JP6210942B2 - 電動機駆動システム及び電動機駆動システムの直流短絡検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動機駆動システム及び電動機駆動システムの直流短絡検出装置に関する。

図５は、従来の、電動機駆動システムの直流短絡検出装置で、直流短絡検出方法を示す。３レベルインバータの場合、２つの直流リンク（Ｐ極ーＣ極間）及び（Ｃ極ーＮ極間）の直流短絡を監視するには、直流リンクコンデンサ（平滑コンデンサ）ＣＰ１及びＣＮ１に対する充放電電流を監視する必要がある。

図５において、Ｖｕ、Ｖｖ，Ｖｗは電動機側に接続される。直流リンクコンデンサＣＰ１は図示しない電源側コンバータから充電電流１ａによって充電され、電動機通常運転時、当該直流リンクコンデンサＣＰ１の放電電流１ｂはＵ相インバータ３０、Ｖ相インバータ４０及びＷ相インバータ５０に供給される。同様に、直流リンクコンデンサＣＮ１は充電電流２ａによって充電され、電動機通常運転時、当該直流リンクコンデンサＣＮ１の放電電流２ｂはＵ相インバータ３０、Ｖ相インバータ４０及びＷ相インバータ５０に供給される。

直流リンクコンデンサＣＰ１の充電電流１ａ及び放電電流１ｂは電流センサＣＴ１によって検出される。同様に直流リンクコンデンサＣＮ１の充電電流２ａ及び放電電流２ｂは、電流センサＣＴ２によって検出される。

これら２箇所の電流センサＣＴ１及びＣＴ２で検出された信号は、監視回路（図示しない）によって監視され、上記直流リンクに接続されるインバータ、例えばＵ相インバータ３０内で何らかの理由によりＩＧＢＴＱ１、ＩＧＢＴＱ２、ＩＧＢＴＱ３の同時スイッチングが発生し、ＣＰ１からＩＧＢＴＱ１→ＩＧＢＴＱ２→ＩＧＢＴＱ３→ダイオードＤ９の直流短絡回路間に短絡が発生した場合、直流リンクコンデンサの電流を監視し、健全インバータＶ相、Ｗ相アームのゲートブロックでの被害拡大を防止している。３レベルインバータの場合の直流リンクは、２個直列接続（Ｐ極ーＣ極間、Ｃ極ーＮ極間）されているので、２つの直流リンクの電流を２箇所で監視していた。

特許第４７６９３９０号公報（全体）

直流短絡時、直流リンクコンデンサＣＰ１及びＣＮ１からの放電電流をそれぞれ２箇所に配置した電流センサで監視していたが、放電電流は大電流となることから、装置の小型化に伴う経済性及びスペースファクターの改善が切望されていた。

本発明は上記に鑑みて為されたものであり、直流短絡時、直流リンクコンデンサＣＰ１及びＣＮ１からの放電電流をそれぞれ２箇所で監視する替わりに、直流リンクコンデンサに並列に接続した小容量の短絡検知コンデンサからの放電電流を１箇所で監視し、上記２箇所監視と同等の効果を有する電動機駆動システム及び電動機駆動システムの直流短絡検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電動機駆動システムは、直流電源を供給するＰ極、Ｃ極及びＮ極を有する直流電源入力部と、前記直流電源入力部を構成するＰ極及びＣ極間に接続された第１の直流リンクコンデンサ並びにＣ極及びＮ極間に接続された第２の直流リンクコンデンサと、前記第１の直流リンクコンデンサ及び前記第２の直流リンクコンデンサの電流を監視するために前記Ｐ極及びＮ極間に設けられた直流短絡検出装置と、前記直流電源の供給を受けて交流電源に変換するインバータ部と、を備え、前記直流短絡検出装置は、前記Ｐ極及びＣ極間に、Ｐ極側から第１の短絡検知コンデンサ及び順方向に配置された第１のダイオードが直列に接続された第１の接続点を有する第１の充電回路と、前記Ｃ極及びＮ極間に、Ｃ極側から順方向に配置された第２のダイオード及び第２の短絡検知コンデンサが直列に接続された第２の接続点を有する第２の充電回路と、前記第２の接続点及び前記第１の接続点の間に、当該第２の接続点側から第３のダイオード及び電流センサが直列に接続された放電回路と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、直流短絡時、直流リンクコンデンサＣＰ１・ＣＮ１からの放電電流を２箇所で監視する替わりに、直流リンクコンデンサに並列に接続された小容量の短絡検知コンデンサからの放電電流を１箇所で監視し、上述した２か所監視と同等の効果を有する電動機駆動システム及び電動機駆動システムの直流短絡検出装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る電動機駆動システムの回路図（充電電流）。 本発明の実施例１に係る電動機駆動システムの回路図（放電電流）。 本発明の実施例１に係る直流リンクコンデンサの容量と短絡検知コンデンサの容量を説明する図。 本発明の実施例１に係る直流リンクコンデンサ電流（メイン電流）と短絡検知コンデンサ電流を説明する図。 従来の電動機駆動システムの直流短絡検出装置の回路図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電動機駆動システム１００の回路図で、充電電流の経路が示されている。電動機駆動システム１００は、Ｐ極、Ｃ極及びＮ極を有する直流電源入力部と、当該直流電源入力部から入力された直流電源のリプル電流を処理する直流リンク部１０と、直流短絡検出装置２０及びインバータ部３０〜５０を有して構成される。

