JP4633456B2 - DC motor drive filter - Google Patents
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Description
本発明は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子を使用した直流チョッパ制御により直流電動機を駆動する際に発生する電圧サージを抑制し、電動機コイルの絶縁劣化を防ぐ直流電動機駆動用フィルタに関する。 The present invention relates to a DC motor drive filter that suppresses a voltage surge generated when a DC motor is driven by DC chopper control using a switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and prevents insulation deterioration of the motor coil. .
現在のエレベータシステムでは、昇降駆動用の大型直流電動機はほとんど新規に採用されておらず、専ら三相交流誘導電動機,永久磁石電動機等が採用されている。しかしながら、既に設置済みの直流電動機をそのまま使用している物件が多数存在し、中には既に20年以上も稼動し続け、かなり老朽化が進んでいるものもある。 In current elevator systems, large DC motors for driving up and down are hardly newly employed, and three-phase AC induction motors, permanent magnet motors, and the like are exclusively employed. However, there are many properties that use already installed DC motors as they are, and some of them have already been operating for more than 20 years and some of them have become quite aging.
そこで、このようなエレベータシステムにおいては、これからリニューアル化が実施されつつあるが、予算、工事期間,撤去スペース等の問題から、システム全体をリニューアルせず、直流電動機をそのまま生かし、電動機駆動系だけを交換する制御リニューアル工法がとられている。 Therefore, in such an elevator system, renewal is being implemented from now on, but due to problems such as budget, construction period, removal space, etc., the entire system is not renewed, but the DC motor is used as it is, and only the motor drive system is used. The control renewal method to replace is taken.
一方、現在のエレベータシステムでは、専ら交流電動機が採用され、かつ交流電動機を駆動するためにコンバータ及びインバータによるPWM制御が主流となっている。そのため、既設の直流電動機をそのまま生かし、電動機駆動系のみをリニューアルする制御リニューアル工法においては、新しい電動機駆動系に用いられる電力変換装置を構成するインバータを直流チョッパ回路とし、直流電動機を駆動可能にする構成が採用されている。 On the other hand, in the current elevator system, an AC motor is exclusively employed, and PWM control by a converter and an inverter is mainly used to drive the AC motor. Therefore, in the control renewal method that uses the existing DC motor as it is and renews only the motor drive system, the inverter that constitutes the power converter used in the new motor drive system is made a DC chopper circuit so that the DC motor can be driven. Configuration is adopted.
図9は従来の直流電動機を駆動する駆動装置を示す構成図である。同図において、1は客先電源の交流電源を直流電力に変換するコンバータ回路、2は直流電力を平滑化する平滑コンデンサ、3はシリアル接続されたスイッチング素子3aa,3abと同じくシリアル接続されたスイッチング素子3ba,3bbとを平滑コンデンサ2に並列接続してなるチョッパ回路、4は共振フィルタ回路、5は負荷となる既設の直流電動機である。共振フィルタ回路4は、チョッパ回路3で変換された直流電力を平滑する直流リアクトル6、ダンピング抵抗7及びフィルタコンデンサ8によって構成されている。
FIG. 9 is a block diagram showing a driving device for driving a conventional DC motor. In the figure, 1 is a converter circuit for converting an AC power source of a customer power source into DC power, 2 is a smoothing capacitor for smoothing DC power, and 3 is a serially connected switching element as with the serially connected switching elements 3aa and 3ab. A chopper circuit formed by connecting the elements 3ba and 3bb to the
ところで、チョッパ回路3を用いて既設の直流電動機5を駆動する電動機駆動装置では、外部からのチョッパ制御信号のもとにチョッパ回路3を構成するスイッチング素子3aa,3ab,…をチョッパ制御した場合、各組のスイッチング素子(3aa,3ab)、(3ba,3bb)に設けられるスナバ回路(図示せず)やチョッパ回路3と直流電動機5の間の配線インピーダンス、浮遊容量に基づくLC共振回路によって共振現象が発生し、直流電源電圧Vpnの最大2倍の電圧が発生し、この2倍の電圧が直流電動機5のコイル(図示せず)に印加する。また、共振現象による共振電流の周波数が高く、直流電動機5の端子間に現れるサージ電圧も急峻である。この急峻なサージ電圧が直流電動機5の端子間,すなわち電動機コイルの入力端に集中して印加することから、入力端側の電動機コイルが絶縁破壊を招く恐れがある。
By the way, in the motor drive device that drives the existing
そこで、従来の電動機駆動装置は、図9に示すようにチョッパ回路3の出力側に直流リアクトル6,ダンピング抵抗7及びフィルタコンデンサ8等からなる共振フィルタ回路4を設け、急峻な電圧の立ち上がりを遅くするとともにサージ電圧を抑制している。
Therefore, the conventional motor driving apparatus is provided with a
しかしながら、以上のような電動機駆動装置では、次のような問題が指摘されている。
(1) 従来の電動機駆動装置は、高速でスイッチング素子3ab,3ab,…をチョッパ制御した場合、直流電動機5の騒音が減衰するが、直流リアクトル6の巻線間に生じる浮遊容量によってインピーダンスが零に近づいていき、いわゆる高周波に対して短絡状態となる。その結果、高周波のサージ電圧は直流リアクトル6をそのまま抜けていき、直流電動機5の図示しないコイルを絶縁破壊させる恐れがある。
However, the following problems have been pointed out in the electric motor driving apparatus as described above.
