JP2009232161A - 電圧振動低減フィルタおよびそれを用いたインバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】 モータに電力を供給するインバータでは、インバータとモータ間の距離が長くなると、このケーブルのインダクタンスや容量のためにインバータの出力電圧が振動し、モータに過大な電圧が印加されて絶縁破壊が発生し、また放射電磁波が大きくなるという課題を解決する。
【解決手段】 直流電源の出力をスイッチングして交流に変換し、この交流をローパスフィルタに入力して高周波成分を低減するインバータにおいて、ローパスフィルタの出力側と前記直流電源の間にダイオードと抵抗の直列回路を挿入する。ローパスフィルタの出力電圧が振動して過大な電圧が発生するとダイオードがオンになり、電圧振動を低減する。モータに過大な電圧が印加されることがないので絶縁破壊などが発生することがなく、また不要な電磁波の放射を抑制できる。
【選択図】 図1
【解決手段】 直流電源の出力をスイッチングして交流に変換し、この交流をローパスフィルタに入力して高周波成分を低減するインバータにおいて、ローパスフィルタの出力側と前記直流電源の間にダイオードと抵抗の直列回路を挿入する。ローパスフィルタの出力電圧が振動して過大な電圧が発生するとダイオードがオンになり、電圧振動を低減する。モータに過大な電圧が印加されることがないので絶縁破壊などが発生することがなく、また不要な電磁波の放射を抑制できる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、損失が少なくかつ出力の電圧振動を低減できる電圧振動低減フィルタ、およびこのフィルタを用いた、モータの電源に用いて好適なインバータに関するものである。
図6にスキャナ等に用いる、矩形波駆動の単相モータに電力を供給するインバータとモータの構成を示す。図6において、直流電源10、11は直列接続され、直交変換部12に電力を供給する。直交変換部12には直列接続されたスイッチング素子13、14が内蔵されており、図示しない制御装置により交互にオン、オフされる。このため、A点の電圧波形は矩形波状の交流になる。この交流はローパスフィルタ15、モータケーブル(動力線)19を経由してモータ20に供給される。直交変換部12とローパスフィルタ15でインバータを構成している。なお、スイッチング素子13、14としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やトランジスタ、MOSFETなどが用いられる。
点Aの交流をそのままモータ20に供給すると、大きなノイズが発生する。そのため、放射電磁波を抑制するEMI(ElectroMagnetic Interference)対策を行うためローパスフィルタ15を挿入し、交流電圧の立ち上がり、立ち下がりが小さくなるようにする。
ローパスフィルタ15は、モータ20に供給する電流が流れるインダクタ16、このインダクタ16に並列に接続される抵抗17、インダクタ16の出力側と直流電源11の負側の間に接続されるコンデンサ18で構成される。このローパスフィルタ15のカットオフ周波数は、スイッチング素子13、14のスイッチング周期より高く設定される。モータ20に供給される電圧波形の高周波成分はこのローパスフィルタ15で減衰されるので、ローパスフィルタ15の出力側B点の波形は台形状になる。
図7に3相モータを用いた構成例を示す。図7において、直流電源10、11の出力は直交変換部21に入力され、矩形波状の3相交流に変換される。この3相交流はローパスフィルタ22、モータケーブル23を経由して3相モータ24に供給される。直交変換部21とローパスフィルタ22でインバータを構成している。
3相交流を発生させるため、直交変換部21はスイッチング素子を6個用いている。また、3相交流はR、S、Tの3本の線で伝送されるので、ローパスフィルタ22として図6のローパスフィルタ15と同じ構成のローパスフィルタを3組用いている。この場合も、高調波成分はローパスフィルタ22で減衰されるので、モータ24には台形状の3相交流が供給される。
なお、ローパスフィルタ15、21として図6以外のローパスフィルタを用いることもできるが、抵抗を用いたローパスフィルタはこの抵抗によって損失が発生し、効率が低下する。また、インダクタのインダクタンス、コンデンサの容量を増加させるとローパスフィルタの特性は向上するが、これらのインダクタ、コンデンサによる損失が増加する。
また、図6、図7ではモータケーブル19、23として同軸ケーブルを用いているが、必ずしも同軸ケーブルでなくてもよい。
特許文献1には、図6と同じような構成の、誘導性クランプを備えたE級増幅器の発明が記載されている。図8を用いてこの発明の概要を説明する。図8において、直流電源30の出力は信号源33の出力によって交互にオン、オフされるスイッチング素子31、32に印加される。
