制し、系統保護装置２の誤作動を防止したトランスレスインバータ３を提供すること。【解決手段】  コンバータ７と零相変流器５との間にトランスの無いトランスレスインバータ３の直流中間回路のフィルタコンデンサ８の中間接続点１０を接地する。この接地線１１を流れる零相電流を、（１）接地線１１を貫通した変流器１２で、又は（２）直流中間回路の正負の接続線を流れる差電流を変流器１５やリアクトル１７で検出する。その出力を、３相交流系統１の電圧の３次調波３ｆ０周波数に対してインピーダンスが小さいバンドパスフィルタ１３介して、零相変流器５に系統１とは逆方向に貫通させる。【効果】  接地したことによって流れる零相電流を検出し、これを零相変流器５で検出される信号と相殺させることで、系統保護装置２の誤作動を防止でき、対地電圧の変動を抑制したトランスレスインバータを提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電した交流を直流に変換するコンバータと、このコンバータの直流側に接続されたフイルタコンデンサと、このフイルタコンデンサの直流を可変電圧・可変周波数の３相交流に変換するインバータと、このインバータから前記３相交流を供給される負荷と、前記コンバータに流入する交流系統に前記コンバータとの間にトランスを介することなく接続された零相変流器を備えたトランスレスインバータにおいて、前記フイルタコンデンサの中間接続点を接地する接地線と、この接地線に流れる電流又はこの電流相当値に基いて前記零相変流器を前記交流系統とは逆方向に励磁する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】
請求項１において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記接地線に流れる電流を検出する変流器を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】
請求項１において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記コンバータから前記フイルタコンデンサに至る直流線路における正負の電流差を検出する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項４】
請求項１において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記コンバータから前記フイルタコンデンサに至る正負の直流線路に貫通されたコアをもつ変流器を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項５】
請求項１において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記零相変流器のコアを貫通する貫通線を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項６】
請求項１において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記コンバータから前記フイルタコンデンサに至る正負の直流線路をそれぞれ巻付けたコイルと、出力コイルをもつリアクトルを備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項７】
受電した交流を直流に変換するコンバータと、このコンバータの直流側に接続され中間接続点を有するフイルタコンデンサと、このフイルタコンデンサの直流を可変電圧・可変周波数の３相交流に変換するインバータと、このインバータの３相交流出力を供給される負荷と、前記フイルタコンデンサの中間接続点を接地する接地線とを備えたインバータ装置において、前記コンバータに流入する交流系統に前記コンバータとの間にトランスを介することなく挿入された零相変流器と、前記フイルタコンデンサの中間接続点から前記接地線に流れる電流又はこの電流相当値に基いて、前記零相変流器を前記交流系統とは逆方向に励磁する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項８】
請求項７において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記接地線に流れる電流を検出する変流器を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項９】
請求項７において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記コンバータから前記フイルタコンデンサに至る直流線路における正負の電流差を検出する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１０】
