CN110649830B - 电动机过电压保护装置、电力变换装置和驱动装置 - Google Patents

电动机过电压保护装置、电力变换装置和驱动装置 Download PDF

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Abstract

提供一种电动机过电压保护装置、电力变换装置和驱动装置，能够可靠地保护用逆变器驱动的电动机的线圈免受过电压的危害，并能够实现小型化和应对成本的降低。电动机过电压保护装置具有滤波部，该滤波部具备：电抗器，其插入于电动机线缆的逆变器侧；以及二极管桥式电路，其是二极管臂并联连接而成的，所述二极管臂的中间点各自独立地连接于电动机线缆与电抗器的连接点，其中，二极管桥式电路的直流高电位侧与逆变器的直流高电位侧连接，二极管桥式电路的直流低电位侧与逆变器的直流低电位侧连接，在通过二极管桥式电路的电流路径上具备回流电流抑制部。电抗器被设定为使施加于电动机的与受电端邻接的定子线圈的电压为容许电压以下的电感值。

Description

电动机过电压保护装置、电力变换装置和驱动装置
技术领域
本发明涉及一种保护多相电动机免受向电动机施加的过电压的危害的电动机过电压保护装置、使用了该电动机过电压保护装置的电力变换装置和多相电动机驱动装置。
背景技术
在用具有开关元件的逆变器来驱动电动机的情况下，有时产生以下等问题：由于因将逆变器与电动机进行连接的线缆同电动机的阻抗不匹配而引起的反射，向电动机施加过大的浪涌电压，导致电动机绕组的绝缘损坏、电动机绕组的绝缘寿命缩短。作为抑制这样的向电动机施加的浪涌电压的方法，提出有专利文献1中记载的浪涌电压抑制电路。
在该专利文献1的图1、图4中记载的浪涌电压抑制电路中，具备：电抗器，其插入于将电动机与驱动该电动机的逆变器之间进行连接的线缆；以及二极管桥式电路，其是二极管臂并联连接而成的，所述二极管臂的中间点各自独立地连接于电抗器与电动机之间的线缆，其中，二极管桥式电路的直流高电位侧与逆变器的直流高电位侧连接，且二极管桥式电路的直流低电位侧与逆变器的直流低电位侧连接。
像这样构成的浪涌电压抑制电路利用电抗器和二极管桥式电路来将因电抗器与线缆之间的谐振而产生的电压振动的峰值抑制在逆变器的直流电压以下。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平4-251574号公报
专利文献2：日本特开2010-136564号公报
发明内容
发明要解决的问题
如专利文献1中记载的浪涌电压抑制电路用于抑制施加于电动机受电端子部的电压峰值。另外，电动机绕组的绝缘损坏、绝缘劣化之类的问题是由电动机受电端子部的电压以及电动机内部绕组的电压分配的影响而产生的。
在此，对电动机内部绕组的电压分配进行说明。电动机内部绕组由多个线圈构成，在利用商用电源等来驱动电动机的情况下，施加于电动机的受电端子部的电压被均匀地分配给所有线圈。
另一方面，在用逆变器来驱动电动机的情况下，施加于电动机的受电端子部的电压具有急剧的上升，因此表现出瞬态响应特性。作为表示该特性的例子，图18示出将0-1V的矩形波电压施加于电动机的受电端子部(图18的(b)的U端子)的情况下的电动机内部线圈的电压分配测定例。根据该图18可知，在刚被施加电压后，电动机内的线圈电压分配不均匀，电压集中在接近受电端子的线圈上。
并且，图19示出逆变器驱动时的电动机受电端电压和电动机受电端附近线圈电压测定结果的例子，可知，由于电动机受电端处的反射，向电动机受电端施加接近逆变器的直流中间电压(Vdc)的2倍的电压，并且电动机受电端邻接线圈也被施加与其相同程度的电压。
由于这样的由瞬态响应引起的向受电端邻接线圈的电压集中、以及由电动机受电端处的反射导致的过电压，向电动机绕组施加过大的电压，从而产生绝缘损坏、绝缘劣化等问题。因而，为了应对这样产生的过电压，考虑电动机内部的瞬态响应特性是很重要的。
然而，专利文献1所记载的现有技术未涉及电动机受电端的电压抑制效果、电动机内部的特性，有时应对效果会产生过度或不足。在图20中，使用逆变器驱动时的电动机受电端附近线圈的电压模拟结果来示出专利文献1所记载的电压抑制电路的效果。图20中用虚线图示的特性线L1是没有电压抑制电路的情况下的电动机受电端邻接线圈的电压，图20中用实线图示的特性线L2是将抑制电路的电感值设为25μH的情况下的电动机受电端邻接线圈的电压，图20中用细线图示的特性线L3是将电压抑制电路的电感值设为1mH的情况下的电动机受电端邻接线圈的电压。
在图20的特性线L2及L3的任一应对电路中，均将电抗器的电感值如专利文献1中记载的那样设为比电动机线缆的电感值大的值，但是应对效果的大小相差很大。
在图20的特性线L2中，线圈电压超过逆变器的直流中间电压Vdc，根据电动机的绝缘规格而存在应对不充分的可能性。另一方面，在图20的特性线L3中，线圈电压被抑制到比以商用频率运转的情况下的值低的值，成为过度的应对。
在应对不充分的情况下，产生电动机损伤的问题，在应对过度的情况下，由于电抗器变大等而产生应对成本过大等问题。另外，电动机线缆的长度取决于现场的电动机安装条件，因此电动机线缆的电感值也相应地发生变化。因此，产生难以在事前决定滤波器的电感值的问题、在电动机线缆非常长的情况下电感值也相应地变得非常大从而大型化、成本增加等问题。
