CN102282748B - 输出滤波器以及具备输出滤波器的电力变换装置 - Google Patents

输出滤波器以及具备输出滤波器的电力变换装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供由中性点检测器(103)构成的输出滤波器(104)和具备该输出滤波器的电力变换装置，其中，使各相的绕组电感完全相等而不会产生共模电感，且减小了自身尺寸。具备由三角锥状的磁芯构成的中性点检测器(103)。

Description

输出滤波器以及具备输出滤波器的电力变换装置
技术领域
本发明涉及降低在电力变换装置的切换动作中产生的高频噪声的输出滤波器和具备该输出滤波器的电力变换装置。
背景技术
作为电力变换装置输出侧的问题，可举出高频漏电流以及因该高频漏电流引起的传导EMI、辐射EMI以及电动机轴承部的电蚀等。为了解决这样的问题，一直以来采取的措施是在电力变换装置中添加输出滤波器。
第1现有技术记载了如下的电力变换装置：该电力变换装置涉及逆变器等、采用了IGBT或者功率MOSFET这样的高速切换元件的电力变换装置的高频漏电流的抑制以及共模电压的抑制，其中，采用了中性点检测变压器作为逆变器输出侧中性点的检测单元，所以，能够在不产生电容的突入电流以及充放电损失等问题的情况下进行中性点检测，从而能够可靠地抑制共模电压/电流(例如，参照专利文献1)。
第2现有技术记载了如下的电力变换装置：该电力变换装置涉及通过抑制进行感应电动机的可变电压、可变频率的控制的逆变器的逆变器共模电压来抑制采用了高载波频率的逆变器的共模电压的方法及其装置，提供了不需要晶体管等有源元件的、成本低且可靠性高的逆变器的共模电压的抑制方法及其装置(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】日本特开平11-196565号公报(第4-6页，图1)
【专利文献2】日本特开平11-299264号公报(第3-4页，图1)
第1或2现有技术的电力变换装置中的采用了变压器的中性点检测器即使被应用到产生脉冲输出电压的电力变换装置，也不会在电力变换装置的接线之间流过过大的电流，但是，高频区域中的滤波器的增益特性变差。作为其原因，存在绕组电感的问题。
另外，对于采用了变压器的一般的中性点检测器而言，因为无法充分降低共模电感，所以存在这样的问题：在高频区域中输出滤波器的特性恶化。而且，因为需要二次侧绕组，所以还存在变压器的尺寸变大的问题。
本发明正是鉴于这样的问题而完成的，其目的是提供由中性点检测器构成的输出滤波器和具备该输出滤波器的电力变换装置，其中，所述中性点检测器的各相绕组电感全部相等而不会产生共模电感，且减小了自身尺寸。
用于解决课题的手段
为了解决上述问题，本发明以如下方式构成。
权利要求1所述的发明是一种电力变换装置，其输入交流电源并提供用于驱动电动机的电力，具备输出滤波器，该输出滤波器具有：共模扼流圈，其连接在所述电力变换装置的输出与所述电动机之间；以及中性点检测器，其连接在所述共模扼流圈的二次侧与中性点之间，其中，所述中性点检测器由三角锥状的磁芯构成。
另外，权利要求2所述的发明是，权利要求1所述的发明中的所述中性点检测器在所述磁芯上，以各自独立的方式按照彼此相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的各相绕组。
另外，权利要求3所述的发明是，权利要求1所述的发明中的所述中性点检测器在所述磁芯上，以各自独立的方式按照彼此相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的各相绕组，所述各相绕组的一端与所述共模扼流圈的二次侧连接，另一端进行了星形接线并经由串联连接的电容及电阻与所述中性点连接。
权利要求4所述的发明是一种输出滤波器，其具有：共模扼流圈，其连接在电力变换装置的输出与电动机之间，其中，所述电力变换装置输入交流电源并提供用于驱动所述电动机的电力；以及中性点检测器，其连接在所述共模扼流圈的二次侧与中性点之间，其中，所述中性点检测器由三角锥状的磁芯构成。
