JP5505417B2

JP5505417B2 - 出力フィルタとそれを備えた電動機駆動システム

Info

Publication number: JP5505417B2
Application number: JP2011527623A
Authority: JP
Inventors: 愛子犬塚; 剛樋口
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: US20120068655A1; CN102474171B; US8362733B2; JPWO2011021485A1; CN102474171A; WO2011021485A1

Description

本発明は、出力フィルタとそれを備えた電動機駆動システムに関する。

電動機駆動システムが備えた電力変換装置の出力側における一般的な問題として、高周波漏れ電流およびそれに起因する伝導ＥＭＩ（Electro Magnetic Interference：電磁妨害雑音）、放射ＥＭＩおよびモータ軸受部の電食等が挙げられる。このような問題の解決策として、電力変換装置の出力側に出力フィルタを挿入する方法が、特開平９−８４３５７号公報に開示されている。

特開平９−８４３５７号公報には、出力フィルタが、コモンモード電圧分圧器と、コモンモード電圧分圧器の出力に並列に接続された中性点検出回路と、中性点検出回路１０３の出力に直列に接続されたバイパス回路と、から構成することが記載されている。この出力フィルタはコモンモードにおいて、コモンモード電圧分圧器のインダクタンスＬと、中性点検出回路およびバイパス回路のコンデンサＣによる、Ｌ−Ｃローパスフィルタを構成している。

特開平９−８４３５７号公報

上記出力フィルタは、Ｌ−Ｃローパスフィルタを構成しているため、インダクタンスＬおよびコンデンサＣの定数値から決定される共振周波数が存在する。通常、この共振周波数は、電力変換装置のキャリア周波数に比べて十分に低く、かつ、運転周波数に比べて十分高くなるように設定されている。また、出力フィルタを備えた電力変換装置において、電力変換装置のキャリア周波数の設定を変えて電動機を運転するような場合、キャリア周波数が出力フィルタの共振周波数に接近すると、電力変換装置の出力電圧に重畳するコモンモード電圧が励振されて増幅して過電圧に至るという現象が発生し、キャリア周波数の設定値を変えて電動機を運転することができないという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電力変換装置のキャリア周波数の設定値を変えて電動機を運転する場合、電力変換装置の出力電圧に重畳するコモンモード電圧の励振を防止することができる出力フィルタとそれを備えた電動機駆動システムを提供する。

上記問題を解決するため、本発明における代表的な構成は、次のように構成したものである。出力フィルタは、３相電動機を駆動するための電力を供給すると共に、第１キャリア周波数ｆ１及び第２キャリア周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）を切り替えて前記３相電動機を運転する電力変換装置の出力と前記３相電動機との間に配置される。前記出力フィルタは、前記電力変換装置が前記第１キャリア周波数ｆ１で前記３相電動機を運転する場合に容量値Ｃ１のコンデンサを含む第１バイパス経路を選択し、前記第２キャリア周波数ｆ２で前記３相電動機を運転する場合に容量値Ｃ２（Ｃ１＞Ｃ２）のコンデンサを含む第２バイパス経路を選択するバイパス経路切替スイッチを有するバイパス回路と、を備えるローパスフィルタである。
また、本発明における他の代表的な構成は、次のように構成したものである。電動機駆動システムは、３相電動機と、３相電動機を駆動するための電力を供給すると共に、第１キャリア周波数ｆ１及び第２キャリア周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）を切り替えて前記３相電動機を運転する電力変換装置と、電力変換装置の出力と３相電動機との間に配置されると共に、前記電力変換装置が前記第１キャリア周波数ｆ１で前記３相電動機を運転する場合に容量値Ｃ１のコンデンサを含む第１バイパス経路を選択し、前記第２キャリア周波数ｆ２で前記３相電動機を運転する場合に容量値Ｃ２（Ｃ１＞Ｃ２）のコンデンサを含む第２バイパス経路を選択するバイパス経路切替スイッチを有するバイパス回路を備えるローパスフィルタである出力フィルタと、を備える。

