JP6378982B2 - インバータ回路 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、DCリンクにおける過電圧又は過電流の発生を抑制したインバータ回路を提供することにある。
加えて、負荷によって発生された高調波電流を、抑制部に設けられた2つのコンデンサの直流回路によって抑制することができる。
まず、以下に示す複数の実施の形態に共通の事項を説明する。
本実施の形態で説明するインバータ回路は、例えばエアコンや冷蔵庫等の圧縮機に用いられるモータなどの負荷に電力を供給するために用いられる。すなわち、インバータ回路は、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換(整流)し、その直流電圧を平滑化した後に、負荷を制御するのに適した交流電圧に変換する。
ここでは、交流電源は三相交流電源PSであるとし、モータなどの負荷も三相交流電圧で制御されるモータMであるとする。
インバータ回路100は、三相交流電源PSから供給される交流電圧を直流電圧に整流する整流部1と、整流部1から出力された直流電圧を平滑化する平滑化部2とを備える。また、インバータ回路100は、平滑化された直流電圧を三相交流電圧に変換して、モータMに供給するインバータ部3を備える。そして、インバータ回路100は、整流部1と平滑化部2との間に設けられた抑制部6を備える。抑制部6は、平滑化部2の直流電圧が印加されるDCリンク4における過電圧又は過電流の発生を抑制する。
ここで、端子P1は整流部1の一方の出力端子、端子P2は整流部1の他方の出力端子である。また、端子P3は平滑化部2の一方の入力端子、端子P4は平滑化部2の他方の入力端子である。
インバータ部3は、平滑化部2から出力される直流電圧において、脈流の振幅が予め定められた値以上であっても、モータMに対してその脈流の影響が表れないように制御される。よって、平滑化部2から出力される直流電圧における脈流の振幅が大きくても、平滑化部2に電解コンデンサを用いた場合と同様なモータMの制御が実現できる。
なお、スイッチング素子Stには、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor))などを用いうる。
抑制部6については、後述する。以下の複数の実施の形態で説明する抑制部6は、それぞれを区別するため、抑制部6A、6Bなどと表記する。
図2は、第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100の一例を示す図である。
第1の実施の形態におけるインバータ回路100は、図1に示した抑制部6として抑制部6Aを備えている。抑制部6Aは、例えばモータMが緊急停止した際などに発生する誘導起電流によって、インバータ回路100が故障するのを抑制する。すなわち、モータMが緊急停止した際に発生する誘導起電流が、インバータ部3を構成する各スイッチング回路に流れる。これにより、DCリンク4の電圧が上昇する。この際、DCリンク4の電圧がスイッチング素子Stの破壊電圧以上の過電圧になると、スイッチング素子Stが破壊されるおそれがある。そこで、抑制部6Aは、モータMの緊急停止の際などに、DCリンク4が、過電圧となることを抑制する。
また、抑制部6Aは、電源電流における高調波電流成分を抑制する。
なお、抵抗Rpの抵抗値及びコンデンサCpの静電容量は、DCリンク4の電圧上昇が、スイッチング素子Stの破壊電圧を下回るように設定されればよい。
ここで、インバータ回路100における抑制部6Aにより、DCリンク4の過電圧が抑制されることを説明する。
図3は、第1の実施の形態が適用されないインバータ回路100を示す図である。
第1の実施の形態が適用されないインバータ回路100では、図2に示したインバータ回路100において、抑制部6Aの代わりにDCリアクタLdcを備えている。
なお、DCリアクタLdcのインダクタンスは2mHに設定されている。
他の構成は、図2に示したインバータ回路100と同様であるので、同じ符号を付して、説明を省略する。
図4に示したシミュレーション結果が、実際のインバータ回路100のDCリンク4の電圧(DCリンク電圧)の上昇を模擬できているか否かを、実機により確認した。
なお、この791Vは、シミュレーション結果で得られた873Vよりも低い。
次に、インバータ回路100における抑制部6Aが、モータMの負荷変動などにより発生する高調波電流を抑制できることを説明する。
図6は、インバータ回路100の3つのモデル(シミュレーションモデル)について、電源電流の周波数応答特性を示した図である。各シミュレーションモデルでは、図2に示していないEMI(Electro-Magnetic Interference)フィルタ7を加えるとともに、モータMを負荷電流源CCで代替させている。
