JP2007325377A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振現象を防止し、双方向コンバータにおけるバスラインのコモンモード電圧を低減可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎにコンデンサ２，３をそれぞれ設け、コンデンサ２，３の他端がハーモニックフィルタ１０の中性点に接続される。これにより、リアクター２０−１〜２０−３、ハーモニックフィルタ１０、接地コンデンサ１２等により構成される共振回路において、全体のコンデンサ成分の容量が大きくなり、共振周波数が低くなる。共振回路は、共振現象の発生原因である双方向コンバータ３０によるチョッピング周波数の影響を受けることがなくなり、共振現象の発生を防止することができ、双方向コンバータ３０におけるバスラインのコモンモード電圧を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に、サーボドライブ、システムドライブ等を用いる分野において好適に適用することができる、双方向コンバータのコモンモード電圧を低減する電力変換装置に関する。

図４は、従来の電力変換装置を示す構成図である。この電力変換装置１００は、三相交流電源であるトランス２００から三相交流電力を入力し、かつトランス２００へ三相交流電力を出力し、三相交流電動機であるＡＣモータ３００を駆動するための電力変換を行う装置であり、ハーモニックフィルタ１０、接地コンデンサ１２、リアクター２０−１〜２０−３、双方向コンバータ３０及びＰＷＭインバータ４０を備えている。

双方向コンバータ３０は、トランス２００からリアクター２０−１〜２０−３を介して、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の三相交流電力を入力し、三相交流電力を直流電力に変換し、ＰＷＭインバータ４０に出力する。ＰＷＭインバータ４０は、双方向コンバータ３０から直流電力を入力し、直流電力を三相交流電力に変換し、ＡＣモータ３００へ供給する。これにより、ＡＣモータ３００は駆動する。さらに、ＡＣモータ３００が駆動され発電した場合、ＰＷＭインバータ４０は、三相交流電力を直流電力に変換し、双方向コンバータ３０に出力する。双方向コンバータ３０は、直流電力をリアクター２０−１〜２０−３を介して、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の三相交流電力に変換し、トランス２００に出力する。

また、ハーモニックフィルタ１０は、トランス２００と双方向コンバータ３０とを接続する入力電源ラインに分岐して設けられ、コンデンサ１１−１〜１１−３により構成されている。コンデンサ１１−１〜１１−３は、それぞれＲ相、Ｓ相及びＴ相の三相交流の入力電源ラインに接続され、その中性点は接地コンデンサ１２を介して接地されている。

このように構成された電力変換装置１００は、リアクター２０−１〜２０−３、ハーモニックフィルタ１０及び接地コンデンサ１２により、双方向コンバータ３０及びＰＷＭインバータ４０におけるスイッチング素子のオン／オフ動作に基づく高周波ノイズがトランス２００へ環流することを防止し、入力電源ラインのコモンモード電圧を低減している。

具体的には、ＡＣモータ３００からの接地電流は、ハーモニックフィルタ１０及び接地コンデンサ１２で構成する低インピーダンス回路を通って電力変換装置１００内部へ環流する。これにより、トランス２００への環流を防止している。

尚、図４に示した電力変換装置１００では、ハーモニックフィルタ１０の中性点が接地コンデンサ１２を介して接地されているが、特許文献１に示すように、ハーモニックフィルタ１０（特許文献１では高周波フィルタ）の中性点が直接接地される場合もある。

特開２００５−１６０２６３号公報

前述のように、図１に示した従来の電力変換装置１００では、ハーモニックフィルタ１０及び接地コンデンサ１２により、入力電源ラインのコモンモード電圧を低減することができる。しかしながら、電力変換装置１００がＡＣモータ３００を駆動する場合、双方向コンバータ３０におけるスイッチング素子のオン／オフ動作により、リアクター２０−１〜２０−３を発振源として、双方向コンバータ３０の入力電源ラインに設けられたハーモニックフィルタ１０、接地コンデンサ１２及びリアクター２０−１〜２０−３、さらにモータ浮遊容量３０１が閉ループを構成し、共振現象が発生する。

