JP4154886B2

JP4154886B2 - 永久磁石同期電動機の残留電圧検出装置

Info

Publication number: JP4154886B2
Application number: JP2001360888A
Authority: JP
Inventors: 勝之渡邉
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: JP2003164189A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＷＭインバータ装置を用いて、制動巻線付き永久磁石同期電動機を駆動する場合の残留電圧絶対値の検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電圧形ＰＷＭインバータ装置を用いて制動巻線付き永久磁石同期電動機（以下ＰＭモータという）を駆動するとき、回転子位置検出器を用いずにＶ／ｆ一定制御を行う場合がある。
【０００３】
図９はＶ／ｆ一定制御を行うシステム構成図の例を示したものである。１はインバータ回路で、このインバータ回路には順変換回路COVと逆変換回路INVを備え、交流電源５よりの交流を順変換回路CONで全波整流した後に、逆変換回路INVで所望周波数に変換し、ＰＭモータ３に出力する。２は制御部でマイクロコンピュータやロジックＩＣを用いたディジタル回路で構成され、例えば、電圧の制御は三角波正弦波比較方式が用いられる。すなわち、周波数設定信号はＶ／ｆ設定器２１と位相積分器２２に印加され、位相積分器２２よりの位相設定信号は、三相正弦波発生部２３において位相信号に見合った正弦波にされ、正弦波信号はＶ／ｆ設定器２１よりの電圧設定に対応された後にコンパレータ２４に出力される。このコンパレータ２４には、三角波発生部２５よりの三角波が入力されており、この三角波と正弦波とがコンパレータ２４において比較され、その誤差信号に基づいてデットタイム作成部２６を介してＰＷＭ信号を作成し、この信号を逆変換回路の各スイッチング素子のゲートＧｕ，Ｇｘ，Ｇｖ，Ｇｙ，Ｇｗ，Ｇｚに印加してインバータ回路の出力電圧を制御する。なお、Ｔｕ，Ｔｖ，Ｔｗ，Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚは逆変換回路INVを構成するスイッチング素子である。
【０００４】
以上のようにシステム構成されたインバータ装置を用いてＰＭモータ３を駆動中に停電が発生すると、ＰＭモータ３はフリーラン状態となる。このフリーラン中に復電されるとＰＭモータ３は再起動されるが、この再起動方法としては次のことが考えられている。
（１）インバータ回路１の出力電流容量を、ＰＭモータの直入れ起動電流に対して十分に余裕あるものと仮定して、制動巻線による同期引き込みを期待して再起動する。
（２）何らかの方法でフリーラン中のＰＭモータの残留電圧（振幅，周波数，磁極位置）を検出し、インバータ回路の出力電圧を一致させて電流０の状態より再起動させる。
【０００５】
１台のインバータ装置で複数の小容量モータを駆動するようなシステムにおいては（１）の方法でも問題ないが、インバータ装置とＰＭモータとが１対１（〜３）程度のシステムとなると、（２）の方法を採用しないと不経済となるばかりか再起動時の残留電圧とインバータ回路の出力電圧のずれによって、インバータ回路の過電流耐量を超えて故障停止となり、正常に再起動できないのが一般的である。そのため、回転子位置検出器を用いないでＰＭモータを駆動する装置では、フリーラン中の残留電圧（ここでは線間電圧）の絶対値検出回路と０点通過検出回路を備える場合があり、その際、従来における残留電圧の検出には、絶縁の容易さから変圧器を使用する場合と、図９で示すように残留電圧検出回路４を設け、インバータ回路の負極（Ｎ極）と三相各出力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ）間を抵抗で分圧し、半波整流した後に制御部に取り込むことが知られている。