直流電源入力部は、Ｐ極ーＣ極間（以下、ＰーＣ間と称する。）にＥ[Ｖ]、Ｃ極ーＮ極間（以下、Ｃ−Ｎ間と称する。）にＥ[Ｖ]が供給される。

直流リンク部１０は、ＰーＣ間に接続された直流リンクコンデンサＣＰ１（第１の直流リンクコンデンサ）及びＣ―Ｎ間に接続された直流リンクコンデンサＣＮ１（第２の直流リンクコンデンサ）を有して構成される。直流リンクコンデンサＣＰ１及びＣＮ１には、ブリーダ抵抗が並列に接続される場合があるが、ここでは省略してある。また、直流電源に混入する高調波成分を除去するためにスナバ回路を当該直流リンク部１０に並列に接続する場合もあるが、本発明の趣旨に直接関係がないため省略してある。

直流短絡検出装置２０には、Ｐ極及びＣ極間に、Ｐ極側から短絡検知コンデンサＣＰ２（第１の短絡検知コンデンサ）及び順方向に配置されたダイオードＤ１（第１のダイオード）が直列に接続された接続点Ｐ１（第１の接続点）を有する第１の充電回路が設けられている。また、Ｃ極及びＮ極間に、Ｃ極側から順方向に配置されたダイオードＤ２（第２のダイオード）及び短絡検知コンデンサＣＮ２（第２の短絡検知コンデンサ）が直列に接続された接続点Ｐ２（第２の接続点）を有する第２の充電回路が設けられている。さらに、前記第２の接続点及び前記第１の接続点の間に、当該第２の接続点側から第３のダイオード及び電流センサＣＴが直列に接続された放電回路が設けられている。

インバータ部は、Ｕ相インバータ部３０、Ｖ相インバータ部４０及びＷ相インバータ部５０を有して構成される。これら各インバータ部の構成は共通であるため、Ｕ相インバータ部３０の構成を説明する。

Ｕ相インバータ部３０は、４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が、供給される直流電源Ｅ[Ｖ]、Ｅ[Ｖ]の両端に対して直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などが使用される。このスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４にはそれぞれ逆並列にダイオードＤ４〜Ｄ７（還流ダイオード）が接続される。また、本実施例に示す３レベルインバータには、各相の出力電圧（この場合Ｕ相）を中性点Ｃ０にクランプするためのクランプダイオードＤ８及びＤ９が接続される。

以上の構成を有し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を、設定されたタイミングでオン、オフスイッチングすることにより、Ｕ相電圧Ｖｕが生成される。

Ｖ相インバータ部４０及びＷ相インバータ部５０はＵ相インバータ部３０と同様に構成されており、当該インバータ部を構成するスイッチング素子を設定されたタイミングでオン、オフスイッチングすることにより、Ｖ相電圧Ｖｖ及びＷ相電圧Ｖｗが生成される。

以上の処理により３相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ、Ｖｗが生成され、負荷（図示しない）に対して３相交流電力が供給される。

