JP3742636B2 - サージ電圧抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機をインバータでＰＷＭ制御するとき電動機に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置に関する。

電動機をインバータによりＰＷＭ（パルス幅変調）制御して駆動制御する場合、ＰＷＭ制御のパワートランジスタ等のスイッチング素子のスイッチングにより、直流電圧から交流電圧を発生させて電動機の各相巻線に印加して電動機を駆動制御するものである。
このような電動機をＰＷＭ制御する場合、直流電圧をスイッチング素子でＯＮ／ＯＦＦ制御することから、電動機を接続する動力線が長い場合、この動力線が有するインダクタンスが大きくなって、電動機内の３相巻線間や３相巻線とグランド間にサージ電圧が発生する。このサージ電圧によって、電動機内の３相巻線間や３相巻線とグランド間の絶縁が劣化するという問題がある。

このサージ電圧による絶縁劣化を防止する方法として、従来、インバータと電動機の間にリアクトルとコンデンサで構成されたフィルタを設け、このサージ電圧を除去する方法がとられている。
また、電動機の３相巻線への動力線に３相ダイオードブリッジを接続し、該３相ダイオードブリッジの出力にコンデンサと抵抗を並列に接続して、該コンデンサにインバータ出力電圧の最大値に充電され多状態とする。そして、サージ電圧が発生すると、３相ダイオードブリッジを介してコンデンサでこのサージのエネルギーを吸収し、またこの吸収されたエネルギーは、コンデンサと並列に接続された抵抗、または、インバータの正負直流母線端子に接続されたリアクトル等によって消費するように構成したものが知られている（特許文献１参照）。

特開平８−２３６８２号公報

リアクトルとコンデンサを用いたフィルタでサージ電圧を抑制する方法では、フィルタ装置の設置に必要なスペースを大きくとる必要があり、高コストとなるという問題がある。
また、３相ダイオードブリッジを介してサージ電圧をコンデンサに吸収する特許文献１に記載された方法では、抵抗に常に電流が流れ、無駄にエネルギー消費するという問題がある。
そこで、本発明の目的は、無駄なエネルギーの消費をなくし、コンパクトで、サージエネルギーのみを吸収するサージ電圧抑制装置を提供することにある。

本発明は、ＰＷＭ制御のインバータで駆動される電動機に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置であって、所定の電圧以上になると電流が流れ電圧をクランプする特徴を持った半導体サージ吸収素子を、電動機の動力線に接続することで、電動機の相間や相とグランド間に発生するサージ電圧を抑制するようにしたものである。より具体的には、前記半導体サージ吸収素子を、電動機の動力線の相間及び各相とグランド間に接続してサージ電圧抑制装置を構成する。または、前記半導体サージ吸収素子を、電動機の動力線の相間または各相とグランド間に接続してサージ電圧抑制装置を構成する。さらには、電動機の各相の動力線に、前記半導体サージ吸収素子の一方の端子をそれぞれ接続し、他方の端子を、一方の端子がグランド間に接続された半導体サージ吸収素子の他方の端子と接続してサージ電圧抑制装置を構成する。

又、電動機の動力線の各相を３相全波整流回路に接続し、該全波整流回路の正端子と負端子間、正端子とグランド間及び負端子とグランド間に前記半導体サージ吸収素子を接続してサージ電圧抑制装置を構成する。または、電動機の動力線の各相を３相全波整流回路に接続し、該全波整流回路の正端子と負端子間に、前記半導体サージ吸収素子を接続するか、もしくは、正端子とグランド間及び負端子とグランド間に前記半導体サージ吸収素子を接続してサージ電圧抑制装置を構成する。
この半導体サージ吸収素子をプリント基板に実装し、そのプリント基板を密閉構造の筐体に収納するように構成し、半導体サージ吸収素子やプリント基板に切粉や切削油が付着することを防止する。さらには、この筐体を電動機に付属した端子箱と共用するようにする。

