JP2020150572A - クランプ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置のクランプ回路の製造コストを低減すると共に過電圧抑制効果の向上を図る。【解決手段】電力変換装置１において、インバータ３はモータ２（負荷）に接続される。クランプ回路５はインバータ３の出力線８と接地４とに接続される。クランプ回路５において、ダイオードブリッジ回路６は出力線８に接続される。第一コンデンサＣ１はダイオードブリッジ回路６の直流電圧回路の正極に接続される。第一抵抗Ｒ１は第一コンデンサＣ１と並列に前記正極に接続される。第二コンデンサＣ２は前記直流電圧回路の負極に接続される。第二抵抗Ｒ２は第二コンデンサＣ２と並列に前記負極に接続される。クランプ回路５において、第一コンデンサＣ１、第一抵抗Ｒ１、第二コンデンサＣ２及び第二抵抗Ｒ２の共通接続点は、接地４と接続される。第二コンデンサＣ２は第一コンデンサＣ１と同容量である。第二抵抗Ｒ２は、第一抵抗Ｒ１と同抵抗値である。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置のクランプ回路において、インバータの出力部と接地との間で発生する過電圧の抑制技術に関する。

モータなどの負荷とインバータを接続するシステムでは、インバータ内のスイッチング素子のスイッチング動作によってインバータ出力部（すなわち負荷接続部）と接地との間にサージ電圧などの過電圧が発生することがある。この過電圧に起因する負荷の劣化や破壊を防止するため、インバータ出力部と接地間にクランプ回路を設けることにより、インバータ出力部（すなわち負荷接続部）と接地間の過電圧を抑制する対策が採られている（例えば、特許文献１，２）。

特許文献１の過電圧抑制装置は、インバータ出力線と接地との間をダイオードブリッジ回路でクランプする。そして、ダイオードブリッジ回路の直流電圧回路に接続したコンデンサにより過電圧のエネルギーを吸収し、コンデンサと並列に接続した抵抗により吸収したエネルギーを消費することで、接地間電圧を抑制する。

また、特許文献２のサージ電圧抑制装置は、インバータ出力線を三相のダイオードブリッジ回路で接続する。そして、このダイオードブリッジ回路の直流電圧回路をインバータ内部の直流電圧回路に接続し、さらに、このダイオードブリッジ回路と並列に中性点を接地に接続したダイオードブリッジ回路を接続し、対地電圧回路をインバータの直流電圧にクランプする。

特開２００５−２６９７２６号公報 特許６２９９９１５号公報

特許文献１の過電圧抑制装置は、インバータ出力相ごとにダイオードブリッジ回路を接続する必要があり、回路部品が多くなり、クランプ回路およびシステムが大型化、高コスト化する。また、クランプされる電圧がインバータ回路の直流電圧になるため、過電圧のエネルギーを吸収できる量が少なく、過電圧抑制効果が弱い。エネルギー吸収量を大きくしようとするとクランプ回路のコンデンサの容量値が大きくなるため、コンデンサおよびクランプ回路が大型化する。

特許文献２のサージ電圧抑制装置は、クランプ回路の直流電圧回路部をインバータ内部の直流電圧回路に接続する必要がある。クランプ回路の三相入力部は、モータの入力端子部などの、過電圧を抑制したい箇所に接続する必要がある。そのため、インバータとモータとの距離が離れている場合には、インバータ内部とクランプ回路を接続するための電線が、その距離に合わせて必要となる。距離の長い電線を用いることは、電線付線作業の工数増大につながる。また、インバータ内部の直流電圧回路のコンデンサは充電エネルギーが比較的大きいので、クランプ回路の直流電圧回路が短絡した場合、非常に大きな短絡電流がインバータとクランプ回路とに流れ、インバータやクランプ回路に甚大な破損を引き起こすおそれがある。

本発明は、上記の事情を鑑み、電力変換装置のクランプ回路の製造コストを低減すると共に過電圧抑制効果の向上を図ることを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、負荷に接続されるインバータを備えた電力変換装置のクランプ回路であって、前記インバータの出力線に接続されるダイオードブリッジ回路と、このダイオードブリッジ回路の直流電圧回路の正極に接続される第一コンデンサと、この第一コンデンサと並列に前記正極に接続される第一抵抗と、前記直流電圧回路の負極に接続される第二コンデンサと、この第二コンデンサと並列に前記負極に接続される第二抵抗とを備え、前記第一コンデンサ、前記第一抵抗、前記第二コンデンサ及び前記第二抵抗の共通接続点は、接地と接続され、前記第二コンデンサは、前記第一コンデンサと同容量であり、前記第二抵抗は、前記第一抵抗と同抵抗値である。