以上の構成を有する電動機駆動システム１００のＰーＣ間にＥ[Ｖ]、Ｃ−Ｎ間にＥ[Ｖ]が供給されると、直流リンクコンデンサＣＰ１に充電電流１ａ１が流れると共に、上述した第１の充電回路により、短絡検知コンデンサＣＰ２に充電電流１ａ２が流れる。

同様に、直流リンクコンデンサＣＮ１に充電電流２ａ１が流れると共に、上述した第２の充電回路により、短絡検知コンデンサＣＮ２に充電電流２ａ２が流れる。

図２は、本発明の実施例１に係る電動機駆動システムの回路図で、電動機通常運転時の放電電流の経路が示されている。図２中の直流リンクコンデンサＣＰ１の放電電流１ｂ１、および直流リンクコンデンサＣＮ１の放電電流２ｂ１は、図５の直流リンクコンデンサＣＰ１の放電電流経路１ｂと直流リンクコンデンサＣＮ１の放電電流経路２ｂと同じ作用をするためここでは、電動機通常運転時の短絡検知コンデンサＣＰ２及びＣＮ２からの放電電流の経路を説明する。

短絡検知コンデンサＣＰ２に充電された電荷に基づく放電電流１ｂ２（実線矢印）は、短絡検知コンデンサＣＰ２からインバータ部３０〜５０に供給され、当該インバータ部３０〜５０により交流電流となり負荷に供給された後、中性点Ｃ０→ダイオードＤ２→ダイオードＤ３→電流センサＣＴの経路を経て短絡検知コンデンサＣＰ２に帰還する。

同様に、短絡検知コンデンサＣＮ２に充電された電荷に基づく放電電流２ｂ２（破線矢印）は、短絡検知コンデンサＣＮ２→ダイオードＤ３→電流センサＣＴ→ダイオードＤ１→中性点Ｃ０→インバータ部３０〜５０に供給され、当該インバータ部３０〜５０により交流電流となり負荷に供給された後、短絡検知コンデンサＣＮ２に帰還する。

以上、説明したように、電動機通常運転時、短絡検知コンデンサＣＰ２及びＣＮ２からの放電電流１ｂ２及び２ｂ２は、何れも電流センサＣＴを経由することから、１箇所の電流センサＣＴで短絡検知コンデンサＣＰ２及びＣＮ２からの放電電流を検出することができる。

図３は、本発明の実施例１に係る直流リンクコンデンサ（ＣＰ１及びＣＮ１）の容量と短絡検知コンデンサ（ＣＰ２及びＣＮ２）の容量を説明する図である。

一般的な直流リンクコンデンサ容量に対する短絡検知コンデンサ容量の容量割合は、０．１％程度に設定される。例えば、３．３[ｋＶ]の電圧を出力するインバータ装置において、１ＢＮＫ（ＵＶＷ相）分の直流リンクコンデンサ容量が２０００[μＦ]（ＰーＣ間、Ｃ−Ｎ間）とすれば、短絡検知コンデンサ容量は、２[μＦ]となる。

本実施例１においても、図３に示すように、上記同様のコンデンサ容量を用いている。上記電圧を出力するために３[ｋＶ]×２の直流リンク電圧とし、４０００[ｋＶＡ]の装置を想定した場合の、電動機駆動システム（装置）出力電力（皮相電力）Ｐｏ及び電動機駆動システム（装置）出力電流Ｉｏは、下式（１）〜（３）で示される。
直流リンク電圧Ｖｐｃ＝Ｖｃｎ＝３[ｋＶ]・・・・・・・・・ ・（１）
装置出力電力Ｐｏ＝４０００[ｋＶＡ]・・・・・・・ ・・・・・（２）
装置出力電流Ｉｏ＝４０００ｋＶＡ／（√３×３３００Ｖ）
＝７００[Ａｒｍｓ]・・・・・・・ ・・・・・（３）
[ｒｍｓ]は（root mean square value：実行値）のことで、上記式（３）は、電流の実行値が７００[Ａ]であることを示す。

