JP6818967B1 - 交流電動機駆動システム - Google Patents

Abstract

交流電源（１）に接続されて交流電源側と負荷側とを絶縁する電源トランス（２）と、交流電動機（４）と、電源トランス（２）から出力される交流電圧を出力交流電圧に変換して交流電動機（４）に出力する電力変換器（３）とを有し、かつ、一端が電源トランス（２）の負荷側に接続され他端が接地された容量成分（１５）を備える。

Description

本願は、交流電動機駆動システムに関するものである。

交流電動機を可変速運転する場合、一般的には電力系統などの三相交流電源から電源トランスを介して商用周波数の入力電圧を受電し、電力変換器で任意出力電圧、出力周波数に変換する。

電力変換器の出力電圧の三相出力電圧の合成は、零とならず出力電圧はコモンモード成分を含む。このコモンモード電圧が交流電動機の浮遊容量に印加され中性点電圧となり、その一部が軸受間の絶縁潤滑材に印加される軸電圧となる。この軸電圧が軸受の絶縁破壊電圧を超えると、軸受に高エネルギーの放電電流が流れ、軸受に電蝕が発生し寿命が低下することが問題となっていた。

このような軸受の電蝕発生を抑制するために、従来、下記の非特許文献１に開示されるように、コモンモード電圧またはコモンモード電流を抑制する回路が提案されている。すなわち、この従来技術では、受動素子を用いてコモンモード電流をバイパスする方式、あるいは、コモンモード経路のインピーダンスを増加させてインピーダンス素子に電圧分担することで交流電動機に印加される中性点電圧を抑制する方式（以下、これらの方式を受動方式という）、あるいは、能動素子を用いてコモンモード電圧と逆位相の電圧を注入し交流電動機に印加される中性点電圧を抑制する方式（以下、これを能動方式という）が提案されている。

「可変速ＡＣドライブの漏れ電流・サージ電圧・軸電圧との抑制法」電気学会論文誌Ｄ，１１８巻９号，ｐｐ．９７５−９８０ 平成１０年９月

上記の非特許文献１に開示されている従来技術において、受動方式は、受動素子のインピーダンス周波数特性のため低周波の電圧を補償する際には補償ゲインが低下する。補償ゲインの低下を見越して受動素子のＣ値またはＬ値を大きく設計することは可能であるが、回路が大型化してしまうことが課題である。

一方、能動方式では、オペアンプ、パワー半導体素子等の能動素子の周波数特性または制御系の周波数特性の影響で、高周波域の補償の際に出力電圧の位相遅れが発生することと、補償ゲインが低下することで補償特性が劣化することが課題である。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、コモンモード電圧抑制用の補償回路を大型化することなく、交流電動機の軸受の電蝕などの不具合発生を確実に防止することができる交流電動機駆動システムを提供することを目的とする。

本願に開示される交流電動機駆動システムは、交流電源に接続されて交流電源側と負荷側とを絶縁する電源トランスと、交流電動機と、前記電源トランスから出力される交流電圧を出力交流電圧に変換して前記交流電動機に出力する電力変換器とを有し、かつ、一端が前記電源トランスの負荷側に接続され他端が接地された容量成分を備え、前記容量成分は、絶縁体を含む物質または非導通状態の半導体で構成されているものである。

本願に開示される交流電動機駆動システムによれば、コモンモード電圧抑制用の補償回路を大型化することなく、交流電動機の軸受の電蝕などの不具合発生を確実に防止することができる。

本願の実施の形態１による三相入力の交流電動機駆動システムの回路図である。 参考例としての三相入力の交流電動機駆動システムのコモンモード経路の等価回路である。 本願の実施の形態１による三相入力の交流電動機駆動システムのコモンモード経路の等価回路である。 本願の実施の形態２による交流電動機駆動システムの回路図である。 本願の実施の形態２による交流電動機駆動システムのコモンモード経路の等価回路である。 本願の実施の形態３による交流電動機駆動システムの回路図である。 本願の実施の形態３による交流電動機駆動システムのコモンモード経路の等価回路である。 本願の実施の形態４による交流電動機駆動システムの回路図である。 本願の実施の形態４による交流電動機駆動システムのコモンモード経路の等価回路である。 本願の実施の形態５による交流電動機駆動システムの回路図である。 本願の実施の形態５による交流電動機駆動システムのコモンモード経路の等価回路である。