簡単な構成で設置スペースも少なく、確実にサージエネルギーを吸収し、電動機の各相間及び各相とグランド間の絶縁劣化を防止することができる。

図１は本発明の第１の実施形態の要部ブロック図である。
符号１は直流電圧をＰＷＭ制御により交流電圧に変換するインバータであり、従来から公知のものである。パワートランジスタ等のスイッチング素子ＱとダイオードＤを並列に接続した組みが、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相毎に直流電源の正、負端子間に直列に接続されている。該インバータ１からの各相の出力は、スイッチング素子ＱとダイオードＤを並列に接続した組みの直列接続点から取り出され、各動力線４ｕ，４ｖ，４ｗを介してモータ２のＵ，Ｖ，Ｗ相の各巻線にそれぞれ接続される。なお、インバータ１内の符号Ｃは、直流電源のコンデンサである。

そして、所定の電圧以上になると電流が流れ電圧をクランプする特徴を持った半導体サージ吸収素子３（３ａ〜３ｆ）が、各相間及び各相とグランド間に接続されている。即ち、Ｕ相の動力線４ｕとＶ相の動力線４ｖ間には半導体サージ吸収素子３ａが、Ｖ相の動力線４ｖとＷ相の動力線４ｗ間には半導体サージ吸収素子３ｂが、Ｕ相の動力線４ｕとＷ相の動力線４ｗ間には半導体サージ吸収素子３ｃが接続されている。又、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各動力線４ｕ，４ｖ，４ｗとグランド間には半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｆがそれぞれ接続されている。

この半導体サージ吸収素子３は、半導体サージ吸収素子要素を複数直列に接続して所望するクランプ電圧を得るようにできるもので、例えば、電動機の耐圧電圧が１０００Ｖであるような場合、半導体サージ吸収素子要素を複数直列に接続してクランプ電圧を１０００Ｖ未満の、例えば７００Ｖにするように調整することができるものである。

ＰＷＭ信号に基づいてスイッチング素子Ｑがスイッチング動作して電動機２を駆動するが、このスイッチング動作によって発生するサージ電圧により、半導体サージ吸収素子３の両端間の電圧が予め設定されているクランプ電圧以上になると、この半導体サージ吸収素子３が導通して電流が流れ、動力線４の電圧を設定されている所望の電圧にクランプして、サージ電圧を吸収する。
例えば、Ｕ相とＶ相の動力線４ｕ，４ｖ間の電圧がサージ電圧により半導体サージ吸収素子３ａに設定されているクランプ電圧（例えば７００Ｖ）以上となると、該半導体サージ吸収素子３ａが導通し電流を流すことから、動力線４ｕ，４ｖ間の電圧がクランプ電圧を越えることなく、Ｕ相とＶ相の巻線間の絶縁劣化を防止することができる。
同様に、Ｖ相とＷ相間、Ｕ相とＷ相間の電圧がサージ電圧によって半導体サージ吸収素子３ｂ，３ｃのクランプ電圧を越えるとそれぞれの半導体サージ吸収素子３ｂ，３ｃが導通し、電流を流しサージ電圧を吸収する。また、各相とグランド間の電圧が半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｆに設定されているクランプ電圧を越えると、それぞれの半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｆが導通して電流を流すことによって、サージ電圧を吸収するので、サージ電圧による各相間の絶縁劣化、各相とグランド間の絶縁劣化を防止することができる。
しかも、各半導体サージ吸収素子３（３ａ〜３ｆ）は、その両端子間の電圧がスイッチング素子Ｑのスイッチング動作等により生じたサージエネルギーのみを消費するものであるから、無駄な消費はなく、効率的である。