本发明是为了解决上述那样的问题点而完成的，目的在于提供一种能够可靠地保护用逆变器驱动的电动机的线圈免受过电压的危害且能够实现小型化和应对成本的降低的电动机过电压保护装置、使用了该电动机过电压保护装置的电力变换装置和多相电动机驱动装置。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明所涉及的电动机过电压保护装置的一个方式具有滤波器，所述滤波器具备：电抗器，其插入于将电动机与驱动该电动机的逆变器之间进行连接的电动机线缆的逆变器侧；以及二极管桥式电路，其是二极管臂并联连接而成的，所述二极管臂的中间点各自独立地连接于电动机线缆与电抗器的连接点，其中，二极管桥式电路的直流高电位侧与逆变器的直流高电位侧连接，二极管桥式电路的直流低电位侧与逆变器的直流低电位侧连接，在通过二极管桥式电路的电流路径上具备回流电流抑制部。而且，电抗器被设定为使施加于电动机的与针对电动机线缆的受电端邻接的定子线圈的电压为容许电压以下的电感值。
另外，本发明所涉及的电力变换装置的一个方式具备对多相电动机进行驱动的多相逆变器、以及上述的电动机过电压保护装置。
并且，本发明所涉及的多相电动机驱动装置具备多相电动机、对该多相电动机进行驱动的逆变器、以及上述的电动机过电压保护装置。
发明的效果
根据本发明的一个方式，实现了以下的电动机过电压保护装置：该电动机过电压保护装置考虑了在电动机绕组的绝缘保护中重要的、施加于电动机受电端子部的电压峰值、以及电动机内部的瞬态的电压传输特性和不平均的线圈电压分配。由此，能够提供一种能够可靠地保护用逆变器驱动的电动机的线圈免受过电压的危害并且能够实现小型化和应对成本的降低的电动机过电压保护装置、以及使用了该电动机过电压保护装置的电力变换装置和多相电动机驱动装置。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的多相电动机驱动装置的第一实施方式的电路图。
图2是表示线圈电压抑制效果的第一模拟结果的特性线图，(a)是将电动机的固有振幅系数ξ设定为0的情况下的特性线图，(b)是将电动机的固有振幅系数ξ设定为1的情况下的特性线图。
图3是表示线圈电压抑制效果的第二模拟结果的特性线图，(a)是将电动机的固有振幅系数ξ设定为0的情况下的特性线图，(b)是将电动机的固有振幅系数ξ设定为1的情况下的特性线图。
图4是表示线圈电压抑制效果的第三模拟结果的特性线图，(a)是将电动机的固有振幅系数ξ设定为0的情况下的特性线图，(b)是将电动机的固有振幅系数ξ设定为1的情况下的特性线图。
图5是表示电动机线缆的特性阻抗的图，(a)是表示标称截面面积与特性阻抗之间的关系的特性图，(b)是表示容许电流与特性阻抗之间的关系的特性图。
图6是表示电动机的转矩与固有振动频率之间的关系的特性线图。
图7是表示电抗器的电感值与电动机容量之间的关系的特性线图。
图8是表示dV/dt滤波器的循环电流路径的说明图。
图9是不设置限流电阻的情况下的波形图，(a)是表示二极管电流波形的图，(b)是表示逆变器输出端电压、滤波器输出电压以及电动机受电端电压的波形图。
图10是基于限流电阻的有无的波形图，(a)是表示二极管电流的波形图，(b)是表示基于限流电阻的有无的电动机受电端线间电压的波形图，(c)是表示在不设置限流电阻的情况下和本实施方式下的电动机受电端线间电压的波形图，(d)是表示在不设置限流电阻的情况下和本实施方式下的二极管电流的波形图。
图11是表示本发明所涉及的电动机过电压保护装置的第一变形例的电路图。
图12是表示本发明所涉及的电动机过电压保护装置的第二变形例的电路图。
图13是表示本发明所涉及的电动机过电压保护装置的第三变形例的电路图。
图14是表示本发明所涉及的电动机过电压保护装置的第四变形例的电路图。
图15是表示本发明所涉及的电动机过电压保护装置的第五变形例的电路图。
图16是表示本发明所涉及的电动机过电压保护装置的第六变形例的电路图。
图17是表示能够在图16的第六变形例中应用的泄漏电流抑制阻抗的图。
图18是表示电动机内部的电压分配的图，(a)是表示各测定位置的测定电压的特性线图，(b)是表示测定位置的图。
图19是表示电动机受电端电压和受电端邻接线圈电压的特性线图。
图20是用于说明现有技术的效果的特性线图。
附图标记说明
11：三相交流电源；12：变压器；13：电力变换装置；14：三相电动机；20：三相电抗器；21：脉宽调制(PWM)变换器；22：平滑电容器；23：三相逆变器；24：电动机线缆；Lu：U相线缆；Lv：V相线缆；Lw：W相线缆；tu～tw：受电端子；31：三相电抗器；31u：U相电抗器；31v：V相电抗器；31w：W相电抗器；32：二极管桥式电路；32u：U相二极管臂；32v：V相二极管臂；32w：W相二极管臂；33：限流电阻；34：对地用二极管臂；Ru～Rw、R2u～R2w、R2x～R2z、R3p、R3n：限流电阻；Ze：泄漏电流抑制阻抗。
具体实施方式
接着，参照附图来说明本发明的一个实施方式。在以下的附图的记载中，对相同或类似的部分标注相同或类似的标记。但是，应当注意的是，附图是示意性的，厚度与平面尺寸之间的关系、各层的厚度的比例等与实际情况不同。因而，应当参考以下的说明来判断具体的厚度、尺寸。另外，在附图相互之间也包含彼此的尺寸关系、比例不同的部分，这是不言而喻的。
另外，以下所示的实施方式用于例示用于将本发明的技术思想具体化的装置、方法，本发明的技术思想并不将结构部件的材质、形状、构造、配置等特定为下述的材质、形状、构造、配置等。关于本发明的技术思想，能够在权利要求书所记载的权利要求所规定的技术范围内施加各种变更。