請求項７において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記コンバータから前記フイルタコンデンサに至る正負の直流線路に貫通されたコアをもつ変流器を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１１】
請求項７において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記零相変流器のコアを貫通する貫通線を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１２】
請求項７において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記コンバータから前記フイルタコンデンサに至る正負の直流線路をそれぞれ巻付けたコイルと、出力コイルをもつリアクトルを備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１３】
受電した交流を直流に変換するコンバータと、このコンバータの直流側に接続され、中間接続点を有するフイルタコンデンサと、このフイルタコンデンサの直流を可変電圧・可変周波数の３相交流に変換するインバータと、このインバータから前記３相交流を供給される負荷と、前記フイルタコンデンサの中間接続点を接地する接地線とを備えたインバータ装置において、前記コンバータに流入する交流系統に前記コンバータとの間にトランスを介することなく接続された零相変流器と、前記フイルタコンデンサの中間接続点から前記接地線に流れる電流又はこの電流相当値のうち、予定の周波数域の成分を抽出する手段と、この抽出成分に基いて、前記零相変流器を前記交流系統とは逆方向に励磁する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１４】
請求項１３において、前記交流系統は３相交流系統であり、前記中間接続点から前記接地線に流れる電流のうち、３相交流系統の電圧の３次調波電流又はこの電流相当値に基いて、前記零相変流器を前記３相交流系統とは逆方向に励磁する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１５】
請求項１３において、前記交流系統は３相交流系統であり、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記３相交流系統の電圧の３次調波周波数に対してインピーダンスが小さいバンドパスフィルタを備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１６】
請求項１３において、前記交流系統は３相交流系統であり、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記３相交流系統の電圧の３次調波周波数に対してインピーダンスが小さく、かつ、前記３相交流系統の電圧の周波数、インバータキャリア周波数、及びパルス立上がり時間の周波数帯域ではインピーダンスが高いバンドパスフィルタを備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１７】
請求項１３において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記接地線に流れる電流を検出する変流器と、この変流器の出力線を貫通させた前記零相変流器のコアを備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１８】
請求項１３において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記コンバータから前記フイルタコンデンサに至る直流線路における正負の電流差を検出する手段を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項１９】
請求項１３において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記フイルタコンデンサの中間接続点を接地する接地線を流れる電流又はこの電流相当値を検出する変流器と、この変流器の出力と突き合わせられた出力線をもつ前記零相変流器を備えたことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２０】
請求項１３において、前記零相変流器を逆方向に励磁する手段は、前記コンバータから前記フイルタコンデンサに至る正負の直流線路をそれぞれ巻付けたコイルと、出力コイルをもつリアクトルを備えたことを特徴とするインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用交流電力を受電し、中間直流回路を介して可変電圧・可変周波数の交流電力に変換するインバータ装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギーの高効率利用、省エネの観点から、産業機器用モータの駆動電源にはインバータによる可変電圧・可変周波数制御（以下、可変速電源と略称）が使用されている。また、半導体プロセス技術、インバータ実装技術、モータドライブ制御技術の進歩とともに、今後もより優れたインバータが出現し、多くの機器に使用されると考えられる。とりわけ、近年のパワー半導体素子の高耐圧、大電流容量化、高速化は著しく、産業機器へのインバータ可変速電源の大きな普及要因になっている。