以下、本実施の形態に係る交流電動機駆動システムについて、図面を参照しながら説明する。以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。

そして、明細書全文に表されている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に、構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することが可能である。

実施の形態１．
図１は、この実施の形態１における三相入力の交流電動機駆動システムの回路図である。

この実施の形態１の三相入力の交流電動機システムは、電力系統、自立型電圧源等の交流電源１、電源トランス２、電力変換器３、スター結線の交流電動機４、三相電力線６、三相電力線７、三相電力線８、接地線９、接地線１０、および接地線９と接地線１０間を接続する接地線１３を備える。電源トランス２は交流電源１と電力変換器３と負荷間の電気的絶縁を確保する。電力変換器３は半導体素子で構成される順変換回路と直流電力を蓄電する蓄電素子と半導体素子で構成される逆変換回路（いずれも図示省略）を備えている。三相電力線６は交流電源１と電源トランス２間を接続する。三相電力線７は電源トランス２と電力変換器３間を接続する。三相電力線８は電力変換器３と交流電動機４間を接続する。接地線９は電源トランス２の負荷側の巻線部の任意の点と接地点１１間を接続する。接地線１０は交流電動機４と接地点１２間を接続する。
ここで、図１に示した交流電動機システムでは、交流電動機４にＹ結線方式を用いた場合について示したが、この実施の形態１の交流電動機システムではΔ結線方式にも適用可能である。なお、１４は交流電動機４の巻線部の任意の点である。

そして、交流電源１から送られてくる交流電力は、負荷との電気的絶縁を確保するために電源トランス２で受電され、電力変換器３にて固定電圧固定周波数の入力電圧を可変周波数可変電圧に変換され、その結果として交流電動機４が可変速駆動される。

さらに、この実施の形態１の特徴として、電源トランス２の負荷側と接地点１１間に、容量成分１５が設けられている。この場合の容量成分１５は、一つもしくは複数の絶縁物（例えばコンデンサ）、または非導通状態の半導体（例えばダイオードあるいはオフ状態にした半導体スイッチング素子など）で構成される。

図２は、この実施の形態１の特徴である容量成分１５が設けられていない場合の、参考例としての一般的な交流電動機駆動システムのコモンモード経路の等価回路である。この等価回路では、コモンモード電圧の発生源である電力変換器３と交流電動機４に必然的に生じる浮遊容量５とが直列接続された構成となっている。

一方、図３は、この実施の形態１の特徴である容量成分１５を設けた場合の交流電動機駆動システムのコモンモード経路の等価回路である。この等価回路では、コモンモード電圧の発生源である電力変換器３および交流電動機４の浮遊容量５に加えて、電源トランス２と接地点１１間に容量成分１５を設け、浮遊容量５と容量成分１５が接地線１３を介して互いに直列接続された構成となっている。

いま、電力変換器３の三相出力電圧の合成であるコモンモード電圧をＶｃ、交流電動機４の浮遊容量５に印加される交流電動機４の中性点電圧をＶｎとすれば、図２に示した参考例の等価回路では、コモンモード電圧Ｖｃはすべて交流電動機４の浮遊容量５に印加される。すなわち、Ｖｎ＝Ｖｃとなる。

これに対して、図３に示すこの実施の形態１における等価回路では、コモンモード電圧Ｖｃは、交流電動機４の浮遊容量５と容量成分１５とで分圧される。すなわち、交流電動機４の浮遊容量５の容量値をＣ０、容量成分１５の容量値をＣ１とすると、浮遊容量５に印加される中性点電圧Ｖｎは、分圧式に基づきコモンモード電圧ＶｃのＣ１／（Ｃ０＋Ｃ１）倍となる。すなわち、
Ｖｎ＝Ｖｃ・Ｃ１／（Ｃ０＋Ｃ１） （１）
となる。

