JP6677444B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、ＤＣリンク平滑用コンデンサにフィルムコンデンサを用いる電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter using a film capacitor as a DC link smoothing capacitor.
以下の特許文献１には、ＤＣリンク部の平滑用コンデンサにフィルムコンデンサを用いる場合、インバータのスイッチング周波数（キャリア周波数）が可聴周波数にあると、フィルムコンデンサから騒音（異音）が発生するという課題を挙げている。特許文献１では、フィルムコンデンサの構造及びその構成材料を工夫して異音を低減している。 The following Patent Document 1 discloses a problem that when a film capacitor is used as a smoothing capacitor in a DC link unit, noise (abnormal noise) is generated from the film capacitor when the switching frequency (carrier frequency) of the inverter is at an audible frequency. Are listed. In Patent Literature 1, abnormal noise is reduced by devising the structure of a film capacitor and its constituent materials.
しかしながら、フィルムコンデンサに、特別な構造又は異音吸収用の材料を用いると、製造工程の追加が必要となったり、使用材料のコストが上昇したりすることは避けられず、異音対策のためにデバイスのコストが大きく上昇するという問題が生じる。 However, if a special structure or a material for absorbing abnormal noise is used for the film capacitor, it is inevitable that an additional manufacturing process will be required and the cost of the material used will increase. This causes a problem that the cost of the device is greatly increased.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＤＣリンク平滑用コンデンサにフィルムコンデンサを用いる電力変換装置における該フィルムコンデンサからの異音を低減できるようにすることにある。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to reduce abnormal noise from a film capacitor in a power converter using a film capacitor as a DC link smoothing capacitor.
第１の発明は、インバータ（13）とＤＣリンク用のフィルムコンデンサ（C）とを備えた電力変換装置（10）を対象とし、インバータ（13）におけるキャリア周波数の２倍の周波数に依存して変動する、フィルムコンデンサ（C）から生じる異音のレベルが相対的に低いキャリア周波数をインバータ（13）のキャリア周波数として用いることを特徴とする。 The first invention is directed to a power converter (10) including an inverter (13) and a film capacitor (C) for a DC link, and depends on a frequency twice as high as a carrier frequency in the inverter (13). A carrier frequency, which fluctuates and has a relatively low level of abnormal noise generated from the film capacitor (C), is used as the carrier frequency of the inverter (13).
第１の発明では、インバータにおけるキャリア周波数の２倍の周波数に依存して変動する、フィルムコンデンサから生じる異音のレベルが相対的に低いキャリア周波数をインバータのキャリア周波数として用いるため、ＤＣリンク平滑用コンデンサにフィルムコンデンサを用いる電力変換装置における該フィルムコンデンサからの異音を確実に低減することができる。 In the first invention, the carrier frequency of the inverter, which fluctuates depending on the frequency twice as high as the carrier frequency of the inverter and has a relatively low level of abnormal noise from the film capacitor, is used as the carrier frequency of the inverter. In the power converter using a film capacitor as a capacitor, abnormal noise from the film capacitor can be reliably reduced.
第２の発明は、キャリア周波数が５ｋＨｚから１０ｋＨｚであることを特徴とする。 The second invention is characterized in that the carrier frequency is 5 kHz to 10 kHz.
第２の発明では、キャリア周波数をこの範囲に設定すると、スイッチング損失及びリアクトルのエネルギー損失を抑えることができる。 In the second aspect, when the carrier frequency is set in this range, switching loss and energy loss of the reactor can be suppressed.
第３の発明は、インバータ（13）とＤＣリンク用のフィルムコンデンサ（C）とを備えた電力変換装置（10）の製造方法を対象とし、フィルムコンデンサ（C）から生じる異音レベルの、２倍のキャリア周波数による周波数依存性を取得し、該異音レベルが相対的に低い周波数とインバータ（13）におけるキャリア周波数とを一致させることを特徴とする。 A third invention is directed to a method for manufacturing a power converter (10) including an inverter (13) and a film capacitor (C) for a DC link, and is provided with a method for determining the level of abnormal noise generated from the film capacitor (C) by two. The frequency dependency due to the double carrier frequency is acquired, and the frequency at which the abnormal noise level is relatively low matches the carrier frequency in the inverter (13).