本発明によると、電動機駆動システムが、電力変換装置のキャリア周波数の設定変更に対応して、出力フィルタの共振周波数を変化させることができるため、共振周波数とキャリア周波数が接近して、電力変換装置の出力電圧に重畳するコモンモード電圧が励振され増幅して過電圧に至るという現象を防止することができる。

本発明の実施形態における出力フィルタとそれを備えた電動機駆動システムの構成を示すブロック図バイパス回路１０４の構成図バイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂの構成図出力フィルタ１０１のコモンモードにおけるゲイン特性図キャリア周波数ｆｃ=１５ｋＨｚ時のコモンモード電圧Ｖｃ１およびＶｃ２のシミュレーション波形図キャリア周波数ｆｃ=５ｋＨｚ時のコモンモード電圧Ｖｃ１およびＶｃ２のシミュレーション波形図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態における出力フィルタとそれを備えた電動機駆動システムの構成図である。図１において、電動機駆動システムは、電力変換装置１００、出力フィルタ１０１を備え、電動機１０５を駆動する。

電力変換装置１００の入力端子ｒ、ｓ、ｔには商用電源が接続され、出力端子ｕ、ｖ、ｗは、図示しないＰＷＭインバータの出力端子である。出力フィルタ１０１は、電力変換装置１００と電動機１０５との間に接続されている。

出力フィルタ１０１は、コモンモード電圧分圧器１０２と、コモンモード電圧分圧器１０２の出力端子ｕ２、ｖ２、ｗ２に並列に接続された中性点検出回路１０３と、中性点検出回路１０３の出力端子ｆ１に直列に接続されたバイパス回路１０９とを備えている。

コモンモード電圧分圧器１０２は、インダクタンス値Ｌｃのコモンモードチョークコイルで構成されている。中性点検出回路１０３は、コンデンサＣおよび中性点検出トランスから構成されている。この中性点検出トランスは、３相リアクトル１０８から成り、その一次側の一方の端子は、コモンモード電圧分圧器１０２の出力端子ｕ２、ｖ２、ｗ２の各相に分散して接続されたコンデンサＣの一端へ接続されており、さらに、その一次側の他端は、スター結線にすることで中性点を作り出している。また、３相リアクトル１０８の二次側はデルタ結線されている。

この中性点検出トランス１０８は、コモンモード電圧分圧器１０２の出力端子ｕ２、ｖ２、ｗ２の各相の相互間では通常のインダクタンスとして作用するが、各相と中性点との間の合成したコモンモードインダクタンスはゼロである。したがって、コモンモード電圧について考察するうえでは、この中性点検出トランスを無視することが可能である。なお、この中性点検出トランスの中性点を、中性点検出回路１０３への出力端子ｆ１とする。

バイパス回路１０４は、後述する構成を備えており、一端ｆ２は中性点検出回路の出力端子ｆ１と接続し、他端ｆ３は電力変換装置１００の中性点ｎと接続する。このバイパス回路１０４のインピーダンスは、電動機１０５の巻線とフレーム間の浮遊容量、および配線（接地線）の抵抗とインダクタンスのインピーダンスより十分低く選定されているものとする。なお、この中性点ｎは、電力変換装置１００に含まれる不図示の整流回路の直流出力電圧の端子間に、２つの直列接続された同一容量のコンデンサを並列に接続し、この２つのコンデンサの接続点を中性点ｎとしたものである。

このように、出力フィルタ１０１は、コモンモードにおいて、コモンモード電圧分圧器１０２のインダクタンスＬｃと、中性点検出回路１０３のコンデンサＣおよびバイパス回路１０４のコンデンサＣｆａ、Ｃｆｂによる、Ｌ−Ｃローパスフィルタとみなすことができる。

