JP4548004B2 - 電動機駆動用ｐｗｍインバータ - Google Patents

Description

この発明は、単相の入力交流電圧をダイオードからなる単相全波整流回路と平滑コンデンサとにより直流電圧に変換し、この直流電圧を自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなる逆変換回路によりＰＷＭ制御された所望の周波数，電圧の交流電圧に変換し、この変換された交流電圧により交流電動機を可変速駆動する電動機駆動用ＰＷＭインバータに関する。

図４はこの種のＰＷＭインバータの従来例を示す回路構成図であり、この図において、１は単相の商用電源などの交流電源、２はＰＷＭインバータ、３はＰＷＭインバータが出力する三相の交流電圧で可変速駆動される交流電動機、４は交流電動機３の出力軸３ａを介して駆動される負荷である。

このＰＷＭインバータ２には交流電源１の単相交流電圧を全波整流するダイオード整流回路１１と、ダイオード整流回路１１が出力する整流電圧を平滑する電解コンデンサ１２と、自己消弧形素子としてのＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなる逆変換回路１３と、この逆変換回路１３の入力直流電圧としての電解コンデンサ１２の両端電圧をＰＷＭ制御して所望の周波数，電圧の三相の交流電圧に変換して逆変換回路１３から出力させるために、後述の如く、直流電圧検出器１５により得られる前記両端電圧の検出値を監視しつつＰＷＭ制御演算を行い、この演算結果に基づいて前記それぞれのＩＧＢＴへの駆動信号を生成するＰＷＭ制御回路１４とを備えている。

図４に示したＰＷＭインバータ２において、例えば下記特許文献１に開示されているように、直流電圧検出器１５により得られる電解コンデンサ１２の両端電圧、すなわち逆変換回路１３の入力直流電圧の検出値を監視し、この入力直流電圧に含まれる整流リプルに起因して逆変換回路１３が出力する前記交流電圧の変動を抑制する制御がＰＷＭ制御回路１４により行われている。
特開昭６４−７７４９２号公報 （第２〜４頁，第１図）

交流電動機３の出力容量が７５０Ｗ（１馬力）以下の場合には、ＰＷＭインバータ２の入力交流電源が、図４に示した回路例の如く、単相の交流電源１を選択されることが多くなってきている。

従って、直流電圧検出器１５により得られる逆変換回路１３の入力直流電圧に含まれる整流リプルが交流電源１の基本波周波数の２倍周波数で現れ、上述の如く、直流電圧検出器１５により得られる逆変換回路１３の入力直流電圧の検出値を監視し、前記整流リプルに起因して逆変換回路１３が出力する三相の交流電圧の変動を抑制する制御がＰＷＭ制御回路１４で行われるが、交流電動機３を零速近辺で回転させているとき、特にＰＷＭインバータ２と交流電動機３としての永久磁石型同期電動機とがサーボシステムに供用され、この交流電動機３が零速でロック（拘束）状態のときに、交流電動機３の出力軸３ａが前記２倍周波数で振動する現象が発生し、負荷４に悪影響を与えることがあった。

上述の現象は、近年のＰＷＭインバータ２による交流電動機３の可変速駆動の高速応答を実現するベクトル制御技術などの普及により、顕著に現れるようになってきた。

図５は、図４に示した従来のＰＷＭインバータ２における交流電動機３の出力軸３ａが振動する現象を説明する等価回路図であり、この図において、ｉ_P は逆変換回路１３を構成するそれぞれのＩＧＢＴ，ダイオードとこれらの半導体素子とは絶縁しつつ冷却する図示しない接地された冷却フィンとの間に発生する前記ＰＷＭ制御の際のキャリア周波数に基づくノイズ電流、ＣｃはＰＷＭインバータ２から交流電動機３への接続ケーブルと接地間の浮遊容量、Ｃｍは交流電動機３の巻線と接地間の浮遊容量を示している。

すなわち、図５において、上述のノイズ電流ｉ_P が前記Ｃｃに対してｉ_C なる電流を流し、前記Ｃｍに対しｉ_M なる電流を流すことになり、ｉ_P ＝ｉ_C ＋ｉ_M の関係になるが、このとき、前記ノイズ電流ｉ_P が前述の交流電源１の２倍周波数の整流リプルに伴って、その振幅およびパルス幅が変動し、この変動により前記電流ｉ_M が前記２倍周波数で脈動し、この脈動が交流電動機３の出力軸３ａの振動となって現れるのである。

従って、交流電動機３の出力軸３ａの振動を抑制するためには、前記整流リプルをより少なくすることであり、このためには電解コンデンサ１２の静電容量をより大きく設定するという方法があるが、この抑制策ではＰＷＭインバータ２が大型，高価になるという新たな問題点が生ずる。

この発明の目的は、上記問題点を解消できる電動機駆動用ＰＷＭインバータを提供することにある。

この発明は、単相の入力交流電圧をダイオードからなる単相全波整流回路と平滑コンデンサとにより直流電圧に変換し、この直流電圧を自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなる逆変換回路によりＰＷＭ制御された所望の周波数，電圧の交流電圧に変換し、この変換された交流電圧により交流電動機を可変速駆動する電動機駆動用ＰＷＭインバータにおいて、
前記電動機の出力軸に発生する振動を抑制するために、前記直流電圧の少なくとも何れか一端と接地（アース）との間にコンデンサを接続し、コンデンサの総容量をＣｎとし、前記ＰＷＭインバータと電動機との間の接続線と前記接地との間の容量をＣｃとし、前記電動機の巻線と前記接地との容量をＣｍとしたときに、Ｃｎ＞Ｃｃ＋Ｃｍの関係にしたこのことを特徴とする。