第３の発明では、フィルムコンデンサから生じる異音レベルの、２倍のキャリア周波数による周波数依存性を取得し、該異音レベルが相対的に低い周波数とインバータにおけるキャリア周波数とを一致させるため、ＤＣリンク平滑用コンデンサにフィルムコンデンサを用いる電力変換装置における該フィルムコンデンサからの異音を確実に低減することができる。 According to the third aspect of the present invention, the frequency dependency of the noise level generated by the film capacitor due to the double carrier frequency is acquired, and the frequency at which the noise level is relatively low matches the carrier frequency in the inverter. In the power converter using a film capacitor as the link smoothing capacitor, abnormal noise from the film capacitor can be reliably reduced.
第４の発明は、キャリア周波数が５ｋＨｚから１０ｋＨｚであることを特徴とする。 A fourth invention is characterized in that the carrier frequency is 5 kHz to 10 kHz.
第４の発明では、キャリア周波数をこの範囲に設定すると、スイッチング損失及びリアクトルのエネルギー損失を抑えることができる。 In the fourth aspect, when the carrier frequency is set in this range, switching loss and energy loss of the reactor can be suppressed.
本発明によれば、ＤＣリンク平滑用コンデンサにフィルムコンデンサを用いる電力変換装置における該フィルムコンデンサからの異音を確実に低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the noise from the said film capacitor in the power converter which uses a film capacitor as a DC link smoothing capacitor can be reduced reliably.
また、上記第２の発明によれば、スイッチング損失及びリアクトルのエネルギー損失を抑えることができる。 Further, according to the second aspect, switching loss and energy loss of the reactor can be suppressed.
また、上記第３の発明によれば、ＤＣリンク平滑用コンデンサにフィルムコンデンサを用いる電力変換装置における該フィルムコンデンサからの異音を確実に低減することができる。 Also, according to the third aspect, abnormal noise from the film capacitor in the power converter using the film capacitor as the DC link smoothing capacitor can be reliably reduced.
また、上記第４の発明によれば、スイッチング損失及びリアクトルのエネルギー損失を抑えることができる。 Further, according to the fourth aspect, switching loss and energy loss of the reactor can be suppressed.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。
<< First Embodiment of the Invention >>
Embodiment 1 of the present invention will be described.
図１は、実施形態１に係る電力変換装置（10）の構成例を示している。電力変換装置（10）は、入力交流電圧（この例では、単相の交流電源（20）から供給された電源電圧（Vin）を所定の出力交流電圧に変換して、例えば負荷であるモータ（30）に供給する。ここでは、電力変換装置（10）は、コンバータ回路（11）と、ＤＣ（直流）リンク部（12）と、インバータ回路（13）とを備えている。例えば、モータ（30）は、ＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）又はＳＭ（Synchronous Motor）によって構成される。 FIG. 1 illustrates a configuration example of a power conversion device (10) according to the first embodiment. The power conversion device (10) converts an input AC voltage (in this example, a power supply voltage (V in ) supplied from a single-phase AC power supply (20)) into a predetermined output AC voltage, and outputs, for example, a motor as a load. In this case, the power converter (10) includes a converter circuit (11), a DC (direct current) link unit (12), and an inverter circuit (13). (30) is constituted by an IPM motor (Interior Permanent Magnet Motor) or a SM (Synchronous Motor).
〈コンバータ回路〉
コンバータ回路（11）は、リアクトル（L）を介して交流電源（20）と接続され、該交流電源（20）からの電源電圧（Vin）を全波整流する。ここでは、リアクトル（L）のインダクタンスは、一例として６ｍＨとしている、また、コンバータ回路（11）は、ブリッジ状に結線された４個のダイオード（D1,D2,D3,D4）を有している。すなわち、コンバータ回路（11）は、ダイオードブリッジ回路によって構成されている。
<Converter circuit>
The converter circuit (11) is connected to the AC power supply (20) via the reactor (L), and performs full-wave rectification of the power supply voltage (V in ) from the AC power supply (20). Here, the inductance of the reactor (L) is 6 mH as an example, and the converter circuit (11) has four diodes (D1, D2, D3, D4) connected in a bridge shape. . That is, the converter circuit (11) is configured by a diode bridge circuit.