なお、出力フィルタ１０１の入力側および出力側に接続された、Ｙ接続のコモンモード電圧測定用コンデンサ１１０は、コモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２を測定および観測するためのものである。

ここで、出力フィルタを備えた電力変換装置において、電力変換装置のキャリア周波数の設定値を変えて電動機を運転するような場合、キャリア周波数が出力フィルタの共振周波数に接近すると、電力変換装置の出力電圧に重畳するコモンモード電圧が励振されて増幅するという現象について説明する。

図１に示すように、電力変換装置１００の出力端子ｕ、ｖ、ｗに対して、コモンモード電圧観測用コンデンサ１１０ａを介して電気的な中性点を作った場合、その中性点における対地間電圧がコモンモード電圧Ｖｃ１である。このコモンモード電圧Ｖｃ１は、キャリア周波数を基本波とするパルス状の電圧波形となる。このコモンモード電圧Ｖｃ１は、（１）式で表わされる。
Ｖｃ１＝（Ｖｕｇ＋Ｖｖｇ＋Ｖｗｇ）／３・・・（１）
ここで、Ｖｃ１はコモンモード電圧、Ｖｕｇ、Ｖｖｇ、Ｖｗｇはグランド（ＧＮＤ）を基準にした電力変換装置１００の各出力相電圧である。

このコモンモード電圧Ｖｃ１は、キャリア周波数を基本波とするため、キャリア周波数が出力フィルタの共振周波数に接近して共振すると、コモンモード電圧Ｖｃ１もこの共振に励振されて増幅する。そのため、従前の出力フィルタを備えた電力変換装置では、電力変換装置のキャリア周波数の設定を変えて電動機を運転するような場合、キャリア周波数が出力フィルタの共振周波数に接近すると、電力変換装置の出力電圧に重畳するコモンモード電圧が励振されて増幅して過電圧に至るという現象が発生し、キャリア周波数の設定値を変えて電動機を運転することができないという問題があった。

以下、バイパス回路１０４の構成を説明する。図２は、バイパス回路１０４の構成図である。バイパス回路１０４は、バイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂと、容量が異なるコンデンサＣｆａおよびＣｆｂと、抵抗Ｒｆを備えている。図において、バイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂにはコンデンサＣｆａおよびＣｆｂがそれぞれ直列に接続されており、この２つの直列回路を並列に接続し、さらに、この並列回路に抵抗Ｒｆを直列に接続する。

抵抗Ｒｆは、電力変換装置１００の不図示のＰＷＭインバータの制御方法（２相変調方式や３相変調方式）によって、その作用効果が変わってくる。例えば、２相変調方式で電力変換装置１００を運転した場合には、コモンモード電圧が共振成分を持ち、出力フィルタの共振周波数と共振する。抵抗Ｒｆは、この共振周波数の共振を抑制する。

図３は、バイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂの構成図である。図において、バイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂは、トランジスタあるいはＩＧＢＴに逆並列接続したダイオードを有する半導体スイッチ２つを、通電方向がそれぞれ反対方向となるように直列接続した双方向スイッチから構成されており、不図示の制御回路からの切替信号Ｖｓ１^＊およびＶｓ２^＊でこの双方向スイッチのＯＮ／ＯＦＦ（開／閉）制御を行う。このＯＮ／ＯＦＦ（開／閉）制御でバイパス経路を選択して切替える。すなわち、バイパス回路１０４のインピーダンスＺを、電力変換装置１００のキャリア周波数ｆの設定値の変更によって、式（２）または式（３）のように切替える。
Ｚ＝Ｒｆ+１／（ｊ２πｆＣｆａ）・・・（２）
Ｚ＝Ｒｆ+１／（ｊ２πｆＣｆｂ）・・・（３）

このように、バイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂを用いてバイパス経路を選択して切替えることによって、出力フィルタ１０１の共振周波数を変化させることができる。
なお、図３に示したバイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂとしての双方向スイッチの構成は一例を示したものであり、これに限定されるものではない。例えば、トランジスタあるいはＩＧＢＴにダイオードを直列接続した一方向スイッチを逆並列に接続して双方向スイッチとすることもできる。