【０００３】
例えば、従来のパワー半導体素子を使用したインバータでは、受電電圧を一旦入力トランスで降圧し、低圧インバータで可変速電源とし、これを再度、出力トランスで昇圧し、モータを駆動していた。しかしながら、パワー半導体、とりわけ制御性や高速応答性に優れたＩＧＢＴ素子が高耐圧、大電流容量化されると、系統電圧を直接受電、出力電圧を制御できるインバータが可能となり、トランスレス化、小型、低損失化が可能となった。この結果、従来、設置スペースの問題からインバータ可変速電源の設置が難しかった既設モータにもインバータ可変速電源を導入し、産業機器の省エネルギー運転ができるようになった。
【０００４】
しかしながら、トランスレスインバータでは、従来のインバータと異なり、系統電圧を直接受電し、絶縁することなくモータに電力を供給する。このため、モータ（負荷）と系統に接続された他の負荷機器とのバランスや、系統電圧変動の影響でインバータの出力電圧波形が大きく変動する可能性がある。とりわけインバータ出力電圧がモータを正弦波駆動した場合に比べ高くなる場合には、モータの絶縁寿命がインバータ導入前に比べ短くなる恐れがあり、対策が必要である。
【０００５】
従来、このような問題には、例えば、非特許文献１のように、インバータの中間直流回路のフィルタコンデンサの中間接続点を接地することで、インバータの対地電圧のピークを一定にする対策があった。また、特許文献１等にも、インバータの中間直流回路のフィルタコンデンサの中間接続点を接地することが開示されている。
【０００６】
一方、特許文献２には、大きな浮遊容量を持つ太陽電池などの直流電力をインバータで可変速電源とし、トランス無しで負荷に給電する形態のトランスレスインバータ電源と、その漏電遮断器の誤動作対策が開示されている。
【０００７】
【非特許文献１】電気学会技術報告第７３９号（Ｐ.１７〜１８）
【０００８】
【特許文献１】特開平３−１０７３７３号公報（図１、図３、図８）
【特許文献２】特開２００２−１６５４６１号公報（全体）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、商用交流系統に挿入された零相変流器と、インバータを構成する入力側のコンバータとの間にトランスを持たない形態のトランスレスインバータを対象としている。このようなトランスレスインバータでは、従来のインバータと異なり、系統とインバータがトランスで絶縁されていないため、非特許文献１や特許文献１のように、インバータの直流中間回路のフィルタコンデンサの中間接続点を単純に接地することはできない。接地した場合、系統側から零相電流が流れ、零相変流器を用いた系統保護装置を誤作動させる恐れがある。このため、トランスレスインバータでは、非特許文献１や特許文献１のような手法で対地電圧の変動を抑制することができず、新たに出力フィルタを設置し過電圧を抑制するか、あるいはモータの対地絶縁を強化するなどの対策を施す必要がある。この結果、トランスレスインバータの小型、省スペース、低損失化のメリットが十分活かせない。
【００１０】
そこで本発明の目的は、商用系統から受電するトランスレスインバータにおいても、対地電圧の変動を抑制し、かつ、系統保護装置の誤作動を防止できるインバータ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明はその一面において、受電端の零相変流器とインバータの交流受電側のコンバータとの間にトランスを持たないトランスレスインバータにおいて、直流中間回路のフイルタコンデンサの中間接続点を接地する接地線を設け、この接地線に流れる電流に基いて前記零相変流器を逆方向に励磁することを特徴とする。
【００１２】
本発明は他の一面において、インバータ直流中間回路のフイルタコンデンサの中間接続点を接地する接地線を備えたインバータ装置において、インバータの交流受電側のコンバータに流入する３相交流系統のトランスよりも前記コンバータ側に零相変流器を挿入し、前記接地線に流れる電流に基いて、前記零相変流器を逆方向に励磁することを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明は他の一面において、フイルタコンデンサの中間接続点を接地する接地線を備えたインバータ装置において、コンバータに流入する３相交流系統のトランスよりも前記コンバータ側に零相変流器を挿入し、前記接地線に流れる電流のうち、予定の周波数域の成分を抽出し、前記零相変流器を逆方向に励磁することを特徴とする。
【００１４】
