CN102474171A - 输出滤波器和具有该输出滤波器的电动机驱动系统 - Google Patents

Abstract

提供如下的输出滤波器和具有该输出滤波器的电动机驱动系统：大幅降低载波频率成分的共模电压，并且，即使改变电力变换装置的载波频率而使电动机运转，也能够防止载波频率接近输出滤波器的谐振频率而激励与电力变换装置的输出电压重叠的共模电压。在连接于电力变换装置(100)与电动机(105)之间的输出滤波器(101)中，旁通电路(104)具有多个电容不同的电容器(Cfa、Cfb)和多个旁通路径切换开关(106a、106b)，对应于电力变换装置(100)的载波频率的设定变更，来选择与中性点检测电路(103)串联连接的电容器(Cfa、Cfb)，切换旁通路径切换开关(106a、106b)。

Description

输出滤波器和具有该输出滤波器的电动机驱动系统

技术领域

本发明涉及输出滤波器和具有该输出滤波器的电动机驱动系统。

背景技术

作为电动机驱动系统所具有的电力变换装置的输出侧中的一般问题，可列举高频漏电流以及由于该高频漏电流引起的传导EMI(Electro Magnetic Interference：电磁干扰噪声)、辐射EMI以及电动机轴承部的电蚀等。作为这种问题的解决对策，在日本特开平9-84357号公报中公开了在电力变换装置的输出侧插入输出滤波器的方法。

在日本特开平9-84357号公报中记载了：输出滤波器由共模电压分压器、与共模电压分压器的输出并联连接的中性点检测电路、与中性点检测电路103的输出串联连接的旁通(bypass)电路构成。该输出滤波器在共模中构成由共模电压分压器的电感器L、以及中性点检测电路和旁通电路的电容器C实现的L-C低通滤波器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-84357号公报

发明内容

发明要解决的课题

上述输出滤波器构成L-C低通滤波器，所以，存在由电感器L和电容器C的常数值决定的谐振频率。通常，该谐振频率被设定为远远低于电力变换装置的载波频率、且远远高于运转频率。并且，在具有输出滤波器的电力变换装置中，在改变电力变换装置的载波频率的设定而使电动机运转的情况下，当载波频率接近输出滤波器的谐振频率时，会产生与电力变换装置的输出电压重叠的共模电压被激励而放大并成为过电压的现象，存在无法改变载波频率的设定值而使电动机运转的问题。

本发明是鉴于这种问题而完成的，提供如下的输出滤波器和具有该输出滤波器的电动机驱动系统：在改变电力变换装置的载波频率的设定值而使电动机运转的情况下，能够防止与电力变换装置的输出电压重叠的共模电压的激励。

用于解决课题的手段

为了解决上述问题，本发明的代表性的结构如下构成。输出滤波器配置在供给用于驱动3相电动机的电力的电力变换装置的输出与3相电动机之间，具有根据电力变换装置的载波频率的设定值来变更谐振频率的设定值的结构。

并且，本发明的另一代表性的结构如下构成。电动机驱动系统具有：3相电动机；电力变换装置，其供给用于驱动3相电动机的电力；以及输出滤波器，其配置在电力变换装置的输出与3相电动机之间，具有根据电力变换装置的载波频率的设定值来变更谐振频率的设定值的结构。

发明效果

根据本发明，电动机驱动系统能够对应于电力变换装置的载波频率的设定变更来改变输出滤波器的谐振频率，所以，能够防止谐振频率与载波频率接近而使与电力变换装置的输出电压重叠的共模电压被激励而放大并成为过电压的现象。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式的输出滤波器和具有该输出滤波器的电动机驱动系统的结构的图。

图2是旁通电路104的结构图。

图3是旁通路径切换开关106a、106b的结构图。

图4是输出滤波器101的共模中的增益特性图。

图5A是载波频率fc＝15kHz时的共模电压Vc1和Vc2的仿真波形图，图5B是载波频率fc＝5kHz时的共模电压Vc1和Vc2的仿真波形图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的实施方式。

实施例1

图1是本发明的实施方式的输出滤波器和具有该输出滤波器的电动机驱动系统的结构图。在图1中，电动机驱动系统具有电力变换装置100和输出滤波器101，对电动机105进行驱动。

电力变换装置100的输入端子r、s、t与商用电源连接，输出端子u、v、w是未图示的PWM逆变器的输出端子。输出滤波器101连接在电力变换装置100与电动机105之间。

输出滤波器101具有共模电压分压器102、与共模电压分压器102的输出端子u2、v2、w2并联连接的中性点检测电路103、与中性点检测电路103的输出端子f1串联连接的旁通电路109。

