JP5040249B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は電力変換装置に関し、より詳細には、リプル電流を低減化した電力変換装置に関する。

モータ駆動用電力変換装置を構成する各インバータは、モータの各巻線との接続距離が長いため、配線部での損失が大きく、さらには放射ノイズや伝導ノイズを出し易いという問題があった。そこで、本出願人は、モータに各単位インバータ（パワードライバ）を分散配置した際に、個々の単位インバータの直流端子とコンデンサとを短距離にて接続し、各相毎にコンデンサを分散配置する技術を開発した（特許文献１を参照されたい。）。
特許第3559909号公報（段落[0005-0006]、[図１）

しかしながら、上述した従来構成は、各相においてインバータとコンデンサを個々に備えているために、相間でリプル電流を相殺することができず、個々に大きな容量のコンデンサが必要となり、機電一体システムを小型化することが困難であった。また、隣接する相間でコンデンサを共用する構成で配置させたとしても、お互いの相電流の位相が１２０°ずれているため、リプル電流を相殺することができない。図８は、従来技術による電力変換装置を構成する単位インバータの各スイッチと相電流とのタイミングを示す図であるが、図に示すように相間でスイッチオンとスイッチオフとのタイミングがずれていることによってリプル電流を効果的に相殺することができない。図８（ａ）に示す第１のインバータの相電流と、図８（ｂ）に示す第２のインバータの相電流とは位相差が１２０°（度）あるため、例えば、時刻ｔ１で第１の組のスイッチがオフとなり、第２の組のスイッチがオンになるが、これを相殺するようなタイミングで第３の組や第４の組のスイッチＳＷがオンになることはない。時刻ｔ２においても同様である。従って、従来技術では、リプル電流を効果的に相殺することはできない構成となっているため、このリプル電流を平滑するためにより大容量かつ大きなサイズの平滑コンデンサが必要である。

また、相電流の位相差が１８０°となるように構成した場合には、インバータに含まれるスイッチ素子（パワー素子）のスイッチオンとスイッチオフのタイミングが同一となり、リプル電流を相殺することが可能となるが、必ずしも位相差が１８０°となる相が存在するとは限らず、位相差が１８０°となる相が存在したとしても、上述した従来構成では、遠く離れた相同士でコンデンサを共用するときには、バスバ配線の引き回しが長くなり（即ち、インダクタンスが大となる。）、部材、端子或いはバスバを複雑に重ね合わせる必要があり、また、各バスバ配線のインピーダンスに差が生じないような工夫（等長配線、電流バランスなど）が必要になるなど、設計や製造上の問題点が多かった。
本発明は、上述した諸課題に鑑み、リプル電流を低減化した電力変換装置を提供することを目的とする。

上述した諸課題を解決すべく、本発明による電力変換装置は、
各相のインバータによって直流電源の直流出力を交流出力に変換する電力変換装置であって、
互いの相電流の位相差が１８０°となる一対のインバータ（各インバータは、少なくとも１つのスイッチ素子からなる個別の電力変換器／モータ駆動回路である。）によって共用されている（平滑用）コンデンサ、を備える。また、好適には、全てのインバータ対が、インバータ対１つにつき、１つのコンデンサを共用することが好適である。

本発明によれば、１８０°位相差のある単位インバータ同士でコンデンサを共用することにより、リプル電流を効果的に相殺することが可能となり、コンデンサ自体の容量が小さいものも利用できる。例えば、機電一体システム構成の場合には、コンデンサ容量の低減によって、より小型のコンデンサを用いることができ、機電一体型駆動装置をより小型化することが可能となる。

本発明による電力変換装置の第１の実施態様では、
前記コンデンサを共用している一対のインバータに含まれる双方のインバータが、隣接して配置されている、
ことを特徴とする。

また、本発明による電力変換装置の第２の実施態様では、
前記インバータの数が偶数である（即ち、２で割り切ることができるインバータ数に設定して、余りのインバータを出さずに「インバータ対」を構成させる）、
ことを特徴とする。

また、本発明による電力変換装置の第３の実施態様では、
前記電力変換装置によって駆動されるモータに含まれる各巻線（固定子巻線）に前記インバータがそれぞれ接続され、
前記モータの回転軸と巻線設置位置（即ち、巻線の中心位置）とを結ぶ第１の仮想線（半径方向線）、および、当該巻線に接続しているインバータ（即ち、その中心位置）と、前記モータの回転軸とを結ぶ第２の仮想線（半径方向線）がなす角度が９０°以下である、
ことを特徴とする。

