JP2009095149A - 直接形交流電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】突入電流を低減できる直接形交流電力変換装置を提供する。
【解決手段】制御部7は電源スイッチ5を導通させるのと同時若しくはその前に電流形コンバータ1を制御して、抵抗R61が設けられた入力線ACLrと、入力線ACLs,ACLtの何れか(例えば入力線ACLt)との間のコンデンサ(例えばコンデンサCr,Ct)と、クランプコンデンサCcとを、並列に接続させる。よって、電源スイッチ5を導通させた際に、抵抗R61を介してクランプコンデンサCcへと電流が伝達されるので、クランプコンデンサCcへと突入電流が流れることを防止できる。また、例えばコンデンサCr,CtはクランプコンデンサCcに先立って充電されることがないので、これらを並列に接続させた際にコンデンサCr,CtからクランプコンデンサCcへと突入電流が流れることを防止できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、直接形交流電力変換装置に関し、特に直接形交流電力変換装置が備えるコンデンサへの突入電流を防止する技術に関する。
後述する非特許文献1には、クランプ回路を備えた直接形交流電力変換装置が開示されている。図16は非特許文献1に記載の直接形交流電力変換装置を示している。但し本願での説明の都合上、図中の符号は必ずしも非特許文献1のそれとは一致はしない。
当該直接形交流電力変換装置の出力側にIPMモータが設けられているとする。IPMモータの有効インダクタンスの平均値に相当する1相当たりのインダクタンスをLa、IPMモータへの電流供給を遮断する基準となる過負荷電流をi、クランプコンデンサの両端電圧をVc、クランプコンデンサの電気容量をCc、3相交流電源の相間電圧をVsとし、IPMモータが有する3相分のインダクタに蓄えられる電力が全てクランプコンデンサに回生されるとすると、次式の関係式を満たす。
Figure 2009095149
よって、クランプコンデンサの両端電圧は次式で表される。
Figure 2009095149
図17は、式(2)から、クランプコンデンサの電気容量に対する両端電圧の関係を示すグラフである。例えば電源電圧Vsを400V、インダクタンスLaを12mH、過負荷電流iを40A、クランプコンデンサの電気容量10μFとすると、クランプコンデンサの両端電圧Vcはおよそ1800Vとなる。電源値は、電源電圧400V級のトランジスタ及びダイオードの素子定格1200Vを超える。
クランプコンデンサの両端電圧Vcを例えば750V程度に抑えるためには、式(2)及び図17よりクランプコンデンサの電気容量を200μF以上とすることが必要である。
他方、クランプコンデンサの電気容量を大きくするほど、電源投入時の突入電流が大きくなる。具体的に説明すると、例えば1相分の直列回路として、電源、リアクトル、抵抗、コンデンサが直列に接続された直列回路を考える。リアクトルのインダクタンスをL、抵抗の抵抗値をR、クランプコンデンサの電気容量をCとすると、当該直列回路における、入力(電源電圧Vs)に対する出力(電流)の伝達特性は次式で表される。
Figure 2009095149
ステップ入力に対する応答を求めると、
Figure 2009095149
となる。
ここで、1/L=D,R/L=E,1/LC=Fとして、式(4)を逆ラプラス変換して電流の応答を求めると
Figure 2009095149
Figure 2009095149
となる。コンデンサの電気容量Cが大きくなるほどFが小さくなり、D,Eは電気容量Cによらず一定なので、コンデンサCが大きくなるほどωが小さくなる。よって、時間による減衰を除いた振幅項D/ωはコンデンサの電気容量Cが大きくなるほど大きくなる。即ち、コンデンサの電気容量Cの増大に伴って突入電流が大きくなる。
なお、式(5)よりi(t)を時間で微分した値を0(i(t)’=0)として、電流の最大値を求めると、
Figure 2009095149
となり、このとき電流は最大値となる。当該最大値が突入電流として把握できる。図18は、電気容量Cに対する突入電流(i((π−α)/ω))の関係を示すグラフである。
上述したように、回生電流によって充電されたクランプコンデンサの両端電圧を750V程度に抑えるために、クランプコンデンサの電気容量を200μFとした場合、式(6)、(7)より電流の最大値(突入電流)は150Aに至る。
なお、本発明に関連する技術として特許文献1〜4が開示されている。
リザイアング・ウェイ(Lixiang Wei)およびトーマス・エー・リポ(Thomas A.Lipo)著、「9−スイッチ・デゥアル−ブリッジ・マトリクスコンバータの低出力力率動作についての研究(Investigation of 9-switch Dual-bridge Matrix Converter Operating under Low Output Power Factor)」、米国、アイトリプルイー(IEEE)、ISA2003,vol.1、pp.176-181 米国特許第6,995,992号明細書 特開2006−54947号公報 特開平8−079963号公報 特開平2−65667号公報
上述したように、回生電流によるクランプコンデンサの両端電圧の増大を抑制するためにはクランプコンデンサの電気容量を大きくすれば、クランプコンデンサへと突入電流が増大するという問題があった。
そこで、本発明の目的はコンデンサの電気容量を大きくしてコンデンサの両端電圧の増大を防止しつつ、突入電流を低減できる直接形交流電力変換装置を提供することを目的とする。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第1の態様は、N相交流電源(E1)と接続される第1乃至第Nの入力線(ACLr,ACLs,ACLt)と、前記第1乃至前記第Nの入力線の導通/非導通を選択する電源スイッチ(5)と、正側直流電源線(L1)および負側直流電源線(L2)と、複数のスイッチ素子(Srp,Srn,Ssp,Ssn,Stp,Stn)を有し、前記複数の前記スイッチ素子の導通/非導通の選択動作によって、前記第1乃至前記第Nの入力線から入力された交流電圧を2つの電位を持つ方形波状電圧に変換して、前記正側直流電源線と前記負側直流電源線とに前記電圧を供給する電流形電力変換器(1)と、前記第1乃至前記第Nの入力線の相互間に設けられ、電圧源として機能する複数の入力コンデンサ(Cr,Cs,Ct)と、前記正側直流電源線と前記負側直流電源線との間に接続された第1のダイオード(D1)と、前記正側直流電源線と前記負側直流電源線との間で前記第1のダイオードと直列に接続されたコンデンサ(Cc;Cc1,Cc2)と、前記第1の入力線(ACLr)上に設けられた第1の抵抗(R61)と、前記正側直流電源線と前記負側直流電源線との間の2つの電位を持つ前記直流電圧を方形状の交流電圧に変換して誘導性多相負荷(4)へ出力する電圧形電力変換器(3)と、前記複数の前記スイッチ素子及び前記電源スイッチの導通/非導通の選択動作を制御し、前記電源スイッチを導通させるのと同時若しくはその前に、前記スイッチ素子の選択動作を制御して、前記第1の入力線と前記第2の入力線との間に設けられた前記入力コンデンサと、前記コンデンサとを並列に接続させる制御部(7)とを備える。