JP5778533B2 - 回生型モータ端サージ電圧抑制装置、モータ駆動システム、および、回生型モータ端サージ電圧抑制方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回生型モータ端サージ電圧抑制装置、モータ駆動システム、および、回生型モータ端サージ電圧抑制方法に関する。

例えば、電圧形ＰＷＭ方式のインバータ装置はほぼ矩形波に近い交流電圧を出力する。この出力電圧は電圧変化率（ｄＶ／ｄｔ）が高く高周波電圧を含むが、このインバータ装置の出力電圧はケーブルを通じてモータに供給される。

ケーブルは、数十ｍ以上に及ぶことになると、このケーブル側のインピーダンスとモータの入力インピーダンスの相違に応じて高周波数成分の伝播反射を生じ、ケーブルとモータの接続端（モータの入力端子：モータ端と称す）にサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、ケーブルの長さ、種類、敷設方法に応じて異なり、このモータ端の最大電圧は、インバータ装置の出力端子の電圧より２倍以上となることが知られている。

このサージ電圧が原因となり、モータ巻線のうち、特にインバータ装置側に近接した部分が劣化してしまう。モータ巻線の絶縁劣化が進むと最悪の場合には絶縁破壊に至る可能性もある。そこで、サージ電圧を抑制するシステムが提供されている。

このシステムでは、インバータ装置の出力端子またはモータ端に、交流リアクトル、サージ電圧抑制フィルタなどを付加することでサージ電圧の発生を抑制している。ただし、一般にこれらの付加装置は価格が高い上、大きく且つ重い。このため、その設置に多大な労力を要するとともに設置スペースを広く必要とする。

他方、モータ端に整流回路の入力側を接続すると共に、その出力側に抵抗を接続し抵抗でエネルギー消費する構成が提供されている。しかし、抵抗を接続してエネルギー消費する場合には、サージ電圧のエネルギーのみではなくモータに供給すべきエネルギーも消費してしまうという問題があり電力使用効率に劣る。

また、整流回路の出力側をインバータ装置の直流部に接続することで、インバータ装置にサージエネルギーを帰還させる構成も提供されている。しかし、提供されている構成のものでは、インバータ装置の直流部に帰還する帰還電流に応じて、インバータ装置の出力端子の電流検出処理に悪影響を及ぼし、この電流検出処理に基づくインバータ主回路の制御を信頼性良く行うことができず、モータ制御の性能やインバータ装置の保護動作に悪影響を及ぼす虞を生じている。

すなわち、例えば、３相ブリッジ接続したインバータ主回路の２相のみ電流を検出し、残り１相の電流について３相電流の合計値が０となることに基づいて算出する方法があるが、前述の帰還電流の影響によって３相電流の合計値がゼロにならないため電流検出を正確に行うことができず前述の問題を生じる。また、３相ブリッジ接続したインバータ主回路の相毎にそれぞれシャント抵抗を設け、３相それぞれ電流を検出する場合であっても、電流経路がインバータ主回路の出力側から入力側（インバータ装置の直流部）に生じてしまうため、電流検出を正確に行うことができず前述のように同様の問題を生じる。

特開平６−３８５４３号公報 特開平８−２３６８２号公報

そこで、サージ電圧に基づくエネルギーを回生することでサージ電圧を抑制しながら電力使用効率を向上し、電流値の誤検出を抑制できるようにした回生型モータ端サージ電圧抑制装置、モータ駆動システム、および、回生型モータ端サージ電圧抑制方法を提供する。

一実施形態は次に示す内容を開示している。整流器は、インバータ装置が直流入力ノードに入力された直流電圧を交流変換してケーブルを通じて高周波を含む電圧を出力することでサージ電圧の生じるインバータ装置とモータとの間のノードに入力側を接続してサージ電圧を整流する。ＤＣＤＣコンバータは、整流器の整流出力にコンデンサを介して入力側を接続すると共に出力側をインバータ装置の直流入力ノードに接続した入出力絶縁型に構成されている。

一実施形態について示すモータ駆動システムの電気的構成図 インバータ主回路の電気的構成図 インバータ主回路の出力端子の電圧波形と、モータの入力端子の電圧波形を示す図

回生型モータ端サージ電圧抑制装置、モータ駆動システム、および、回生型モータ端サージ電圧抑制方法の一実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。モータ駆動システム１は、インバータ装置２、回生型のサージ電圧抑制装置３、を主に備え、モータ４を駆動する。

