JP2005295676A

JP2005295676A - マトリクスコンバータ

Info

Publication number: JP2005295676A
Application number: JP2004106649A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yamada; 健二山田; Takeshi Higuchi; 剛樋口
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】高周波スイッチングを行っても外部にノイズの出ないマトリクスコンバータを提供する。
【解決手段】マトリクスコンバータ４（コンバータ４）の交流電源１側に設けた入力用三相交流リアクトル２（入力リアクトル２）と、入力リアクトル２とコンバータ４との接続点に並列接続された入力用コンデンサ３と、コンバータ４の出力側に出力用三相交流リアクトル５（出力リアクトル５）とを備え、出力リアクトル５の出力側は出力用三相コモンモードチョークコイル６（出力チョーク６）に接続され、出力チョーク６の出力リアクトル５とは反対側端子にモータＭなどの負荷８を接続し、かつ出力チョーク６と負荷８の接続点に並列に出力用コンデンサ７を接続し、入力用と出力用の各コンデンサ３、７は三相星型結線でかつその中性点同士を接続線１１で接続した。
【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に関するものである。

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、電力変換装置での高周波スイッチングに起因する問題が顕在化している。
従来の対策として、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（特許文献１〜３参照。）。
また、マトリクスコンバータに関しても、従来の電力変換装置と同様の問題が存在している。
特開平９−８４３５７号公報特開平１１−２９９２６４号公報特開２００３−２４４９６０号公報

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るが、従来のＰＷＭインバータなどが有する前述の問題点は、共通である。近年、設置環境に関する規制等により、外部にノイズを発しないようにするフィルタ装置に対する必要性が高くなっており、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提供することが必要になっている。
そこで、本発明は、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を解決し、電力変換装置で高周波スイッチングを行っても外部にノイズの出ていかないマトリクスコンバータを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、請求項１記載のマトリクスコンバータの発明は、交流―交流直接変換装置としてのマトリクスコンバータであって、該マトリクスコンバータの交流電源側に設けら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前記マトリクスコンバータとの接続点に並列接続された入力用コンデンサからなる受動フィルタと、前記マトリクスコンバータの出力側に出力用三相交流リアクトルとを備え、前記出力用三相交流リアクトルの一端は前記マトリクスコンバータに接続され、他端は出力用三相コモンモードチョークコイルに接続され、前記出力用三相コモンモードチョークコイルの前記出力用三相交流リアクトルとは反対側端子にモータなどの負荷を接続し、かつ前記出力用三相コモンモードチョークコイルと前記負荷の接続点に並列に出力用コンデンサを接続し、前記入力用コンデンサと前記出力用コンデンサはそれぞれの三相分が星型結線でありかつこれらの星型結線の中性点同士を接続線で接続したことを特徴とする。
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において、前記入力用コンデンサと前記出力用コンデンサの中性点同士を接続する接続線上に、受動素子による電流低減手段を設けたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のマトリクスコンバータにおいて、前記出力用三相コモンモードチョークコイルと前記出力用コンデンサとの結線上に、受動素子による電流低減手段を設けたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１記載のマトリクスコンバータにおいて、前記出力用コンデンサと前記出力側の中性点との間に受動素子による電流低減手段を設けたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載のマトリクスコンバータにおいて、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する。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載のマトリクスコンバータにおいて、前記マトリクスコンバータの出力用三相交流リアクトルまたは前記単相交流リアクトルに並列に、受動素子による共振抑制手段を設けたことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項２〜５のいずれか１項記載のマトリクスコンバータにおいて、前記受動素子による電流低減手段として、抵抗器とコンデンサを用いたことを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項６記載のマトリクスコンバータにおいて、前記受動素子による共振抑制手段として抵抗器を用いたことを特徴とする。

以上述べた構成によれば、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、
（１）出力電圧のｄｖ／ｄｔを低減することにより、モータ端子間のサージ電圧を低減することができる。
（２）出力コモンモード電圧のスイッチング周波数成分を抑制することができるので、高周波漏れ電流の低減やベアリングの電食防止が可能となる。
（３）高周波漏れ電流の低減による、伝導ノイズの低減などが期待できる。
（４）本発明で採用される各フィルタ装置は、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、したがって安価・省スペースにてフィルタ装置を構成することができる。

