JP7127290B2 - Surge voltage suppressor, power conversion device and polyphase motor drive device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、多相モータに印加されるサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置、これを使用した電力変換装置及び多相モータ駆動装置に関する。 The present invention relates to a surge voltage suppression device for suppressing a surge voltage applied to a polyphase motor, a power conversion device using the same, and a multiphase motor drive device.
スイッチング素子を有する3相以上の多相インバータで多相モータを駆動する場合に、スイッチング素子のスイッチングタイミングに応じて多相モータに過大なサージ電圧が印加され、多相モータの線間や対地間の絶縁破壊を引き起こしたり、部分放電によるモータ巻線の絶縁部の寿命を低下させたりする原因となる。
この多相モータに印加されるサージ電圧を抑制するために、特許文献1に記載されたサージ電圧抑制回路が提案されている。
この特許文献1に記載されたサージ電圧抑制回路では、モータと、このモータを駆動するインバータとの間に接続された3相ケーブルのそれぞれに抵抗及びコンデンサの直列回路の一端を接続し、各直列回路の他端を互いに接続してインバータの直流電圧の中性点に接続するようにしている。
When a multi-phase motor is driven by a multi-phase inverter with three or more phases having switching elements, an excessive surge voltage is applied to the multi-phase motor according to the switching timing of the switching elements, causing damage between lines and ground of the multi-phase motor. In addition, the life of the insulation of the motor windings may be shortened due to partial discharge.
In order to suppress the surge voltage applied to this polyphase motor, a surge voltage suppressing circuit described in
In the surge voltage suppression circuit described in
ところで、上記特許文献1に記載された先行技術では、モータ及びインバータ間の3相ケーブルのそれぞれに抵抗及びコンデンサの直列回路を接続している。このため、特定条件においてサージ抑制回路に過大な電流が流れ、抵抗の異常加熱が発生し、最悪の場合、焼損に至る懸念がある。また、モータに印加されるサージ電圧は、インバータとモータとを接続するケーブル長が一定以上長くなると、反射現象により大きくなることが知られている。さらに、ケーブルのインダクタンスと、サージ抑制回路のコンデンサとによる共振周波数がインバータのスイッチング周波数と一致または近づいた場合には、直列共振によって過大な電流が生じる。
By the way, in the prior art disclosed in
そして、インバータとモータを接続するケーブルの長さは、モータ駆動装置が適用される工場やプラントに応じて、千差万別であること、インバータのスイッチング周波数(キャリア周波数)は、十数kHz以下で任意に変更できる装置が多いことから、前述の過大な電流が生じる条件を完全に回避することは非常に難しい。
結果として、サージ抑制回路の適用条件に詳細な制約(スイッチング周波数やケーブル長)を設けざるを得ず、使い勝手が悪くなったり、過大な電流が生じても焼損しないような大きな許容電力を有する抵抗を選定してサージ抑制回路が大型化したりする。
The length of the cable that connects the inverter and the motor varies depending on the factory or plant where the motor drive device is applied, and the switching frequency (carrier frequency) of the inverter is less than ten kHz. , it is very difficult to completely avoid the above-mentioned conditions that cause excessive current.
As a result, there is no choice but to set detailed restrictions (switching frequency and cable length) on the application conditions of the surge suppression circuit. is selected, the surge suppression circuit becomes large.
この問題を解決するために、特許文献2に記載されているように、インバータ装置とモータ間の主ラインにおける電線の各端子から枝分かれさせて従属ラインの電線を接続し、フルブリッジ方式の整流器の交流端子を従属ラインに接続し、整流器の直流端子にコンデンサを接続し、この直流端子をインバータ装置の直流端子に接続して無損失のサージエネルギー回生型サージ電圧抑制方式が提案されている。 In order to solve this problem, as described in Patent Document 2, each terminal of the electric wire in the main line between the inverter device and the motor is branched from each terminal and connected to the electric wire of the subordinate line to form a full-bridge rectifier. A lossless surge energy regeneration type surge voltage suppression system has been proposed in which an AC terminal is connected to a subordinate line, a capacitor is connected to a DC terminal of a rectifier, and this DC terminal is connected to a DC terminal of an inverter device.
ところで、上記特許文献2に記載された先行技術では、インバータの出力電圧が理想的なステップ電圧である場合に、モータのインバータからの主ラインが接続される端子から枝分かれされた従属ラインに整流器の交流端子を接続し、主ラインの特性インピーダンスと従属ラインの特性インピーダンスとを等しく設定することにより、主ラインのモータ端からインバータ端への反射係数を零に近似できる。このため、主ラインを伝搬してモータ端に到達した伝搬波をそのまま従属ラインに伝搬させる。したがって、モータ端子には伝搬波と同等の電圧が発生するだけで、それ以上の電圧値を持つサージ電圧の発生を抑制することができる。 By the way, in the prior art described in Patent Document 2, when the output voltage of the inverter is an ideal step voltage, the rectifier is connected to the subordinate line branched from the terminal to which the main line from the inverter of the motor is connected. By connecting the AC terminals and setting the characteristic impedance of the main line and the characteristic impedance of the sub-line to be equal, the reflection coefficient from the motor end to the inverter end of the main line can be approximated to zero. Therefore, the propagating wave that has propagated through the main line and reached the end of the motor is propagated to the subordinate line as it is. Therefore, only by generating a voltage equivalent to the propagating wave at the motor terminals, it is possible to suppress the generation of a surge voltage having a voltage value higher than that.
しかしながら、インバータの出力電圧が理想的なステップ電圧ではなく、所定の振幅に達するまでに立ち上がり時間を持つ場合には、整流器の交流入力端における反射係数が“1”となり、整流器の交流入力端子に到達した伝搬波のうち、立ち上がり期間の波形成分はモータ端子側に反射し、モータ端子のサージ電圧を発生させることになる。このサージ電圧を防止するために、整流器の交流入力端子にコンデンサを接続する必要が生じる。このため、特許文献1に記載された先行技術と同様の課題が生じる。
そこで、本発明は、上述した先行技術の課題に着目してなされたものであり、電動モータ端子から反射されてモータケーブルを介して伝搬される反射成分をリアクトル側で吸収することができるサージ電圧抑制装置、これを使用した電力変換装置及び多相モータ駆動装置を提供することを目的としている。
However, if the output voltage of the inverter is not an ideal step voltage but has a rise time before reaching a predetermined amplitude, the reflection coefficient at the AC input terminal of the rectifier becomes "1" and the AC input terminal of the rectifier becomes Among the arriving propagating waves, the waveform component in the rising period is reflected toward the motor terminals, generating a surge voltage at the motor terminals. To prevent this surge voltage, it becomes necessary to connect a capacitor to the AC input terminal of the rectifier. Therefore, the same problem as in the prior art described in
Therefore, the present invention has been made by paying attention to the above-described problems of the prior art, and provides a surge voltage generator capable of absorbing the reflection component reflected from the electric motor terminal and propagated through the motor cable on the reactor side. An object of the present invention is to provide a suppression device, a power conversion device and a polyphase motor drive device using the suppression device.
上記目的を達成するために、本発明に係るサージ電圧抑制装置の一態様は、多相モータとこの多相モータを駆動する多相インバータとの間を接続する多相のモータケーブルと、多相インバータとの間に設けられたフィルタを備え、このフィルタは、モータケーブルの多相インバータ側に介挿した多相リアクトルと、多相ケーブルの多相リアクトル及び多相モータ間における多相リアクトル側の接続点に個別に中間点が接続された多相ダイオードレグを並列に接続したダイオードブリッジ回路と、多相ダイオードレグを通る電流経路に個別に介挿された還流電流抑制抵抗とを備え、ダイオードブリッジ回路の直流高電位側及び低電位側が前記多相インバータの直流高電位側及び直流低電位側に個別に接続され、還流電流抑制抵抗の抵抗値は、モータケーブルを介して多相モータ側から伝搬する反射電圧のフィルタの出力端における正反射を阻止する値に設定され、且つ反射電圧の極性を反転して反射する負の反射がフィルタの出力端において生じる値に設定されている。 In order to achieve the above object, one aspect of a surge voltage suppressing device according to the present invention includes: a polyphase motor cable connecting between a polyphase motor and a polyphase inverter that drives the polyphase motor; A filter is provided between the inverter and the polyphase reactor interposed on the polyphase inverter side of the motor cable, the polyphase reactor of the polyphase cable, and the polyphase reactor side between the polyphase motor A diode bridge comprising: a diode bridge circuit in which polyphase diode legs are connected in parallel, each of which has an intermediate point connected to a connection point; The DC high potential side and the DC low potential side of the circuit are individually connected to the DC high potential side and the DC low potential side of the polyphase inverter, and the resistance value of the return current suppression resistor is propagated from the polyphase motor side via the motor cable. It is set to a value that prevents specular reflection of the reflected voltage at the output end of the filter , and is set to a value that causes negative reflection that reverses the polarity of the reflected voltage at the output end of the filter .
