JP2007181341A - コンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭ整流器の入力側において、最適な回路構成でＥＭＩを低減することができるコンバータ装置を提供する。
【解決手段】ＰＷＭ整流器４と、ＰＷＭ整流器４の入力側に第一ＡＣリアクトル３ａとを備え交流から直流へ電力変換するコンバータ装置において、第一巻線２ａの一端を三相交流電源１のＵ相に接続し、他端を第一ＡＣリアクトル３ａのＵ相に接続し、第二巻線２ｂの一端を三相交流電源１のＶ相に接続し、他端を第一ＡＣリアクトル３ａのＶ相に接続し、第三巻線２ｃの一端を三相交流電源１のＷ相に接続し、他端を第一ＡＣリアクトル３ａのＷ相に接続したコモンモードトランス２と、第一ＡＣリアクトル３ａの他端各相を用いて中性点ＮＰを作成する中性点作成部３ｃと、前記中性点ＮＰを前記コモンモードトランス２の第四巻線端２ｄと接続し、他端を前記ＰＷＭ整流器４の正側直流母線Ｐまたは負側直流母線Ｎのいずれかに接続したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ整流器を用いたコンバータ装置に関する。

従来から、伝導ＥＭＩ(Electro Magnetic Interference：電磁妨害雑音)抑制に一般的に用いられるのはラインに挿入するＥＭＩフィルタである。

図６はＰＷＭ整流器とＰＷＭインバータを組み合わせたモータドライブシステムにおけるＥＭＩ対策の例である。図６において、１は三相交流電源、３はＰＷＭ整流器用フィルタ、３−１はＡＣリアクトル、３−２はコンデンサ、４はＰＷＭ整流器、５はＰＷＭインバータ、６はモータ、９はＥＭＩフィルタ、９−１はコモンモードチョークコイル、９−２はＸコンデンサ、９−３はＹコンデンサである。既知のように、ＰＷＭインバータやＰＷＭ整流器を用いると、ＥＭＩの問題が発生し、周辺機器の誤動作等を生じる。このＥＭＩ対策のひとつとして、図６に示すような一般的なＥＭＩフィルタを電源と電力変換装置の間に挿入する手段が用いられるが、このＥＭＩフィルタは交流―直流変換がダイオード整流器の場合は有効な手段であるが、ＰＷＭ整流器の場合は、ＰＷＭによって生じるコモンモード電圧の変動によって、前記９−３のＹコンデンサを介して急峻な漏れ電流が流れる。そのため、交流―直流変換部にＰＷＭ整流器を用いる場合は、従来のＥＭＩフィルタを用いると逆効果になる。従って、このような場合は、インバータの出力側に施されるフィルタ技術が必要になる。

インバータの出力側に接続されるフィルタの例として図７のコモンモードキャンセラが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。図７において１は三相交流電源、１０はこの三相交流電源の交流出力を直流に変換するダイオード整流器、１１は整流器１０の直流出力を平滑する平滑コンデンサ、５は直流を交流に変換するＰＷＭインバータである。このインバータの三相交流出力はケーブル１７を介してモータ６に接続される。また、ＰＷＭインバータ５の出力端子にはコモンモードキャンセラ１２が接続される。このコモンモードキャンセラ１２は、ＰＷＭインバータ５の三相交流出力端にスター結線されてコモンモード電圧を検出するコンデンサ１３とその中性点より得られるコモンモード電圧を電力増幅するコンプリメンタリのトランジスタを用いたプッシュプル形のエミッタホロワ回路１４と、このエミッタホロワ回路１４の出力をコンデンサ１５を介して一次側コイルに入力し、その二次側コイルを三相ケーブル１７に設けたコモンモードトランス１６とを備え、且つ駆動電源としてはＰＷＭインバータ５の入力側より得るようにしてある。

このコモンモードキャンセラは、スター結線されたコンデンサ１３によりＰＷＭインバータ５のコモンモード電圧を検出し、直列に接続されたコモンモードトランス１６にエミッタホロワ回路によって出力される逆相のコモンモード電圧を出力することで、コモンモード電圧を完全に打ち消すことができ、コモンモード電流が流れなくなるため、結果として伝導ＥＭＩを低減できる。

