JP2019140769A - サージ電圧抑制装置、これを使用した電力変換装置及び多相モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この多相モータに印加されるサージ電圧を抑制するために、特許文献1に記載されたサージ電圧抑制回路が提案されている。
この特許文献1に記載されたサージ電圧抑制回路では、モータと、このモータを駆動するインバータとの間に接続された3相ケーブルのそれぞれに抵抗及びコンデンサの直列回路の一端を接続し、各直列回路の他端を互いに接続してインバータの直流電圧の中性点に接続するようにしている。
結果として、サージ抑制回路の適用条件に詳細な制約(スイッチング周波数やケーブル長)を設けざるを得ず、使い勝手が悪くなったり、過大な電流が生じても焼損しないような大きな許容電力を有する抵抗を選定してサージ抑制回路が大型化したりする。
そこで、本発明は、上述した先行技術の課題に着目してなされたものであり、電動モータ端子から反射されてモータケーブルを介して伝搬される反射成分をリアクトル側で吸収することができるサージ電圧抑制装置、これを使用した電力変換装置及び多相モータ駆動装置を提供することを目的としている。
さらに、本発明に係る多相モータ駆動装置は、多相モータと、この多相モータを駆動するインバータと、上述したサージ電圧抑制装置とを備えている。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
図1に示すように、モータ駆動装置10は、三相交流電源11と、この三相交流電源11から出力される三相交流電力がトランス12を介して入力される電力変換装置13と、この電力変換装置13から出力される三相電力によって駆動される三相モータ14とを備えている。
電力変換装置13は、トランス12から三相リアクトル20を介して入力される三相交流電力を直流電力に変換するパルス幅変調(PWM)コンバータ(以下、PWMコンバータと称す)21と、このコンバータ21から出力される直流電力を平滑化する平滑コンデンサ22と、この平滑コンデンサ22で平滑化された直流電力を三相交流電力に変換して三相モータ14に供給する三相インバータ23とを備えている。
R相スイッチングレグCSLrは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される2つのスイッチング素子Q11及びQ12が直列に接続されている。S相スイッチングレグCSLs及びT相スイッチングレグCSLtも、R相スイッチングレグCSLrと同様のスイッチング素子Q13,Q14及びQ15,Q16が直列に接続されている。なお、各スイッチング素子Q11〜Q16には、逆並列に還流ダイオードD11〜D16が接続されている。
さらに、各スイッチング素子Q11〜Q16のゲートには、図示しないゲート駆動回路からパルス幅変調(PWM)信号でなるゲート信号が入力されることにより、トランス12からの交流電力を直流電力に変換して高電位側配線Lp及び低電位側配線Lnに出力する。
また、三相インバータ23は、図1に示すように、平滑コンデンサ22が接続された高電位側配線Lp及び低電位側配線Ln間に、U相スイッチングレグISLu、V相スイッチングレグISLv及びW相スイッチングレグISLwが並列に接続されたフルブリッジ回路を備えている。
また、各スイッチングレグISLu、ISLv及びISLwのスイッチング素子Q21,Q23及びQ25とスイッチング素子Q22,Q24及びQ26との接続点である交流出力端が三相のモータケーブル24を介して三相モータ14のモータ端子tu、tv及びtwに接続されている。ここで、モータケーブル24は、スイッチング素子Q21及びQ22の交流出力端及びモータ端子tu間に接続されたU相ケーブルLuと、スイッチング素子Q23及びQ24の交流出力端及びモータ端子tv間に接続されたV相ケーブルLvと、スイッチング素子Q25及びQ26の交流出力端及びモータ端子tw間に接続されたW相ケーブルLwとで構成されている。
三相インバータ23及び三相モータ14間のモータケーブル24には、電圧クランプ形dV/dtフィルタ30が設けられている。この電圧クランプ形dV/dtフィルタ30は、モータケーブル24の各相ケーブルLu〜Lwの三相インバータ23側に接続された三相リアクトル31と、各相ケーブルLu〜Lwの三相リアクトル31側に接続されたダイオードブリッジ回路32と、ダイオードブリッジ回路32の交流入力側に接続された還流電流抑制抵抗としての限流抵抗33とを備えている。
ダイオードブリッジ回路32は、直流出力側となる高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1との間に並列に接続された3組のダイオードレグ32u、32v及び32wを備えている。