上記式（１）から分るように、容量成分１５の容量値Ｃ１が小さければ小さいほど、中性点電圧Ｖｎは低減される。換言すれば、小型な回路で中性点電圧Ｖｎは低減される。また、分圧式は周波数に対する依存性がないので、他の受動方式とは異なり、低周波補償時にも補償ゲインが低下することはない。また能動素子を用いないので、高周波成分においても制御系の周波数特性の影響を受けない。このため、中性点電圧Ｖｎ低減時の補償効果の制約はない。

ここで、容量成分１５を挿入する方法を示す。
容量成分１５は、例えば、電源トランス２が非接地状態、あるいは、接地線９にコンデンサ、一つもしくは複数の絶縁物または非導通状態の半導体が挿入されておればよい。絶縁物は、気体、液体、固体のいずれであってもよい。なお、接地線９は、電源トランス２の負荷側の巻線部の任意の点と接地点１１間が電気的に容量性を示すならば、実用上はなくてもよい。なお、電源トランス２の負荷側の巻線部の任意の点とは、Ｙ結線であれば中性点が望ましく、Δ結線であればＶ相の結線部が望ましいがこの限りではない。

以上のように、この実施の形態１では、コモンモード経路に交流電動機４の浮遊容量５に対して容量成分１５を直列接続することで、コモンモード電圧Ｖｃは分圧される。その場合、容量成分１５の容量値Ｃ１を小さく設計すればするほど、交流電動機４の浮遊容量５に印加される中性点電圧Ｖｎを低減することができる。しかも、静電容量の分担電圧割合は静電容量比でのみ決定されるため、周波数依存性がない。これにより、小型の回路を付加するだけで交流電動機４の軸受の電蝕などの不具合発生を防止することができる。

この実施の形態１の構成は、上記のものに限定されるものではなく、本願の基本原理はコモンモード経路に容量成分１５を直列接続することであり、その方法として電源トランス２の負荷側の巻き線と接地点１１間に容量成分１５を追加する。したがって、三相電源トランス２の結線方式に制限はなく、Δ―Ｙ結線、Ｙ−Δ結線、Δ―Δ結線、Ｙ−Ｙ結線、または多重接続されたものでもよい。

実施の形態２．
図４は、本願の実施の形態２による交流電動機駆動システムの回路図である。

この実施の形態２では、実施の形態１で示した電源トランス２と接地点１１間に容量成分１５を設けた構成に加えて、電力変換器３と交流電動機４との間を結ぶ三相電力線８と接地線１３との間を接続する容量成分として、Ｙ型に結線したコンデンサ１６を備えている。

図５は、この実施の形態２のコモンモード経路の等価回路である。具体的には、電力変換器３、交流電動機４の浮遊容量５とコンデンサ１６を互いに並列接続した回路、および容量成分１５が順次直列接続された構成となっている。

コモンモード経路上では、交流電動機４の浮遊容量５とコンデンサ１６とは互いに並列接続されるため、合成容量は増加する。すなわち、コンデンサ１６の容量値をＣ２とした場合、浮遊容量５と合成した容量値はＣ０＋Ｃ２となる。したがって、交流電動機４の浮遊容量５に印加される交流電動機４の中性点電圧Ｖｎは、分圧式に基づきコモンモード電圧ＶｃのＣ１／（Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ２）倍となる。すなわち、
Ｖｎ＝Ｖｃ・Ｃ１／（Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ２） （２）
となる。

上記の式（１）、式（２）の比較から分るように、この実施の形態２では、実施の形態１よりも、中性点電圧Ｖｎの低減効果を向上させる働きを持つ。また、実施の形態１で示したように、容量成分１５の容量値Ｃ１を小さく設計しておけば、小型なコンデンサ１６でＣ１とＣ０＋Ｃ２の比を容易に改善できるため、回路の大型化を防ぐことができる。また、コンデンサ１６を挿入した場合には、コモンモード経路のインピーダンスが低下するため漏れ電流が増えるが、容量成分１５の容量値Ｃ１を小さく設計していれば漏れ電流の増加量は制限される。