EMIフィルタ7は、整流部1と抑制部6(抑制部6を備えない場合は、平滑化部2)との間に設けられ、DCリアクタLfとコンデンサCfとを備える。
ここでは、一例として、DCリアクタLfのリアクタンスは20μH、コンデンサCfの静電容量は1μFである。
なお、図6では、インバータ回路100の三相の内の一相のみ取り出して記載している。
第1のシミュレーションモデルは、第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100から抑制部6Aを省略したものである。
第2のシミュレーションモデルは、第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100の抑制部6Aの代わりに、DCリアクタLdcを設けたものである。すなわち、第2のシミュレーションモデルは、図3に示した第1の実施の形態が適用されないインバータ回路100に対応する。
第3のシミュレーションモデルは、図2に示した第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100に対応する。
共振周波数が他のシミュレーションモデルに比べ高周波数帯域側になり、高調波電流成分のうち特に高周波数帯域のものが抑制できない。よって、例えば各国の高調波対策基準を満たすことができないおそれがある。
このことから、高調波電流の高周波数帯域成分は十分に抑えることができる。しかし、このLC共振回路の共振周波数において共振ピークが大きいために、高調波電流のうち低周波数帯域成分が増幅され、十分な高調波電流対策とならないおそれがある。
すなわち、負荷電流源CCが、高調波電流の発生源となる。そして、この高調波電流の高周波数帯域成分が平滑コンデンサCsにより、バイパスされる。この高調波電流の低周波数帯域成分がDCリアクタLpにより抑制される。さらに、平滑コンデンサCsとDCリアクタLpとのLC共振回路を流れる電流が、抵抗RpとコンデンサCpとの直列回路により低減される。
図7は、第1のシミュレーションモデルにおける電源の電流波形を示す図である。図7(a)は第1のシミュレーションモデルを示す図、図7(b)は、電源電流と時間との関係を示す図である。
図7(b)に示す電源の電流波形には、図6に示した高周波数帯域の高調波が重畳している。
図8(b)に示す電源の電流波形には、図7に示した高周波数帯域の高調波は抑制されているが、図6に示した低周波数帯域の高調波が重畳している。しかも、低周波数帯域の高調波は、次に示す第3のシミュレーションモデルに比べて大きい。
図9(b)に示す電源の電流波形では、図8に比べ、低周波数帯域の高調波の振幅が低減されている。
THC及びPWHCは、それぞれ式(1)及び式(2)により算出される。
すなわち、第3のシミュレーションモデルに対応する第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100は、電源電流における高調波電流をバランスよく抑制している。
上記においては、抑制部6Aは、主としてインバータ部3が破壊されることを抑制するものであった。しかし、その他の素子の破壊電圧に基づいて抑制部6Aを構成する抵抗Rpの抵抗値及びコンデンサCpの静電容量を設定してもよい。
第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100における抑制部6Aは、DCリアクタLpと、DCリアクタLpに並列接続された、抵抗RpとコンデンサCpとの直列回路とにより構成されていた。この抑制部6Aにより、モータMの緊急停止の際などに発生するDCリンク4の過電圧を抑制した。
第2の実施の形態のインバータ回路100は、第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100における抑制部6Aと異なる構成の抑制部6Bを備える。そして、抑制部6Bにより、モータMの緊急停止の際などに発生するDCリンク4の過電圧を抑制する。
第2の実施の形態が適用されるインバータ回路100は、図1の抑制部6として抑制部6Bを備えている。図1に示した第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100と同じ部分は、同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分である抑制部6Bを説明する。
そして、過電圧検出回路61は、端子P3(端子P1)と端子P4(端子P2)との間に設けられ、DCリンク4の電圧を検出する。