インバータ装置２は、整流器６、主回路コンデンサ７、インバータ主回路８、駆動回路９を接続して構成される。整流器６は、端子Ｒ，Ｓ，Ｔから三相交流電源５を入力して整流する。主回路コンデンサ７はアルミ電解コンデンサにより構成され、整流器６の整流出力を平滑化し複数の直流電源線Ｎ１およびＮ２（直流入力ノードに相当）間に例えば６００Ｖ程度の直流電圧を出力する。すなわち、整流器６および主回路コンデンサ７を含む直流部が三相交流電源５の交流電力を直流電力に変換出力する。

この直流部が出力する直流電力はインバータ主回路８に与えられている。図２はインバータ主回路８の構成例を示している。このインバータ主回路８は上アーム側のＩＧＢＴ（Ｑ１〜Ｑ３）および下アーム側のＩＧＢＴ（Ｑ４〜Ｑ６）を３相ブリッジ接続した電圧形インバータにより構成されている。

下アーム側のＩＧＢＴ（Ｑ４〜Ｑ６）と負側の直流母線Ｎ２との間にはシャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗがそれぞれ構成されており、これらのシャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの端子電圧に応じて駆動回路９がモータ４の各相の電流を検出し、駆動回路９はこの検出電流に応じた制御を行い、ＰＷＭ信号をインバータ主回路７に与える。すなわち、本実施形態では３相シャント方式により電流検出している。各ＩＧＢＴ（Ｑ１〜Ｑ６）には還流ダイオードがそれぞれ接続されている。

インバータ主回路８は、入力した直流電力について駆動回路９の駆動信号に基づいて交流変換し三相交流電力（矩形波電圧）を負荷となるモータ４に供給する。インバータ主回路８の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗは、ケーブル１０を通じてそれぞれモータ４の入力端子４ｕ，４ｖ，４ｗ（モータ端に相当）に接続されている。このケーブル１０は、数十ｍ〜数百ｍ（例えば５０ｍ〜３００ｍ程度）の長さの比較的長いケーブルとなる。このケーブル１０は、インバータ装置２の構成上、ケーブル１０のインピーダンス（インダクタンス）を無視できない程度の長さとなっている。

図３には、インバータ主回路８の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの電圧Ａと、モータ４の入力端子４ｕ，４ｖ，４ｗの電圧Ｂを示している。
インバータ主回路８は、略矩形波状の交流電圧を出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを通じて出力するが、この矩形波には高周波信号が含まれており、当該高周波領域におけるインピーダンスミスマッチングによる伝播反射などの影響で、高周波成分によるサージ電圧がモータ４の入力端子４ｕ，４ｖ，４ｗで発生する。

そこで本実施形態では回生型のサージ電圧抑制装置３を設けている。このサージ電圧抑制装置３は、整流器１１、コンデンサ１２、および、入出力絶縁型のＤＣＤＣコンバータ１３を具備している。整流器１１は、３相ブリッジ接続されたダイオードを用いて構成され、入力側がモータ４の入力端子４ｕ，４ｖ，４ｗに接続され、このモータ４の入力端子４ｕ，４ｖ，４ｗに生じる高周波サージ電圧を整流出力する。整流器１１の整流出力はコンデンサ１２に入力されており、このコンデンサ１２を通じて整流器１１の整流出力を平滑化した電力をＤＣＤＣコンバータ１３に出力する。

ＤＣＤＣコンバータ１３は、駆動回路１４、スイッチング素子１５、トランス１６、ダイオード１７を具備した所謂フライバックタイプ（他励式）のコンバータにより構成される。このＤＣＤＣコンバータ１３は、スイッチング素子１５とトランス１６の一次側とが直列接続されており、この直列接続回路がコンデンサ１２に並列接続されることにより構成されている。また、トランス１６の二次側巻線はダイオード１７を通じて直流母線Ｎ１およびＮ２間に接続されている。

駆動回路１４は、予め定められた周波数のパルス信号をスイッチング素子１５の制御端子に印加しスイッチング素子１５を駆動する。スイッチング素子１５がオンする間にトランス１６の一次側に電流が流れ、発生する磁束によってトランス１６のコアが磁化される。そして、スイッチング素子１５がオフすると、トランス１６のコアの蓄積エネルギーを開放し、ダイオード１７を通じて電流をインバータ装置２の直流部（直流母線Ｎ１およびＮ２間）に回生し、主回路コンデンサ７に電荷を蓄積する。したがって、サージ電圧に応じて主回路コンデンサ７の端子電圧以上の電圧をトランス１６の二次側巻線に生じさせるとサージエネルギーをインバータ装置２の直流部に回生できる。

ここで、サージ電圧が全く生じなければ、主回路コンデンサ７の端子電圧はインバータ装置２の直流部の電圧にほぼ等しくなり、サージ電圧が生じる場合、そのエネルギーがインバータ装置２の直流部に回生され、この直流電力はインバータ主回路８により消費されることになる。

