JP2005269726A - 過電圧抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置全体の電気効率を大きく減ずることなく、交流回転機の対地過電圧を抑制すること。
【解決手段】ＰＷＭ方式の電力変換装置である電圧型ＰＷＭインバータ１に接地線を含む比較的長いケーブル２を介して接続される交流回転機３における各相の端子部と接地端子部とに交流端子がそれぞれ接続される２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６と、各２端子ダイオードブリッジ回路の直流端子の両端間に並列に接続されたコンデンサ７，８，９および抵抗器１０，１１，１２とを備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ＰＷＭ方式の電力変換装置に３相ケーブルを介して接続される交流回転機における端子部に生ずる過電圧を抑制する過電圧抑制装置に関するものである。

ＰＷＭ方式の電力変換装置では、出力段ブリッジ回路のスイッチング素子を高周波のキャリア信号によってオンオフすることで出力電圧を調整している。一方、この電力変換装置と交流回転機（電動機や発電機）を接続する３相ケーブルでは、ケーブルの長さに応じた抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌとが存在し、また線間や対地間に静電容量Ｃが存在する。その結果、電力変換装置から３相ケーブルに急峻な変化をする電圧を出力すると、ＲＬＣによる共振によって交流回転機の端子部に過電圧が印加されることが起こる。そこで、従来から、交流回転機の端子部に過電圧が発生するのを抑制する目的で、過電圧抑制装置を併設するようにしている（例えば、特許文献１，２）。

すなわち、特許文献１では、交流から直流に変換する順変換器と、その直流を交流に変換する逆変換器とからなる入出力非絶縁型電力変換装置において、コンデンサとリアクトルとからなる交流出力フィルタのコンデンサ中性点を直流回路部と接続することにより、回転機端子部の過電圧を抑制する方式の過電圧抑制装置が開示されている。

また、特許文献２では、交流回転機が電動機である場合に、図６に示すような構成の過電圧抑制装置が開示されている。図６において、電圧型ＰＷＭインバータ１の３相出力端は、比較的長いケーブル２を介して交流回転機３の各相端子部に接続されるが、過電圧抑制装置４０を、交流回転機３の各相端子部に接続される３相ダイオードブリッジ回路４１と、３相ダイオードブリッジ回路４１の直流端子の両端に並列に接続されるコンデンサ４２および抵抗器４３とで構成し、回転機端子部の過電圧を抑制するようにしている。

特開平９−２９４３８１号公報 特開平８−２３６８２号公報

しかしながら、上記の特許文献１，２に開示される過電圧抑制装置には、次のような問題が生じる。すなわち、特許文献１に記載のようなコンデンサとリアクトルで構成される過電圧抑制装置では、回転機端子部に過電圧が生じていないときにもコンデンサに過電流が流れるので、電力変換装置全体の損失が大きくなる。また、ケーブル長によっては、前記過電圧抑制装置を接続することで共振現象が生じる。さらに、フィルタのコンデンサ中性点を電力変換装置の直流回路部に接続しているために、サージ電流が電力変換装置に戻り電力変換装置や周辺機器が誤動作を起こす可能性があるという問題がある。

また、特許文献２に記載のような３相ダイオードブリッジ回路を用いた過電圧抑制装置では、回転機の線間電圧に対しては過電圧の抑制効果は存するが、電力変換装置のスイッチングパターンによっては対地電圧を十分に抑制することができないので、結果として回転機のコイル素線とフレームコア間の絶縁破壊に至る可能性があるという問題がある。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電力変換装置全体の電気効率を大きく減ずることなく、交流回転機の対地過電圧を抑制することができる過電圧抑制装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明にかかる過電圧抑制装置は、ＰＷＭ方式の電力変換装置に３相ケーブルを介して接続される交流回転機における各相の端子部と接地端子部とに交流端子がそれぞれ接続される２端子ダイオードブリッジ回路の３個と、各２端子ダイオードブリッジ回路の直流端子の両端に接続されたコンデンサとを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、交流回転機の各相の端子部に対地過電圧が発生したときには、２端子ダイオードブリッジ回路に順方向電圧が印加され、その対地過電圧のエネルギーがコンデンサに吸収される。これによって、交流回転機の各相の端子部における対地過電圧を抑制することができる。このとき、交流回転機の各相の端子部に対地過電圧が発生するタイミングは、電力変換装置がスイッチング動作を行った瞬間であり、それ以外のタイミングでは２端子ダイオードブリッジ回路にコンデンサから逆方向電圧が印加されるので、損失は生じない。