インダクタ34、35は直列接続され、スイッチング素子31、32の接続点Cと出力端子41の間に接続される。コンデンサ38、39はそれぞれインダクタ35の両端と直流電源30の負側に接続され、コンデンサ40はインダクタ35と出力端子41に間に挿入される。
インダクタ34と35の接続点Dにはダイオード36のアノードとダイオード37のカソードが接続される。ダイオード36のカソードは直流電源30の正側に、ダイオード37のアノードは直流電源30の負側に接続される。
このような構成において、インダクタ34と35、コンデンサ38と39でローパスフィルタが構成される。C点に発生した矩形波状の交流の高周波成分はこのローパスフィルタでカットされ、直流成分はコンデンサ40でカットされる。
点Dの電圧が直流電源30の電圧より高くなるとダイオード36が導通し、電圧をクランプする。点Dの電圧が直流電源30の負側電圧より低くなるとダイオード37が導通し、電圧をクランプする。これにより、出力端子41から過大電圧が出力されることを防止する。
特表2007−519340号公報
しかしながら、このようなインバータおよびE級増幅器には次のような課題があった。図6、図7では、モータケーブル19、23の長さが長くなると、このケーブルのインダクタンス成分や容量成分が増加する。ローパスフィルタ15、22出力のオーバーシュート、アンダーシュートがケーブルの分布容量で増幅されるので、高周波特性が悪化し、出力電圧が振動するリンギングが発生するという課題があった。
このリンギングの例を図9に示す。図9はローパスフィルタ15、22の出力波形の例である。波形の立ち上がりと立ち下がりがモータケーブルのインダクタンス成分と容量成分によって増幅され、波形が振動するリンギング42が発生している。リンギングが発生するとEMIの原因になる。また、その電圧が大きいときはモータのコネクタや内部の巻き線の絶縁破壊を招き、かつモータの鉄損が増加してモータが発熱する恐れがある。
リンギングを発生させないためにはローパスフィルタ15、22内のインダクタのインダクタンスを増加させ、またコンデンサの容量を増加させればよいが、容積が大きくなり、またローパスフィルタの損失が増加するという課題があった。モータケーブルの長さを制限し、この長さに最適なフィルタ定数を選択することも考えられるが、インバータとモータの配置が制限されてしまうという課題があった。
図8のE級増幅器は、ダイオード36、37で電圧がクランプされるので、出力電圧が過大になるという欠点は軽減される。しかし、発生する電圧によっては、ダイオード36、37に定格以上の電流が流れ、これらのダイオードを破壊する恐れがあるという課題があった。
従って本発明の目的は、小さなサイズのフィルタで出力の電圧振動を低減することができるフィルタ、およびこのフィルタを用いたインバータを提供することにある。
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
入力された信号の高調波成分を除去するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力が伝送される経路にその一端が接続される第1のダイオードと、
前記第1のダイオードの他端にその一端が接続され、他端が定電位点に接続される第1の抵抗と、
前記ローパスフィルタの出力が伝送される経路にその一端が接続される第2のダイオードと、
前記第2のダイオードの他端にその一端が接続され、その他端が定電位点に接続される第2の抵抗と、
を具備したものである。出力信号の電圧振動を低減し、過大な電圧が出力されることを防ぐことができる。
入力された信号の高調波成分を除去するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力が伝送される経路にその一端が接続される第1のダイオードと、
前記第1のダイオードの他端にその一端が接続され、他端が定電位点に接続される第1の抵抗と、
前記ローパスフィルタの出力が伝送される経路にその一端が接続される第2のダイオードと、
前記第2のダイオードの他端にその一端が接続され、その他端が定電位点に接続される第2の抵抗と、
を具備したものである。出力信号の電圧振動を低減し、過大な電圧が出力されることを防ぐことができる。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、
前記ローパスフィルタを、インダクタおよびこのインダクタに並列に接続された抵抗で構成するようにしたものである。抵抗がダンピング抵抗として動作するので、高周波成分の除去効果が高くなる。
前記ローパスフィルタを、インダクタおよびこのインダクタに並列に接続された抵抗で構成するようにしたものである。抵抗がダンピング抵抗として動作するので、高周波成分の除去効果が高くなる。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明において、