また、本発明に係る電力変換装置の一態様は、多相モータを駆動する多相インバータと、上述したサージ電圧抑制装置とを備えている。
さらに、本発明に係る多相モータ駆動装置は、多相モータと、この多相モータを駆動するインバータと、上述したサージ電圧抑制装置とを備えている。
Further, one aspect of the power converter according to the present invention includes a polyphase inverter that drives a polyphase motor, and the surge voltage suppression device described above.
Further, a polyphase motor drive device according to the present invention includes a polyphase motor, an inverter for driving the polyphase motor, and the surge voltage suppression device described above.
本発明の一態様によれば、リアクトル側に接続した多相ダイオードブリッジ回路に接続した還流電流抑制抵抗のインピーダンスを、多相モータからの反射電圧を増長させないように調整したので、コンデンサを使用することなしに、コンデンサを使用する場合の共振問題や過大電流による制約を受けることのないサージ電圧抑制装置、これを使用した電力変換装置及び多相モータ駆動装置を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, since the impedance of the return current suppression resistor connected to the polyphase diode bridge circuit connected to the reactor side is adjusted so as not to increase the reflected voltage from the polyphase motor, the capacitor is used. Therefore, it is possible to provide a surge voltage suppression device, a power conversion device and a multi-phase motor drive device using the same, which are free from the resonance problem and the restriction due to excessive current when using a capacitor.
次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
An embodiment of the present invention will now be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between thickness and planar dimension, the ratio of thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined with reference to the following description. In addition, it is a matter of course that there are portions with different dimensional relationships and ratios between the drawings.
Further, the embodiments shown below are examples of devices and methods for embodying the technical idea of the present invention. It does not specify the layout, etc., to the following. Various modifications can be made to the technical idea of the present invention within the technical scope defined by the claims.
まず、本発明の一の態様を表すサージ電圧抑制装置を備えたモータ駆動装置の第1の実施形態について説明する。
図1に示すように、モータ駆動装置10は、三相交流電源11と、この三相交流電源11から出力される三相交流電力がトランス12を介して入力される電力変換装置13と、この電力変換装置13から出力される三相電力によって駆動される三相モータ14とを備えている。
電力変換装置13は、トランス12から三相リアクトル20を介して入力される三相交流電力を直流電力に変換するパルス幅変調(PWM)コンバータ(以下、PWMコンバータと称す)21と、このコンバータ21から出力される直流電力を平滑化する平滑コンデンサ22と、この平滑コンデンサ22で平滑化された直流電力を三相交流電力に変換して三相モータ14に供給する三相インバータ23とを備えている。
First, a first embodiment of a motor drive device including a surge voltage suppression device representing one aspect of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, a
The
ここで、PWMコンバータ21は、図1に示すように、高電位側配線Lp及び低電位側配線Ln間に、R相スイッチングレグCSLr、S相スイッチングレグCSLs及びT相スイッチングレグCSLtが並列に接続されたフルブリッジ回路を備えている。
R相スイッチングレグCSLrは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される2つのスイッチング素子Q11及びQ12が直列に接続されている。S相スイッチングレグCSLs及びT相スイッチングレグCSLtも、R相スイッチングレグCSLrと同様のスイッチング素子Q13,Q14及びQ15,Q16が直列に接続されている。なお、各スイッチング素子Q11~Q16には、逆並列に還流ダイオードD11~D16が接続されている。
Here, in the
The R-phase switching leg CSLr is connected in series with two switching elements Q11 and Q12 each composed of, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT). The S-phase switching leg CSLs and the T-phase switching leg CSLt are also connected in series with switching elements Q13, Q14 and Q15, Q16 similar to those of the R-phase switching leg CSLr. Freewheeling diodes D11 to D16 are connected in anti-parallel to the switching elements Q11 to Q16.
また、各スイッチングレグCSLr、CSLs及びCSLtのスイッチング素子Q11,Q13及びQ15とスイッチング素子Q12,Q14及びQ16との接続点である中間点がトランス12の出力側に接続されている。
さらに、各スイッチング素子Q11~Q16のゲートには、図示しないゲート駆動回路からパルス幅変調(PWM)信号でなるゲート信号が入力されることにより、トランス12からの交流電力を直流電力に変換して高電位側配線Lp及び低電位側配線Lnに出力する。
An intermediate point between switching elements Q11, Q13 and Q15 and switching elements Q12, Q14 and Q16 of each switching leg CSLr, CSLs and CSLt is connected to the output side of the
Further, a gate signal, which is a pulse width modulation (PWM) signal, is input from a gate drive circuit (not shown) to the gates of the switching elements Q11 to Q16, thereby converting AC power from the
なお、コンバータとしては、PWMコンバータ21に限らず、PWMコンバータ21の各スイッチング素子Q11~Q16を削除してダイオードD11~D16のみから構成したダイオードブリッジ整流回路を適用することができる。
また、三相インバータ23は、図1に示すように、平滑コンデンサ22が接続された高電位側配線Lp及び低電位側配線Ln間に、U相スイッチングレグISLu、V相スイッチングレグISLv及びW相スイッチングレグISLwが並列に接続されたフルブリッジ回路を備えている。
Note that the converter is not limited to the
In addition, as shown in FIG. 1, the three-
U相スイッチングレグISLuは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される2つのスイッチング素子Q21及びQ22が直列に接続されている。V相スイッチングレグISLv及びW相スイッチングレグISLwも、U相スイッチングレグISLuと同様のスイッチング素子Q23,Q24及びQ25,Q26が直列に接続されている。なお、各スイッチング素子Q21~Q26には、逆並列に還流ダイオードD21~D26が接続されている。
また、各スイッチングレグISLu、ISLv及びISLwのスイッチング素子Q21,Q23及びQ25とスイッチング素子Q22,Q24及びQ26との接続点である交流出力端が三相のモータケーブル24を介して三相モータ14のモータ端子tu、tv及びtwに接続されている。ここで、モータケーブル24は、スイッチング素子Q21及びQ22の交流出力端及びモータ端子tu間に接続されたU相ケーブルLuと、スイッチング素子Q23及びQ24の交流出力端及びモータ端子tv間に接続されたV相ケーブルLvと、スイッチング素子Q25及びQ26の交流出力端及びモータ端子tw間に接続されたW相ケーブルLwとで構成されている。
The U-phase switching leg ISLu is connected in series with two switching elements Q21 and Q22, each composed of, for example, an insulated gate bipolar transistor (IGBT). The V-phase switching leg ISLv and the W-phase switching leg ISLw are also connected in series with switching elements Q23, Q24 and Q25, Q26 similar to those of the U-phase switching leg ISLu. Freewheeling diodes D21 to D26 are connected in anti-parallel to the switching elements Q21 to Q26, respectively.