この発明によれば、電力変換装置全体の電気効率を大きく減ずることなく、交流回転機の対地過電圧を抑制することができるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかる過電圧抑制装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である過電圧抑制装置の構成を示す回路図である。図１において、ＰＷＭ方式の電力変換装置である電圧型ＰＷＭインバータ１の３相出力端ＵＶＷは、接地線を含む比較的長いケーブル２を介して交流回転機（電動機または発電機）３の各相端子部に接続されるが、交流回転機３の各相端子部と接地端子部との間に過電圧抑制装置１３が設けられている。

この過電圧抑制装置１３は、交流回転機３の各相端子部と接地端子部とに交流端子がそれぞれ接続される２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６の３個と、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６の直流端子の両端間に並列に接続されたコンデンサ７，８，９および抵抗器１０，１１，１２とで構成されている。

ここで、コンデンサ７，８，９および抵抗器１０，１１，１２の値は、ＣＲ並列回路の時定数が電圧型ＰＷＭインバータ１のスイッチング周波数に比べて大きくなるように選定されている。

この構成によれば、電圧型ＰＷＭインバータ１のスイッチング素子がスイッチングした瞬間に交流回転機３の各相の端子部と対地間に基本波電圧の波高値以上の過電圧、つまり対地過電圧が発生したときには、過電圧抑制装置１３では、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６に順方向電圧が印加され、対地過電圧のエネルギーがコンデンサ７，８，９に吸収されることにより、交流回転機３の各相の端子部の電圧がコンデンサ７，８，９の両端電圧にクランプされることになり、対地過電圧を抑制することができる。

そして、この実施の形態１では、コンデンサ７，８，９が吸収したエネルギーの電圧上昇分は、コンデンサ７，８，９に並列に接続した比較的抵抗値が大きな抵抗器１０，１１，１２で消費される。これによって、一層効果的に交流回転機３の各相の端子部における対地過電圧を抑制することができる。

このとき、コンデンサ７，８，９と抵抗器１０，１１，１２の並列回路の時定数は、電圧型ＰＷＭインバータ１のスイッチング周波数に比べて大きくなるように設定してあるので、コンデンサ７，８，９には、電圧型ＰＷＭインバータ１の出力電圧の基本波電圧波高値とほぼ等しい電圧が充電される。そのため、交流回転機３の各相の端子部に対地過電圧が生じていないときは、すなわち電圧型ＰＷＭインバータ１のスイッチング素子がスイッチングした瞬間以外では、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６中の全てのダイオードにコンデンサ７，８，９から逆電圧が印加されるので、損失はほとんど生じることがない。

このように、実施の形態１によれば、電力変換装置のスイッチング素子がスイッチングした瞬間に交流回転機の各相の端子部に生ずる対地過電圧を抑制することができる。

このとき、交流回転機３の各相の端子部に生ずる対地過電圧を抑制することができるので、同時に、交流回転機３の各相の端子部間に発生する過電圧も特許文献２に記載の方式（図６）と同程度に抑制することが可能となる。

また、過電圧を抑制するためのコンデンサおよび抵抗器を、交流回転機の各相の端子部に２端子ダイオードブリッジ回路を介して接続しているので、電力変換装置のスイッチング素子がスイッチングして回転機端子部に過電圧が発生した瞬間のみコンデンサと抵抗器が電力変換装置に接続されることとなるので、実施の形態１による過電圧抑制装置を接続することにより共振現象が生じる可能性はない。

さらに、実施の形態１では、過電圧抑制装置を接続する際に新たに電力変換装置からケーブルを引き出す必要がなく、そのため電力変換装置にサージ吸収による過電流が流れることがないので、電力変換装置や周辺機器の予期せぬ誤動作等を起こすことがない。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２である過電圧抑制装置の構成を示す回路図である。なお、図２では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

すなわち、図２に示すように、この実施の形態２では、図１（実施の形態１）に示した構成において、過電圧抑制装置１３に代えて過電圧抑制装置１４が設けられている。過電圧抑制装置１４では、図１（実施の形態１）に示した過電圧抑制装置１３における２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６の直流端子の両端間に設けたコンデンサ７，８，９を削除し、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６の直流端子の両端間に、直列に接続した抵抗器１０，１１，１２および直流電源２１，２２，２３が設けられている。

