JP2005143230A

JP2005143230A - マトリクスコンバータのフィルタ装置

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Publication number: JP2005143230A
Application number: JP2003377881A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamada; 健二山田; Eiji Yamamoto; 栄治山本; Hidenori Hara; 英則原
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】ＰＷＭに起因するＥＭＩ、サージ、洩れ電流、電蝕、ＰＣＷキャリア騒音等の問題を防止できるマトリクスコンバータのフィルタ回路を提供する。
【解決手段】マトリクスコンバータにおいて、交流電源１マトリクスコンバータ４との間に挿入された入力用三相交流リアクトル２と、入力用三相交流リアクトルとマトリクスコンバータとの接続点に並列接続された三相星型結線の受動素子群３からなる受動フィルタを備え、マトリクスコンバータの出力においては、出力の中性点検出手段５と、第四巻線を具備した三相コモンモードトランス６からなるコモンモード成分低減回路を備え、コモンモードトランスの第四巻線の一端をマトリクスコンバータの出力の中性点検出手段に接続し、他端をマトリクスコンバータの入力側の三相星型結線の受動素子群の中性点に接続している。
【選択図】図１

Description

本発明は、マトリクスコンバータの入出力において複数の種類で構成するマトリクスコンバータのフィルタ装置に関するものである。マトリクスコンバータ（ＰＷＭサイクロコンバータとも称される）は、交流から直流交流の可変周波数・可変電圧に変換するＡＣ／ＡＣ変換装置である。

従来より、ＰＷＭ制御を用いた電力変換装置の普及に伴い，伝導ノイズ，放射ノイズ，モータ端子のサージ電圧，モータベアリングの電食など，高周波スイッチングに起因する問題が顕在化している。これらに対する対策としては、さまざまなフィルタ装置が開発され、必要に応じてオプション対応にて対処している。例えば、特許文献１の「インバータのコモンモード電圧の抑制方法とその装置」には、図７の原理構成図に示すようなコモンコードフィルターの例が開示されている。図７において、ＰＷインバータ回路１３３のトランジスタのスイッチング毎にインバータ１０３の出力側のコモンモード電圧が変化する。入力側フィルタとして挿入される雑音端子電圧抑制フィルタ１０２のフィルタコンデンサ１２２の中性点が接地されているので、出力側コモンモード電圧により、コモンモード洩れ電流が誘導電動機１０７の巻線とフレーム間の浮遊容量を通してインバータ１０３の直流母線からアースに流れることになる。中性点検出トランス１０５で検出されたコモンモード電圧は、巻数比１：１のコモンモードトランス１０６の２次側に加えられ、逆相に接続されているので負荷側のコモンコード電圧がキャンセルされ抑止されることになる。

また、特許文献２には、図８の回路図に示す「ＰＷＭインバータ用フィルタ回路」によるコモンコード電圧の低減例が開示されている。特許文献２の回路は、ＬＣフィルタ回路の同調周波数がＰＷＭキャリヤ周波数、又は、インバータの出力基本波周波数に近い場合には、基本波成分の波形に歪みが発生する等、制御系の応答性に悪影響を及ぼすので、この対策として、図８のＰＷＭインバータ用フィルタ回路では、出力側に挿入されるコモンコードリアクトル２０１のインダクタンスＬ１とコンデンサ２０２のキャパシタンスＣ１によるローパスフィルタは、共振周波数ｆｒ＝１／[２π（Ｌ１・Ｃ１）^1/2]、で表せるので、図９に示すように、この共振周波数ｆｒを、キャリヤ周波数ｆｃと基本周波数ｆ０との中間に置き、且つ、双方からできるだけ離すように、例えば、両者の相乗平均値付近になるように設定することによって、キャリヤ周波数を大幅に減衰し相互干渉による悪影響を無くすように構成されている。