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第2の態様は、第1の態様に係る直接形交流電力変換装置であって、前記第1の入力線(ACLr)上で、前記第1の抵抗(R61)と直列に接続されたリアクトル(Lr)を更に備える。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第3の態様は、第1の態様に係る直接形交流電力変換装置であって、前記第1の抵抗(R61)と並列に接続されたリアクトル(Lr)を更に備える。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第4の態様は、第1の態様に係る直接形交流電力変換装置であって、前記第2乃至前記第Nの入力線(Ls,Lt)上にそれぞれ設けられた第2乃至第Nの抵抗(R62,R63)を更に備える。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第5の態様は、第4の態様に係る直接形交流電力変換装置であって、前記第1乃至前記第Nの入力線(ACLr,ACLs,ACLt)の各々の線上で、前記第1乃至前記第Nの抵抗(R61〜R63)とそれぞれ直列に接続された第1乃至第Nのリアクトル(Lr,Ls,Lt)を更に備える。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第6の態様は、第4の態様に係る直接形交流電力変換装置であって、前記第1乃至前記第Nの抵抗(R61〜R63)の各々に並列に接続された第1乃至第Nのリアクトル(Lr,Ls,Lt)を更に備える。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第7の態様は、第1乃至第6のいずれか一つの態様に係る直接形交流電力変換装置であって、前記正側直流電源線(L1)には前記負側直流電源線(L2)よりも高い電位が印加され、前記第1のダイオード(D2)は前記コンデンサに対して前記第2出力線側に設けられ、前記正側直流電源線と前記負側直流電源線の間で前記コンデンサ(Cc1)と直列に接続され、前記第1のダイオードと前記第2出力線の間に接続された第2のコンデンサ(Cc2)と、アノードが前記第1のダイオードと前記第2のコンデンサとの間に、カソードが前記正側直流電源線にそれぞれ接続された第2のダイオード(D3)と、アノードが前記負側直流電源線に、カソードが前記第2のダイオードと前記コンデンサとの間にそれぞれ接続された第4のダイオード(D4)とを更に備える。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第1の態様によれば、第1の入力線と第2の入力線との間に設けられた入力コンデンサとコンデンサとが並列に接続された状態でN相交流電源が直接形交流電力変換装置に供給される。よって、コンデンサに先立って当該入力コンデンサのみが充電されることがなく、当該入力コンデンサからコンデンサへと突入電流が流れることを防止できる。
また、電源スイッチを導通させた際に、交流電流が第1の抵抗を介してコンデンサに供給される。よって、N相交流電源からコンデンサへと突入電流が流れることも防止できる。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第2の態様によれば、リアクトルと入力コンデンサとによってキャリア電流成分除去フィルタを構成することができる。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第3の態様によれば、リアクトルと入力コンデンサとによってキャリア電流成分除去フィルタを構成できる。一般的にキャリア電流成分除去フィルタは、電源スイッチを導通する際の過渡時における入力コンデンサの電圧の脈動を低減するために、リアクトルと並列に接続される減衰抵抗を有している。この減衰抵抗を第1の抵抗として流用することができる。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第4の態様によれば、第1乃至第Nの入力線の全てに対応して抵抗が設けられているので、いずれの入力コンデンサとコンデンサとを並列に接続させてもコンデンサへの突入電流を防止できる。よって、入力コンデンサと選択的に切り替えてコンデンサと並列に接続できるので、第1乃至第Nの入力線を流れる交流電流を効率よく直流電流に変換できる。よって、コンデンサへと効率よく直流電流を供給できる。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第5の態様によれば、第1乃至第Nのリアクトルと入力コンデンサとによってキャリア電流成分除去フィルタを構成することができる。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第6の態様によれば、第1乃至第Nのリアクトルと入力コンデンサとによってキャリア電流成分除去フィルタを構成することができる。また、第1乃至第Nの抵抗が第1乃至第Nのリアクトルと並列に接続されているので、電源スイッチを導通させた際の入力コンデンサの過渡電圧を低減でき、ひいてはコンデンサの過渡電圧を低減できる。
また、本発明に係る直接形交流電力変換装置の第4乃至第6の態様によれば、電源スイッチを導通するに際して、いずれの入力コンデンサとコンデンサとを並列に接続させてもよいので、この際の電流形電力変換器(スイッチ素子)の選択動作を、誘導性多相負荷を駆動する際の選択動作と同じ動作とすることができる。よって、制御方式を変更する必要がなく、製造を容易にできる。
本発明に係る直接形交流電力変換装置の第7の態様によれば、第1の出力線および第2の出力線の間の電位差を第1のクランプキャパシタと第2のクランプキャパシタで分圧するので、各クランプキャパシタの両端電圧を低減できる。よって、安価なクランプキャパシタを用いることができる。また、第1、第2のクランプキャパシタで放電経路を確保することが可能であるため、パッシブ回路でありながら非特許文献1に記載の方式と同等の動作を実現できる。
第1の実施の形態.