図３に示す直流リンクコンデンサＣＰ１、ＣＰ２を接続する配線インダクタンス、及び当該直流リンクコンデンサとインバータ部を接続するＢＵＳバー（図示しない）のインダクタンス及び短絡検知コンデンサＣＰ２及びＣＮ２のインダクタンスを無視すれば、短絡検知コンデンサＣＰ２及びＣＮ２からの放電電流値ＩＣＰ２及びＩＣＮ２は、直流リンクコンデンサＣＰ１及びＣＮ１からの放電電流値に対するコンデンサの容量比で示される。

すなわち、当該装置短絡時の短絡検知コンデンサＣＰ２及びＣＮ２の放電電流ＩＣＰ２及びＩＣＮ２は、上式（３）で示される装置出力電流値Ｉｏに対する直流リンクコンデンサＣＰ１及びＣＮ１と、短絡検知コンデンサＣＰ２及びＣＮ２とのコンデンサ容量比で示すことができ、下式（４）〜（５）で示すことができる。
直流リンクコンデンサＣＰ１容量：短絡検知コンデンサＣＰ２容量
＝２０００μＦ：２μＦ＝１０００：１・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）
短絡検知コンデンサ電流ＩＣＰ２＝Ｉｏ／１０００＝０．７[Ａｒｍｓ]・・・（５）
なお、直流リンクコンデンサＣＮ１容量：短絡検知コンデンサＣＮ２容量は上記（４）同様に算出され、短絡検知コンデンサ電流ＩＣＮ２は上式（５）と同様に算出される。

本実施例１に係る電動機駆動システム１００で直流短絡が発生した場合には、直流リンクコンデンサＣＰ１及びＣＰ２から放電電流が短絡電流として流れるが、当該短絡電流は上記（３）式で示すように７００[Ａｒｍｓ]以上の大電流になるため、この大電流を電流センサで検出するには、容量の大きな電流センサが必要になるが、当該直流短絡発生時、短絡検知コンデンサＣＰ２及びＣＮ２から電流センサに流れる電流は、上記（５）式で示すように０．７Ａｒｍｓとなり、直流リンクコンデンサＣＰ１及びＣＮ２からの放電電流に比べて１／１０００の放電電流が短絡電流として流れるにすぎない。

すなわち、短絡検知コンデンサＣＰ２の容量は直流リンクコンデンサＣＰ１の容量より小さな容量に設定することができ、かつ、短絡検知コンデンサＣＮ２の容量は直流リンクコンデンサＣＮ１の容量より小さな容量に設定することができることにより、小容量の電流センサで当該電動機駆動システム１００の直流短絡を検出することが可能になる。

図４は、上述した直流リンクコンデンサＣＰ１から流れる直流リンクコンデンサ電流ＩＣＰ１と短絡検知コンデンサＣＰ２から流れる放電電流ＩＣＰ２（図２に示す放電電流１ｂ２相当）を図示したものである。ここでは、直流リンクコンデンサ電流ＩＣＰ１を構成するメイン電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔは、下式（６）〜（８）により算出される。また、そのときの最大電流ＩＣＰ１ｍは、上記（３）式から、下式（９）により算出される。
Ｉｒ＝ＩＣＰ１ｍ・ｓｉｎωｔ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）
Ｉｓ＝ＩＣＰ１ｍ・ｓｉｎ（ωｔ−２π／３）・・・・・・・・・・・（７）
Ｉｔ＝ＩＣＰ１ｍ・ｓｉｎ（ωｔ−４π／３）・・・・・・・・・・・（８）
ＩＣＰ１ｍ＝√２Ｉｏ＝√２×７００＝９９０[Ａ]・・・・・・・・・（９）
同様に短絡検知コンデンサ電流ＩＣＰ２は、上記メイン電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔに対して１／１０００の電流が流れるため、その電流を、メイン電流Ｉｒ／１０００、Ｉｓ／１０００、Ｉｔ／１０００として図示してある。そのときの最大電流ＩＣＰ２ｍは、上記（５）式から下式（１０）により算出される。
ＩＣＰ２ｍ＝√２Ｉｏ／１０００＝０．９９[Ａ]・・・・・・・・・・（１０）
以上算出された電流値を図４に示す。