図８は図７のコモンモードキャンセラを受動素子のみで実現した例である（例えば、特許文献２参照）。図８において１は三相交流電源、１０はこの三相交流電源の交流出力を直流に変換するダイオード整流器、１１は整流器１０の直流出力を平滑する平滑コンデンサ、５は直流を交流に変換するＰＷＭインバータである。このインバータの三相交流出力はケーブル１７を介してモータ６に接続される。また、ＰＷＭインバータ５の出力端子にはコモンモードキャンセラ１２が接続される。このコモンモードキャンセラ１２は、ＰＷＭインバータ５の三相交流出力端に接続されてコモンモード電圧を検出する中性点検出トランス１９とその出力を一次側コイルに入力し、その二次側コイルを三相ケーブル１７に設けたコモンモードトランス１６とを備えている。このコモンモードキャンセラは、中性点検出トランス１９によりＰＷＭインバータ５のコモンモード電圧を検出し、直列に接続されたコモンモードトランス１６に出力される逆相のコモンモード電圧を出力することで、コモンモード電圧を完全に打ち消すことができ、コモンモード電流が流れなくなるため、結果として伝導ＥＭＩを低減できる。
特許第２８６３８３３号 アクティブコモンモードキャンセラ（図１） 特開２００１−２６８９２２号 電力変換装置（図１） 特許第３４６８２６２号 三相電圧形インバータ（図１）

この特許文献１では、エミッタホロワ回路１４に必要なトランジスタは直流母線電圧に耐えうる高耐圧のものが必要となるが、実際のインバータドライブにおける直流母線電圧に耐えうるために必要なトランジスタの耐圧（200Ｖ系で600Ｖ程度、400Ｖ系で1200Ｖ程度）のものは著しく入手性が悪いし、1200Ｖ耐圧のものは存在しないので、400Ｖ級の用途では実際には実現困難である。また、このように能動素子を用いることによる信頼性の低下は否めない。
また、特許文献２では、ＰＷＭインバータ５のコモンモード電圧を検出する中性点検出トランス１６が必要になり、コモンモードトランスも含めると、コストアップおよびサイズアップの問題が残る。
また、特許文献３にも特許文献１と同様の発明が報告されているが、特許文献１と同様に能動素子を用いたエミッタホロワ回路を用いており、前述の問題点は解決されない。
また、これらの発明は、全てＰＷＭインバータ（逆変換装置）を対象にしており、ＰＷＭ整流器を用いたときの発明ではない。ＰＷＭ整流器を用いる場合は、ＰＷＭ整流器に元々備えられるフィルタ素子との最適な組み合わせが必要である。
従来のＥＭＩフィルタ等のＥＭＩ低減装置は、順変換回路におけるダイオード整流部の入力側で対策するものであるが、順変換回路がＰＷＭ整流器であると、接地コンデンサが過大な漏れ電流の経路になるため適用困難である。また、アクティブコモンモードキャンセラ等の技術も、能動素子の入手性の問題や、能動素子を用いない場合も、ＰＷＭ整流器との組み合わせにおける回路の最適化までは考慮されていない。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ＰＷＭ整流器の入力側において、最適な回路構成でＥＭＩを低減することができるコンバータ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ＰＷＭ整流器（４）と、前記ＰＷＭ整流器（４）の入力側に第一ＡＣリアクトル（３ａ）とを備え交流から直流へ電力変換するコンバータ装置において、第一巻線（２ａ）の一端を三相交流電源（１）のＵ相に接続し、他端を前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）のＵ相に接続し、第二巻線（２ｂ）の一端を前記三相交流電源（１）のＶ相に接続し、他端を前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）のＶ相に接続し、第三巻線（２ｃ）の一端を前記三相交流電源（１）のＷ相に接続し、他端を前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）のＷ相に接続したコモンモードトランス（２）と、前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）の他端各相を用いて中性点（ＮＰ）を作成する中性点作成部（３ｃ）と、前記中性点作成部（３ｃ）の前記中性点（ＮＰ）を前記コモンモードトランス（２）の第四巻線（２ｄ）の一端と接続し、前記第四巻線（２ｄ）の他端を前記ＰＷＭ整流器（４）の正側直流母線（Ｐ）または負側直流母線（Ｎ）のいずれかに接続したことを特徴とするものである。
また、請求項２記載の発明は請求項１において前記中性点作成部（３ｃ）は、前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）の他端に各相毎に夫々中性点作成コンデンサの一端を接続し、前記中性点作成コンデンサの他端をスター結線し前記中性点（ＮＰ）を構成したことを特徴とするものである。
また、請求項３記載の発明は請求項１において前記中性点作成部（３ｃ）は、中性点作成トランス（３ｄ）と中性点作成コンデンサ（３ｅ）との直列接続体で構成し、前記直列接続体をスター結線し前記中性点（ＮＰ）を構成したことを特徴とするものである。
また、請求項４記載の発明は請求項１において前記コモンモードトランス（２）の前記第四巻線（２ｄ）に並列接続した抵抗器（７）を備えることを特徴とするものである。
また、請求項５記載の発明は請求項１において前記第四巻線（２ｄ）の他端を正側直流母線（Ｐ）、負側直流母線（Ｎ）と接続するのではなく、前記ＰＷＭ整流器（４）の直流電圧を二つのコンデンサにより分圧した直流中性点（８）に接続したことを特徴とするものである。
また、請求項６記載の発明は請求項１において前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）と前記ＰＷＭ整流器（４）との間に第二ＡＣリアクトル（３ｂ）を直列に接続したことを特徴とするものである。

