JP3468262B2 - 三相電圧形インバータ - Google Patents

三相電圧形インバータ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、交流電動機を可変
速駆動するための自己消弧形半導体素子を用いた三相電
圧形インバータに関し、特に、負荷としての交流電動機
側に流れる零相電流を低減させるようにした三相電圧形
インバータに関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、インバータの漏れ電流を低減す
る第1の従来技術を示している。この回路は、平成8年
電気学会全国大会・論文No.852「インバータ負荷
のアクティブ漏れ電流補償回路」として発表されている
ものである。その詳細な説明は省略するが、基本動作と
しては、誘導電動機IMに流れる零相電流iLと逆向き
の補償電流iL’を接地点に供給することにより、イン
バータの電源側に流れる零相電流iSLを大きく減衰させ
るものである。なお、補償電流iL’は、補償回路内の
トランジスタTr1,Tr2のオン、オフによって供給
される。ここで、補償回路C1は、零相電流検出器C
T、トランジスタTr1,Tr2、コンデンサCbから
構成されている。
【0003】また、図5は第2の従来技術を示してい
る。この方式は、平成8年電気学会産業応用部門全国大
会・論文No.102に「能動回路を用いたPWMイン
バータが発生するコモンモード電圧の除去」として掲載
されている。ここでの基本動作は、インバータのスイッ
チングによって変動する零相電圧と逆向きの零相電圧を
コモンモードトランスにより発生させて零相電圧をキャ
ンセルし、結果として、誘導電動機IMの接地側に流れ
る零相電流i(t)を低減させるものである。なお、零
相電圧をキャンセルさせるコモンモードキャンセラC2
は、トランジスタTr1,Tr2、その入力側の星形結
線されたコンデンサC0、コモンモードトランスCM
T、その一次巻線及びトランジスタTr1,Tr2に接
続されたコンデンサC1,C1から構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】図4に示した第1の従
来技術では、電源側の零相電流iSLを補償回路C1の動
作により低減させることができるが、電動機側を流れる
零相電流は低減させることができない。特に、インバー
タ部と電動機IMが離れて設置されている場合は零相電
流が各所に流れるため、周辺機器に悪影響を与える場合
がある。
【0005】図5に示した第2の従来技術では、コモン
モードトランスCMTにより零相電圧を直接補償するの
でどこにも零相電流を流すことはないが、インバータ部
のスイッチングパターンによって生じる零相電圧と同じ
零相電圧を発生する必要がある。例えば、三角波−正弦
波比較方式PWMパターンのように、零相電圧の極性が
PWMパターンの変化毎に正負交互に変化する場合は、
零相電圧の周波数が高くなるためコモンモードトランス
CMTは小さくできるが、2アーム変調方式PWMパタ
ーンのように、出力電圧に積極的に零相電圧を重畳させ
て線間の基本波電圧を大きくするPWMパターンでは零
相電圧の周波数は低くなり、コモンモードトランスCM
Tを大きくする必要が生じてコストの上昇を招く。
【0006】そこで本発明は、PWMパターンに関係な
く、電動機側の零相電流を低減させるようにした三相電
圧形インバータを提供しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、インバータ部の交流出力側に零相電流
のみに誘導性インピーダンスとして作用する零相リアク
タンスを付加し、インバータ部が発生する零相電圧によ
って生じる零相電流を前記零相リアクタンスを通過後に
再びインバータ部に戻すための電流源を、インバータ部
の直流入力側と前記零相リアクタンスの負荷側端子との
間に接続する。なお、上記電流源は検出した零相電流を
小さくする極性の零相電流を通流するように選ばれる。
【0008】図2は、零相電圧・零相電流に着目したイ
ンバータシステムの等価回路を示すものである。基本構
成は、電源、インバータ部及び負荷であるが、インバー
タ部は零相電圧を発生する電圧源と見なし、電源及び負
荷は高周波的にはそれぞれが浮遊容量CS,CLを介して
接地されていると見なしている。また、電源、インバー
タ部及び負荷は配線や接地線におけるインダクタンスを
介して接続されるが、一般的にインバータ部の浮遊容量
は、例えば三相誘導電動機のような負荷に比べて小さい
こと、電源や負荷とインバータ部を接続する配線インダ
クタンスは接地線のインダクタンスに比べて小さいこと
から、この図では無視している。図2の等価回路によれ
ば、インバータ部によって零相電圧が発生すると零相電
流が流れることが容易に理解できる。
【0009】図3は、同じく零相電圧・零相電流に着目
した等価回路である。この回路は、図2に対して、零相
電圧の電圧源であるインバータ部と負荷との間に零相リ
アクタンスが挿入され、インバータ部と零相リアクタン
スとからなる直列回路の両端が零相電流の補償用電流源