ダイオードレグ32uは、高電位側配線Lp1及び低電位側配線Ln1間に2つのダイオードD31及びD32が直列に接続され、ダイオードD31のカソードが高電位側配線Lp1に接続され、アノードがダイオードD32のカソードに接続され、ダイオードD32のアノードが低電位側配線Ln1に接続されている。さらに、ダイオードD31及びD32間の中間点である交流入力端が三相リアクトル31のU相リアクトル31uとモータケーブル24のU相ケーブルLuとの接続点P1uに接続されている。
そして、高電位側配線Lp1が電力変換装置13の高電位側配線Lpに接続され、低電位側配線Ln1が電力変換装置13の低電位側配線Lnに接続されている。
まず、電圧クランプ形dV/dtフィルタ30に限流抵抗33を設けない場合について説明する。
良く知られているように、インバータサージ電圧は、三相インバータ23が出力する電圧の立ち上がりや立ち下がり時間が短いがために、モータケーブル24の三相モータ14側端部でのインピーダンス不整合に伴う電圧反射が顕著に表れることに起因して生じる。
すると、モータ受電端に印加されるサージ電圧は、図2(b)で点線図示のフィルタ無しのモータ受電端電圧に対して、フィルタ有りの場合のモータ受電電圧を図2(b)で実線図示のように低減させることができる。
一方で、還流電流が流れる経路に限流抵抗33を設けることにより、還流電流を低減することができる。すなわち、図4に示すように、限流抵抗33を設けない場合のダイオード電流は、点線図示のように振幅が大きく減衰が遅くなる減衰振動波形となるのに対し、限流抵抗33を設けた場合には、実線図示のように還流電流は振幅が小さく且つ速やかに低減することが判る。
これに対し、第1実施形態のように、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特性インピーダンスZcと同等にすることにより、図6で実線図示のように限流抵抗33を設けることによるサージ電圧を抑制することができる。つまり、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブルの特性インピーダンスZcと同等に設定することにより、モータ受電端線間電圧のピーク値を図6で実線図示のように、図6で点線図示の限流抵抗を設けない場合のモータ受電端線間電圧のピーク電圧値と同等することができる。すなわち、モータ受電端線間電圧の最大値は、限流抵抗を設けた場合と設けない場合とで変化はなく、ともに約1.3Edで同等となる。
このような本実施形態の原理とその効果について、図8及び図9を伴って詳細に説明する。図8は実線図示の本実施形態と点線図示の限流抵抗33を設けた場合、一点鎖線図示の限流抵抗33を設けない場合のフィルタ出力端電圧を示している。時刻t1でインバータの半導体素子がスイッチングすると、フィルタのリアクトルLfとモータケーブルの特性インピーダンスZcで決まる、時定数Lf/Zcの1次遅れ波形で電圧が立ち上がる。例えば、図8に示した検証においてはインバータ出力端電圧がインバータ直流中間電圧Edに達する立ち上がり時間は0.1μsに設定しているが、フィルタ30を接続することで立ち上がり時間を約2μsまで遅くすることができる。
インバータサージ電圧が問題となるような周波数帯域では、フィルタ30のインピーダンスはリアクトル31のインダクタンスLfよりも限流抵抗33の抵抗値Rfの方が支配的になるようにインダクタンスLfの値を設定する。
インバータサージ電圧が問題になるような周波数帯域は、インバータサージ電圧の振動周期(図2(b)参照)の周波数と、インバータ出力電圧の立ち上がり時間をTr(図2(a)参照)としたときの1/(π・Tr)の周波数との間の周波数帯域である。
ただし、インダクタンスLfを大きくするとフィルタが大型化する等の問題が発生する。そこで、1/(π・Tr)の周波数に対しては、インダクタンスLfの値を2π・1/(π・Tr)・Lf>Rfに基づいて設定する。すなわち、インダクタンスLfの値をTr・Rf/2より大きい値に設定する(Lf>Tr・Rf/2)。この結果、リアクトル31のインダクタンスLfよりも限流抵抗33の抵抗値Rfの方が支配的になり、サージ電圧の抑制に寄与できる。
本実施形態では、限流抵抗33の抵抗値がモータケーブル24の特性インピーダンスZcと一致しているため、t3以降はフィルタ出力端での反射は発生しない。
一方で限流抵抗を設けたフィルタ30は、限流抵抗値が還流電流を抑制するように決定されており、モータケーブル24の特性インピーダンスと一致しないため、再び反射が起こる。点線図示のように、時刻t3以降のフィルタ出力端電圧の傾きが、本実施形態に比べ大きくなっているのはこのためである。また、限流抵抗33の無いフィルタは、フィルタのインピーダンスはダイオードの導通抵抗程度と、モータケーブル24の特性インピーダンスよりも小さいため、負の反射が起こる。
限流抵抗33の各抵抗Ru〜Rwの抵抗値は、モータケーブル24の種類や敷設条件などに応じて各相個別の値を設定しても良い。
