WO2006038545A1

WO2006038545A1 - 電力変換装置

Info

Publication number: WO2006038545A1
Application number: PCT/JP2005/018087
Authority: WO
Inventors: Reiji Kawashima; Yoshitsugu Koyama
Original assignee: Daikin Industries, Ltd.
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-04-13
Also published as: JP2006109584A; JP4645139B2; CN101040427A; EP1806833A1; EP1806833B1; US20080284367A1; CN100514828C; AU2005290576A1; AU2005290576B2; EP1806833A4; US8008886B2

Description

電力変換装置

技術分野

[0001] 本発明は、 PWM整流回路と PWMインバータ回路とを含むとともに、コモンモードチョークコイルおよびコンデンサを含むコモンモードフィルタを含む電力変換装置に関する。

背景技術

明

[0002] 従来から、 PWM整流回路と PWMインバータ回路とを含むとともに、コモンモードチョークコイルおよびコンデンサを含む田コモンモードフィルタを含む電力変換装置が提案されてレ、た (特許文献 1参照)。

[0003] 図 1は、ダイオード整流回路と PWMインバータ回路からなる電力変換装置を介してモータを駆動するモータ駆動システムを示す電気回路図である。

このモータ駆動システムにおいては、 3相交流電圧をダイオード整流回路で直流電圧に整流し、 PWMインバータ回路のスイッチング素子で、搬送波である三角波信号と変調波との比較によりパルス幅変調することで、所望の電圧 ·周波数の交流電圧を出力し、モータに供給する。そして、 PWMインバータ回路の各スイッチング素子が動作すると、図 2に示すようにコモンモード電圧 Vinv{図 2中（E)参照 }が発生する。 PW Mインバータの出力端子 U、 V、 W点と直流部の中点 Nとの間の電位を Vun、 Vvn、 V wnとすると、コモンモード電圧 Vinvは、

となり、 Ed/2, Ed/6, -Ed/6, _Ed/2の 4つの値をとり、 PWMインバータのキャリア周波数 fcを基本波成分とするステップ状の波形をとる。

[0004] このコモンモード電圧 Vinvは、高周波漏れ電流やインバータで電動機を駆動する際の軸電圧の原因となる。高周波漏れ電流は、伝導ノイズとなり、雑音端子電圧の主要因となる。したがって、このコモンモード電圧 Vinvに起因する問題を解決するため、様々な対策が検討されてレ、る。

[0005] これらの対策のうちでは、コモンモードチョークコイルとコンデンサとの組み合わせによるコモンモードフィルタを用いて高周波漏れ電流を抑制する方法が一般的に用いられている。コモンモードフィルタを用いたモータ駆動システムの、コモンモードに対する等価回路は図 3に示す通りになる。コモンモードフィルタに用いるコモンモードチョークコイルは、磁性体コアに 3相の卷線を極性と卷数が等しくなるように卷ぃたもので、ノーマルモードに対しては 3相の電流による起磁力が相殺されるためインダクタンスが零となるが、コモンモードに対しては、大きなリアタトルとして動作する。しかし、コモンモードチョークコイルの磁束密度が飽和磁束密度 Bmaxを越えてしまうと、インダクタンスが激減し、コモンモードフィルタとして機能しなくなる。

[0006] ここで、コモンモードチョークに印加される電圧を VLC1、コモンモードチョークコィルの卷数を Nとすると、コアの磁束 φ Ι Ιは数 1で表され、磁性体のコアの有効断面積を Sとすると、磁束密度 BLC1は数 2となる。

[0007] [数 1] ΐα = 丄 · ί VLCI dt

N

[0008] [数 2]

S S N

また、コモンモード電圧の絶対値が最も大きくなるのは、インバータの三相アームすベて正側がオンもしくは負側がオンしている場合である（インバータの変調率は零)。ここで、インバータのキャリア周期を Tiとし、コモンモード電圧 Vinvがすべてコモンモードチョークに印加された場合の鎖交磁束 φ ίηνは数 3となり、直流電圧 Edが高い場合や、スイッチング周期が大きい場合に大きくなり、コモンモードチョークが磁気飽和しゃすいことになる。

[0009] [数 3] φ inv = -J— · J V inv dt = ^{E d}' ^{T l} _

N 8 - N

また、コモンモードチョークコイルが飽和しないように、磁束密度を小さくするには、コイルの断面積 Sを大きくする力 \卷数 Nを多くする必要がある。すなわち、何れの場合にも、コアサイズが大きくなつてしまう。図 4にインバータの変調率 Kiが 1の時の搬送波、各相電圧、コモンモード電圧 Vinv、コモンモードチョークコイルの鎖交磁束 ην{図 4中（Α)参照 }、および 0の時の搬送波、各相電圧、コモンモード電圧 Vinv、コモンモードチョークコイルの鎖交磁束 φ inv{図 4中（B)参照 }を示す。