共振現象が発生すると、過大電流が流れ、双方向コンバータ３０の出力ラインであるバスラインと接地との間のコモンモード電圧が上昇する。そうすると、ＰＷＭインバータ４０が誤動作する可能性があり、また、ＡＣモータ３００の端子と接地と間の電圧が上昇し、ＡＣモータ３００の絶縁破壊を起こす可能性がある。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、共振現象を防止し、双方向コンバータにおけるバスラインのコモンモード電圧を低減可能な電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明による電力変換装置は、三相交流電源から、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の入力電源ラインに接続されたリアクターを介して三相交流電力を入力し、直流電力に変換する双方向コンバータと、前記直流電力を三相交流電力に変換し、負荷へ供給するＰＷＭインバータと、前記入力電源ラインに分岐してそれぞれ接続されたコンデンサから成り、該３個のコンデンサがＹ結線されたハーモニックフィルタと、前記ハーモニックフィルタの中性点に接続され、他端が接地された接地コンデンサと、前記双方向コンバータにより変換された直流電力の正極性及び負極性のバスラインに分岐してそれぞれ接続され、他端が前記ハーモニックフィルタの中性点に接続された第１のコンデンサ及び第２のコンデンサと、を備えたことを特徴とする。

第１のコンデンサ及び第２のコンデンサを備えたことにより、リアクター、ハーモニックフィルタ、接地コンデンサ、第１及び第２のコンデンサ、並びに負荷における浮遊容量により構成される共振回路において、全体のコンデンサ成分の容量が大きくなり、共振周波数が低くなる。これにより、共振周波数が、共振現象の発生原因である双方向コンバータによるチョッピング周波数よりも低くなると、チョッピング周波数の影響を受けなくなり、結果として共振現象の発生を防止することができ、双方向コンバータにおけるバスラインのコモンモード電圧を低減することができる。

また、本発明による電力変換装置は、さらに、アノード側が前記正極性のバスラインに分岐して接続され、カソード側が前記第１のコンデンサの一端に接続された第１のダイオードと、カソード側が前記負極性のバスラインに分岐して接続され、アノード側が前記第２のコンデンサの一端に接続された第２のダイオードとを備え、前記第１のコンデンサは、一端が第１のダイオードのカソード側に接続され、他端がハーモニックフィルタの中性点に接続され、前記第２のコンデンサは、一端が第２のダイオードのアノード側に接続され、他端がハーモニックフィルタの中性点に接続されたことを特徴とする。第１のダイオード及び第２のダイオードを備えたことにより、ダイオードの整流作用によって無効電流を一方向のみに制限することができる。ここで、無効電流とは、双方向コンバータ３０に入出力する三相交流電力のうち無効となる電流成分をいう。

また、本発明による電力変換器は、さらに、前記ＰＷＭインバータと負荷との間の電力ラインを共通に包囲するコモンモードチョークを備えたことを特徴とする。これにより、負荷側のインピーダンスが増加するから、負荷からの接地電流を抑制することができる

以上説明したように、本発明の電力変換装置によれば、共振現象を防止し、双方向コンバータにおけるバスラインのコモンモード電圧を低減することが可能となる。これにより、ＰＷＭインバータが誤動作することがなく、ＰＷＭインバータが駆動する外部機器の絶縁破壊を起こすこともない。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１の電力変換装置１−１を示す構成図であり、２つのコンデンサを用いることにより、共振現象の発生を防止し、コモンモード電圧を低減するものである。また、図２は、実施例２の電力変換装置１−２を示す構成図であり、実施例１に示す２つのコンデンサに加えて２つのダイオードを用いることにより、接地電流を抑制するものである。また、図３は、実施例３の電力変換装置１−３を示す構成図であり、実施例２に示す２つのコンデンサ及び２つのダイオードに加えてコモンモードチョークを用いることにより、さらに接地電流を抑制するものである。以下、実施例１〜３について詳細に説明する。

