JP2006288161A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア周波数や出力フィルタの抵抗容量の制約に起因する装置の大形化、コスト上昇を防止した電力変換装置を提供する。
【解決手段】パルス幅変調制御におけるキャリア周波数を設定可能な電力変換器と、その出力側と負荷との間に接続され、かつ、リアクトル、コンデンサ及び抵抗を備えたサージ抑制用の出力フィルタと、を備えた電力変換装置に関する。前記出力フィルタ３は、リアクトル３１及びコンデンサ３２による共振周波数をＰＷＭ制御のキャリア周波数の最大値よりも大きく設定すると共に、抵抗３３またはその周辺温度を検出する温度センサ３４を備え、この温度センサ３４による温度検出値が所定値以上になった場合に電圧形インバータ２の運転を停止し、またはキャリア周波数を低下させて抵抗３３の過熱を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換器の出力高調波成分等のサージを抑制する出力フィルタを備えた電力変換装置に関し、例えば、ファンやポンプのように、省エネルギーを目的として電圧形インバータ等により電動機を可変速駆動する分野に適用されるものである。

従来より、電圧形インバータの出力の高調波成分を除去する目的で、種々の出力フィルタが使用されている。
図３、図４はこの種の出力フィルタの従来技術を示しており、何れもリアクトル３１、コンデンサ３２、抵抗３３により構成されている。これらの回路は、基本的にリアクトル３１及びコンデンサ３２からなるＬＣ共振回路であり、抵抗３３は、共振周波数ｆ_ｃにおいてフィルタのインピーダンスを制限するために不可欠な構成要素となっている。
なお、図３、図４において、Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’は図示されていない三相電圧形インバータの出力側に接続される入力端子、Ｕ，Ｖ，Ｗは負荷側に接続される出力端子である。

一般に、汎用インバータに代表される電圧形インバータは、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御により出力の可変周波数、可変電圧を実現している。この場合、インバータの出力周波数ｆ_ｏとＰＷＭ制御のキャリア周波数ｆ_ｓｗとの間には、以下の数式１の関係がある。
［数１］
ｆ_ｏ≪ｆ_ｓｗ

すなわち、電圧形インバータの出力周波数ｆ_ｏに対して、キャリア周波数ｆ_ｓｗを十分に大きな値とし、キャリア周波数ｆ_ｓｗ及びその高調波成分による電流が負荷である電動機等に悪影響を与えないようにしている。
しかしながら、電圧形インバータによっては、キャリア周波数成分やその高調波成分の影響が負荷に及ばないように厳密に管理するべき適用用途があり、その場合には、図３や図４に示した出力フィルタを電圧形インバータと負荷との間に挿入し、このフィルタによってキャリア周波数成分やその高調波成分を減衰させて電源電圧に近い正弦波状の波形を出力させている。
この場合、電圧形インバータの出力周波数ｆ_ｏ、キャリア周波数ｆ_ｓｗ、出力フィルタの共振周波数ｆ_ｃの関係は、数式２のようになる。
［数２］
ｆ_ｏ≪ｆ_ｃ＜ｆ_ｓｗ

一方、図３、図４に示した出力フィルタの共振周波数ｆ_ｃは、数式３によって表される。
［数３］
ｆ_ｃ＝１／２π√（Ｌ・Ｃ）
従って、前述した数式２の関係を満たすようなフィルタを構成するためには、リアクトル３１のインダクタンス値Ｌとコンデンサ３２のキャパシタンス値Ｃとを大きくする必要があり、これがフィルタの大形化、高価格化を招くことから、その用途が特定の用途に限られてしまうという問題がある。

さて、絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）等に代表される高速スイッチングデバイスの普及により、電圧形インバータの出力電圧変化率ｄｖ／ｄｔは大きくなる一方である。このため、電圧形インバータと負荷との間の配線インダクタンスによってサージ電圧が発生し、負荷の絶縁劣化等の新たな問題が生じている（例えば、電気学会・半導体電力変換システム調査専門委員会編，「パワーエレクトロニクス回路」，平成１２年１１月３０日，オーム社発行，ｐ．２０８〜ｐ．２１０）。