In addition, the AC output terminal, which is the connection point between the switching elements Q21, Q23 and Q25 of the switching legs ISLu, ISLv and ISLw and the switching elements Q22, Q24 and Q26, is connected to the three-
さらに、三相インバータ23の各スイッチング素子Q21~Q26のゲートには、図示しないゲート駆動回路からパルス幅変調(PWM)信号でなるゲート信号が入力される。この三相インバータ23で、平滑コンデンサ22が接続された高電位側配線Lp及び低電位側配線Lnから供給される直流電力を交流電力に変換してモータケーブル24を介して三相モータ14に供給する。
三相インバータ23及び三相モータ14間のモータケーブル24には、電圧クランプ形dV/dtフィルタ30が設けられている。この電圧クランプ形dV/dtフィルタ30は、モータケーブル24の各相ケーブルLu~Lwの三相インバータ23側に接続された三相リアクトル31と、各相ケーブルLu~Lwの三相リアクトル31側に接続されたダイオードブリッジ回路32と、ダイオードブリッジ回路32の交流入力側に接続された還流電流抑制抵抗としての限流抵抗33とを備えている。
Further, a gate signal, which is a pulse width modulation (PWM) signal, is input to the gates of the switching elements Q21 to Q26 of the three-
A voltage clamp type dV/
三相リアクトル31は、U相ケーブルLuに介挿されたU相リアクトル31uと、V相ケーブルLvに介挿されたV相リアクトル31vと、W相ケーブルLwに介挿されたW相リアクトル31wとを有する。
ダイオードブリッジ回路32は、直流出力側となる高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1との間に並列に接続された3組のダイオードレグ32u、32v及び32wを備えている。
ダイオードレグ32uは、高電位側配線Lp1及び低電位側配線Ln1間に2つのダイオードD31及びD32が直列に接続され、ダイオードD31のカソードが高電位側配線Lp1に接続され、アノードがダイオードD32のカソードに接続され、ダイオードD32のアノードが低電位側配線Ln1に接続されている。さらに、ダイオードD31及びD32間の中間点である交流入力端が三相リアクトル31のU相リアクトル31uとモータケーブル24のU相ケーブルLuとの接続点P1uに接続されている。
The three-
The
The
ダイオードレグ32v及び32wもダイオードレグ32uと同様に高電位側配線Lp1及び低電位側配線Ln1間に2つのダイオードD33,D34及びD35,D36が順方向に直列に接続されている。そして、ダイオードD33及びD34の中間点である交流入力端が、三相リアクトル31のV相リアクトル31vとモータケーブル24のV相ケーブルLvとの接続点P1vに接続されている。また、ダイオードD35及びD36の中間点が、三相リアクトル31のW相リアクトル31wとモータケーブル24のW相ケーブルLwとの接続点P1wに接続されている。
また、限流抵抗33は、各ダイオードレグ32u、32v及び32wの交流入力端と、接続点P1u、P1v及びP1wとの間に個別に接続された抵抗Ru、Rv及びRwで構成されている。ここで、抵抗Ru、Rv及びRwの抵抗値は、モータケーブル24の各相ケーブルLu、Lv及びLwの接続点P1u、P1v及びP1wと三相モータ14の受電端子tu、tv及びtwとの間の特性インピーダンスZu、Zv及びZwと同等の値に設定されている。
そして、高電位側配線Lp1が電力変換装置13の高電位側配線Lpに接続され、低電位側配線Ln1が電力変換装置13の低電位側配線Lnに接続されている。
The current limiting
The high potential side wiring Lp1 is connected to the high potential side wiring Lp of the
ここで、電圧クランプ形dV/dtフィルタ30のインバータサージ電圧抑制原理について説明する。
まず、電圧クランプ形dV/dtフィルタ30に限流抵抗33を設けない場合について説明する。
良く知られているように、インバータサージ電圧は、三相インバータ23が出力する電圧の立ち上がりや立ち下がり時間が短いがために、モータケーブル24の三相モータ14側端部でのインピーダンス不整合に伴う電圧反射が顕著に表れることに起因して生じる。
Here, the inverter surge voltage suppression principle of the voltage clamp type dV/
First, the case where the voltage clamp type dV/
As is well known, the inverter surge voltage is caused by an impedance mismatch at the end of the
そのため、サージ電圧を低減するためには、電圧変化時間を長くすることが有効である。そして、電圧クランプ形dV/dtフィルタ30は、リアクトル31のインダクタンスLfと、モータケーブル24の特性インピーダンスZc(Zu、Zv、Zw)が、高周波的にはLRフィルタのように作用することで、図2(a)の一点鎖線図示のインバータ出力端電圧に対して、図2(a)で実線図示のようにフィルタ出力端の電圧の立ち上がり時間を長くしている。
すると、モータ受電端に印加されるサージ電圧は、図2(b)で点線図示のフィルタ無しのモータ受電端電圧に対して、フィルタ有りの場合のモータ受電電圧を図2(b)で実線図示のように低減させることができる。
Therefore, it is effective to lengthen the voltage change time in order to reduce the surge voltage. In the voltage clamp type dV/
Then, the surge voltage applied to the motor power receiving end is the voltage of the motor power receiving end without the filter shown by the dotted line in FIG. can be reduced as
しかしながら、限流抵抗33を設けない場合には、三相リアクトル31からダイオードブリッジ回路32と三相インバータ23のスイッチング素子を通って三相リアクトル31に戻る還流電流が減衰せずに流れ続ける。このときのダイオードを流れる還流電流は、図3(a)に示すように、フィルタ出力端電圧が図3(b)に示すように直流中間電圧Edに達した後に流れ続けることが判る。この還流電流によってダイオードが加熱する問題や損失が増加する等の問題が生じる。このため、還流電流を抑制するために限流抵抗33が必要となる。
However, if the current-limiting
そこで、限流抵抗33を設けた場合の回路挙動について図2(a)及び(b)及び図4を伴って説明する。限流抵抗33が無い場合には、上述した還流電流が流れる経路にはインダクタンスはあるものの、電流を積極的に減衰させる要素が存在しない。そのため、図3(a)に示すように、還流電流の振幅が大きく減衰が非常に遅くなる振動波形となる。
一方で、還流電流が流れる経路に限流抵抗33を設けることにより、還流電流を低減することができる。すなわち、図4に示すように、限流抵抗33を設けない場合のダイオード電流は、点線図示のように振幅が大きく減衰が遅くなる減衰振動波形となるのに対し、限流抵抗33を設けた場合には、実線図示のように還流電流は振幅が小さく且つ速やかに低減することが判る。
Therefore, the circuit behavior when the current-limiting
On the other hand, by providing the current-limiting
しかしながら、限流抵抗33を設けることで、モータ受電端の線間サージ電圧は、図5に点線図示のように、限流抵抗33を設けない場合の一点鎖線図示のピーク電圧に対して、より大きなピーク電圧となり、大きなサージ電圧となってしまう。
これに対し、第1実施形態のように、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特性インピーダンスZcと同等にすることにより、図6で実線図示のように限流抵抗33を設けることによるサージ電圧を抑制することができる。つまり、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブルの特性インピーダンスZcと同等に設定することにより、モータ受電端線間電圧のピーク値を図6で実線図示のように、図6で点線図示の限流抵抗を設けない場合のモータ受電端線間電圧のピーク電圧値と同等することができる。すなわち、モータ受電端線間電圧の最大値は、限流抵抗を設けた場合と設けない場合とで変化はなく、ともに約1.3Edで同等となる。
However, by providing the current-limiting
On the other hand, as in the first embodiment, by making the resistance value of the current-limiting
また、ダイオード電流は、図7に示すように、点線図示の限流抵抗33を設けない場合の減衰振動波形に比較して、限流抵抗33を設け、且つ抵抗値を上述したように設定した場合には、実線図示のように、振幅が小さく、且つ振動波形とはならずに素早く減衰することができる。
このような本実施形態の原理とその効果について、図8及び図9を伴って詳細に説明する。図8は実線図示の本実施形態と点線図示の限流抵抗33を設けた場合、一点鎖線図示の限流抵抗33を設けない場合のフィルタ出力端電圧を示している。時刻t1でインバータの半導体素子がスイッチングすると、フィルタのリアクトルLfとモータケーブルの特性インピーダンスZcで決まる、時定数Lf/Zcの1次遅れ波形で電圧が立ち上がる。例えば、図8に示した検証においてはインバータ出力端電圧がインバータ直流中間電圧Edに達する立ち上がり時間は0.1μsに設定しているが、フィルタ30を接続することで立ち上がり時間を約2μsまで遅くすることができる。
Further, as shown in FIG. 7, the diode current is compared with the damped oscillation waveform in the case where the current limiting
The principle and effects of this embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. FIG. 8 shows the filter output end voltage in the present embodiment shown by the solid line, when the current limiting
時刻t1からインバータ23の出力電圧が立ち上がり始めると、電圧はモータケーブル24を伝搬し、やがてモータに達する。モータケーブル24の特性インピーダンスZcに対しモータのインピーダンスZmの方が大きいため、モータ14の受電端では正反射が起こり、反射電圧はモータからフィルタ30の方向に伝搬する。時刻t2でこの反射電圧がフィルタ30に達すると、リアクトルLfに依存するフィルタ30のインピーダンスの方がモータケーブルの特性インピーダンスよりも大きいため、フィルタ出力端においても正反射が起こる。時刻t1から時刻t2までの電圧傾きに比べ、時刻t2以降で電圧傾きが大きくなるのは、このような反射現象によるものである。
When the output voltage of
そして、時刻t3ではフィルタ出力端電圧がインバータの直流中間電圧Edに達し、フィルタ30のダイオードが導通する。するとフィルタ30のインピーダンスは限流抵抗33の影響によって変化する。
インバータサージ電圧が問題となるような周波数帯域では、フィルタ30のインピーダンスはリアクトル31のインダクタンスLfよりも限流抵抗33の抵抗値Rfの方が支配的になるようにインダクタンスLfの値を設定する。
インバータサージ電圧が問題になるような周波数帯域は、インバータサージ電圧の振動周期(図2(b)参照)の周波数と、インバータ出力電圧の立ち上がり時間をTr(図2(a)参照)としたときの1/(π・Tr)の周波数との間の周波数帯域である。
At time t3, the filter output terminal voltage reaches the DC intermediate voltage Ed of the inverter, and the diode of
In the frequency band where the inverter surge voltage becomes a problem, the value of the inductance Lf is set so that the impedance of the
The frequency band in which the inverter surge voltage becomes a problem is obtained when the frequency of the oscillation period of the inverter surge voltage (see FIG. 2(b)) and the rising time of the inverter output voltage are Tr (see FIG. 2(a)). , and the frequency of 1/(π·Tr).