制御スイッチ素子Scは、例えばIGBTなどであって、制御ゲートGcに予め定められた電圧が印加されると、オフ状態からオン状態に移行する。
過電圧検出回路61は、DCリンク4の電圧が予め定められた検出電圧を超えたか否かを検出する。そして、DCリンク4の電圧が検出電圧を超えた場合に、制御スイッチ素子Scをオフ状態からオン状態に移行させる電圧を制御ゲートGcに供給する。
なお、サージアブソーバSAの放電開始電圧は、過電圧検出回路61の検出電圧より低く設定されている。
インバータ回路100が正常に動作している場合には、DCリンク4の電圧は、過電圧検出回路61の検出電圧以下である。この場合、過電圧検出回路61は、制御スイッチ素子Scをオフ状態に維持する電圧を制御ゲートGcに供給する。制御スイッチ素子Scがオフ状態であるので、制御スイッチ素子Scに直列接続されたサージアブソーバSAには電流が流れない。
モータMの緊急停止の際などに、DCリンク4の電圧が上昇して検出電圧を超える。すると、過電圧検出回路61は、制御スイッチ素子Scがオフ状態からオン状態に移行させる電圧を制御ゲートGcに供給する。これにより、制御スイッチ素子Scがオン状態になって、制御スイッチ素子ScとサージアブソーバSAとの直列回路に、DCリンク4の電圧が印加される。このとき、DCリンク4の電圧は、制御スイッチ素子ScとサージアブソーバSAとで分圧される。オン状態の制御スイッチ素子Scの抵抗値はサージアブソーバSAの抵抗値に比べて小さい。よって、DCリンク4の電圧のほとんどは、サージアブソーバSAに印加される。
このとき、サージアブソーバSAに印加された電圧がサージアブソーバSAの放電開始電圧を超えているので、サージアブソーバSAは、オフ状態からオン状態に移行する。そして、DCリンク4から、サージアブソーバSA及び制御スイッチ素子Scを介して、共通電位線5に向かって電流が流れ、DCリンク4の電圧が低下する。
すなわち、DCリンク4が検出電圧を超えると、抑制部6Bを動作させ、DCリンク4の電圧が検出電圧以下になると、抑制部6Bの動作を停止させている。
また、DCリンク4において抑制したい過電圧に対応した放電開始電圧のサージアブソーバSAを選択することが必要になる。例えば、三相交流電源PSの線間電圧が220Vである場合、正常な状態のDCリンク4の電圧は、約540Vである。この場合、DCリンク4の電圧が600Vになった時に、サージアブソーバSAを動作させようとすると、放電開始電圧が600VであるサージアブソーバSAを用いることになる。
また、DCリンク4の電圧が検出電圧を超える場合に、制御スイッチ素子Scをオフ状態からオン状態に移行させて、サージアブソーバSAをオン状態にする。よって、サージアブソーバSAの放電開始電圧を、DCリンク4の過電圧を検出する検出電圧と別に設定することができる。例えば、過電圧検出回路61の検出電圧を600Vとする場合、放電開始電圧が検出電圧の600Vより低い450VのサージアブソーバSAが使用できる。放電開始電圧(450V)を、抑制部6Bを動作させる電圧(600V)より低く設定することで、確実にサージアブソーバSAを動作させることができる。
さらに、サージアブソーバSAは、瞬時電力を吸収する能力(電力耐量)が大きいため、瞬時電力により破壊されにくい。
以下では、図10に示した第2の実施の形態が適用されるインバータ回路100と同じ部分は、同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分である抑制部6Bの過電圧検出回路61を説明する。
抵抗R1と抵抗R2とは、直列接続され、DCリンク4と共通電位線5との間に接続されている。
pnpバイポーラトランジスタTr、抵抗R3、抵抗R4は、この順に直列接続され、駆動電源Vddと共通電位線5との間に接続されている。
参照電源Vrefの他方の端子は、共通電位線5に接続されている。
駆動電源Vddの電圧は、例えばDC15Vである。そして、駆動電源Vddは、差動増幅器Opを駆動する電源としても用いられている。
また、参照電源Vrefの電圧は、例えばDC2.5Vである。
抵抗R1と抵抗R2とで、DCリンク4の電圧を分圧する。分圧された電圧が差動増幅器Opの+入力端子に入力される。そして、差動増幅器Opによって、+入力端子の電圧であるDCリンク4の分圧された電圧と、−入力端子の電圧である参照電源Vrefの電圧とが比較される。すなわち、過電圧検出回路61の検出電圧は、抵抗R1と抵抗R2とで分圧された電圧で設定されている。