〈ＤＣリンク部〉
ＤＣリンク部（12）は、コンバータ回路（11）の一対の出力ノードの間に接続されたコンデンサ（C）を有し、コンバータ回路（11）の出力（すなわち、全波整流された電源電圧（Vin））を入力して直流電圧（Vdc）を生成する。直流電圧（Vdc）は、電源電圧（Vin）の周波数に応じて脈動する。
<DC link section>
The DC link unit (12) has a capacitor (C) connected between a pair of output nodes of the converter circuit (11), and outputs the output of the converter circuit (11) (that is, the full-wave rectified power supply voltage ( V in )) to generate a DC voltage (V dc ). The DC voltage (V dc ) pulsates according to the frequency of the power supply voltage (V in ).
ここで、電源電圧（Vin）の周波数に応じた脈動成分が直流電圧（Vdc）に含まれている理由について説明する。直流リンク部（12）のコンデンサ（C）の容量値は、コンバータ回路（11）の出力をほとんど平滑化することができないものの、インバータ回路（13）のスイッチング動作に起因するリプル電圧（キャリア周波数に応じた電圧変動）を抑制することができるように設定されている。具体的には、コンデンサ（C）は、一般的な電力変換装置においてコンバータ回路（11）の出力の平滑化に用いられる平滑コンデンサ（例えば、電解コンデンサ）の容量値の約０．０１倍の容量値（ここでは、例えば２０μＦ程度）を有する小容量のフィルムコンデンサによって構成されている。このようなコンデンサ（C）を用いているため、ＤＣリンク部（12）においてコンバータ回路（11）の出力がほとんど平滑化されず、その結果、電源電圧（Vin）の周波数に応じた脈動成分（具体的には、電源電圧（Vin）の周波数の２倍の周波数を有する脈動成分）が直流電圧（Vdc）に残留することになる。例えば、直流電圧（Vdc）は、その最大値がその最小値の２倍以上になるように脈動している。 Here, the reason why a pulsating component corresponding to the frequency of the power supply voltage (V in ) is included in the DC voltage (V dc ) will be described. Although the capacitance value of the capacitor (C) of the DC link unit (12) can hardly smooth the output of the converter circuit (11), the ripple voltage (carrier frequency) caused by the switching operation of the inverter circuit (13) This is set so that the corresponding voltage fluctuation can be suppressed. Specifically, the capacitance of the capacitor (C) is approximately 0.01 times the capacitance of a smoothing capacitor (for example, an electrolytic capacitor) used for smoothing the output of the converter circuit (11) in a general power converter. It is constituted by a small-capacity film capacitor having a value (here, for example, about 20 μF). Since such a capacitor (C) is used, the output of the converter circuit (11) is hardly smoothed in the DC link unit (12), and as a result, a pulsation component corresponding to the frequency of the power supply voltage (V in ) (Specifically, a pulsating component having a frequency twice the frequency of the power supply voltage (V in )) remains in the DC voltage (V dc ). For example, the DC voltage (V dc ) pulsates so that its maximum value is at least twice the minimum value.