[0010] また、高調波電流規制に対応するため、ダイオードと並列にスイッチング素子を設けた PWM整流回路（図 5参照）を用いる場合がある。この場合には、 PWM整流回路のスイッチング素子も PWMインバータ回路と同様の動作を行うため、 PWM整流回路からもコモンモード電圧 Vrecが発生することになる。

[0011] PWM整流回路、 PWMインバータ回路のコモンモードに対する等価回路は、図 6 に示す通りであり、直流リンクに対して PWM整流回路と PWMインバータ回路とが発生するコモンモード電圧 Vrec、 Vinvは逆直列となる。

[0012] そして、両変換器の搬送波を共通にした場合 (スイッチング周波数を互いに等しくした場合）には、図 7に示すように、両変換器のコモンモード電圧は互いに打ち消しあレ、、全体としてのコモンモード電圧 Vccは、それぞれの変換器が発生するコモンモード電圧よりち/ J、さくなる。

特許文献 1 :特開 2003— 18853号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0013] し力し、 PWM整流回路のスイッチング周波数と PWMインバータ回路のスィッチング周波数とを異なる周波数に設定する必要がある場合においては、両変換器が発生するコモンモード電圧は、増幅したり打ち消し合うことなる。具体的には、 PWM整流回路のスイッチング周波数が PWMインバータ回路のスイッチング周波数の 2倍である場合のコモンモード電圧は図 8に示す通りであり、 PWM整流回路のスイッチング周波数力 SPWMインバータ回路のスイッチング周波数の 2. 4倍である場合のコモンモード電圧は図 9に示す通りである。

[0014] このように、両変換器のスイッチング周波数の関係により、 PWM整流回路を用いることでコモンモード電圧が大きくなる場合があり、その結果、ダイオード整流回路で用いていたコモンモードチョークコイルと同等のものを用いると磁気飽和してしまうため、フィルタとしての機能が失われ、雑音端子電圧などの伝導性ノイズの抑制効果がなくなってしまう（PWM整流回路のスイッチング周波数と PWMインバータ回路のスイツチング周波数とが等しい場合の雑音端子電圧を示す図 10、および PWM整流回路のスイッチング周波数が PWMインバータ回路のスイッチング周波数の 2倍である場合の雑音端子電圧を示す図 11を参照)。

[0015] 特に、 PWM整流回路と PWMインバータ回路とを含むモータ駆動システムにおいては、 PWM整流回路のスイッチング周波数を、騒音などの影響を及ぼさないように高い周波数に設定する一方、 PWMインバータ回路のスイッチング周波数を、スイツチンダロスを少なくするように低い周波数に設定するのであるから、上述のように PW

M整流回路のスイッチング周波数と PWMインバータ回路のスイッチング周波数とを異なる周波数に設定することは決して特殊なことではなぐこの結果、上述の不都合が一般的に発生していた。

[0016] 本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、コモンモード電圧がコモンモードチョークコイルを磁気飽和させる程度に大きくなることを防止することができる電力変換装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

[0017] 請求項 1の電力変換装置は、 PWM整流回路と PWMインバータ回路とを含むとともに、コモンモードチョークコイルおよびコンデンサを含むコモンモードフィルタを含むものにおいて、

PWM整流回路のキャリア周波数と PWMインバータ回路のキャリア周波数とを、コモンモードチョークコイルが磁気飽和を起こさない周波数に設定してあるものである。請求項 2の電力変換装置は、 PWM整流回路のキャリア周波数を、 PWMインバータ回路のキャリア周波数の奇数倍に設定したものである。 [0018] 請求項 3の電力変換装置は、整流回路と PWMインバータ回路とを含むとともに、コモンモードチョークコイルおよびコンデンサを含むコモンモードフィルタを含むものにおいて、

コモンモードフィルタの共振周波数を、整流回路のキャリア周波数、または PWMインバータ回路のキャリア周波数の 2倍以上に設定したものである。

[0019] 請求項 4の電力変換装置は、 PWMインバータ回路として、圧縮機駆動用モータに駆動用電力を供給するものを採用するものである。

[0020] 第 1の発明の電力変換装置であれば、コモンモード電圧を小さくし、コモンモードフィルタのコモンモードチョークコイルに発生する磁束を小さくして、コモンモードチョークコイルの磁気飽和を防止することができる。