請求項１、６に記載の発明によると、半導体による能動素子等を用いることなく、また、ＰＷＭ整流器が元々備えている入力フィルタ回路との最適な組み合わせによって最少部品点数でコンバータ回路を構成し、このコンバータ回路を用いる場合の伝導ＥＭＩを低減することができる。
また、請求項２に記載の発明によると、ＰＷＭ整流器のフィルタ回路の一部をスター結線のコンデンサで構成することで、ＥＭＩ低減回路との接続が容易になり、且つ、従来の発明では必要であったＥＭＩ低減回路の中性点検出手段と兼用することができるので、コンバータ回路の部品点数を最少とすることができる。
また、請求項３に記載の発明によると、ＰＷＭ整流器の入力側の中性点検出手段をコンデンサとトランスによって構成することにより、コンデンサの最小化が図れ、流れる無効電流を低減できる。
また、請求項４に記載の発明によると、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することで、ＬＣ回路によって発生する共振を抑制することが出来、コモンモード成分の抑制性能を向上することができる。
また、請求項５に記載の発明によると、ＰＷＭ整流器へのコモンモードトランスの接続を、ＰＷＭ整流器の直流側の母線ではなく、コンデンサによって構成した直流中性点にすることで、本発明によって低減された結果のコモンモード電圧が、よりアース電位に近い電位に固定される。
また、図１においてはＰＷＭ整流器へのコモンモードトランスの接続を、ＰＷＭ整流器の直流側の負側直流母線Ｎとしているが、図９に示すように正側直流母線Ｐとしても同じ効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のコンバータ回路を実現する場合の回路構成を示す図である。図において１は三相交流電源、２はコモンモードトランス、３はＰＷＭ整流器用フィルタ、３ａは第一ＡＣリアクトル、３ｂは第二ＡＣリアクトル、３ｃは中性点作成部、４はＰＷＭ整流器、５はＰＷＭインバータ、６はモータ、ＮＰは中性点作成部３ｃの中性点、ＰはＰＷＭ整流器４の正側直流母線、Ｎは負側直流母線である。コモンモードトランス２は第一巻線２ａ、第二巻線２ｂ、第三巻線２ｃ、第四巻線２ｄから構成される。第一巻線２ａの一端は三相交流電源１のＵ相に接続し、他端は第一ＡＣリアクトル３ａのＵ相に接続する。Ｕ相と同様にして第二巻線２ｂの一端は三相交流電源１のＶ相に接続し、他端は第一ＡＣリアクトル３ａのＶ相に接続する。第三巻線２ｃの一端は三相交流電源１のＷ相に接続し、他端は第一ＡＣリアクトル３ａのＷ相に接続する。３ａの他端は第二ＡＣリアクトル３ｂと中性点作成部３ｃへ接続する。中性点作成部３ｃの中性点ＮＰをコモンモードトランス２の第四巻線２ｄの一端と接続し、第四巻線２ｄの他端はＰＷＭ整流器４の負側直流母線Ｎと接続する。第二ＡＣリアクトル３ｂの他端はＰＷＭ整流器４の入力側に接続される。ＰＷＭ整流器４の直流出力はＰＷＭインバータ５の入力となり、ＰＷＭインバータ５の出力電圧は負荷となるモータ６へ印加される。
本発明が特許文献１〜３と異なる部分は、コモンモード抑制手段をＰＷＭ整流器より三相交流電源側に配置することであり、また、特許文献１、３とは、コモンモード抑制回路（コモンモードキャンセラ）に能動素子を用いない点である。さらに、特許文献２と異なる点は、ＰＷＭ整流器４に元々備えられるＰＷＭ整流器用フィルタ３の一部を中性点作成部として活用し、トータルの部品点数を削減する点である。
図９は第１実施例の変形例を示すコンバータ装置の構成図である。図９が図１と異なる部分は ＰＷＭ整流器へのコモンモードトランスの接続を、ＰＷＭ整流器の直流側の負側直流母線Ｎではなく正側直流母線Ｐとした部分であり、その他の部分は図１と同じである。