(1) In the conventional motor drive device, when the switching elements 3ab, 3ab,... Are chopper controlled at high speed, the noise of the
(2) また、電源回生用コンバータ回路1は、通常,客先電源200(V)の受電に基づいて直流電圧350(V)前後、客先電源400(V)の受電に基づいて直流電圧650(V)前後まで昇圧した後、チョッパ回路3に印加する。チョッパ回路3は、図示しない制御部からのスイッチング素子3ab,3ab,…のチョッパ制御により、最大,直流電圧350(V)又は650(V)のチョッパ電圧を出力し、直流電動機5に印加する。
(2) Further, the power
しかし、直流電動機5は、200(V)〜400(V)の定格電圧のものが多く、かつ電動機5内のコイルの絶縁電圧も300(V)〜600(V)程度である。しかも、現状の電動機コイルの絶縁材と異なり、IGBT等のスイッチング素子の高周波スイッチングに適用させるように製造されていない。その結果、定格電圧を越える電圧が直流電動機5に印加された場合、電動機コイルの絶縁の劣化を促進させる可能性がある。
However, the
(3) さらに、電動機駆動装置の一相(一線)のみに直流リアクトル6を設けた場合、チョッパ回路3と直流電動機5の電動機端子との線間インピーダンスがP,Nラインで異なる為、共振フィルタ回路端となる電動機コイル端で反射現象が発生し、ますますサージ電圧が高くなり、電動機コイルの絶縁の劣化を促進させる可能性がある。
(3) Further, when the DC reactor 6 is provided only in one phase (one line) of the motor drive device, the line impedance between the
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高速スイッチング素子によるチョッパ制御時に発生するサージ電圧や共振フィルタ回路端となる電動機コイル端からの反射によるサージ電圧を低減し、直流電動機コイルの絶縁劣化を抑制し、絶縁破壊を未然に回避する電動機駆動用フィルタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and reduces the surge voltage generated at the time of chopper control by a high-speed switching element and the surge voltage due to reflection from the motor coil end serving as the resonance filter circuit end, and the insulation deterioration of the DC motor coil. An object of the present invention is to provide a filter for driving an electric motor that suppresses electrical breakdown and avoids dielectric breakdown in advance.
(1) 上記課題を解決するために、本発明は、スイッチング素子で構成されるチョッパ回路を用いて、直流電源電圧をチョッパ制御し、直流電動機の電機子電流を制御する電動機駆動装置において、前記チョッパ回路の一方出力端に接続された直流リアクトルと、この直流リアクトルの他端部と前記チョッパ回路の他方出力端との間に直列接続されたダンピング抵抗及び平滑コンデンサとを有し、前記チョッパ制御により前記チョッパ回路から出力される矩形波のチョッパ電圧を平滑するフィルタ回路と、直列接続されたダンピング抵抗及び平滑コンデンサに対して並列接続され、前記フィルタ回路で平滑化されたチョッパ電圧に含む、前記チョッパ回路の周辺回路や当該チョッパ回路から前記直流電動機の電機子コイルに至る配線に関連して生じるLC共振現象により発生する高周波のサージ電圧を吸収し平滑波形とする所定の周波数領域で使用可能な容量を持った高周波コンデンサとを設けた直流電動機駆動用フィルタである。 (1) In order to solve the above-described problem, the present invention provides a motor drive device that performs chopper control of a DC power supply voltage and controls an armature current of a DC motor using a chopper circuit configured by a switching element. A DC reactor connected to one output end of the chopper circuit, and a damping resistor and a smoothing capacitor connected in series between the other end of the DC reactor and the other output end of the chopper circuit, and the chopper control Including a filter circuit that smoothes a rectangular wave chopper voltage output from the chopper circuit, and a chopper voltage that is connected in parallel to a damping resistor and a smoothing capacitor connected in series and smoothed by the filter circuit, Related to the peripheral circuit of the chopper circuit and the wiring from the chopper circuit to the armature coil of the DC motor. This is a DC motor drive filter provided with a high frequency capacitor having a capacity that can be used in a predetermined frequency region that absorbs a high frequency surge voltage generated by the LC resonance phenomenon that occurs and makes a smooth waveform .
