JP2005094918A - Noise reduction circuit for power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、インバータ装置などの半導体スイッチング素子を含む電力変換装置のノイズ低減回路に関する。 The present invention relates to a noise reduction circuit of a power conversion device including a semiconductor switching element such as an inverter device.
図7に、3相誘導電動機を3相インバータにより駆動する誘導電動機駆動システムの例を示す。
図7では、交流電源1に整流器2の入力が、整流器2の出力にはコンデンサC0が、このコンデンサC0には半導体スイッチング素子Q1〜Q6で構成された3相インバータ回路3が、この3相インバータ回路3の出力にはモータ(3相誘導電動機)4がそれぞれ接続されている。3相インバータ回路3のスイッチング素子Q1〜Q6は、各相電圧指令と変調波とを比較して得たパルス幅変調信号(PWM信号またはパルス信号とも言う)でオン・オフ制御される。モータ4は、3相インバータ回路3の出力電圧で駆動される。
FIG. 7 shows an example of an induction motor drive system that drives a three-phase induction motor by a three-phase inverter.
In FIG. 7, the input of the
ここで、3相の正弦波出力電圧を得る方法として、3相分の正弦波信号と1つの三角波搬送波を用いた正弦波−三角波比較のPWMパルス生成法が一般的に用いられている。図8において、インバータの3相出力電位をそれぞれVu,Vv,Vw、コモンモード電位をVcとすると、電位Vcは次式で表わされる。
Vc=(Vu+Vv+Vw)/3 …(1)
図8に示すように、一般的な正弦波−三角波比較のPWMパルス生成法においては、
図8(5)のコモンモード電位が−Ed/2から+Ed/2まで、電位変動幅Ed/3で変化することがわかる。
Here, as a method for obtaining a three-phase sine wave output voltage, a sine wave-triangular wave comparison PWM pulse generation method using a three-phase sine wave signal and one triangular wave carrier is generally used. In FIG. 8, assuming that the three-phase output potential of the inverter is Vu, Vv, Vw and the common mode potential is Vc, the potential Vc is expressed by the following equation.
Vc = (Vu + Vv + Vw) / 3 (1)
As shown in FIG. 8, in the PWM pulse generation method of a general sine wave-triangular wave comparison,
It can be seen that the common mode potential in FIG. 8 (5) changes from −Ed / 2 to + Ed / 2 with the potential fluctuation range Ed / 3.
上記コモンモード電位変動によって、ケーブルやモータの浮遊容量が充放電し、その充放電電流が漏れ電流となって、モータのベアリング損傷や周辺機器の誤動作を引き起こすことがある。
これを解決する手段として、例えば特許文献1に示すものがある。図9,図10にこの特許文献1に図1,図2として示される、スイッチング状態図とデルタ結線負荷を駆動する3相電圧形インバータの結線図をそれぞれ示す。
Due to the common mode potential fluctuation, the stray capacitance of the cable and the motor is charged / discharged, and the charge / discharge current becomes a leakage current, which may cause damage to the motor bearing and malfunction of peripheral devices.
As means for solving this, for example, there is one shown in
上記特許文献1の方式は、図10に示すインバータ10の3相出力のうちの1相が直流中間回路の正側電位(図9のスイッチング状態では「1」に対応)に、他の1相が直流中間回路の負側電位(図9のスイッチング状態では「−1」に対応)に、残りの1相が直流中間回路の正側電位と負側電位との中間電位(図9のスイッチング状態では「0」に対応)になるようなスイッチングパターンのみを順次繰り返して、負荷となる交流機器30を駆動することを特徴としている。このようなスイッチングパターンのみを用いることにより、上記(1)式で示されるコモンモード電位は常に固定されるので、コモンモード電位変動によって発生する問題を解決することができる。
In the method of
また、別の解決手段として、特許文献2に図1として示す図11のようなものもある。
これは、インバータの出力部に接続されたコンデンサ8を用いてコモンモード電位変動を検出し、そのコモンモード電位変動を打ち消すような電圧をトランジスタ回路9で発生し、その電圧をコモンモードトランス11を介してインバータの出力部に印加するものである。こうすることで、インバータのPWMパルスパターンに関係なく、発生したコモンモード電位変動を打ち消すことができるため、コモンモード電位変動がなくなり、コモンモード電位変動によって発生する問題を解決できる。
Further, as another means for solving the problem, there is a method as shown in FIG.
