JP2004509592A - コンバータ回路用のフィルタ回路配置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電位交換時のコンバータ回路（７）のスイッチング電圧の上昇率を制限する、単相又は３相に構成されたコンバータ回路（７）用のフィルタ回路配置に関する。このフィルタ回路配置は、インダクタンス（２）をコンバータ回路（７）の交流電圧端子（１）に少なくとも１つずつ有する。この場合、電気負荷（６）及び電圧制限装置（４）が、インダクタンス（２）に設けられている各インダクタンス端子（３）に接続されている。さらに、フィルターコンデンサ（５）が、インダクタンス端子（３）間に１つずつ設けられている。さらに、フィルタ回路配置の共鳴周波数（ｆ_ｒｅｓ ）が、コンバータ回路（７）の電力半導体スイッチのスイッチング周波数（ｆ_Ｓ ）よりも遥かに高いように、インダクタンス（２）とフィルターコンデンサ（５）がこのフィルタ回路配置で選択されている。

Description

【０００１】
技術分野
本発明は、電力電子機器の分野に関する。この発明は、請求項１の上位概念に記載のコンバータ回路用のフィルタ回路配置から出発する。
【０００２】
従来の技術
コンバータ回路の交流電圧端子間の電位交換 （Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｗｅｃｈｓｅｌｎ）時の上昇率を制限するため、特に単相又は３相交流電圧出力部を有するコンバータ回路は、フィルタ回路配置を必要とする。これらのコンバータ回路は、例えば絶縁配置された炭化電極を有するバイポーラトランジスタのような遮断可能な電力半導体スイッチから構成されている。電位交換時のスイッチング電圧の上昇率のこのような制限は、特にコンバータ回路の交流電圧出力部に接続されている変圧器又は電動機のような電気負荷で必要である。何故なら、この制限がない場合、非対称な負荷が変圧器又は電動機内の巻き線絶縁部で発生し、さらに電動機の接続時に軸受の破損に至りうるからである。
【０００３】
導線中の共鳴振動を減衰させるのに適したフィルタ回路配置が、ヨーロッパ特許発明第 ０ ４７３ １９２号明細書中に記されている。フィルタ回路配置のインダクタンスが、３相に構成されたコンバータ回路の交流電圧端子に１つずつ接続されている。さらに、ダイオード付きの抵抗が、個々のインダクタンスの各端子とコンバータ回路の両直流電圧端子との間に１つずつ配置されている。それぞれのインダクタンス端子と両直流電圧端子との間のこのダイオード付き抵抗は、電気負荷、特に導線コーティングの施された長い導線を通じて給電される電動機の接続時のコンバータ回路のスイッチング過程の間の出力電流を制限するために使用される。
【０００４】
スイッチング過程時のコンバータ回路の出力電流を限定するためには、フィルタ回路配置のインダクタンスを導線のインダクタンスに比べて極端に大きい値に選択して、電流の満足のいく制限を実現可能にする必要がある点が、ヨーロッパ特許発明第 ０ ４７３ １９２号明細書に記載のこのようなフィルタ回路配置の問題である。しかしながらこのインダクタンスの選択は、極端に高い材料コスト、重量の増加及び所要面積の増大を招く。
【０００５】
さらにフィルタ構造要素、特にインダクタンスを接続すべき導線に応じて選択して仕様決定する必要があるので、このフィルタ回路配置は、電気負荷に対する臨機応変な接続を不可能にする。確かにフィルタ回路配置は、精確な仕様決定時に導線中の共鳴振動を減衰させるのには適している。しかしながら、例えば接続すべき電気負荷の要素の電気的な負荷と機械的な負荷を低下させるために必要不可欠である電位交換時のスイッチング電圧の上昇率の制限に関して、このフィルタ回路配置は、異なる負荷への接続には適さない。何故なら、このフィルタ回路配置は、負荷によってもたらされる周辺条件に左右されるからである。
【０００６】
本発明の説明
本発明の課題は、電位交換時のコンバータ回路のスイッチング電圧の上昇率を制限し、負荷に関係なく仕様決定可能であり、そして非常に簡単にかつ少ない構造要素で実現可能である、電力半導体スイッチから構成されたコンバータ回路用のフィルタ回路配置を提供することにある。この課題は、独立請求項の特徴によって解決される。本発明の好適なその他の構成は、従属請求項中に記載されている。
【０００７】