ここで、直流電源２１，２２，２３の直流電圧値は、電圧型ＰＷＭインバータ１の基本波電圧の対地電圧波高値と同じ値、またはわずかに大きな値となっている。

この構成によれば、交流回転機３の各相の端子部に過電圧が生じないときは、その端子部電圧は、電圧型ＰＷＭインバータ１の直流電圧と同じ値となる。このときには、直流電源２１，２２，２３の直流電圧は、電圧型ＰＷＭインバータ１の直流電圧と同値か少し高いので、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６に順方向電圧が印加されず２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６はオン動作しない。つまり、過電圧抑制装置１４は動作せず、システムには何の影響も与えない。

一方、交流回転機３の各相の端子部に過電圧が生じているときには、その過電圧が発生している瞬間には、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６に順方向電圧が印加されるので、交流回転機３の端子部電圧は直流電源２１，２２，２３の電圧にクランプされることとなり、過電圧を抑制する。

これによって、この実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、電圧型ＰＷＭインバータ１のスイッチング時に、交流回転機３の各相の端子部に生じる過電圧を抑制することが可能となる。また、実施の形態１と同様の作用・効果が得られる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３である過電圧抑制装置の構成を示す回路図である。なお、図３では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。

すなわち、図３に示すように、この実施の形態３では、図１（実施の形態１）に示した構成において、過電圧抑制装置１３に代えて過電圧抑制装置１５が設けられている。過電圧抑制装置１５では、図１（実施の形態１）に示した過電圧抑制装置１３における２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６の直流端子の両端間に設けたコンデンサ７，８，９を削除し、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６の直流端子の両端間に、直列接続した抵抗器１０，１１，１２およびツェナーダイオード３１，３２，３３が設けられている。

ここで、ツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏電圧値は、電圧型ＰＷＭインバータ１の基本波電圧の対地電圧波高値と同じ値、またはわずかに大きな値となっている。

この構成によれば、交流回転機３の各相の端子部に過電圧が生じないときは、その端子部電圧は、電圧型ＰＷＭインバータ１の直流電圧と同じ値となる。このときには、ツェナーダイオード３１，３２，３３には降伏電圧以下の電圧しか印加されず２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６の直流端子が開放となるので、過電圧抑制装置１５は動作せず、システムには何の影響も与えない。

一方、交流回転機３の各相の端子部に過電圧が生じているときには、その過電圧が発生している瞬間には、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６に順方向電圧が印加されるので、ツェナーダイオード３１，３２，３３に降伏電圧以上の電圧が印加される。そのため、２端子ダイオードブリッジ回路４，５，６の直流端子は短絡され、交流回転機３の端子部電圧はツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏電圧にクランプされる。

これによって、この実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、電圧型ＰＷＭインバータ１のスイッチング時に、交流回転機３の各相の端子部に生じる過電圧を抑制することが可能となる。また、実施の形態１と同様の作用・効果が得られる。

次に、図４と図５を参照して、以上説明した各実施の形態による過電圧抑制装置での対地過電圧抑制効果を従来技術等と対比して説明する。図４と図５では、（１）過電圧抑制装置を装備しない場合と、（２）図６に示した３相ダイオードブリッジを用いた過電圧抑制装置４０の場合と、（３）この発明による過電圧抑制装置の場合とで、Ｕ相−対地電圧と、Ｖ相−対地電圧と、Ｕ相−Ｖ相の相間電圧とを例に挙げて、電圧型ＰＷＭインバータ１の出力電圧のタイミング（ＩＮＶ出力）および交流回転機３の各相端子部入力電圧（回転機入力）との関係が対比して示されている。なお、電圧型ＰＷＭインバータは、以降、単にインバータという。

図４では、Ｖ相のインバータ出力電圧がインバータ直流電圧の低電圧側電圧ＬＶである状態のときに、Ｕ相のインバータ出力電圧が低電圧側電圧ＬＶから高電圧側電圧ＨＶに変化したとき、回転機の端子部に生じるＵ相−対地電圧とＵ相−Ｖ相の相間電圧とが示されている。

図５では、Ｖ相のインバータ出力電圧がインバータ直流電圧の高電圧側電圧ＨＶである状態のときに、Ｕ相のインバータ出力電圧が低電圧側電圧ＬＶから高電圧側電圧ＨＶに変化したとき、回転機の端子部に生じるＵ相−対地電圧とＵ相−Ｖ相の相間電圧とが示されている。