This is because a common mode potential fluctuation is detected by using a capacitor 8 connected to the output section of the inverter, a voltage that cancels the common mode potential fluctuation is generated in the transistor circuit 9, and the voltage is applied to the common mode transformer 11. To be applied to the output of the inverter. By doing so, since the generated common mode potential fluctuation can be canceled regardless of the PWM pulse pattern of the inverter, the common mode potential fluctuation is eliminated, and the problem caused by the common mode potential fluctuation can be solved.
特許文献1に記載のものでは、コモンモード電位が固定されるため、以下のような新たな問題が発生する。
(1)スイッチングパターンを制限しているため、インバータの出力電圧範囲が低下する。
(2)3相出力の1相を直流中間回路の正側電位と負側電位との中間電位に固定するための付加回路が必要となる。
(3)負荷となる交流機器が、デルタ結線に限定される。
以上のことから、モータ駆動範囲が限定される、または、モータの結線方式が限定されることになる。また、上記付加回路によりシステム全体の大型化につながる。
In the device described in
(1) Since the switching pattern is limited, the output voltage range of the inverter is lowered.
(2) An additional circuit for fixing one phase of the three-phase output to an intermediate potential between the positive side potential and the negative side potential of the DC intermediate circuit is required.
(3) The AC device that is the load is limited to the delta connection.
From the above, the motor drive range is limited, or the motor connection method is limited. Further, the additional circuit leads to an increase in the size of the entire system.
一方、特許文献2に記載のものでは、モータ駆動範囲およびモータの結線方式が限定されずに、コモンモード電位変動をなくすことができるが、次のような問題がある。
(4)コモンモード電位が±Ed/2,±Ed/6の4レベルに変化するのに対応するため、キャンセル電圧を発生する回路は、トランジスタの活性領域を用いている。
(5)コモンモード電位が±Ed/2まで変化するため、コモンモードトランスの使用磁束密度が大きくなる。
On the other hand, the one described in
(4) In order to cope with the change of the common mode potential to four levels of ± Ed / 2 and ± Ed / 6, the circuit that generates the cancel voltage uses the active region of the transistor.
(5) Since the common mode potential changes to ± Ed / 2, the magnetic flux density used by the common mode transformer increases.
以上要するに、コモンモード電位変動を打ち消す回路の損失が増加したり、コモンモードトランスが大型化するという問題がある。
したがって、この発明で解決しようとする課題は、モータ駆動システム全体として小形化,低損失化を図ることにある。
In short, there is a problem that the loss of the circuit that cancels the common mode potential fluctuation increases and the common mode transformer is enlarged.
Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to reduce the size and loss of the entire motor drive system.
上記のような課題を解決するため、請求項1の発明では、交流電源に接続された整流回路と、前記整流回路の直流出力に接続された平滑回路およびインバータ回路とを有する電力変換装置において、前記インバータ回路を6個のスイッチング素子のブリッジ回路からなる3相出力構成とし、前記3相出力のうちの2相が前記整流回路の直流出力の正極側電位に、残る1相が前記整流回路の直流出力の負極側電位になるようなスイッチングパターンと、前記3相出力のうちの2相が前記整流回路の直流出力の負極側電位に、残る1相が前記整流回路の直流出力の正極側電位になるようなスイッチングパターンとの組み合わせで前記スイッチング素子をオン・オフし、所望の電圧を出力可能にしたことを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, in the invention of
また、請求項2の発明では、交流電源に接続された整流回路と、前記整流回路の直流出力に接続された平滑回路およびインバータ回路とを有する電力変換装置において、前記整流回路と並列に2つのスイッチング素子の直列回路を接続し、前記インバータ回路の出力部にコモンモードトランスの一次側巻線を接続し、前記コモンモードトランスの二次側巻線の一方の端子は、前記整流回路の直流出力部を同じ容量のコンデンサで分圧した中点に、また、前記コモンモードトランスの二次側巻線のもう一方の端子は、前記スイッチング素子の直列回路の中点にそれぞれ接続したことを特徴とする。
この請求項2の発明においては、前記スイッチング素子の直列回路の中点と前記コモンモードトランスの二次側巻線の一方の端子との間に、インピーダンス素子を接続することができる(請求項3の発明)。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a power converter having a rectifier circuit connected to an AC power source, and a smoothing circuit and an inverter circuit connected to a DC output of the rectifier circuit. A series circuit of switching elements is connected, a primary side winding of a common mode transformer is connected to an output part of the inverter circuit, and one terminal of a secondary side winding of the common mode transformer is a DC output of the rectifier circuit And the other terminal of the secondary winding of the common mode transformer is connected to the midpoint of the series circuit of the switching elements, respectively. To do.