以下、本発明について具体的実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る回路構成図である。
図中三相交流電源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入力用コンデンサ３を接続し、入力の受動フィルタを構成している。また図中マトリクスコンバータ４と負荷８との間に出力用三相交流リアクトル５、出力用三相コモンモードチョークコイル６および出力用三相コモンモードチョークコイル６と負荷８の間に並列に三相星型結線の出力用コンデンサ７からなる出力側のフィルタ回路を備えている。さらに入力用コンデンサ３と出力用コンデンサ７のそれぞれの中性点同士が接続線１１で接続されている。
マトリクスコンバータ主回路４は三相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状の電流が流れる。これを入力用コンデンサ（三相交流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主回路４と負荷８であるモータＭ(ここでは負荷をモータとしたが、もちろんこれに限定されるものではない)との間に、出力用三相交流リアクトル５と出力用三相コモンモードチョークコイル６とを直列に接続し、出力用三相コモンモードチョークコイル６と負荷８との接続点に並列に出力用コンデンサ７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。

これらフィルタ回路の動作は次のようになる。
１．出力側の三相交流リアクトル５と出力用コンデンサ７で構成されるＬＣ回路によって、マトリクスコンバータの出力側にあらわれるＰＷＭの急峻なパルス電圧のｄｖ／ｄｔを抑制し、フィルタなどの負荷回路がない場合に負荷側で発生するスパイク状のサージ電圧を抑制する。
２．出力用三相コモンモードチョークコイル６と出力用コンデンサ７で構成されるＬＣ回路によって、マトリクスコンバータのＰＷＭで発生するコモンモード電圧の高周波分（スイッチング周波数分）を低減し、負荷側で発生する高周波漏れ電流や負荷がモータの場合に問題となる軸電圧、軸電流を低減する。
３．出力用三相コモンモードチョークコイル６と出力用コンデンサ７で構成されるＬＣ回路の出力用コンデンサ７の中性点と、マトリクスコンバータでは元々必要な入力用コンデンサ３の中性点を接続し、フィルタ回路によってバイパスされた電流をこの間で循環させる構成をとることにより、図のマトリクスコンバータと周辺回路を組み合わせたシステムの外側に対してノイズ源となる漏れ電流等を出さない。

図２は本発明の第２の実施形態に係る回路構成図である。
マトリクスコンバータの入出力で構成されるフィルタ回路のインピーダンスが低いと、循環電流が大きくなるため、マトリクスコンバータ主回路素子や電流検出器等の発熱が問題になった。本発明の第２の実施形態に係る回路構成図はこれを解決するためになされたもので、図中の出力用コンデンサ７と入力用コンデンサ３のそれぞれの中性点同士を接続線１１で接続した結線上に、循環電流を抑制するための受動素子で構成される電流低減手段９を挿入したのが特徴である。
電流低減手段９としては、抵抗器とコンデンサとから構成される直列回路または並列回路が有効である。
この電流低減手段９を挿入することにより、出力用コンデンサ７と入力用コンデンサ３間を流れる循環電流が抑制されるため、マトリクスコンバータ主回路素子や電流検出器等の発熱が低減される。

図３は本発明の第３の実施形態に係る回路構成図である。
マトリクスコンバータの入出力で構成されるフィルタ回路のインピーダンスが低いと、循環電流が大きくなるため、マトリクスコンバータ主回路素子や電流検出器等の発熱が問題になった。本発明の第３の実施形態に係る回路構成図はこれを解決するためになされたもので、回路構成として、図２で用いたのと同じ電流検出手段９を出力用三相コモンモードチョークコイル６と出力用コンデンサ７の結線上に設けたことを特徴としている。
電流低減手段９としては、同じく、抵抗器とコンデンサとから構成される直列回路または並列回路が有効である。
この電流低減手段９を挿入することにより、出力用コンデンサ７と入力用コンデンサ３間を流れる循環電流が抑制されるため、マトリクスコンバータ主回路素子や電流検出器等の発熱が低減される。

図４は本発明の第４の実施形態に係る回路構成図である。
マトリクスコンバータの入出力で構成されるフィルタ回路のインピーダンスが低いと、循環電流が大きくなるため、マトリクスコンバータ主回路素子や電流検出器等の発熱が問題になった。本発明の第４の実施形態に係る回路構成図はこれを解決するためになされたもので、回路構成として、図２で用いたのと同じ電流検出手段９を出力用コンデンサ７と出力側中性点の間に設けたことを特徴としている。
電流低減手段９としては、同じく、抵抗器とコンデンサとから構成される直列回路または並列回路が有効である。
この電流低減手段９を挿入することにより、出力用コンデンサ７と入力用コンデンサ３間を流れる循環電流が抑制されるため、マトリクスコンバータ主回路素子や電流検出器等の発熱が低減される。