また、本発明による電力変換装置の第４の実施態様では、
前記共用されるコンデンサのＰ端子が、当該コンデンサを共用している前記一対のインバータに含まれる双方のインバータの各Ｐ端子と（Ｐバスバを介して）接続され、
前記共用されるコンデンサのＮ端子が、前記一対のインバータに含まれる双方のインバータの各Ｎ端子と（Ｎバスバを介して）接続される、
ことを特徴とする。

また、本発明による電力変換装置の第５の実施態様では、
前記共用されるコンデンサのＰ端子が、当該コンデンサを共用している前記一対のインバータに含まれる双方のインバータの各Ｐ端子とＰバスバを介して接続され、
前記Ｐバスバが、前記共用されるコンデンサのＰ端子と、前記一対のインバータに含まれる一方のインバータのＰ端子との間で分岐し、
前記共用されるコンデンサのＮ端子が、前記一対のインバータに含まれる双方のインバータの各Ｎ端子とＮバスバを介して接続され、
前記Ｎバスバが、前記共用されるコンデンサのＮ端子と、前記一対のインバータに含まれる他方のインバータのＮ端子との間で分岐している、
こをと特徴とする。
上述したように本発明の解決手段を装置として説明したが、本発明はこれらに実質的に相当する方法としても実現し得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

第１の実施態様によれば、１８０°位相のずれたインバータ同士を隣接することにより、お互いのリプル電流の相殺効果を高めることができる。また、第２の実施態様によれば単位インバータ個数を偶数個とすることにより、いずれかの組み合わせにおいて位相を１８０°ずらせるので、全相分を組み合わせることができ、組み合わせからインバータを余すことなく、リプル電流を全相で相殺できる。

また、第３の実施態様によれば、モータ回転軸と巻線設置位置とを結ぶ第１の仮想線（半径方向線）、および、当該巻線に接続しているインバータと、前記モータの回転軸とを結ぶ第２の仮想線（半径方向線）がなす角度が９０°以下とする、即ち、インバータ分散モジュール（単位インバータ）とそれに対応するモータ巻線との周方向の位置ずれ角度を９０°以下にすることで、モータ巻線の配線長さを最小限に抑えることができる。

また、第４の実施態様によれば、対をなすインバータ分散モジュール（単位インバータ）の各々のＰＮ端子間にコンデンサのＰＮ端子を接続することにより、配線バスバを等距離化、最短化でき、配線のインダクタンスを低減でき、さらに電流バランスが良く、サージ電圧を低減できる。また、第５の実施態様によれば、インバータとコンデンサを接続するＰバスバは一方のインバータＰ端子とコンデンサＰ端子の間で分岐し、Ｎバスバは他方のインバータＮ端子とコンデンサＮ端子の間で分岐することにより、給電経路に「共用コンデンサ」を介在させることができるので、ノイズ漏れを防ぐことができる。

以降、諸図面を参照しながら、本発明の実施態様を詳細に説明する。図１は、本発明による電力変換装置の基本的な回路構成を示す図である。図に示すように、本電力変換装置は、負荷としてのモータの巻線Ｌ１０に交流電力を供給する個別の電力変換器／モータ駆動回路であるインバータ１０と、負荷としてのモータの巻線Ｌ２０に交流電力を供給する個別の電力変換器／モータ駆動回路であるインバータ２０とを具える。インバータ１０は、スイッチ素子（ＩＧＢＴなどのパワー素子）ＳＷ１１−１４を具え、各スイッチ素子をオンオフすることによって直流電源の直流出力を交流出力に変換して、交流電力を負荷のモータの巻線Ｌ１０に供給してモータ（図示せず）を駆動する。同様に、インバータ２０は、スイッチ素子ＳＷ２１−２４を具え、各スイッチ素子をオンオフすることによって直流電源の直流出力を交流出力に変換して、交流電力を負荷のモータの巻線Ｌ２０に供給してモータを駆動する。この２つのインバータ１０，２０は、インバータ１０のＰ端子１０Ｐと、インバータ２０のＰ端子２０Ｐとは、Ｐバスバ４０を介して、平滑用のコンデンサ３０のＰ端子３０Ｐと接続している。同様に、インバータ１０のＮ端子１０Ｎと、インバータ２０のＮ端子２０Ｎとは、Ｎバスバ５０を介してコンデンサ３０のＮ端子３０Ｎと接続している。即ち、インバータ１０、２０は、コンデンサ３０を共用するインバータ対を構成している。Ｐバスバ４０およびＮバスバ５０は、図示しない直流電源に接続している。図１に示した回路図では、インバータとモータを一体化した構成を図示しておらず、インバータ１０の相電流およびインバータ２０の相電流は、その相電流間の位相差を１８０°にしてあり、リプル電流を相殺できる構成となっているが、これは図２を参照して詳細に説明する。