本発明の一態様は、前記クランプ回路において、前記共通接続点と前記接地との間に接続される第三抵抗をさらに備える。

本発明の一態様は、前記クランプ回路において、前記第三抵抗の抵抗値は可変である。

以上の本発明によれば、電力変換装置のクランプ回路の製造コストが低減すると共に過電圧抑制効果の向上が図れる。

本発明の一実施形態である電力変換装置の回路図。 前記実施形態における正の電圧側によるクランプ回路の動作説明図。 前記実施形態における負の電圧側によるクランプ回路の動作説明図。 前記クランプ回路を備えていない場合の対地電圧の波形図。 前記クランプ回路を備えた場合の対地電圧の波形図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１に示された本発明の一実施形態としての電力変換装置１は、モータ２に接続されるインバータ３と、このインバータ３の出力線８と接地４とに接続されるクランプ回路５を有する。また、モータ２は接地４と接続している。

（電力変換装置１の各機能部の態様例）
インバータ３は、インバータ直流電圧回路７に接続される三相のＰＷＭインバータであって、三相の出力線８を介してモータ２に接続されている。尚、モータ２は負荷の一態様であり、本発明の負荷はモータ２に限定されるものではない。

クランプ回路５は、出力線８に接続される三相のダイオードブリッジ回路６を備える。ダイオードブリッジ回路６としては、電力変換技術に採用されている周知の三相のダイオードブリッジ回路を適用すればよい。

ダイオードブリッジ回路６の直流電圧回路には、サージ電圧のエネルギーを吸収するためのコンデンサとして、第一コンデンサＣ１及び第二コンデンサＣ２が接続されている。

第一コンデンサＣ１は前記直流電圧回路の正極Ｐに接続されている。一方、第二コンデンサＣ２は前記直流電圧回路の負極Ｎに接続されている。尚、第二コンデンサＣ２は第一コンデンサＣ１と同容量のものが適用されている。

さらに、前記直流電圧回路には、サージ電圧のエネルギーを消費するための抵抗として、第一抵抗Ｒ１，第二抵抗Ｒ２が接続されている。第一抵抗Ｒ１は、第一コンデンサＣ１と並列に正極Ｐに接続される。一方、第二抵抗Ｒ２は、第二コンデンサＣ２と並列に負極Ｎに接続される。尚、第二抵抗Ｒ２は第一抵抗Ｒ１と同抵抗値のものが適用されている。

クランプ回路５は、漏れ電流を抑制する第三抵抗Ｒ３を介して接地４に接続される。

第三抵抗Ｒ３は、クランプ回路５における第一コンデンサＣ１、第一抵抗Ｒ１、第二コンデンサＣ２及び第二抵抗Ｒ２の共通接続点と接地４との間に接続される。第三抵抗Ｒ３としては、抵抗値が可変である仕様のものを適用すると、抑制したい対地電圧の周波数成分の調整が可能となる。

尚、第三抵抗Ｒ３は、クランプ回路５において、必須要素ではないので、モータ２やインバータ３の仕様や用途に応じて適宜に備えればよい。

（クランプ回路５の動作例）
以下、図２，３を参照してクランプ回路５の動作例について説明する。

（１）正側の対地電圧の抑制動作について
図２のインバータ３の出力線８とこれに接続されたモータ２の巻線（以下、出力部）と接地４との間に正側の過電圧が生じると、インバータ３から出力される三相の電圧のうち最大の正側の対地電圧を生じる相と接地４との間で以下のクランプ動作が行われる。

図２には、インバータ３の出力側のＵ相が最も大きな正側の過電圧となった場合の黒矢印で示した電流経路の事例が示されている。クランプ回路５においては、前記過電圧のエネルギーが、第一コンデンサＣ１に吸収され、さらに、第一抵抗Ｒ１により消費されるので、前記出力部と接地４との間に発生する正側の過電圧が抑制される。

そして、最も大きな正側の電圧を発生している相が入れ替わった場合、クランプされる相が自動的に切り替わり、その相と接地４との間の電圧が抑制される。

以上のように、本態様のクランプ回路５によれば、負荷（モータ２）の三相各々の接続点と接地４との間の正側の電圧を所定の電圧以下に抑制できる。特に、第一コンデンサＣ１、第二コンデンサＣ２、第一抵抗Ｒ１及び第二抵抗Ｒ２の配置構成により、正側の過電圧の吸収及び消費のための回路が一相分だけで構成できる。

（２）負側の対地電圧の抑制動作について
図３に示されたインバータ３の出力部と接地４との間に負側の過電圧が生じると、インバータ３から出力される三相の電圧のうち最大の負側の対地電圧を生じる相と接地４との間で以下のクランプ動作が行われる。

図３には、インバータ３の出力側のＵ相が最も大きな負側の過電圧となった場合の白矢印で示した電流経路の事例が示されている。本事例においても、前記過電圧のエネルギーが、第二コンデンサＣ２により吸収され、さらに、第二抵抗Ｒ２により消費されるので、前記出力部と接地４との間に発生する負側の過電圧が抑制される。