この発明は以上のような構成とすることにより、共振フィルタ回路によりチョッパ回路から出力されるチョッパ電圧を平滑し、また高周波コンデンサによって高周波のサージ電圧を吸収でき、よって電動機コイルの絶縁劣化を抑制でき、絶縁破壊を未然に防止することが可能となる。 With this configuration, the chopper voltage output from the chopper circuit can be smoothed by the resonance filter circuit, and a high-frequency surge voltage can be absorbed by the high-frequency capacitor, so that the insulation deterioration of the motor coil can be suppressed. Insulation breakdown can be prevented in advance.
(2) 以上のような直流電動機駆動用フィルタの構成において、前記チョッパ回路の各出力端の各相(各線)の電線ラインにそれぞれ直流リアクトルを接続し、前記各相(各線)の電線ラインの電線インピーダンスを等しくする構成とすることにより、直流電動機の電機子コイル端部から反射されるサージ電圧を低減化することが可能となる。 (2) In the configuration of the DC motor driving filter as described above, a DC reactor is connected to each phase (each line) wire line at each output end of the chopper circuit, and each phase (each line) wire line By adopting a configuration in which the wire impedances are made equal, the surge voltage reflected from the armature coil end of the DC motor can be reduced.
(3) また、前述するチョッパ回路を含む電動機駆動用フィルタの構成を直流電動機の界磁コイルに適用することで、界磁チョッパ制御にも絶縁破壊を防止できる。 (3) Further, by applying the configuration of the motor driving filter including the chopper circuit described above to the field coil of the DC motor, it is possible to prevent dielectric breakdown also in the field chopper control.
本発明によれば、チョッパ回路の高速スイッチング素子によるチョッパ制御時に発生するサージ電圧や電動機コイル端からの反射によるサージ電圧を低減でき、よって直流電動機コイルの絶縁劣化を抑制でき、絶縁破壊を未然に回避できる電動機駆動用フィルタを提供できる。 According to the present invention, it is possible to reduce the surge voltage generated during chopper control by the high-speed switching element of the chopper circuit and the surge voltage due to reflection from the end of the motor coil, thereby suppressing the insulation deterioration of the DC motor coil and preventing dielectric breakdown in advance. An electric motor drive filter that can be avoided can be provided.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1は本発明に係る電動機駆動装置の実施形態を示す構成図である。同図において、1は客先電源(図示せず)から受電される交流電力を直流電力に変換する例えばコンバータ回路、2はコンバータ回路1によって変換された直流電力を平滑化する平滑コンデンサである。3は制御部(図示せず)から出力されるチョッパ制御信号に基づいてチョッパ制御を行うチョッパ回路であって、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子3aa,3ab,3ba,3bbによって構成され、具体的にはシリアル接続されたスイッチング素子3aa,3abとスイッチング素子3ba,3bbとがそれぞれ平滑コンデンサ2に並列接続されている。5は駆動対象となる直流電動機であって、制御リニューアルにおいては既設の直流電動機となる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an electric motor drive device according to the present invention. In the figure,
また、本発明に係る直流電動機駆動用フィルタとしては、チョッパ回路3と直流電動機5との間に新規な共振フィルタ回路10が設けられている。共振フィルタ回路10は、チョッパ回路3の一方出力端側に接続され、チョッパ回路3のチョッパ動作により出力されるチョッパ電圧を平滑する直流リアクトル11と、この直流リアクトル11の出力端とチョッパ回路3の他方出力端との間にシリアル接続されるダンピング抵抗12及びフィルタコンデンサ13とで構成されている。この共振フィルタ回路10の出力側には高周波特性の良い高周波コンデンサ14が接続されている。ダンピング抵抗12は、急峻な電圧の振幅を低減する作用をもっている。フィルタコンデンサ13は、チョッパ電圧を平滑化するものであって、ダンピング抵抗12とフィルタコンデンサ13との間で共振しない範囲となる例えば5μF以上のコンデンサが使用される。また、高周波コンデンサ14は、比較的入手容易であり、かつ共振しない範囲を考慮し、使用周波数領域10MHz〜150MHzで使用可能な1000PF以上のコンデンサが使用される。
In addition, as a DC motor driving filter according to the present invention, a novel
次に、以上のような電動機駆動用フィルタの動作について図2を参照して説明する。 Next, the operation of the motor driving filter as described above will be described with reference to FIG.