また、特許文献３には、図１０のシステム構成図に示す「ＰＷＭサイクロコンバータ」について、ＡＣ−ＡＣ変換を行うマトリクスコンバータの例が開示されている。図において、マトリクスコンバータは三相交流電源３０１とモータ３０５の間に、計９個の双方向半導体スイッチ群３０４を用いて接続し、交流電源電圧を直流に変換することなく任意の周波数・電圧を出力できる。しかし、双方向半導体スイッチ群３０４の入力段にはパルス状電流が流れるので、入力側の受動フィルタとしてリアクトル３０２とキャパシタ３０３によりローパスフィルタを構成して阻止しているが、この場合リアクトル３０２とキャパシタ３０３による共振電流が流れて入力電流の歪み率が悪化するので、別に小型の補正用ＰＷＭコンバータ３０７を設けて、電流検出用ＣＴ３１０により検出した入力電流信号３０９をＰＷＭコンバータ３０７の制御部へ入力して正規の波形と比較し、その補正分の電流を供給することによって歪みの無い電流波形に整形して出力するようにしている。

特開平１１−２９９２６４号公報（第２〜４頁、図１）特開平０９−８４３５７号公報（第２〜４頁、図１）特開２００３−２４４９６０号公報（第２、３頁、図１）

しかしながら、特許文献３のマトリクスコンバータは，交流―交流直接変換の電力変換装置であって、入力段のリアクトルとキャパシタによるローパスフィルタにより放射、伝導ノイズ等を抑制し、ローパスフィルタの共振電流による入力電流の歪みを別のコンバータ出力により補正しているが、特許文献１及び特許文献２に挙げた従来のＰＷＭインバータ等のインバータが有するＰＭＷ処理に起因するＥＭＩ、サージ、洩れ電流、軸受け部材の電食等の問題点は，コンバータにも共通であって、近年設置環境に関する規制等により、フィルタ装置に対する必要性が高くなっている状況から、コンバータ装置に於いても入力段だけではなく出力側でのコモンモード対策を含め、サージ、洩れ電流及び電食、ＰＷＭキャリア騒音等に対する対策を、早急に完備する必要があるという問題がある。

そこで、本発明は、マトリクスコンバータの回路構成の特徴を生かしたフィルタ装置を構成することにより、コモンモード電圧に起因するＥＭＩ、サージ、洩れ電流及び電食、ＰＷＭキャリア騒音等の問題点を解決できるマトリクスコンバータのフィルタ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、交流―交流直接変換装置としてのマトリクスコンバータにおいて、交流電源とマトリクスコンバータとの間に挿入された入力用三相交流リアクトルと、前記入力用三相交流リアクトルとマトリクスコンバータとの接続点に並列接続された三相星型結線の受動素子群からなる受動フィルタを備え、前記マトリクスコンバータの出力においては、出力の中性点検出手段と、第四巻線を具備した三相コモンモードトランスからなるコモンモード成分低減回路を備え、前記コモンモードトランスの第四巻線の一端を前記マトリクスコンバータの出力の中性点検出手段に接続し、他端を前記マトリクスコンバータの入力側の三相星型結線の受動素子群の中性点に接続することを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置において、前記入力用三相リアクトルと三相星型結線の受動素子群からなる受動フィルタのうち、三相星型結線の受動素子群を、コンデンサによって三相分星型結線にした事を特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、交流−交流直接変換装置としてのマトリクスコンバータにおいて、交流電源とマトリクスコンバータとの間に挿入された入力用三相交流リアクトルと、前記入力用三相交流リアクトルとマトリクスコンバータとの接続点に並列接続された三相星型結線の受動素子群からなる受動フィルタを備え、前記マトリクスコンバータの出力においては、前記マトリクスコンバータとその駆動対象負荷との間に挿入された出力用三相交流リアクトルと、前記出力用三相交流リアクトルと前記駆動対象負荷との接続点に並列接続された三相星型結線の受動素子群からなるノーマルモードフィルタを備え、この出力側の三相星型結線の受動素子群の中性点を出力の中性点検出手段として、前記駆動対象負荷との間に挿入されコモンモード成分低減回路を構成する三相コモンモードトランスの第四巻線の一端を接続し、前記第四巻線の他端は前記入力側の三相星型結線の受動素子群の中性点に接続することを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置において、前記出力用三相リアクトルと三相星型結線の受動素子群からなる受動フィルタのうち、三相星型結線の受動素子群をコンデンサによって三相分星型結線にした事を特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項３又は４記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置において、前記出力用三相交流リアクトルの代わりに，出力用単相交流リアクトル三個をそれぞれ各相に挿入したことを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１又は３記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置において、前記フィルタ装置のマトリクスコンバータの出力側におけるコモンモード成分低減回路において、前記中性点検出手段と前記第四巻線を具備する三相コモンモードトランスの第四巻線の一端への接続を受動素子からなる受動回路を介して接続することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１又は３記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置において、前記入力側の三相星型結線の受動素子群の中性点と前記出力側の第四巻線を具備する三相コモンモードトランスの第四巻線の接続を、受動素子を介して接続することを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１又は３記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置において、前記第四巻線を具備する三相コモンモードトランスの第四巻線の両端を、振動抑制用の抵抗器を介して接続したことを特徴としている。