例えば、モータケーブル24には図10に断面図を示すような4芯ケーブル40を用いることがある。この4芯ケーブル40は、それぞれ導体を絶縁被覆したU相導体40u、V相導体40v、W相導体40w及びアース用導体40eを束ねて絶縁被覆40cで覆ったものである。このような4芯ケーブル40を用いた場合、V相はU相やW相に対して非対象な配置であるため、それに伴ってV相の特性インピーダンスはU相やW相のそれとは異なる値となる。これを反映して、V相の限流抵抗値にはU相やW相とは異なる値を設定しても良い。
単芯のモータケーブルをU相用、V相用及びW相用に3本用いる場合は、隣り合うように配置された相と、遠くに配置された相とでは特性インピーダンスが異なるため、これを限流抵抗Ru、Rv及びRwの抵抗値に反映すれば良い。
図11には、単芯ケーブルと3芯ケーブルおよび4芯ケーブルのモータケーブルの特性インピーダンス測定例を示している。図11(a)では、横軸をケーブルの導体の公称断面積とし、縦軸をモータケーブルの特性インピーダンスとしている。図11(b)では、横軸をケーブルの導体の許容電流とし、縦軸をモータケーブルの特性インピーダンスとしている。
モータケーブル24は、公称断面積ごとに許容電流が定められている。また実用上は、敷設条件に応じて許容できる発熱量が小さくなることを考慮するためや、ケーブルで生じる電圧降下を許容範囲以下にするために、公称断面積ごとに定められた許容電流に1以下の係数を乗じた値を基にケーブルを選定することもある。上記例では、23Aの定格電流を流すために、公称断面積ごとに定められた許容電流から適用導線の断面積を決めると、公称断面積2mm2以上であれば良いが、適用する敷設条件を考慮した場合は公称断面積が5.5mm2以上であることが必要となる。
3芯ケーブル :Zc=93×I−0.266 [Ω] ・・・式(2)
4芯ケーブル :Zc=142×I−0.256 [Ω] ・・・式(3)
上記の(1)〜(3)式を参照し、許容電流50Aのフィルタ30の場合で、モータケーブル24として単芯ケーブルを用いる場合は、上記(1)式から限流抵抗33の抵抗値を89Ω(283×50−0.295)に設定する。同様に、モータケーブル24として3芯ケーブルを用いる場合には許容電流Iを上記(2)式に代入することにより、限流抵抗33の抵抗値を設定することができる。さらに、モータケーブル24として4芯ケーブルを用いる場合には、許容電流Iを上記(3)に代入することにより、限流抵抗33の抵抗値を設定することができる。
この場合の限流抵抗R3p及びR3nの抵抗値は以下のようにして決定する。
すなわち、インバータのスイッチング素子が、U相は下アームがオン、V相とW相は上アームがオンしている場合を例に、図1、図11及び図12に対応する図14(a)、(b)及び(c)を参照しながら、限流抵抗33の接続位置に応じた抵抗値の設定方法について説明する。
すなわち、モータケーブル24の特性インピーダンス値は、U相経路のインピーダンスZcと、V相とW相の並列接続インピーダンスZc/2の直列回路とみなすことができる。したがって、Zc+Zc/2=3/2Zcで表すことができる。
Ru+(Rv・Rw)/(Rv+Rw)、
Ru=Rv=Rw=R1の場合は(3/2)R1
U相経路の限流抵抗Ruと、V相とW相の並列接続インピーダンス(RvRw)/(Rv+Rw)との直列回路とみなすことができる。3相すべての限流抵抗値が等しい値R1(Ru=Rv=Rw=R1)の場合は、(3/2)R1で表すことができる。
R2u+(R2yR2z)/(R2y+R2z)、
R2u=R2y=R2z=R2の場合は(3/2)R2
U相経路の限流抵抗R2uと、V相とW相の並列接続インピーダンス(R2yR2z)/(R2y+R2z)との直列回路とみなすことができる。3相すべての限流抵抗値が等しい値R2(R2u=R2y=R2z=R2)の場合は、(3/2)R2で表すことができる。
R3p+R3n
R3p=R3n=R3の場合は2R3
U相経路(=直流部正側経路)の限流抵抗R3pと、V相とW相の経路(=直流部負側経路)の限流抵抗R3nとの直列回路とみなすことができる。正側と負側の限流抵抗値が等しい値R3(R3p=R3n=R3)の場合は、2R3で表すことができる。
そこで、(1)と(2)を比較すると、モータケーブル側のインピーダンスが(3/2)Zcであるのに対し、ダイオードブリッジ側は(3/2)R1と、ケーブルの特性インピーダンスや限流抵抗に係る定数はどちらも3/2である。したがって、図14(a)の限流抵抗33の配置における各相の限流抗値は、モータケーブルにおける各相の特性インピーダンスに対して、実施例で説明した通り同等の値を設定すれば良いことになる。
この場合には、回路構成は図1と同様の回路構成であるが、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特定インピーダンス未満の値に設定することにより、損失のピーク値を低減している。
すなわち、第1の実施形態では、限流抵抗値をケーブルの特性インピーダンスと一致させているため、限流抵抗33で生じる損失の瞬時的なピーク値は大きな値となる。一方本実施例では、限流抵抗値をケーブルの特性インピーダンス未満の値に設定することで、損失のピーク値を低減することができる。