客先電源から受電された交流電圧は、コンバータ回路1によって直流電圧に変換され、さらに平滑コンデンサ2で平滑され、チョッパ回路3の直流電源電圧として印加される。この状態において、図示しない制御部からチョッパ回路3を構成するスイッチング素子3aa,3ab,…をチョッパ制御すると、図2(a)に示すように矩形波16のチョッパ電圧が出力される。このとき、矩形波16の立ち上がり時、チョッパ回路3を構成するスイッチング素子(3aa,3ab)、(3ba,3bb)に付加されるスナバ回路(図示せず)やチョッパ回路3のP,Nラインの配線インピーダンス、浮遊容量などのLC共振回路に基づく共振現象の発生によるdv/dtの急峻なサージ電圧17が含まれている。急峻なサージ電圧17を含んだ矩形波16は、共振フィルタ回路10を構成するダンピング抵抗12で急峻な振幅を抑制し、かつ直流リアクトル11及びフィルタコンデンサ13で平滑し、図2(b)に示すような平滑波形18が得られる。平滑波形18は、直流電動機5の定格電圧に近い値に落ちつくが、未だdv/dtの急峻なサージ電圧17が残っているが、高周波特性に良好な高周波コンデンサ14により、急峻なサージ電圧を吸収し、図2(c)に示すような平滑波形19とした後、直流電動機5に印加する。
The AC voltage received from the customer power supply is converted into a DC voltage by the
従って、以上のような実施の形態によれば、チョッパ回路3のチョッパ制御によって出力される矩形波16は、直流リアクトル12,フィルタコンデンサ13等によって平滑されるが、矩形波16に含まれるチョッパ回路3周辺回路及び出力ラインの配線等に基づくLC共振回路の共振現象によって発生する急峻なサージ電圧17が依然として残っている。つまり、スイッチング素子3aa,3ab,…等を高速スイッチングしたとき、直流リアクトル12の巻線間の浮遊容量によるインピーダンスの零化に基づき、高周波のサージ電圧17がそのまま抜け出て直流電動機5に入っていく可能性があるが、かかる急峻なサージ電圧17を高周波コンデンサ14で吸収することにより、急峻なサージ電圧17が電動機コイルの入力端に集中的に印加されることがなくなり、電動機コイルの絶縁劣化を抑え、ひいては電動機コイルの破壊を未然に防止できる。
Therefore, according to the embodiment as described above, the
(第2の実施の形態)
図3は本発明に係る電動機駆動用フィルタの他の実施形態を示す構成図である。
電動機駆動装置は、図1とほぼ同様な構成であるので、ここで同一部分には同一符号を付して説明を省略し、特に異なるフィルタ部分について説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the motor driving filter according to the present invention.
Since the motor drive device has substantially the same configuration as that of FIG. 1, the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted, and particularly different filter parts will be described.
この実施の形態においては、チョッパ回路3を構成するシリアル接続されたスイッチング素子3aa,3ab及びスイッチング素子3ba,3bbの各出力ラインP,Nにそれぞれ共振フィルタ回路10を構成する直流リアクトル11p,11nを個別に接続した構成である。すなわち、共振フィルタ回路10としては、チョッパ回路3の各出力端であるP,Nラインに接続される直流リアクトル11p,11nと、これら直流リアクトル11p,11nの出力端間にシリアル接続されるダンピング抵抗12及びフィルタコンデンサ13とで構成される。なお、同図において、5a,5bは直流電動機5の電機子コイル端子である。
In this embodiment,
次に、以上のような電動機駆動用フィルタの動作について図4及び図5を参照して説明する。図4は第1の実施の形態における電動機駆動装置の一部を含むフィルタの等価回路図、図5は本実施の形態における電動機駆動装置の一部を含むフィルタの等価回路図である。 Next, the operation of the motor driving filter as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of a filter including a part of the motor drive device according to the first embodiment, and FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a filter including a part of the motor drive device according to the present embodiment.
今、電機子コイル端による反射発生時の電圧について各等価回路図から解析し説明する。図4,図5において、21aは電線抵抗(以下、必要に応じて電線R1,R2と呼ぶ)、21bは電線インダクタンス(以下、必要に応じて電線インダクタンスL1,L2と呼ぶ)、21cは電線間の漏れコンダクタンス(以下、必要に応じて漏れコンダクタンスG1,G2と呼ぶ)、21dは電線間の浮遊容量(以下、浮遊容量C1,C2と呼ぶ)である。22は直流電動機5には負荷インピーダンス(以下、Z1と呼ぶ)である。負荷インピーダンスZ1としては、抵抗分Rz:0.067(Ω)、インダクタンス分Lz:8.5×103(H)なる定数とする。
Now, the voltage at the time of occurrence of reflection by the armature coil end will be analyzed and explained from each equivalent circuit diagram. 4 and 5, 21a is a wire resistance (hereinafter referred to as wires R1 and R2 if necessary), 21b is a wire inductance (hereinafter referred to as wire inductances L1 and L2 if necessary), and 21c is a space between wires. 21d is a stray capacitance between the wires (hereinafter referred to as stray capacitances C1 and C2).