[第一实施方式]
首先，对具备表示本发明的一个方式的电动机过电压保护装置的多相电动机驱动装置的第一实施方式进行说明。
如图1所示，多相电动机驱动装置备三相交流电源11、经由变压器12被输入从该三相交流电源11输出的三相交流电力的电力变换装置13、以及用从该电力变换装置13输出的三相电力来驱动的三相电动机14。
电力变换装置13具备：脉宽调制(PWM)变换器(以下称为PWM变换器)21，其将从变压器12经由三相电抗器20输入的三相交流电力变换为直流电力；平滑电容器22，其将从该变换器21输出的直流电力平滑化；以及三相逆变器23，其将由该平滑电容器22进行了平滑化的直流电力变换为三相交流电力后供给至三相电动机14。
在此，如图1所示，PWM变换器21具备由R相开关臂CSLr、S相开关臂CSLs及T相开关臂CSLt在高电位侧布线Lp与低电位侧布线Ln之间并联连接而成的全桥电路。
在R相开关臂CSLr中，例如由绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的两个开关元件Q11与Q12串联连接。在S相开关臂CSLs和T相开关臂CSLt中也是，与R相开关臂CSLr同样的开关元件Q13与Q14、Q15与Q16串联连接。此外，续流二极管D11～D16以反向并联的方式与各开关元件Q11～Q16连接。
另外，各开关臂CSLr、CSLs及CSLt的作为开关元件Q11、Q13及Q15与开关元件Q12、Q14及Q16之间的连接点的中间点同变压器12的输出侧连接。
并且，从未图示的栅极驱动电路向各开关元件Q11～Q16的栅极输入由脉宽调制(PWM)信号形成的栅极信号，由此将来自变压器12的交流电力变换为直流电力后输出到高电位侧布线Lp和低电位侧布线Ln。
此外，作为变换器，不限于PWM变换器21，能够应用去除PWM变换器21的各开关元件Q11～Q16而仅由二极管D11～D16构成的二极管桥式整流电路。
另外，如图1所示，三相逆变器23具备由U相开关臂ISLu、V相开关臂ISLv以及W相开关臂ISLw在连接有平滑电容器22的高电位侧布线Lp与低电位侧布线Ln之间并联连接而成的全桥电路。
在U相开关臂ISLu中，例如由绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的两个开关元件Q21与Q22串联连接。在V相开关臂ISLv和W相开关臂ISLw中也是，与U相开关臂ISLu同样的开关元件Q23与Q24、Q25与Q26串联连接。此外，续流二极管D21～D26以反向并联的方式与各开关元件Q21～Q26连接。
另外，各开关臂ISLu、ISLv及ISLw的作为开关元件Q21、Q23及Q25与开关元件Q22、Q24及Q26之间的连接点的交流输出端经由三相的电动机线缆24来同三相电动机14的电动机端子tu、tv及tw连接。在此，电动机线缆24包括连接在开关元件Q21及Q22的交流输出端与电动机端子tu之间的U相线缆Lu、连接在开关元件Q23及Q24的交流输出端与电动机端子tv之间的V相线缆Lv、以及连接在开关元件Q25及Q26的交流输出端与电动机端子tw之间的W相线缆Lw。
并且，从未图示的栅极驱动电路向三相逆变器23的各开关元件Q21～Q26的栅极输入由脉宽调制(PWM)信号形成的栅极信号。由该三相逆变器23将从连接有平滑电容器22的高电位侧布线Lp及低电位侧布线Ln供给的直流电力变换为交流电力后经由电动机线缆24供给到三相电动机14。
在三相逆变器23与电动机线缆24之间设置有电动机过电压保护装置MOP。该电动机过电压保护装置MOP具备作为滤波部的电压钳位式dV/dt滤波器30。该电压钳位式dV/dt滤波器30具备：三相电抗器31，其连接于电动机线缆24的各相线缆Lu～Lw的三相逆变器23侧；二极管桥式电路32，其连接于各相线缆Lu～Lw的三相电抗器31侧；以及作为回流电流抑制部的限流电阻33，其连接于二极管桥式电路32的交流输入侧。
三相电抗器31具有插入于U相线缆Lu的U相电抗器31u、插入于V相线缆Lv的V相电抗器31v、以及插入于W相线缆Lw的W相电抗器31w。
二极管桥式电路32具备在作为直流输出侧的高电位侧布线Lp1与低电位侧布线Ln1之间并联连接的三组二极管臂32u、32v及32w。
在二极管臂32u中，两个二极管D31及D32串联连接在高电位侧布线Lp1与低电位侧布线Ln1之间，二极管D31的阴极与高电位侧布线Lp1连接，阳极与二极管D32的阴极连接，二极管D32的阳极与低电位侧布线Ln1连接。并且，作为二极管D31与D32之间的中间点的交流输入端连接于三相电抗器31的U相电抗器31u与电动机线缆24的U相线缆Lu的连接点P1u。
在二极管臂32v及32w中也是，与二极管臂32u同样地，两个二极管D33与D34、D35与D36反向地串联连接在高电位侧布线Lp1与低电位侧布线Ln1之间。而且，作为二极管D33与D34的中间点的交流输入端连接于三相电抗器31的V相电抗器31v与电动机线缆24的V相线缆Lv的连接点P1v。另外，二极管D35与D36的中间点连接于三相电抗器31的W相电抗器31w与电动机线缆24的W相线缆Lw的连接点P1w。