図５は本発明の第５の実施形態に係る回路構成図である。
図１〜図４と異なる点は、マトリクスコンバータ４の出力側に挿入するリアクトルを三相交流リアクトル（図１〜図４）から単相交流リアクトル三つに変えた点である。単相交流リアクトルを用いることで、ノーマルモードのインダクタンスだけでなく、コモンモードのインダクタンスも得られるので、コモンモード電圧に起因した諸問題の解決に有効である。

図６は本発明の第６の実施形態に係る回路構成図である。
図中において、マトリクスコンバータ４の出力側に挿入するリアクトルの相ごとにそれぞれ受動素子からなる共振抑制手段１０を設けている。具体的には共振抑制手段１０を抵抗器を用いて実現している。
これは、マトリクスコンバータ４の出力におけるＰＷＭパルスが、出力側で構成されているＬＣ回路によるＬＣ共振のトリガーとなる場合に、この共振を抑制するためである。この場合、出力側のリアクトルは、三相交流リアクトルでも単相交流リアクトルでもよい。

以上述べたように、本発明を用いることで、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。具体的効果としては
（１）出力電圧のｄｖ／ｄｔを低減することにより、モータ端子間のサージ電圧を低減することができる。
（２）出力コモンモード電圧のスイッチング周波数成分を抑制することができるので、高周波漏れ電流の低減やベアリングの電食防止が可能となる。
（３）高周波漏れ電流の低減による、伝導ノイズの低減などが期待できる。
（４）本発明で採用される各フィルタ装置は、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、したがって安価・省スペースにてフィルタ装置を構成することができる。

本発明の第１の実施形態に係るマトリクスコンバータの構成図である。本発明の第２の実施形態に係るマトリクスコンバータの構成図である。本発明の第３の実施形態に係るマトリクスコンバータの構成図である。本発明の第４の実施形態に係るマトリクスコンバータの構成図である。本発明の第５の実施形態に係るマトリクスコンバータの構成図である。本発明の第６の実施形態に係るマトリクスコンバータの構成図である。

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入力用コンデンサ
４マトリクスコンバータ主回路
５出力用三相交流リアクトル／単相交流リアクトル
５−１出力用単相交流リアクトル１
５−２出力用単相交流リアクトル２
５−３出力用単相交流リアクトル３
６出力用コモンモードチョークコイル
７出力用コンデンサ
８負荷
９電流低減手段
１０共振抑制手段
１０−１共振抑制手段１
１０−２共振抑制手段２
１０−３共振抑制手段３

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であって、該マトリクスコンバータの交流電源側に設けら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前記マトリクスコンバータとの接続点に並列接続された入力用コンデンサからなる受動フィルタと、前記マトリクスコンバータの出力側に出力用三相交流リアクトルとを備え、前記出力用三相交流リアクトルの一端は前記マトリクスコンバータに接続され、他端は出力用三相コモンモードチョークコイルに接続され、前記出力用三相コモンモードチョークコイルの前記出力用三相交流リアクトルとは反対側端子にモータなどの負荷を接続し、かつ前記出力用三相コモンモードチョークコイルと前記負荷の接続点に並列に出力用コンデンサを接続し、前記入力用コンデンサと前記出力用コンデンサはそれぞれの三相分が星型結線でありかつこれらの星型結線の中性点同士を接続線で接続したことを特徴とするマトリクスコンバータ。
前記入力用コンデンサと前記出力用コンデンサの中性点同士を接続する接続線上に、受動素子による電流低減手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のマトリクスコンバータ。
前記出力用三相コモンモードチョークコイルと前記出力用コンデンサとの結線上に、受動素子による電流低減手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のマトリクスコンバータ。
前記出力用コンデンサと前記出力側の中性点との間に受動素子による電流低減手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のマトリクスコンバータ。
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１〜４のいずれか１項記載のマトリクスコンバータ。
前記マトリクスコンバータの出力用三相交流リアクトルまたは前記単相交流リアクトルに並列に、受動素子による共振抑制手段を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のマトリクスコンバータ。
前記受動素子による電流低減手段として、抵抗器とコンデンサを用いたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項記載のマトリクスコンバータ。
前記受動素子による共振抑制手段として抵抗器を用いたことを特徴とする請求項６記載のマトリクスコンバータ。