共模电压分压器102由电感值Lc的共模扼流圈构成。中性点检测电路103由电容器C和中性点检测变压器构成。该中性点检测变压器由3相电抗器108构成，其一次侧的一个端子与电容器C的一端连接，并且，其一次侧的另一端成为星形接线而生成中性点，该电容器C分散连接于共模电压分压器102的输出端子u2、v2、w2的各相。并且，3相电抗器108的二次侧进行三角接线。

该中性点检测变压器108在共模电压分压器102的输出端子u2、v2、w2的各相相互之间作为通常的电感器发挥作用，但是，各相与中性点之间的合成后的共模电感为零。因此，在考察共模电压时，可能忽略该中性点检测变压器。另外，设该中性点检测变压器的中性点为中性点检测电路103的输出端子f1。

旁通电路104具有后述的结构，一端f2与中性点检测电路的输出端子f1连接，另一端f3与电力变换装置100的中性点n连接。该旁通电路104的阻抗被选定为远远低于电动机105的绕组与框架之间的寄生电容、以及布线(接地线)的电阻和电感器的阻抗。另外，关于该中性点n，在电力变换装置100所包含的未图示的整流电路的直流输出电压的端子之间并联连接2个串联连接的相同电容的电容器，设这2个电容器的连接点为中性点n。

这样，输出滤波器101在共模中可视为由共模电压分压器102的电感器Lc、以及中性点检测电路103的电容器C和旁通电路104的电容器Cfa、Cfb实现的L-C低通滤波器。

另外，与输出滤波器101的输入侧以及输出侧连接的Y接线的共模电压测定用电容器110用于测定和观测共模电压Vc1、Vc2。

这里，对如下现象进行说明，该现象是：在具有输出滤波器的电力变换装置中，在改变电力变换装置的载波频率的设定值而使电动机运转的情况下，当载波频率接近输出滤波器的谐振频率时，与电力变换装置的输出电压重叠的共模电压被激励而放大。

如图1所示，在经由共模电压观测用电容器110a针对电力变换装置100的输出端子u、v、w生成了电中性点的情况下，该中性点处的对地间电压为共模电压Vc1。该共模电压Vc1成为以载波频率为基波的脉冲状的电压波形。该共模电压Vc1由(1)式表示。

Vc1＝(Vug+Vvg+Vwg)/3…(1)

其中，Vc1是共模电压，Vug、Vvg、Vwg是以“地”(GND)为基准的电力变换装置100的各输出相电压。

该共模电压Vc1以载波频率为基波，所以，当载波频率接近输出滤波器的谐振频率而产生谐振时，共模电压Vc1也被该谐振激励而放大。因此，在以往的具有输出滤波器的电力变换装置中，在改变电力变换装置的载波频率的设定而使电动机运转的情况下，当载波频率接近输出滤波器的谐振频率时，会产生与电力变换装置的输出电压重叠的共模电压被激励而放大并成为过电压的现象，存在无法改变载波频率的设定值而使电动机运转的问题。

下面，说明旁通电路104的结构。图2是旁通电路104的结构图。旁通电路104具有旁通路径切换开关106a、106b、电容不同的电容器Cfa和Cfb、以及电阻Rf。在图中，旁通路径切换开关106a、106b分别串联连接有电容器Cfa和Cfb，使这2个串联电路并联连接，并且，将电阻Rf与该并联电路串联连接。

电阻Rf的作用效果根据电力变换装置100的未图示的PWM逆变器的控制方法(2相调制方式或3相调制方式)而变化。例如，在以2相调制方式使电力变换装置100运转的情况下，共模电压具有谐振成分，与输出滤波器的谐振频率发生谐振。电阻Rf抑制该谐振频率的谐振。

图3是旁通路径切换开关106a、106b的结构图。在图中，旁通路径切换开关106a、106b由双向开关构成，利用来自未图示的控制电路的切换信号Vs1^*和Vs2^*进行该双向开关的接通/断开(开/闭)控制，该双向开关是以通电方向分别为相反方向的方式串联连接两个具有与晶体管或IGBT逆向并联连接的二极管的半导体开关而得到的。利用该接通/断开(开/闭)控制来选择并切换旁通路径。即，通过电力变换装置100的载波频率f的设定值的变更，如式(2)或式(3)那样切换旁通电路104的阻抗Z。

Z＝Rf+1/(j2πfCfa)…(2)

Z＝Rf+1/(j2πfCfb)…(3)