本発明にかかる第1の実施の形態の直接形交流電力変換装置の一例として、モータ駆動装置の概念的な構成を図1に示す。本モータ駆動装置は、電源E1と、入力線ACLr,ACLs,ACLtと、リアクトルLr,Ls,Ltと、コンデンサCr,Cs,Ctと、電流形コンバータ1と、出力線たる直流電源線L1,L2と、クランプ回路2と、電圧形インバータ3と、モータ4と、電源スイッチ5と、限流回路6と、制御部7とを備えている。
電源E1は多相交流電源であって例えば3相交流電源であり、入力線ACLr,ACLs,ACLtに3相交流電流を供給する。
電源スイッチ5は、入力線ACLr,ACLs,ACLtの導通/非導通を選択する。より具体的には、電源スイッチ5はスイッチS51〜S53を備えている。スイッチS51〜S53は例えばリレーであって、入力線ACLr,ACLs,ACLtの各々の線上に設けられている。
リアクトルLr,Ls,Ltの各々は入力線ACLr,ACLs,ACLt上にそれぞれ設けられており、スイッチS51〜S53の各々と直列に接続されている。
コンデンサCr,Cs,Ctは入力線ACLr,ACLs,ACLtの相互間で例えばY結線されて設けられている。具体的には、コンデンサCr,Csは入力線ACLr,ACLsの間に直列に接続され、コンデンサCs,Ctは入力線ACLs,ACLtの間に直列に接続され、コンデンサCt,Crは入力線ACLt,ACLrの間に直列に接続される。これらは電流形コンバータ1の入力側に設けられ電圧源として機能する。なお、コンデンサCr,Cs,Ctは入力コンデンサと把握できる。他方、コンデンサCr,Cs,CtはそれぞれリアクトルLr,Ls,Ltと共にキャリア電流成分を除去するキャリア電流成分除去フィルタを構成すると把握することもできる。
限流回路6は、抵抗R61と補助スイッチS61とを備えている。抵抗R61は入力線ACLr,ACLs,ACLtの何れかの線上に設けられている。図1においては、抵抗R61は入力線ACLr上でリアクトルLrと直列に設けられている。補助スイッチS61は抵抗R61と並列に接続されている。
電流形コンバータ1は、複数のスイッチ素子を有しており、当該複数のスイッチ素子の選択動作によって、電源E1からキャリア電流成分除去フィルタを介して入力される3相交流電圧を2つの電位を持つ方形波状電圧に変換して、直流電源線L1,L2に当該電圧を供給する。なお、直流電源線L1は正側直流電源線と、直流電源線L2は直流電源線L1よりも低い電位が印加される負側直流電源線と把握できる。
より具体的には、電流形コンバータ1は、トランジスタSrp,Srn,Ssp,Ssn,Stp,Stnと、ダイオードDrp,Drn,Dsp,Dsn,Dtp,Dtnとを備えている。
ダイオードDrp,Dsp,Dtpの各カソードは直流電源線L1に接続され、ダイオードDrn,Dsn,Dtnの各アノードは直流電源線L2にそれぞれ接続されている。
トランジスタSrp,Ssp,Stpの各エミッタはそれぞれダイオードDrp,Dsp,Dtpのアノードと接続され、トランジスタSrn,Ssn,Stnの各コレクタはそれぞれダイオードDrn,Dsn,Dtnのカソードと接続されている。トランジスタSrpのコレクタおよびトランジスタSrnのエミッタ、トランジスタSspのコレクタおよびトランジスタSsnのエミッタ、トランジスタStpのコレクタおよびトランジスタStnのエミッタはそれぞれ共通して入力線ACLr,ACLs,ACLtと接続されている。
そして、制御部7によって、これらのトランジスタSrp,Srn,Ssp,Ssn,Stp,Stnの各々のベースにスイッチ信号が与えられて、電流形コンバータ1は3相交流電圧を2つの電位を持つ方形波状電圧に変換する。
クランプ回路2は、クランプコンデンサCcと、ダイオードD1とを備えている。クランプコンデンサCcは直流電源線L1,L2の間に接続されている。ダイオードD1は直流電源線L1,L2の間でクランプコンデンサCcと直列に接続されており、アノードが直流電源線L1にカソードがクランプコンデンサCcにそれぞれ接続されている。このようなクランプ回路2によれば、電圧形インバータ3から電流形コンバータ1へと向かう還流電流に起因して生じる、直流電源線L1,L2の間の電圧上昇を抑制することができる。
電圧形インバータ3は、直流電源線L1,L2の間の方形波状の直流電圧を方形波状の交流電圧に変換してモータ4に出力する。より具体的には、電圧形インバータ3は、トランジスタSup,Sun,Svp,Svn,Swp,Swnと、ダイオードDup,Dun,Dvp,Dvn,Dwp,Dwnとを備えている。
トランジスタSup,Svp,Swpの各エミッタおよびダイオードDup,Dvp,Dwpの各カソードは直流電源線L1に、トランジスタSun,Svn,Swnの各コレクタおよびダイオードDun,Dvn,Dwnの各アノードは直流電源線L2にそれぞれ接続されている。
トランジスタSupのコレクタ、トランジスタSunのエミッタ、ダイオードDupのアノードおよびダイオードDunのカソードは共通してモータ4に接続され、トランジスタSvpのコレクタ、トランジスタSvnのエミッタ、ダイオードDvpのアノードおよびダイオードDvnのカソードは共通してモータ4に接続され、トランジスタSwpのコレクタ、トランジスタSwnのエミッタ、ダイオードDwpのアノードおよびダイオードDwnのカソードは共通してモータ4に接続されている。