図12において、12msの時点でモータMの緊急停止が発生している。その後、DCリンク電圧は、一旦急激に低下するが、その後、誘導起電流により上昇する。そして、DCリンク電圧が800Vを超えると(24msの時点)、過電圧検出回路61が働く。そして、過電圧検出回路61は、制御スイッチ素子Scをオフ状態からオン状態に移行させる電圧を制御ゲートGcに印加する。これにより、制御スイッチ素子Scがオフ状態からオン状態に移行するとともに、サージアブソーバSAもオフ状態からオン状態に移行する。そして、DCリンク4からサージアブソーバSA及び制御スイッチ素子Scを介して共通電位線5に電流が流れ、DCリンク電圧が低下する。
DCリンク電圧が低下すると(25msの時点)、過電圧検出回路61は、制御スイッチ素子Scをオン状態からオフ状態に移行させる電圧を制御ゲートGcに印加する。これにより、制御スイッチ素子Scがオン状態からオフ状態に移行するとともに、サージアブソーバSAもオン状態からオフ状態に移行する。
この場合、DCリンク電圧の最大値は840Vであった。
図12と同様に、12msの時点でモータMの緊急停止が発生している。その後、DCリンク電圧は、一旦急激に低下するが、その後、誘導起電流により上昇する。そして、最大値916Vに達した。
なお、第2の実施の形態に第1の実施の形態を組み合わせて用いてもよい。
第1の実施の形態におけるインバータ回路100の抑制部6A及び第2の実施の形態におけるインバータ回路100の抑制部6Bは、DCリンク4の過電圧の発生を抑制した。
第3の実施の形態におけるインバータ回路100の抑制部6は、インバータ回路100に電源を投入した際に、平滑コンデンサCsに流れ込む突入電流により発生する過電流を抑制する。
また、第3の実施の形態におけるインバータ回路100の抑制部6は、電源電流における高調波電流を抑制する。
第3の実施の形態におけるインバータ回路100は、図1の抑制部6として抑制部6Cを備えている。図1に示した第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100と同じ部分は、同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分である抑制部6Cを説明する。
なお、三相交流電源PSは三相4線式であるとし、三相をR相、S相、T相、中性点(中性線)をN相と表記する。また、整流部1の6つの整流ダイオードDcを整流ダイオードDc1〜Dc6と表記する。
コンデンサC1、C2は直列接続されて直列回路を構成し、一方の端子がDCリンク4に、他方の端子が共通電位線5に接続されている。そして、コンデンサC1、C2の接続点は、電流制限抵抗R5の一方の端子に接続されている。電流制限抵抗R5の他方の端子は、スイッチSw1の一方の端子に、スイッチSw1の他方の端子は、三相交流電源PSのN相に接続されている。
そして、三相交流のS相と整流部1との間にスイッチSw2、T相と整流部1との間にスイッチSw3を設けている。
一例として、三相交流電源PSの線間電圧は400V、平滑コンデンサCsの静電容量は40μF、コンデンサC1、C2の静電容量はそれぞれ0.22μFである。そして、電流制限抵抗R5の抵抗値は800Ωである。
ここで、スイッチSw1が第2のスイッチの一例であり、スイッチSw2、Sw3が第1のスイッチの一例である。
第3の実施の形態が適用されるインバータ回路100における突入電流によって発生する過電流の抑制について説明する。
インバータ回路100に電源を投入する際、スイッチSw1を閉(オン)にし、スイッチSw2、Sw3を開(オフ)にする。そして、三相交流電源PSをオンにする。
すると、三相交流電源PSのR相を介して、コンデンサC1、C2が充電される。すなわち、R相が正の位相のとき、整流ダイオードDc1を介して、コンデンサC1が充電される。一方、R相が負の位相のとき、整流ダイオードDc2を介して、コンデンサC2が充電される。すなわち、R相が正の位相のときには、整流ダイオードDc2が逆方向に接続されているので、三相交流電源PSのR相からは、コンデンサC1しか見えない。逆に、R相が負の位相のときには、整流ダイオードDc1が逆方向に接続されているので、三相交流電源PSのR相からは、コンデンサC2しか見えない。
そして、コンデンサC1が充電されているとき、コンデンサC2に蓄積された電荷により、平滑コンデンサCsが充電される。逆に、コンデンサC2が充電されているとき、コンデンサC1に蓄積された電荷により、平滑コンデンサCsが充電される。
なお、三相交流電源PSをオンにしてから、予め定められた時間の経過後に、スイッチSw1を開(オフ)にするとともに、スイッチSw2、Sw3を閉(オン)にしてもよい。
これにより、インバータ回路100は、通常の動作状態に移行する。
