CN113692698B - 交流电动机驱动系统 - Google Patents

Abstract

具有连接于交流电源(1)并使交流电源侧与负载侧绝缘的电源变压器(2)、交流电动机(4)和将从电源变压器(2)输出的交流电压变换为输出交流电压并输出至交流电动机(4)的电力变换器(3)，并且具备一端连接于电源变压器(2)的负载侧且另一端被接地的电容分量(15)。

Description

交流电动机驱动系统

技术领域

本申请涉及交流电动机驱动系统。

背景技术

在使交流电动机进行可变速运行的情况下，通常经由电源变压器从电力系统等三相交流电源接受商用频率的输入电压，并用电力变换器变换为任意输出电压、输出频率。

电力变换器的输出电压的三相输出电压的合成不为零，输出电压包含共模分量。该共模电压被施加于交流电动机的杂散电容而成为中性点电压，其一部分成为对轴承间的绝缘润滑剂施加的轴电压。当该轴电压超过轴承的绝缘击穿电压时，在轴承流过高能放电电流，造成轴承中发生电蚀而寿命降低的问题。

为了抑制这样的轴承电蚀的发生，以往如下述非专利文献1公开的那样，提出了抑制共模电压或共模电流的电路。即，该以往技术中提出了如下方案：通过使用无源元件将共模电流分流的方式，或者使共模路径的阻抗增加而使阻抗元件分担电压来抑制施加于交流电动机的中性点电压的方式(以下将这些方式称为无源方式)，或者使用有源元件注入与共模电压相反相位的电压来抑制施加于交流电动机的中性点电压的方式(以下将其称为有源方式)。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：《可变速AC驱动器的漏电流、浪涌电压、轴电压的抑制方法》，日本电气工程学会会刊D，第118卷第9期，pp.975-980 1998年9月(「可変速ACドライブの漏れ電流·サージ電圧·軸電圧との抑制法」電気学会論文誌D，118巻9号，pp.975－980平成10年9月)

发明内容

发明所要解决的技术课题

在上述非专利文献1公开的以往技术中，关于无源方式，由于无源元件的阻抗频率特性而在补偿低频电压时补偿增益降低。虽然能够料想到补偿增益的降低而将无源元件的C值或L值设计得大，但存在电路大型化的技术课题。

另一方面，关于有源方式，存在如下技术课题：由于运算放大器、功率半导体元件等有源元件的频率特性或控制系统的频率特性的影响，在高频区域的补偿时产生输出电压的相位延迟、补偿增益降低，从而补偿特性劣化。

本申请公开了用于解决上述那样的技术课题的技术，目的在于提供一种能够无需使共模电压抑制用的补偿电路大型化而可靠地防止交流电动机的轴承的电蚀等不良状况的发生的交流电动机驱动系统。

用于解决技术课题的技术方案

本申请公开的交流电动机驱动系统具有：电源变压器，连接于交流电源并使交流电源侧与负载侧绝缘；交流电动机；以及电力变换器，将从所述电源变压器输出的交流电压变换为输出交流电压并输出至所述交流电动机，并且所述交流电动机驱动系统具备电容分量，该电容分量的一端连接于所述电源变压器的负载侧且该电容分量的另一端被接地。

发明效果

根据本申请公开的交流电动机驱动系统，能够无需使共模电压抑制用的补偿电路大型化而可靠地防止交流电动机的轴承的电蚀等不良状况的发生。

附图说明

图1为本申请的实施方式1的三相输入的交流电动机驱动系统的电路图。

图2为作为参考例的三相输入的交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路。

图3为本申请的实施方式1的三相输入的交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路。

图4为本申请的实施方式2的交流电动机驱动系统的电路图。

图5为本申请的实施方式2的交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路。

图6为本申请的实施方式3的交流电动机驱动系统的电路图。

图7为本申请的实施方式3的交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路。

图8为本申请的实施方式4的交流电动机驱动系统的电路图。

图9为本申请的实施方式4的交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路。

图10为本申请的实施方式5的交流电动机驱动系统的电路图。

图11为本申请的实施方式5的交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路。

附图标记

1：交流电源；2：电源变压器；3：电力变换器；4：交流电动机；5：杂散电容；6、7、8：三相电力线；9、10：接地线；11、12：接地点；13：接地线；14：绕组部的任意点；15：电容分量；16：电容器；17：绕组部接地用电容器；18：低阻抗元件。

具体实施方式

以下，参照附图对本实施方式的交流电动机驱动系统进行说明。在以下的附图中，附加相同附图标记的要素为相同或与之相当的要素，并设为在以下记载的实施方式全文中是共同的。

而且，说明书全文中表述的构成要素的形态仅为示例，不限于说明书记载的形态。尤其是，构成要素的组合不是仅限于各实施方式中的组合，能够将其它实施方式记载的构成要素应用于别的实施方式。

实施方式1.