以上の説明で明らかなように、本実施例によれば、３レベルインバータによる電動機駆動システムの直流短絡検出装置において、直流短絡時、直流リンクコンデンサＣＰ１・ＣＰ２からの放電電流（大電流）を２箇所で監視する替わりに、短絡検知コンデンサからの放電電流（小電流）を１箇所で監視し、２箇所監視と同等の効果を有する電動機駆動システム及び電動機駆動システムの直流短絡検出装置を提供することができる。

１０ 直流リンク部
２０ 直流短絡検出装置
３０〜５０ インバータ部
ＣＰ１ Ｃ−Ｐ間に接続された直流リンクコンデンサ（平滑コンデンサ）
ＣＰ２ Ｃ−Ｐ間に接続された短絡検知コンデンサ
ＣＮ１ Ｃ−Ｎ間に接続された直流リンクコンデンサ（平滑コンデンサ）
ＣＮ２ Ｃ−Ｎ間に接続された短絡検知コンデンサ
ＣＴ 電流センサ
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ３ ダイオード
Ｄ４〜Ｄ７ ダイオード（還流ダイオード）
Ｄ８〜Ｄ９ クランプダイオード

Claims (4)

1. 直流電源を供給するＰ極、Ｃ極及びＮ極を有する直流電源入力部と、
   前記直流電源入力部を構成するＰ極及びＣ極間に接続された第１の直流リンクコンデンサ並びにＣ極及びＮ極間に接続された第２の直流リンクコンデンサと、
   前記第１の直流リンクコンデンサ及び前記第２の直流リンクコンデンサの電流を監視するために前記Ｐ極及びＮ極間に設けられた直流短絡検出装置と、
   前記直流電源の供給を受けて交流電源に変換するインバータ部と、
   を備え、
   前記直流短絡検出装置は、
   前記Ｐ極及びＣ極間に、Ｐ極側から第１の短絡検知コンデンサ及び順方向に配置された第１のダイオードが直列に接続された第１の接続点を有する第１の充電回路と、
   前記Ｃ極及びＮ極間に、Ｃ極側から順方向に配置された第２のダイオード及び第２の短絡検知コンデンサが直列に接続された第２の接続点を有する第２の充電回路と、
   前記第２の接続点及び前記第１の接続点の間に、当該第２の接続点側から第３のダイオード及び電流センサが直列に接続された放電回路と、
   を備えたことを特徴とする電動機駆動システム。
2. 前記第１の短絡検知コンデンサの容量は、前記第１の直流リンクコンデンサの容量より小さな容量に設定され、かつ、前記第２の短絡検知コンデンサの容量は、前記第２の直流リンクコンデンサの容量より小さな容量に設定されることを特徴とする請求項１記載の電動機駆動システム。
3. 直流電源を供給するＰ極、Ｃ極及びＮ極を有する直流電源入力部と、前記直流電源入力部を構成するＰ極及びＣ極間に接続された第１の直流リンクコンデンサ並びにＣ極及びＮ極間に接続された第２の直流リンクコンデンサと、前記第１の直流リンクコンデンサ及び前記第２の直流リンクコンデンサの電流を監視するために前記Ｐ極及びＮ極間に設けられた直流短絡検出装置と、前記直流電源の供給を受けて交流電源に変換するインバータ部と、を備えた電動機駆動システムの前記直流短絡検出装置であって、
   前記Ｐ極及びＣ極間に、Ｐ極側から第１の短絡検知コンデンサ及び順方向に配置された第１のダイオードが直列に接続された第１の接続点を有する第１の充電回路と、
   前記Ｃ極及びＮ極間に、Ｃ極側から順方向に配置された第２のダイオード及び第２の短絡検知コンデンサが直列に接続された第２の接続点を有する第２の充電回路と、
   前記第２の接続点及び前記第１の接続点の間に、当該第２の接続点側から第３のダイオード及び電流センサが直列に接続された放電回路と、
   を備えたことを特徴とする電動機駆動システムの直流短絡検出装置。
4. 前記第１の短絡検知コンデンサの容量は、前記第１の直流リンクコンデンサの容量より小さな容量に設定され、かつ、前記第２の短絡検知コンデンサの容量は、前記第２の直流リンクコンデンサの容量より小さな容量に設定されることを特徴とする請求項３記載の電動機駆動システムの直流短絡検出装置。

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