単相又は３相に構成されたコンバータ回路用の本発明のフィルタ回路配置は、コンバータ回路の複数の交流電圧端子に対してインダクタンスを少なくとも１つずつ有する。この場合、電気負荷が、インダクタンスに設けられている各インダクタンス端子に接続されている。本発明によれば、電圧制限装置が、各インダクタンス端子にさらに接続されている。さらに好ましくは、フィルタコンデンサがそれぞれ、インダクタンス端子間に設けられている。フィルタコンデンサは、インダクタンスと共に特に電位交換時のスイッチング電圧の上昇率を有効に制限するために使用される。さらに、フィルタ回路配置の共鳴周波数が、コンバータ回路の電力半導体スイッチのスイッチング周波数よりも遥かに高いように、インダクタンスとフィルタコンデンサが、フィルタ回路配置で本発明にしたがって選択されている。これによって、スイッチング電圧の上昇率を所定の大きさに設定又は制限することができる。すなわち、フィルタ回路配置、特にインダクタンス端子に接続されている電機負荷の機械的な負荷と電気的な負荷が、希望どおりに低下され得る。この場合、インダクタンスとフィルタコンデンサの負荷に依存した経費のかかる仕様決定が省略できる。さらに、電位交換時のスイッチング電圧の上昇率の制限時に発生する起こりうる許容できないスイッチング電圧中の過電圧値が最少限にされることを保証する。
【０００８】
さらに、スイッチング電圧中の場合によっては発生する高周波振動が、各インダクタンス端子に対して設けられている電圧制限装置によって減衰される。これらの高周波振動は、フィルタコンデンサとインダクタンスの仕様決定によって発生する。その結果、好ましくは電気負荷の高周波振動が、この減衰によって排除され、機械的な負荷と電気的な負荷が低下する。したがって、フィルタ回路は、接続されている電気負荷及び場合によってはコンバータの出力側で関与する回路の動作の信頼性を向上させることを可能にする。
【０００９】
以上により、本発明のフィルタ回路配置は、少ない構成要素で済み、それ故に簡単でかつ僅かな時間経費で実現できるので、このフィルタ回路配置は、非常に簡単でかつ安価な解決手段を提供する。
【００１０】
以下に、本発明の課題，その他の課題，利点及び特徴を図面に対応する好適な実施の形態に基づいて説明する。
【００１１】
原則、図中では同一の部品は同一の符号で記す。
【００１２】
発明の詳細な説明
図１中には、３相コンバータ回路７用のフィルタ回路配置の第１の実施形が示されている。コンバータ回路７は、電力半導体スイッチから構成されている。これらの電力半導体スイッチは、特に絶縁配置された炭化電極を有するバイポーラトランジスタとして構成されている。中間回路コンデンサを有する通常の直流電圧中間回路が、コンバータ回路７の直流電圧端子８に対して設けられている。この中間回路コンデンサは、電源として使用される。コンバータ回路７は、その３相交流電圧出力部に交流電圧端子１を有する。少なくとも１つのインダクタンス２が、これらの交流電圧端子１にそれぞれ接続されている。さらに、コンバータ回路７のスイッチング電圧が、交流電圧端子１間で発生する。このスイッチング電圧は、見やすさのために図示していない。さらに、図１の各インダクタンス２は、その負荷側にインダクタンス端子３を有する。例えば変圧器や電動機のような通常の電気負荷６が、このインダクタンス端子３に接続されている。
【００１３】
スイッチング電圧、電位交換時のスイッチング電圧の特にスイッチング・エッジの上昇率を制限するため、本発明では図１にしたがって、図１〜図４中のフィルタ回路配置のその他の本発明の実施形にしたがって、フィルターコンデンサ５が、インダクタンス端子３間に１つずつ設けられている。このフィルタコンデンサ５はそれぞれ、２つのインダクタンス端子３に接続する。このフィルタコンデンサ５は、インダクタンス２と共に共振回路を構成する。この共振回路は、そのフィルタ作用によってスイッチング電圧のスイッチング・エッジの上昇率を希望の大きさに有効に制限する。フィルタ回路配置の共振周波数ｆ_ｒｅｓ が、コンバータ回路７の電力半導体スイッチのスイッチング周波数ｆ_Ｓ よりも遥かに大きいように、インダクタンス２とフィルターコンデンサ５は本発明にしたがって選択されている。この場合、共振周波数ｆ_ｒｅｓ は、特にスイッチング周波数ｆ_Ｓ の ５００倍の範囲内にある。
【００１４】
これとは別に、インダクタンス２とフィルターコンデンサ５を星形接続として実現することが同様に可能である。この星形接続の場合、これらのフィルターコンデンサ５が、一方の端子によってこれらのインダクタンス２の複数のインダクタンス端子３に接続されている。そして、全てのフィルターコンデンサ５の他方の端子は一緒に接続されている。