ここで、リアクトル31のインダクタンスLfよりも限流抵抗33の抵抗値Rfの方が支配的になるようにするには、インダクタンスLfの値をモータケーブル24のインダクタンスLcの2/π倍より大きい値(Lf>2Lc/π)に設定すればよい。
ただし、インダクタンスLfを大きくするとフィルタが大型化する等の問題が発生する。そこで、1/(π・Tr)の周波数に対しては、インダクタンスLfの値を2π・1/(π・Tr)・Lf>Rfに基づいて設定する。すなわち、インダクタンスLfの値をTr・Rf/2より大きい値に設定する(Lf>Tr・Rf/2)。この結果、リアクトル31のインダクタンスLfよりも限流抵抗33の抵抗値Rfの方が支配的になり、サージ電圧の抑制に寄与できる。
Here, in order to make the resistance value Rf of the current limiting
However, increasing the inductance Lf causes problems such as an increase in the size of the filter. Therefore, for the frequency of 1/(.pi..Tr), the value of the inductance Lf is set based on 2.pi..1/(.pi..Tr).Lf>Rf. That is, the value of the inductance Lf is set to a value larger than Tr·Rf/2 (Lf>Tr·Rf/2). As a result, the resistance value Rf of the current-limiting
このようにインダクタンスLfの値を設定していることから、時刻t3以降におけるリアクトル出力端における電圧反射は、フィルタの限流抵抗33とモータケーブル24の特性インピーダンスZcによって決まる。
本実施形態では、限流抵抗33の抵抗値がモータケーブル24の特性インピーダンスZcと一致しているため、t3以降はフィルタ出力端での反射は発生しない。
一方で限流抵抗を設けたフィルタ30は、限流抵抗値が還流電流を抑制するように決定されており、モータケーブル24の特性インピーダンスと一致しないため、再び反射が起こる。点線図示のように、時刻t3以降のフィルタ出力端電圧の傾きが、本実施形態に比べ大きくなっているのはこのためである。また、限流抵抗33の無いフィルタは、フィルタのインピーダンスはダイオードの導通抵抗程度と、モータケーブル24の特性インピーダンスよりも小さいため、負の反射が起こる。
Since the value of the inductance Lf is set in this way, the voltage reflection at the reactor output end after time t3 is determined by the current limiting
In this embodiment, since the resistance value of the current limiting
On the other hand, in the
図9は、本実施形態と限流抵抗33を設けた場合、および限流抵抗33を設けない場合のモータ受電端電圧を示している。ここで、図9中の時刻t1′、時刻t2′、時刻t3′は、図8における時刻t1、時刻t2、時刻t3にフィルタ出力端からモータ受電端に電圧が伝搬する時間を加算したものである。モータ受電端の電圧は、フィルタ出力端子電圧にケーブルの特性インピーダンスZcとモータのインピーダンスZmで決まる反射係数+1を乗じた値となり、フィルタ出力端からの正の反射電圧が伝搬し終わる時刻t3′において、本実施形態の電圧値は最大となる。一方で限流抵抗33を有するフィルタ30は、一点鎖線図示のように正の反射電圧が伝搬し続けるため時刻t3′以降も電圧が上昇する。また、限流抵抗33を設けないフィルタ30は、点線図示のように負の反射電圧が伝搬し始めるため電圧が下がり、その後はケーブルの長さと伝搬速度に応じた振動が生じる。
FIG. 9 shows the voltage at the motor power receiving end in this embodiment, when the current-limiting
このように、本実施形態ではフィルタ30のリアクトル31をインバータ23の交流出力端側に接続し、リアクトル31の出力側の接続点P1u~P1wに限流抵抗33を介してダイオードブリッジ回路32を接続している。そして、限流抵抗33の抵抗値を接続点P1u~P1wと三相モータ14の接続端子tu~tw間におけるモータケーブル24の特性インピーダンスZcと同等にすることで、ダイオードブリッジ回路32のダイオードを流れる還流電流を素早く減衰しつつ、モータ受電端のサージ電圧を効果的に抑制することができる。
Thus, in this embodiment, the
次に、モータケーブル24の非対称性を考慮した限流抵抗33の抵抗値の設定について説明する。
限流抵抗33の各抵抗Ru~Rwの抵抗値は、モータケーブル24の種類や敷設条件などに応じて各相個別の値を設定しても良い。
例えば、モータケーブル24には図10に断面図を示すような4芯ケーブル40を用いることがある。この4芯ケーブル40は、それぞれ導体を絶縁被覆したU相導体40u、V相導体40v、W相導体40w及びアース用導体40eを束ねて絶縁被覆40cで覆ったものである。このような4芯ケーブル40を用いた場合、V相はU相やW相に対して非対象な配置であるため、それに伴ってV相の特性インピーダンスはU相やW相のそれとは異なる値となる。これを反映して、V相の限流抵抗値にはU相やW相とは異なる値を設定しても良い。
単芯のモータケーブルをU相用、V相用及びW相用に3本用いる場合は、隣り合うように配置された相と、遠くに配置された相とでは特性インピーダンスが異なるため、これを限流抵抗Ru、Rv及びRwの抵抗値に反映すれば良い。
Next, the setting of the resistance value of the current limiting
The resistance values of the resistors Ru to Rw of the current-limiting
For example, the
When three single-core motor cables are used for U-phase, V-phase, and W-phase, the characteristic impedance is different between adjacent phases and distant phases. This may be reflected in the resistance values of the current limiting resistors Ru, Rv and Rw.
次に、モータケーブルの特性インピーダンスと限流抵抗33の抵抗値の決め方を具体的に説明する。
図11には、単芯ケーブルと3芯ケーブルおよび4芯ケーブルのモータケーブルの特性インピーダンス測定例を示している。図11(a)では、横軸をケーブルの導体の公称断面積とし、縦軸をモータケーブルの特性インピーダンスとしている。図11(b)では、横軸をケーブルの導体の許容電流とし、縦軸をモータケーブルの特性インピーダンスとしている。
Next, how to determine the characteristic impedance of the motor cable and the resistance value of the current-limiting
FIG. 11 shows characteristic impedance measurement examples of motor cables including a single-core cable, a 3-core cable, and a 4-core cable. In FIG. 11(a), the horizontal axis is the nominal cross-sectional area of the conductor of the cable, and the vertical axis is the characteristic impedance of the motor cable. In FIG. 11(b), the horizontal axis is the allowable current of the conductor of the cable, and the vertical axis is the characteristic impedance of the motor cable.