なお、残留電圧検出回路４におけるＲ４１〜Ｒ４６は分圧抵抗、Ｄ４１〜Ｄ４３は半波整流回路を構成するダイオード、ＡＭＰは絶縁アンプである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前者の変圧器を使用した場合には、絶縁の容易さはあるが、低周波数時の飽和を考慮しているために小型化が困難という問題を有している。
また、後者の半波整流する方法では、安価で小型化を可能としているが、同一の直流リンクに複数のインバータ回路が接続されたり、ＰＭモータへの接続ケーブルが接近して配線されたりしている場合には、動作中のインバータ回路のスイッチングによる中性点電位変動と、回路各部の浮遊容量の影響を受けて実際の残留電圧値より大きな検出値となることが検討の結果判明した。
【０００７】
図１０は、中性点電位変動を確認するために実施したシミュレーション回路を示したもので、シミュレーション条件としては、４００Ｖ系インバータ装置で、ＰＭモータは線間電圧２００Ｖ／５０Ｈｚ相当でフリーランしているものとし、そのときのインバータ回路のＮ極と対地間には１０００ｐＦの浮遊容量が存在しているものとした。また、中性点電位は方形波状に３ｋＨｚで変動していることを想定したものである。
【０００８】
図１１は中性点電位変動なしの場合を示したもので、残留電圧検出回路４における半波整流回路の出力をアンプＡＭＰ−１で増幅した点を測定点Ｖdet０とし、更にその信号をアンプＡＭＰ−２でフィルタ処理した信号を測定点Ｖdet１としたものである。
【０００９】
図１２は中性点電圧を２００Ｖ変動させた場合である。
図１１と図１２とを比較すると明かなように、中性点電位が変動することにより残留電圧の検出値が異なり、その変化率は１５２％（＝４．２３Ｖ／２．７８Ｖ）となっている。
【００１０】
本発明の目的とするところは、動作中のインバータ回路のスイッチングによる中性点電位変動と回路各部の浮遊容量による影響の生じない残留電圧検出装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、三相インバータ回路の出力側に永久磁石同期電動機を接続し、この同期電動機のフリーラン中における残留電圧を検出するものにおいて、
前記三相インバータ回路出力側の各相と負極間にそれぞれ抵抗よりなる分圧回路を介して全波整流回路を接続すると共に、分圧回路と全波整流回路との間に抵抗とコンデンサよりなるスパイク電圧防止回路を接続し、前記インバータ回路の各相出力側と負極間との信号を差動増幅することによって残留電圧としたことを特徴としたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すもので、図９で示す従来のものとは残留電圧検出回路１０が異なるのみで他は同じである。よって、同一部分の重複説明は省略する。
残留電圧検出回路１０は、インバータ回路１の各相電圧を分圧するために設けられた抵抗Ｒ１１〜Ｒ１６よりなる分圧回路１１と、ダイオードＤ１１〜Ｄ１６よりなって分圧された各電圧を全波整流するための全波整流回路１２と、全波整流された信号を差動増幅するための差動増幅器１３より構成されている。なお、ＲとＣはフィルタ用の抵抗とコンデンサである。
すなわち、本発明では、抵抗分圧値の最大値と最小値の差を抽出するために整流回路を全波整流回路とし、そのＰ側（正側）出力とＮ側（負側）出力を差動増幅したものである。
【００１４】
図２は、図１のように構成した場合のシミュレーション回路を示したもので、３’はフリーラン中のＰＭモータ回路、１１’は分圧回路の抵抗、１２’は全波整流回路、１３’は差動増幅器部分を示したものである。
【００１５】
図３は、図２のシミュレーション回路を用い、中性点電位の変動がない場合を示したものであり、図４は中性点電位を２００Ｖ変動させた場合のシミュレーション結果を示したものである。なお、図４における差動増幅器１３’の出力Ｖdet０の黒い部分は、差動増幅方式によってもキャンセルしきれない中性点電位変動成分で、アンプＡＭＰ−２でフィルタ処理することによって信号Ｖdet１のように除去されている。
【００１６】