図２は、図１の各インバータの相電流およびスイッチ素子のオンオフタイミングを示す説明図である。図２（ａ）は、インバータ１０を構成する各スイッチ素子ＳＷ１１−１４のオンオフのタイミングチャートとこれらスイッチ素子のオンオフによって生成されるモータの巻線Ｌ１０に供給される相電流ｉＬ１０の波形図とを示すものである。スイッチ素子ＳＷ１１，１２の組（第１の組）は同じタイミングでオンオフし、スイッチ素子ＳＷ１３，１４の組（第２の組）も同じタイミングでオンオフし、第２の組のスイッチ素子は、第１の組のそれらとは逆のタイミングでオンオフしている。

図２（ｂ）は、インバータ２０を構成する各スイッチ素子ＳＷ２１−２４のオンオフのタイミングチャートとこれらスイッチ素子のオンオフによって生成されるモータの巻線Ｌ２０に供給される相電流ｉＬ２０の波形図とを示すものである。スイッチ素子ＳＷ２１，２２の組（第３の組）は同じタイミングでオンオフし、スイッチ素子ＳＷ２３，２４の組（第４の組）も同じタイミングでオンオフし、第４の組のスイッチ素子は、第３の組のそれらとは逆のタイミングでオンオフしている。

図に示すように、第１のインバータ１０側の相電流ｉＬ１０と、第２のインバータ１０側の相電流ｉＬ２０とは１８０°の位相差があるため、即ち、正反対の相電流となっているため、効果的にリプル電流を相殺させることが可能である。例えば、時刻ｔ１では、インバータ１０側のスイッチ素子ＳＷ１３、１４（第２の組）がオンになり、リプル電流が発生する。一方、時刻ｔ１では、同時に、インバータ２０側のスイッチ素子ＳＷ２１、２２（第３の組）がオンになり、第１のインバータ側の「リプル電流」とは正反対かつほぼ同じ振幅のリプル電流が発生する。従って、リプル電流が流れ込む共用のコンデンサ３０において効果的にリプル電流を相殺させることが可能となる。同様に、時刻ｔ２ではも、インバータ１０側のスイッチ素子ＳＷ１１、１２（第１の組）がオンになり、リプル電流が発生する。一方、時刻ｔ２では、同時に、インバータ２０側のスイッチ素子ＳＷ２３、２４（第３の組）がオンになり、第１のインバータ側の「リプル電流」とは正反対かつほぼ同じ振幅のリプル電流が発生する。時刻ｔ２でも、リプル電流が流れ込む共用のコンデンサ３０において効果的にリプル電流を相殺させることができる。作図および説明の便宜上、第１のインバータ１０および第２のインバータ２０からなる一対のインバータのみを挙げたが、本電力変換装置は、複数のインバータ対を具え、同様の構成および原理でリプル電流を効果的に相殺可能である。従って、より低容量かつより小さいサイズの平滑コンデンサを利用することが可能となる。

図３は、３相インバータを分散配置した実施例を示す図である。モータ（図示せず）のステータＳＴには、巻線Ｌ１〜Ｌ３、Ｌ１（−）〜Ｌ３（−）が合計１２個配置されており、各モータ巻線にはインバータ分散モジュールＭ１〜Ｍ３、Ｍ１（−）〜Ｍ３（−）が備わり、各相で独立して制御される。３相インバータでは相間の位相差が１２０°であり、Ｌ１（０°）→Ｌ２（１２０°）→Ｌ３（２４０°）→Ｌ１（−）（０°）の相電流が必要となる。ここで、Ｌ１とＬ１（−）とは、モータ巻線が逆接続（逆巻き）されている。すなわち、Ｍ１とＭ１（−）では、相電流の位相差を１８０°とし、Ｍ１インバータとＭ１（−）インバータを共用のコンデンサＣに配線Ｂ１−４を介して接続して、リプル電流を相殺している。本例においては、Ｍ２とＭ２（−）、Ｍ３とＭ３（−）についても同様にコンデンサを接続することができるが、作図の便宜上省略してある。また、コンデンサＣは共用されることを概念的に示すために図示したものであり、当該箇所には、図示しないロータが設置してある。