这样，通过使用旁通路径切换开关106a、106b选择并切换旁通路径，能够改变输出滤波器101的谐振频率。

另外，图3所示的作为旁通路径切换开关106a、106b的双向开关的结构示出一例，并不限于此。例如，也可以逆向并联连接单向开关来作为双向开关，该单向开关是将二极管与晶体管或IGBT串联连接而得到。

图4是输出滤波器101的共模中的增益特性图。如上所述，输出滤波器101能够视为共模中的等效L-C低通滤波器。该等效L-C低通滤波器是2次的低通滤波器，能够通过旁通电路104的双向开关106a、106b来切换谐振频率fr。即，该谐振频率fr由式(4)或式(5)表示。

fra＝1/(2π(Lc·Ctotal_a)^1/2)…(4)

frb＝1/(2π(Lc·Ctotal_b)^1/2)…(5)

其中，Ctotal_a＝(3C·Cfa)/(3C+Cfa)，Ctotal_b＝(3C·Cfb)/(3C+Cfb)，谐振频率fra是对旁通电路104的双向开关106a进行接通控制时的谐振频率，谐振频率frb是对旁通电路104的双向开关106b进行接通控制时的谐振频率。

在图中，设电动机驱动系统使电动机在运转频率f0的范围内运转，在变更电力变换装置的载波频率fc的设定值进行运转的情况下，将谐振频率fra设定为远远低于电力变换装置的载波频率fc＝15kHz、且远远高于运转频率f₀。并且，将谐振频率frb设定为远远低于载波频率fc＝5kHz、且远远高于电动机的运转频率。

另外，该“远远”的级别根据具体用途而不同，无法一律定义，但是，需要设定式(4)、式(5)的谐振频率值，以便满足电动机的噪声或振动级别已确定的规格条件，并且能够符合以CISPR11或IEC61800-3等为代表的传导EMI的规格条件。

作为一例，如果能够满足下式(7)，则至少能够防止由于激励而产生过电压等不良情况。

20log|Vc2/Vc1|＜0…(7)

这样，通过利用旁通路径切换开关106a、106b切换旁通路径，能够改变输出滤波器101的谐振频率。

图5A是电力变换装置的载波频率fc的设定值为15kHz时、输出滤波器101的输入输出处的共模电压Vc1和Vc2的仿真波形，图5B是电力变换装置的载波频率fc的设定值为5kHz时、输出滤波器101的输入输出处的共模电压Vc1和Vc2的仿真波形图。关于各仿真条件，在图5A的情况下，运转频率为60Hz、Lc＝4mH、Ctotal_a＝0.25μF，在图5B的情况下，运转频率为60Hz、Lc＝4mH、Ctotal_b＝5.0μF。另外，在图5A和图5B中，如上所述，通过电力变换装置100的载波频率fc的设定值的变更，如式(2)或式(3)那样切换旁通电路104的阻抗Z。

在图5A中，与输出滤波器101的输入处的共模电压Vc1相比，输出滤波器101的输出处的共模电压Vc2大幅降低。这是因为，根据图4中的增益特性图可知，在载波频率fc＝15kHz处，具有谐振频率fra的输出滤波器101的衰减特性增大。

在图5B中，与输出滤波器101的输入处的共模电压Vc1相比，输出滤波器101的输出处的共模电压Vc2大幅降低。这是因为，根据图4中的增益特性图可知，通过改变旁通电路104的阻抗，从输出滤波器101的谐振频率fra降低为谐振频率frb，在载波频率fc＝5kHz时，具有谐振频率frb的输出滤波器101的衰减特性增大。

这样，利用旁通路径切换开关106a、106b，对应于电力变换装置的载波频率的设定值的变化来切换旁通路径，由此，能够防止与电力变换装置的输出电压重叠的共模电压被激励而放大并成为过电压的现象，进而，由于该输出滤波器101的衰减效果，能够将其降低。其结果，即使改变载波频率的设定值，也能够进行电动机的运转。

另外，在本发明的实施例中，作为改变载波频率的设定值时的旁通路径切换开关，说明了106a和106b的双电路的切换结构，但是，在较宽的频率范围内变更载波频率的用途中，例如在多阶段地变更载波频率的情况下或者连续变更载波频率的情况下，当然也可以将旁通路径切换开关设为双电路以上的多级结构的切换电路。

并且，即使在改变载波频率的设定值而使电动机运转的用途的情况下，也能够构成衰减特性更大的输出滤波器，所以，还具有如下效果：能够提供进一步降低了电力变换装置中的高频噪声的影响、更加考虑环境的逆变器装置等的电力变换装置。