図３と図４とのシミュレーション結果によると、２００Ｖの中性点電圧変動が生じたとしても、フィルタ処理された検出器への影響を小さく抑えることを確認することができ、その検出信号の変化は１０３％（＝３．３６Ｖ／３．２５Ｖ）となっている。
【００１７】
図５は全波整流回路１２と差動増幅器１３との間に小さな浮遊容量Ｃｏ（図２で示す浮遊容量Ｃｏ）があると仮定して、中性点電位を２００Ｖ変動させた場合のシミュレーション結果である。
検出回路中のわずかな浮遊容量Ｃｏの影響で差動増幅方式によってもキャンセルしきれない中性点電位変動分がスパイク状の電圧（検出値Ｖdet０に重畳された黒い部分）が発生し、検出値が大きくなっている。浮遊容量Ｃｏが存在した場合の中性点電位変動と浮遊容量Ｃｏによる検出信号の変化は１２１％（＝３．９２Ｖ／３．２５Ｖ）となっている。
このスパイク状電圧を抑制するために挿入したのが図１の点線で示したスパイク電圧防止回路１４である。スパイク電圧防止回路１４は全波整流回路１２に接続されるが、具体的には分圧回路１１と全波整流回路１２との間に挿入される。
【００１８】
図６はそのシミュレーション回路で、スパイク電圧防止回路は、三相各相とＮ側にそれぞれ挿入された抵抗Ｒ２１〜Ｒ２３と、コンデンサＣ１２，１４，１６と、各相とＰ側に挿入それぞれ挿入されたコンデンサＣ１１，１３，１５より構成される。
【００１９】
図７は、図６を用いた中性点電位変動がない場合のシミュレーション結果、図８は中性点電位を２００Ｖ変動させた場合のシミュレーション結果である。これらより明らかなように、全波整流回路にスパイク防止回路を接続することによって、差動増幅器の入力部に存在する浮遊容量に流れる電流を低減することで、差動増幅器の出力部に現れるスパイク状の電圧を低減することが可能となり、中性点電位変動による検出信号の変化は１０３％（１．６４Ｖ／１．５９Ｖ）となっている。
【００２０】
【発明の効果】
以上のとおり、残留電圧検出装置として全波整流回路を用いて構成した本発明によれば、変圧器を用いずにフリーラン中のＰＭモータの残留電圧絶対値を検出することが可能となるため、ＰＭモータ駆動用インバータ装置の小型化が可能となる。
また、同一の直流リンクに複数のインバータ装置が接続されたり、ＰＭモータへの接続ケーブルが接近して配線されている場合でも、動作中のインバータ回路のスイッチングによる中性点電位変動の影響を受けることなく、残留電圧絶対値の安定な検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図。
【図２】本発明に基づくシミュレーション回路。
【図３】シミュレーションの出力波形図で、中性点電位変動なしの場合。
【図４】シミュレーションの出力波形図で、中性点電位変動ありの場合。
【図５】浮遊容量存在時におけるシミュレーションの出力波形図で、中性点電位変動の場合。
【図６】本発明に基づくシミュレーション回路。
【図７】シミュレーションの出力波形図で、中性点電位変動なしの場合。
【図８】シミュレーションの出力波形図で、中性点電位変動ありの場合。
【図９】従来のインバータ装置の構成図。
【図１０】従来の残留電圧検出装置のシミュレーション回路
【図１１】従来のシミュレーションの出力波形図で、中性点電位変動なしの場合。
【図１２】従来のシミュレーションの出力波形図で、中性点電位変動ありの場合。
【符号の説明】
１…インバータ回路
２…制御部
３…永久磁石同期電動機
４，１０…残留電圧検出装置
５…交流電源
１１…分圧回路
１２…全波整流回路
１３…差動増幅器
１４…スパイク電圧防止回路

Claims

三相インバータ回路の出力側に永久磁石同期電動機を接続し、この同期電動機のフリーラン中における残留電圧を検出するものにおいて、
前記三相インバータ回路出力側の各相と負極間にそれぞれ抵抗よりなる分圧回路を介して全波整流回路を接続すると共に、分圧回路と全波整流回路との間に抵抗とコンデンサよりなるスパイク電圧防止回路を接続し、前記インバータ回路の各相出力側と負極間との信号を差動増幅することによって残留電圧としたことを特徴とした永久磁石同期電動機の残留電圧検出装置。