そして、例えば制御部7によって、これらのトランジスタSup,Sun,Svp,Svn,Swp,Swnの各々のベースにスイッチ信号が与えられて、電圧形インバータ3は直流電源線L1,L2の間の電位差を交流電圧に変換してモータ4に出力する。
モータ4は例えば3相交流モータであって、そのインダクタンス分および抵抗分がコイルLu,Lv,Lwと、これらとそれぞれ直列に接続された抵抗Ru,Rv,Rwとで表されている。これらの直列接続は、モータ4の各相に対応している。これらの直列接続の一端は、それぞれトランジスタSup,Sunの間、トランジスタSvp,Svnの間、トランジスタSwp,Swnの間に接続されている。これらの直列接続の他端は中性点Nで共通に接続されている。
電圧形インバータ3から方形波状の交流電圧が与えられるが、モータ4が有するインダクタンス分により、モータ4を駆動する交流電流は滑らかとなる。言い換えると、モータ4は電圧形インバータ3から与えられた方形波状の交流電圧を交流電流に変換する。
このモータ4を流れる交流電流は、電圧形インバータ3、電流形コンバータ1を経由してコンデンサCr,Cs,Ctを充電し、交流電圧に変換される。還元すれば、モータ4は、電流形コンバータ1に対する電流源として把握することもできる。
制御部7は電源スイッチ5、補助スイッチS61及び電流形コンバータ1が有するトランジスタの選択動作を制御する。制御部7は電源スイッチ5を導通するのと同時若しくはその前に、電流形コンバータ1を制御して、抵抗R61が設けられた入力線ACLrと、入力線ACLs,ACLtいずれか(例えば入力線ACLt)との間のコンデンサ(例えばコンデンサCr,Ct)をクランプコンデンサCcと並列に接続させる。
より具体的には、制御部7は、通電検出・同期信号生成部71と、スイッチング制御部72とを備えている。
通電検出・同期信号生成部71は例えば電源E1の所定の2相(例えば入力線ACLr,ACLs)を流れる交流電流を検出して同期信号を生成し、当該同期信号をスイッチング制御部72へと与える。また、通電検出・同期信号生成部71は、生成した同期信号と同期して電源スイッチ5および補助スイッチS61〜S63へとスイッチ信号を与える。
スイッチング制御部72は入力された同期信号と同期して電流形コンバータ1が有するトランジスタへとスイッチング信号を与える。
このような構成のモータ駆動装置において、電源スイッチ5を導通させて電源を投入する際の制御部7の動作について説明する。図2は制御部7の動作を示すフローチャートである。
まず、ステップS1にて、通電検出・同期信号生成部71は、例えば外部のCPU等から起動指令を受け取る。次に、ステップS2にて、当該起動指令を受け取った通電検出・同期信号生成部71は、例えば電源E1の所定の2相(例えば入力線ACLr,ACLs)を流れる交流電流を検出して、当該交流電流の周期に基づいて同期信号を生成してスイッチング制御部72へ与える。これにより通電検出・同期信号生成部71及びスイッチング制御部72は互いに同期してそれぞれスイッチ信号を出力することができる。
次に、ステップS3にて、スイッチング制御部72は受け取った同期信号と同期して、入力線ACLrと、例えば入力線ACLtとの間のコンデンサCr,Ctと、クランプコンデンサCcとを並列に接続させる。具体的には、スイッチング制御部72は、例えばトランジスタSrp,Srn,Stp,Stnの制御を開始する。図3は、入力線ACLr,ACLtの間の電圧Vrtと、トランジスタSrp,Stp,Srn,Stnの導通/非導通の状態を示す図である。なお、図3においては電圧Vrtが入力線ACLr側で高電位になる場合を正として示している。
ステップS3では、スイッチング制御部72は、電圧Vrtが入力線ACLr側で高電位となる半周期においてトランジスタSrp,Stnを導通させ、他の半周期においてトランジスタStp,Srnを導通させる。なお、図2においては当該動作を全波通電として示している。そして少なくとも後述するステップS5の実行までは図3の動作を繰り返す。
ステップS4にて、ステップS3と同時若しくはその後に、通電検出・同期信号生成部71は電源スイッチ5へとスイッチ信号を出力して電源スイッチ5を導通させる。当該電源スイッチ5の導通によって、電源E1からの交流電流が入力線ACLr,ACLtを介して電流形コンバータ1へと供給される。なお、通電検出・同期信号生成部71およびスイッチング制御部72は互いに同一の同期信号と同期してスイッチ信号を出力するので、ステップS3の実行と同時若しくはその後にステップS4を実行することができる。
電流形コンバータ1は、ステップS3の制御により、入力線ACLr,ACLtから入力された交流電流を全波整流して(図3参照)、クランプコンデンサCcへと供給する。このとき、クランプコンデンサCcには抵抗R61を介して電流が供給されるので、クランプコンデンサCcへと突入電流が流れることを防止できる。