ここで、望ましい実施態様においては、商用電源電圧の３次調波の周波数域の成分を抽出し、この抽出成分によって前記零相変流器を逆方向に励磁する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、コンバータの入力系統側にトランスを介さず零相変流器を挿入したトランスレスインバータにおいても、対地電圧の変動を抑制し、かつ、系統保護装置の誤作動を防止したインバータ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施例によるインバータ装置の全体構成図である。このトランスレスインバータシステムは、大きく分けて商用交流電源系統１と、系統保護装置２、トランスレスインバータ３、及びモータ（負荷）４から構成されている。ここで、系統保護装置２は、系統が地絡した際に流れる零相電流を検出する零相変流器５と、この零相変流器５の信号を検出し、真空遮断機などの遮断装置（図示せず）を動作させる保護回路６を備えている。
【００１８】
一方、トランスレスインバータ３は、通常のインバータとは、次の構成の違いを持つ。まず、通常のインバータと同様に、系統の３相交流を直流に変換するコンバータ７と、直流中間回路に挿入されたフィルタコンデンサ８と、直流をスイッチングし交流に変換するＰＷＭインバータ９を備える。このほか、系統１には、上記コンバータ７との間にトランスを介することなく、零相変流器５が挿入され、この結果、いわゆるトランスレスインバータ３を構成するのである。フィルタコンデンサ８の中間接続点１０は接地線１１で接地されている。
【００１９】
ここで、フィルタコンデンサ８の中間接続点１０を接地した場合を考える。まず、単に接地線１１で接地した場合に、系統から流れる電流を図中に太線矢印で示した。トランスレスインバータ３では、フィルタコンデンサ８の中間接続点１０を接地すると、この接地線１１に系統から太線矢印で示したように零相電流が流れ込む。これは、コンバータ７によって３相全波整流されて得られた直流中間回路の電圧には、系統１の電圧の３次調波成分が含まれており、接地されることによって、不平衡電流成分すなわち零相電流として太線矢印のように流れることとなる。このままでは、この零相電流は零相変流器５で検出されてしまい、系統保護装置２内の保護回路６を動作させてしまう惧れが生ずる。
【００２０】
しかしながら、本実施例では、フィルタコンデンサ８の中間接続点１０の接地線１１は、変流器１２のコアを貫通させている。この変流器１２の出力は、バンドパスフィルタ１３を介して零相変流器５を系統１とは逆方向に励磁するように、そのコアに貫通線１４を貫通させている。したがって、零相電流を変流器１２で検出し、バンドパスフィルタ１３で、系統電圧の３次調波の周波数成分を抽出し、これを零相変流器５に、系統１とは逆方向に貫通させる。これにより、系統１を流れる零相電流が作り出す磁界をキャンセルすることができる。このため、フィルタコンデンサ８の中間接続点１０を接地しても、零相変流器５が零相電流を誤検出し、系統保護装置２の保護回路６が誤作動するということは無くなる。
【００２１】
特に、本実施例では、変流器１２の出力はバンドパスフィルタ１３を通すことによって、系統電圧の３次調波の周波数成分のみを抽出している。
【００２２】
図２は、本発明の第１の実施例に用いるバンドパスフィルタ１３の特性図である。商用３相交流系統の周波数をｆ０とするとき、図示するように、その３次調波周波数３ｆ０域でインピーダンスＺが小さいバンドパスフィルタである。したがって、その他の、系統電圧の周波数ｆ０域、インバータキャリア周波数域、及びパルス立上がりの周波数帯域などでは、高いインピーダンスを持っている。このため、フィルタコンデンサ８と図示しないケーブル及びモータ負荷４、大地を結ぶ閉回路を流れる高周波電流を除去し、系統１からコンバータ７、フィルタコンデンサ８、その中間接続点１０を介し大地に流れる電流のみを検出することができる。
【００２３】
このようにして、コンバータ７の交流系統１側に、トランスを介することなく零相変流器５を挿入したトランスレスインバータにおいて、対地電圧の変動を抑制し、かつ、系統保護装置２の誤作動を防止したインバータ装置を提供することができる。
【００２４】
図３は、本発明の第２の実施例によるインバータ装置の全体構成図である。図３において、図１の実施例と同一要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。この実施例では、コンバータ７とフィルタコンデンサ８を結ぶ接続線を変流器１５に貫通させており、この変流器１５は、零相変流器５に系統１と逆方向に貫通する貫通線１４に出力している。１６は補助接地線であり、両変流器５，１５が電位的に浮いていても問題なければ、必ずしも必要ではない。
【００２５】
本実施例では、コンバータ７とフィルタコンデンサ８を結ぶ接続線を変流器１５に貫通させている。これにより、不平衡電流すなわち正負の差電流によって系統１の零相電流を検出し、これを系統保護装置２の零相変流器５に系統と逆方向に貫通させることで、系統１を流れる零相電流が作り出す磁界をキャンセルすることができる。このため、フィルタコンデンサ８の中間接続点１０を接地しても、零相変流器５が３次調波成分による零相電流を検出して誤作動することが無い。
