JP2007151288A - 交流電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の端子や巻線のある点が地絡した場合に、地絡電流の経路に関わらず直流電圧部のコンデンサが破壊に至るのを確実に回避する低コストの交流電動機駆動システムを提供する。
【解決手段】出力端子の一つまたは中性点が接地された交流電源１と、整流器２と、その出力側に接続された直流電圧部３（コンデンサ３’）と、直流電圧部３から給電されるインバータ４と、インバータ４によって駆動される交流電動機５と、を備えた交流電動機駆動システムにおいて、整流器２と直流電圧部３との間の正負の直流母線に、交流電動機５の地絡時に流れる地絡電流を抑制可能なインダクタンス値を有するリアクトル６１Ｐ，６１Ｎをそれぞれ接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータにより交流電動機を駆動する交流電動機駆動システムにおいて、交流電動機が地絡した場合に直流電圧部に過電圧が印加されるのを防止するための技術に関するものである。

図４は、従来の一般的な交流電動機駆動システムを示す構成図である。
図において、交流電源１は単相または複数相（主に三相）の電源であり、出力端子の一つまたは中性点が接地されている。図では三相交流電源の１のＳ相出力端子を接地した場合を示してある。

交流電源１にはダイオードブリッジからなる整流器２が接続され、交流電圧が直流電圧に整流される。また、整流された直流電圧を平滑するためにコンデンサ３’が接続されており、このコンデンサ３’が直流電圧部３を構成している。
直流電圧部３には三相ブリッジ構成のインバータ４が接続されており、このインバータ４はＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体スイッチング素子によって構成されている。インバータ４の出力端子には交流電動機５が接続され、インバータ４のスイッチング素子を適切にオンオフ制御することによって交流電動機５を回転させることができる。交流電動機５としては、誘導機、巻線型同期機、永久磁石型同期機等が用いられる。

上記のような交流電動機駆動システムは、例えば後述する特許文献１，２に記載されており、その構成、動作原理は公知であるため、ここでは詳述を省略する。
なお、特許文献１には、整流器と直流電圧部との間の正の直流母線にリアクトルを接続してインバータ入力電流の高調波成分を低減させるようにした電動機の制御装置が開示されている。
また、特許文献２には、正負の直流母線にリアクトルとコンデンサとからなる並列共振回路を接続し、この並列共振回路の特定周波数における高インピーダンス特性を利用してインバータのＰＷＭ周波数の高周波電流を流れ難くするようにした系統連系インバータ装置が開示されている。

特開平０９−２１９９７２号公報（請求項２、［００１１］，［００１２］、図１等） 特開２００２−１０４９７号公報（［００２０］，［００３８］〜［００４８］、図１，図６等）

図４の構成において、電動機５の端子や内部の巻線の一部が地絡した場合、インバータ４は通常、地絡時の過電流を検知してインバータ４を構成する全スイッチング素子を瞬時にオフとして運転を停止するが、それにも関わらず、図５に一点鎖線で示す経路を通って地絡電流が流れ続けることがある。
この地絡電流は、次の二つの場合（ａ），（ｂ）に、それぞれ図５（ａ），（ｂ）の経路で流れる。なお、ここでは、インバータ４の停止により電動機５が駆動されなくなるので、電動機５を発電機として説明する。

（ａ）発電機側地絡点に対する他相の電圧（正）−系統側接地点に対する他相の電圧（負）＞直流電圧部３の直流電圧
（ｂ）系統側接地点に対する他相の電圧（正）−発電機側地絡点に対する他相の電圧（負）＞直流電圧部３の直流電圧
何れの場合にも、地絡電流は、図示するように整流器２のダイオード及びインバータ４の環流ダイオードを介して、直流電圧部３のコンデンサ３’を充電する方向に流れる。

図６は、上記電動機５として永久磁石型同期機を用いた場合に、その一端子が時刻「０．００秒」で地絡した場合の地絡電流（発電機と見なした電動機５の各相電流）及び直流電圧部３の電圧を示している。
図６によれば、前述したように、地絡電流が流れることにより直流電圧部３の電圧が上昇していることが分かる。この電圧は、交流電源１の一出力端子が接地されている場合には、原理的に「電源電圧の線間ピーク値＋電動機誘起電圧の線間ピーク値」にまで上昇するため、コンデンサ３’の耐圧を超えてしまうことが考えられ、その場合にはコンデンサ３’が破壊されたり、それによって交流電源１が短絡される危険性がある。

通常、交流電源１と整流器２との間には漏電遮断器が設けられており、地絡電流により漏電遮断器が遮断されることによって地絡電流は解消する。しかし、一般に漏電遮断器が地絡電流を検出してから遮断動作が完了するまでには数１０ｍｓを要するため、より短期間の現象であるコンデンサ３’の電圧上昇を回避できない恐れがある。
コンデンサ３’の破壊を回避するために、コンデンサ３’として高耐圧のものを用いることも可能ではあるが、一般にコンデンサ３’は高耐圧になるほど価格が上昇する。