另外，权利要求5所述的发明是，权利要求4所述的发明中的所述中性点检测器在所述磁芯上，以各自独立的方式按照彼此相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的各相绕组。
另外，权利要求6所述的发明是，权利要求4所述的发明中的所述中性点检测器在所述磁芯上，以各自独立的方式按照彼此相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的各相绕组，所述各相绕组的一端与所述共模扼流圈的二次侧连接，另一端进行了星形接线并经由串联连接的电容及电阻与所述中性点连接。
根据权利要求1～6所述的发明，能够使中性点检测器的各相的绕组电感全部相等，不会产生共模电感。另外，由于完全不会产生共模电感，所以在高频区域中，输出滤波器的增益特性提高。此外，因为不需要二次侧绕组，所以能够减小中性点检测器的尺寸。
附图说明
图1是示出本发明的具备由中性点检测器构成的输出滤波器的电力变换装置的结构的框图。
图2是本发明的中性点检测器的概略结构图。
图3(a)是示出由流过中性点检测器中的U相绕组的电流所产生的磁通的路径的图，(b)是示出由流过中性点检测器中的V相绕组的电流所产生的磁通的路径的图，(c)是示出由流过中性点检测器中的W相绕组的电流所产生的磁通的路径的图。
图4是示出电力变换装置输出侧的共模等效电路的图。
图5是示出共模下的电力变换装置输出滤波器增益的计算结果的图。
图6(a)是不具备输出滤波器的电力变换装置的共模电压以及电流的波形图，(b)是图6(a)的放大图。
图7(a)是现有技术的具备由中性点检测器构成的输出滤波器的电力变换装置的共模电压、电流和滤波器电流的波形图，(b)是图7(a)的放大图。
图8(a)是本发明的具备由中性点检测器构成的输出滤波器的电力变换装置的共模电压、电流和滤波器电流的波形图，(b)是图8(a)的放大图。
图9(a)是示出不具备输出滤波器时的共模电压Vc2的频率分析结果的图，(b)是示出现有技术的具备输出滤波器时的共模电压Vc2的频率分析结果的图，(c)是示出本发明的具备输出滤波器时的共模电压Vc2的频率分析结果的图。
图10(a)是示出不具备输出滤波器时的共模电流Ic的频率分析算结果的图，(b)是示出现有技术的具备输出滤波器时的共模电流Ic的频率分析算结果的图，(c)是示出本发明的具备输出滤波器时的共模电流Ic的频率分析算结果的图。
用于实施发明的方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
实施例1
图1是示出本发明的具备由中性点检测器构成的输出滤波器的电力变换装置的结构的框图。在图中，100是交流电源，101是电力变换装置，102是共模扼流圈，103是中性点检测器，104是输出滤波器，105是电动机。
电力变换装置101输入交流电源100，根据来自未图示的上位装置的指令进行供电以驱动电动机105，该电力变换装置101可以是一般公知的电力变换装置。输出滤波器104被插入在电力变换装置101的输出即电力变换装置101与电动机105之间，主要由共模扼流圈102、中性点检测器103、旁通路径中的电容C2和电阻Rf构成。
图2是本发明的中性点检测器的概略结构图。在图中，中性点检测器构成三角锥状的磁芯，例如如图所示，按相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的绕组。
输出滤波器104由以下部分构成：在电力变换装置101的输出U相、V相、W相与电动机105的U相、V相、W相之间、与各相串联地连接的共模扼流圈102；在各个U相、V相、W相之间并联接线的各相电容；中性点检测器，其各相绕组的一端分别与各相电容连接，另一端针对各相绕组进行了星形接线而成为中性点n2；以及与中性点n2串联连接的电容C2以及电阻Rf。