図２は、本発明の第２の実施形態の要部ブロック図である。
この第２の実施形態は、図１で示した第１の実施形態における各相の動力線４ｕ，４ｖ，４ｗ間に設けた半導体サージ吸収素子３ａ，３ｂ，３ｃをなくし、各相の動力線４ｕ，４ｖ，４ｗとグランド間のみに半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｆを設けたものである。各相の動力線４ｕ，４ｖ，４ｗとグランド間の電圧が各半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｃｆのクランプ電圧以上になったとき、各半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｆが導通してサージ電圧を吸収するものである。

図３は、本発明の第３の実施形態の要部ブロック図である。
この第３の実施形態は、図１で示した第１の実施形態における各相の動力線４ｕ，４ｖ，４ｗとグランド間に設けた半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｆをなくし、各相の動力線４ｕ，４ｖ，４ｗ間のみに半導体サージ吸収素子３ａ，３ｂ，３ｃを設けたものである。各相間でサージ電圧により電圧がクランプ電圧以上になったとき、半導体サージ吸収素子３ａ，３ｂ，３ｃが導通し、サージ電圧を吸収するものである。

上述した第１〜第３の実施形態は、電動機の仕様や性質等に応じて用いるものであり、必要に応じていずれかの形態を用いるようにする。

図４は、本発明の第４の実施形態の要部ブロック図である。
この第４の実施形態は、半導体サージ吸収素子３の数を少なくし、図１に示した第１の実施形態と同一の機能を達成するようにしたものである。この第４の実施形態では、インバータ１の各相出力と電動機の各相巻線を接続する各相の動力線４ｕ，４ｖ，４ｗに半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｆの一方の端子が接続され、他方の端子には、一方の端子がグランドに接続された半導体サージ吸収素子３ｇの他方の端子と接続されている。その結果、Ｕ相の動力線４ｕは、２つの半導体サージ吸収素子３ｄと３ｇの直列回路を介してグランドに接続されている。同様に、Ｖ相の動力線４ｖは、２つの半導体サージ吸収素子３ｅと３ｇの直列回路を介して、Ｗ相の動力線４ｗは、２つの半導体サージ吸収素子３ｆと３ｇの直列回路を介してグランドに接続されている。
また、Ｕ相とＶ相の動力線４ｕ、４ｖ間は、半導体サージ吸収素子３ｄと３ｅを介して接続され、Ｖ相とＷ相の動力線４ｖ、４ｗ間は、半導体サージ吸収素子３ｅと３ｆを介して接続され、Ｕ相とＷ相の動力線４ｕ、４ｗ間は、半導体サージ吸収素子３ｄと３ｆを介して接続されている。

例えば、各相間のクランプ電圧及び各相とグランド間のクランプ電圧を７００Ｖとすると、図１に示した各半導体サージ吸収素子３ａ〜３ｆは、全てクランプ電圧が７００Ｖになるように半導体サージ吸収素子要素を複数接続する必要がある。
一方、図４に示した第４の実施形態で上述した台１の実施形態の例と同一の機能を達成するには、各半導体サージ吸収素子３ｄ〜３ｇのクランプ電圧は３５０Ｖでよい。即ち、Ｕ−Ｖ相間は半導体サージ吸収素子３ｄと３ｅを介して接続されることになるから、クランプ電圧は７００Ｖ、同様にＶ−Ｗ相間、Ｕ−Ｗ相間も半導体サージ吸収素子３ｅと３ｆ、半導体サージ吸収素子３ｄと３ｆを介して接続されることになるからこれらの各相間の電圧は７００Ｖにクランプされることになる。
また、各相の動力線４ｕ，４ｖ，４ｗは、それぞれ半導体サージ吸収素子３ｄ，３ｅ，３ｆと半導体サージ吸収素子３ｇを介してグランドに接続されることになるから、各相もグランドに対して７００Ｖにクランプされ、サージ電圧はこれら半導体サージ吸収素子３ｄ〜３ｇを介して吸収されることになる。