この図11を参照しながら、一例として電力容量7.5kW/電圧400V/定格電流が23Aの3相インバータで3相モータを駆動する場合に使用するフィルタ30の限流抵抗33の抵抗値の決め方を以下に説明する。
モータケーブル24は、公称断面積ごとに許容電流が定められている。また実用上は、敷設条件に応じて許容できる発熱量が小さくなることを考慮するためや、ケーブルで生じる電圧降下を許容範囲以下にするために、公称断面積ごとに定められた許容電流に1以下の係数を乗じた値を基にケーブルを選定することもある。上記例では、23Aの定格電流を流すために、公称断面積ごとに定められた許容電流から適用導線の断面積を決めると、公称断面積2mm2以上であれば良いが、適用する敷設条件を考慮した場合は公称断面積が5.5mm2以上であることが必要となる。
Referring to FIG. 11, as an example, how to determine the resistance value of the current-limiting
The allowable current of the
ここで、図11(a)を参照すると、5.5mm2のケーブルの特性インピーダンスは、単芯ケーブルは99Ω、4芯ケーブルは61Ω、3芯ケーブルは41Ωと、ケーブルの種類によってその値が異なる。使用するケーブルが決まっている場合は、限流抵抗33の抵抗値をケーブルに応じて上記値に設定すれば良い。使用ケーブルが不明な場合は、最も小さい値である41Ω以上の値で、かつ3つのケーブルにおける中間の値である70Ω以下の値に設定しても良い。あるいは、例えば定格電流値が比較的小さく、多芯ケーブルを使用することが推定される場合は、最も小さい値である41Ω以上の値で、かつ4芯ケーブルと3芯ケーブルの中間の値である50Ω以下の値に設定しても良い。
Here, referring to FIG. 11(a), the characteristic impedance of a 5.5 mm 2 cable is 99 Ω for a single-core cable, 61 Ω for a 4-core cable, and 41 Ω for a 3-core cable, and the value varies depending on the cable type. . If the cable to be used is determined, the resistance value of the current limiting
なお、ケーブルの特性インピーダンスは原理的に、導体半径やUVW各相の導体間距離および絶縁体の材質などで決まり、ケーブル長には依存しない。そのため、モータケーブル24の特性インピーダンスを実地で測定せずとも、電流容量や種類が同じケーブルをもとに、その特性インピーダンスを類推することができる。あるいは、フィルタの許容電流値と図11(b)から、特性インピーダンスを推定して限流抵抗33の抵抗値を設定しても良い。例えば、ケーブルの許容電流値I[A]と特性インピーダンスZc[Ω]の関係は以下の近似式で表すことができる。
In principle, the characteristic impedance of the cable is determined by the radius of the conductor, the distance between the conductors of each UVW phase, the material of the insulator, etc., and does not depend on the length of the cable. Therefore, even if the characteristic impedance of the
単芯ケーブル :Zc=283×I-0.295 [Ω] ・・・式(1)
3芯ケーブル :Zc=93×I-0.266 [Ω] ・・・式(2)
4芯ケーブル :Zc=142×I-0.256 [Ω] ・・・式(3)
上記の(1)~(3)式を参照し、許容電流50Aのフィルタ30の場合で、モータケーブル24として単芯ケーブルを用いる場合は、上記(1)式から限流抵抗33の抵抗値を89Ω(283×50-0.295)に設定する。同様に、モータケーブル24として3芯ケーブルを用いる場合には許容電流Iを上記(2)式に代入することにより、限流抵抗33の抵抗値を設定することができる。さらに、モータケーブル24として4芯ケーブルを用いる場合には、許容電流Iを上記(3)に代入することにより、限流抵抗33の抵抗値を設定することができる。
Single-core cable: Zc = 283 x I -0.295 [Ω] Formula (1)
3-core cable: Zc=93×I- 0.266 [Ω] Formula (2)
4-core cable: Zc = 142 x I -0.256 [Ω] Formula (3)
With reference to the above formulas (1) to (3), in the case of the
なお、上記第1実施形態では、限流抵抗33をダイオードブリッジ回路32の交流入力端側に接続する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図12に示すように、ダイオードブリッジ回路32のダイオードD31、D33及びD35のカソード側に直列に限流抵抗R2u、R2v及びR2wを接続し、ダイオードD32、D34及びD36のアノード側に直列に限流抵抗R2x、R2y及びR2zを接続するようにしてもよい。この場合には、各限流抵抗R2u~R2w及びR2x~R2zの抵抗値を第1実施形態の限流抵抗Ru~Rwと同じ値に設定する。この図12の構成でも、還流電流の電流経路に限流抵抗R2u~R2w及びR2x~R2zが接続されているので、第1実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
In the above-described first embodiment, the case where the current limiting
また、限流抵抗33の接続位置は、図13に示すように、ダイオードブリッジ回路32の直流出力側となる高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1とにそれぞれ限流抵抗R3p及びR3nを接続するようにしてもよい。この場合には、限流抵抗R3p及びR3nの抵抗値を第1実施形態における限流抵抗Ru~Rwの抵抗の3/4の抵抗値に設定すればよい。
この場合の限流抵抗R3p及びR3nの抵抗値は以下のようにして決定する。
すなわち、インバータのスイッチング素子が、U相は下アームがオン、V相とW相は上アームがオンしている場合を例に、図1、図11及び図12に対応する図14(a)、(b)及び(c)を参照しながら、限流抵抗33の接続位置に応じた抵抗値の設定方法について説明する。
13, current-limiting resistors R3p and R3n are connected to high-potential-side wiring Lp1 and low-potential-side wiring Ln1, which are the DC output side of
The resistance values of the current limiting resistors R3p and R3n in this case are determined as follows.
14(a) corresponding to FIGS. , (b) and (c), a method of setting the resistance value according to the connection position of the current-limiting
このようなスイッチング素子の導通条件においては、モータケーブル24とダイオードブリッジ回路32の電流は図14の点線で示す経路で流れる。この電流経路ついて、リアクトルとモータケーブルおよびダイオードブリッジが接続された点から、モータケーブル側の特性インピーダンスとダイオードブリッジ側の抵抗成分を求めると、下記(1)~(4)の通りとなる。
Under such a condition that the switching elements are conducting, the current in the
(1)モータケーブル24側の特性インピーダンス値は図14(a)~(c)で共通であり、3/2Zcとなる。
すなわち、モータケーブル24の特性インピーダンス値は、U相経路のインピーダンスZcと、V相とW相の並列接続インピーダンスZc/2の直列回路とみなすことができる。したがって、Zc+Zc/2=3/2Zcで表すことができる。
(1) The characteristic impedance value on the
That is, the characteristic impedance value of the
(2)図14(a)に示すように、ダイオードブリッジ回路32の交流入力端側に限流抵抗33を接続した場合の限流抵抗値は、
Ru+(Rv・Rw)/(Rv+Rw)、
Ru=Rv=Rw=R1の場合は(3/2)R1
U相経路の限流抵抗Ruと、V相とW相の並列接続インピーダンス(RvRw)/(Rv+Rw)との直列回路とみなすことができる。3相すべての限流抵抗値が等しい値R1(Ru=Rv=Rw=R1)の場合は、(3/2)R1で表すことができる。
(2) As shown in FIG. 14(a), the current-limiting resistance value when the current-limiting
Ru+(Rv·Rw)/(Rv+Rw),
(3/2) R1 if Ru=Rv=Rw=R1
It can be regarded as a series circuit of the current-limiting resistance Ru of the U-phase path and the parallel connection impedance (RvRw)/(Rv+Rw) of the V-phase and W-phase. If the current-limiting resistance values of all three phases are the same value R1 (Ru=Rv=Rw=R1), it can be expressed as (3/2)R1.
(3)図14(b)に示すように、ダイオードブリッジ回路32内に限流抵抗33を接続した場合の限流抵抗値は、
R2u+(R2yR2z)/(R2y+R2z)、
R2u=R2y=R2z=R2の場合は(3/2)R2
U相経路の限流抵抗R2uと、V相とW相の並列接続インピーダンス(R2yR2z)/(R2y+R2z)との直列回路とみなすことができる。3相すべての限流抵抗値が等しい値R2(R2u=R2y=R2z=R2)の場合は、(3/2)R2で表すことができる。
(3) As shown in FIG. 14(b), the current-limiting resistance value when the current-limiting
R2u+(R2yR2z)/(R2y+R2z),
(3/2)R2 if R2u=R2y=R2z=R2
It can be regarded as a series circuit of the current-limiting resistance R2u of the U-phase path and the parallel connection impedance (R2yR2z)/(R2y+R2z) of the V-phase and W-phase. A value R2 (R2u=R2y=R2z=R2) where the current-limiting resistance values of all three phases are equal can be represented by (3/2)R2.
(4)図14(c)に示すように、ダイオードブリッジ回路32の直流出力側に限流抵抗を接続した場合の限流抵抗値は、
R3p+R3n
R3p=R3n=R3の場合は2R3
U相経路(=直流部正側経路)の限流抵抗R3pと、V相とW相の経路(=直流部負側経路)の限流抵抗R3nとの直列回路とみなすことができる。正側と負側の限流抵抗値が等しい値R3(R3p=R3n=R3)の場合は、2R3で表すことができる。
(4) As shown in FIG. 14(c), the current-limiting resistance value when a current-limiting resistance is connected to the DC output side of the
R3p+R3n
2R3 if R3p=R3n=R3
It can be regarded as a series circuit of the current limiting resistor R3p of the U-phase path (=DC positive side path) and the current limiting resistor R3n of the V-phase and W-phase paths (=DC negative side path). In the case of a value R3 (R3p=R3n=R3) where the current limiting resistance values on the positive side and the negative side are equal, it can be represented by 2R3.
本実施形態においては、上記の通り求めた特性インピーダンスの値と限流抵抗の値とが、実施例で説明したような大小関係(特性インピーダンス値≧抵抗値)となれば良い。
そこで、(1)と(2)を比較すると、モータケーブル側のインピーダンスが(3/2)Zcであるのに対し、ダイオードブリッジ側は(3/2)R1と、ケーブルの特性インピーダンスや限流抵抗に係る定数はどちらも3/2である。したがって、図14(a)の限流抵抗33の配置における各相の限流抗値は、モータケーブルにおける各相の特性インピーダンスに対して、実施例で説明した通り同等の値を設定すれば良いことになる。
In the present embodiment, the characteristic impedance value and the current-limiting resistance value obtained as described above should satisfy the magnitude relationship (characteristic impedance value≧resistance value) as described in the embodiment.