〈インバータ回路〉
インバータ回路（13）は、その一対の入力ノードがＤＣリンク部（12）のコンデンサ（C）の両端に接続され、ＤＣリンク部（12）によって生成された直流電圧（Vdc）をスイッチング動作により出力交流電圧に変換してモータ（30）に供給する。ここでは、インバータ回路（13）は、三相の出力交流電圧をモータ（30）に供給するために、ブリッジ結線された６つのスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）と、６つの還流ダイオード（Du,Dv,Dw,Dx,Dy,Dz）とを有している。詳細には、インバータ回路（13）は、２つのスイッチング素子を直列に接続してなる３つのスイッチングレグを備え、３つのスイッチングレグのそれぞれにおいて、上アームのスイッチング素子（Su,Sv,Sw）と下アームのスイッチング素子（Sx,Sy,Sz）との中点が、モータ（30）の各相のコイル（ｕ相，ｖ相，ｗ相のコイル）と接続されている。また、６つのスイッチング素子（Su,Sv,Sw,Sx,Sy,Sz）には、６つの還流ダイオード（Du,Dv,Dw,Dx,Dy,Dz）がそれぞれ逆並列に接続されている。
<Inverter circuit>
The inverter circuit (13) has a pair of input nodes connected to both ends of the capacitor (C) of the DC link unit (12), and switches the DC voltage (V dc ) generated by the DC link unit (12) by a switching operation. It is converted to an output AC voltage and supplied to the motor (30). Here, the inverter circuit (13) includes six switching elements (Su, Sv, Sw, Sx, Sy, Sz) connected in a bridge to supply a three-phase output AC voltage to the motor (30). It has six freewheel diodes (Du, Dv, Dw, Dx, Dy, Dz). Specifically, the inverter circuit (13) includes three switching legs formed by connecting two switching elements in series, and in each of the three switching legs, the switching element (Su, Sv, Sw) of the upper arm is connected to the three switching legs. The midpoint of the lower arm switching element (Sx, Sy, Sz) is connected to each phase coil (u phase, v phase, w phase coil) of the motor (30). In addition, six return diodes (Du, Dv, Dw, Dx, Dy, Dz) are connected in anti-parallel to the six switching elements (Su, Sv, Sw, Sx, Sy, Sz), respectively.
〈各種検出部〉
また、本実施形態においては、電力変換装置（10）は、電源位相検出部（51）と、直流電圧検出部（52）とを備えている。
<Various detectors>
In the present embodiment, the power conversion device (10) includes a power supply phase detection unit (51) and a DC voltage detection unit (52).
電源位相検出部（51）は、電源電圧（Vin）の位相角（電源位相（θin））を検出する。直流電圧検出部（52）は、直流リンク部（12）の直流電圧（Vdc）の電圧値を検出する。 The power supply phase detector (51) detects a phase angle (power supply phase (θ in )) of the power supply voltage (V in ). The DC voltage detection unit (52) detects a voltage value of the DC voltage (V dc ) of the DC link unit (12).
−キャリア周波数の選定−
本願発明者の検証によると、図２に示すように、通常のフィルムコンデンサ（C）は、引加される周波数に応じて、異音レベルが最大で４０ｄＢ程度変動することが分かった。
-Selection of carrier frequency-
According to the verification by the inventor of the present application, as shown in FIG. 2, it has been found that the noise level of the ordinary film capacitor (C) fluctuates up to about 40 dB depending on the applied frequency.
図２において、３種類のサンプルＡ、Ｂ及びＣを例に挙げ、縦軸に３Ｖｒｍｓで低電圧駆動したときの異音レベルをとり、横軸にキャリア周波数をとっている。ここで、キャリア周波数をαとすると、上述した脈動成分によって、フィルムコンデンサ（C）は、該キャリア周波数の２倍の周波数２αで異音を発する。キャリア周波数αは、一例として、５ｋＨｚ以上且つ１０ｋＨｚ以下の周波数を用いることができる。 In FIG. 2, three types of samples A, B, and C are taken as examples, and the vertical axis represents the abnormal sound level when driven at a low voltage of 3 Vrms, and the horizontal axis represents the carrier frequency. Here, assuming that the carrier frequency is α, the film capacitor (C) emits an abnormal sound at a frequency 2α which is twice the carrier frequency due to the pulsating component described above. As the carrier frequency α, for example, a frequency of 5 kHz or more and 10 kHz or less can be used.