产业上的可利用性

在本发明的实施方式中，说明了如下方法：在使用电力变换装置的电动机驱动系统中，对改变载波频率的设定值而使电动机运转时的共模电压的激励进行抑制。

不限于这种例子，在电源装置等中，在改变开关的载波频率的设定值来实现电源特性的改善的用途中，通过对应于载波频率的设定值的变化来切换输出滤波器的旁通路径，能够改变输出滤波器的谐振点，所以，即使自由地变更载波频率的设定值，也能够防止由于共模电压的激励而产生过电压。

标号说明

100电力变换装置

101输出滤波器

102共模电压分压器

103中性点检测电路

104旁通电路

105电动机

106a、106b旁通路径切换开关(双向开关)

108中性点检测用变压器

110a、110b共模电压测定用电容器

C、Cfa、Cfb电容器

Rf电阻

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)一种输出滤波器，该输出滤波器配置在电力变换装置的输出与3相电动机之间，该电力变换装置供给用于驱动所述3相电动机的电力，并且变更载波频率的设定值而使所述3相电动机运转，其特征在于，

所述输出滤波器具有如下结构：为了抑制与所述电力变换装置的输出电压重叠的共模电压的激励，能够进行选择变更，使滤波器谐振频率的设定值低于所变更的所述载波频率的设定值。

2.(修改后)根据权利要求1所述的输出滤波器，其特征在于，

所述输出滤波器具有：

共模电压分压器，在该共模电压分压器中，在所述电力变换装置的各相输出与所述3相电动机的各相之间分别串联连接有共模扼流圈；

中性点检测电路，其具有3相电抗器，所述3相电抗器的1次侧各自的一端经由电容器与所述共模电压分压器的输出连接，并且所述3相电抗器的1次侧的另一端进行了星形接线，所述3相电抗器的2次侧进行了三角接线；以及

旁通电路，其一端与所述3相电抗器的1次侧的另一端以及电容器的一端连接，另一端与所述电力变换器的中性点以及电阻的一端连接，并且，具有多个连接所述电容器的另一端与双向切换开关的一端而构成的串联连接体，在该旁通电路中，所述电容器的一端彼此和所述双向切换开关的另一端彼此分别并联连接，所述双向切换开关的另一端彼此和电阻的另一端连接。

3.(删除)

4.(删除)

5.(修改后)根据权利要求2所述的输出滤波器，其特征在于，

选择变更所述旁通电路的路径，使得在设所述共模电压分压器的输入侧和输出侧的共模电压分别为Vc1、Vc2的情况下，所述输出滤波器满足20log|Vc2/Vc1|＜0的条件。

6.(修改后)一种电动机驱动系统，其特征在于，该电动机驱动系统具有：

3相电动机；

电力变换装置，其供给用于驱动所述3相电动机的电力，并且变更载波频率的设定值而使所述3相电动机运转；以及

输出滤波器，其配置在所述电力变换装置的输出与所述3相电动机之间，并且具有如下结构：为了抑制与所述电力变换装置的输出电压重叠的共模电压的激励，能够进行选择变更，使滤波器谐振频率的设定值低于所变更的所述载波频率的设定值。

7.(修改后)根据权利要求6所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述输出滤波器具有：

共模电压分压器，在该共模电压分压器中，在所述电力变换装置的各相输出与所述3相电动机的各相之间分别串联连接有共模扼流圈；

中性点检测电路，其具有3相电抗器，所述3相电抗器的1次侧各自的一端经由电容器与所述共模电压分压器的输出连接，并且所述3相电抗器的1次侧的另一端进行了星形接线，所述3相电抗器的2次侧进行了三角接线；以及

旁通电路，其一端与所述3相电抗器的1次侧的另一端以及电容器的一端连接，另一端与所述电力变换器的中性点以及电阻的一端连接，并且，具有多个连接所述电容器的另一端与双向切换开关的一端而构成的串联连接体，在该旁通电路中，所述电容器的一端彼此和所述双向切换开关的另一端彼此分别并联连接，所述双向切换开关的另一端彼此和电阻的另一端连接。

8.(删除)

9.(删除)

10.(修改后)根据权利要求7所述的电动机驱动系统，其特征在于，

选择变更所述旁通电路的路径，使得在设所述共模电压分压器的输入侧和输出侧的共模电压分别为Vc1、Vc2的情况下，所述输出滤波器满足20log|Vc2/Vc1|＜0的条件。

说明或声明(按照条约第19条的修改)