ところで、図4に示す回路において、電動機コイル端の反射時の減衰を考えた場合、Pライン入力端が図示(イ)のごとく短絡されたとき、Nラインが伝送ラインとなり、直流リアクトル11のインダクタンスを含まない無損失回路となる。一方、図5の回路においては、Pライン,Nラインとも同一インピーダンスとなり、PNラインとも同一周期で共振する為、無損失回路とならない。
By the way, in the circuit shown in FIG. 4, when the attenuation at the time of reflection of the motor coil end is considered, when the P line input end is short-circuited as shown in FIG. 4A, the N line becomes a transmission line, and the inductance of the
ここでは、具体的には図4に示す1個の直流リアクトル11で構成された場合と、図5に示すように2個の直流リアクトル11p,11nで構成された場合における反射電圧について計算し、比較検討する。
Here, specifically, the reflected voltage in the case where it is constituted by one
一般に、インピーダンス分の存在しない無損失回路では、当該無損失回路に電圧を加えたとき、最大2倍の電圧が発生する。また、電動機コイル端などの反射による共振について計算すると、図6に示すように、{4×(伝播距離l)/波動速度Ws}の周期tで発生する。なお、図6に記載する入力端はチョッパ回路3の出力端、出力端は電動機コイル端を意味する。また、同図において実線ラインの上位枠に記述される図示右方向矢印は進行波の方向、点線ラインの上位枠に記述される図示左方向矢印は電動機コイル端などの反射波の進行方向、実線ラインの下位枠の図示右方向矢印はチョッパ回路3の出力端によって再度反射した反射波の進行方向を示している。
In general, in a lossless circuit having no impedance, when a voltage is applied to the lossless circuit, a voltage twice as much as that is generated. Further, when the resonance due to the reflection of the motor coil end or the like is calculated, as shown in FIG. 6, the resonance occurs at a period t of {4 × (propagation distance l) / wave velocity Ws}. The input end shown in FIG. 6 means the output end of the
ところで、反射による波動速度Wsは、無損失回路では、波動速度は光速とほぼ等しい。よって、
Ws=1/√LC=3×108[m/s]
となる。上式を満たすためのL,Cとしては、L=0.1[μH]、C=100[pF]となり、定数としてモデル化できる。
By the way, the wave velocity Ws due to reflection is substantially equal to the light velocity in the lossless circuit. Therefore,
Ws = 1 / √LC = 3 × 10 8 [m / s]
It becomes. L and C for satisfying the above equation are L = 0.1 [μH] and C = 100 [pF], and can be modeled as constants.
今、例えば伝播距離l=15[m]とした場合、この時の反射による共振周期tは、
t=4l/Ws=(4×15)/(3×108)=20×10-8=0.2×10-6[s]
=200[ns]
となる。よって、無損失回路では5MHzの共振波が発生する。
Now, for example, when the propagation distance l = 15 [m], the resonance period t due to reflection at this time is
t = 4 l / Ws = (4 × 15) / (3 × 10 8 ) = 20 × 10 −8 = 0.2 × 10 −6 [s]
= 200 [ns]
It becomes. Therefore, a resonance wave of 5 MHz is generated in the lossless circuit.
そこで、図4に示す等価回路図である1個の直流リアクトル11を設けた場合の反射時の電圧を計算する為、次のようにして共振周波数を求める。ここでは、直流電源電圧Vpn:360[V]、直流リアクトル11のインダクタンスL:1.6[mH]とすると、反射周期は、Pライン,Nラインのインピーダンスが異なるので、PラインとNラインとの各共振波形とを重ね合わせた出力端電圧が発生する。Nラインは無損失回路となる。
Therefore, in order to calculate the voltage at the time of reflection when one
今、高周波帯では、負荷インピーダンスZ1及び当該Z1の中のインダクタンス分Lzが50%程度低下すると仮定し、さらに電線インダクタンスL1《Lの関係にあることから、L1+L=L1と近似して計算した場合、
波動速度Ws1=1/√{(L1+L)+C}
=1/√(1.6×10-3×0.5×100×10-12)
=3.5×106[m/s]
共振周期T1=4l/Ws1=(4×15)/(3.5×10-6)=17.1×10-6[μs]
となる。よって、
共振周波数f1=58[KHz]
となる。よって、1個の直流リアクトル11の共振周波数は、前述するNラインの無損失回路の共振周波数が5[MHz]であるので、Pラインの58[KHz]とNラインの5[MHz]の共振周波数が重畳された高周波波形となる。
Now, in the high frequency band, it is assumed that the load impedance Z1 and the inductance Lz in the Z1 are reduced by about 50%, and further, the calculation is performed by approximating L1 + L = L1 because there is a relationship of wire inductance L1 << L ,
Wave velocity Ws1 = 1 / √ {(L1 + L) + C}
= 1 / √ (1.6 × 10 −3 × 0.5 × 100 × 10 −12 )
= 3.5 × 10 6 [m / s]
Resonance period T1 = 4 l / Ws1 = (4 × 15) / (3.5 × 10 −6 ) = 17.1 × 10 −6 [μs]
It becomes. Therefore,
Resonance frequency f1 = 58 [KHz]
It becomes. Accordingly, the resonance frequency of one
次に、反射波が電動機コイル端で反射した場合の減衰率を計算する。
先ず、特性インピーダンスZ0=√{(R+jωL)/(G+jωC)}
となる。Z0=R0+jX0とすると、R0,X0は下記式で表せる。
First, characteristic impedance Z 0 = √ {(R + jωL) / (G + jωC)}
It becomes. If Z 0 = R 0 + jX 0 , R 0 and X 0 can be expressed by the following formula.