图1为该实施方式1的三相输入的交流电动机驱动系统的电路图。

该实施方式1的三相输入的交流电动机系统具备电力系统、自给式电压源等交流电源1、电源变压器2、电力变换器3、星形接线的交流电动机4、三相电力线6、三相电力线7、三相电力线8、接地线9、接地线10以及连接接地线9与接地线10之间的接地线13。电源变压器2确保交流电源1、电力变换器3与负载之间的电绝缘。电力变换器3具备由半导体元件构成的正向变换电路、存储直流电力的蓄电元件和由半导体元件构成的反向变换电路(均省略图示)。三相电力线6连接交流电源1与电源变压器2之间。三相电力线7连接电源变压器2与电力变换器3之间。三相电力线8连接电力变换器3与交流电动机4之间。接地线9连接电源变压器2的负载侧的绕组部的任意点与接地点11之间。接地线10连接交流电动机4与接地点12之间。

在此，在图1所示的交流电动机系统中，示出了对交流电动机4使用Y接线方式的情况，但在该实施方式1的交流电动机系统中也能够应用Δ接线方式。此外，14为交流电动机4的绕组部的任意点。

而且，关于从交流电源1发送来的交流电力，为了确保与负载的电绝缘，由电源变压器2接受电力，由电力变换器3将固定电压固定频率的输入电压变换为可变频率可变电压，结果是交流电动机4被可变速驱动。

进而，作为该实施方式1的特征，在电源变压器2的负载侧与接地点11之间设置有电容分量15。该情况下的电容分量15由一个或多个绝缘物(例如电容器)或非导通状态的半导体(例如二极管或者处于断开状态的半导体开关元件等)构成。

图2为未设置作为该实施方式1的特征的电容分量15的情况下的、作为参考例的通常的交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路。在该等效电路中，形成作为共模电压的发生源的电力变换器3和交流电动机4中必然产生的杂散电容5串联连接而成的结构。

另一方面，图3为设置有作为该实施方式1的特征的电容分量15的情况下的交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路。在该等效电路中，除了作为共模电压的发生源的电力变换器3以及交流电动机4的杂散电容5之外，在电源变压器2与接地点11之间设置电容分量15，形成杂散电容5和电容分量15经由接地线13相互串联连接而成的结构。

此时，如果将作为电力变换器3的三相输出电压的合成的共模电压设为Vc、将对交流电动机4的杂散电容5施加的交流电动机4的中性点电压设为Vn，则在图2所示的参考例的等效电路中，共模电压Vc全部被施加于交流电动机4的杂散电容5。即，Vn＝Vc。

与此相对，在图3所示的该实施方式1的等效电路中，共模电压Vc被交流电动机4的杂散电容5和电容分量15分压。即，当将交流电动机4的杂散电容5的电容值设为C0、将电容分量15的电容值设为C1时，施加于杂散电容5的中性点电压Vn基于分压公式成为共模电压Vc的C1/(C0+C1)倍。即，

Vn＝Vc·C1/(C0+C1) (1)

根据上述式(1)可知，如果电容分量15的电容值C1越小，则中性点电压Vn越减低。换言之，利用小型的电路，中性点电压Vn被减低。另外，由于分压公式对频率没有依赖性，因此与其它无源方式不同，在低频补偿时补偿增益也不会降低。另外因为没有使用有源元件，所以即使是高频分量也不受控制系统的频率特性的影响。因此，对中性点电压Vn减低时的补偿效果没有制约。

在此示出插入电容分量15的方法。

作为电容分量15，例如，只要电源变压器2为非接地状态，或者对接地线9插入电容器、一个或多个绝缘物或非导通状态的半导体即可。绝缘物可以为气体、液体、固体中的任意状态。此外，只要电源变压器2的负载侧的绕组部的任意点与接地点11之间在电性方面表现出电容性，则实际中可以没有接地线9。此外，所谓电源变压器2的负载侧的绕组部的任意点，如果为Y接线则优选为中性点，如果为Δ接线则优选为V相的接线部，但不限于此。

如以上那样，在该实施方式1中，在共模路径中对交流电动机4的杂散电容5串联连接电容分量15，由此共模电压Vc被分压。在该情况下，将电容分量15的电容值C1设计得越小，则越能够减低对交流电动机4的杂散电容5施加的中性点电压Vn。而且，由于电容的分担电压占比仅由电容比来决定，因此没有频率依赖性。据此，能够通过仅添加小型电路来防止交流电动机4的轴承的电蚀等不良状况的发生。

该实施方式1的结构不限于上述结构，本申请的基本原理为在共模路径中串联连接电容分量15，作为其方法，在电源变压器2的负载侧的绕组与接地点11之间追加电容分量15。由此，三相电源变压器2的接线方式没有限制，可以为Δ-Y接线、Y-Δ接线、Δ-Δ接线、Y-Y接线或多重连接的接线方式。

实施方式2.