本実施形態においては、サンプルＡのフィルムコンデンサを用いる場合には、キャリア周波数の２倍の周波数２αを、サンプルＡのグラフにおける直近の極小値を示す周波数Ｘ１に合わせる。同様に、サンプルＢのフィルムコンデンサを用いる場合には、周波数２αを、サンプルＢのグラフにおける直近の極小値を示す周波数Ｘ２に合わせる。また、サンプルＣのフィルムコンデンサを用いる場合には、周波数２αを、サンプルＣのグラフにおける直近の極小値を示す周波数Ｘ３に合わせる。 In the present embodiment, when the film capacitor of the sample A is used, the frequency 2α, which is twice the carrier frequency, is adjusted to the frequency X1 indicating the nearest local minimum value in the graph of the sample A. Similarly, when the film capacitor of Sample B is used, the frequency 2α is adjusted to the frequency X2 indicating the nearest minimum value in the graph of Sample B. When the film capacitor of the sample C is used, the frequency 2α is adjusted to the frequency X3 indicating the nearest minimum value in the graph of the sample C.
なお、上述した周波数Ｘ１、Ｘ２及びＸ３は、必ずしもそれぞれの極小値に一致させる必要はない。すなわち、各極小値に隣接する極大点よりも異音レベルが低い周波数であればよい。この場合、極小点の近傍であればより好ましい。 Note that the frequencies X1, X2, and X3 described above do not necessarily need to match their respective minimum values. That is, any frequency may be used as long as the noise level is lower than the maximum point adjacent to each minimum value. In this case, it is more preferable to be near the minimum point.
なお、周波数２αは、各サンプルの異音レベルの最小値に合わせるのが理想的ではあるが、周波数２αの直近の極小点よりも離れた最小点にまで設計値の周波数２αを大きくずらすことになると、電力変換装置（10）構成する各回路の動作検証等が必要となり現実的ではない。また、キャリア周波数αを高くし過ぎると、インバータ回路（13）におけるスイッチング損失が大きくなる。一方、キャリア周波数αを低くし過ぎると、高調波フィルタであるリアクトル（L）自体を大きくする必要があり、また、そのエネルギー損失も増大する。 The frequency 2α is ideally adjusted to the minimum value of the abnormal sound level of each sample. However, the frequency 2α of the design value is largely shifted to a minimum point farther from the nearest minimum point of the frequency 2α. Then, operation verification of each circuit constituting the power conversion device (10) is required, which is not practical. If the carrier frequency α is too high, switching loss in the inverter circuit (13) increases. On the other hand, if the carrier frequency α is too low, it is necessary to increase the reactor (L) itself, which is a harmonic filter, and the energy loss increases.
従って、本実施形態においては、キャリア周波数の２倍の周波数２αを、異音レベルのグラフにおける直近の極小値を示す周波数に又はその近傍に合わせている。 Therefore, in the present embodiment, the frequency 2α, which is twice the carrier frequency, is set to or near the frequency indicating the latest minimum value in the graph of the noise level.
−実施形態１の効果−
実施形態１に係る電力変換装置によると、ＤＣリンク平滑用コンデンサにフィルムコンデンサ（C）を用いる電力変換装置（10）において、該フィルムコンデンサ（C）における異音レベルの周波数依存性を計測し、その異音レベルのグラフにおける、キャリア周波数αの２倍の周波数２αに近い極小値又はその近傍に、周波数２αの値を設定する。これにより、実施形態１に係る電力変換装置（10）は、フィルムコンデンサ（C）を封止する特別な構造又は異音吸収用の材料を用いることなく、該フィルムコンデンサ（C）からの異音を低減することができる。
-Effects of Embodiment 1-
According to the power converter according to the first embodiment, in the power converter (10) using the film capacitor (C) as the DC link smoothing capacitor, the frequency dependency of the abnormal sound level in the film capacitor (C) is measured. In the graph of the abnormal noise level, the value of the frequency 2α is set to a local minimum value near the frequency 2α which is twice the carrier frequency α or in the vicinity thereof. As a result, the power converter (10) according to the first embodiment can generate the abnormal noise from the film capacitor (C) without using a special structure for sealing the film capacitor (C) or a material for absorbing the abnormal noise. Can be reduced.
《その他の実施形態》
上記の実施形態１においては、電力変換装置（10）の製造時点で、キャリア周波数αの２倍の周波数２αは、組み込まれたフィルムコンデンサ（C）の異音レベルにおける該周波数２αの直近の極小値又はその近傍に設定されている。
<< Other embodiments >>
In the first embodiment, at the time of manufacture of the power converter (10), the frequency 2α, which is twice the carrier frequency α, is the local minimum of the frequency 2α at the abnormal sound level of the incorporated film capacitor (C). It is set at or near the value.