〔実施例１〕
まず、図１を参照して、実施例１の電力変換装置１−１について説明する。この電力変換装置１−１は、ハーモニックフィルタ１０、接地コンデンサ１２、リアクター２０−１〜２０−３、双方向コンバータ３０、ＰＷＭインバータ４０、及び共振現象の発生を防止するためのコンデンサ２，３を備えている。図４に示した従来の電力変換装置１００と実施例１の電力変換装置１−１とを比較すると、電力変換装置１−１が共振現象の発生を防止するためのコンデンサ２，３を備えている点で相違し、それ以外の構成は同一である。

双方向コンバータ３０は、半導体スイッチング素子、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備えるスイッチング回路であり、トランス２００からリアクター２０−１〜２０−３を介して、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の三相交流電力を入力し、三相交流電力を直流電力に変換し、ＰＷＭインバータ４０に出力する。この変換処理に際し、ＩＧＢＴのゲートに入力される制御信号（図示せず）により、ゲートがオン／オフ動作する。

ＰＷＭインバータ４０は、相対向する２対の半導体スイッチ素子、例えばＩＧＢＴの対を備えるインバータ回路であり、双方向コンバータ３０から直流電力を入力し、直流電力を高周波の三相交流電力に変換し、ＡＣモータ３００へ供給する。この変換処理に際し、スイッチング素子のゲートに入力される制御信号（図示せず）により、ゲートがオン／オフ動作する。ＡＣモータ３００は、ＰＷＭインバータ４０からの高周波の三相交流電力の供給により駆動する。

ハーモニックフィルタ１０は、図４に示したように、トランス２００と双方向コンバータ３０とを接続する入力電源ラインに分岐して設けられ、コンデンサ１１−１〜１１−３により構成されている。コンデンサ１１−１〜１１−３は、それぞれＲ相、Ｓ相及びＴ相の三相交流の入力電源ラインに接続され、その中性点は接地コンデンサ１２を介して接地されている。

ここで、ハーモニックフィルタ１０を構成するコンデンサ１１−１〜１１−３の中性点は、接地コンデンサ１２を介して接地されているが、仮想接地されているといえる。これは、図１に示すように、トランス２００及びハーモニックフィルタ１０が共にＹ結線されており、トランス２００の中性点が接地されていることから、トランス２００の中性点及びハーモニックフィルタ１０の中性点が同電位になるからである。

ハーモニックフィルタ１０及び接地コンデンサ１２は、図４を参照して説明したように、入力電源ラインのコモンモード電圧を低減している。

コンデンサ２は、一方の端子が双方向コンバータ３０のバスラインＰ（正極性のバスライン）に接続され、他方の端子がハーモニックフィルタ１０の中性点に接続されている。また、コンデンサ３は、一方の端子が双方向コンバータ３０のバスラインＮ（負極性のバスライン）に接続され、他方の端子がハーモニックフィルタ１０の中性点に接続されている。

つまり、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎは、コンデンサ２，３を介して仮想接地されている。したがって、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎのコモンモード電圧を低減することができる。

ここで、図４を参照して説明したように、共振現象は、双方向コンバータ３０におけるスイッチング素子のオン／オフ動作により、リアクター２０−１〜２０−３を発振源として、接地コンデンサ１２、ハーモニックフィルタ１０、リアクター２０−１〜２０−３及びモータ浮遊容量３０１が閉ループを構成することにより発生する。特に、共振周波数が双方向コンバータ３０のスイッチング素子によるオン／オフ動作の周波数（チョッピング周波数）と同一または数倍になると、共振が増長してしまう。