前記ローパスフィルタは、前記インダクタにその一端が接続され、他端が定電位点に接続されるコンデンサを具備したものである。ローパスフィルタの特性が更に向上する。
前記ローパスフィルタは、前記インダクタにその一端が接続され、他端が定電位点に接続されるコンデンサを具備したものである。ローパスフィルタの特性が更に向上する。
請求項4記載の発明は、
直流電力を供給する直流電源と、
この直流電源の出力が入力され、交流に変換する直交変換部と、
前記直交変換部の出力が入力される、請求項1乃至請求項3いずれかに記載の電圧振動低減フィルタと、
を具備したものである。出力の電圧振動を低減し、負荷に過大な電圧が印加されることを防止できる。
直流電力を供給する直流電源と、
この直流電源の出力が入力され、交流に変換する直交変換部と、
前記直交変換部の出力が入力される、請求項1乃至請求項3いずれかに記載の電圧振動低減フィルタと、
を具備したものである。出力の電圧振動を低減し、負荷に過大な電圧が印加されることを防止できる。
請求項5記載の発明は、請求項4記載の発明において、
前記直交変換部は3相交流を出力し、この3相交流が伝送される3本の経路の各々に、請求項1乃至請求項3いずれかに記載の電圧振動低減フィルタを接続するようにしたものである。出力の電圧振動を低減し、負荷に過大な電圧が印加されることを防止できる。
前記直交変換部は3相交流を出力し、この3相交流が伝送される3本の経路の各々に、請求項1乃至請求項3いずれかに記載の電圧振動低減フィルタを接続するようにしたものである。出力の電圧振動を低減し、負荷に過大な電圧が印加されることを防止できる。
請求項6記載の発明は、請求項4若しくは請求項5記載の発明において、
前記インバータを、モータに電力を供給するインバータとして用いたものである。不要な電磁波の放射および鉄損を低減できる。
前記インバータを、モータに電力を供給するインバータとして用いたものである。不要な電磁波の放射および鉄損を低減できる。
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項1,2、3、4および5の発明によれば、ダイオードと抵抗の直列回路の一端をローパスフィルタの出力側に、他端を定電圧点に接続して、出力電圧が前記定電圧点の電圧より大きくなったときに定電位点に電流を流して、フィルタの出力の電圧振動を低減するようにした。また、このフィルタをインバータに用いた。
請求項1,2、3、4および5の発明によれば、ダイオードと抵抗の直列回路の一端をローパスフィルタの出力側に、他端を定電圧点に接続して、出力電圧が前記定電圧点の電圧より大きくなったときに定電位点に電流を流して、フィルタの出力の電圧振動を低減するようにした。また、このフィルタをインバータに用いた。
ダイオードと抵抗の直列回路で電圧振動を低減することができるので、ローパスフィルタを構成するインダクタのインダクタンスやコンデンサの容量値を小さくすることができる。従って、これらインダクタやコンデンサを小型にすることができ、コストダウン、およびこのフィルタを使用した機器の小型化を達成することができるという効果がある。また、出力電圧の振動を低減することができるので、放射電磁波を抑制することができるという効果もある。
さらに、このフィルタをインバータに用いると、電力を供給する機器に過大な電圧を与えることがないので、機器の絶縁破壊などを防止することができるという効果がある。特に、設置条件によってインバータと機器間の距離が大きく変化し、電力を搬送するケーブルが長くなる機器に用いると特に効果が大きい。さらに、機器がモータである場合には、鉄損を低減することができるという効果もある。
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明に係るフィルタ、およびこのフィルタを単相モータに電力を供給するインバータに適用した一実施例を示す構成図である。なお、図6と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図1において、50はフィルタであり、ローパスフィルタ51、ダイオード52、54、および抵抗53、55で構成される。
ローパスフィルタ51は、図6従来例のローパスフィルタ15と同じ構成を有している。インダクタ16と抵抗17は並列接続され、その一端は直交変換部12の出力端子であるA点に接続され、他端にはコンデンサ18の一端が接続される。このコンデンサ18の他端は直流電源11の負側に接続される。
ダイオード52のアノードとダイオード54のカソードはローパスフィルタ51の出力側であるB点に接続される。ダイオード52のカソードには抵抗53の一端が接続され、この抵抗53の他端は直流電源10の正側に接続される。また、ダイオード54のアノードには抵抗55の一端が接続され、この抵抗55の他端は直流電源11の負側に接続される。