In the invention of
請求項1の発明によれば、特別な付加回路を用いることなくコモンモード電位変動を低減できる。その結果、漏れ電流を低減できるだけでなく、フィルタに用いるコモンモードリアクトルの大きさを小型化することが可能となる。
特に、請求項2,3の発明によれば、簡単な構成でコモンモード電位変動を抑制でき、システム全体としての小型化,低損失化が実現できる。
According to the first aspect of the present invention, the common mode potential fluctuation can be reduced without using a special additional circuit. As a result, not only can the leakage current be reduced, but the size of the common mode reactor used for the filter can be reduced.
In particular, according to the second and third aspects of the invention, the common mode potential fluctuation can be suppressed with a simple configuration, and the entire system can be reduced in size and reduced in loss.
図1はこの発明の第1の実施の形態を説明する説明図である。
これは、図2のような従来と同様の三角波比較方式によって得られるパルスパターンを示している。図1のように、各相のパルスをずらすことによって、3相がすべて直流中間回路の正側電位の場合、または3相がすべて直流中間回路の負側電位の場合を発生させないことにより、コモンモード電位は図示のように、−Ed/6の電位と+Ed/6の電位の2レベルを繰り返すことになる。その結果、コモンモード電位の電位変動範囲をEdからEd/3に低減できる。また、キャリア周期内の出力電圧の平均値は各相とも従来方式と変わらないので、線間の出力電圧としては所望の電圧が出力されていることになる。
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
This shows a pulse pattern obtained by a conventional triangular wave comparison method as shown in FIG. As shown in FIG. 1, by shifting the pulse of each phase, it is possible to prevent the occurrence of the case where all three phases are the positive potential of the DC intermediate circuit or the case where all three phases are the negative potential of the DC intermediate circuit. As shown in the figure, the mode potential repeats two levels of -Ed / 6 and + Ed / 6. As a result, the potential fluctuation range of the common mode potential can be reduced from Ed to Ed / 3. In addition, since the average value of the output voltage within the carrier period is the same as that in the conventional method for each phase, a desired voltage is output as the output voltage between the lines.
ここで、インバータの出力電圧を平衡3相出力とした場合に、すべての出力電圧範囲において、コモンモード電位を−Ed/6と+Ed/6の2レベルにできることについて、以下に説明する。
図3に示すように、キャリア周波数の1周期内で直流中間回路の正側電位を出力している期間をtu,tv,twとし、直流中間回路の負側電位を出力している期間を1−tu,1−tv,1−twとする。コモンモード電位を−Ed/6と+Ed/6の2レベルにすると、3相の出力電位がすべてが直流中間回路の正側電位、または、負側電位になる期間ができないようにしなければならないので、少なくとも次式を満たす必要がある。
Here, it will be described below that the common mode potential can be set to two levels of -Ed / 6 and + Ed / 6 in the entire output voltage range when the output voltage of the inverter is a balanced three-phase output.
As shown in FIG. 3, the period during which the positive side potential of the DC intermediate circuit is output within one cycle of the carrier frequency is defined as tu, tv, tw, and the period during which the negative side potential of the DC intermediate circuit is output is 1 −tu, 1−tv, 1−tw. If the common mode potential is set to two levels of -Ed / 6 and + Ed / 6, it is necessary to prevent a period in which all the three-phase output potentials become the positive side potential or the negative side potential of the DC intermediate circuit. , At least the following formula must be satisfied.
(tu+tv+tw)?2 …(2)
(1−tu)+(1−tv)+(1−tw)?2 …(3)
上記(2),(3)式から、次式が導かれる。
1?(tu+tv+tw)?2 …(4)
(Tu + tv + tw)? 2 (2)
(1−tu) + (1−tv) + (1−tw)? 2 ... (3)
From the above equations (2) and (3), the following equation is derived.
