JP3661737B2 - 電圧形インバータ - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電動機等を可変速駆動するための電圧形インバータに関し、特に電圧形インバータの零相電流を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、三相電圧形インバータの漏れ電流を低減することを目的として構成された従来技術を示している。
図において、１は交流電圧源としての三相交流電源、２はダイオードＤ１〜Ｄ６からなるダイオード整流回路、３は平滑コンデンサ、４は各々に逆並列ダイオードが接続されたＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチ素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６からなるインバータ部、５は三相誘導電動機等の負荷、６は４つの巻線が互いに密結合された零相トランス、７はインバータ部４の交流出力側と零相トランス６の二次側巻線の一端との間に３個のコンデンサが星形結線されてなるコンデンサ回路である。
【０００３】
図７に示した回路の動作を略述すれば、基本的には、インバータ部４のスイッチングにより変動する零相電圧とは逆向きの零相電圧を零相トランス６によって発生させることで、負荷５を含む零相電流経路の零相電圧をキャンセルし、結果として、負荷５側の零相電流を低減させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図７の回路構成によると、負荷側の中性点とアース間の零相電流であるｉ２は確かに低減できるが、電源側の零相電流であるｉ１はｉ２とｉ３との和の電流になるので、ｉ３が減少しない限り低減されない。
よって、電源側の零相電流であるｉ１により周辺機器に悪影響を与える場合がある。また、ノイズの規制値の基準となる雑音端子電圧は、電源側の零相電流と線間の浮遊容量を通して流れる電流とによって決定されるので、この雑音端子電圧も低減されないことになる。
そこで本発明は、電源側の零相電流を低減して周辺機器への悪影響を抑え、雑音端子電圧の低減を可能にした電圧形インバータを提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、交流電圧を整流回路により整流した直流電圧を入力としてインバータ部により直流−交流電力変換を行い、ｎ相（ｎ≧２であり、ｎ＝２を単相とする。以下、同様。）交流電圧を負荷に出力する電圧形インバータにおいて、前記インバータ部のｎ相交流出力端子を、互いに密結合している（ｎ＋１）個の巻線を有する零相トランスのｎ個の巻線を介して負荷に接続すると共に、前記ｎ相交流出力端子を、ｎ個のコンデンサが星形結線されたコンデンサ回路の各コンデンサの一端に接続し、このコンデンサ回路の中性点を前記零相トランスの残りの１個の巻線を介して直流中間回路の一方の電位点に接続し、かつ、前記零相トランスの一次側巻線としての前記ｎ個の巻線と二次側巻線としての前記残りの１個の巻線との巻数比を変更して接続するものである。
【０００６】
請求項２記載の発明は、交流電圧を整流回路により整流した直流電圧を入力としてインバータ部により直流−交流電力変換を行い、ｎ相交流電圧を負荷に出力する電圧形インバータにおいて、直流中間回路の正電位側及び負電位側に、互いに密結合している３個の巻線を有する零相トランスの２個の巻線を介在させると共に、前記ｎ相交流出力端子を、ｎ個のコンデンサが星形結線されたコンデンサ回路の各コンデンサの一端に接続し、このコンデンサ回路の中性点を前記零相トランスの残りの１個の巻線を介して直流中間回路の一方の電位点に接続したものである。
【０００７】
請求項３記載の発明は、交流電圧を整流回路により整流した直流電圧を入力としてインバータ部により直流−交流電力変換を行い、ｎ相交流電圧を負荷に出力する電圧形インバータにおいて、前記交流電圧源のｎ相交流出力端子を、互いに密結合している（ｎ＋１）個の巻線を有する零相トランスのｎ個の巻線を介して前記整流回路に接続すると共に、前記ｎ相交流出力端子を、ｎ個のコンデンサが星形結線されたコンデンサ回路の各コンデンサの一端に接続し、このコンデンサ回路の中性点を、前記零相トランスの残りの１個の巻線を介し直流中間回路の一方の電位点に接続したものである。
【０００８】
請求項４記載の発明は、請求項２または３記載の電圧形インバータにおいて、前記零相トランスの一次側巻線と二次側巻線との巻数比を変更して接続するものである。
【０００９】
ここで、図４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図である。
ここでは、インバータ４０（ダイオード整流回路を含めて示してある）は零相電圧を発生する電圧源と見なし、電源１０及び負荷５０は、高周波的にはそれぞれが浮遊容量ＣS，ＣLと配線や接地線のインダクタンスＬとを介して接地されていると見なしている。なお、一般的にインバータ４０の浮遊容量は、例えば三相誘導電動機等の負荷５０に比べて小さいこと、及び、電源１０や負荷５０とインバータ４０と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Ｌに比べて小さいことから、この図ではインバータ４０の浮遊容量を省略してある。