によって短絡されている。図3から明らかなように、零
相電圧と零相リアクトルで決まる零相電流を補償用電流
源が供給することにより、零相電流はこのループ内のみ
を流れるので、電動機及び電源側には流れなくなる。
【0010】また、図3の等価回路のように零相電流の
流れるループ内のインピーダンスがインダクタンス成分
のみである場合には、低周波の零相電圧があると電流値
が大きくなるので、このような成分の零相電流を通過さ
せないようにコンデンサを挿入するか、電流源として低
次高調波成分は増幅しないように零相電流の検出値から
低次高調波成分を除去すると良い。これによって、零相
電圧を重畳したPWMパターンにも適用することが可能
となる。
【0011】すなわち、請求項1記載の発明は、インバ
ータ部の交流出力側各相にそれぞれが密結合している3
個のリアクトルからなる零相リアクタンスを接続し、こ
の零相リアクタンスと負荷との間に零相電流検出器を接
続すると共に、この零相電流検出器による検出電流を入
力信号として増幅し、前記インバータ部及び零相リアク
タンスを含む閉ループ内に零相電流を流す零相電流補償
用電流源を備えたものである。
【0012】請求項2記載の発明は、前記インバータ部
の交流出力側各相にそれぞれが密結合している3個のリ
アクトルからなる零相リアクタンスを接続し、前記イン
バータ部の直流入力側に零相電流検出器を接続すると共
に、この零相電流検出器による検出電流を入力信号とし
て増幅し、前記インバータ部及び零相リアクタンスを含
む閉ループ内に零相電流を流す零相電流補償用電流源を
備えたものである。
【0013】請求項3記載の発明は、請求項1または2
記載の三相電圧形インバータにおいて、前記零相電流補
償用電流源としてプッシュプル増幅器を用い、該プッシ
ュプル増幅器の正側入力端子を前記インバータ部の直流
入力側の正極端子に接続し、前記プッシュプル増幅器の
負側入力端子を前記インバータ部の直流入力側の負極端
子に接続し、前記プッシュプル増幅器の出力側を星形結
線されたコンデンサ回路の中性点に接続し、これらの星
形結線されたコンデンサ回路の各他端を前記零相リアク
タンスの負荷側端子に接続したものである。
【0014】請求項4記載の発明は、請求項1,2また
は3記載の三相電圧形インバータにおいて、前記零相電
流検出器の出力側にコンデンサを直列に接続し、インバ
ータ部の交流基本波周波数成分に対する低次高調波成分
を前記零相電流補償用電流源の入力信号から除去するも
のである。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図1はこの実施形態を示す回路図であ
り、1は三相交流電源、2はダイオード整流回路、3は
平滑コンデンサ、4は三相電圧形のインバータ部、5は
負荷としての三相誘導電動機5である。ここで、三相交
流電源1、ダイオード整流回路2及び平滑コンデンサ3
により、広義の直流電圧源が構成されている。なお、三
相交流電源1及び三相誘導電動機5の浮遊容量は図示さ
れていない。
【0016】この実施形態では、インバータ部4と三相
誘導電動機5との間の各相に、それぞれが密結合してい
る3個のリアクトルからなる零相リアクタンス6を挿入
し、インバータ部4と零相リアクタンス6とからなる直
列回路の両端を、図3に示したごとく零相電流補償用電
流源7を用いて短絡するように構成されている。上記電
流源7は、NPN形トランジスタ71とPNP形トラン
ジスタ72とを直列接続したいわゆるプッシュプル増幅
器から構成されており、各トランジスタ71,72のコ
レクタ(プッシュプル増幅器の正側入力端子、負側入力
端子)が平滑コンデンサ3の両端に接続されている。
【0017】零相電流検出器8は零相リアクタンス6と
三相誘導電動機5との間に接続されてこの間の零相電流
を検出しており、その零相電流は、電流源7を構成する
各トランジスタ71,72のベース・エミッタ間に入力
されている。この構成により、負荷としての誘導電動機
5を流れる零相電流は、インバータ部4、零相リアクタ
ンス6及び電流源7からなる閉ループを構成し、ループ
ゲインに相当する零相電流検出器8の検出量と電流源7
の増幅率とによって減衰量を調整することが可能とな
る。以上の構成及び動作が、主として請求項1記載の発
明の実施形態に相当する。
【0018】本実施形態では、零相電流補償用電流源7
として前述のようにプッシュプル増幅器を用いており、
インバータ部4から誘導電動機5に零相電流が流れる場
合は、この零相電流を星形結線のコンデンサ回路9から
下側のトランジスタ72を介してインバータ部4の直流
入力側の負極端子にバイパスさせ、インバータ部4が零
相電流を引き込む場合は、インバータ部4の直流入力側
の正極端子から上側のトランジスタ71、コンデンサ回
路9を介して供給する。コンデンサ回路9は、補償する
零相電流の低次高調波成分(例えばインバータ部4の交
流基本波周波数成分に対しその3倍といった低次高調波
成分)を通過させないために付加されている。この構成
は、請求項3の発明の実施形態に相当する。
【0019】更に、図示されていないが、零相電流検出
器8に直列にコンデンサを挿入し、零相電流の低次高調