図４は、出力フィルタ１０１のコモンモードにおけるゲイン特性図である。出力フィルタ１０１は、上記したようにコモンモードにおける等価Ｌ−Ｃローパスフィルタとしてみなすことができる。この等価Ｌ−Ｃローパスフィルタは、２次のローパスフィルタであり、バイパス回路１０４の双方向スイッチ１０６ａ、１０６ｂによって、共振周波数ｆｒを切替えることができる。すなわち、この共振周波数ｆｒは、式（４）または式（５）で表される。
ｆrａ＝１／（２π（Ｌｃ・Ｃtotal_a）^１/２）・・・（４）
ｆrｂ＝１／（２π（Ｌｃ・Ｃtotal_b）^１/２）・・・（５）
ただし、Ｃtotal_a＝（３Ｃ・Ｃfａ）／（３Ｃ＋Ｃfａ）、Ｃtotal_b＝（３Ｃ・Ｃfｂ）／（３Ｃ＋Ｃfｂ）であり、共振周波数ｆｒａはバイパス回路１０４の双方向スイッチ１０６ａをオン制御した場合、共振周波数ｆｒｂはバイパス回路１０４の双方向スイッチ１０６ｂをオン制御した場合の共振周波数である。

図において、電動機駆動システムが電動機を運転周波数ｆ０の範囲内で運転するとし、電力変換装置のキャリア周波数ｆｃの設定値を変更して運転する場合、共振周波数ｆｒａは電力変換装置のキャリア周波数ｆｃ＝１５ｋＨｚに比べて十分に低く、かつ、運転周波数ｆ_０に比べて十分高くなるように設定する。また、共振周波数ｆｒｂはキャリア周波数ｆｃ＝５ｋＨｚに比べて十分に低く、かつ、電動機の運転周波数に比べて十分高くなるように設定する。

なお、この“十分”のレベルは具体的な用途によって異なり、一律に定義することはできないが、電動機の騒音や振動レベルが定められた仕様条件を満たすこと、さらにＣＩＳＰＲ１１やＩＥＣ６１８００-３等に代表されるような伝導ＥＭＩの規格条件をクリアーできるように、式（４）式（５）の共振周波数値を設定する必要がある。

一例として、次式（７）を満たすことができれば、少なくとも励振による過電圧発生等の不具合を防止することができる。
２０ｌｏｇ｜Ｖｃ２／Ｖｃ１｜＜０・・・（７）
このように、バイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂにてバイパス経路を切替えることによって、出力フィルタ１０１の共振周波数を変化させることができる。

図５Ａは、電力変換装置のキャリア周波数ｆｃの設定値が１５ｋＨｚ時、出力フィルタ１０１の入出力におけるコモンモード電圧Ｖｃ１およびＶｃ２のシミュレーション波形図、図５Ｂは、電力変換装置のキャリア周波数ｆｃの設定値が５ｋＨｚ時、出力フィルタ１０１の入出力におけるコモンモード電圧Ｖｃ１およびＶｃ２のシミュレーション波形図である。各シミュレーション条件は、図５Ａの場合、運転周波数を６０Ｈｚ、Ｌｃ＝４ｍＨ、Ｃtotal_a＝０．２５μＦ、図５Ｂの場合、運転周波数を６０Ｈｚ、Ｌｃ＝４ｍＨ、Ｃtotal_b＝５．０μＦである。なお、図５Ａと図５Ｂとでは、上記したようにバイパス回路１０４のインピーダンスＺを、電力変換装置１００のキャリア周波数ｆｃの設定値の変更によって、式（２）または式（３）のように切替えている。