すなわち、スイッチSw1と電流制限抵抗R5とで構成される回路は充電回路である。
また、平滑コンデンサCsを2つのコンデンサの直列回路とする場合に比べ、静電容量が小さいコンデンサC1、C2を用いるので、インバータ回路100を小型にできる。
第1の実施の形態が適用されるインバータ回路100は、電源電流における高調波電流が抑制できることを説明した。
第3の実施の形態が適用されるインバータ回路100でも、電源電流における高調波電流が抑制されることを説明する。インバータ回路100の抑制部6CにおけるコンデンサC1、C2の直列回路は、平滑コンデンサCsと並列に設けられている。よって、コンデンサC1、C2も平滑コンデンサCsと同様に平滑コンデンサとして機能する。
図15(a)の第3の実施の形態が適用されるインバータ回路100は、図14に示したインバータ回路100である。ここでは、平滑コンデンサCsの静電容量は10μF、コンデンサC1、C2の静電容量はそれぞれ20μFである。つまり、平滑コンデンサCsとコンデンサC1、C2とを合計した静電容量は20μFである。そして、電流制限抵抗R5は25Ωである。
一方、図15(b)の第3の実施の形態が適用されないインバータ回路100は、図14に示したインバータ回路100から抑制部6Cを除いたものである。そして、平滑コンデンサCsの静電容量は20μFである。
すなわち、DCリンク4における静電容量は、いずれにおいても20μFで同じである。
なお、第3の実施の形態が適用されるインバータ回路100及び第3の実施の形態が適用されないインバータ回路100は、整流部1と抑制部6との間にDCリアクタを備える。このDCリアクタのリアクタンスは75μHである。
すなわち、DCリンク4における静電容量は同じであるが、コンデンサC1、C2の直列回路を平滑コンデンサCsに並列に配置した場合の方が、THCなどが改善する。
次に、第3の実施の形態が適用されるインバータ回路100の変形例を説明する。
図14に示したインバータ回路100は、三相4線式の三相交流電源PSに接続されていた。変形例のインバータ回路100は、三相3線式の三相交流電源PSに接続されている。
図16は、第3の実施の形態が適用されるインバータ回路100の変形例を示す図である。
変形例のインバータ回路100では、三相交流電源PSのS相にスイッチSw1が接続されている。そして、N相を用いていない。
一例として、三相交流電源PSの線間電圧は200V、平滑コンデンサCsの静電容量は40μF、コンデンサC1、C2の静電容量はそれぞれ0.22μFである。そして、電流制限抵抗R5は800Ωである。
さらに、第1の実施の形態から第3の実施の形態において、三相の場合を説明したが、単相の交流電源と単相のモータなどの負荷とを接続するインバータ回路100に、抑制部6A、6B、6Cを適用しても構わない。
Claims (2)
- 入力された交流電圧を直流電圧に整流する整流部と、
前記整流部から出力される直流電圧を平滑化する平滑化部と、
負荷に接続され、前記平滑化部により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して当該負荷へ出力するインバータ部と、
前記整流部と前記平滑化部との間に設けられ、前記平滑化部における直流電圧が印加されたDCリンクの過電圧又は過電流を抑制する抑制部と、を備え、
前記抑制部は、前記平滑化部に並列に接続された2つのコンデンサの直列回路と、
前記入力された交流電圧の1相以外の他の相と前記整流部との間に設けられた第1のスイッチと、
前記直列回路における前記2つのコンデンサの接続点と、前記入力された交流電圧の中性点に接続された、電流制限抵抗と第2のスイッチとの直列回路と
を備えることを特徴とするインバータ回路。 - 入力された交流電圧を直流電圧に整流する整流部と、
前記整流部から出力される直流電圧を平滑化する平滑化部と、
負荷に接続され、前記平滑化部により平滑化された直流電圧を交流電圧に変換して当該負荷へ出力するインバータ部と、
前記整流部と前記平滑化部との間に設けられ、前記平滑化部における直流電圧が印加されたDCリンクの過電圧又は過電流を抑制する抑制部と、を備え、
前記抑制部は、前記平滑化部に並列に接続された2つのコンデンサの直列回路と、
前記入力された交流電圧の相のうち、1相を除く他の相と前記整流部との間に設けられた第1のスイッチと、
前記直列回路における前記2つのコンデンサの接続点と、前記第1のスイッチが設けられた交流電圧の1相とに接続された、電流制限抵抗と第2のスイッチとの直列回路と
を備えることを特徴とするインバータ回路。
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