[0021] また、コモンモードフィルタは、共振周波数近傍ではインピーダンスが小さくなるので、 PWM整流回路、 PWMインバータ回路の何れか一方のスイッチング周波数がコモンモードフィルタの共振周波数近傍になると、コモンモードチョークコイルに印加される電圧が極端に大きくなり、コモンモードチョークコイルが磁気飽和を起こし易くなるのであるが、第 2の発明では、コモンモードフィルタの共振周波数を整流回路のキャリア周波数、または PWMインバータ回路のキャリア周波数の 2倍以上に設定してあるので、コモンモードチョークコイルが磁気飽和することを防止することができる。発明の効果

[0022] 第 1の発明は、コモンモードフィルタのコモンモードチョークコイルの磁気飽和を防止し、ひレ、てはコモンモードチョークコイルの小型化を達成することができるとレ、ぅ特有の効果を奏する。

[0023] 第 2の発明は、コモンモードフィルタのコモンモードチョークコイルの磁気飽和を防止し、ひレ、てはコモンモードチョークコイルの小型化を達成することができるとレ、ぅ特有の効果を奏する。

発明を実施するための最良の形態

[0024] 以下、添付図面を参照して、本発明の電力変換装置の実施の形態を詳細に説明する。

図 12は本発明の電力変換装置の一実施形態を組み込んでなる圧縮機駆動用モータ駆動システムの構成を示す概略図である。

[0025] この圧縮機駆動用モータ駆動システムは、 Y接続の 3相交流電源 1の各相出力端子に、コモンモードチョークコイル Lcl、およびリアタトル Lnを直列に介して PWM整流回路 2の入力端子を接続し、 PWM整流回路 2の出力端子間に、互いに等しい容量の 1対のコンデンサ 3を直列接続し、 1対のコンデンサ 3の直列接続回路の端子間電圧を PWMインバータ 4の入力端子に印加し、 PWMインバータ 4の出力を圧縮機駆動用モータ 5に供給している。そして、各相のコモンモードチョークコイル Lclとリアタトル Lnとの接続点と 3相交流電源 1の中性点との間にコンデンサ Cclを接続している。さらに、 PWM整流回路 2の各スイッチング素子を制御する PWM整流回路制御部 6 と、 PWMインバータ 4の各スイッチング素子を制御する PWMインバータ制御部 7とを有している。

[0026] そして、 PWM整流回路制御部 6は、 PWM整流回路 2のスイッチング周波数を、 P WMインバータ制御部 7による PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 3倍に設定している。そして、 PWM整流回路制御部 6および PWMインバータ制御部 7は、 PW M整流回路 2が発生するコモンモード電圧 Vrecと PWMインバータ 4が発生するコモンモード電圧 Vinvとを同相に設定してレ、る。

[0027] なお、両制御部 6、 7の他の処理は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。

また、コモンモードチョークコイル Lclとコンデンサ Cclとでコモンモードフィルタを構成している。

[0028] 上記の構成の圧縮機駆動用モータ駆動システムの作用は次のとおりである。

PWM整流回路制御部 6により PWM整流回路 2のスイッチング素子を制御することによって、 3相交流電圧を直流電圧に変換し、コンデンサ 3により平滑化する。そして、 PWMインバータ制御部 7により PWMインバータ 4のスイッチング素子を制御することによって、直流電圧を 3相交流電圧に変換し、圧縮機駆動用モータ 5に印加する。

[0029] そして、 PWM整流回路制御部 6による PWM整流回路 2のスイッチング周波数を、 P

WMインバータ制御部 7による PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 3倍に設定してレ、るとともに、 PWM整流回路 2が発生するコモンモード電圧 Vrecと PWMインバータ 4が発生するコモンモード電圧 Vinvとを同相に設定してレ、る {図 13中（A) (B)参照 }のであるから、全体のコモンモード電圧 Vccは図 13中（C)に示す通りになり、コモンモードチョークコイル Lclの磁束 φ ccは図 13中（D)に示す通りになる。

図 14は、 PWM整流回路制御部 6による PWM整流回路 2のスイッチング周波数を、 PWMインバータ制御部 7による PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 3倍に設定してレ、るとともに、 PWM整流回路 2が発生するコモンモード電圧 Vrecと PWMインバータ 4が発生するコモンモード電圧 Vinvとを逆相に設定した場合の電圧波形、および磁束波形を示している。

[0030] 図 13と図 14とを対比することにより分かるように、 PWM整流回路 2が発生するコモンモード電圧 Vrecと PWMインバータ 4が発生するコモンモード電圧 Vinvとを同相に設定することによって、コモンモードチョークコイル Lclの磁束 φ ccのピークを抑えることができる。