1? (Tu + tv + tw)? 2 (4)
一方、3相出力電圧の指令信号をVu*=a・sinωt,Vv*=a・sin(ωt−2π/3),Vw*=a・sin(ωt+2π/3)とおくと、三角波搬送波との関係より、tu,tv,twは以下のように表わされる。
tu=(1+sinωt)/2 …(5)
tv=[1+sin(ωt−2π/3)]/2 …(6)
tw=[1+sin(ωt+2π/3)]/2 …(7)
On the other hand, if the command signals of the three-phase output voltage are Vu * = a · sin ωt, Vv * = a · sin (ωt−2π / 3), Vw * = a · sin (ωt + 2π / 3), a triangular wave carrier wave Therefore, tu, tv, and tw are expressed as follows.
tu = (1 + sinωt) / 2 (5)
tv = [1 + sin (ωt−2π / 3)] / 2 (6)
tw = [1 + sin (ωt + 2π / 3)] / 2 (7)
上記(5)〜(7)式から、次式となる。
tu+tv+tw=(1+sinωt)/2+[1+sin(ωt−2π/3)]/2
+[1+sin(ωt+2π/3)]/2
=[1+sinωt+sin(ωt−2π/3)
+sin(ωt+2π/3)]/2=1.5
よって、平衡3相出力においては、tu+tv+tw=1.5となり、すべての出力範囲で先の(4)式を満たすことが分かる。また、ここでは詳述しないが、(4)式を満たす範囲であれば、例えば可変調時でも2アーム変調時でも、同様の考え方でコモンモード電位変動を−Ed/6と+Ed/6の2レベルで動作させることができる。
From the above equations (5) to (7), the following equation is obtained.
tu + tv + tw = (1 + sin ωt) / 2 + [1 + sin (ωt−2π / 3)] / 2
+ [1 + sin (ωt + 2π / 3)] / 2
= [1 + sin ωt + sin (ωt−2π / 3)
+ Sin (ωt + 2π / 3)] / 2 = 1.5
Therefore, in the balanced three-phase output, tu + tv + tw = 1.5, and it can be seen that the above expression (4) is satisfied in the entire output range. Although not described in detail here, if the range satisfies the expression (4), the common mode potential fluctuation is −2 of −Ed / 6 and + Ed / 6 in the same way, for example, at the time of modulation and at the time of two-arm modulation. Can be operated on level.
図4にこの発明の第2の実施形態を示す。
これは、図7に示す従来回路に、スイッチング素子の直列回路5とコモンモードトランス6を付加して構成される。その動作について説明する。PWMパルスパターンは図1と同じとし、例えばそのパルスパターンが図1に示す期間T1から期間T2に移った場合を考える。この場合、コモンモード電位は−Ed/6から+Ed/6に変化するので、このコモンモード電位変動を打ち消す方向の電圧を、コモンモードトランス6の二次側巻線より一次側に供給すべく、例えば、スイッチング素子の直列回路5の上アームスイッチQ7をオンとし、下アームスイッチQ8をオフとする。
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
This is configured by adding a
これにより、コモンモードトランス6の二次側には、図4に示す方向で大きさがEd/2の電圧が印加される。そこで、コモンモードトランス6の巻数比を2:3にしておけば、コモンモードトランス6の一次側には図4に点線で示す方向で、大きさがEd/3の電圧が印加されることになり、これにてコモンモード電位変動が相殺され、浮遊容量による充放電電流は流れなくなる。
As a result, a voltage of Ed / 2 in the direction shown in FIG. 4 is applied to the secondary side of the
同様にして、図の期間T2から期間T3に移った場合は、コモンモード電位はEd/6から−Ed/6に変化するので、このコモンモード電位変動を打ち消すように、スイッチング素子の直列回路5の上アームスイッチQ7をオフとし、下アームスイッチQ8をオンとすることにより、上記と同様にしてコモンモード電位変動が相殺され、浮遊容量による充放電電流は流れないようになる。
Similarly, when the period transitions from the period T2 to the period T3 in the figure, the common mode potential changes from Ed / 6 to -Ed / 6. Therefore, the
図5に図4の変形例である、この発明の第3の実施形態を示す。(a)にシステム構成図、(b)にインピーダンス要素の具体例を示す。
図5(a)からも明らかなように、図4に対しスイッチング素子の直列回路5とコモンモードトランス6との間に、インピーダンス要素7を接続した点が特徴である。このインピーダンス要素7の作用は、所望の周波数帯域のコモンモード電圧だけをコモンモードトランス6の二次側に印加することで、いわばフィルタとしての作用である。インピーダンス要素の例としては、例えば(b)に示すような、コンデンサ8と抵抗9との直列接続回路がある。
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention which is a modification of FIG. (A) shows a system configuration diagram, and (b) shows a specific example of an impedance element.