上記の問題を解決する方法として、非特許文献１に示すように、電圧形インバータのｄｖ／ｄｔを抑制してサージ電圧を低減するサージ対策フィルタが研究されている。
このサージ対策フィルタは、電圧形インバータのキャリア周波数ｆ_ｓｗに対し共振周波数ｆ_ｃを大きくしてｄｖ／ｄｔを抑制するのが特徴となっており、電圧形インバータの出力周波数ｆ_ｏ、キャリア周波数ｆ_ｓｗ、フィルタの共振周波数ｆ_ｃの関係は数式４のようになっている。
［数４］
ｆ_ｏ≪ｆ_ｓｗ＜ｆ_ｃ
このサージ対策フィルタでは共振周波数ｆ_ｃが高く設定されているため、フィルタを構成するリアクトルのインダクタンス値Ｌやコンデンサのキャパシタンス値Ｃは小さくてよく、装置の小形軽量化、低価格化が可能である。

田村俊輔ほか，「モータ中性線を利用したパッシブＥＭＩフィルタ−１００ｍケーブルでインバータとモータを接続した場合」，平成１６年電気学会全国大会論文集第４分冊，４−１５８，ｐ．２５０〜２５１

しかしながら、このようなサージ対策フィルタにおいても、共振周波数では電流制限用抵抗の抵抗値で決まる共振電流が流れる。この共振電流の周波数は、前述した数式４のようにキャリア周波数よりも十分に高く、また、減衰係数も大きいことから、図５に示すようにＰＷＭ電圧波形に比べてパルス的な電流波形となる。従って、共振電流の実効値は、スイッチング回数すなわちキャリア周波数に比例することが容易に理解できる。
このため、汎用インバータのようにキャリア周波数を自由に設定できるような電力変換装置の場合には、キャリア周波数に合わせて抵抗容量（抵抗値）を選定する必要がある。

汎用インバータのように、ユーザーが自由にキャリア周波数を設定できる電力変換装置において、低いキャリア周波数用に抵抗値を設計したサージ対策フィルタを用いて高いキャリア周波数で使用すると、フィルタ内の抵抗の過熱を招き、最悪の場合には焼損に至る可能性がある。また、サージ対策フィルタをキャリア周波数の設定可能な最高周波数に合わせて設計した場合、抵抗容量が大きくなるため、フィルタの大形化やコスト上昇の原因となる。

そこで本発明の解決課題は、ＰＷＭ制御される各種の電力変換器において、キャリア周波数や出力フィルタの抵抗値の制約を受けずに装置全体の小形軽量化及びコストの低減を図ることができる電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、パルス幅変調制御におけるキャリア周波数を設定可能な電力変換器と、
その出力側と負荷との間に接続され、かつ、リアクトル、コンデンサ及び抵抗を備えたサージ吸収用の出力フィルタと、を備えた電力変換装置において、
前記出力フィルタは、
前記リアクトル及びコンデンサによる共振周波数を前記キャリア周波数の最大値よりも大きく設定すると共に、前記抵抗またはその周辺温度を検出する温度検出手段を備え、
この温度検出手段による温度検出値が所定値以上になった場合に前記電力変換器の運転を停止し、または前記キャリア周波数を低下させるものである。

また、本発明は、請求項２，３に記載するごとく、電圧形インバータや、エネルギーバッファを用いずに交流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に直接変換するマトリクスコンバータ等の交流−交流直接変換装置にも適用することができる。