以下、クランプコンデンサCcに抵抗R61を介して電流が流れることで突入電流を防止できる理由について説明する。簡単のために、相互に直列接続されたリアクトルL(リアクトルLr,Lsに相当)、抵抗R(抵抗R61に相当)、コンデンサC(コンデンサCr,CsとクランプコンデンサCcの一組に相当)を有する回路に直列に電源電圧Vs(入力線ACLr,ACLsの間の電圧に相当)が印加された場合に、回路に流れる電流iについて考える。
図4は当該回路を示す図であり、図5は電源電圧Vsが入力されたときのコンデンサCを流れる電流icを出力としたブロック線図である。電源電圧Vsに対する電流icの伝達特性G(s)は式(1)と同様である。ステップ入力に対する応答を求めると、式(2)が導かれる。ここで、抵抗R61の抵抗値Rは大きく、過渡応答(sの小さい範囲)を考慮するので、当該伝達特性を1次遅れで近似すると、
Figure 2009095149
となり、これを逆ラプラス変換すると、
Figure 2009095149
となる。ここで、D=1/L、E=R/L、F=1/LCである。
図6は式(9)を図示したものであり、時間に対するコンデンサを流れる電流の関係を示している。なお、図6においては、リアクトルLのインダクタンスが1mH、コンデンサCの電気容量が330μF、抵抗Rの抵抗値が10Ω、電源電圧Vsが400Vである場合の結果を示している。電流の最大値は式(9)にt=0を代入すると求めることができ、ic(0)=1/R(一定)である。これが突入電流として把握され、当該突入電流は抵抗値Rのみで表される値である。よって、突入電流を制限することができる。
また、制御部7は電源スイッチ5を導通するのと同時若しくはその前に、電流形コンバータ1を制御してコンデンサCr,CtとクランプコンデンサCcとを並列に接続させるので、クランプコンデンサCcに先立ってコンデンサCr,Ctが充電されることがなく、以ってコンデンサCr,CtからクランプコンデンサCcへと突入電流が流れることを防ぐことができる。
次に、ステップS5にて、通電検出・同期信号生成部71は、電源スイッチ5を導通してから規定の時間を経過したかどうかを判断し、経過していなければ再びステップS5を実行する。経過していれば、ステップS6にて、通電検出・同期信号生成部71は、補助スイッチS61を導通させる。当該補助スイッチS61の導通によって、電源E1からの交流電流は抵抗R61を迂回して電流形コンバータ1へと供給される。よって、突入電流を抑制した後は抵抗R61で生じる損失の発生を防止することができる。
次に、ステップS7にて、直接形交流電力変換装置を起動し、通常運転に移行する。より具体的には、電流形コンバータ1のスイッチング動作を通常運転用に切り替えるべく、電流形コンバータ1を再起動し、また電圧形インバータ3を起動する。通常運転では、スイッチング制御部72は、トランジスタSrp,Srn,Ssp,Ssn,Stp,Stnへとスイッチ信号を与えて電流形コンバータ1を動作させ、以て入力線ACLr,ACLs,ACLtから入力される交流電圧を例えば脈流状の直流電圧に変換して直流電源線L1,L2に供給する。そして、例えば電圧形インバータ3は電流形コンバータ1と同期して動作し、直流電源線L1,L2の間の電位差を交流電圧に変換してモータ4に印加する。
以上のように、本モータ駆動装置によれば、例えばコンデンサCr,CtとクランプコンデンサCcとを接続したときにコンデンサCr,CtからクランプコンデンサCcへと突入電流が流れることを防止できるとともに、電源E1からクランプコンデンサCcへと突入電流が流れることを防止できる。
なお、ステップS3にて、スイッチング制御部72は全波整流を実現するようにスイッチ信号を電流形コンバータ1へと与えているが、半波整流を実現するように電流形コンバータ1へと与えてもよい。
なお、一般的に電流形コンバータの出力にはリアクトルが設けられることから、一般的に電流形コンバータには限流抵抗が設けられない。しかし、交流電圧を2つの電位を持つ方形波状電圧に変換して、上述のようにコンデンサとして機能するクランプコンデンサCcが設けられている場合には、これに対して初期的に流れる充電電流が突入電流として流れることを防ぐため、限流抵抗を設けることが望まれる。
第1の実施の形態にかかる直接形交流電力変換装置を適用した直接形交流電力変換装置の他の一例として、モータ駆動装置の概念的な構成を図7に示す。図7に示すモータ駆動装置はクランプ回路2を除いて図1に示すモータ駆動装置と同一である。
クランプ回路2はクランプコンデンサCc1,Cc2とダイオードD2〜D4とを備えている。クランプコンデンサCc1は直流電源線L1,L2の間で接続されている。クランプコンデンサCc2はクランプコンデンサCc1と直列に接続され、クランプコンデンサCc1に対して直流電源線L2側に設けられている。
ダイオードD2は、クランプコンデンサCc1,Cc2の間で、アノードがクランプコンデンサCc1にカソードがクランプコンデンサCc2にそれぞれ接続されている。ダイオードD3は、アノードがクランプコンデンサCc2とダイオードD2との間に、カソードが直流電源線L1にそれぞれ接続されている。ダイオードD4はアノードが直流電源線L2に、カソードがクランプコンデンサCc1とダイオードD2との間にそれぞれ接続されている。