Comparing (1) and (2), the impedance on the motor cable side is (3/2) Zc, while the impedance on the diode bridge side is (3/2) R1. Both constants related to resistance are 3/2. Therefore, the current-limiting resistance value of each phase in the arrangement of the current-limiting
次に、(1)と(3)を比較すると、モータケーブル側のインピーダンスが(3/2)Zcであるのに対し、ダイオードブリッジ側は(3/2)R2と、ケーブルの特性インピーダンスや限流抵抗に係る定数はどちらも3/2である。したがって、図14(b)の限流抵抗33の配置における各相の限流抗値は、モータケーブルにおける各相の特性インピーダンスに対して、実施例で説明した通り同等の値を設定すれば良い。すなわち、図14(b)の限流抵抗33の配置における限流抵抗値は、図14(a)の限流抵抗33の配置と同様の値を設定すれば良いことになる。
Next, comparing (1) and (3), the impedance on the motor cable side is (3/2)Zc, whereas the impedance on the diode bridge side is (3/2)R2. Both flow resistance constants are 3/2. Therefore, the current-limiting resistance value of each phase in the arrangement of the current-limiting
続いて、(1)と(4)を比較すると、モータケーブル側のインピーダンスが(3/2)Zcであるのに対し、ダイオードブリッジ側は2R2であり、ケーブルの特性インピーダンスに係る定数は、限流抵抗に係る定数の3/4(3/2÷2)である。したがって、図14(c)の限流抵抗33の配置における直流部正側と負側の限流抗値は、モータケーブルにおける各相の特性インピーダンスに対して、実施例で説明した通り同等×3/4の値を設定すれば良い。すなわち、図14(c)の限流抵抗33の配置における限流抵抗値は、図14(a)の限流抵抗33の配置における3/4の値を設定すれば良いことになる。
Comparing (1) and (4), the impedance on the motor cable side is (3/2)Zc, whereas the impedance on the diode bridge side is 2R2. It is 3/4 (3/2/2) of the constant related to flow resistance. Therefore, the current-limiting resistance values of the positive side and the negative side of the DC part in the arrangement of the current-limiting
また、上記第1実施形態では、図7には、理想的な逆回復特性を持つダイオードを適用した場合のダイオード電流を示したが、実際には逆回復時間が存在し、その期間は、ダイオードの淳方向とは逆の向きに電流が流れる。ところで、インバータ23のスイッチング素子がPWM動作に応じてオン・オフ動作を繰り返すことで、インバータ23の出力端の電圧は、PWMパルス幅を持つ矩形波電圧を出力する。しかしながら、このパルス幅よりもダイオードの逆回復時間が長いと、ダイオードの電流が流れ続け、発熱や場合によっては破損等の問題生じる恐れがある。そのため、適切な逆回復特性を持つダイオードを用いる必要がある。具体的には逆回復時がPWMパルス幅よりも短い高速ダイオードを適用することが好ましい。
In the first embodiment, FIG. 7 shows the diode current when a diode having ideal reverse recovery characteristics is applied. The current flows in the direction opposite to the junction direction of . By the way, the switching element of the
また、上記第1実施形態では、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特定インピーダンスと同等の値に設定して、モータ受電端のサージ電圧抑制効果は維持しつつ、負フィルタで発生する損失のピークを低減している。しかしながら、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特定インピーダンス未満の値に設定するようにしてもよい。
この場合には、回路構成は図1と同様の回路構成であるが、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特定インピーダンス未満の値に設定することにより、損失のピーク値を低減している。
すなわち、第1の実施形態では、限流抵抗値をケーブルの特性インピーダンスと一致させているため、限流抵抗33で生じる損失の瞬時的なピーク値は大きな値となる。一方本実施例では、限流抵抗値をケーブルの特性インピーダンス未満の値に設定することで、損失のピーク値を低減することができる。
Further, in the first embodiment, the resistance value of the current limiting
In this case, the circuit configuration is similar to that of FIG. 1, but by setting the resistance value of the current-limiting
That is, in the first embodiment, since the current-limiting resistance value is matched with the characteristic impedance of the cable, the instantaneous peak value of the loss caused by the current-limiting
図15には、第1実施形態と第2実施形態について、インバータの一つのスイッチング素子が一回動作した場合に限流抵抗33で発生する損失を示している。この図15では、縦軸に消費電力[W]を採り、横軸に時間[μs]を採っている。第1実施形態では点線図示のように、スイッチング素子が動作を開始してから大きなピーク値まで消費電力が増加し、その後徐々に減少する。これに対して、第2実施形態では、実線図示のようにスイッチング素子が動作を開始してからの消費電力のピーク値が低く抑制され、その後減少して小さな振幅で減衰する。
したがって、図15から第2実施形態では損失のピーク値が低減することが確認できる。
FIG. 15 shows the loss generated in the current limiting
Therefore, it can be confirmed from FIG. 15 that the peak loss value is reduced in the second embodiment.
また、図16には第1の実施形態と第2実施形態について、モータ受電端のサージ電圧を示している。この図16では、点線図示の第1実施形態と実線図示の第2実施形態とではサージ電圧のピーク値は同等であり、損失ピークを低減しつつも高いサージ低減効果が得られることが判る。
第2実施形態のサージ低減原理は、第1実施形態で述べた、限流抵抗33を設けないフィルタと同等であるが、本実施例ではフィルタ30のダイオード導通後のインピーダンスが限流抵抗33分加算されるため、負の反射電圧は小さくなる。そのため、モータ受電端電圧の電圧振動は限流抵抗33を設けないフィルタよりも小さくなる。このように、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特性インピーダンス未満の値に設定すれば、ダイオード導通後のフィルタ30のインピーダンスはケーブルの特性インピーダンスよりも小さくなるため、正の反射は生じない。
そのため、インバータのスイッチング素子が1回スイッチングした場合のモータ受電端電圧の最大値は、いずれの限流抵抗値であっても第1実施形態と同等まで小さくすることができる。よって限流抵抗33の値は、損失のピーク値やダイオードの許容電流などとの兼ね合いで、適切な値に設定することができる。
Also, FIG. 16 shows the surge voltage at the motor power receiving end for the first embodiment and the second embodiment. In FIG. 16, the peak value of the surge voltage is the same between the first embodiment shown by the dotted line and the second embodiment shown by the solid line, and it can be seen that a high surge reduction effect can be obtained while reducing the loss peak.
The surge reduction principle of the second embodiment is the same as that of the filter without the current limiting
Therefore, the maximum value of the motor power receiving end voltage when the switching element of the inverter switches once can be reduced to the same value as in the first embodiment, regardless of the current-limiting resistance value. Therefore, the value of the current-limiting
次に、本発明の第3実施形態について図17及び図18を伴って説明する。
この第3実施形態では、第2実施形態において連続スイッチング時に過大なサージ電圧が生じる問題を解決するようにしたものである。
すなわち、第3実施形態では、第2実施形態に対し、限流抵抗33の抵抗値は、小さければそれで良い、ということではなく、限流抵抗33の抵抗値Rfを下記のように設定する。
Zc/2≦限流抵抗値Rf≦Zc
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 17 and 18. FIG.
This third embodiment is intended to solve the problem of excessive surge voltage occurring during continuous switching in the second embodiment.
That is, in the third embodiment, unlike the second embodiment, the resistance value Rf of the current-limiting
Zc/2≤current-limiting resistance value Rf≤Zc
ここで、本発明に係る第3実施形態について説明する。この実施形態では、前述した第2実施形態に対して、限流抵抗値をケーブルの特性インピーダンスの半分から同等未満の値にすることで、インバータのスイッチング素子が短時間内に連続してスイッチした場合に生じる、モータ受電端におけるサージ電圧ピーク値を低減している。
まず、インバータのスイッチング素子が短時間内に連続スイッチングした場合の挙動について、図17を伴って説明する。この図17には、インバータが連続してスイッチングした場合の、インバータ出力端電圧を図17(a)に示し、モータ受電端電圧を図17(b)に示している。またスイッチング間隔がサージ電圧減衰時間よりも大きい場合を図17(c)に示し、スイッチング間隔がサージ電圧減衰時間よりも非常に小さい場合を図17(d)に示している。この図17から判るように、スイッチング間隔がサージ電圧減衰時間よりも小さいと、1度目のスイッチングよって発生するサージ電圧が2度目のスイッチングによって発生するサージ電圧に重畳して、モータ受電端には大きなサージ電圧が生じる。
A third embodiment according to the present invention will now be described. In this embodiment, by setting the current-limiting resistance to a value less than half the characteristic impedance of the cable, the switching elements of the inverter can switch continuously within a short period of time. It reduces the surge voltage peak value at the motor power receiving end that occurs in the case.
First, with reference to FIG. 17, the behavior when the switching elements of the inverter continuously switch within a short period of time will be described. In FIG. 17, the inverter output end voltage is shown in FIG. 17(a) and the motor power receiving end voltage is shown in FIG. 17(b) when the inverter is continuously switched. FIG. 17(c) shows the case where the switching interval is longer than the surge voltage attenuation time, and FIG. 17(d) shows the case where the switching interval is much shorter than the surge voltage attenuation time. As can be seen from FIG. 17, when the switching interval is shorter than the surge voltage decay time, the surge voltage generated by the first switching is superimposed on the surge voltage generated by the second switching, resulting in a large voltage at the motor power receiving end. Surge voltage occurs.