その効果は、特許文献１〜３と同様に、コモンモード電圧を完全に打ち消すことができ、コモンモード電流が流れなくなるため、結果として伝導ＥＭＩを低減できる。

図２は第２実施例の構成を示す図である。図１と同一名称には同一符号を付け重複説明を省略する。図２が図１と異なる部分は、中性点作成部３ｃを３つのコンデンサをスター結線することにより構成した点にあり、その他の部分は図１と同じである。

本実施例では、実施例１の中性点検出手段をスター結線されたコンデンサとすることで、簡単に構成できる。

図３は第３実施例の構成を示す図である。図において３ｄは中性点作成トランス、３ｅは中性点作成コンデンサである。図３が図１と異なる部分は、中性点作成部３ｃを中性点作成トランス３ｄと中性点作成コンデンサ３ｅとの直列接続体で構成し、この直列接続体をスター結線することにより構成した点にあり、その他の部分は図１と同じである。
本実施例では、実施例２の中性点検出手段をスター結線されたコンデンサによって流れる電流を低減するために中性点検出トランスによって比較的高いインピーダンスを確保し、コンデンサに流れる電流を低減する。中性点検出トランスは、追加部品となるが、インピーダンスが高い、即ち電流が小さくできるため、比較的小形で済む。

図４は第４実施例の構成を示す図である。図において７はコモンモードトランス２の第四巻線２ｄに並列接続した抵抗器である。図４が図３と異なる部分は、この抵抗器７を追加した部分にあり、その他の部分は図３と同じである。
本実施例では、実施例１〜３のコモンモードトランス２を介して構成されるＬＣ共振回路の共振のダンピングを抵抗器７で行うものであり、共振が発生する場合には効果的であり、コモンモード抑制回路の特性を向上できる。なお、本実施例を示した図４は実施例３の回路構成である図３を想定したものであるが、図１〜図３全ての回路に適用できる。

図５は第５実施例の構成を示す図である。図においてＰＷＭ整流器４の直流電圧ＰＮを二つのコンデンサにより分圧し、直流電圧ＰＮの直流中性点８（中間電位点）を構成したものである。図５が図４と異なる部分は、この分圧コンデンサを追加し直流電圧ＰＮの直流中性点８を構成し、抵抗器７の部分にあり、その他の部分は図４と同じである。
本実施例では、実施例１〜４におけるＰＷＭ整流器の出力側直流電圧をコンデンサによって分割し、その中性点にコモンモードトランスの第4巻線を接続する。これにより、本発明によって低減された結果のコモンモード電圧が、よりアース電位に近い電位に固定される。なお、本実施例を示した図５は実施例４の回路構成である図４を想定したものであるが、図１〜図４全ての回路に適用できる。
第５実施例におけるＰＷＭ整流器４の直流電圧を二つのコンデンサにより分圧し、直流電圧ＰＮの直流中性点８（中間電位点）を作成しているので、中性点クランプ方式のインバータに適用することができる。

本発明は、ＰＷＭ整流器の三相交流電源側にコモンモードトランスを用いて伝導ノイズを低減する方式であるが、ＰＷＭ整流器ではなく、１２０度通電のコンバータや、サイリスタコンバータ、およびマトリクスコンバータなどの電力変換装置の交流電源側に適用できる。