【００１５】
インダクタンス２とフィルターコンデンサ５が上述した方法で仕様決定されることによって、電位交換時のスイッチング電圧の上昇率を所定の大きさに設定又は制限することが可能である。電位交換時のスイッチング電圧の上昇率を制限することによって、例えば電気負荷６として構成された変圧器又は電動機の絶縁巻線の電気的な負荷が軽減される。さらに、機械的な負荷が、特に電気負荷６としてインダクタンス端子３に接続されている電動機の場合に例えばモータの軸受内とモータの回転軸内で同様に小さくなる。さらに、インダクタンスとコンデンサの仕様決定が、有利なことに負荷に影響されない。その結果、電気負荷に適合された経費のかかると同時に高価な仕様決定が省略できる。
【００１６】
各インダクタンス端子３に接続されている電圧制限装置４が、図１〜図４のフィルタ回路配置の本発明の実施形にしたがって設けられている。この電圧制限装置４は、電位交換時のスイッチング電圧の上昇率の制限時に発生する起こりうる許容できないスイッチング電圧中の過電圧値が最少限にされることを保証する。さらに、スイッチング電圧中の場合によっては発生する高周波振動が、各インダクタンス端子に対して設けられている電圧制限装置４によって減衰される。これらの高周波振動は、フィルタコンデンサ５とインダクタンス２の仕様決定によって発生する。その結果、好ましくは電気負荷の高周波振動が、この減衰によって排除される。これによって、機械的な負荷と電気的な負荷が、さらに小さくできる。
【００１７】
図１の電圧制限装置４は、少なくとも１つのバリスタを本発明にしたがって有する。この場合、バリスタは好ましくは、インダクタンス端子３間に１つずつ設けられている。バリスタはそれぞれ、２つのインダクタンス端子３に接続する。バリスタを電圧制限装置４として使用することには、多数の構成要素を有するインダクタンス端子３の経費のかかる電圧制限回路が省略され得るという利点がある。
【００１８】
図２中には、フィルタ回路配置の本発明のフィルタ回路配置の第２の実施形が示されている。ここでは、図１中で既に説明したコンバータ回路７が示されている。インダクタンス２が、既に説明した方法でコンバータ回路７の交流電圧端子１に少なくとも１つずつ接続されている。さらに、さらに、フィルターコンデンサ５と電気負荷が、説明した方法で配置されている。図１中に示された電圧制限装置とは違って、図２の電圧制限装置４は、各ダイオードに直列接続された抵抗を１つずつ有する少なくとも２つのダイオードを有する。この場合、電圧制限装置４、特に直列接続された抵抗を有するこれらのダイオードは、コンバータ回路７の直流電圧端子８に接続されている。直列接続された抵抗を有するダイオードによって構成された電圧制限装置４の利点は、電位交換時のスイッチング電圧の上昇率の制限時のそのスイッチング電圧の過電圧値を最低限に抑える過程がダイオードに直接接続された抵抗を適切に選択することによってコンバータ回路の予め設定された要求に適合され得る点にある。したがって、例えば、オーバーシュートが、減衰されてそのオーバーシュートの上昇中に制限されるスイッチング電圧中で発生しないか又はほとんど発生しないように、抵抗を選択することが可能である。その結果、起こりうる過電圧値が、接続されている電気負荷６に影響を与えない。
【００１９】
電圧制限装置４が、２つの抵抗を介してコンバータ回路７の直流電圧端子８に接続されている少なくとも２つのダイオードを有することによって、図３中に示されたフィルタ回路配置の第３の実施形は、図２中に示された実施形と相違する。
フィルタ回路配置の第１実施形と第２実施形の既に説明した利点、特に電圧制限装置４の構成に加えて、図３にしたがって構成された電圧制限装置４には、図２の電圧制限装置４の各ダイオードに直列接続された抵抗が節約され得るという利点がさらに存在する。このことから、コストダウン，軽量化及びスペースの節約が、特に３相コンバータ回路で実現される。
【００２０】
図４中には、本発明のフィルタ回路配置の第４の実施形が示されている。電圧制限装置４が、各フィルターコンデンサ５に直列接続された１つの抵抗を有することによって、この実施形は、既に説明した図１〜図３のフィルタ回路配置の実施形と相違する。電圧制限装置４、特に各フィルターコンデンサ５に直列接続された抵抗には、電位交換時のスイッチング電圧の上昇率の制限時のそのスイッチング電圧の過電圧値を最低限に抑える特性が抵抗を適切に選択することによってコンバータ回路の予め設定された要求に適合できると同時に最小限の構成要素が使用されるという利点がある。オーバーシュートが、減衰されてそのオーバーシュートの上昇中に制限されるスイッチング電圧中で発生しないか又はほとんど発生しないように、抵抗が選択され得る。これによって、場合によっては発生しうるオーバーシュートが、接続されている電気負荷６で有効に回避される。