图3(a)是示出由流过中性点检测器中的U相绕组的电流所产生的磁通的路径的图，(b)是示出由流过中性点检测器中的V相绕组的电流所产生的磁通的路径的图，(c)是示出由流过中性点检测器中的W相绕组的电流所产生的磁通的路径的图。
如图所示，在构成三角锥状的磁芯的中性点检测器中，因为3相的磁路长度全部相等，所以不会产生各相之间的磁通不平衡，因此不会产生共模的绕组电感。
图4是示出电力变换装置输出侧的共模等效电路的图。图中，106是共模电压，107是中性点检测器的共模电感，108是布线的电感以及电阻，109是布线以及电动机的寄生电容。接着，说明现有技术与本发明的关于该电路的对比。
图5是示出共模下的电力变换装置输出滤波器增益的计算结果的图。图中，进行了现有技术的由中性点检测器构成的输出滤波器与本发明的由中性点检测器构成的输出滤波器的各增益特性的对比，如前所述可知，本发明的中性点检测器的共模的绕组电感几乎为零，所以在高频区域中增益特性提高。
图6(a)是不具备输出滤波器的电力变换装置的共模电压以及电流的波形图，图6(b)是图6(a)的放大图，图7(a)是现有技术的具备由中性点检测器构成的输出滤波器的电力变换装置的共模电压、电流和滤波器电流的波形图，图7(b)是图7(a)的放大图，图8(a)是本发明的具备由中性点检测器构成的输出滤波器的电力变换装置的共模电压、电流和滤波器电流的波形图，图8(b)是图8(a)的放大图。
在图中，Vc1、Vc2是共模电压，Ic是共模电流，If是输出滤波器电流，各波形图的仿真条件是，将电力变换装置的载波频率设为10kHz，将工作频率设为30Hz。
根据图6(a)(b)，在不具备输出滤波器的情况下，共模电压Vc1、Vc2是将基波作为载波频率的脉冲状的电压波形，共模电流Ic是高频的电流。
根据图7(a)(b)，在具备现有技术的输出滤波器的情况下，能够降低共模电压Vc2。图5中的输出滤波器的增益特性在10kHz处大约是-20dB，由此，针对载波分量，将共模电压Vc2降低至共模电压Vc1的大约十分之一。另一方面，无法充分降低现有技术的中性点检测器的共模电感，所以在高频区域中，输出滤波器的特性恶化，无法降低共模电流Ic的高频分量。
根据图8(a)(b)，在具备本发明的输出滤波器的情况下，针对载波分量，将共模电压Vc2降低至共模电压Vc1的大约十分之一。而且，本发明的中性点检测器构成为，各相的绕组电感全部相等，从而由其引起的共模电感几乎为零，所以，在高频区域中，输出滤波器的增益特性提高，能够充分地降低共模电流Ic的高频分量。
图9(a)是示出不具备输出滤波器时的共模电压Vc2的频率分析结果的图，图9(b)是示出具备现有技术的输出滤波器时的共模电压Vc2的频率分析结果的图，图9(c)是示出具备本发明的输出滤波器时的共模电压Vc2的频率分析结果的图，图10(a)是示出不具备输出滤波器时的共模电流Ic的频率分析算结果的图，图10(b)是示出具备现有技术的输出滤波器时的共模电流Ic的频率分析算结果的图，图10(c)是示出具备本发明的输出滤波器时的共模电流Ic的频率分析算结果的图。
根据图9(a)，共模电压Vc2=Vc1，是将基波作为载波频率(f=10kHz)的电压。另外，根据图10(a)，共模电流Ic是将基波作为载波频率(f=10kHz)的电流。
根据图9(b)和图9(c)，2个共模电压Vc2的载波分量(f=10kHz)大约是相同的值，与此相对，关于高频分量(f≥100kHz)，图9(c)的一方降低，而根据图10(a)和图10(c)，关于2个共模电流Ic的高频分量(f≥100kHz)，图10(c)的一方降低。这是因为，本发明的中性点检测器构成为各相的绕组电感全部相等，从而由其引起的共模电感几乎为零，所以在高频区域中输出滤波器的增益特性提高。
这样，在具备由本发明的中性点检测器构成的输出滤波器的电力变换装置中，当中性点检测器的各相绕组电感全部相等时，完全不会产生共模电感，所以在高频区域中，输出滤波器的增益特性提高。因此，与采用现有的中性点检测器的情况相比，能够降低共模电压/电流的高频分量。
工业上的可利用性