電動機５として巻線型同期機を用いた場合も、同様の挙動となる。
また、電動機５として誘導機を用いた場合、無通電状態では一般に誘起電圧は発生しないものの、駆動状態からインバータを停止した後では、回転子の二次導体には数１００ｍｓ〜数秒にわたって電流が流れ続け、これによって誘起電圧が発生するため、同様な挙動を示す。
なお、交流電源１が中性点接地の場合には、一出力端子が接地される場合に比べて一相分の電源電圧がなくなるため直流電圧の上昇値は緩和されるものの、同様な現象が現れる。

ここで、前述した特許文献１の従来技術によれば、正の直流母線に接続された高調波成分低減用のリアクトルにより、この直流母線を流れる地絡電流をある程度低減することは可能であるが、リアクトルが挿入されていない負の直流母線側を地絡電流が通流する場合には抑制効果を得ることができず、コンデンサの電圧上昇を防ぐことができない。

また、特許文献２の従来技術では、並列共振回路によりＰＷＭ周波数の高周波電流を減衰させることは可能であっても、地絡電流の抑制には必ずしも寄与しない。すなわち、特許文献２において、ＰＷＭ周波数の高周波電流を減衰させるためにリアクトルのインダクタンス値Ｌとコンデンサの容量値Ｃとの積（Ｌ×Ｃ）が所定の値になるように設定する場合、インダクタンス値Ｌを大きくするとリアクトルの大型化、高コスト化を招くことから、高周波電流の低減を目的とする限り、リアクトルのインダクタンス値は小さくせざるを得ない。しかしながら、この場合には、地絡電流を抑制するために十分なインダクタンス値を得ることができなくなる。つまり、装置の小型化及び低コスト化を考慮した高周波電流を抑制するための制約条件によって地絡電流の抑制効果が阻害されてしまうため、特許文献２では地絡電流の確実な抑制が困難であって直流回路のコンデンサの電圧上昇を回避することができない。
更に、特許文献２では、その段落［００３９］，［００４０］等に記載されているように、ＰＷＭ周波数に相当する高周波電流を減衰させるためにリアクトルのインダクタンス値及びコンデンサの容量値に正確さが要求されるので、部品選定の厳密さがコストを一層上昇させる要因ともなる。

そこで、本発明の解決課題は、電動機の端子や電動機内部の巻線の一部が地絡した場合に、地絡電流の経路に関わらずインバータの直流電圧部のコンデンサが破壊に至るのを確実に回避できるようにした低コストの交流電動機駆動システム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に記載した発明は、出力端子の一つまたは中性点が接地された交流電源と、この交流電源に接続された整流器と、この整流器の出力側に接続された直流電圧部と、この直流電圧部から給電されるインバータと、このインバータによって駆動される交流電動機と、を備えた交流電動機駆動システムにおいて、
前記整流器と前記直流電圧部との間の正負の直流母線に、前記交流電動機の地絡時に流れる地絡電流を抑制可能なインダクタンス値を有するリアクトルをそれぞれ接続したものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
前記リアクトルとして、一つのコアに巻回されて互いに磁気結合された二つのコイルのリアクトルを用いるものである。

本発明によれば、交流電動機の一端子または電動機内部の巻線の一部が地絡した場合に、整流器と直流電圧部との間の正または負の直流母線を流れる地絡電流を所定のインダクタンス値を有するリアクトルによって抑制しながら滑らかに連続通流させることにより、直流電圧部のコンデンサの電圧上昇を緩慢にし、漏電遮断器の漏電検知及び遮断動作を確実に行わせて前記コンデンサに過電圧が印加されるのを防止することができる。これにより、コンデンサの破壊や電源の短絡を防いで信頼性の高い交流電動機駆動システムを実現することが可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図４と同一の構成要素には同一の番号を付してある。この実施形態が図４と異なる点は、整流器２と直流電圧部３との間の正負の直流母線に、交流電動機５の地絡電流を抑制可能なインダクタンス値を有するリアクトル６１Ｐ，６１Ｎがそれぞれ接続されている点である。

この実施形態によれば、交流電動機５の一端子や巻線の一部が地絡した際の地絡電流が正負のリアクトル６１Ｐ，６１Ｎの何れかを通ることになるため、そのインダクタンス（インピーダンス）によって地絡電流が流れ難くなる。その結果、直流電圧部３のコンデンサ３’が充電される時間が長期化して電圧上昇が緩慢になり、コンデンサ３’が過電圧となる以前に、電源１と整流器２との間に接続された漏電遮断器（図示せず）が過電流検知による遮断動作を完了するようになるため、コンデンサ３’の破壊を未然に回避することができる。