この図４に示す第４の実施形態と図１に示す第１の実施形態を比較してもあきらかのように、半導体サージ吸収素子３の数が６から４個へと第４の実施形態の方が少なくなっている。さらに、第４の実施形態の各半導体サージ吸収素子３ｄ〜３ｇは個々のクランプ電圧が、図１に示した第１の実施形態の半導体サージ吸収素子３と比較して１／２ですむことから、半導体サージ吸収素子３を構成する半導体サージ吸収素子要素の数を少なくしてすみ、全体として、半導体サージ吸収素子要素の数が少なくなり、安価に構成することができる。

図５は、本発明の第５の実施形態の要部ブロック図である。
この第５の実施形態は、３相全波整流回路５を介して電圧を検出しサージ電圧を吸収するようにしたものである。
３相全波整流回路５の入力端子は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の動力線にそれぞれ接続され、出力端子間は、半導体サージ吸収素子３ｈで接続されると共に、該３相全波整流回路５のプラス側出力端子は半導体サージ吸収素子３ｊを介してグランドに接続されている。また３相全波整流回路５のマイナス端子は半導体サージ吸収素子３ｉを介してグランドに接続されている。なお、３相全波整流回路５における符号Ｄは、この３相全波整流回路５を構成するダイオードである。

サージ電圧が発生せず、通常の場合には、３相全波整流回路５で整流された直流電圧は各半導体サージ吸収素子３ｈ，３ｉ，３ｊのクランプ電圧を越えず、各半導体サージ吸収素子３ｈ，３ｉ，３ｊは導通しない。
一方、サージ電圧により、相間電圧が半導体サージ吸収素子３ｈのクランプ電圧を越えると、半導体サージ吸収素子３ｈが導通しこのサージ電圧を吸収する。また、グランドに対してプラスのサージ電圧が発生して半導体サージ吸収素子３ｊのクランプ電圧を越えると、該半導体サージ吸収素子３ｊが導通しこのサージ電圧を吸収する。同様に、グランドに対してマイナスのサージ電圧が発生して半導体サージ吸収素子３ｉのクランプ電圧を越えると、該半導体サージ吸収素子３ｉが導通しこのサージ電圧を吸収する。

図６は、本発明の第６の実施形態であり、この第６の実施形態は、図５に示した第５の実施形態において、３相全波整流回路５の出力端子間に接続され、相間電圧をクランプする半導体サージ吸収素子３ｈを設けないものであり、他は図５の第５の実施形態と同一であり、作用も３相全波整流回路５の出力端子間の半導体サージ吸収素子３ｈの作用がないだけで、他は第５の実施形態と同一である。

図７は、本発明の第７の実施形態であり、この第７の実施形態は、図５に示した第５の実施形態において、３相全波整流回路５の出力端子とグランド間の半導体サージ吸収素子３ｉ，３ｊをなくしたものである。作用は第５の実施形態で説明した３相全波整流回路５の出力端子間の半導体サージ吸収素子３ｈの作用と同一である。

この第５〜第７に示した各実施形態も、モータの仕様等によって選択的に適用するものである。

図８は、上述した各実施形態において、半導体サージ吸収素子３の実装形態の例の説明図である。図８（ａ）は筐体１３の天板を取り除いたときの平面図、図８（ｂ）は、同側板を取り除いた側面図である。
半導体サージ吸収素子３はプリント基板１０に実装され、該プリント基板１０は密閉構造の筐体１３に収納されている。動力線のケーブル１１は接続具１４を介してこの筐体１３に取り付けられ、接続具１４の部分からＵ，Ｖ，Ｗ相の動力線４ｕ，４ｖ，４ｗ及びグランド線４ｇが取り出され、プリント基板１０に設けられたねじ１２によってプリント基板１０にねじ止めされて、各半導体サージ吸収素子３と電気的に接続されるようになっている。

筐体１３は、この実施形態では密閉構造としている。それは、このインバータや電動機が工作機械等の駆動として用いられ、周囲環境がよくない場所に配置されることから、工作機械による加工によって生じた切粉や切削油等がプリント基板１０や半導体サージ吸収素子３等に付着しないようにするためである。使用する周囲環境が良好な場所であれば、必ずしも密閉構造でこの筐体を構成する必要はない。