【００２６】
このように、本実施例により、対地電圧の変動を抑制し、かつ、系統保護装置の誤作動を防止したトランスレスインバータを提供することができる。
【００２７】
図４は、本発明の第３の実施例によるインバータ装置の全体構成図である。この実施例においても、図１や図３の実施例と同一要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。この実施例が図３と異なるところは、変流器１５の出力と、零相変流器５の出力を互いに打消し合う方向に直列に突き合わせるように接続している。
【００２８】
本実施例によっても、対地電圧の変動を抑制し、かつ、系統保護装置の誤作動を防止したトランスレスインバータを提供することができる。
【００２９】
図５は、本発明の第４の実施例によるインバータ装置の全体構成図である。この実施例においても、図３と同一要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。この実施例が図３と異なるところは、コンバータ７とフィルタコンデンサ８を結ぶ直流中間回路の正負の差電流を検出するために、リアクトル１７を備えていることである。このリアクトル１７は、コンバータ７からフィルタコンデンサ８に向う正極側コイル１８と、その逆方向の負極側コイル１９、並びに出力コイル２０を備えている。この出力コイル２０に現れる正負の差電流すなわち零相電流を、図３と同様に零相変流器５に系統１と逆方法に貫通する貫通線１４に出力している。
【００３０】
本実施例では、コンバータ７とフィルタコンデンサ８の正極側及び負極側を結ぶ接続線をリアクトル１７に、それぞれコイル１８と１９として巻いている。これらのコイル１８と１９は、不平衡電流による磁界を強め合う方向である。このため、コンバータ７とフィルタコンデンサ８を結ぶ両極の接続線に大地に流れる零相電流が流れた場合には、出力コイル２０でこれを検出し、零相変流器５を系統１とは逆方向に励磁し、系統１を流れる零相電流が作り出す磁界をキャンセルする。
【００３１】
したがって、前述実施例と同様に、対地電圧の変動を抑制し、かつ、系統保護装置の誤作動を防止したトランスレスインバータを提供することができる。
【００３２】
この実施例では、リアクトル１７の出力コイル２０の出力を、零相変流器５に系統１と逆方向に貫通させた。しかしながら、図４の実施例と同様に、この出力を零相変流器５の出力と打消し合う方向に直列に接続しても同様の効果が得られる。
【００３３】
以上の実施例を要約すると次の通りである。まず、受電した交流を直流に変換するコンバータ７と、このコンバータの直流側に接続されたフイルタコンデンサ８と、このフイルタコンデンサの直流を可変電圧・可変周波数の３相交流に変換するインバータ９を備えている。そして、このインバータから３相交流を供給される負荷（モータ）４と、前記コンバータ７に流入する交流系統１に前記コンバータ７との間にトランスを介することなく接続された零相変流器５を備えたトランスレスインバータを対象としている。ここで、フイルタコンデンサ８の中間接続点１０を接地する接地線１１と、この接地線１１に流れる電流又はこの電流相当値に基いて零相変流器５を交流系統１とは逆方向に励磁する励磁手段（１２〜１４、１５、又は１７）を備えている。
【００３４】
これらの実施例によれば、インバータ内あるいはインバータから大地に流れる零相電流を検出し、これを系統保護装置の零相変流器の信号と相殺させることによって、系統保護装置の誤作動を防止できる。このため、コンバータの入力系統側にトランスを介さず零相変流器を挿入したトランスレスインバータにおいても、対地電圧の変動を抑制し、かつ、系統保護装置の誤作動を防止したインバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施例によるインバータ装置の全体構成図。
【図２】本発明の第１の実施例に用いるバンドパスフィルタの特性図。
【図３】本発明の第２の実施例によるインバータ装置の全体構成図。
【図４】本発明の第３の実施例によるインバータ装置の全体構成図。
【図５】本発明の第４の実施例によるインバータ装置の全体構成図。
【符号の説明】
【００３６】
１…系統、２…系統保護装置、３…トランスレスインバータ、４…モータ（負荷）、５…零相変流器、６…系統保護回路、７…コンバータ、８…フィルタコンデンサ、９…インバータ、１０…フィルタコンデンサの中間接続点、１１…接地線、１２…変流器、１３…バンドパスフィルタ、１４…貫通線、１５…変流器、１６…補助接地線、１７…リアクトル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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