图4为本申请的实施方式2的交流电动机驱动系统的电路图。

在该实施方式2中，除了在实施方式1中示出的电源变压器2与接地点11之间设置有电容分量15的结构之外，还具备以Y型方式接线的电容器16作为连接三相电力线8与接地线13之间的电容分量，其中三相电力线8连结电力变换器3与交流电动机4之间。

图5为该实施方式2的共模路径的等效电路。具体而言，形成电力变换器3、将交流电动机4的杂散电容5与电容器16相互并联连接而成的电路以及电容分量15依次串联连接而成的结构。

在共模路径上，由于交流电动机4的杂散电容5与电容器16相互并联连接，因此合成电容增加。即，在将电容器16的电容值设为C2的情况下，与杂散电容5合成而得到的电容值为C0+C2。因此，对交流电动机4的杂散电容5施加的交流电动机4的中性点电压Vn基于分压公式成为共模电压Vc的C1/(C0+C1+C2)倍。即，

Vn＝Vc·C1/(C0+C1+C2) (2)

根据上述式(1)、式(2)的比较可知，相比于实施方式1，该实施方式2具有使减低中性点电压Vn的效果提高的功能。另外，如实施方式1所示，如果将电容分量15的电容值C1设计得小，则能够利用小型的电容器16容易地改善C1与C0+C2之比，因此能够防止电路的大型化。另外，在插入电容器16的情况下，虽然由于共模路径的阻抗降低而漏电流增加，但如果将电容分量15的电容值C1设计得小则漏电流的增加量被限制。

如以上那样，在该实施方式2中，将连接三相电力线8与接地线13之间的电容器16并联连接于交流电动机4的杂散电容5来调节电容分压比，据此能够减低施加于杂散电容5的中性点电压Vn。

此外，如果是在连接三相电力线8与接地线13之间的电路加入电容分量的结构，则该实施方式2中示出的电容器16不限于图4所示的以Y型方式接线的电容器16。例如，即使为串联连接限流用的电阻而成的电路，或者对以Y型方式接线的电容器16的中性点再连接电容器而成的电路，也同样能够调节分压比。

实施方式3.

图6为本申请的实施方式3的交流电动机驱动系统的电路图。

在该实施方式3中，除了在实施方式1中示出的电源变压器2与接地点11之间设置有电容分量15的结构之外，在交流电动机4的绕组部的任意点14与交流电动机侧的接地点12之间，还具备绕组部接地用电容器17作为与交流电动机4的杂散电容5并联连接的电容分量。

图7为该实施方式4的共模路径的等效电路。具体而言，形成将电力变换器3、将交流电动机4的杂散电容5与绕组部接地用电容器17并联连接而成的电路以及电容分量15依次串联连接而成的结构。

在将绕组部接地用电容器17的电容值设为C3的情况下，在共模路径上，杂散电容5与绕组部接地用电容器17相互并联连接，因此与杂散电容5合成而得到的电容值为C0+C3。因此，施加于杂散电容5的交流电动机4的中性点电压Vn基于分压公式成为共模电压Vc的C1/(C0+C1+C3)倍。即，

Vn＝Vc·C1/(C0+C1+C3) (3)

根据上述式(1)、式(3)的比较可知，相比于实施方式1，该实施方式3具有使减低中性点电压Vn的效果提高的功能。另外，如果将电容分量15的电容值C1设计得小，则能够利用小型的绕组部接地用电容器17容易地改善分压公式中的C1与C0+C3之比。另外，由于连接绕组部接地用电容器17而共模路径的阻抗降低，因此漏电流增加，但由于将电容分量15设计得小，因此漏电流的增加量被限制。

如以上那样，在该实施方式3中，对交流电动机4的杂散电容5并联连接绕组部接地用电容器17，从而能够减低对交流电动机4的杂散电容5施加的中性点电压Vn。

实施方式4.

图8为本申请的实施方式4的交流电动机驱动系统的电路图。

在该实施方式4中，除了在实施方式1中示出的电源变压器2与接地点11之间设置有电容分量15的结构之外，在交流电动机4的绕组部的任意点14与交流电动机侧的接地点12之间，还具备与交流电动机4的杂散电容5并联连接的低阻抗元件18。该情况下的低阻抗元件18只要阻抗低于杂散电容5的阻抗即可，能够应用例如导电线。

图9为该实施方式4的共模路径的等效电路。具体而言，形成电力变换器3和电容分量15依次串联连接而成的结构。因此，对交流电动机4的杂散电容5施加的中性点电压Vn原则上为零。

另外，当连接低阻抗元件18时，虽然由于共模路径的阻抗降低而漏电流增加，但由于将电容分量15的电容值C1设计得小，因此漏电流的增加量被限制。

如以上那样，在该实施方式4中，将低阻抗元件18并联地连接于交流电动机4的杂散电容5，从而能够减低施加于杂散电容5的中性点电压Vn。

实施方式5.