波成分を検出してもこれを除去して電流源7によって増
幅しないようにすることにより、図1の実施形態と同様
の効果を得ることができる。これらの構成は請求項4の
発明の実施形態に相当する。
【0020】検出する零相電流としては、請求項2に記
載した発明のようにインバータ部4の直流入力側、すな
わち三相交流電源1側の零相電流やダイオード整流回路
2と平滑コンデンサ3との間の零相電流を検出しても良
い。
【0021】図1の実施形態では、インバータ4の直流
電圧源として三相交流電源1及びダイオード整流回路2
を組み合わせた例を説明したが、直流電圧源が直流電源
のみによって構成される場合にも、同様の効果を期待す
ることができる。
【0022】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、零相リア
クタンスと零相電流補償用の電流源を用いて零相電圧を
発生するインバータとの間に閉ループを構成し、零相電
流をこのループ内にのみ流れるようにしたため、従来で
は困難であったインバータ部の負荷側(電動機側)の零
相電流を大幅に減少させることが可能となった。また、
零相電流の低次高調波成分は補償しないようにすること
により、零相電圧を重畳することで出力電圧を増大させ
るPWM制御にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図2】零相電圧・零相電流に着目したインバータシス
テムの等価回路を示す図である。
【図3】零相電圧・零相電流に着目したインバータシス
テムの等価回路を示す図である。
【図4】第1の従来技術を示す回路図である。
【図5】第2の従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
1 三相交流電源 2 ダイオード整流回路 3 平滑コンデンサ 4 三相電圧形インバータ部 5 三相誘導電動機 6 零相リアクタンス 7 零相電流補償用電流源 8 零相電流検出器 9 コンデンサ回路 71,72 トランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−94244(JP,A) 特開 平9−205799(JP,A) 特開 平8−98536(JP,A) 特開 昭64−74070(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/48 H02P 7/63 302

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電圧源の直流電圧を入力としてイン
    バータ部により電力変換を行い、三相交流電圧を出力す
    る三相電圧形インバータにおいて、 前記インバータ部の交流出力側各相にそれぞれが密結合
    している3個のリアクトルからなる零相リアクタンスを
    接続し、この零相リアクタンスと負荷との間に零相電流
    検出器を接続すると共に、この零相電流検出器による検
    出電流を入力信号として増幅し、前記インバータ部及び
    零相リアクタンスを含む閉ループ内に零相電流を流す零
    相電流補償用電流源を備えたことを特徴とする三相電圧
    形インバータ。
  2. 【請求項2】 直流電圧源の直流電圧を入力としてイン
    バータ部により電力変換を行い、三相交流電圧を出力す
    る三相電圧形インバータにおいて、 前記インバータ部の交流出力側各相にそれぞれが密結合
    している3個のリアクトルからなる零相リアクタンスを
    接続し、前記インバータ部の直流入力側に零相電流検出
    器を接続すると共に、この零相電流検出器による検出電
    流を入力信号として増幅し、前記インバータ部及び零相
    リアクタンスを含む閉ループ内に零相電流を流す零相電
    流補償用電流源を備えたことを特徴とする三相電圧形イ
    ンバータ。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載の三相電圧形イン
    バータにおいて、 前記零相電流補償用電流源としてプッシュプル増幅器を
    用い、該プッシュプル増幅器の正側入力端子を前記イン
    バータ部の直流入力側の正極端子に接続し、前記プッシ
    ュプル増幅器の負側入力端子を前記インバータ部の直流
    入力側の負極端子に接続し、前記プッシュプル増幅器の
    出力側を星形結線されたコンデンサ回路の中性点に接続
    し、これらの星形結線されたコンデンサ回路の各他端を
    前記零相リアクタンスの負荷側端子に接続したことを特
    徴とする三相電圧形インバータ。
  4. 【請求項4】 請求項1,2または3記載の三相電圧形
    インバータにおいて、 前記零相電流検出器の出力側にコンデンサを直列に接続
    し、インバータ部の交流基本波周波数成分に対する低次
    高調波成分を前記零相電流補償用電流源の入力信号から
    除去することを特徴とする三相電圧形インバータ。
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