以上のように、このマトリクスコンバータのフィルタ装置によれば、本発明では、マトリクスコンバータを含めた電力変換装置にもともと必要な、入力段での受動フィルタ回路で作られる入力の中性点を基準として利用し、出力側で構成する各種フィルタとの接続点をこの入力側の中性点とすることで、必要な組合せを容易に実現することができる。

本発明によれば、マトリクスコンバータに付加する入出力におけるフィルタ装置を合理的に構成できるという利点があり、具体的な効果としては、
１、出力線間電圧を正弦波にすることにより、モータ端子間サージ電圧やキャリヤ騒音の抑制効果。
２、出力コモンモード電圧を抑制することにより、高周波洩れ電流の低減やベアリングの電蝕防止効果。
３、高周波洩れ電流の低減による、伝導ノイズの低減効果。
等が期待できる。
また、本発明の各フィルタ装置は、複数の種類の組み合わせにより、共通化や簡素化が可能であり、それによって各種の安価、省スペースのフィルタ装置を構成することができるという効果がある。

以下、本発明を図に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。
図において、三相交流電源１とマトリクスコンバータ主回路４の間に入力用三相交流リアクトル２が直列に接続され、入力用三相交流リアクトル２とマトリクスコンバータ主回路４との接続点に並列に三相星型結線の受動素子群３を接続し、入力の受動フィルタを構成している。この図１の構成は、三相星型結線の受動素子群３を請求項２に記載のコンデンサによる三相分星型結線にした例である。

また、図中マトリクスコンバータ４と負荷モータ７(ここではモータとしたが、限定されるものではなく他の負荷でもよい)との間に、出力側の出力の中性点検出手段５と、第四巻線を具備した三相コモンモードトランス６からなるコモンモード成分低減回路を備えている。なお、マトリクスコンバータ主回路４は図示はされていないが、例えば、双方向スイッチを３個用いたモジュールを並列に３段構成にしたもの等である。
以上の構成において、出力側の中性点検出手段５の中性点には、マトリクスコンバータのＰＷＭ制御によって発生するコモンモード電圧が現れ、三相コモンモードトランスの第四巻線の両端にも同じくコモンモード電圧が現れる。これらを入力側の三相星型結線の受動素子群３の中性点を基準として足し合わせることで、コモンモード電圧を相殺し抑止できる。また、この場合は入力の受動フィルタにより外部への伝導、放射ノイズの流入を阻止すると共に、受動素子群３や出力側の中性点検出手段５を接地せずに中性点を接続しているので漏洩電流が低減される。
また、この場合のＬＣフィルタ回路の共振周波数については、特許文献２の図９の場合と同様にＰＭＷのキャリヤ周波数と基本周波数の中間に、例えば、両者の相乗平均値付近になるように設定すればよい。
マトリクスコンバータは交流電源を直接任意の電圧・周波数に変換する交流-交流直接変換装置であるが、その原理上入力にはパルス上の電流がながれる。これを入力用三相星型結線受動素子群３と入力用三相交流リアクトル２からなるＬＣフィルタによりフィルタリングすることにより、入力電流を正弦波に制御することができる。また図中マトリクスコンバータ４と負荷モータ７(ここではモータとしたが、限定されるものではない)との間に出力用三相コモンモードトランス（出力用三相交流リアクトルでもよい）を直列に接続し、出力用三相コモンモードトランス５と負荷モータ７との接続点に並列に出力用中性点検出手段６を接続し、出力側のＬＣフィルタを構成している。これによりＰＷＭ出力だったマトリクスコンバータ出力線間電圧を正弦波にすることが可能となり、入出力の電圧と電流の両方共に正弦波の変換装置が実現できる。また、入力、出力いずれのＬＣフィルタにおいても、電圧の外乱によりフィルタが共振現象を引き起こすは、コンデンサやリアクトルに並列に抵抗等のダンピング要素を付加することにより共振抑制を図ることができる。