As is apparent from FIG. 5A, the characteristic feature is that an impedance element 7 is connected between the
基本的な動作は図4と同じであるが、コモンモードトランス6の二次側に電圧を印加するに当たり、コンデンサ8によって低周波成分がカットされるため、コモンモードトランス6に印加される電圧が、図6の実線のように制限されることになる。これにより、コモンモード電位変動でキャンセルされる部分は高周波数に限定されるが、その分、コモンモードトランス6を小型化できることになる。インピーダンス要素の例としてコンデンサと抵抗との直列接続回路を用いたが、所望の周波数帯域をコモンモードトランスの二次側に印加できる構成であれば、いかなるものも用いることができる。
The basic operation is the same as in FIG. 4, but when applying a voltage to the secondary side of the
1…交流電源、2…整流器、3…インバータ回路、4…モータ、5…スイッチング素子の直列接続回路、6…コモンモードトランス、7…インピーダンス要素、8,C0…コンデンサ、9…抵抗器、Q1〜Q8…スイッチング素子。
1 ... AC power source, 2 ... a rectifier, 3 ... inverter circuit, 4 ... motor, the series connection circuit of 5 ... switching device, 6 ... common mode transformer, 7 ... impedance element, 8, C 0 ... capacitor, 9 ... resistors, Q1-Q8 ... switching elements.
Claims (3)
前記インバータ回路を6個のスイッチング素子のブリッジ回路からなる3相出力構成とし、前記3相出力のうちの2相が前記整流回路の直流出力の正極側電位に、残る1相が前記整流回路の直流出力の負極側電位になるようなスイッチングパターンと、前記3相出力のうちの2相が前記整流回路の直流出力の負極側電位に、残る1相が前記整流回路の直流出力の正極側電位になるようなスイッチングパターンとの組み合わせで前記スイッチング素子をオン・オフし、所望の電圧を出力可能にしたことを特徴とする電力変換装置のノイズ低減回路。 In a power converter having a rectifier circuit connected to an AC power source, and a smoothing circuit and an inverter circuit connected to a DC output of the rectifier circuit,
The inverter circuit has a three-phase output configuration composed of a bridge circuit of six switching elements, two of the three-phase outputs are at the positive side potential of the DC output of the rectifier circuit, and the remaining one phase is the rectifier circuit A switching pattern that becomes a negative side potential of the DC output, and two phases of the three-phase outputs are at a negative side potential of the DC output of the rectifier circuit, and the remaining one phase is a positive side potential of the DC output of the rectifier circuit A noise reduction circuit for a power converter, wherein the switching element is turned on / off in combination with a switching pattern such that a desired voltage can be output.
前記整流回路と並列に2つのスイッチング素子の直列回路を接続し、前記インバータ回路の出力部にコモンモ−ドトランスの一次側巻線を接続し、前記コモンモ−ドトランスの二次側巻線の一方の端子は、前記整流回路の直流出力部を同じ容量のコンデンサで分圧した中点に、また、前記コモンモ−ドトランスの二次側巻線のもう一方の端子は、前記スイッチング素子の直列回路の中点にそれぞれ接続したことを特徴とする電力変換装置のノイズ低減回路。 In a power converter having a rectifier circuit connected to an AC power source, and a smoothing circuit and an inverter circuit connected to a DC output of the rectifier circuit,
A series circuit of two switching elements is connected in parallel with the rectifier circuit, a primary winding of a common mode transformer is connected to the output of the inverter circuit, and one of the secondary windings of the common mode transformer is connected Is connected to the middle point obtained by dividing the DC output portion of the rectifier circuit with a capacitor having the same capacity, and the other terminal of the secondary winding of the common mode transformer is a series circuit of the switching elements. A noise reduction circuit for a power conversion device, characterized by being connected to each of the midpoints.
The power conversion device according to claim 2, wherein an impedance element is connected between a midpoint of the series circuit of the switching elements and one terminal of the secondary winding of the common mode transformer. Noise reduction circuit.
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