この第3実施形態はこのようにして生じるサージ電圧を低減するもので、限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特性インピーダンスの半分から同等未満の範囲の値に設定する。図18には、限流抵抗33の抵抗値を変更した場合のモータ受電端電圧を示している。ここで、実線が限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特性インピーダンスZc/2に設定した場合を示し、点線が第1実施形態の限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特性インピーダンスZcと同等とした場合を示し、一点鎖線が限流抵抗33の抵抗値をモータケーブル24の特性インピーダンスZc/4に設定した場合を示し、細線が限流抵抗33を設けない場合を示している。
In the third embodiment, the surge voltage generated in this way is reduced, and the resistance value of the current limiting
ケーブル端部での反射に伴いサージ電圧振動が生じ、時刻t4′における電圧極小値は、限流抵抗33の抵抗値が小さいほど小さいことが判る。そして、電圧極小値がインバータ23の直流中間電圧Edよりも小さくなると、前述したサージ電圧の重畳によって、スイッチング素子が1回のみスイッチングした場合には生じない高レベルのサージ電圧が発生する。そこで第3実施形態では、サージ電圧の極小値がインバータ23の直流中間電圧Ed以上となるようにし、前述したような連続スイッチングに伴う高レベルなサージ電圧が発生しないようにするため、限流抵抗の値をZc/2≦限流抵抗値Rf≦Zc上記の範囲内に設定する。その効果は図18からもわかる通りで、限流抵抗値をケーブルの特性インピーダンスの半分に設定した時のサージ電圧振動は小さく、その極小値がインバータ23の直流中間電圧Edを下回ることは無い。
It can be seen that a surge voltage oscillation occurs due to the reflection at the end of the cable, and the minimum voltage value at time t4' becomes smaller as the resistance value of the current-limiting
次に、本発明の第4実施形態について図19を伴って説明する。
この第4実施形態では、零相サージ電圧成分を低減することができるようにしたものである。
すなわち、第4実施形態では、図19に示すように、ダイオードブリッジ回路32の高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1との間に対地用ダイオードレグ34を追加している。この対地用ダイオードレグ34は、高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1との間ダイオードD41及びD42を直列に接続し、ダイオードD41及びD42の中間点を接地に接続することで、前述した第1~第3実施形態で説明した線間サージ電圧の抑制に加え、対地サージ電圧も低減するようにしている。
Next, a fourth embodiment of the invention will be described with reference to FIG.
In the fourth embodiment, the zero-phase surge voltage component can be reduced.
That is, in the fourth embodiment, as shown in FIG. 19, the
つまり、リアクトル31の各相線間電圧に加え、対地電圧も上記のダイオードブリッジ回路32によって直流中間電圧Edにクランプすることができる。これによってモータ受電端の対地電圧すなわち零相成分のサージ電圧も低減することができる。
ここで、零相成分のサージ電圧とは、三相モータ14のフレーム電位とモータ巻線間に生じるサージ電圧であり、対地間のモータ破損の原因となる。一般に、零相成分のサージ電圧は、三相インバータやPWMインバータのスイッチング動作に加え、接地の取り方や、インバータやモータの並列運転数などでも大きく変化し、一般的に巻線間サージ電圧よりも対策が難しい。
That is, in addition to the line-to-phase voltage of the
Here, the surge voltage of the zero-phase component is a surge voltage generated between the frame potential of the three-
しかしながら、第4実施形態では、ダイオードブリッジ回路32に対地用ダイオードレグ34を含め、この対地用ダイオードレグ34のダイオードD41及びD42間の中間点を接地に接続することにより、零相成分のサージ電圧も直流中間電圧Edにクランプすることが可能となり、零相成分のサージ電圧に対して大きな抑制効果を得ることができる。
しかも、零相成分のサージ電圧抑制効果を、ダイオードブリッジ回路32に整流ブリッジ回路を構成する三相のダイオードレグ32u~32wと並列に中間点を接地した対地用ダイオードレグ34を接続するだけで容易に得ることができる。さらに、零相成分のサージ電圧抑制効果が、三相インバータやPWMインバータのスイッチング動作や、接地の取り方や、インバータやモータの並列運転数に影響されることがない。
However, in the fourth embodiment, the
In addition, the effect of suppressing the surge voltage of the zero-phase component can be easily achieved by simply connecting the
なお、対地用ダイオードレグ34は、図20及び図21に示すように、前述した第1実施形態の変形例である図11及び図12にも適用することができる。
また、上記第4実施形態では、対地用ダイオードレグ34の中間点を直接接地する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図22に示すように、対地用ダイオードレグ34の中間点と接地との間に漏れ電流を抑制する漏れ電流抑制インピーダンスZeを接続するようにしてもよい。この漏れ電流抑制インピーダンスZeは、具体的には、図23(a)に示す漏れ電流抑制抵抗Re、図23(b)に示す低周波電流成分抑制用の接地コンデンサCe及び図23(c)に示す漏れ電流抑制抵抗Reと低周波電流成分抑制用の接地コンデンサCeの直列回路の何れか1つを選択すればよい。
In addition, as shown in FIGS. 20 and 21, the
In addition, in the fourth embodiment, the case where the intermediate point of the
次に、本発明の第5実施形態について図24を伴って説明する。
この第5実施形態では、ダイオードブリッジ回路32の直流出力端側にスナバコンデンサを接続するようにしたものである。
すなわち、第5実施形態では、図24に示すように、前述した第1実施形態の構成において、ダイオードブリッジ回路32の直流出力端となる高電位側配線Lp1と低電位側配線Ln1との間にスナバコンデンサCsが接続されている。このスナバコンデンサCsは、ダイオードブリッジ回路32の直近に配置することで、ダイオードの過電圧破壊を防止できる。また、スナバコンデンサCsは、0.数μF以下の小さな静電容量で構成されており、特許文献1に記載されたサージ電圧抑制回路などで用いるコンデンサよりも静電容量が小さい。このため、本発明の不要共振周波数はスイッチング周波数よりも非常に高くなるため、直列共振による過大な電流が生じることはない。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In this fifth embodiment, a snubber capacitor is connected to the DC output terminal side of the
That is, in the fifth embodiment, as shown in FIG. 24, in the configuration of the first embodiment described above, between the high potential side wiring Lp1 and the low potential side wiring Ln1, which are the DC output terminals of the
なお、スナバコンデンサCsは、第2実施形態~第4実施形態においてもダイオードブリッジ回路32の直流出力端側に接続することができる。
また、上記第1~第5実施形態では、限流抵抗33の接続位置をダイオードブリッジ回路32の交流入力端側、直流出力端側、ダイオードブリッジ回路32内に設ける場合について説明したが、これに限定されるものではなく、還流電流の電流経路に複数の抵抗に分割して配置することもできる。要は還流電流の電流経路に限流抵抗が接続されていればよい。
The snubber capacitor Cs can be connected to the DC output terminal side of the
In addition, in the first to fifth embodiments, the connection position of the current-limiting
また、上記第1~第5実施形態では、サージ抑制装置を3相インバータとモータケーブルの間に接続する場合について説明したが、サージ抑制装置をインバータの内部に配置してもよい。要するに、サージ抑制装置は、インバータを構成するスイッチング素子の出力端子とモータケーブルとの間に接続すればよく、インバータ装置や電力変換装置の本体内または本体外のどちらに配置してもよい。
また、上記第1~第5実施形態では、電力変換装置13を構成する三相インバータ23で三相モータ14を駆動する場合について説明したが、四相以上の多相モータを多相インバータで駆動する場合にも本発明を適用することができる。この場合、ダイオードブリッジ回路32を、多相モータの相数に応じた数のダイオードレグを並列に接続すればよい。
Further, in the first to fifth embodiments described above, the surge suppression device is connected between the three-phase inverter and the motor cable, but the surge suppression device may be arranged inside the inverter. In short, the surge suppression device may be connected between the output terminals of the switching elements forming the inverter and the motor cable, and may be arranged inside or outside the main body of the inverter device or the power conversion device.