図２は本発明の第２の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。
図２において、この場合は、マトリクスコンバータ主回路４と三相コモンモードトランス６の間に出力側三相交流リアクトル８と出力側の三相星型結線の受動素子群９による受動フィルタを挿入し、三相星型結線の受動素子群９の中性点を図１に示した出力側の中性点検出手段５の代わりに用いる。この図２に示した三相星型結線の受動素子群９は請求項４に記載のコンデンサによる三相分星型結線にした例である。なお、出力側のコモンモードトランス６、及び入力側の入力用三相交流リアクトル２と受動素子群３による受動フィルタ等については図１と同じである。
従って、図１に示す前実施の形態と異なる点は、出力側三相交流リアクトル８と三相星型結線受動素子群９による受動フィルタ（ノーマルモードフィルタ）の追加により、ノーマルモードのスパイク等の低減を図った点である。この場合も出力側三相交流リアクトル８と三相星型結線受動素子群９による共振周波数をキャリヤ周波数と基本周波数との中間位置に設定すれば、より正弦波に近い線間波形が得られる。また、コモンモードフィルタの共振周波数についても、三相コモンモードトランス６のインダクタンスと三相星型結線受動素子群９のキャパシタンスで決定される共振周波数を、前述のようにキャリヤ周波数と基本周波数の中間、例えば、両者の相乗平均値付近に設定すればよい。なお、この第２の実施の形態は、請求項３に開示のフィルタ装置に該当するものである。
以上の構成によって、出力側三相交流リアクトル８と出力側の三相星型結線の受動素子群９による受動フィルタは、マトリクスコンバータの出力相間におけるＰＷＭパルスのエッジを鈍らせたり、ＰＷＭパルスを正弦波に近づけるフィルタであり、図１に示した前実施の形態によるコモンモード電圧の相殺及びその他の効果に加えて、ノーマルモードのスパイクを抑制する効果をもつフィルタ装置の組合せになるものである。

図３は本発明の第３の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。
図３において、第３の実施の形態が図２に示した第２の実施の形態と異なる構成は、図２に示した出力側三相交流リアクトル８の代わりに、単相交流リアクトル１０−１、１０−２、１０−３を三台用いた場合の例であり、請求項５に開示のフィルタ装置に該当するものであって、単相交流リアクトル１０と出力用三相星型結線受動素子群９によりノーマルモードフィルタを構成するもので、作用・効果については図２に示す第２実施の形態と同じである。

図４は本発明の第４の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。
図４において、第４の実施の形態は請求項６を実現する回路で、図２に示した第２の実施の形態の回路構成に請求項６に開示の受動回路を加えた構成であり、出力側の三相星型結線受動素子群９と三相コモンモードトランス６の第四巻線を受動回路１１を介して接続している。この受動回路１１を、抵抗とコンデンサで構成した例である。
第４の実施の形態では、このような受動回路１１を用いることで、マトリクスコンバータの出力側で発生するコモンモード電圧のパルスのエッジを鈍らせることができ、前述のコモンモード電圧を相殺する方式に比べ三相コモンモードトランスが小型化できる。

図５は本発明の第５の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。
図５において、第５の実施の形態は請求項７を実現する回路であって、図２に示した第２の実施の形態の構成に請求項７に開示のように受動回路を挿入したものであり、受動回路１１の挿入位置を入力側の三相星型結線の受動素子群３の中性点と三相コモンモードトランス６の第四巻線の接続線上としている。この図５に示す受動回路１１は、抵抗とコンデンサで構成した例である。
この図５に示す回路は図４の回路と同様に、受動回路１１を用いることで，マトリクスコンバータの出力側で発生するコモンモード電圧のパルスのエッジを鈍らせることができ、前述のコモンモード電圧を相殺する方式に比べて、三相コモンモードトランスが小型化できる。

図６は本発明の第６の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。
図６において、第６の実施の形態は請求項８を実現する回路であって、前実施の形態の図５の回路構成に請求項８を適用したもので、三相コモンモードトランス６の第四巻線の両端を抵抗器１２を介して接続することで、振動が発生した場合の振動抑制を行うことが可能である。
以上、本発明で説明した各フィルタ装置は、それに限定されるものではなく、各種の組み合わせにより、共通化や簡素化が可能であり、そらは全て本発明の範囲内であることは勿論である。