图10为本申请的实施方式5的交流电动机驱动系统的电路图。

在该实施方式5中，将之前的实施方式1～3的结构组合而构成三相输入的交流电动机驱动系统。即，在该实施方式5中，构成为在电源变压器2的负载侧与接地点11之间设置电容分量15，并且在连结电力变换器3与交流电动机4之间的三相电力线8和接地线13之间用以Y型方式接线的电容器16进行连接，进而在交流电动机4的绕组部的任意点14与交流电动机侧的接地点12之间，与交流电动机4的杂散电容5并联地连接绕组部接地用电容器17。

图11为该实施方式5的共模路径的等效电路。具体而言，形成电力变换器3、将交流电动机4的杂散电容5、电容器16和绕组部接地用电容器17相互并联连接而成的电路以及电容分量15依次串联连接而成的结构。

在共模路径上，因为杂散电容5、电容器16以及绕组部接地用电容器17相互并联连接，所以其合成而得到的电容值为C0+C1+C2+C3。因此，施加于杂散电容5的交流电动机4的中性点电压Vn基于分压公式成为共模电压Vc的C1/(C0+C1+C2+C3)倍。即，

Vn＝Vc·C1/(C0+C1+C2+C3) (4)

根据上述式(1)～式(4)的比较可知，相比于实施方式1、2、3的情况，在该实施方式5中，因为合成电容增加，所以具有使减低中性点电压Vn的效果进一步提高的功能。

如以上那样，在该实施方式5中，通过将之前的实施方式1～3的结构进行组合，能够进一步减低对交流电动机4的杂散电容5施加的中性点电压Vn。

此外，在上述各实施方式1～5中，电力变换器3不限于前述说明的结构，原则上可以为不具有蓄电元件的进行交流-交流直接变换的循环换流器(cycloconverter)或矩阵变换器(matrix converter)。

另外，交流电动机4表示感应电机或同步电机，其接线方式不限于Y接线，也可以为Δ接线。另外，也可以为对三相电力线6、7、8连接抑制传导噪声或辐射噪声的运算放大器或者具备半导体元件的有源方式或无源方式的噪声滤波器而成的交流电动机驱动系统。

另外，本申请的结构不限于图1所示的三相输入的交流电动机驱动系统，在单相输入的交流电动机驱动系统中也成立。因此，也可以为单相交流电源1、单相电源变压器2、单相电力线6、7。

本申请记载了各种例示性的实施方式及实施例，但1个或多个实施方式中记载的各种特征、方案及功能不限于特定的实施方式中的应用，而能够单独或以各种组合的方式应用于实施方式中。

因此，在本申请中公开的技术范围内设想未例示的无数变形例。例如，包括将至少1个构成要素变形的情况、追加的情况或省略的情况，还包括将至少1个构成要素提取并与其它实施方式的构成要素组合的情况。

Claims (6)

1.一种交流电动机驱动系统，其中，

具有：电源变压器，连接于交流电源并使交流电源侧与负载侧绝缘；交流电动机；以及电力变换器，将从所述电源变压器输出的交流电压变换为输出交流电压并输出至所述交流电动机，并且所述交流电动机驱动系统具备电容分量，该电容分量的一端连接于所述电源变压器的负载侧的绕组部的任意点且该电容分量的另一端被接地，所述电容分量由包括绝缘体的物质或非导通状态的半导体构成，在所述交流电动机驱动系统的共模路径的等效电路中所述交流电动机的杂散电容和所述电容分量经由接地线相互串联连接。

2.根据权利要求1所述的交流电动机驱动系统，其中，

所述电容分量的电容值被设定为使对所述交流电动机的杂散电容施加的中性点电压变低。

3.根据权利要求1或2所述的交流电动机驱动系统，其中，

具备电容分量，该电容分量的一端连接于将所述电力变换器与所述交流电动机连接的电力线，该电容分量的另一端被接地。

4.根据权利要求1或2所述的交流电动机驱动系统，其中，

具备电容分量，该电容分量的一端连接于所述交流电动机的绕组部，该电容分量的另一端被接地。

5.根据权利要求3所述的交流电动机驱动系统，其中，

具备电容分量，该电容分量的一端连接于所述交流电动机的绕组部，该电容分量的另一端被接地。

6.根据权利要求1或2所述的交流电动机驱动系统，其中，

具备低阻抗元件，该低阻抗元件的一端连接于交流电动机的绕组部，该低阻抗元件的另一端被接地。