なお、本発明では、汎用インバータ等により設定可能なキャリア周波数の幅を幾つかに区分し、それぞれの周波数の幅において、出力フィルタの抵抗値、インダクタンス値、容量値等の最適設計を行う。但し、それぞれの幅よりも高いキャリア周波数を設定して運転する場合にはキャリア周波数に比例した共振電流によりフィルタ内の抵抗が過熱するため、フィルタ内の温度検出手段により抵抗またはその周辺温度を検出し、必要に応じて電力変換器の運転を停止し、またはキャリア周波数をより低い範囲に低下させて抵抗の過熱を防止するものである。

本発明は、サージ抑制用の出力フィルタを構成する抵抗の温度を検出し、その検出値が所定の温度以上となった場合に電力変換器の運転を停止したりキャリア周波数を低下させる機能を付加したものである。
これにより、例えばキャリア周波数を任意に設定可能な汎用インバータやマトリクスコンバータ等において、前記抵抗の容量を上回る損失が発生するようなキャリア周波数を設定した場合でも、安全に電力変換器を停止させたり、または自動的にキャリア周波数を低下させる対策が可能になる。従って、抵抗容量の増大を余儀なくされたり、キャリア周波数が固定されるといった制約がなくなり、電力変換装置全体の小形軽量化、低価格化に寄与することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態を示す全体構成図であり、この実施形態は、本発明を汎用インバータとしての電圧形インバータに適用した場合のものである。

図１において、１は商用電源からなる三相交流電源であり、この電源１にはＰＷＭ制御される汎用インバータとしての三相電圧形インバータ２が接続されている。なお、図示例では、インバータ２の制御回路も含めて単一のブロックにて表してある。
この電圧形インバータ２の各相出力端子には、例えば、図３に示したようにリアクトル３１、コンデンサ３２及び抵抗３３からなる出力フィルタ３が接続され、その各相出力端子は三相交流電動機等の負荷４の各相入力端子にそれぞれ接続されている。
なお、出力フィルタ３のリアクトル３１及びコンデンサ３３による共振周波数は、インバータ２のＰＷＭ制御におけるキャリア周波数の最大値よりも十分に大きくなるように設定されている。

上記構成において、電圧形インバータ２は電源１から供給された三相交流電圧を一旦直流電圧に変換してから、所定の大きさ及び周波数を有する三相交流電圧に変換する。
この三相交流電圧を出力フィルタ３を介して負荷４に供給することにより、インバータ２の半導体スイッチング素子のスイッチングに起因して発生するキャリア周波数成分やその高調波成分を前記出力フィルタ３により吸収して負荷４を駆動することができる。

さて、この実施形態の出力フィルタ３は、抵抗３３自体の温度またはその周辺温度を検出する温度センサ３４を備えており、この温度センサ３４による温度検出値がインバータ２の制御回路に入力されている。
上記温度センサ３４としては、サーミスタのように温度によって抵抗値が連続的に変化するものや、バイメタルを応用して所定の温度以上になると状態を変化させるもの（オン／オフ機能を有するもの）を使用可能である。これらの温度センサ３４をインバータ２に接続する場合、前者についてはその出力信号を制御回路のアナログ入力端子に取り込み、後者については外部接点信号入力端子に取り込めば良い。

インバータ２は、温度センサ３４からの温度検出値が所定値以上になった場合に、例えば制御回路から全てのスイッチング素子をオフさせる信号を送ってインバータ２の運転を停止する。すなわち、抵抗３３の容量に見合ったキャリア周波数によりインバータ２を運転している場合において、キャリア周波数を高く変更して運転するような場合には、キャリア周波数に比例した共振電流により抵抗３３が過熱してその温度が上昇するおそれがあるが、本実施形態では上記温度上昇を温度センサ３４により検出してインバータ２の運転を停止することにより、抵抗３３や出力フィルタ３の損傷を未然に防止する。