本発明の第１実施例を示すコンバータ装置の構成図 本発明の第２実施例を示すコンバータ装置の構成図 本発明の第３実施例を示すコンバータ装置の構成図 本発明の第４実施例を示すコンバータ装置の構成図 本発明の第５実施例を示すコンバータ装置の構成図 従来技術であるＥＭＩフィルタを用いたコンバータ回路の構成図 従来技術であるコモンモードキャンセラをＰＷＭインバータによるモータ駆動システムに適用した場合の構成図 従来技術であるコモンモードキャンセラをＰＷＭインバータによるモータ駆動システムに適用した場合の構成図 本発明の第１実施例の変形例を示すコンバータ装置の構成図

符号の説明

１ 三相交流電源
２ コモンモードトランス
２ａ 第一巻線
２ｂ 第二巻線
２ｃ 第三巻線
２ｄ 第四巻線
３ ＰＷＭ整流器用フィルタ
３ａ 第一ＡＣリアクトル
３ｂ 第二ＡＣリアクトル
３ｃ中性点作成部
３ｄ 中性点作成トランス
３ｅ 中性点作成コンデンサ
４ ＰＷＭ整流器
５ ＰＷＭインバータ
６ モータ
７ 抵抗器
８ 直流中性点
９ ＥＭＩフィルタ
９−１ コモンモードチョークコイル
９−２ Ｘコンデンサ
９−３ Ｙコンデンサ
１０ ダイオード整流器
１１ 平滑用コンデンサ
１２ コモンモードキャンセラ
１３ コンデンサ
１４ エミッタホロワ回路
１５ コンデンサ
１６ コモンモードトランス
１７ ケーブル
１８ コンデンサ
１９ 中性点検出トランス
ＮＰ 中性点
Ｐ 正側直流母線
Ｎ 負側直流母線

Claims (6)

1. ＰＷＭ整流器（４）と、前記ＰＷＭ整流器（４）の入力側に第一ＡＣリアクトル（３ａ）とを備え交流から直流へ電力変換するコンバータ装置において、
   第一巻線（２ａ）の一端を三相交流電源（１）のＵ相に接続し、他端を前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）のＵ相に接続し、第二巻線（２ｂ）の一端を前記三相交流電源（１）のＶ相に接続し、他端を前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）のＶ相に接続し、第三巻線（２ｃ）の一端を前記三相交流電源（１）のＷ相に接続し、他端を前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）のＷ相に接続したコモンモードトランス（２）と、
   前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）の他端各相を用いて中性点（ＮＰ）を作成する中性点作成部（３ｃ）と、
   前記中性点作成部（３ｃ）の前記中性点（ＮＰ）を前記コモンモードトランス（２）の第四巻線（２ｄ）の一端と接続し、前記第四巻線（２ｄ）の他端を前記ＰＷＭ整流器（４）の正側直流母線（Ｐ）または負側直流母線（Ｎ）のいずれかに接続したことを特徴とするコンバータ装置。
2. 前記中性点作成部（３ｃ）は、前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）の他端に各相毎に夫々中性点作成コンデンサの一端を接続し、前記中性点作成コンデンサの他端をスター結線し前記中性点（ＮＰ）を構成したことを特徴とする請求項１に記載のコンバータ装置。
3. 前記中性点作成部（３ｃ）は、中性点作成トランス（３ｄ）と中性点作成コンデンサ（３ｅ）との直列接続体で構成し、前記直列接続体をスター結線し前記中性点（ＮＰ）を構成したことを特徴とする請求項１に記載のコンバータ装置。
4. 前記コモンモードトランス（２）の前記第四巻線（２ｄ）に並列接続した抵抗器（７）を備えることを特徴とする請求項１に記載のコンバータ装置。
5. 前記第四巻線（２ｄ）の他端を正側直流母線（Ｐ）、負側直流母線（Ｎ）と接続するのではなく、前記ＰＷＭ整流器（４）の直流電圧を二つのコンデンサにより分圧した直流中性点（８）に接続したことを特徴とする請求項１記載のコンバータ装置。
6. 前記第一ＡＣリアクトル（３ａ）と前記ＰＷＭ整流器（４）との間に第二ＡＣリアクトル（３ｂ）を直列に接続したことを特徴とする請求項１記載のコンバータ装置。

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