図４は、３相インバータを分散配置した別の実施例を示す図であり、相電流の位相差が１８０°となるインバータ同士を隣接して配置して、隣接するもの同士でインバータ対ＰＡ１（Ｍ１とＭ１（―））、インバータ対ＰＡ２（Ｍ２とＭ２（−））、インバータ対ＰＡ３（Ｍ３とＭ３（−））を構成させている。この例では、インバータ対はＰＡ１−ＰＡ６の合計６対である。即ち、各インバータ対を構成するインバータ同士（Ｍ１とＭ１（−）、Ｍ２とＭ２（−）、Ｍ３とＭ３（−））においてバスバ配線Ｗを短くすることができ、お互いのリプル電流を効果的に相殺できる。モータの回転軸ＣＴＲと巻線（Ｌ１（−））設置位置（即ち、巻線の中心位置）とを結ぶ第１の仮想線（半径方向線）ＶＬ１、および、当該巻線にバスバ配線Ｗを介して接続しているインバータ（即ち、Ｍ１（−）の中心位置）とモータの回転軸ＣＴＲとを結ぶ第２の仮想線（半径方向線）ＶＬ２がなす角度を９０°以下に構成させてある。また、仮想線は、回転軸ＣＴＲと直交している。

図５、図６は、多相インバータを分散配置した実施例を示す図である。図５、図６では、インバータ個数を偶数個にしてあるため、余りなくインバータ対ＰＡを構成させることができ、いずれかの組み合わせにおいて、相電流の位相差を１８０°ずらせるので全相分を組み合わせることができる。従って、リプル電流を全相で効果的に相殺できる。相数に応じて、インバータ分散モジュールＭ１〜Ｍ７、Ｍ１（−）〜Ｍ７（−）、巻線はＬ１〜Ｌ７が搭載される。また、そこで隣接配置するために、図５では、周方向におけるインバータ分散モジュールの位置と各々のインバータ分散モジュールに接続されるモータ巻線の位置が異なり、バスバ配線Ｗ１−Ｗ６を介して接続することになるが、その周方向へのずれ角度は、９０°以内に配置することが可能であり、モータ巻線の配線長さを最小限に抑え、モータ巻線の余長で十分引き回すことが可能である。これは、図５、６に示すように、様々な相数のモータにおいても、モータ巻線個数が偶数個の場合に、少なくとも対向する（向かい合う）モータ巻線に１８０°の位相差を与えることができるので、その対向するモータ巻線から周方向中間位置（ずれ角度が９０°となる位置）にインバータ分散モジュールを配置できる。第１の仮想線（半径方向線）ＶＬ１と第２の仮想線（半径方向線）ＶＬ２とで、周方向のずれ角度を示してある。

図７は、相電流の位相差が１８０°となるインバータ同士とコンデンサとを接続した図を示す。図７（ａ）に示すように、インバータ対ＰＡ１−ＰＡ６、およびこのインバータ対内に、コンデンサＣ１０−Ｃ６０が設けられている。図７（ｂ）、７（ｃ）に示すように、インバータ分散モジュールＭ３のＰ端子Ｍ３Ｐとインバータ分散モジュールＭ３（−）のＰ端子Ｍ３（−）Ｐの間にコンデンサＣ６０のＰ端子Ｃ６０Ｐを接続し、インバータ分散モジュールＭ３のＮ端子Ｍ３Ｎとインバータ分散モジュールＭ３（−）のＮ端子Ｍ３（−）Ｎとの間にコンデンサＣ６０のＮ端子Ｃ６０Ｎを接続する。各々のインバータ分散モジュールから等距離にコンデンサＣ６０が置かれるので電流バランスが良く、バスバ配線Ｗの長さも短くできるのでサージ電圧も低減できる。