図５Ａにおいて、出力フィルタ１０１の入力におけるコモンモード電圧Ｖｃ１に比べ、出力フィルタ１０１の出力におけるコモンモード電圧Ｖｃ２が大きく低減している。これは、図４におけるゲイン特性図からも分かるように、キャリア周波数ｆｃ＝１５ｋＨｚにおいて、共振周波数ｆｒａを持つ出力フィルタ１０１の減衰特性が大きくなるためである。

図５Ｂにおいて、出力フィルタ１０１の入力におけるコモンモード電圧Ｖｃ１に比べ、出力フィルタ１０１の出力におけるコモンモード電圧Ｖｃ２が大きく低減している。これは、図４におけるゲイン特性図からも分かるように、バイパス回路１０４のインピーダンスを変えたことにより、出力フィルタ１０１の共振周波数ｆｒａから共振周波数ｆｒｂに低くし、キャリア周波数ｆｃ＝５ｋＨｚにおいても、共振周波数ｆｒｂを持つ出力フィルタ１０１の減衰特性が大きくなるためである。

このように、バイパス経路切替スイッチ１０６ａ、１０６ｂにてバイパス経路を電力変換装置のキャリア周波数の設定値の変化に対応させて切替えることによって、電力変換装置の出力電圧に重畳するコモンモード電圧が励振されて増幅して過電圧に至るという現象を防ぐことができ、さらにこの出力フィルタ１０１の減衰効果によりこれを低減することができる。その結果、キャリア周波数の設定値を変化させても電動機の運転を行うことができる。
なお、本発明における実施例では、キャリア周波数の設定値を変化させる場合のバイパス経路切替スイッチとして１０６ａと１０６ｂの２回路の切替え構成として説明したが、キャリア周波数を広い周波数範囲で変更する用途、例えば、キャリア周波数を多段階に変更する場合、あるいは連続的に変更する場合においては、バイパス経路切替スイッチを２回路以上の多段構成の切替え回路とすることが可能であることは言うまでもない。

また、キャリア周波数の設定値を変えて電動機を運転するような用途の場合でも、より減衰特性の大きい出力フィルタを構成することが可能となるので、電力変換装置における高周波ノイズの影響をさらに低減した、より環境に配慮したインバータ装置等の電力変換装置を提供することができるという効果もある。

本発明の実施形態では、電力変換装置を用いた電動機駆動システムにおいて、キャリア周波数の設定値を変えて電動機を運転する場合のコモンモード電圧の励振を抑制する方法を説明した。
このような例に限らず、電源装置等においてスイッチングのキャリア周波数の設定値を変化させて電源特性の改善を図る用途において、出力フィルタのバイパス経路をキャリア周波数の設定値の変化に対応させて切替えることにより、出力フィルタの共振点を変えることができるので、キャリア周波数の設定値を自由に変更しても、コモンモード電圧の励振による過電圧の発生を防止することが可能となる。

１００電力変換装置
１０１出力フィルタ
１０２コモンモード電圧分圧器
１０３中性点検出回路
１０４バイパス回路
１０５電動機
１０６ａ、１０６ｂバイパス経路切替スイッチ（双方向スイッチ）
１０８中性点検出用トランス
１１０ａ、１１０ｂコモンモード電圧測定用コンデンサ
Ｃ、Ｃｆａ、Ｃｆｂコンデンサ
Ｒｆ抵抗