また、インバータ２の運転を停止させずに運転を継続させたい場合には、キャリア周波数を低下させれば共振電流を減少させることができ、これによって小容量の抵抗３３を使用した場合でもその過熱を回避することができる。
なお、一般に、キャリア周波数は使用環境によらず一定値であることが望ましいため、制御回路が、温度センサ３４による温度検出値によって一旦、抵抗３３の過熱を検出した場合にはキャリア周波数を低下させる制御を行い、その後に温度検出値が所定値以下に回復したとしても、低下させたキャリア周波数により引き続き運転することが望ましい。

以上のように、この実施形態によれば、汎用インバータのキャリア周波数を任意に設定して運転する際に、出力フィルタに容量の小さい抵抗を使用してその容量を上回るような損失が発生した場合でも、インバータを安全に停止させ、またはキャリア周波数を低下させて運転を継続することができ、結果的に小容量の抵抗を使用可能として出力フィルタ及び電力変換装置全体の小形軽量化、低価格化を図ることができる。

次に、図２は本発明の第２実施形態が適用される交流−交流直接変換器としてのマトリクスコンバータの構成を示したものであり、ＳＷは、電源側の三相交流入力端子Ｒ，Ｓ，Ｔと出力フィルタ（負荷）側の三相交流出力端子Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’との間に各相３個ずつ接続された交流スイッチである。
周知のように、マトリクスコンバータ２’は、大形の電解コンデンサのようなエネルギーバッファを持たずに、交流スイッチＳＷのスイッチング動作によって交流電圧を任意の大きさ及び周波数を有する交流電圧に直接変換するものであり、上記交流スイッチＳＷは、例えばＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を２個逆並列に接続して電流を双方向に制御可能である。

マトリクスコンバータ２’の制御方法は種々存在し、ここでは詳述を割愛するが、例えば入力側の整流器と出力側の電圧形インバータとを仮想し、これらの整流器及びインバータに対するＰＷＭパルスを合成して交流スイッチＳＷに対するＰＷＭパルスを得るようにした制御方法が知られている。
このようなマトリクスコンバータ２’においても、第１実施形態と同様にキャリア周波数に応じた出力フィルタ内の抵抗の過熱が問題になることから、図１と同様に内部に温度センサ３４を設けた出力フィルタ３を三相交流出力端子Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’と負荷との間に接続し、前記同様に温度センサ３４による温度検出値に応じた運転の停止、キャリア周波数の低減等の制御を行えばよい。

なお、本発明は、電圧形インバータや交流−交流直接変換器ばかりでなく、パルス幅変調制御におけるキャリア周波数（変調周波数）を設定可能な電力変換器全般に適用することができる。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係るマトリクスコンバータの構成図である。 従来の出力フィルタを示す回路構成図である。 従来の出力フィルタを示す回路構成図である。 サージ対策フィルタの入力電圧波形と抵抗に流れる共振電流波形を示す図である。

符号の説明

１：三相交流電源
２：電圧形インバータ
２’：マトリクスコンバータ
３：出力フィルタ
３１：リアクトル
３２：コンデンサ
３３：抵抗
３４：温度センサ
４：負荷
ＳＷ：交流スイッチ

Claims (3)

1. パルス幅変調制御におけるキャリア周波数を設定可能な電力変換器と、
   その出力側と負荷との間に接続され、かつ、リアクトル、コンデンサ及び抵抗を備えたサージ抑制用の出力フィルタと、を備えた電力変換装置において、
   前記出力フィルタは、
   前記リアクトル及びコンデンサによる共振周波数を前記キャリア周波数の最大値よりも大きく設定すると共に、前記抵抗またはその周辺温度を検出する温度検出手段を備え、
   この温度検出手段による温度検出値が所定値以上になった場合に前記電力変換器の運転を停止し、または前記キャリア周波数を低下させることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載した電力変換装置において、
   前記電力変換器が電圧形インバータであることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載した電力変換装置において、
   前記電力変換器が、エネルギーバッファを用いずに交流電圧を任意の大きさ及び周波数の交流電圧に直接変換する交流−交流直接変換器であることを特徴とする電力変換装置。
   

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