Further, in the first to fifth embodiments described above, the three-
また、上記第1~第5実施形態では、1つの電力変換装置13で1つの三相モータ14を駆動する場合について説明したが、1つの電力変換装置13で複数の三相モータ14を駆動する場合にも本発明を適用することができる。さらには、電力変換装置13を構成する1つのコンバータに三相インバータ及び三相モータを複数組接続する場合にも本発明を適用することができる。
Further, in the first to fifth embodiments, the case where one
10…モータ駆動装置、11…三相交流電源、12…トランス、13…電力変換装置、14…三相モータ、20…三相リアクトル、21…パルス幅変調(PWM)コンバータ、22…平滑コンデンサ、23…三相インバータ、24…モータケーブル、Lu…U相ケーブル、Lv…V相ケーブル、Lw…W相ケーブル、tu~tw…受電端子、31…三相リアクトル、31u…U相リアクトル、31v…V相リアクトル、31w…W相リアクトル、32…ダイオードブリッジ回路、32u…U相ダイオードレグ、32v…V相ダイオードレグ、32w…W相ダイオードレグ、33…限流抵抗、34…対地用ダイオードレグ、Ru~Rw、R2u~R2w、R2x~R2z、R3p、R3n…限流抵抗、Ze…漏れ電流抑制インピーダンス、Csはスナバコンデンサ
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記フィルタは、
前記モータケーブルの前記多相インバータ側に介挿した多相リアクトルと、
前記モータケーブルと前記多相リアクトルとの接続点に個別に中間点が接続された多相ダイオードレグを並列に接続したダイオードブリッジ回路と、
前記多相ダイオードレグを通る電流経路に個別に介挿された還流電流抑制抵抗と、
を備え、
前記ダイオードブリッジ回路の直流高電位側及び低電位側が前記多相インバータの直流高電位側及び直流低電位側に個別に接続され、
前記還流電流抑制抵抗の抵抗値は、前記モータケーブルを介して前記多相モータ側から伝搬する反射電圧の前記フィルタの出力端における正反射を阻止する値に設定され、且つ前記反射電圧の極性を反転して反射する負の反射が前記フィルタの出力端において生じる値に設定されているサージ電圧抑制装置。 A polyphase motor cable connecting between a polyphase motor and a polyphase inverter that drives the polyphase motor, and a filter provided between the polyphase inverter,
The filter is
a polyphase reactor inserted on the side of the polyphase inverter of the motor cable;
a diode bridge circuit in which polyphase diode legs are connected in parallel, each of which has an intermediate point connected to a connection point between the motor cable and the polyphase reactor;
Return current suppression resistors individually interposed in current paths passing through the polyphase diode legs;
with
the DC high potential side and the DC low potential side of the diode bridge circuit are individually connected to the DC high potential side and the DC low potential side of the multiphase inverter;
The resistance value of the return current suppression resistor is set to a value that prevents specular reflection at the output end of the filter of the reflected voltage propagating from the polyphase motor side via the motor cable , and the polarity of the reflected voltage is set to A surge voltage suppressor set to a value such that a negative reflection, which is reflected back, occurs at the output of said filter .
前記フィルタは、
前記モータケーブルの前記多相インバータ側に介挿した多相リアクトルと、
前記モータケーブルと前記多相リアクトルとの接続点に個別に中間点が接続された多相ダイオードレグを並列に接続したダイオードブリッジ回路と、
前記多相ダイオードレグを通る電流経路に個別に介挿された還流電流抑制抵抗と、
を備え、
前記ダイオードブリッジ回路の直流高電位側及び低電位側が前記多相インバータの直流高電位側及び直流低電位側に個別に接続され、
前記還流電流抑制抵抗の抵抗値は、前記モータケーブルを介して前記多相モータ側から伝搬する反射電圧の前記フィルタの出力端における正反射を阻止する値に設定され、前記モータケーブルの特性インピーダンス以下で、且つ前記多相モータの受電端線間電圧の極小値が前記多相インバータの直流電圧以上となる値に設定されているサージ電圧抑制装置。 A polyphase motor cable connecting between a polyphase motor and a polyphase inverter that drives the polyphase motor, and a filter provided between the polyphase inverter,
The filter is
a polyphase reactor inserted on the side of the polyphase inverter of the motor cable;
a diode bridge circuit in which polyphase diode legs are connected in parallel, each of which has an intermediate point connected to a connection point between the motor cable and the polyphase reactor;
Return current suppression resistors individually interposed in current paths passing through the polyphase diode legs;
with
the DC high potential side and the DC low potential side of the diode bridge circuit are individually connected to the DC high potential side and the DC low potential side of the multiphase inverter;
The resistance value of the return current suppression resistor is set to a value that prevents specular reflection at the output end of the filter of the reflected voltage propagating from the polyphase motor side via the motor cable, and is equal to or less than the characteristic impedance of the motor cable. and a surge voltage suppressing device, wherein the minimum value of the line-to-line voltage of the power receiving end of the polyphase motor is set to a value equal to or higher than the DC voltage of the polyphase inverter.
前記フィルタは、
前記モータケーブルの前記多相インバータ側に介挿した多相リアクトルと、
前記モータケーブルと前記多相リアクトルとの接続点に個別に中間点が接続された多相ダイオードレグを並列に接続したダイオードブリッジ回路と、
前記多相ダイオードレグを通る電流経路に個別に介挿された還流電流抑制抵抗と、
を備え、
前記ダイオードブリッジ回路の直流高電位側及び低電位側が前記多相インバータの直流高電位側及び直流低電位側に個別に接続され、
前記還流電流抑制抵抗の抵抗値が前記モータケーブルを介して前記多相モータ側から伝搬する反射電圧の前記フィルタの出力端における正反射を阻止する値に設定され、
前記多相リアクトルのインダクタンス値は、前記モータケーブルのインダクタンスの2/π倍より大きい値に設定するサージ電圧抑制装置。 A polyphase motor cable connecting between a polyphase motor and a polyphase inverter that drives the polyphase motor, and a filter provided between the polyphase inverter,
The filter is
a polyphase reactor inserted on the side of the polyphase inverter of the motor cable;
a diode bridge circuit in which polyphase diode legs are connected in parallel, each of which has an intermediate point connected to a connection point between the motor cable and the polyphase reactor;
Return current suppression resistors individually interposed in current paths passing through the polyphase diode legs;
with
the DC high potential side and the DC low potential side of the diode bridge circuit are individually connected to the DC high potential side and the DC low potential side of the multiphase inverter;
the resistance value of the return current suppression resistor is set to a value that prevents specular reflection at the output end of the filter of the reflected voltage propagating from the polyphase motor side via the motor cable;
The surge voltage suppression device, wherein the inductance value of the polyphase reactor is set to a value larger than 2/π times the inductance of the motor cable.
前記フィルタは、
前記モータケーブルの前記多相インバータ側に介挿した多相リアクトルと、
前記モータケーブルと前記多相リアクトルとの接続点に個別に中間点が接続された多相ダイオードレグを並列に接続したダイオードブリッジ回路と、
前記多相ダイオードレグを通る電流経路に個別に介挿された還流電流抑制抵抗と、
を備え、
前記ダイオードブリッジ回路の直流高電位側及び低電位側が前記多相インバータの直流高電位側及び直流低電位側に個別に接続され、
前記還流電流抑制抵抗の抵抗値が前記モータケーブルを介して前記多相モータ側から伝搬する反射電圧の前記フィルタの出力端における正反射を阻止する値に設定され、
前記多相リアクトルのインダクタンス値は、前記還流電流抑制抵抗の抵抗値と前記多相インバータの出力電圧の立ち上がり時間との乗算値を2で除した値より大きい値に設定するサージ電圧抑制装置。 A polyphase motor cable connecting between a polyphase motor and a polyphase inverter that drives the polyphase motor, and a filter provided between the polyphase inverter,
The filter is
a polyphase reactor inserted on the side of the polyphase inverter of the motor cable;
a diode bridge circuit in which polyphase diode legs are connected in parallel, each of which has an intermediate point connected to a connection point between the motor cable and the polyphase reactor;
Return current suppression resistors individually interposed in current paths passing through the polyphase diode legs;
with
the DC high potential side and the DC low potential side of the diode bridge circuit are individually connected to the DC high potential side and the DC low potential side of the multiphase inverter;
the resistance value of the return current suppression resistor is set to a value that prevents specular reflection at the output end of the filter of the reflected voltage propagating from the polyphase motor side via the motor cable;
Surge voltage suppression wherein the inductance value of the polyphase reactor is set to a value greater than a value obtained by dividing the multiplication value of the resistance value of the return current suppression resistor and the rise time of the output voltage of the polyphase inverter by 2. Device.
請求項1から11の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置と、
を備えた電力変換装置。 a multiphase inverter that drives a multiphase motor;
A surge voltage suppressor according to any one of claims 1 to 11 ;
A power conversion device with
前記多相モータを駆動する多相インバータと、
請求項1から11の何れか一項に記載のサージ電圧抑制装置と、
を備えた多相モータ駆動装置。 a polyphase motor;
a multiphase inverter that drives the multiphase motor;
A surge voltage suppressor according to any one of claims 1 to 11 ;
A polyphase motor drive with
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