另外，限流电阻33由各自独立地连接在各二极管臂32u、32v及32w的交流输入端与连接点P1u、P1v及P1w之间的电阻Ru、Rv及Rw构成。在此，电阻Ru、Rv及Rw的电阻值被设定为同电动机线缆24的各相线缆Lu、Lv及Lw的连接点P1u、P1v及P1w与三相电动机14的受电端子tu、tv及tw之间的特性阻抗Zu、Zv及Zw同等的值。
而且，高电位侧布线Lp1与电力变换装置13的高电位侧布线Lp连接，低电位侧布线Ln1与电力变换装置13的低电位侧布线Ln连接。
接着，以用三相逆变器23驱动如下的三相电动机14的情况为例来说明dV/dt滤波器30的电抗器的值的设定方法：所述三相电动机14的输出电力为5.5kW、输出电压AC为400V，所述三相电动机14具有4极的由串联连接的线圈构成的定子。
本dV/dt滤波器30对于高频而言作为滤波器的电抗器Lf和电动机线缆24的特性阻抗Zc的一阶滤波电路来发挥作用。因此，能够用下述式(1)来表示滤波器输出端电压Vfilter。
[数1]
Figure BDA0002082804880000091
在此，Lf为dV/dt滤波器30的电感值[H]，Vinv为逆变器输出端电压[V]，Zc为电动机线缆的特性阻抗[Ω]。
另外，能够用下述式(2)来表示与电动机受电端邻接的线圈的电压Vcoil。
[数2]
Figure BDA0002082804880000101
在此，Γm为电动机线缆和电动机受电端的反射系数，p为电动机定子线圈数，fcoil为电动机线圈固有振动频率[Hz]，ξ为电动机固有振幅系数，ξ与电动机线圈的电阻成分相当，并设定在0<ξ<1的范围内。
将各种常数代入该式(2)，并使时间t从0开始増加，由此能够求出与电动机受电端邻接的定子线圈的电压Vcoil。作为例子，在图2的(a)及(b)中示出使用以下常数求出的线圈电压。
dV/dt滤波器30的电感值Lf[H]＝1μ[H]～600μ[H]
逆变器输出端电压Vinv[V]＝从0V起上升到直流中间电压Vdc的矩形波
电动机线缆的特性阻抗Zc[Ω]＝70Ω
该电动机线缆的特性阻抗Zc是如下这样求出的。
5.5kW容量电动机的额定电流为13.5A左右，在这样的情况下，一般应用的电动机线缆24的截面面积为2mm2、3.5mm2、5.5mm2、8mm2中的某一个。
根据线缆的截面尺寸来决定线缆的特性阻抗Zc的粗略值(与长度无关)。若假定使用截面面积为2mm2且4芯的线缆，则根据实测结果，该线缆的特性阻抗约为70Ω。
电动机线缆和电动机受电端的反射系数Γm＝1
严格来说，该反射系数Γm的值根据线缆、电动机的不同而不同，但是一般来说是接近1的值。
电动机定子线圈数p＝4
电动机线圈固有振动频率fcoil[Hz]＝140kHz
该电动机线圈固有振动频率fcoil是根据400V、5.5kW的感应电动机的实测值来求出的。
电动机固有振幅系数ξ＝1、0
如根据该图2的(a)及(b)可以明确的那样，可知如果dV/dt滤波器30的电感值Lf为1μH左右，则电压抑制效果非常小，电感值Lf越大，则与电动机受电端邻接的线圈的线圈电压的极大值越被抑制。
而且，作为dV/dt滤波器30的电感值，如果选定使线圈电压的极大值成为与电动机受电端邻接的线圈的绝缘耐压或者容许电压以下这样的、尽量小的值，则能够不过度应对地可靠地保护电动机线圈免受过电压的危害。
在此，以下示出根据电动机的绝缘规格、装置结构来选定电抗器31的电感值Lf的过程的例子。
[电感值选定例1]
在设想应用于假定为逆变器驱动的绝缘设计电动机的滤波器的情况下，最好能够将线圈电压抑制为逆变器直流中间电压值左右(Vdc)。因此，在选定所需的电感值的情况下，参照通过与前述的方法同样的方法求出的图3的线圈电压，最好选定60μH(图3的(a)，ξ＝0的情况)～90μH(图3的(b)，ξ＝1的情况)的值，来作为使线圈电压不超过直流中间电压Vdc的电抗器的值。在电动机固有振幅系数ξ明确的情况下，使用该值来求出使线圈电压不超过直流中间电压Vdc的电抗器的值，如果电动机固有振幅系数ξ不明确，则只要选定90μH使得能够可靠地保护电动机线圈即可。
[电抗器的值的选定例2]
在上述的选定例1中，根据电动机绝缘规格来选定电抗器的值，但是除此之外也能够考虑各种条件来对值进行选定。例如，在电动机线缆非常短的情况下、电动机受电端连接有匹配电路的情况下等，也有时不产生由电动机受电端的电压反射引起的过电压，或者该过电压非常小。在这样的情况下，将反射系数Γm＝0代入前述的式(2)来求出线圈电压，并与线圈电压的容许值进行比较，由此决定电感值Lf。图4的(a)及(b)示出这种情况下的线圈电压的计算例。若将该例中的线圈电压的容许值设为Vdc/4，则根据该图可知，电抗器的值最好为150μH～250μH左右。
此外，在由4极的电动机线圈对逆变器直流中间电压Vdc均匀地进行了电压分配的情况下所被施加的电压为Vdc/4，因此线圈电压的容许值引用了该值。这是因为，当从逆变器输出的电压上升/下降的时间变长时，电压向受电端子附近的线圈的集中得到缓和，接近均匀地进行了电压分配的状态。在线圈电压容许值不明确的情况下，通过像这样设定容许值，能够可靠地保护很多的逆变器驱动电动机的线圈免受过电压的危害。如果直流中间电压为Vdc且为2极的电动机，则只要将容许电压设为Vdc/2即可。
如以上那样，根据电动机的绝缘规格、逆变器驱动电动机系统的结构等，来选定适当的电感值。此外，存在以下情况：根据电抗器31所使用的芯材的种类不同，磁导率的频率依赖性大，与此相伴地，电感值的值也根据频率而变化。因此，需要的是，在电动机线圈的过电压保护中重要的电动机线圈固有振动频率下为前述的电感值。