ダイオード52、54はそれぞれ第1、第2のダイオードに相当し、抵抗53、55はそれぞれ第1、第2の抵抗に相当する。また、直流電源10、11の出力電源の接続点はグラウンドに接続され、かつ定電圧を出力するので、直流電源10の正側、および直流電源11の負側は定電位点である
図6で説明したように、直交変換部12の出力波形は矩形波状になる。この矩形波はフィルタ50でその高調波成分が除去されて台形状に整形され、モータケーブル19を介してモータ20に供給される。
次に、ダイオード52、54、および抵抗53、55の動作を説明する。B点の電位が直流電源11の正側の電位より高くなるとダイオード52がオンになり、電流が直流電源10に戻される。同様に、B点の電位が直流電源12の負側の電位より低くなるとダイオード54がオンになり、電流が直流電源11に戻される。この結果、B点の電圧は直流電源10、11の出力電圧に制限される。すなわち、B点の電圧振動(リンギング)が抑えられる。このため、インダクタ16のインダクタンスは、図6従来例の1/10程度でも十分な効果が得られる。
ダイオードによってリンギングを抑える点では、図8のE級増幅器も同じである。しかし、図1実施例ではダイオード52と54に直列に、それぞれ抵抗53および55が接続されている。この結果、ダイオード52、54に流れる電流が制限され、これらのダイオードに過大電流が流れて、ダイオードが破壊されるという事故を防止することができる。また、ダイオードとして最大電流値が小さい安価な汎用ダイオードを使用することができる。抵抗53、55の抵抗値は、B点の予測される最大電圧時に、ダイオード52、54に流れる電流がこれらのダイオードの定格を越えないように選択する。
なお、インダクタ16に並列に接続されている抵抗17は、ダンピング抵抗として機能する。この抵抗17によって高周波成分が熱として消費されるので、B点の電圧振動を抑えることができる。抵抗17がないと高周波除去特性が低下し、ダイオード52、54に流れる電流が増加する。
また、コンデンサ18はローパスフィルタを構成する部品であるが、省略することもできる。さらに、ローパスフィルタ51の効果を高めるために、直交変換器12のスイッチング周波数をローパスフィルタ51の折点周波数より充分高くなるように選定する。
図2を用いて、ダイオード52、54、および抵抗53、55の動作を説明する。なお、図1と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図2(A)は点Bの電圧が電源電圧より高いときの等価回路である。ダイオード52はオンになり、電流は矢印60の方向に流れる。抵抗53の抵抗値をR53、直流電源10の電圧をVsh、B点の電圧をVとし、ダイオード52の順方向電圧を無視すると、ダイオード52に流れる電流I52は下式で求められる。この電流は直流電源10に返される。
I52=(V−Vsh)/R53
抵抗53の抵抗値を調整することによって、ダイオード52に流れる電流を制限することができる。
I52=(V−Vsh)/R53
抵抗53の抵抗値を調整することによって、ダイオード52に流れる電流を制限することができる。
図2(B)は、B点の電圧が直流電源11の負側の電圧より低くなったときの等価回路である。この場合は矢印61の方向に電流が流れる。B点の電圧をV、直流電源11の負側の電圧をVsl、抵抗55の抵抗値をR55とすると、ダイオード54に流れる電流I54は下式で求めることができる。この場合も、抵抗55の抵抗値を調整することによって、ダイオード54に流れる電流を制限することができる。
I54=(V−Vsl)/R55
I54=(V−Vsl)/R55
図3に、三相モータを用いた構成を示す。なお、図7と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図3において、インバータ21は内部のスイッチング素子を動作させ、矩形波状の三相交流を発生させる。この三相交流は3本の線R、S、Tで伝送される。
フィルタ70は、ローパスフィルタ51と同じ構成を有するローパスフィルタ71〜73、ダイオードD1〜D6、および抵抗R1〜R6で構成される。ローパスフィルタ71とダイオードD1、D2は線Rに接続される。ローパスフィルタ71、ダイオードD1、D2、および抵抗R1、R2でフィルタ50と同じ構成のフィルタが構成され、線Rの電圧振動を除去する。
また、ローパスフィルタ72、ダイオードD3、D4、および抵抗R3、R4でフィルタ50と同じ構成のフィルタが構成され、線Sの電圧振動を除去する。同様に、ローパスフィルタ73、ダイオードD5、D6、および抵抗R5、R6でフィルタ50と同じ構成のフィルタが構成され、線Tの電圧振動を除去する。電圧振動が除去され、台形状に整形された電圧はモータケーブル23を介してモータ24に供給される。なお、この実施例でも、ローパスフィルタ71〜73内の抵抗およびコンデンサは省略することができる。