したがって、図15から第2実施形態では損失のピーク値が低減することが確認できる。
第2実施形態のサージ低減原理は、第1実施形態で述べた、限流抵抗33を設けないフィルタと同等であるが、本実施例ではフィルタ30のダイオード導通後のインピーダンスが限流抵抗33分加算されるため、負の反射電圧は小さくなる。そのため、モータ受電端電圧の電圧振動は限流抵抗33を設けないフィルタよりも小さくなる。このように、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特性インピーダンス未満の値に設定すれば、ダイオード導通後のフィルタ30のインピーダンスはケーブルの特性インピーダンスよりも小さくなるため、正の反射は生じない。
そのため、インバータのスイッチング素子が1回スイッチングした場合のモータ受電端電圧の最大値は、いずれの限流抵抗値であっても第1実施形態と同等まで小さくすることができる。よって限流抵抗33の値は、損失のピーク値やダイオードの許容電流などとの兼ね合いで、適切な値に設定することができる。
この第3実施形態では、第2実施形態において連続スイッチング時に過大なサージ電圧が生じる問題を解決するようにしたものである。
すなわち、第3実施形態では、第2実施形態に対し、限流抵抗33の抵抗値は、小さければそれで良い、ということではなく、限流抵抗33の抵抗値Rfを下記のように設定する。
Zc/2≦限流抵抗値Rf≦Zc
まず、インバータのスイッチング素子が短時間内に連続スイッチングした場合の挙動について、図17を伴って説明する。この図17には、インバータが連続してスイッチングした場合の、インバータ出力端電圧を図17(a)に示し、モータ受電端電圧を図17(b)に示している。またスイッチング間隔がサージ電圧減衰時間よりも大きい場合を図17(c)に示し、スイッチング間隔がサージ電圧減衰時間よりも非常に小さい場合を図17(d)に示している。この図17から判るように、スイッチング間隔がサージ電圧減衰時間よりも小さいと、1度目のスイッチングよって発生するサージ電圧が2度目のスイッチングによって発生するサージ電圧に重畳して、モータ受電端には大きなサージ電圧が生じる。
この第4実施形態では、零相サージ電圧成分を低減することができるようにしたものである。
すなわち、第4実施形態では、図19に示すように、ダイオードブリッジ回路32の高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1との間に対地用ダイオードレグ34を追加している。この対地用ダイオードレグ34は、高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1との間ダイオードD41及びD42を直列に接続し、ダイオードD41及びD42の中間点を接地に接続することで、前述した第1〜第3実施形態で説明した線間サージ電圧の抑制に加え、対地サージ電圧も低減するようにしている。
ここで、零相成分のサージ電圧とは、三相モータ14のフレーム電位とモータ巻線間に生じるサージ電圧であり、対地間のモータ破損の原因となる。一般に、零相成分のサージ電圧は、三相インバータやPWMインバータのスイッチング動作に加え、接地の取り方や、インバータやモータの並列運転数などでも大きく変化し、一般的に巻線間サージ電圧よりも対策が難しい。
しかも、零相成分のサージ電圧抑制効果を、ダイオードブリッジ回路32に整流ブリッジ回路を構成する三相のダイオードレグ32u〜32wと並列に中間点を接地した対地用ダイオードレグ34を接続するだけで容易に得ることができる。さらに、零相成分のサージ電圧抑制効果が、三相インバータやPWMインバータのスイッチング動作や、接地の取り方や、インバータやモータの並列運転数に影響されることがない。
また、上記第4実施形態では、対地用ダイオードレグ34の中間点を直接接地する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図22に示すように、対地用ダイオードレグ34の中間点と接地との間に漏れ電流を抑制する漏れ電流抑制インピーダンスZeを接続するようにしてもよい。この漏れ電流抑制インピーダンスZeは、具体的には、図23(a)に示す漏れ電流抑制抵抗Re、図23(b)に示す低周波電流成分抑制用の接地コンデンサCe及び図23(c)に示す漏れ電流抑制抵抗Reと低周波電流成分抑制用の接地コンデンサCeの直列回路の何れか1つを選択すればよい。
この第5実施形態では、ダイオードブリッジ回路32の直流出力端側にスナバコンデンサを接続するようにしたものである。