図９は、この半導体サージ吸収素子３を実装プリント基板１０を収容する筐体１３を電動機２に付属する端子箱と共用したものである。電動機２には、該電動機の巻線と動力線４ｕ，４ｖ，４ｗを接続する端子を収容する端子箱が設けられており、この端子箱を半導体サージ吸収素子３を実相したプリント基板１０を収納する筐体１３とし、共用するものである。

本発明の第１の実施形態の要部ブロック図である。 本発明の第２の実施形態の要部ブロック図である。 本発明の第３の実施形態の要部ブロック図である。 本発明の第４の実施形態の要部ブロック図である。 本発明の第５の実施形態の要部ブロック図である。 本発明の第６の実施形態の要部ブロック図である。 本発明の第７の実施形態の要部ブロック図である。 各実施形態における半導体サージ吸収素子の実装形態の例の説明図である。 各実施形態における半導体サージ吸収素子の実装形態の別の例の説明図である。

符号の説明

１ インバータ
２ 電動機
３ 半導体サージ吸収素子
４ 動力線
５ ３相全波整流回路
１０ プリント基板
１１ ケーブル
１２ ねじ
１３ 筐体

Claims (8)

1. ＰＷＭ制御のインバータで駆動される電動機に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置であって、所定の電圧以上になると電流が流れ電圧をクランプする特徴を持った半導体サージ吸収素子を、電動機の動力線に接続することで、電動機の相間や相とグランド間に発生するサージ電圧を抑制することを特徴とするサージ電圧抑制装置。
2. ＰＷＭ制御のインバータで駆動される電動機に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置であって、所定の電圧以上になると電流が流れ電圧をクランプする特徴を持った半導体サージ吸収素子を、電動機の動力線の相間及び各相とグランド間に接続したことを特徴とするサージ電圧抑制装置。
3. ＰＷＭ制御のインバータで駆動される電動機に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置であって、所定の電圧以上になると電流が流れ電圧をクランプする特徴を持った半導体サージ吸収素子を、電動機の動力線の相間または各相とグランド間に接続したことを特徴とするサージ電圧抑制装置。
4. ＰＷＭ制御のインバータで駆動される電動機に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置であって、電動機の各相の動力線に、所定の電圧以上になると電流が流れ電圧をクランプする特徴を持った半導体サージ吸収素子の一方の端子をそれぞれ接続し、他方の端子を、一方の端子がグランド間に接続された半導体サージ吸収素子の他方の端子と接続したことを特徴とするサージ電圧抑制装置。
5. ＰＷＭ制御のインバータで駆動される電動機に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置であって、電動機の動力線の各相を３相全波整流回路に接続し、該全波整流回路の正端子と負端子間、正端子とグランド間及び負端子とグランド間に、所定の電圧以上になると電流が流れ電圧をクランプする特徴を持った半導体サージ吸収素子を接続したことを特徴とするサージ電圧抑制装置。
6. ＰＷＭ制御のインバータで駆動される電動機に発生するサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制装置であって、電動機の動力線の各相を３相全波整流回路に接続し、該全波整流回路の正端子と負端子間に、所定の電圧以上になると電流が流れ電圧をクランプする特徴を持った半導体サージ吸収素子を接続するか、もしくは、正端子とグランド間及び負端子とグランド間に前記半導体サージ吸収素子を接続したことを特徴とするサージ電圧抑制装置。
7. 前記半導体サージ吸収素子をプリント基板に実装し、そのプリント基板を密閉構造の筐体に収納されている請求項１乃至６の内いずれか１項に記載のサージ電圧抑制装置。
8. 前記密閉構造の筐体を電動機に付属した端子箱と共用する請求項７に記載のサージ電圧抑制装置。
   

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