図７（ｃ）では、インバータ分散モジュールＭ３とコンデンサＣ６０との間にＰバスバ４０、Ｎバスバ５０の分岐部５０ＢＲ、６０ＢＲがあるため、インバータ分散モジュールＭ３の給電元からコンデンサを介さない給電経路が存在してしまうので、ノイズ漏れの原因となる。そこで、図７（ｂ）に示すように、インバータ分散モジュールＭ３のＰ端子Ｍ３ＰとコンデンサＣ６０のＰ端子Ｃ６０Ｐとの間に給電元へのＰバスバ４０の分岐部４０ＢＲを設け、分インバータ散モジュールＭ３（−）モジュールのＮ端子Ｍ３（−）ＮとコンデンサＣ６０のＮ端子Ｃ６０Ｎとの間に給電元（図示しない直流電源）へのＮバスバ５０の分岐部５０ＢＲを設け、各々のインバータ分散モジュールへの給電経路にコンデンサを介在させる。これによってノイズ漏れを効果的に防止することができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各部材、各手段などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の部材、手段などを１つに組み合わせたり或いは分割したりすることが可能である。実施例では、主として３相インバータを挙げて説明したが、４相、６相などの多相インバータに本発明を適用し得ることに注意されたい。

本発明による電力変換装置の基本的な回路構成を示す図である。 図１の各インバータの相電流およびスイッチ素子のオンオフタイミングを示す説明図である。 ３相インバータを分散配置した実施例を示す図である。 ３相インバータを分散配置した別の実施例を示す図である。 多相インバータを分散配置した実施例を示す図である。 多相インバータを分散配置した実施例を示す図である。 相電流の位相差が１８０°となるインバータ同士とコンデンサとを接続した図である。 従来技術による電力変換装置を構成する単位インバータの各スイッチと相電流とのタイミングを示す図である。

符号の説明

１０，２０ インバータ
１０Ｎ Ｎ端子
１０Ｐ Ｐ端子
２０Ｎ Ｎ端子
２０Ｐ Ｐ端子
３０ コンデンサ
３０Ｎ Ｎ端子
３０Ｐ Ｐ端子
４０ Ｐバスバ
５０ Ｎバスバ
４０ＢＲ、５０ＢＲ 分岐部
Ｂ１−Ｂ４ 配線
Ｃ コンデンサ
Ｃ１０−Ｃ６０ コンデンサ
Ｃ６０Ｎ Ｎ端子
Ｃ６０Ｐ Ｐ端子
ＣＴＲ 回転軸
ｉＬ１０，ｉＬ２０ 相電流
Ｌ１−Ｌ７ 巻線
Ｌ１０，Ｌ２０ 巻線
Ｍ１−Ｍ７ インバータ分散モジュール
Ｍ１（−）〜Ｍ７（−） インバータ分散モジュール
Ｍ３Ｎ Ｎ端子
Ｍ３Ｐ Ｐ端子
ＰＡ，ＰＡ１−ＰＡ６ インバータ対
ＳＴ ステータ
ＳＷ１１−ＳＷ１４，ＳＷ２１−ＳＷ２４ スイッチ素子
ｔ１ 時刻
ｔ２ 時刻
Ｗ，Ｗ１−Ｗ６ バスバ配線

Claims (4)

1. 各相のインバータによって直流電源の直流出力を交流出力に変換する電力変換装置であって、
   互いの相電流の位相差が１８０°となる一対のインバータによって共用されているコンデンサを備え、
   前記インバータの数が偶数であり、
   前記電力変換装置によって駆動されるモータに含まれる各巻線に前記インバータがそれぞれ接続され、
   前記モータの回転軸と巻線設置位置とを結ぶ第１の仮想線、および、当該巻線に接続しているインバータと前記モータの回転軸とを結ぶ第２の仮想線がなす角度が９０°以下である、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記コンデンサを共用している一対のインバータに含まれる双方のインバータが、隣接して配置されている、
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記共用されるコンデンサのＰ端子が、当該コンデンサを共用している前記一対のインバータに含まれる双方のインバータの各Ｐ端子と接続され、
   前記共用されるコンデンサのＮ端子が、前記一対のインバータに含まれる双方のインバータの各Ｎ端子と接続される、
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記共用されるコンデンサのＰ端子が、当該コンデンサを共用している前記一対のインバータに含まれる双方のインバータの各Ｐ端子とＰバスバを介して接続され、
   前記Ｐバスバが、前記共用されるコンデンサのＰ端子と、前記一対のインバータに含まれる一方のインバータのＰ端子との間で分岐し、
   前記共用されるコンデンサのＮ端子が、前記一対のインバータに含まれる双方のインバータの各Ｎ端子とＮバスバを介して接続され、
   前記Ｎバスバが、前記共用されるコンデンサのＮ端子と、前記一対のインバータに含まれる他方のインバータのＮ端子との間で分岐している、
   ことを特徴とする電力変換装置。

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