このように構成した場合、トランス１６の一次側巻線に比較した二次側巻線の巻数比を相当低くするとサージ電圧の吸収効果が下がり、一次側巻線に比較した二次側巻線の巻数比を相当高くするとコンデンサ１２に吸収されるエネルギーが増加し、スイッチング素子１５のスイッチング損失も大きくなる。また、トランス１６の二次側電圧を高くした場合には、ダイオード１７の特性として逆方向耐圧の高いものを使用する必要がある。発明者らは、これら事情を考慮してトランス１６の巻数比を１：１程度（但し一次側巻線比を若干高め）にすると良いことをシミュレーションなどによって確認している。

駆動回路９は、電流検出用の抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの端子電圧を検出し、この検出電圧に応じてインバータ主回路８を駆動するが、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの電流の経路は、ケーブル１０を通じてモータ４に及ぶと共に、サージ電圧抑制装置３にも及ぶ。

しかし、ＤＣＤＣコンバータ１３が入出力絶縁型の構成であるため、電流検出用抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの通電電流がケーブル１０およびサージ電圧抑制装置３を通じてＤＣＤＣコンバータ１３のトランス１６の二次側に循環する循環電流経路は遮断されている。したがって、シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗによる電流検出を極力正確に行うことができる。ＤＣＤＣコンバータ１３が若干電力を消費するものの抵抗を用いて構成していないため消費電力はわずかであり、省エネルギー効果が得られる。

本実施形態によれば、サージ電圧がインバータ装置２の直流部に回生されるため電力使用効率を向上でき、省エネルギー効果が得られる。また、ＤＣＤＣコンバータ１３が入出力絶縁型であるため、インバータ主回路８の入出力間を循環する電流経路は断たれることになり、シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗによる電流検出を極力正確に行うことができる。これにより、インバータ主回路８の制御を信頼性良く行うことができ、モータ４の制御性能やインバータ装置２の保護動作の信頼性を向上できる。

本実施形態では、ＤＣＤＣコンバータ１３としてフライバックタイプのコンバータを用いて構成したが、フォワードタイプなどの他の入出力絶縁型のＤＣＤＣコンバータ、スイッチング電源装置を用いて構成しても良い。

また、シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを用いて電流検出し、この電流検出信号に応じて駆動回路９がインバータ主回路８を駆動する実施形態を示したが、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のうち２相のみを検出し、３相合計の電流を例えば０（所定値）とするように残りの１相の電流を求め、この電流検出信号に応じて駆動回路９がインバータ主回路８を駆動する形態に適用しても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、各実施形態に示した構成に限定されることはなく、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１はモータ駆動システム、２はインバータ装置、３は回生型サージ電圧抑制装置、４はモータ、５は三相交流電源、１０はケーブル、１１は整流器、１２はコンデンサ、１３は入出力絶縁型のＤＣＤＣコンバータ、Ｎ１およびＮ２は直流電源線（直流入力ノード）、を示す。

Claims (3)

1. インバータ装置が直流入力ノードに入力された直流電圧を交流変換してケーブルを通じて高周波を含む電圧を出力することで、サージ電圧が生じる、前記インバータ装置とモータとの間のノードに入力側を接続し、前記サージ電圧を整流する整流器と、
   前記整流器の整流出力にコンデンサを介して入力側を接続すると共に出力側を前記インバータ装置の直流入力ノードに接続した入出力絶縁型のＤＣＤＣコンバータと、を備えたことを特徴とする回生型モータ端サージ電圧抑制装置。
2. 直流入力ノードを備え当該直流入力ノードに入力された直流電圧を交流変換しケーブルを通じてモータの入力に高周波を含む電圧を出力することでサージ電圧をモータとの間のノードに生じさせるインバータ装置と、
   前記モータと前記インバータ装置との間のノードに入力側が接続され前記サージ電圧を整流する整流器と、
   前記整流器の整流出力にコンデンサを介して入力側が接続されると共に出力側が前記インバータ装置の直流入力ノードに接続された入出力絶縁型のＤＣＤＣコンバータとを備えたことを特徴とするモータ駆動システム。
3. インバータ装置が直流入力ノードに入力した直流電圧を交流変換しケーブルを通じて高周波を含む電圧を出力することで前記インバータ装置とモータとの間のノードにサージ電圧を生じるときにモータ端に生じるサージ電圧の回生方法であって、
   整流回路がモータと前記インバータ装置との間のノードに生じる前記サージ電圧を整流し、
   入出力絶縁型のＤＣＤＣコンバータが前記整流された電圧についてコンデンサを介して入力して直流変換し前記インバータ装置の直流入力ノードに回生することを特徴とする回生型モータ端サージ電圧抑制方法。

Images