【００２１】
以上により、図１〜図４の本発明のフィルタ回路配置は、非常に簡単にかつ少ない要素で構成されていて、説明した図１〜図４の３相コンバータ回路７と１つの単相交流電圧出力部を有する単相コンバータ回路の双方に対して電位交換時のスイッチング電圧の上昇率を制限するために使用され得る。したがって、本発明のフィルタ回路配置は、非常に簡単で、柔軟でかつ安価な解決手段を提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
３相コンバータ回路用の本発明のフィルタ回路配置の第１の実施形を示す。
【図２】
３相コンバータ回路用の本発明のフィルタ回路配置の第２の実施形を示す。
【図３】
３相コンバータ回路用の本発明のフィルタ回路配置の第３の実施形を示す。
【図４】
３相コンバータ回路用の本発明のフィルタ回路配置の第４の実施形を示す。
【符号の説明】
１　　交流電圧端子
２　　インダクタンス
３　　インダクタンス端子
４　　電圧制限装置
５　　フィルターコンデンサ
６　　電気負荷
７　　コンバータ回路
８　　直流電圧端子

Claims (8)

1. 各インダクタンス（２）が、その負荷側に１つのインダクタンス端子（３）を有し、電気負荷（６）が、このインダクタンス端子（３）に接続されている、コンバータ回路（７）の交流電圧端子（１）にそれぞれ接続されている少なくとも１つのインダクタンス（２）を有する電力半導体スイッチから構成されたコンバータ回路（７）用のフィルタ回路配置において、
   １つの電圧制限装置（４）が、各インダクタンス端子（３）に接続されていて、
   フィルターコンデンサ（５）が、インダクタンス端子（３）間に１つずつ設けられていて、
   この場合、フィルタ回路配置の共鳴周波数（ｆ_ｒｅｓ ）が、コンバータ回路（７）の電力半導体スイッチのスイッチング周波数（ｆ_Ｓ ）よりも遥かに高いように、インダクタンス（２）及びフィルターコンデンサ（５）は選択されていることを特徴とするフィルタ回路配置。
2. インダクタンス（２）とフィルターコンデンサ（５）は、星形接続として接続されていて、この場合、フィルターコンデンサ（５）は、一方の端子によって各インダクタンス端子（３）に接続されている一方で、各フィルターコンデンサ（５）の他方の端子は、その他のフィルターコンデンサ（５）の他方の端子に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ回路配置。
3. 共振周波数（ｆ_ｒｅｓ ）は、スイッチング周波数（ｆ_Ｓ ）の ５００倍の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィルタ回路配置。
4. 電圧制限装置（４）は、少なくとも１つのバリスタを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィルタ回路配置。
5. バリスタは、インダクタンス端子（１）間に１つずつ設けられていることを特徴とする請求項４に記載のフィルタ回路配置。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィルタ回路配置において、電圧制限装置（４）は、各ダイオードにそれぞれ直列接続された１つの抵抗を有する少なくとも２つのダイオードを備え、
   この場合、この電圧制限装置（４）は、コンバータ回路（７）の直流電圧端子（８）に接続されていることを特徴とするフィルタ回路配置。
7. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィルタ回路配置において、電圧制限装置（４）は、少なくとも２つのダイオードを有し、この場合、これらのダイオードは、２つの抵抗を介してコンバータ回路（７）の直流電圧端子（８）に接続されていることを特徴とするフィルタ回路配置。
8. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のフィルタ回路配置において、電圧制限装置（４）は、各フィルターコンデンサ（５）に直列接続された１つの抵抗を有することを特徴とするフィルタ回路配置。