すなわち、第5実施形態では、図24に示すように、前述した第1実施形態の構成において、ダイオードブリッジ回路32の直流出力端となる高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1との間にスナバコンデンサCsが接続されている。このスナバコンデンサCsは、ダイオードブリッジ回路32の直近に配置することで、ダイオードの過電圧破壊を防止できる。また、スナバコンデンサCsは、0.数μF以下の小さな静電容量で構成されており、特許文献1に記載されたサージ電圧抑制回路などで用いるコンデンサよりも静電容量が小さい。このため、本発明の不要共振周波数はスイッチング周波数よりも非常に高くなるため、直列共振による過大な電流が生じることはない。
また、上記第1〜第5実施形態では、限流抵抗33の接続位置をダイオードブリッジ回路32の交流入力端側、直流出力端側、ダイオードブリッジ回路32内に設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、還流電流の電流経路に複数の抵抗に分割して配置することもできる。要は還流電流の電流経路に限流抵抗が接続されていればよい。
また、上記第1〜第5実施形態では、電力変換装置13を構成する三相インバータ23で三相モータ14を駆動する場合について説明したが、四相以上の多相モータを多相インバータで駆動する場合にも本発明を適用することができる。この場合、ダイオードブリッジ回路32を、多相モータの相数に応じた数のダイオードレグを並列に接続すればよい。
Claims (12)
- 多相モータと当該多相モータを駆動する多相インバータとの間を接続する多相のモータケーブルの当該多相インバータ側に介挿した多相リアクトルと、
前記モータケーブルと前記多相リアクトルとの接続点に個別に中間点が接続された多相ダイオードレグを並列に接続したダイオードブリッジ回路と、
前記多相ダイオードレグを通る電流経路に個別に介挿された還流電流抑制抵抗とを備え、
前記ダイオードブリッジ回路の直流高電位側及び低電位側が前記多相インバータの直流高電位側及び直流低電位側に個別に接続され、
前記還流電流抑制抵抗の抵抗値が前記モータケーブルを介して前記多相モータ側から伝搬する反射電圧の正反射を阻止する値に設定されているサージ電圧抑制装置。 - 前記還流電流抑制抵抗の抵抗値は、前記反射電圧の極性を反転して反射する負の反射が生じる値に設定されている請求項1に記載のサージ電圧抑制装置。
- 前記還流電流抑制抵抗の抵抗値は、前記モータケーブルの特性インピーダンス以下で、且つ前記多相モータの受電端線間電圧の極小値が前記多相インバータの直流電圧以上となる値に設定されている請求項1に記載のサージ電圧抑制装置。
- 前記還流電流抑制抵抗は、前記ダイオードブリッジ回路の各多相ダイオードレグの中間点と前記接続点間に接続されている請求項1から3の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置。
- 前記還流電流抑制抵抗は、前記ダイオードブリッジ回路の高電位側及び前記多相インバータの高電位側と、前記ダイオードブリッジ回路の低電位側及び前記多相インバータの低電位側との間にそれぞれ接続されている請求項1から3の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置。
- 前記ダイオードブリッジ回路は、多相ダイオードレグと並列に対地用ダイオードレグが接続され、該対地用ダイオードレグの中間点が接地に接続されている請求項1から5の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置。
- 前記対地用ダイオードレグの中間点と接地との間に漏れ電流抑制インピーダンスが接続されている請求項6に記載のサージ電圧抑制装置。
- 前記漏れ電流抑制インピーダンスは、抵抗及びコンデンサの少なくとも一方で構成されている請求項7に記載のサージ電圧抑制装置。
- 前記多相リアクトルのインダクタンス値は、前記モータケーブルのインダクタンスの2/π倍より大きい値に設定する請求項1から8の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置。
- 前記多相リアクトルのインダクタンス値は、前記還流電流抑制抵抗の抵抗値と前記多相インバータの出力電圧の立ち上がり時間との乗算値を2で除した値より大きい値に設定する請求項1から8の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置。
- 多相モータを駆動する多相インバータと、
前記請求項1から10の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置と、
を備えた電力変換装置。 - 多相モータと、
前記多相モータを駆動する多相インバータと、
前記請求項1から10の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置と、
を備えた多相モータ駆動装置。
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