この図のような等価回路によれば、インバータ４０によって零相電圧が発生すると負荷５０から電源１０の経路で零相電流が流れることが容易に理解できる。
【００１０】
図５は、本発明において同じく零相電圧・零相電流に着目したインバータシステムの等価回路図である。
この図５では、図４に対して、零相電圧の電圧源であるインバータ４０と負荷５０との間に零相トランス６０が接続されており、その二次巻線はインバータ４０に並列に接続されている。
この図から明らかなように、零相トランス６０の二次側には、零相電圧の電圧源相当の電圧が加わり、零相トランス６０の一次側にも同等の電圧が発生する。これにより、負荷５０の浮遊容量ＣLを通る経路では零相電圧がキャンセルされ、負荷５０側の零相電流が低減されると共に、回路構成上、電源１０側の零相電流も低減されることがわかる。
【００１１】
また、図６に示すように、零相トランス６０をインバータ４０の交流入力側に挿入したり、あるいはインバータ４０の直流中間回路に挿入しても動作上は図５と同様になり、同様の効果を得ることができる。このように、零相トランス６０は、インバータ４０を零相電圧源とする零相電流の経路内であればどの位置に挿入しても良い。
【００１２】
【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。
まず、図１は請求項１の発明に相当する第１実施形態を示す回路図である。本実施形態において、装置全体の構成要素は図７と同様である。すなわち、１は交流電圧源としての三相交流電源、２はダイオードＤ１〜Ｄ６からなるダイオード整流回路、３は直流中間回路（正電位点Ｐ−負電位点Ｎ間）に接続された平滑コンデンサ、４は各々に逆並列ダイオードが接続されたＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体スイッチ素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６からなる三相電圧形インバータ、５は三相誘導電動機等の負荷、６は二次側巻線６２を含む４つの巻線が互いに密結合された零相トランス、７はインバータ４の交流出力側に３個のコンデンサが星形結線されたコンデンサ回路であり、その中性点は前記二次側巻線６２の一端に接続されている。なお、この図では、三相交流電源１及び負荷５の浮遊容量は図示していない。
【００１３】
上記構成から明らかなように、本実施形態では、三相交流電源１の交流電圧をダイオード整流回路２により整流した直流電圧を入力としてインバータ部４により直流−交流電力変換を行い、三相交流電圧を負荷５に供給している。そして、交流出力電圧の相数をｎ（＝３）とすると、インバータ部４の三相交流出力端子を、互いに密結合しているｎ＋１（＝４）個の巻線を有する零相トランス６のｎ（＝３）個の巻線を介して負荷５に接続すると共に、前記三相交流出力端子を、ｎ（＝３）個のコンデンサが星形結線されたコンデンサ回路７の各コンデンサの一端に接続し、その中性点を零相トランス６の残りの１個の巻線（二次側巻線）を介し直流中間回路の一方の電位点に接続するものである。
なお、図示されていないが、単相電圧形インバータにおいては、インバータ部の交流出力端子数、零相トランスの巻線数及びコンデンサ回路のコンデンサ数等に関し、上記の数ｎを２とする。
【００１４】
さて、図１の実施形態では、零相トランス６の二次側巻線６２の他端がインバータ部４の直流中間回路の負電位点Ｎに接続されている。
このように接続すると、先に示した図５と同様に、零相トランス６の二次側巻線６２にはインバータ部４によって零相電圧の電圧源相当の電圧が加わり、零相トランス６の一次側（負荷５の入力側）にも同等の電圧が発生する。これにより、負荷５の浮遊容量を通る経路においては零相電圧がキャンセルされ、負荷５側の零相電流が低減される。これと同時に、二次側巻線６２の一端が接地されずに直流中間回路の負電位点Ｎに接続されているので、配線や接地線のインダクタンスを介して流れる電源１側の零相電流も低減されることになる。
【００１５】
次に、図２は請求項２の発明に相当する第２実施形態を示している。
この実施形態では、直流中間回路の正電位側、負電位側に、３個の巻線が互いに密結合された零相トランス６Ａの２個の巻線を挿入し、その二次側巻線６２Ａの一端を直流中間回路の負電位点Ｎに接続すると共に、他端をコンデンサ回路７の中性点に接続してある。
なお、単相電圧形インバータの場合にも合計３個の巻線を有する零相トランス６Ａを用い、インバータ部の２つの交流出力端子を２個の星形結線されたコンデンサからなるコンデンサ回路に接続してその中性点と直流中間回路の一方の電位点との間に零相トランス６２の二次側巻線６２Ａを接続するものである。
【００１６】
本実施形態においても、インバータ部４からなる零相電圧源に対して二次側巻線６２Ａが並列に接続されており、零相トランス６Ａの作用によってインバータ部４から負荷５を通る経路の零相電流が低減され、これによって電源１を通る経路の零相電流も大幅に低減される。