そこで、共振回路を構成する閉ループにコンデンサ２，３を挿入することにより、共振回路のコンデンサ成分の容量を大きくし、共振周波数を低く抑えるようにする。共振周波数ωは、Ｌをリアクターの容量、Ｃをコンデンサの容量とすると、ω＝１／√（ＬＣ）で表され、Ｃを大きくするとωが小さくなるからである。例えば、双方向コンバータ３０のスイッチング素子によるオン／オフ動作の周波数が５ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの場合は、１５μＦ程度の容量のコンデンサ２，３を挿入することにより、共振周波数を５ｋＨｚ以下に抑えるようにする。この場合、接地コンデンサ１２の容量は０．４７μＦ程度とする。このように、コンデンサ２，３を挿入して共振周波数を限りなく低く抑えることにより、共振現象の発生の原因である双方向コンバータ３０のオン／オフ動作であるチョッピングの影響を受けなくなるから、共振現象の発生を防止することができる。この場合、コンデンサ２，３の容量は、チョッピング周波数に影響を受けないような値、すなわち、共振周波数がチョッピング周波数よりも低くなるように決定される。

また、図４を参照して説明したように、接地コンデンサ１２は、入力電源ラインのコモンモード電圧を低減するために設けられている。実施例１では、コンデンサ２，３の他方の端子が、ハーモニックフィルタ１０の中性点に接続され、接地コンデンサ１２を介して接地されている。ここで、接地コンデンサ１２が存在しない場合は、コンデンサ２，３の他方の端子が直接接地されることになるから、大量の接地電流が流れてしまう。そこで、接地コンデンサ１２を設けることにより、コンデンサ１２を介して流れる接地電流を抑制することができ、ハーモニックフィルタ１０を介して電力変換装置１−１内部へ電流を環流させることができる。したがって、接地コンデンサ１２により、入力電源ラインのコモンモード電圧を低減することができる共に、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎからの接地電流を抑制することができる。

以上のように、実施例１の電力変換装置１−１によれば、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎにコンデンサ２，３を設けることにより、共振現象の発生を防止することができ、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎにおけるコモンモード電圧を低減することができる。また、接地コンデンサ１２により、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎからの接地電流を抑制することができる。

〔実施例２〕
次に、図２を参照して、実施例２の電力変換装置１−２について説明する。この電力変換装置１−２は、ハーモニックフィルタ１０、接地コンデンサ１２、リアクター２０−１〜２０−３、双方向コンバータ３０、ＰＷＭインバータ４０、共振現象の発生を防止するためのコンデンサ２，３、及び接地電流を抑制するためのダイオード４，５を備えている。図１に示した実施例１の電力変換装置１−１と実施例２の電力変換装置１−２とを比較すると、電力変換装置１−２が接地電流を抑制するためのダイオード４，５を備えている点で相違し、それ以外の構成は同一である。以下、図２において、図１と共通する部分には図１と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。

ダイオード４は、アノード側が双方向コンバータ３０のバスラインＰに接続され、カソード側がコンデンサ２に接続されている。また、ダイオード５は、カソード側が双方向コンバータ３０のバスラインＮに接続され、アノード側がコンデンサ３に接続されている。すなわち、２個のダイオード４，５は、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎの間に設けられた２個のコンデンサ２，３と直列に挿入され、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎは、ダイオード４，５及びコンデンサ２，３を介して、仮想接地されたハーモニックフィルタ１０の中性点に接続されている。

このように接続されたダイオード４，５の整流作用により、無効電流を一方向のみに制限し、無効電流の量を半分に抑制することができる。

以上のように、実施例２の電力変換装置１−２によれば、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎにダイオード４，５を設けることにより、無効電流を一方向のみに制限するようにした。これにより、実施例１の電力変換装置１−１に比べて、無効電流を抑制することができる。