そして、最も大きな負側の電圧を発生している相が入れ替わった場合、クランプされる相が自動的に切り替わり、その相と接地４との間の電圧が抑制される。

以上のように、本態様のクランプ回路５によれば、負荷（モータ２）の三相各々の接続点と接地４との間の負側の電圧の絶対値を所定の電圧以下に抑制できる。特に、第一コンデンサＣ１、第二コンデンサＣ２、第一抵抗Ｒ１及び第二抵抗Ｒ２の配置構成により、負側の過電圧の吸収及び消費のための回路が一相分だけで構成できる。

（対地電圧の抑制効果のシミュレーション結果）
クランプ回路５による対地電圧の抑制効果のシミュレーション結果について説明する。

図４はクランプ回路５を備えていない場合のインバータ３の出力部の対地電圧の波形を示す。図５はクランプ回路５を備えた場合のインバータ３の出力部の対地電圧の波形を示す。図４と図５の波形の比較から明らかなように、対地電圧の最大値が２０２１Ｖから１４３８Ｖに低減しているので、クランプ回路５により対地電圧が大きく改善することが確認できる。

（本実施形態の効果）
以上のクランプ回路５によれば、三相のダイオードブリッジ回路である単一のダイオードブリッジ回路のみで対応できるので、単相ダイオードブリッジ回路を三つ要する従来技術（特許文献１）と比べてダイオードブリッジ回路の点数（実装数）が削減される。したがって、クランプ回路とこれを備えた装置システムの小形化及び低コスト化が実現する。また、正側及び負側で電圧をクランプできるので、ダイオードブリッジ回路の直流電圧が、インバータ回路が出力する三相の電圧のうち最大の正側の対地電圧と負側の対地電圧を合計した電圧となる。したがって、上記の従来技術と比較して過電圧エネルギーの吸収量が多くなる（但し、本発明の第一コンデンサＣ１または第二コンデンサＣ２の容量値と特許文献１のクランプ回路のコンデンサが同容量値の場合）。よって、過電圧抑制の効果が高まり、システムの信頼性が向上する。

さらに、クランプ回路５はインバータ３の直流電圧回路と接続させずにインバータ３と接地４との間の過電圧を抑制できる。したがって、特許文献２のような従来技術と比べても、クランプ回路５を設置する際の設置位置の選択に自由度が高まる。

また、特許文献２のような電力変換装置においては、インバータがモータから離される一方でクランプ回路がモータの近辺に配置される場合、両者を接続する電線が長くなり、付線作業に多大な工数を要する。

これに対して、本態様の電力変換装置１においては、クランプ回路５とインバータ３の直流電圧回路を接続する電線が不要であるので、クランプ回路用電線の付線作業が必要でなくなり、上記の配置の条件での製造工数が低減する。

さらに、クランプ回路５は容量の大きいコンデンサを備えるインバータ３の直流電圧回路に接続されないので、クランプ回路５の直流電圧回路に短絡故障時が発生しても、事故電流を低減でき、インバータ３やクランプ回路５の部品、配線などの損傷を抑制できる。

以上のように、本実施形態のクランプ回路５によれば、電力変換装置のクランプ回路の製造コストが低減すると共に過電圧抑制効果の向上が図れる。特に、インバータ３の出力側の各相での正方向の最大電圧及び負方向の最大電圧がクランプ回路５の動作により吸収され、負荷であるモータの対地間の過電圧が抑制される。また、クランプ回路５は一台のみで対応できるので、電力変換装置１の装置システムの小型化及び低コスト化が図られる。

さらに、クランプ回路５は、第三抵抗Ｒ３を介して接地４に接続されることにより、漏れ電流が抑制される。特に、抵抗値が可変である第三抵抗Ｒ３が適用されると、抑制したい対地電圧に対して任意に対応できる。

１…電力変換装置
２…モータ
３…インバータ
４…接地
５…クランプ回路
６…ダイオードブリッジ回路
７…インバータ直流電圧回路
８…出力線
Ｒ１…第一抵抗、Ｒ２…第二抵抗、Ｒ３…第三抵抗
Ｃ１…第一コンデンサ、Ｃ２…第二コンデンサ

Claims (3)

1. 負荷に接続されるインバータを備えた電力変換装置のクランプ回路であって、
   前記インバータの出力線に接続されるダイオードブリッジ回路と、
   このダイオードブリッジ回路の直流電圧回路の正極に接続される第一コンデンサと、
   この第一コンデンサと並列に前記正極に接続される第一抵抗と、
   前記直流電圧回路の負極に接続される第二コンデンサと、
   この第二コンデンサと並列に前記負極に接続される第二抵抗と
   を備え、
   前記第一コンデンサ、前記第一抵抗、前記第二コンデンサ及び前記第二抵抗の共通接続点は、接地と接続され、
   前記第二コンデンサは、前記第一コンデンサと同容量であり、
   前記第二抵抗は、前記第一抵抗と同抵抗値であること
   を特徴とするクランプ回路。
2. 前記共通接続点と前記接地との間に接続される第三抵抗をさらに備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載のクランプ回路。
3. 前記第三抵抗の抵抗値は可変であることを特徴とする請求項２に記載のクランプ回路。

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