インバータの出力パターンが図４に示す状態であるときは、（３）この発明による過電圧抑制装置の場合では、回転機端子部のＵ相−対地間電圧がインバータの直流電圧の高電圧側電圧ＨＶを超過するので、Ｕ相と対地の間に接続した過電圧抑制装置の２端子ダイオードブリッジ回路に順方向電圧が印加され、回転機端子部の対地間に発生する過電圧を抑制する。

一方、（２）図６に示した３相ダイオードブリッジを用いた過電圧抑制装置４０の場合には、回転機端子部のＵ相−Ｖ相間の相間電圧がインバータの直流電圧の高電圧側電圧ＨＶを超過するため、過電圧抑制装置４０の３相ダイオードブリッジに順方向電圧が印加され、回転機端子部の対地間に発生する過電圧を抑制する。すなわち、図４に示すようなタイミングでインバータが動作したときには、本実施の形態と図６に示す従来例との両者とも、回転機端子部での対地過電圧の抑制効果がある。

また、図５に示すようなタイミングでインバータ出力電圧が動作したときは、（３）この発明による過電圧抑制装置の場合では、回転機端子部のＵ相−対地間電圧がインバータの直流電圧の高電圧側電圧ＨＶを超過するので、Ｕ相と対地との間に接続した過電圧抑制装置の２端子ダイオードブリッジ回路に順方向電圧が印加され、回転機端子部の対地間に発生する過電圧を抑制することが可能である。

ところが、（２）図６に示した３相ダイオードブリッジを用いた過電圧抑制装置４０の場合には、回転機端子部のＵ相−Ｖ相間の相間電圧がインバータの直流電圧の高電圧側電圧ＨＶを超過しないので、過電圧抑制装置４０の３相ダイオードブリッジに順方向電圧が印加されない。このため、回転機端子部と対地間に発生する過電圧を抑制できない。すなわち、図５に示すようなタイミングでインバータ出力電圧が動作したときは、（２）図６に示した３相ダイオードブリッジを用いた過電圧抑制装置４０を接続することでは、回転機端子部の対地過電圧を抑制することができない。

以上のように、この発明にかかる過電圧抑制装置は、ＰＷＭ方式の電力変換装置にケーブルを介して接続される交流回転機の端子部に生ずる対地過電圧を抑制するのに有用である。

この発明の実施の形態１である過電圧抑制装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２である過電圧抑制装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３である過電圧抑制装置の構成を示す図である。 図１〜図３に示す過電圧抑制装置での対地過電圧抑制効果を従来技術等と対比して説明する図である（その１）。 図１〜図３に示す過電圧抑制装置での対地過電圧抑制効果を従来技術等と対比して説明する図である（その２）。 従来の過電圧抑制装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 電圧型ＰＷＭインバータ（電力変換装置）、
２ ケーブル、
３ 交流回転機、
４，５，６ ２端子ダイオードブリッジ回路、
７，８，９ コンデンサ、
１０，１１，１２ 抵抗器、
１３，１４，１５ 過電圧抑制装置、
２１，２２，２３ 直流電源、
３１，３２，３３ ツェナーダイオード。

Claims (4)

1. ＰＷＭ方式の電力変換装置に３相ケーブルを介して接続される交流回転機における各相の端子部と接地端子部とに交流端子がそれぞれ接続される２端子ダイオードブリッジ回路の３個と、
   各２端子ダイオードブリッジ回路の直流端子の両端間に接続されたコンデンサと、
   を備えたことを特徴とする過電圧抑制装置。
2. 前記コンデンサには、並列に抵抗器が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の過電圧抑制装置。
3. ＰＷＭ方式の電力変換装置に３相ケーブルを介して接続される交流回転機における各相の端子部と接地端子部とに交流端子がそれぞれ接続される２端子ダイオードブリッジ回路の３個と、
   各２端子ダイオードブリッジ回路の直流端子の両端間に直列に接続された抵抗器および直流電源と、
   を備えたことを特徴とする過電圧抑制装置。
4. ＰＷＭ方式の電力変換装置に３相ケーブルを介して接続される交流回転機における各相の端子部と接地端子部とに交流端子がそれぞれ接続される２端子ダイオードブリッジ回路の３個と、
   各２端子ダイオードブリッジ回路の直流端子の両端間に直列に接続された抵抗器およびツェナーダイオードと、
   を備えたことを特徴とする過電圧抑制装置。
   

Images