此外，电动机线圈固有振动频率fcoil根据电动机的容量、极数以及定子构造等也会不同，但是一般来说在50kHz～500kHz频带内。另外，也可以考虑逆变器、电动机线缆、以及电动机中的各种常数的个体差异，来使电抗器的值具有例如20％左右的一定的余量，从而能够可靠地保护电动机。
[dV/dt滤波器的电感值Lf的设定方法]
另外，还设想不知道通过前述的式(2)计算线圈电压所需的常数那样的情况。在这样的情况下，也可以通过以下说明的(a)及(b)的方法来决定常数。
(a)使用根据测定结果导出的近似式来设定常数的方法
(a-1)电动机线缆的特性阻抗Zc
根据电动机线缆的容许电流值与电动机线缆的特性阻抗Zc之间的关系的近似式来导出。
图5的(a)及(b)示出单芯线缆、3芯线缆以及4芯线缆的电动机线缆的特性阻抗测定例。图5的(a)的横轴是线缆的导体的标称截面面积，图5的(b)的横轴是线缆的导体的容许电流。下面，参照图5的(a)及(b)，以如下情况为例来对dV/dt滤波器30的电感值Lf的设定方法进行说明：对电力容量为5.5kW/电压为400V/4极/额定电流为13.5A的三相电动机14连接200m的电动机线缆24并由三相逆变器23来进行驱动。
关于电动机线缆24，由于按导体的不同标称截面面积决定了容许电流，因此能够根据流过电动机线缆24的电流值来选定要使用的线缆的导体截面面积。更详细地说，也有时使用大1～3个尺寸左右的标称截面面积的线缆，以将电动机线缆中的发热量、电压降设为容许范围以下。例如，为了流过13.5A的额定电流，当根据按标称截面面积决定的容许电流来决定应用导线的截面面积时，只要标称截面面积在2mm2以上即可，但是，在考虑了电压降的情况下，在200m的比较长的线缆的情况下也有时需要使用标称截面面积为5.5mm2以上的线缆，以将电压降设为根据应用对象的规格所能容许的电压降范围。因此在本例中，使用标称截面面积为5.5mm2的线缆。
在此，参照图5的(a)，5.5mm2的线缆的特性阻抗的值根据线缆的种类而不同，如单芯线缆为99Ω、4芯线缆为61Ω、3芯线缆为41Ω。在决定了要使用的线缆的情况下只要使用该值即可，在要使用的线缆不明确的情况下，也可以使用作为三个线缆中的最小的值的41Ω，以能够可靠地保护电动机线圈。
此外，原理上讲，电动机线缆的特性阻抗由导体半径、UVW各相的导体间距离以及绝缘体的材质等来决定，不依赖于线缆长度。因此，即使不实地测定电动机线缆的特性阻抗，也能够根据标称截面面积、种类相同的线缆的特性阻抗来进行估计。或者，也可以根据dV/dt滤波器30的容许电流值和图5的(b)来估计特性阻抗，并设定限流电阻值。
另外，根据图5的(b)可知，任何线缆的种类均具有容许电流变大时特性阻抗变小的关系，能够将该关系表示如下。
120×I-0.4<Zc<500×I-0.3[Ω]···(3)
最好使用该式(3)来根据dV/dt滤波器30的容许电流求出电动机线缆的特性阻抗。例如，在使用单芯的电动机线缆的逆变器驱动电动机系统中应用容许电流为50A的滤波器的情况下，首先，根据图5的(b)，将I＝50A代入上述式(3)来求出特性阻抗Zc的值的范围。并且，由于具有单芯线缆的特性阻抗比较大的倾向，因此使用求出的Zc的最大值即195Ω来设定电抗器的电感值Lf。
(a-2)电动机线圈固有振动频率fcoil的设定方法
根据电动机线圈固有振动频率与电动机转矩之间的关系的测定值来导出近似式。
图6示出电动机的振动频率测定值与电动机的额定转矩之间的关系。能够确认出额定转矩越大则电动机振动频率越高的倾向，根据该图6，能够用以下的近似式来表示电动机振动频率fcoil与转矩T之间的关系。
60000T0.1<fcoil<70000T0.3···(4)
只要根据该式(4)和使用电动机的转矩，来得到电动机振动频率fcoil的值即可。在使用例如电力容量为5.5W/4极/输出频率为50Hz的电动机、并基于可靠地保护电动机的方针来设定电抗器31的电感值Lf的情况下，将电动机的转矩T＝34N·m代入上述式(4)来计算电动机振动频率fcoil的范围，并使用以保护电动机的观点而言与安全侧相当的电动机固有振动频率fcoil的下限值85kHz来设定电抗器31的电感值Lf。
(b)使用代表性的值来设定常数。
设定如下值：设想为通常被广泛地使用的条件的值，或能够可靠地保护电动机的值。例如最好使用下述这样的值。
·电动机线缆和电动机受电端的反射系数Γm＝1
·电动机定子线圈数p＝4
·电动机固有振幅系数ξ＝0.5
在此，以下示出使用上述的近似式、代表值来选定电感值的过程的例子。
[电感值选定例3]
例如，在设想应用于假定为逆变器驱动的绝缘设计电动机的dV/dt滤波器30的情况下，最好能够将电动机14的线圈电压Vcoil抑制为逆变器直流中间电压值左右(Vdc)。因此，使用前述的式(2)和下述的常数，来求出使线圈电压Vcoil成为逆变器直流中间电压值以下这样的电抗器31的最小的电感值Lf。
通过前述式(3)来计算电动机线缆24的特性阻抗Zc[Ω](电流I使用电动机额定电流)。
电动机线圈固有振动频率fcoil[Hz]＝根据式(4)来计算。
逆变器输出端直流电压Vinv[V]＝从0V起上升到直流中间电压Vdc的矩形波
电动机线缆和电动机受电端的反射系数Γm＝1
电动机定子线圈数p＝2、4、6中的某一个
电动机固有振幅系数ξ＝1～0的值