Claims

３相電動機を駆動するための電力を供給すると共に、第１キャリア周波数ｆ１及び第２キャリア周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）を切り替えて前記３相電動機を運転する電力変換装置の出力と前記３相電動機との間に配置される出力フィルタであって、
前記出力フィルタは、
前記電力変換装置が前記第１キャリア周波数ｆ１で前記３相電動機を運転する場合に容量値Ｃ１のコンデンサを含む第１バイパス経路を選択し、前記第２キャリア周波数ｆ２で前記３相電動機を運転する場合に容量値Ｃ２（Ｃ１＞Ｃ２）のコンデンサを含む第２バイパス経路を選択するバイパス経路切替スイッチを有するバイパス回路と、
を備えるローパスフィルタであることを特徴とする出力フィルタ。
前記出力フィルタは、
前記電力変換装置の各相出力と前記３相電動機の各相との間に、それぞれコモンモードチョークコイルを直列に接続したコモンモード電圧分圧器と、
３相リアクトルを有し、前記３相リアクトルの１次側のそれぞれの一端をコンデンサを介して前記コモンモード電圧分圧器の出力に接続すると共に、前記３相リアクトルの１次側の他端をスター結線し、前記３相リアクトルの２次側はデルタ結線した中性点検出回路と、をさらに備え、
前記バイパス回路は、
一端を前記３相リアクトルの１次側の他端とコンデンサの一端とに接続し、他端を前記電力変換器の中性点と抵抗の一端とに接続すると共に、前記コンデンサの他端と双方向切替スイッチの一端とを接続した直列接続体を複数個有して、前記コンデンサの一端同士および前記双方向切替スイッチの他端同士をそれぞれ並列接続し、前記双方向切替スイッチの他端同士と抵抗の他端とを接続したバイパス回路である
ことを特徴とする請求項１に記載の出力フィルタ。
前記出力フィルタが、前記コモンモード電圧分圧器の入力側および出力側のコモンモード電圧をそれぞれＶｃ１、Ｖｃ２とした場合、２０ｌｏｇ｜Ｖｃ２／Ｖｃ１｜＜０なる条件を満たすように、前記バイパス回路の経路を選択変更されることを特徴とする請求項２に記載の出力フィルタ。
３相電動機と、
前記３相電動機を駆動するための電力を供給すると共に、第１キャリア周波数ｆ１及び第２キャリア周波数ｆ２（ｆ１＜ｆ２）を切り替えて前記３相電動機を運転する電力変換装置と、
前記電力変換装置の出力と前記３相電動機との間に配置されると共に、前記電力変換装置が前記第１キャリア周波数ｆ１で前記３相電動機を運転する場合に容量値Ｃ１のコンデンサを含む第１バイパス経路を選択し、前記第２キャリア周波数ｆ２で前記３相電動機を運転する場合に容量値Ｃ２（Ｃ１＞Ｃ２）のコンデンサを含む第２バイパス経路を選択するバイパス経路切替スイッチを有するバイパス回路を備えるローパスフィルタである出力フィルタと、
を備えることを特徴とする電動機駆動システム。
前記出力フィルタは、
前記電力変換装置の各相出力と前記３相電動機の各相との間に、それぞれコモンモードチョークコイルを直列に接続したコモンモード電圧分圧器と、
３相リアクトルを有し、前記３相リアクトルの１次側のそれぞれの一端をコンデンサを介して前記コモンモード電圧分圧器の出力に接続すると共に、前記３相リアクトルの１次側の他端をスター結線し、前記３相リアクトルの２次側はデルタ結線した中性点検出回路と、をさらに備え、
前記バイパス回路は、
一端を前記３相リアクトルの１次側の他端とコンデンサの一端とに接続し、他端を前記電力変換器の中性点と抵抗の一端とに接続すると共に、前記コンデンサの他端と双方向切替スイッチの一端とを接続した直列接続体を複数個有して、前記コンデンサの一端同士および前記双方向切替スイッチの他端同士をそれぞれ並列接続し、前記双方向切替スイッチの他端同士と抵抗の他端とを接続したバイパス回路である
ことを特徴とする請求項４に記載の電動機駆動システム。
前記出力フィルタが、前記コモンモード電圧分圧器の入力側および出力側のコモンモード電圧をそれぞれＶｃ１、Ｖｃ２とした場合、２０ｌｏｇ｜Ｖｃ２／Ｖｃ１｜＜０なる条件を満たすように、前記バイパス回路の経路を選択変更されることを特徴とする請求項５に記載の電動機駆動システム。