〔実施例３〕
次に、図３を参照して、実施例３の電力変換装置１−３について説明する。この電力変換装置１−３は、ハーモニックフィルタ１０、接地コンデンサ１２、リアクター２０−１〜２０−３、双方向コンバータ３０、ＰＷＭインバータ４０、共振現象の発生を防止するためのコンデンサ２，３、双方向コンバータ３０のバスラインＰ，Ｎからの接地電流を抑制するためのダイオード４，５、及び、ＡＣモータ３００からの接地電流を抑制するためのコモンモードチョーク６を備えている。図２に示した実施例２の電力変換装置１−２と実施例３の電力変換装置１−３とを比較すると、電力変換装置１−３がＡＣモータ３００からの接地電流を抑制するためのコモンモードチョーク６を備えている点で相違し、それ以外の構成は同一である。以下、図３において、図２と共通する部分には図２と同一の符号を付し、その詳しい説明は省略する。

コモンモードチョーク６は、高磁性体例えば、アモルファス磁性体により筒型またはリング形に形成され、ＰＷＭインバータ４０とＡＣモータ３００との間のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各電力ラインを共通に包囲するように設けられている。

このように設けられたコモンモードチョーク６により、ＡＣモータ３００側のインピーダンスが増加するから、ＡＣモータ３００からの漏れ電流である接地電流を抑制することができる。

以上のように、実施例３の電力変換装置１−３によれば、ＰＷＭインバータ４０とＡＣモータ３００との間のＵ相、Ｖ相及びＷ相の各電力ラインを共通に包囲するようにコモンモードチョーク６を設けることにより、ＡＣモータ３００からの接地電流を制限するようにした。これにより、実施例１の電力変換装置１−１及び実施例２の電力変換装置１−２に比べて、接地電流をさらに抑制することができる。

以上、実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、上記実施例１〜３は、三相交流電動機であるＡＣモータ３００を駆動する場合に適用したが、本発明は、これに限定されることなく、その他の装置を駆動する場合にも適用することができる。

本発明の実施の形態による電力変換装置の第１実施例を示す構成図である。 本発明の実施の形態による電力変換装置の第２実施例を示す構成図である。 本発明の実施の形態による電力変換装置の第３実施例を示す構成図である。 従来の電力変換装置を示す構成図である。

符号の説明

１，１００ 電力変換装置
２，３，１１，１２，３０１ コンデンサ
４，５ ダイオード
６ コモンモードチョーク
１０ ハーモニックフィルタ
２０ リアクター
３０ 双方向コンバータ
４０ ＰＷＭインバータ
２００ トランス
３００ ＡＣモータ

Claims (3)

1. 三相交流電源から、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の入力電源ラインに接続されたリアクターを介して三相交流電力を入力し、直流電力に変換する双方向コンバータと、
   前記直流電力を三相交流電力に変換し、負荷へ供給するＰＷＭインバータと、
   前記入力電源ラインに分岐してそれぞれ接続されたコンデンサから成り、該３個のコンデンサがＹ結線されたハーモニックフィルタと、
   前記ハーモニックフィルタの中性点に接続され、他端が接地された接地コンデンサと、
   前記双方向コンバータにより変換された直流電力の正極性及び負極性のバスラインに分岐してそれぞれ接続され、他端が前記ハーモニックフィルタの中性点に接続された第１のコンデンサ及び第２のコンデンサと、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   さらに、アノード側が前記正極性のバスラインに分岐して接続され、カソード側が前記第１のコンデンサの一端に接続された第１のダイオードと、
   カソード側が前記負極性のバスラインに分岐して接続され、アノード側が前記第２のコンデンサの一端に接続された第２のダイオードとを備え、
   前記第１のコンデンサは、一端が第１のダイオードのカソード側に接続され、他端がハーモニックフィルタの中性点に接続され、
   前記第２のコンデンサは、一端が第２のダイオードのアノード側に接続され、他端がハーモニックフィルタの中性点に接続されたことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換器において、
   さらに、前記ＰＷＭインバータと負荷との間の電力ラインを共通に包囲するコモンモードチョークを備えたことを特徴とする電力変換装置。

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