本実施形態においては、電力変換装置（10）の動作中に、異音レベルがより低い周波数に調整する。 In the present embodiment, during the operation of the power converter (10), the noise level is adjusted to a lower frequency.
一般に、電力変換装置（10）は、所定の出力値を超えた場合に異音レベルが大きくなる傾向にある。 In general, the power conversion device (10) tends to increase the abnormal noise level when a predetermined output value is exceeded.
そこで、本実施形態においては、例えば、組み込まれたフィルムコンデンサ（C）の異音レベルにおける該周波数２αの直近の極小値（例えば、図２に示すＸ１）を、図示しない制御装置のメモリ装置に格納しておく。電力変換装置（10）が所定の出力値を超えた場合には、通常の周波数２αを、メモリ装置から読み出したＸ１の値に動的に変更する。より詳細には、動作中のキャリア周波数αを（Ｘ１）／２の値に変更する。 Therefore, in the present embodiment, for example, the nearest minimum value (for example, X1 shown in FIG. 2) of the frequency 2α at the abnormal sound level of the incorporated film capacitor (C) is stored in a memory device of a control device (not shown). Store it. When the power converter (10) exceeds a predetermined output value, the normal frequency 2α is dynamically changed to the value of X1 read from the memory device. More specifically, the operating carrier frequency α is changed to a value of (X1) / 2.
このようにしても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。 Even in this case, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物又はその用途の範囲を制限することを意図しない。 The above embodiment is essentially a preferred example, and is not intended to limit the scope of the present invention, its application, or its use.
本発明は、ＤＣリンク平滑用コンデンサとしてのフィルムコンデンサからの異音を低減できる電力変換装置に有用である。 INDUSTRIAL APPLICATION This invention is useful for the power converter which can reduce the abnormal noise from the film capacitor as a DC link smoothing capacitor.
10 電力変換装置
11 コンバータ回路
12 ＤＣリンク部
13 インバータ回路（インバータ）
20 交流電源
30 モータ
C フィルムコンデンサ
L リアクトル
10 Power converter
11 Converter circuit
12 DC link
13 Inverter circuit (inverter)
20 AC power supply
30 motor
C film capacitor
L reactor
Claims (4)
前記インバータ（13）におけるキャリア周波数の２倍の周波数に依存して変動する、前記フィルムコンデンサ（C）から生じる異音のレベルにおける極小値又は該極小値の近傍のキャリア周波数を、前記インバータ（13）のキャリア周波数として用いることを特徴とする電力変換装置。 A power converter (10) including an inverter (13) and a film capacitor (C) for a DC link,
The minimum value or the carrier frequency near the minimum value at the level of the abnormal noise generated from the film capacitor (C), which fluctuates depending on twice the frequency of the carrier frequency in the inverter (13), A power conversion device characterized by being used as a carrier frequency.
前記キャリア周波数は、５ｋＨｚから１０ｋＨｚであることを特徴とする電力変換装置。 In claim 1,
The power conversion device, wherein the carrier frequency is 5 kHz to 10 kHz.
前記フィルムコンデンサ（C）から生じる異音レベルの、２倍のキャリア周波数による周波数依存性を取得し、該異音レベルにおける極小値又は該極小値の近傍の周波数と、前記インバータ（13）におけるキャリア周波数とを一致させることを特徴とする電力変換装置の製造方法。 A method of manufacturing a power converter (10) including an inverter (13) and a film capacitor (C) for a DC link,
The frequency dependence of the abnormal noise level generated from the film capacitor (C) by twice the carrier frequency is obtained, and the minimum value or a frequency near the minimum value at the abnormal noise level and the carrier in the inverter (13) are obtained. A method for manufacturing a power conversion device, wherein a frequency is matched.
前記キャリア周波数は、５ｋＨｚから１０ｋＨｚであることを特徴とする電力変換装置の製造方法。 In claim 3,
The method of manufacturing a power conversion device, wherein the carrier frequency is 5 kHz to 10 kHz.
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