图7示出如此求出的电感值Lf与电动机容量Pmoter之间的关系。在该图7中，电感值Lf根据线缆的类别、电动机定子线圈数、以及电动机固有振幅系数而不同，因此示出了相同容量的电动机中的最小值和最大值。根据该图，只要将应用于5.5kW的电动机的电抗器31的电感值Lf设定为36μH～228μH的值即可。在所使用的线缆的类别、电动机定子线圈数以及电动机固有振幅系数明确的情况下，只要相应地设定适当的电感值即可，在不明确的情况下，最好设定为228μH，以可靠地保护电动机。
[电感值的选定例4]
在本选定例中，如图7所示，电感值Lf与电动机容量Pmoter之间具有相关关系。因此，根据图7来说明对电感值进行选定的例子。能够用以下的近似式来表示在该图7中用“◇”表示的最大条件的电感值Lf_max及用“□”表示的最小条件的电感值Lf_min与电动机容量Pmoter之间的关系。
Lf_max＝0.005×Pmoter -0.3···(5)(最大条件)
Lf_min＝0.0004×Pmoter -0.4···(6)(最小条件)
因此，只要使用上述式(5)及式(6)和电动机容量来决定电感值即可。例如，关于应用于电动机容量Pmoter＝5.5kW的电动机的电抗器31的电感值Lf，只要根据式(5)、式(6)、电动机容量Pmoter＝5.5kW，来设为13μH～377μH即可。
[dV/dt滤波器30的限流电阻33的作用]
由于dV/dt滤波器30被插入在三相逆变器23的交流输出侧与直流输入侧之间的关系，在不设置限流电阻33的情况下，如图8所示，从三相电抗器31通过二极管桥式电路32和三相逆变器23的开关元件返回至三相电抗器31的回流电流不衰减地持续流动。如图9的(a)所示可知，此时的流过二极管的回流电流在滤波器输出端电压如图9的(b)所示那样达到了直流中间电压Vdc之后持续流动。由于该回流电流，产生二极管加热的问题、损耗增加等问题。因此，需要限流电阻33以抑制回流电流。
在没有限流电阻33的情况下，虽然在上述的回流电流所流通的路径中存在电感，但是不存在主动地使电流衰减的要素。因此，如图9的(a)所示，成为回流电流的振幅大且衰减非常慢的振动波形。
另一方面，通过在回流电流所流通的路径中设置限流电阻33，能够减少回流电流。即，如图10的(a)所示可知，在不设置限流电阻33的情况下的二极管电流如用虚线图示的那样成为振幅大且衰减慢的衰减振动波形，与此相对，在设置有限流电阻33的情况下，如用实线图示的那样，回流电流的振幅小且迅速地降低。
然而，通过设置限流电阻33，电动机受电端的线间浪涌电压如图10的(b)中用虚线图示的那样成为相对于不设置限流电阻33的情况下的用点划线图示的峰值电压而言更大的峰值电压，从而成为大的浪涌电压。
对此，通过如上述实施方式那样将限流电阻33的电阻值设为与电动机线缆24的特性阻抗Zc同等，如图10的(c)中用实线图示的那样，能够抑制因设置限流电阻33而引起的浪涌电压。也就是说，通过将限流电阻33的电阻值设定为与电动机线缆的特性阻抗Zc同等，能够将电动机受电端线间电压的峰值如图10的(c)中用实线图示的那样设为与图10的(c)中用虚线图示的不设置限流电阻的情况下的电动机受电端线间电压的峰值电压值同等。即，在设置有限流电阻的情况下和不设置限流电阻的情况下，电动机受电端线间电压的最大值没有变化，都约为1.3Vdc且同等。
另外，如图10的(d)所示，相较于虚线图示的不设置限流电阻33的情况下的衰减振动波形，在设置了限流电阻33且如上述那样设定电阻值的情况下，如实线图示的那样，二极管电流的振幅小，并且不成为振动波形而是能够很快衰减。
此外，限流电阻33的电阻值并非只要小就行，而是如下述那样来设定限流电阻33的电阻值Rf。
Zc/2≤限流电阻值Rf≤Zc
在此，通过将限流电阻值设为从线缆的特性阻抗的一半到小于等于线缆的特性阻抗的值，能够减少逆变器的开关元件在短时间内连续地进行开关的情况下产生的电动机受电端的浪涌电压峰值。
[dV/dt滤波器30的二极管的选定]
关于二极管桥式电路32中使用的二极管，需要应用具有适于本滤波器的反向恢复特性的二极管。逆变器的开关元件与PWM动作相应地重复进行接通(on)/断开(off)动作，由此，关于逆变器的输出端的电压，输出具有PWM脉宽的矩形波电压，但是若二极管的反向恢复时间比该脉宽长，则存在以下担忧：二极管的电流持续流通，从而发热以及根据情况而产生破损等问题。因此，期望应用反向恢复时间比PWM脉宽短的二极管。例如，一般来说，除了使用被称为高速PN二极管的FRD(fast recovery diode：快恢复二极管)、HED(highefficiency diode：高效率二极管)以外，最好使用SBD(schottky barrier diode：肖特基势垒二极管)、PIN二极管(p-intrinsic-n diode：p-本征-n二极管)等。另外，作为反向恢复时间Trr的标准，最好为逆变器的载波周期(载波频率的倒数)的1/5以下。
如以上那样，根据上述实施方式，将dV/dt滤波器30的电抗器31的电感值Lf设定为使施加于电动机14的与受电端邻接的定子线圈的电压为该与受电端邻接的定子线圈的容许电压以下。因此，能够实现考虑了在电动机绕组的绝缘保护中重要的、施加于电动机受电端子部的电压峰值、以及电动机内部的瞬态的电压传输特性和不平均的线圈电压分配的电动机过电压保护装置。由此，能够提供一种能够可靠地保护用逆变器23驱动的电动机14的线圈免受过电压的危害、并且能够实现电抗器31的小型化和应对过电压的应对成本的降低的电动机过电压保护装置、使用了该电动机过电压保护装置的电力变换装置和多相电动机驱动装置。