以上のように、この実施の形態２では、三相電力線８と接地線１３との間を接続するコンデンサ１６を交流電動機４の浮遊容量５に並列に接続することで容量分圧比を調節し、これにより浮遊容量５に印加される中性点電圧Ｖｎを低減することができる。

なお、この実施の形態２で示すコンデンサ１６は、三相電力線８と接地線１３間を接続する回路に容量成分が入っているものであれば、図４に示すＹ型に結線したコンデンサ１６に限られたものではない。例えば、限流用の抵抗を直列接続したもの、あるいはＹ型に結線したコンデンサ１６の中性点にさらにコンデンサを接続した回路であっても、同様に分圧比を調節することができる。

実施の形態３．
図６は、本願の実施の形態３による交流電動機駆動システムの回路図である。

この実施の形態３では、実施の形態１で示した電源トランス２と接地点１１間に容量成分１５を設けた構成に加えて、交流電動機４の巻線部の任意の点１４と交流電動機側の接地点１２間に、交流電動機４の浮遊容量５と並列に接続された容量成分として、巻線部接地用コンデンサ１７を備える。

図７は、この実施の形態４のコモンモード経路の等価回路である。具体的には、電力変換器３、交流電動機４の浮遊容量５と巻線部接地用コンデンサ１７とを並列接続した回路、および容量成分１５を順次直列接続した構成となっている。

巻線部接地用コンデンサ１７の容量値をＣ３とした場合には、コモンモード経路上では浮遊容量５と巻線部接地用コンデンサ１７は互いに並列接続されるため、浮遊容量５と合成した容量値はＣ０＋Ｃ３となる。したがって、浮遊容量５に印加される交流電動機４の中性点電圧Ｖｎは、分圧式に基づきコモンモード電圧ＶｃのＣ１／（Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ３）倍となる。すなわち、
Ｖｎ＝Ｖｃ・Ｃ１／（Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ３） （３）
となる。

上記の式（１）、式（３）の比較から分るように、この実施の形態３では、実施の形態１よりも、中性点電圧Ｖｎの低減効果を向上させる働きを持つ。また、容量成分１５の容量値Ｃ１を小さく設計していれば、小型な巻線部接地用コンデンサ１７で分圧式の比Ｃ１とＣ０＋Ｃ３の比を容易に改善できる。また、巻線部接地用コンデンサ１７の接続で、コモンモード経路のインピーダンスが低下するため漏れ電流が増えるが、容量成分１５を小さく設計しているため、漏れ電流の増加量は制限される。

以上のように、この実施の形態３では、巻線部接地用コンデンサ１７を交流電動機４の浮遊容量５に対して並列に接続することで、交流電動機４の浮遊容量５に印加される中性点電圧Ｖｎを低減することができる。

実施の形態４．
図８は、本願の実施の形態４による交流電動機駆動システムの回路図である。

この実施の形態４では、実施の形態１で示した電源トランス２と接地点１１間に容量成分１５を設けた構成に加えて、交流電動機４の巻線部の任意の点１４と交流電動機側の接地点１２間に、交流電動機４の浮遊容量５と並列に接続された低インピーダンス素子１８を備える。この場合の低インピーダンス素子１８は、浮遊容量５よりも低インピーダンスであればよく、例えば導体の電線が適用できる。

図９は、この実施の形態４のコモンモード経路の等価回路である。具体的には、電力変換器３と容量成分１５とが順次直列接続された構成となっている。したがって、交流電動機４の浮遊容量５に印加される中性点電圧Ｖｎは原理的には零となる。

また、低インピーダンス素子１８を接続すると、コモンモード経路のインピーダンスが低下するため漏れ電流が増えるが、容量成分１５の容量値Ｃ１を小さく設計しているため、漏れ電流の増加量は制限される。

以上のように、この実施の形態４では、交流電動機４の浮遊容量５に並列に低インピーダンス素子１８を接続することで、浮遊容量５に印加される中性点電圧Ｖｎを低減することができる。