本発明の第１の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。本発明の第２の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。本発明の第３の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。本発明の第４の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。本発明の第５の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。本発明の第６の実施の形態に係るマトリクスコンバータのフィルタ装置の回路構成図である。従来のインバータのコモンモード電圧の抑制方法とその装置の構成図である。従来のＰＷＭインバータ用フィルタ回路の回路図である。図８に示すフィルタ回路の共振周波数の説明図である。従来のＰＷＭサイクロコンバータのシステム構成図である。

符号の説明

１三相交流電源
２入力用三相交流リアクトル
３入力用三相星型結線受動素子群
４マトリクスコンバータ主回路
５出力用中性点検出手段
６出力用三相コモンモードトランス
７負荷（モータ）
８出力用三相交流リアクトル
９出力用三相星型結線受動素子群
１０−１出力用単相交流リアクトル１
１０−２出力用単相交流リアクトル２
１０−３出力用単相交流リアクトル３
１１受動回路
１２抵抗器

Claims

交流―交流直接変換装置としてのマトリクスコンバータにおいて、交流電源とマトリクスコンバータとの間に挿入された入力用三相交流リアクトルと、前記入力用三相交流リアクトルとマトリクスコンバータとの接続点に並列接続された三相星型結線の受動素子群からなる受動フィルタを備え、前記マトリクスコンバータの出力においては、出力の中性点検出手段と、第四巻線を具備した三相コモンモードトランスからなるコモンモード成分低減回路を備え、前記コモンモードトランスの第四巻線の一端を前記マトリクスコンバータの出力の中性点検出手段に接続し、他端を前記マトリクスコンバータの入力側の三相星型結線の受動素子群の中性点に接続することを特徴とするマトリクスコンバータのフィルタ装置。
前記入力用三相リアクトルと三相星型結線の受動素子群からなる受動フィルタのうち、三相星型結線の受動素子群を、コンデンサによって三相分星型結線にした事を特徴とする請求項１記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置。
交流−交流直接変換装置としてのマトリクスコンバータにおいて、交流電源とマトリクスコンバータとの間に挿入された入力用三相交流リアクトルと、前記入力用三相交流リアクトルとマトリクスコンバータとの接続点に並列接続された三相星型結線の受動素子群からなる受動フィルタを備え、前記マトリクスコンバータの出力においては、前記マトリクスコンバータとその駆動対象負荷との間に挿入された出力用三相交流リアクトルと、前記出力用三相交流リアクトルと前記駆動対象負荷との接続点に並列接続された三相星型結線の受動素子群からなるノーマルモードフィルタを備え、この出力側の三相星型結線の受動素子群の中性点を出力の中性点検出手段として、前記駆動対象負荷との間に挿入されコモンモード成分低減回路を構成する三相コモンモードトランスの第四巻線の一端を接続し、前記第四巻線の他端は前記入力側の三相星型結線の受動素子群の中性点に接続することを特徴とするマトリクスコンバータのフィルタ装置。
前記出力用三相リアクトルと三相星型結線の受動素子群からなる受動フィルタのうち、三相星型結線の受動素子群をコンデンサによって三相分星型結線にした事を特徴とする請求項３記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置。
前記出力用三相交流リアクトルの代わりに，出力用単相交流リアクトル三個をそれぞれ各相に挿入したことを特徴とする請求項３又は４記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置。
前記フィルタ装置のマトリクスコンバータの出力側におけるコモンモード成分低減回路において、前記中性点検出手段と前記第四巻線を具備する三相コモンモードトランスの第四巻線の一端への接続を受動素子からなる受動回路を介して接続することを特徴とする請求項１又は３記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置。
前記入力側の三相星型結線の受動素子群の中性点と前記出力側の第四巻線を具備する三相コモンモードトランスの第四巻線の接続を受動素子を介して接続することを特徴とする請求項１又は３記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置。
前記第四巻線を具備する三相コモンモードトランスの第四巻線の両端を、振動抑制用の抵抗器を介して接続したことを特徴とする請求項１又は３記載のマトリクスコンバータのフィルタ装置。