この発明によれば、前記逆変換回路の入力直流電圧の少なくとも何れか一端と接地との間に小型で安価なコンデンサを接続したことにより、前記交流電動機の巻線と接地間に流れるＰＷＭ制御のキャリア周波数に起因するノイズ電流を軽減させるので、前記交流電動機の出力軸に発生する振動を抑制することができる。

図１は、この発明の第１の実施例を示す電動機駆動用ＰＷＭインバータの回路構成図であり、この図において、図４に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図１に示したＰＷＭインバータ２ａが従来のＰＷＭインバータ２と異なる点は、逆変換回路１３の入力直流電圧としての電解コンデンサ１２の両端電圧のうち、負極端と接地との間に接続するコンデンサ１６を追加装備されていることである。

図２は、図１に示したコンデンサ１６の静電容量をＣｎとしたときに、ＰＷＭインバータ２ａにおける交流電動機３の出力軸３ａが振動する現象が抑制される動作を説明する等価回路図であり、この図において、図５に示した従来のＰＷＭインバータ２の等価回路図と同様に、ｉ_P は逆変換回路１３を構成するそれぞれのＩＧＢＴ，ダイオードとこれらの半導体素子とは絶縁しつつ冷却する図示しない接地された冷却フィンとの間に発生する前記ＰＷＭ制御の際のキャリア周波数に基づくノイズ電流、ＣｃはＰＷＭインバータ２から交流電動機３への接続ケーブルと接地間の浮遊容量、Ｃｍは交流電動機３の巻線と接地間の浮遊容量を示している。

すなわち、図２において、上述のノイズ電流ｉ_P が前記Ｃｎに対してｉ_N なる電流を流し、前記Ｃｃに対してｉ_C1なる交流電流を流し、Ｃｍに対しｉ_M1なる交流電流を流すことになり、ｉ_P ＝ｉ_N ＋ｉ_C1＋ｉ_M1の関係になるが、このとき、Ｃｎ＞Ｃｃ＋Ｃｍの関係に設定することにより、前記電流ｉ_M1が図５に示した従来のｉ_M の半分以下の値にできることから、交流電動機３の出力軸３ａの振動が抑制されるのである。

例えば、交流電動機３としての永久磁石型同期電動機の出力容量が４００Ｗで、ＰＷＭ制御の際のキャリア周波数が１０ｋＨｚ、交流電源１の基本波周波数が５０Ｈｚのときには、コンデンサ１６の静電容量（Ｃｃ）は０．０４７μＦ程度に設定することにより、交流電動機３の出力軸３ａの振動を抑制することができた。

図３は、この発明の第２の実施例を示す電動機駆動用ＰＷＭインバータの回路構成図であり、この図において、図４に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。

すなわち、図３に示したＰＷＭインバータ２ｂが従来のＰＷＭインバータ２と異なる点は逆変換回路１３の入力直流電圧としての電解コンデンサ１２の両端電圧のうち、正極端と接地との間に接続するコンデンサ１６ａが、負極端と接地との間に接続するコンデンサ１６ｂがそれぞれ追加装備されていることである。

ここで、ＰＷＭインバータ２ｂにおけるコンデンサ１６ａの静電容量をＣｎ₁ とし、コンデンサ１６ｂの静電容量をＣｎ₂ とし、さらに、Ｃｎ₁ ＝Ｃｎ₂ とし、図１に示したＣｎとの関係をＣｎ≦Ｃｎ₁ ＋Ｃｎ₂ に設定することにより、図１に示したＰＷＭインバータ２ａと同様に、交流電動機３の出力軸３ａの振動を抑制することができる。

この発明の第１の実施例を示す電動機駆動用ＰＷＭインバータの回路構成図 図１の動作を説明する等価回路図 この発明の第２の実施例を示す電動機駆動用ＰＷＭインバータの回路構成図 従来例を示す電動機駆動用ＰＷＭインバータの回路構成図 図４の動作を説明する等価回路図

１…交流電源、２，２ａ，２ｂ…ＰＷＭインバータ、３…交流電動機、３ａ…出力軸、４…負荷、１１…ダイオード整流回路、１２…電解コンデンサ、１３…逆変換回路、１４…ＰＷＭ制御回路、１５…直流電圧検出器、１６，１６ａ，１６ｂ…コンデンサ。

Claims (1)

1. 単相の入力交流電圧をダイオードからなる単相全波整流回路と平滑コンデンサとにより直流電圧に変換し、この直流電圧を自己消弧形素子とダイオードの逆並列回路を三相ブリッジ接続してなる逆変換回路によりＰＷＭ制御された所望の周波数，電圧の交流電圧に変換し、この変換された交流電圧により交流電動機を可変速駆動する電動機駆動用ＰＷＭインバータにおいて、
   前記電動機の出力軸に発生する振動を抑制するために、前記直流電圧の少なくとも何れか一端と接地（アース）との間にコンデンサを接続し、このコンデンサの総容量をＣｎとし、前記ＰＷＭインバータと電動機との間の接続線と前記接地との間の容量をＣｃとし、前記電動機の巻線と前記接地との容量をＣｍとしたときに、Ｃｎ＞Ｃｃ＋Ｃｍの関係にしたことを特徴とする電動機駆動用ＰＷＭインバータ。

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