[0031] また、雑音端子電圧は図 15に示す通りであり、図 11に示す雑音端子電圧よりも大幅に低減することができた。

[0032] したがって、コモンモードチョークコイル Lclの磁気飽和を防止し、コモンモードフィルタの小型化、およびコストダウンを達成することができる。

[0033] また、 PWM整流回路制御部 6による PWM整流回路 2のスイッチング周波数を、 P WMインバータ制御部 7による PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 3倍に設定する代わりに、または加えて、コモンモードフィルタの共振周波数を、 PWM整流回路 2のスイッチング周波数のスイッチング周波数の 2倍以上に設定することができる。

[0034] この場合にも、コモンモードチョークコイル Lclの磁気飽和を防止し、コモンモードフィルタの小型化、およびコストダウンを達成することができる。

[0035] さらに説明する。

[0036] コモンモードフィルタは、共振周波数近傍ではインピーダンスが小さくなるので、 P WM整流回路 2、 PWMインバータ 4の何れか一方のスイッチング周波数がコモンモードフィルタの共振周波数近傍になると、コモンモードチョークコイル Lclに印加される電圧が極端に大きくなり、コモンモードチョークコイル Lclが磁気飽和を起こし易くなるのであるが、上述のように、コモンモードフィルタの共振周波数を PWM整流回路 2 のキャリア周波数、または PWMインバータ 4のキャリア周波数の 2倍以上に設定することによって、コモンモードチョークコイル Lclが磁気飽和することを防止することができる。

図 16力、ら図 19は、コモンモードフィルタの共振周波数 fc力それぞれ PWM整流回路 2のスイッチング周波数 freeの 1倍、 2倍、 3倍、 4倍である場合における、全体としてのコモンモード電圧 Vcc{ (A)参照 }、コモンモードチョークコイル Lclの電圧 VLC1 { (B)参照 }、コモンモードチョークコイル Lclの磁束 φ Lcl { (C)参照 }を示してレ、る。

[0037] 図 16から図 19を参照すれば分かるように、共振周波数 fcを PWM整流回路 2のスイッチング周波数 freeの 2倍以上に設定することによって、コモンモードチョークコイル Lclの磁束 φ Lclを抑えることができ、ひいてはコモンモードチョークコイル Lclが磁気飽和することを防止することができる。

[0038] また、この実施形態において、 PWM整流回路 2に代えてダイオード整流回路を採用することが可能である。ただし、この場合には、コモンモードフィルタの共振周波数 f cを、 PWMインバータ 4のスイッチング周波数 finvの 2倍以上に設定する。

この場合にも、コモンモードチョークコイル Lclが磁気飽和することを防止することができる。

[0039] 図 20力ら図 23は、コモンモードフィルタの共振周波数 fc力それぞれ PWMインバータ 4のスイッチング周波数 finvの 1倍、 2倍、 3倍、 4倍である場合における、全体としてのコモンモード電圧 Vcc{ (A)参照 }、コモンモードチョークコイル Lclの電圧 VLC1 { (B)参照 }、コモンモードチョークコイル Lclの磁束 φ Lcl { (C)参照 }を示してレ、る。

[0040] 図 20から図 23を参照すれば分かるように、共振周波数 fcを PWMインバータ 4のスイッチング周波数 finvの 2倍以上に設定することによって、コモンモードチョークコイル Lclの磁束 φ Lclを抑えることができ、ひいてはコモンモードチョークコイル Lclが磁気飽和することを防止することができる。