而且，通过使用前述的式(2)来计算施加于电动机的与受电端邻接的定子线圈的电压，能够以公式的方式定量地考虑施加于电动机受电端子部的电压峰值、电动机内部的瞬态的电压传输特性以及与此相伴的不均匀的线圈电压分配，从而能够设定电抗器31的电感值Lf。
在此，作为前述的式(2)的逆变器输出端电压Vinv、电动机线缆的特性阻抗Zc、电动机线缆和电动机受电端的反射系数Γm、电动机定子线圈数p、电动机线圈固有振动频率fcoil、电动机固有振幅系数ξ，设定将逆变器、电动机线缆、电动机进行了组合时的常数，由此能够进行与多相电动机驱动装置的系统结构相应的常数设定。
并且，基于电动机线缆的容许电流来设定电动机线缆的特性阻抗Zc，根据电动机的转矩来设定电动机线圈固有振动频率fcoil，将电动机线缆和电动机受电端的反射系数Γm设定在0<Γm<1的范围内，将电动机固有振幅系数ξ设定在0<ξ<1的范围内，由此能够进行更接近多相电动机驱动装置的系统结构的常数设定。
另外，将定子线圈间的端子间绝缘耐压、逆变器的直流中间电压值除以电动机极数所得到的值设定为与受电端邻接的定子线圈的容许电压，由此能够可靠地进行电动机的过电压保护。
此外，在上述实施方式中，对将限流电阻33连接于二极管桥式电路32的交流输入侧的情况进行了说明，但是本发明并不限定于此。即，例如也可以如图11所示那样设为在二极管桥式电路32的各二极管臂32u～32w的高电位侧及低电位侧分别连接限流电阻R2u～R2w及限流电阻R2x～R2z。另外，也可以如图12所示那样设为在二极管桥式电路32的直流输出侧连接限流电阻R3p及R3n。在该情况下，只要将各限流电阻R3p及R3n的电阻值设定为上述实施方式的限流电阻Ru～Rw的3/4的值即可。并且，还可以如图13所示那样将限流电阻R4u～R4w与三相电抗器31的各电抗器31u～31w并联连接。
另外，也可以如图14所示那样使用三相电抗器31的各电抗器中包含的电阻成分来作为限流电阻。即，电抗器除了具有电感成分以外，还具有伴随磁滞损耗、涡流损耗以及焦耳损耗的电阻成分，其等效电路能够用电感和具有频率特性的电阻的串联电路来表示。在能够通过这样的电抗器的电阻成分来减小回流电流的情况下，也可以如图14所示那样不设置限流电阻，而仅由电抗器31和二极管桥式电路32来构成滤波器30。在此，电抗器的电阻成分对回流电流的减小效果、浪涌电压的减小效果产生影响，因此最好对电抗器的芯材、形状进行选定，使得电抗器的电阻成分成为期望的值(例如，在与电动机线缆中的电传输周期相当的高频下为电动机线缆的特性阻抗的1/2左右的值)。
另外，在上述实施方式中，对二极管桥式电路32由并联连接的二极管臂32u～32w构成的情况进行了说明，但是并不限定于此，如图15所示，将由二极管D41及D42串联连接而成的对地用二极管臂34与二极管臂32u～32w并联连接，并将该对地用二极管臂34的二极管D41与D42间的中间点同接地连接，由此能够将零序成分的浪涌电压也钳位(clamp)为直流中间电压Vdc，从而能够针对零序成分的浪涌电压获得大的抑制效果。另外，零序成分的浪涌电压抑制效果不受三相逆变器、PWM变换器的开关动作、接地方式、以及逆变器及电动机的并联运转数量影响。不限于如图15所示那样将限流电阻配置于二极管桥式电路32的交流输入侧的情况，将限流电阻配置于回流电流路径的任何位置的情况下均能够将该对地用二极管臂34应用于二极管桥式电路32。
并且，如图16所示，也可以在对地用二极管臂34的二极管D41与D42间的中间点同接地之间连接用于抑制泄漏电流的泄漏电流抑制阻抗Ze。具体来说，该泄漏电流抑制阻抗Ze只要选择图17的(a)所示的泄漏电流抑制电阻Re、图17的(b)所示的低频电流成分抑制用的接地电容器Ce以及图17的(c)所示的泄漏电流抑制电阻Re与低频电流成分抑制用的接地电容器Ce的串联电路中的任一个即可。
另外，在上述实施方式中，对电动机为Δ接线的情况进行了说明，但是并不限定于此，本发明也能够应用于星形接线的电动机。
另外，在上述实施方式中，对用构成电力变换装置13的三相逆变器23来驱动三相电动机14的情况进行了说明，但是本发明也能够应用于用多相逆变器来驱动四相以上的多相电动机的情况。在该情况下，对于二极管桥式电路32，只要将与多相电动机的相数相应的数量的二极管臂并联连接即可。
另外，在上述实施方式中，对用一个电力变换装置13来驱动一个三相电动机14的情况进行了说明，但是本发明也能够应用于用一个电力变换装置13来驱动多个三相电动机14的情况。并且，本发明也能够应用于对构成电力变换装置13的一个变换器连接多组三相逆变器及三相电动机的情况。

Claims (15)

1.一种电动机过电压保护装置，具有滤波器，所述滤波器具备：
电抗器，其插入于将电动机与驱动所述电动机的逆变器之间进行连接的电动机线缆的所述逆变器侧；以及
二极管桥式电路，其是二极管臂并联连接而成的，所述二极管臂的中间点各自独立地连接于所述电动机线缆与所述电抗器的连接点，
其中，所述二极管桥式电路的直流高电位侧与所述逆变器的直流高电位侧连接，所述二极管桥式电路的直流低电位侧与所述逆变器的直流低电位侧连接，
在通过所述二极管桥式电路的电流流经的电流路径上具备回流电流抑制部，