ここで、R1,G1,C1,L1の定数を次のようにモデル化する。
R1=3×10-4[Ω/m]、G1=1.6×10-9[Ω/m]、C1=100×10-12[F/m]、L1=0.11×10-6[H/m]とし、このとき、R1《ωL1、G1《ωC1の関係が成立するので、
R1 = 3 × 10 −4 [Ω / m], G1 = 1.6 × 10 −9 [Ω / m], C1 = 100 × 10 −12 [F / m], L1 = 0.11 × 10 −6 [H / m], and at this time, the relationship of R1 << ωL1, G1 << ωC1 is established.
そこで、上式から58[KHz]における特性インピーダンスZ01は、
となる。また、58[KHz]における負荷インピーダンスZl1は、
Zl1=0.067+j2πfL
=0.067+j2π×58×103[Hz]×8.5×10-3[H]×0.5
=0.067+j1548
|Zl1|=1548
従って、特性インピーダンスの回路部での反射電圧降下は、{105/(105+1548)}×360×2=46[V]となる。
よって、電動機コイル端等の反射発生時のサージ電圧は、720−46=674[V]
となる。但し、当該式の[720]は直流電源電圧360(V)の2倍の電圧を意味する。なお、5[MHz]における反射電圧降下は小さいので無視できる。
It becomes. The load impedance Zl 1 at 58 [KHz] is
Zl 1 = 0.067 + j2πfL
= 0.067 + j2π × 58 × 10 3 [Hz] × 8.5 × 10 −3 [H] × 0.5
= 0.067 + j1548
| Zl 1 | = 1548
Accordingly, the reflected voltage drop in the circuit portion having the characteristic impedance is {105 / (105 + 1548)} × 360 × 2 = 46 [V].
Therefore, the surge voltage when reflection occurs at the end of the motor coil, etc. is 720−46 = 674 [V].
It becomes. However, [720] in the equation means a voltage twice the DC power supply voltage 360 (V). The reflected voltage drop at 5 [MHz] is small and can be ignored.
次に、図5に示す等価回路図である2個の直流リアクトル11p,11nを設けた場合の反射時の電圧を計算する為、共振周波数を求める。
今、直流リアクトル11p,11nの各インダクタンスLp,Ln:0.8[mH]とすると、反射周期は、Pライン,Nラインとも同一インピーダンスとなるので、P,Nラインとも同一周期で共振する。この時の波動速度Ws2と周期T2は次のようになる。
Next, in order to calculate the voltage at the time of reflection when the two
Now, assuming that the inductances Lp and Ln of the
波動速度Ws2==1/√(0.8×10-3×0.5×100×10-12)
=5.0×106[m/s]
共振周期T2=4l/Ws2=(4×15)/(5×10-6)=12[μs]
となる。よって、
共振周波数f2=83[KHz]
となる。
Wave velocity Ws2 == 1 / √ (0.8 × 10 −3 × 0.5 × 100 × 10 −12 )
= 5.0 × 10 6 [m / s]
Resonance period T2 = 4 l / Ws2 = (4 × 15) / (5 × 10 −6 ) = 12 [μs]
It becomes. Therefore,
Resonance frequency f2 = 83 [KHz]
It becomes.