電圧形インバータ3側の負荷力率により直流電源線L1,L2の間の電圧に対してモータ4を流れる電流が遅れた場合に、所定の期間において、モータ4から直流電源線L1,L2へと還流電流が流れ、クランプコンデンサCc1,Cc2は相互に直列状態で充電される。このときの充電電圧(クランプコンデンサCc1,Cc2の一組の両端電圧)も負荷力率に基づいて決定される。他方、クランプコンデンサCc1,Cc2の各々の両端電圧が、直流電源線L1,L2の間の方形波状の直流電圧の低い方の電圧より上昇したときに、クランプコンデンサCc1,Cc2は相互に並列状態で放電する。なお、クランプコンデンサCc1,Cc2は相互に直列状態で充電し、相互に並列状態で放電することから、放電電圧は充電電圧の1/2である。
このような充放電動作により、放電電流が充電電流に比べて大きい場合にクランプコンデンサCc1,Cc2の電圧が平衡するように作用する。
以上のように、モータ4からの還流電流を充電し、また放電してモータ4へと再び供給することができるので、効率よくモータ4を駆動できる。また、クランプ回路2はスイッチ素子等のいわゆるアクティブ素子を必要としていないので、消費電力や製造コストを低減できる。
第2の実施の形態.
第2の実施の形態にかかる直接形交流電力変換装置の一例として、モータ駆動装置の概念的な構成を図8に示す。本モータ駆動装置の概念的な構成は、限流回路6を除いて第1の実施の形態と同様である。また、クランプ回路2は図1に示す態様であって構わない。
限流回路6は補助スイッチS61〜S63と、抵抗R61〜R63とを備えている。抵抗R61〜R63はそれぞれ入力線ACLr,ACLs,ACLt上でリアクトルLr,Ls,Ltと直列に接続されている。補助スイッチS61〜S63はそれぞれ抵抗R61〜R63と並列に接続されている。
図1に示すモータ駆動装置においては、ステップS3にて、スイッチング制御部72は、抵抗R61が設けられた入力線ACLrと、入力線ACLs,ACLrの何れかとの間のコンデンサとクランプコンデンサCcとを並列に接続させていた。他方、図8に示すモータ駆動装置では入力線ACLr,ACLs,ACLtのいずれにも抵抗R61〜R63が設けられているため、ステップS3にて、スイッチング制御部72は、いずれの入力線ACLr,ACLs,ACLtの2つの間の入力コンデンサとクランプコンデンサCc1,Cc2とを並列に接続させても突入電流を防止できる。
従って、スイッチング制御部72は、ステップS3にて、入力線ACLr,ACLs,ACLtの何れか2つの間にあるコンデンサを切り替えてクランプコンデンサCc1,Cc2と並列に接続させることができる。よって、電源スイッチ5を導通させた際に、電流形コンバータ1は入力線ACLr,ACLs,ACLtから入力される3相交流を効率よく直流電流に変換してクランプコンデンサCc1,Cc2へと供給できる。
以下により具体的に説明する。通常運転において、スイッチング制御部72は、例えば図9に示すように6つのスイッチング態様を連続的に選択するように、電流形コンバータ1にスイッチ信号を出力する。なお、図9において、”1”はトランジスタが導通している状態を”0”は非導通である状態をそれぞれ示している。また、当該スイッチング態様により電流形コンバータ1が出力する電流ベクトルをI(P)(P:rs,rt,st,sr,tr,tsの何れか)で示している。
通常運転において、電流形コンバータ1が出力する電流ベクトルは、例えば図10に示すように各電流ベクトルI(P)を頂点とする六角形の軌跡上を描く。このようなスイッチング動作により、通常運転においては、スイッチング制御部72はトランジスタSrp,Ssp,Stp,Srn,Ssn,Stnへとスイッチ信号を出力して入力線ACLr,ACLs,ACLtから入力される3相交流電圧を2つの電位を持つ方形波状電圧に変換して直流電源線L1,L2へと供給している。
この通常運転時の動作を、電源スイッチ5を投入する際の動作に適用する。図11は電源スイッチ5を投入する際の制御部7の動作を示すフローチャートである。ステップS11,S12,S14,S15,S17はステップS1,S2,S4,S5,S7とそれぞれ同一である。ステップS13では、スイッチング制御部72は通常運転のうち6つの図9に示すスイッチング態様を切り替えてスイッチ信号を出力し、入力線ACLr,ACLs,ACLtから入力される3相交流電圧を直流電圧に変換して直流電源線L1,L2に供給する。
従って、例えば入力線ACLr,ACLtから入力される1相交流電圧を変換する場合に比べて、充電用の専用波形を生成する必要がない。
なお、ステップS16では、通電検出・同期信号生成部71は補助スイッチS61〜S63を導通させる。また、ステップS13での電流形コンバータ1のスイッチング動作と通常運転時の電流形コンバータ1のスイッチング動作とは、電流形コンバータ1の再起動なしに切替可能なので、ステップS17では必ずしも電流形コンバータ1を再起動する必要はない。
第3の実施の形態.