次に、図1実施例のシミュレーション結果を示す。なお、直交変換部12のスイッチング素子のスイッチング周波数を20kHz、直流電源10、11の出力電圧を400V、抵抗17の抵抗を100Ω、インダクタ16のインダクタンスを100μH、抵抗53、55の抵抗値を1Ωとした。また、(A)、(B)、(E)の縦軸の目盛りは1kV/div、(C)、(D)は10A/divである。
図4(A)はA点の電圧波形であり、矩形波になっている。(B)は抵抗17に流れる電流波形である。A点の出力の立ち上がり、立ち下がり点付近は高周波成分が多いので、この近傍でのみ電流が流れており、ダンピング抵抗として機能していることがわかる。
(C)、(D)はそれぞれダイオード52、54に流れる電流波形である。A点の電圧の立ち上がり、立ち下がり点付近で電流が大きく振動している。(E)はB点の電圧、すなわちモータ20に供給される電圧波形である。ダイオード52、54で電圧がクランプされるので、B点の電圧は理想に近い台形波形になっており、かつ直流電源10、11の出力電圧である±400Vを越えることはない。
図5に、モータケーブル20の長さが50mであるときの、フィルタ50の出力電圧波形とモータ端子間の波形のシミュレーション結果を示す。なお、直交変換部12のスイッチング周波数は20kHz、抵抗17、53、55の抵抗値はそれぞれ100、1、1Ω、インダクタ16のインダクタンスは100μHである。
図5(A)はフィルタ50の出力電圧波形である。ほぼ理想に近い台形波形になっている。(B)はモータケーブルで50m伝送したときの、モータ端子間の電圧波形である。多少リンギングは発生しているが、モータ側のコネクタやモータ内部の絶縁破壊を発生させるほど電圧は上昇していないことがわかる。
これらのシミュレーション結果から、フィルタ50、70の定数を調整しないでモータドライバとモータ間の距離を50m離しても、モータ端子間のリンギングはわずかであり、実用上問題がないことがわかる。
なお、これらの実施例ではフィルタ50、70をインバータに用いることとして説明したが、出力電圧の電圧振動を抑制する用途であれば、他の用途に用いることもできる。また、モータに電力を供給するインバータとして説明したが、モータ以外の機器に電力を供給するインバータに適用することもできる。
また、ローパスフィルタ51、71〜73は、図1、図3の構成に限られることはない。低域通過特性を有するものであれば、任意の構成のものを使用できる。さらに、これらの実施例では直流電源を2つ直列接続したが、1つの直流電源を用いることもできる。この場合、途中の経路にコンデンサを挿入し、直流成分をカットする。
10、11 直流電源
12、21 直交変換部
13、14 スイッチング素子
16 インダクタ
17、53、55、R1〜R6 抵抗
18 コンデンサ
19、23 モータケーブル
20、24 モータ
50、70 フィルタ
51、71〜73 ローパスフィルタ
52、54、D1〜D6 ダイオード
12、21 直交変換部
13、14 スイッチング素子
16 インダクタ
17、53、55、R1〜R6 抵抗
18 コンデンサ
19、23 モータケーブル
20、24 モータ
50、70 フィルタ
51、71〜73 ローパスフィルタ
52、54、D1〜D6 ダイオード
Claims (6)
- 入力された信号の高調波成分を除去するローパスフィルタと、
前記ローパスフィルタの出力が伝送される経路にその一端が接続される第1のダイオードと、
前記第1のダイオードの他端にその一端が接続され、他端が定電位点に接続される第1の抵抗と、
前記ローパスフィルタの出力が伝送される経路にその一端が接続される第2のダイオードと、
前記第2のダイオードの他端にその一端が接続され、その他端が定電位点に接続される第2の抵抗と、
を具備したことを特徴とする電圧振動低減フィルタ。 - 前記ローパスフィルタは、インダクタおよびこのインダクタに並列に接続された抵抗で構成されていることを特徴とする請求項1記載の電圧振動低減フィルタ。
- 前記ローパスフィルタは、前記インダクタにその一端が接続され、他端が定電位点に接続されるコンデンサを具備したことを特徴とする請求項2記載の電圧振動低減フィルタ。
- 直流電力を供給する直流電源と、
この直流電源の出力が入力され、交流に変換する直交変換部と、
前記直交変換部の出力が入力される、請求項1乃至請求項3いずれかに記載の電圧振動低減フィルタと、
を具備したことを特徴とするインバータ。 - 前記直交変換部は3相交流を出力し、この3相交流が伝送される3本の経路の各々に、請求項1乃至請求項3いずれかに記載の電圧振動低減フィルタが接続されていることを特徴とする請求項4記載のインバータ。
- 前記インバータは、モータに電力を供給するインバータであることを特徴とする請求項4若しくは請求項5記載のインバータ。
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