一方、反射時の減衰率は、P,Nラインとも同一インピーダンスであり、何れのラインの特性インピーダンスを求めることで算出可能である。電線抵抗R2は、直流リアクトル11p,11nが追加されているので、これらリアクトル11p,11nの抵抗分を0.01[Ω]とすると、
R2/L2={(R1+0.01)/(L1+0.8×10-3)}=25
G2/C2=G1/C1=16
となる。ここで、共振周波数f2=83[KHz]における特性インピーダンスZ02は、
Z02=√{(0.8×10-3×0.5)/(100×10-12){1−j(1/2ω)}(25−16)}=√{(4×106)}×(1−j8.6×10-6)=2000−j0.017
|Z02|=2000
となる。よって、共振周波数f2=83[KHz]での負荷インピーダンスZl2は、
Zl2=0.067+j2πf2L2
=0.067+j×2π×83×10-3[Hz]×8.5×10-3×0.5[H]
=0.067+j2216
|Zl2|=2216
従って、特性インピーダンスの回路部での反射電圧降下は、{2000/(2000+2216)}×360×2=342[V]となる。
よって、電動機コイル端の反射発生時のサージ電圧は、720−342=378[V]
となる。
On the other hand, the attenuation factor at the time of reflection is the same impedance for both the P and N lines, and can be calculated by obtaining the characteristic impedance of any line. Since the
R2 / L2 = {(R1 + 0.01) / (L1 + 0.8 × 10 −3 )} = 25
G2 / C2 = G1 / C1 = 16
It becomes. Here, the characteristic impedance Z 02 at the resonance frequency f2 = 83 [KHz] is
Z 02 = √ {(0.8 × 10 −3 × 0.5) / (100 × 10 −12 ) {1−j (1 / 2ω)} (25−16)} = √ {(4 × 10 6 )} × (1-j8.6 × 10 −6 ) = 2000−j0.017
| Z 02 | = 2000
It becomes. Therefore, the load impedance Zl 2 at the resonance frequency f2 = 83 [KHz] is
Zl 2 = 0.067 + j2πf 2 L2
= 0.067 + j × 2π × 83 × 10 −3 [Hz] × 8.5 × 10 −3 × 0.5 [H]
= 0.067 + j2216
| Zl 2 | = 2216
Accordingly, the reflected voltage drop in the circuit portion having the characteristic impedance is {2000 / (2000 + 2216)} × 360 × 2 = 342 [V].
Therefore, the surge voltage at the occurrence of reflection at the end of the motor coil is 720-342 = 378 [V].
It becomes.
従って、以上のような実施の形態によれば、反射によって反射するサージ電圧は、2個の直流リアクトル11p,11nで構成された電動機駆動用フィルタの方がほぼ1/2と小さくなり、電動機コイルの絶縁材を劣化させたり、絶縁破壊を起すことが無くなり、直流電動機5を長期にわたって安定に駆動できる。
Therefore, according to the embodiment as described above, the surge voltage reflected by the reflection is reduced to about 1/2 in the motor driving filter constituted by the two
(第3の実施の形態)
図7は本発明に係る電動機駆動用フィルタの第3の実施形態を示す構成図である。
電動機駆動装置は、図1,図2とほぼ同様な構成であるので、ここで同一部分には同一符号を付して説明を省略し、特に異なる部分について説明する。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a block diagram showing a third embodiment of the motor driving filter according to the present invention.
Since the motor drive device has substantially the same configuration as that shown in FIGS. 1 and 2, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and particularly different parts will be described.
同図において、31は直流電動機5の界磁コイル、32は平滑コンデンサ2の両端間に並列に接続される2つのスイッチング素子で構成される界磁チョッパ回路であって、当該界磁チョッパ回路32のチョッパ制御によるチョッパ出力が界磁コイル31に印加される。この界磁コイル31には界磁用共振フィルタ回路33が接続されている。界磁用共振フィルタ回路33は、界磁コイル31の一方端側に接続される界磁用直流リアクトル34と、当該界磁用直流リアクトル34と界磁コイル31の他端側との間にシリアル接続される界磁用ダンピング抵抗35及び界磁用フィルタコンデンサ36とで構成されている。さらに、界磁用ダンピング抵抗35及び界磁用フィルタコンデンサ36に並列に高周波特性の良い界磁用高周波コンデンサ37が接続されている。
In the figure, 31 is a field coil of the
この実施の形態では、先の実施形態において適用した電動機5の電機子コイルのフィルタ構成であるが、同様の構成のフィルタを界磁コイル31に適用したものであり、その作用効果は先の第1,第2の実施の形態と同様であるので、これらの実施形態の説明に譲る。
In this embodiment, the filter configuration of the armature coil of the
また、図8は、界磁コイル31の両端,つまり各相(各線)にそれぞれ界磁用直流リアクトル34p,34nを接続した構成であって、回路端での反射電圧が抑制されることは第2の実施形態で説明した通りである。
FIG. 8 shows a configuration in which