本発明に係る第3の実施の形態の直接形交流電力変換装置の一例として、モータ駆動装置の概念的な構成を図12に示す。本モータ駆動装置の概念的な構成は、限流回路6を除いて図7に示すモータ駆動装置と同一である。なお、図12においてはクランプ回路2より後段の回路を省略して示している。なお、クランプ回路2は図1に示す態様であっても構わない。
限流回路6は補助スイッチS61,S63と、抵抗R61〜R63とを備えている。補助スイッチS61,S63はそれぞれリアクトルLr,Ltと直列に接続されている。抵抗R61〜R63はそれぞれ入力線ACLr,ACLs,ACLtの各々の線上に設けられている。
補助スイッチS61、リアクトルLtの一組は抵抗R61と、リアクトルLsは抵抗R62と、スイッチS63、リアクトルLtの一組は抵抗R63とそれぞれ並列に接続されている。
このようなモータ駆動装置において、電源スイッチ5を導通させて電源を投入する際の制御部7の動作は、図2に示すフローチャートとステップS6を除いて同一である。ステップS6では、通電検出・同期信号生成部71は補助スイッチS61,S63を導通させる。
第3の実施の形態においても、制御部7が電流形コンバータ1(より具体的にはトランジスタ)を制御して、例えばコンデンサCr,Ctの一組とクランプコンデンサCc1,Cc2の一組とを並列に接続させるのと同時若しくはその後に電源スイッチ5を導通しているので、コンデンサCr,CsからクランプコンデンサCc1,Cc2へ突入電流が流れるのを防止できる。また、制御部7が電源スイッチ5を導通した後は、抵抗R61,R63を介してクランプコンデンサCc1,Cc2へと電流を流しているので、電源E1からクランプコンデンサCc1,Cc2へと突入電流が流れることを防止できる。
なお、電源スイッチ5を導通させた時点で補助スイッチS61は非導通であるので、入力線ACLr,ACLtを流れる交流は必ず抵抗R61を流れる。よって、より確実にクランプコンデンサCcへと突入電流が流れることを防止できる。なお、補助スイッチS61を設けずに、入力線ACLr,ACLtを流れる交流電流の一部がリアクトルLrを介してクランプコンデンサCcへと流れてもよい。この場合であっても、交流電流の他の一部は抵抗R61を介するので突入電流を低減することができ、またリアクトルLrを介す交流電流についても例えばリアクトルLrの抵抗成分により突入電流を低減することができる。スイッチS63についても同様である。
また、例えばリアクトルLsと直列に接続され、リアクトルLsと共に抵抗R62と並列に接続されるスイッチS62(図示せず)を更に設けてもよい。そして、第2の実施の形態と同様に、スイッチング制御部72が電流形コンバータ1を制御して入力線ACLr,ACLs,ACLtの何れか2つの間のコンデンサを切り替えてクランプコンデンサCc1,Cc2とを並列に接続してもよい。この場合、効率よくクランプコンデンサCc1,Cc2へと直流電流を供給できる。なおスイッチS62は必ずしも設けなくてもよい。
また、リアクトルLr,Ls,LtとコンデンサCr,Cs,Ctからなるキャリア電流成分除去フィルタにおいて、抵抗R61〜R63はコンデンサCr,Cs,Ctの入出力過渡特性を改善することができる。以下に具体的に説明する。
簡単のために、1相分の回路として、相互に並列接続されたリアクトルL(リアクトルLr,Ls,Ltに相当)および抵抗R(抵抗R61〜R63に相当)の一組と、コンデンサC(コンデンサCr,Cs,Ctに相当)とが直列に接続された回路に、電源電圧Vsを入力した場合ついて考える。図13は当該回路を示す構成図である。当該回路において、電源電圧Vsを入力した際にコンデンサCの両端電圧Voを出力として把握する。電源電圧Vsに対する両端電圧Voの伝達関数は以下のようになる。
Figure 2009095149
この伝達関数において、非減衰固有周波数f1、f2および減衰係数ξは、
Figure 2009095149
となる。
図14はこの伝達関数における周波数特性を示すボード線図である。図14については、リアクトルLのインダクタンスが1.5mH、コンデンサCの電気容量が10μFであるときについて、抵抗Rの抵抗値10Ω、30Ω、100Ωの3つの場合の結果を示している。
図15は、このようなノイズフィルタを用いた図12のモータ駆動装置において、電圧Vrtと、コンデンサCr,Ctの一組の両端電圧と、クランプコンデンサCc1,Cc2の一組の両端電圧、直流電源線L1,L2の間の電圧とを示している。なお、図15においては、抵抗R61,R63の抵抗値が10Ωおよび100Ωであるときの結果を示している。
図15に示すように、抵抗R61,R63の抵抗値によってダンピングを持たせることができ、以って過渡時においてコンデンサCr,Ct、クランプコンデンサCc1,Cc2の各々に印加される電圧(過渡電圧)を低減できる(抵抗値10Ω,100Ωの結果を参照)。
そして、図6に示す突入電流と比較して、抵抗値が10Ω程度であれば、突入電流を低減すると共に、コンデンサCr,Cs,Ctの過渡電圧を低減することができる。