根据专利合作条约第19条的修改

具体修改包括：

1.删除了原权利要求3、4、8、9。

2.权利要求1的修改基于说明书第3页28行-第4页2行、第4页16行-第5页26行的内容。

3.权利要求2的修改基于说明书第3页8行-第3页25行、第4页16行-第5页26行的内容。

4.权利要求5的修改基于说明书第4页16行-第5页26行的内容。

5.将权利要求5的引用关系修改为引用权利要求2。

6.权利要求6的修改基于说明书第3页28行-第4页2行、第4页16行-第5页26行的内容。

7.权利要求7的修改基于说明书第3页8行-第3页25行、第4页16行-第5页26行的内容。

8.权利要求10的修改基于说明书第4页16行-第5页26行的内容。

9.将权利要求10的引用关系修改为引用权利要求7。

Claims (10)

1.一种输出滤波器，其特征在于，该输出滤波器配置在电力变换装置的输出与3相电动机之间，该电力变换装置供给用于驱动所述3相电动机的电力，该输出滤波器具有根据所述电力变换装置的载波频率的设定值来变更谐振频率的设定值的结构。

2.根据权利要求1所述的输出滤波器，其特征在于，

所述输出滤波器具有：

共模电压分压器，在该共模电压分压器中，在所述电力变换装置的各相输出与所述3相电动机的各相之间分别串联连接有共模扼流圈；

中性点检测电路，其具有3相电抗器，所述3相电抗器的1次侧的一端经由第1电容器、第2电容器、第3电容器分别与所述电力变换装置的各相输出连接，所述3相电抗器的1次侧的另一端进行了星形接线，所述3相电抗器的2次侧进行了三角接线；以及

旁通电路，在该旁通电路中，并联连接有多个由旁通路径切换开关和电容器构成的串联连接体，并联连接的所述电容器侧的端子与所述3相电抗器的1次侧的另一端连接，并联连接的所述旁通路径切换开关侧的端子与电阻的一端串联连接。

3.根据权利要求1或2所述的输出滤波器，其特征在于，

所述旁通路径切换开关由使用半导体元件的双向开关构成。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的输出滤波器，其特征在于，

对所述第1电容器、第2电容器、第3电容器和所述旁通电路内的电容器进行了设定，使所述输出滤波器成为低于所述载波频率的设定值且高于所述3相电动机的运转频率的所述谐振频率。

5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的输出滤波器，其特征在于，

对所述第1电容器、第2电容器、第3电容器和所述旁通电路内的电容器进行了设定，使得在设所述共模电压分压器的输入侧和输出侧的共模电压分别为Vc1、Vc2的情况下，所述输出滤波器满足20log|Vc2/Vc1|＜0的条件。

6.一种电动机驱动系统，其特征在于，该电动机驱动系统具有：

3相电动机；

电力变换装置，其供给用于驱动所述3相电动机的电力；以及

输出滤波器，其配置在所述电力变换装置的输出与所述3相电动机之间，具有根据所述电力变换装置的载波频率的设定值来变更谐振频率的设定值的结构。

7.根据权利要求6所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述输出滤波器具有：

共模电压分压器，在该共模电压分压器中，在所述电力变换装置的各相输出与所述3相电动机的各相之间分别串联连接有共模扼流圈；

中性点检测电路，其具有3相电抗器，所述3相电抗器的1次侧的一端经由第1电容器、第2电容器、第3电容器分别与所述电力变换装置的各相输出连接，所述3相电抗器的1次侧的另一端进行了星形接线，所述3相电抗器的2次侧进行了三角接线；以及

旁通电路，在该旁通电路中，并联连接有多个由旁通路径切换开关和电容器构成的串联连接体，并联连接的所述电容器侧的端子与所述3相电抗器的1次侧的另一端连接，并联连接的所述旁通路径切换开关侧的端子与电阻的一端串联连接，

所述电阻的另一端与所述电力变换装置的中性点连接。

8.根据权利要求6或7所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述旁通路径切换开关由使用半导体元件的双向开关构成。

9.根据权利要求6～8中的任意一项所述的电动机驱动系统，其特征在于，

对所述第1电容器、第2电容器、第3电容器和所述旁通电路内的电容器进行了设定，使所述输出滤波器成为低于所述载波频率的设定值且高于所述3相电动机的运转频率的所述谐振频率。

10.根据权利要求6～9中的任意一项所述的电动机驱动系统，其特征在于，

对所述第1电容器、第2电容器、第3电容器和所述旁通电路内的电容器进行了设定，使得在设所述共模电压分压器的输入侧和输出侧的共模电压分别为Vc1、Vc2的情况下，所述输出滤波器满足20log|Vc2/Vc1|＜0的条件。

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