以上の実施の形態においては、界磁用チョッパ回路32のチョッパ動作出力を直流電動機5の界磁コイル31に印加する場合、界磁用コイル31に対して、界磁用直列リアクトル34を直列に接続し、かつフィルタコンデンサ36及び高周波コンデンサ37をそれぞれ並列に接続した構成したことにより、チョッパ回路32から出力される矩形波16(図2(a)参照)が界磁用直列リアクトル34及びフィルタコンデンサ36により平滑され、かつ高周波コンデンサ37によってサージ電圧17を抑制してなる平滑波形19を界磁コイル31に印加することにより、急峻なサージ電圧17が高周波コンデンサ37によって吸収するので、界磁コイル31の入力端に集中的に印加されることがなく、界磁コイル31の絶縁材が劣化せず、また絶縁破壊させる心配がなくなり、直流電動機5を長期にわたって安定に駆動できる。
In the above embodiment, when the chopper operation output of the
また、界磁コイル31と界磁チョッパ回路32との間にフィルタを挿入することにより、界磁コイル31の各相(各線)に直流リアクトル34,34p、34nを接続することにより、回路端に生じる反射によりサージ電圧17を低減でき、直流電動機5における界磁コイル31の絶縁材が劣化せず、また破壊させる心配がなくなり、直流電動機5を長期にわたって安定に駆動できる。
Further, by inserting a filter between the
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。例えば上記実施の形態のうち、図1及び図3は直流電動機5の電機子コイル側に本発明に係る電動機駆動用フィルタを適用し、また図7及び図8では直流電動機5の電機子コイル及び界磁コイル31側に本発明に係る電動機駆動用フィルタを適用したが、例えば界磁コイル31側だけに適用してもよく、それぞれの適用の効果が得られる。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which does not deviate from the summary, various deformation | transformation can be implemented. For example, in the above embodiment, FIGS. 1 and 3 apply the motor driving filter according to the present invention to the armature coil side of the
1…コンバータ回路、2…平滑コンデンサ、3…チョッパ回路、5…直流電動機,10,33…共振フィルタ回路、11,11p,11n,34,34p,34n…直流リアクトル、12,35…ダンピング抵抗、13,36…フィルタコンデンサ、14,37…高周波コンデンサ、16…矩形波、17…サージ電圧、18,19…平滑波形、31…界磁コイル、32…界磁チョッパ回路。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記チョッパ回路の一方出力端に接続された直流リアクトルと、この直流リアクトルの他端部と前記チョッパ回路の他方出力端との間に直列接続されたダンピング抵抗及び平滑コンデンサとを有し、前記チョッパ制御により前記チョッパ回路から出力される矩形波のチョッパ電圧を平滑するフィルタ回路と、
前記直列接続されたダンピング抵抗及び平滑コンデンサに対して並列接続され、前記フィルタ回路で平滑化されたチョッパ電圧に含む、前記チョッパ回路の周辺回路や当該チョッパ回路から前記直流電動機の電機子コイルに至る配線に関連して生じるLC共振現象により発生する高周波のサージ電圧を吸収し平滑波形とする所定の周波数領域で使用可能な容量を持った高周波コンデンサと
を備えたことを特徴とする直流電動機駆動用フィルタ。 In a motor drive device that uses a chopper circuit composed of switching elements to chopper-control a DC power supply voltage and control an armature current of a DC motor,
A DC reactor connected to one output end of the chopper circuit, and a damping resistor and a smoothing capacitor connected in series between the other end of the DC reactor and the other output end of the chopper circuit, the chopper A filter circuit for smoothing the chopper voltage of the rectangular wave output from the chopper circuit by the control;
The chopper voltage connected in parallel to the damping resistor and the smoothing capacitor connected in series, and included in the chopper voltage smoothed by the filter circuit, reaches the armature coil of the DC motor from the peripheral circuit of the chopper circuit and the chopper circuit. A DC motor drive characterized by comprising a high-frequency capacitor having a capacity usable in a predetermined frequency region that absorbs a high-frequency surge voltage generated by an LC resonance phenomenon generated in connection with wiring and forms a smooth waveform filter.
前記チョッパ回路の各出力端の各相(各線)の電線ラインにそれぞれ直流リアクトルを接続し、前記各相(各線)の電線ラインの電線インピーダンスを等しくし、前記直流電動機の電機子コイル端部から反射されるサージ電圧を低減することを特徴とする直流電動機駆動用フィルタ。 In the DC motor drive filter according to claim 1,
A DC reactor is connected to each phase (each line) wire line at each output end of each chopper circuit, the wire impedance of each phase (each line) wire line is made equal, and from the armature coil end of the DC motor A filter for driving a DC motor, characterized by reducing a reflected surge voltage.
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