図面の簡単な説明

[0041] [図 1]従来の電力変換装置の一例を組み込んだ圧縮機用モータ駆動システムの構成を示す概略図である。

[図 2]コモンモード電圧波形の生成を説明する図である。園 3]コモンモードに対する等価回路を示す図である。

[図 4]変調率が 1、 0の場合の搬送波、各相電圧、コモンモード電圧 Vinv、コモンモードチョークコイルの鎖交磁束 φ invを示す図である。

園 5]従来の電力変換装置の他の例を組み込んだ圧縮機用モータ駆動システムの構成を示す概略図である。

園 6]コモンモードに対する等価回路を示す図である。

[図 7]PWM整流回路のスイッチング周波数と PWMインバータのスイッチング周波数とが等しい場合におけるコモンモード電圧波形を示す図である。

[図 8]PWM整流回路のスイッチング周波数力 SPWMインバータのスイッチング周波数の 2倍である場合におけるコモンモード電圧波形を示す図である。

[図 9]PWM整流回路のスイッチング周波数力 SPWMインバータのスイッチング周波数の 2. 4倍である場合におけるコモンモード電圧波形を示す図である。

[図 10]PWM整流回路のスイッチング周波数と PWMインバータのスイッチング周波数とが等しい場合における雑音端子電圧を示す図である。

[図 11]PWM整流回路のスイッチング周波数力 SPWMインバータのスイッチング周波数の 2倍である場合における雑音端子電圧を示す図である。

園 12]本発明の電力変換装置の一実施形態を組み込んだ圧縮機用モータ駆動システムの構成を示す概略図である。

[図 13]PWM整流回路制御部 6による PWM整流回路 2のスイッチング周波数を、 PW Mインバータ制御部 7による PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 3倍に設定しているとともに、 PWM整流回路 2が発生するコモンモード電圧 Vrecと PWMインバータ 4が発生するコモンモード電圧 Vinvとを同相に設定している場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコイルの鎖交磁束を示す図である。

[図 14]PWM整流回路制御部 6による PWM整流回路 2のスイッチング周波数を、 PW Mインバータ制御部 7による PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 3倍に設定しているとともに、 PWM整流回路 2が発生するコモンモード電圧 Vrecと PWMインバータ 4が発生するコモンモード電圧 Vinvとを逆相に設定している場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコイルの鎖交磁束を示す図である。 [図 15]PWM整流回路制御部 6による PWM整流回路 2のスイッチング周波数を、 PW Mインバータ制御部 7による PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 3倍に設定した場合における雑音端子電圧を示す図である。

[図 16]コモンモードフィルタの共振周波数を PWM整流回路 2のスイッチング周波数と等しく設定した場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコィルの鎖交磁束を示す図である。

[図 17]コモンモードフィルタの共振周波数を PWM整流回路 2のスイッチング周波数の 2倍に設定した場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコィルの鎖交磁束を示す図である。

[図 18]コモンモードフィルタの共振周波数を PWM整流回路 2のスイッチング周波数の 3倍に設定した場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコィルの鎖交磁束を示す図である。

[図 19]コモンモードフィルタの共振周波数を PWM整流回路 2のスイッチング周波数の 4倍に設定した場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコィルの鎖交磁束を示す図である。

[図 20]PWM整流回路に代えてダイオード整流回路を採用し、コモンモードフィルタの共振周波数を PWMインバータ 4のスイッチング周波数と等しく設定した場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコイルの鎖交磁束を示す図である。

[図 21]PWM整流回路に代えてダイオード整流回路を採用し、コモンモードフィルタの共振周波数を PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 2倍に設定した場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコイルの鎖交磁束を示す図である。

[図 22]PWM整流回路に代えてダイオード整流回路を採用し、コモンモードフィルタの共振周波数を PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 3倍に設定した場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコイルの鎖交磁束を示す図である。

[図 23]PWM整流回路に代えてダイオード整流回路を採用し、コモンモードフィルタの共振周波数を PWMインバータ 4のスイッチング周波数の 4倍に設定した場合におけるコモンモード電圧波形、およびコモンモードチョークコイルの鎖交磁束を示す図である。

符号の説明

2 PWM整流回路

4 PWMインバータ

5 圧縮機駆動用モータ

Lcl コモンモードチョークコィノレ

Ccl コンデンサ

Claims

請求の範囲

[1] PWM整流回路（2)と PWMインバータ回路（4)とを含むとともに、コモンモードチョークコイル（Lcl)およびコンデンサ（Ccl)を含むコモンモードフィルタを含む電力変換装置において、

PWM整流回路（2)のキャリア周波数と PWMインバータ回路（4)のキャリア周波数とを、コモンモードチョークコイル (Lcl)が磁気飽和を起こさない周波数に設定してあることを特徴とする電力変換装置。

[2] PWM整流回路（2)のキャリア周波数は、 PWMインバータ回路（4)のキャリア周波数の奇数倍に設定してある請求項 1に記載の電力変換装置。

[3] 整流回路（2)と PWMインバータ回路（4)とを含むとともに、コモンモードチョークコィノレ（Lcl)およびコンデンサ（Ccl)を含むコモンモードフィルタを含む電力変換装置において、

コモンモードフィルタの共振周波数は、整流回路（2)のキャリア周波数、または PWM インバータ回路 (4)のキャリア周波数の 2倍以上に設定してあることを特徴とする電力変換装置。

[4] PWMインバータ回路 (4)は、圧縮機駆動用モータ（5)に駆動用電力を供給するものである請求項 1から請求項 3の何れかに記載の電力変換装置。