実施の形態５．
図１０は、本願の実施の形態５による交流電動機駆動システムの回路図である。

この実施の形態５では、先の実施の形態１〜３の構成を組み合わせて三相入力の交流電動機駆動システムを構成したものである。すなわち、この実施の形態５では、電源トランス２の負荷側と接地点１１間に容量成分１５を設け、かつ、電力変換器３と交流電動機４との間を結ぶ三相電力線８と接地線１３との間をＹ型に結線したコンデンサ１６で接続し、さらに、交流電動機４の巻線部の任意の点１４と交流電動機側の接地点１２間に、交流電動機４の浮遊容量５と並列に巻線部接地用コンデンサ１７を接続して構成されている。

図１１は、この実施の形態５のコモンモード経路の等価回路である。具体的には、電力変換器３、交流電動機４の浮遊容量５とコンデンサ１６と巻線部接地用コンデンサ１７とを互いに並列接続した回路、および容量成分１５が順次直列接続された構成となっている。

コモンモード経路上では、浮遊容量５、コンデンサ１６、および巻線部接地用コンデンサ１７が互いに並列接続されるので、その合成された容量値はＣ０＋Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３となる。したがって、浮遊容量５に印加される交流電動機４の中性点電圧Ｖｎは、分圧式に基づきコモンモード電圧ＶｃのＣ１／（Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）倍となる。すなわち、
Ｖｎ＝Ｖｃ・Ｃ１／（Ｃ０＋Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３） （４）
となる。

上記の式（１）〜式（４）の比較から分るように、この実施の形態５では、実施の形態１、２、３の場合よりも、合成容量は増加するので、中性点電圧Ｖｎの低減効果をさらに向上させる働きを持つ。

以上のように、この実施の形態５では、先の実施の形態１〜３の構成を組み合わせることにより、交流電動機４の浮遊容量５に印加される中性点電圧Ｖｎをさらに低減することができる。

なお、上記の各実施の形態１〜５において、電力変換器３は、前述した説明の構成のものに限らず、原理的には蓄電素子を持たない交流−交流直接変換を行うサイクロコンバータ、またはマトリックスコンバータであってもよい。

また、交流電動機４は誘導機もしくは同期機を示し、その結線方式はＹ結線に限られたものではなくΔ結線でもよい。また、三相電力線６、７、８に伝導ノイズまたは放射ノイズを抑制するオペアンプ、あるいは半導体素子を備えた能動方式もしくは受動方式のノイズフィルタを接続した交流電動機駆動システムでもよい。

また、本願の構成は、図１に示した三相入力の交流電動機駆動システムに限られたものではなく、単相入力の交流電動機駆動システムでも成立する。したがって、単相交流電源１、単相電源トランス２、単相電力線６、７であってもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 交流電源、２ 電源トランス、３ 電力変換器、４ 交流電動機、５ 浮遊容量、６，７，８ 三相電力線、９，１０ 接地線、１１，１２ 接地点、１３ 接地線、１４ 巻線部の任意の点、１５ 容量成分、１６ コンデンサ、１７ 巻線部接地用コンデンサ、１８ 低インピーダンス素子。

Claims (6)

1. 交流電源に接続されて交流電源側と負荷側とを絶縁する電源トランスと、交流電動機と、前記電源トランスから出力される交流電圧を出力交流電圧に変換して前記交流電動機に出力する電力変換器とを有し、かつ、一端が前記電源トランスの負荷側に接続され他端が接地された容量成分を備え、前記容量成分は、絶縁体を含む物質または非導通状態の半導体で構成されている交流電動機駆動システム。
2. 前記交流電動機の浮遊容量に印加される中性点電圧が低くなるように、前記容量成分の容量値が設定される請求項１記載の交流電動機駆動システム。
3. 前記容量成分の容量値は、前記交流電動機の前記浮遊容量の容量値よりも小さく設定される請求項２記載の交流電動機駆動システム。
4. 一端が前記電力変換器と前記交流電動機とを接続する電力線に接続され、他端が接地された容量成分を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の交流電動機駆動システム。
5. 一端が前記交流電動機の巻線部に接続され、他端が接地された容量成分を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の交流電動機駆動システム。
6. 一端が交流電動機の巻線部に接続され、他端が接地された低インピーダンス素子を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の交流電動機駆動システム。

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