【００１７】
図３は請求項３の発明に相当する第３実施形態であり、原理上、図６の構成に対応している。
本実施形態では、零相トランス６が三相交流電源１とダイオード整流回路２との間に挿入され、その二次側巻線６２がコンデンサ回路７の中性点と直流中間回路の負電位点との間に接続されている。
この実施形態においても、インバータ部４からなる零相電圧源に対して二次側巻線６２が並列に接続されており、零相トランス６の作用によってインバータ部４から負荷５を通る経路の零相電流が低減される。このため、電源１を通る経路の零相電流も大幅に低減されることになる。
単相電圧形インバータの場合には、図１の実施形態と同様に、インバータ部の交流出力端子数、零相トランスの巻線数及びコンデンサ回路のコンデンサ数等が変更される。
【００１８】
なお、上記各実施形態において、零相トランス６または６Ａの一次側巻線と二次側巻線との巻数比を変更すれば、二次側巻線６２または６２Ａを通る経路の零相電流を低減させることができる。
また、上記各実施形態では、二次側巻線６２または６２Ａの一端を直流中間回路の負電位点に接続してあるが、正電位点に接続しても良い。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように請求項１〜３記載の発明によれば、零相トランスをインバータ部の交流出力側、直流中間回路または交流入力側に挿入し、その二次側巻線を零相電圧源としてのインバータ部に対し並列に接続することにより、負荷を流れる零相電流を低減して交流電源側の零相電流を低減することができる。
これにより、周辺機器への悪影響を回避し、また、電源側零相電流に起因する雑音端子電圧の低減も可能になる。
更に、請求項４記載の発明によれば、零相トランスの二次側巻線を通る経路の零相電流を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す回路図である。
【図４】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図である。
【図５】本発明の原理を説明するためのインバータシステムの等価回路図である。
【図６】本発明の原理を説明するためのインバータシステムの等価回路図である。
【図７】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 インバータ部
５ 負荷
６，６Ａ 零相トランス
７ コンデンサ回路
１０ 電源
４０ インバータ
５０ 負荷
６０ 零相トランス
６２，６２Ａ 二次側巻線
Ｔｒ１〜Ｔｒ６ 自己消弧形半導体スイッチ素子
Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード
Claims (4)
- 交流電圧を整流回路により整流した直流電圧を入力としてインバータ部により直流−交流電力変換を行い、ｎ相（ｎ≧２であり、ｎ＝２を単相とする）交流電圧を負荷に出力する電圧形インバータにおいて、
前記インバータ部のｎ相交流出力端子を、互いに密結合している（ｎ＋１）個の巻線を有する零相トランスのｎ個の巻線を介して負荷に接続すると共に、前記ｎ相交流出力端子を、ｎ個のコンデンサが星形結線されたコンデンサ回路の各コンデンサの一端に接続し、このコンデンサ回路の中性点を前記零相トランスの残りの１個の巻線を介して直流中間回路の一方の電位点に接続し、かつ、
前記零相トランスの一次側巻線としての前記ｎ個の巻線と二次側巻線としての前記残りの１個の巻線との巻数比を変更して接続することを特徴とする電圧形インバータ。 - 交流電圧を整流回路により整流した直流電圧を入力としてインバータ部により直流−交流電力変換を行い、ｎ相（ｎ≧２であり、ｎ＝２を単相とする）交流電圧を負荷に出力する電圧形インバータにおいて、
直流中間回路の正電位側及び負電位側に、互いに密結合している３個の巻線を有する零相トランスの２個の巻線を介在させると共に、前記ｎ相交流出力端子を、ｎ個のコンデンサが星形結線されたコンデンサ回路の各コンデンサの一端に接続し、このコンデンサ回路の中性点を前記零相トランスの残りの１個の巻線を介して直流中間回路の一方の電位点に接続したことを特徴とする電圧形インバータ。 - 交流電圧を整流回路により整流した直流電圧を入力としてインバータ部により直流−交流電力変換を行い、ｎ相（ｎ≧２であり、ｎ＝２を単相とする）交流電圧を負荷に出力する電圧形インバータにおいて、
前記交流電圧源のｎ相交流出力端子を、互いに密結合している（ｎ＋１）個の巻線を有する零相トランスのｎ個の巻線を介して前記整流回路に接続すると共に、前記ｎ相交流出力端子を、ｎ個のコンデンサが星形結線されたコンデンサ回路の各コンデンサの一端に接続し、このコンデンサ回路の中性点を、前記零相トランスの残りの１個の巻線を介し直流中間回路の一方の電位点に接続したことを特徴とする電圧形インバータ。 - 請求項２または３記載の電圧形インバータにおいて、
前記零相トランスの一次側巻線と二次側巻線との巻数比を変更して接続することを特徴とする電圧形インバータ。
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