因为能够减小输出滤波器中使用的共模扼流圈的尺寸，所以输出滤波器的尺寸也变小。结果，能够配置于电力变换装置内，所以能够应用于输出滤波器内置型的电力变换装置。另外，输出滤波器的高频区域中的增益特性提高，所以能够容易地实现噪声对策。
符号说明
100交流电源
101电力变换装置
102共模扼流圈
103中性点检测器
104输出滤波器
105电动机
106共模电压
107共模电感
108布线的电感以及电阻
109布线以及电动机的寄生电容

Claims (12)

1.一种电力变换装置，其输入交流电源并提供用于驱动电动机的电力，具备输出滤波器，该输出滤波器具有：共模扼流圈，其连接在所述电力变换装置的输出与所述电动机之间；以及中性点检测器，其连接在所述共模扼流圈的二次侧与中性点之间，该电力变换装置的特征在于，
所述中性点检测器由三角锥状的磁芯构成。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
所述中性点检测器在所述磁芯上，以各自独立的方式按照彼此相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的各相绕组。
3.根据权利要求1或2所述的电力变换装置，其特征在于，
所述中性点检测器的U相、V相、W相的各相绕组的一端与所述共模扼流圈的二次侧连接，另一端进行了星形接线并经由串联连接的电容及电阻与所述中性点连接。
4.一种输出滤波器，其具有：共模扼流圈，其连接在电力变换装置的输出与电动机之间，其中，所述电力变换装置输入交流电源并提供用于驱动所述电动机的电力；以及中性点检测器，其连接在所述共模扼流圈的二次侧与中性点之间，该输出滤波器的特征在于，
所述中性点检测器由三角锥状的磁芯构成。
5.根据权利要求4所述的输出滤波器，其特征在于，
所述中性点检测器在所述磁芯上，以各自独立的方式按照彼此相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的各相绕组。
6.根据权利要求4或5所述的输出滤波器，其特征在于，
所述中性点检测器的U相、V相、W相的各相绕组的一端与所述共模扼流圈的二次侧连接，另一端进行了星形接线并经由串联连接的电容及电阻与所述中性点连接。
7.一种电力变换装置，其输入交流电源并提供用于驱动电动机的电力，具备输出滤波器，该输出滤波器具有：共模扼流圈，其连接在所述电力变换装置的输出与所述电动机之间；以及中性点检测器，其连接在所述共模扼流圈的二次侧与中性点之间，该电力变换装置的特征在于，
所述中性点检测器的U相、V相、W相的绕组电感全部相等，
所述中性点检测器由三角锥状的磁芯构成。
8.根据权利要求7所述的电力变换装置，其特征在于，
所述中性点检测器在磁芯上，以各自独立的方式按照彼此相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的各相绕组。
9.根据权利要求7或8所述的电力变换装置，其特征在于，
所述中性点检测器的U相、V相、W相的各相绕组的一端与所述共模扼流圈的二次侧连接，另一端进行了星形接线并经由串联连接的电容及电阻与所述中性点连接。
10.一种输出滤波器，其具有：共模扼流圈，其连接在电力变换装置的输出与电动机之间，其中，所述电力变换装置输入交流电源并提供用于驱动所述电动机的电力；以及中性点检测器，其连接在所述共模扼流圈的二次侧与中性点之间，该输出滤波器的特征在于，
所述中性点检测器的U相、V相、W相的绕组电感全部相等，
所述中性点检测器由三角锥状的磁芯构成。
11.根据权利要求10所述的输出滤波器，其特征在于，
所述中性点检测器在磁芯上，以各自独立的方式按照彼此相同的方向缠绕了相同匝数的U相、V相、W相的各相绕组。
12.根据权利要求10或11所述的输出滤波器，其特征在于，
所述中性点检测器的U相、V相、W相的各相绕组的一端与所述共模扼流圈的二次侧连接，另一端进行了星形接线并经由串联连接的电容及电阻与所述中性点连接。
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