図２は、図６と同様の条件において、電動機５に永久磁石型同期機を用いた場合の一端子地絡時（時刻「０．００秒」にて地絡発生）の地絡電流（発電機と見なした電動機５の各相電流）及び直流電圧部３の電圧を示している。
この実施形態では、リアクトル６１Ｐ，６１Ｎの作用により、図６ではパルス状であった電流が、図２の時刻「０．００秒」からほぼ「０．０１秒」の期間に現れている如く滑らかに変化するようになり、これによって漏電遮断器の漏電検知及び遮断動作を一層確実に行わせることができる。すなわち、一般に漏電遮断器の漏電検知部は、地絡電流の連続通流を前提として設計されており、パルス幅が極端に短い電流に対しては誤動作防止のために感度が下げられているので、本実施形態のように所定のインダクタンス値を有するリアクトル６１Ｐ，６１Ｎを挿入すれば検知精度を高めることができる。
また、図２によれば、直流電圧部３の電圧の上昇速度が低下していることが明らかである。

特に本実施形態によれば、正負の直流母線に接続されたリアクトル６１Ｐ，６１Ｎにより、図５（ａ），（ｂ）に示した両経路の地絡電流を確実に抑制することが可能であり、各相の電圧の大小関係に関わらずコンデンサ３’を過電圧から保護することができる。
また、リアクトル６１Ｐ，６１Ｎのインダクタンス値の選定に当たっては、特許文献２ほどの厳密さは要求されないので、部品の選定に伴うコスト上昇要因もない。

次に、図３は本発明の第２実施形態を示す構成図である。この実施形態は、正負の直流母線に挿入するリアクトル６２Ｐ，６２Ｎとして、一つのコアに巻回されて互いに磁気結合された二つのコイルを用いたものである。なお、他の構成は第１実施形態と同一である。
この実施形態によれば、第１実施形態のように個別のリアクトル６１Ｐ，６１Ｎを用いる場合に比べて、設置スペースや総体積、重量、及びコストを低減することが可能となる。

なお、従来から、正負の直流母線に、ノイズ抑制の目的でコモンモードリアクトルをそれぞれ挿入する構成が用いられている。しかし、コモンモードリアクトルは、一般に１Ａ未満の微小なコモンモード電流が流れることを想定して設計されているため、地絡時の大きな電流が流れた場合にはコアの磁気飽和によってインダクタンスが極端に低下し、地絡電流の抑制効果は実質的に全くない。
従って、本発明のように地絡による大電流の通流を想定して所定のインダクタンス値を有するリアクトル６１Ｐ，６１Ｎまたは６２Ｐ，６２Ｎを正負の両直流母線に挿入することによってのみ、地絡電流の抑制効果が得られるものである。

また、図５に示したように、地絡電流は正負の直流母線を交互に流れるため、第２実施形態における二つのコイルの磁気結合の極性によらず、地絡電流に対するリアクトルのインダクタンス値は大きくなる。従って、第２実施形態における二つのコイルの磁気結合は、通常運転時に電流平滑化のある逆極性としてもよいし、あるいはコモンモード電流のみ抑制するような同極性としてもよい。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。 本発明の実施形態において、電動機の一端子が地絡した場合の地絡電流及び直流電圧部の電圧の挙動を示す波形図である。 本発明の第２実施形態を示す構成図である。 従来の一般的な交流電動機駆動システムの構成図である。 図４における地絡電流の経路を示す図である。 従来技術において、電動機の一端子が地絡した場合の地絡電流及び直流電圧部の電圧の挙動を示す波形図である。

符号の説明

１：交流電源
２：整流器
３：直流電圧部
３’：コンデンサ
４：インバータ
５：交流電動機
６１Ｐ，６２Ｐ：正側リアクトル
６１Ｎ，６２Ｎ：負側リアクトル

Claims (2)

1. 出力端子の一つまたは中性点が接地された交流電源と、この交流電源に接続された整流器と、この整流器の出力側に接続された直流電圧部と、この直流電圧部から給電されるインバータと、このインバータによって駆動される交流電動機と、を備えた交流電動機駆動システムにおいて、
   前記整流器と前記直流電圧部との間の正負の直流母線に、前記交流電動機の地絡時に流れる地絡電流を抑制可能なインダクタンス値を有するリアクトルをそれぞれ接続したことを特徴とする交流電動機駆動システム。
2. 請求項１に記載した交流電動機駆動システムにおいて、
   前記リアクトルとして、一つのコアに巻回されて互いに磁気結合された二つのコイルのリアクトルを用いることを特徴とする交流電動機駆動システム。

Images