所述电抗器被设定为使施加于电动机线圈的电压为容许电压以下的电感值，所述电动机线圈是与所述电动机的针对所述电动机线缆的受电端邻接的线圈，
在将所述逆变器的输出端电压设为Vinv，将所述电动机线缆的特性阻抗设为Zc，将所述电抗器的电感值设为Lf，将所述电动机线缆和电动机受电端的反射系数设为Γm，将所述电动机的极数设为p，将所述电动机线圈的固有振动频率设为fcoil，将所述电动机的固有振幅系数设为ξ，将时间设为t时，用式(A)表示施加于与所述受电端邻接的所述电动机线圈的电压Vcoil，
Figure FDA0003023929360000011
2.根据权利要求1所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
所述逆变器的输出端电压Vinv是在时间t＝0[s]从0V上升到逆变器直流中间电压值的矩形波，
在所述式(A)表示的电压Vcoil的与时间t相关的函数中，设定有所述电抗器的所述电感值，以使最小的正的时间t处的电压Vcoil的极大值为容许电压以下。
3.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
作为所述逆变器的输出端电压Vinv、所述电动机线缆的特性阻抗Zc、所述电动机线缆和电动机受电端的反射系数Γm、所述电动机线圈的固有振动频率fcoil、所述电动机的极数p、所述电动机的固有振幅系数ξ，设定将所述逆变器、所述电动机线缆、所述电动机进行了组合时的常数。
4.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
在将所述电动机线缆的容许电流设为I时，所述电动机线缆的特性阻抗Zc被设定在120×I-0.4<Zc<500×I-0.3[Ω]的范围内，
在将所述电动机的转矩设为T[N·m]时，所述电动机线圈的固有振动频率fcoil被设定在60000T0.1<fcoil<70000T0.3[Hz]的范围内，
所述电动机线缆和电动机受电端的反射系数Γm被设定在0<Γm<1的范围内，
所述电动机的固有振幅系数ξ被设定在0<ξ<1的范围内。
5.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
基于表示电动机容量与所述电抗器的电感值之间的相关关系的特性线来计算所述电抗器的电感值，所述相关关系是通过如下方式得到的：对代入所述式(A)的所述电动机线缆的特性阻抗Zc、所述电动机线圈的固有振动频率fcoil、所述逆变器的输出端直流电压Vinv、所述电动机线缆和电动机受电端的反射系数Γm、所述电动机的极数p、所述电动机的固有振幅系数ξ进行设定，按每个电动机容量计算基于所使用的电动机线缆的类别、所述电动机的极数以及所述电动机的固有振幅系数的电感值的、最大值和最小值。
6.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
与所述受电端邻接的所述电动机线圈的容许电压是所述电动机线圈的绝缘耐压。
7.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
基于所述逆变器的输出电压来设定与所述受电端邻接的所述电动机线圈的容许电压。
8.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
将与所述受电端邻接的所述电动机线圈的容许电压设定为将所述逆变器的输出电压除以所述电动机的极数得到的值。
9.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
所述回流电流抑制部由以下电阻元件和电阻成分中的任一个构成：与所述二极管桥式电路的交流输入侧连接的电阻元件；与所述二极管桥式电路的输出侧连接的电阻元件；分别与所述二极管桥式电路的各二极管臂的高电位侧及低电位侧连接的电阻元件；与所述电抗器并联连接的电阻元件；所述电抗器中包括的电阻成分。
10.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
所述二极管桥式电路具备与并联连接的所述二极管臂并联连接的对地用二极管臂，所述对地用二极管臂的中间点被接地。
11.根据权利要求10所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
在所述对地用二极管臂的中间点与接地之间连接有泄漏电流抑制阻抗。
12.根据权利要求11所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
所述泄漏电流抑制阻抗由电阻和电容器中的至少一方构成。
13.根据权利要求1或2所述的电动机过电压保护装置，其特征在于，
选定快恢复二极管、高效率二极管、肖特基势垒二极管、PIN二极管、以及反向恢复时间为所述逆变器的载波周期的1/5以下的二极管中的任一种，来作为构成所述二极管桥式电路的二极管。
14.一种电力变换装置，具备：
多相逆变器，其对多相电动机进行驱动；以及
根据权利要求1～13中任一项所述的电动机过电压保护装置。
15.一种多相电动机驱动装置，具备：
多相电动机；
多相逆变器，其对所述多相电动机进行驱动；以及
根据权利要求1～13中任一项所述的电动机过电压保护装置。
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