第1の実施の形態にかかるモータ駆動装置の一例を示す概念的な構成図である。 電源スイッチを投入する際の制御部の動作を示すフローチャートである。 入力線ACLr,ACLtの間の電圧Vrtと、トランジスタSrp,Stnの導通/非導通の状態と、トランジスタStp,Srnの導通/非導通の状態とを示す図である。 突入電流を防止するメカニズムを説明するための回路を示す図である。 図4に示す回路のブロック線図である。 図4に示すコンデンサに流れる電流を示す図である。 第1の実施の形態にかかるモータ駆動装置の他の一例を示す概念的な構成図である。 第1の実施の形態にかかるモータ駆動装置の他の一例を示す概念的な構成図である。 スイッチ態様を示す図である。 電流ベクトルを示す図である。 電源スイッチを投入する際の制御部の動作を示すフローチャートである。 第3の実施の形態にかかるモータ駆動装置の一例を示す概念的な構成図である。 コンデンサへの入力特性を改善するメカニズムを説明するための回路を示す図である。 図13に示す回路のボード線図である。 入力線ACLr,ACLsの間の電圧と、コンデンサCr,Ctの一組の両端電圧と、クランプコンデンサCc1,Cc2の一組の両端電圧と、直流電源線L1,L2の間の電圧とを示す図である。 非特許文献1にかかる電力変換装置を示す構成図である。 クランプコンデンサの電気容量とクランプコンデンサの両端電圧の関係を示すグラフである。 クランプコンデンサの電気容量とクランプコンデンサの突入電流の関係を示すグラフである。
符号の説明
1 電流形コンバータ
3 電圧形インバータ
4 モータ
7 制御部
ACLr,ACLs,ACLt 入力線
Cc,Cc1,Cc2 クランプコンデンサ
Lr,Ls,Lt コイル
R61〜R63 抵抗
S61〜S63 スイッチ

Claims (7)

  1. N相交流電源(E1)と接続される第1乃至第Nの入力線(ACLr,ACLs,ACLt)と、
    前記第1乃至前記第Nの入力線の導通/非導通を選択する電源スイッチ(5)と、
    正側直流電源線(L1)および負側直流電源線(L2)と、
    複数のスイッチ素子(Srp,Srn,Ssp,Ssn,Stp,Stn)を有し、前記複数の前記スイッチ素子の導通/非導通の選択動作によって、前記第1乃至前記第Nの入力線から入力された交流電圧を2つの電位を持つ方形波状電圧に変換して、前記正側直流電源線と前記負側直流電源線とに前記電圧を供給する電流形電力変換器(1)と、
    前記第1乃至前記第Nの入力線の相互間に設けられ、電圧源として機能する複数の入力コンデンサ(Cr,Cs,Ct)と、
    前記正側直流電源線と前記負側直流電源線との間に接続された第1のダイオード(D1)と、
    前記正側直流電源線と前記負側直流電源線との間で前記第1のダイオードと直列に接続されたコンデンサ(Cc;Cc1,Cc2)と、
    前記第1の入力線(ACLr)上に設けられた第1の抵抗(R61)と、
    前記正側直流電源線と前記負側直流電源線との間の2つの電位を持つ前記直流電圧を方形状の交流電圧に変換して誘導性多相負荷(4)へ出力する電圧形電力変換器(3)と、
    前記複数の前記スイッチ素子及び前記電源スイッチの導通/非導通の選択動作を制御し、前記電源スイッチを導通させるのと同時若しくはその前に、前記スイッチ素子の選択動作を制御して、前記第1の入力線と前記第2の入力線との間に設けられた前記入力コンデンサと、前記コンデンサとを並列に接続させる制御部(7)と
    を備える、直接形交流電力変換装置。
  2. 前記第1の入力線(ACLr)上で、前記第1の抵抗(R61)と直列に接続されたリアクトル(Lr)を更に備える、請求項1に記載の直接形交流電力変換装置。
  3. 前記第1の抵抗(R61)と並列に接続されたリアクトル(Lr)
    を更に備える、請求項1に記載の直接形交流電力変換装置。
  4. 前記第2乃至前記第Nの入力線(Ls,Lt)上にそれぞれ設けられた第2乃至第Nの抵抗(R62,R63)
    を更に備える、請求項1に記載の直接形交流電力変換装置。
  5. 前記第1乃至前記第Nの入力線(ACLr,ACLs,ACLt)の各々の線上で、前記第1乃至前記第Nの抵抗(R61〜R63)とそれぞれ直列に接続された第1乃至第Nのリアクトル(Lr,Ls,Lt)を更に備える、請求項4に記載の直接形交流電力変換装置。
  6. 前記第1乃至前記第Nの抵抗(R61〜R63)の各々に並列に接続された第1乃至第Nのリアクトル(Lr,Ls,Lt)
    を更に備える、請求項4に記載の直接形交流電力変換装置。
  7. 前記正側直流電源線(L1)には前記負側直流電源線(L2)よりも高い電位が印加され、前記第1のダイオード(D2)は前記コンデンサに対して前記第2出力線側に設けられ、
    前記正側直流電源線と前記負側直流電源線の間で前記コンデンサ(Cc1)と直列に接続され、前記第1のダイオードと前記第2出力線の間に接続された第2のコンデンサ(Cc2)と、
    アノードが前記第1のダイオードと前記第2のコンデンサとの間に、カソードが前記正側直流電源線にそれぞれ接続された第2のダイオード(D3)と、
    アノードが前記負側直流電源線に、カソードが前記第2のダイオードと前記コンデンサとの間にそれぞれ接続された第4のダイオード(D4)と
    を更に備える、請求項1乃至6の何れか一つに記載の直接形交流電力変換装置。
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