インバータシステム
【課題】 電力変換器と交流回転機とからなるインバータシステムにおいて、交流回転機部に生じる過電圧を、低コストの装置構成により抑制する。また、上記過電圧を適切に抑制することができる交流回転機、および電力変換器を提供する。
【解決手段】 電力変換器１と、３相交流回転機３と、上記電力変換器１と上記３相交流回転機３とを接続し、接地線Ｇｃと３相給電線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃとを同一ケーブルとした少なくとも４芯の長さが等しい３本の非同軸ケーブルＨｃ、Ｉｃ、Ｊｃとを備え、上記３相給電線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃと上記接地線Ｇｃとの間の静電容量が３相でほぼ等しくなるように、長さが等しい上記３本の非同軸ケーブルＨｃ、Ｉｃ、Ｊｃをねん架して接続した。
【解決手段】 電力変換器１と、３相交流回転機３と、上記電力変換器１と上記３相交流回転機３とを接続し、接地線Ｇｃと３相給電線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃとを同一ケーブルとした少なくとも４芯の長さが等しい３本の非同軸ケーブルＨｃ、Ｉｃ、Ｊｃとを備え、上記３相給電線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃと上記接地線Ｇｃとの間の静電容量が３相でほぼ等しくなるように、長さが等しい上記３本の非同軸ケーブルＨｃ、Ｉｃ、Ｊｃをねん架して接続した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式の電力変換器と、３相ケーブルを介してこの電力変換器に接続される交流回転機とからなるインバータシステムにおいて、システム動作時に交流回転機部に発生するサージ過電圧を抑制するインバータシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＷＭ方式の電力変換装置では、出力段回路のスイッチング素子を高周波のキャリア信号によってオンオフすることで出力電圧を調整している。一方、この電力変換装置と交流回転機（電動機や発電機）とを接続する３相ケーブルでは、ケーブルの長さに応じた抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌとが存在し、また線間や対地間に静電容量Ｃが存在する。その結果、電力変換装置から３相ケーブルに急峻な変化をする電圧を出力すると、ＲＬＣによる共振によって交流回転機の端子部に過電圧が印加される。そこで、従来から交流回転機の端子部に過電圧が発生するのを抑制する目的で、過電圧抑制手段を併設するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１では、交流から直流に変換する順変換器と、その直流を交流に変換する逆変換機とからなる入出力非絶縁型電力変換装置において、コンデンサとリアクトルとからなる交流出力フィルタのコンデンサ中性点を直流回路部と接続することにより、回転機給電端子部の過電圧を抑制する方式の過電圧抑制手段が開示されている。
【０００４】
また、電力変換器と交流回転機とからなる駆動装置において、従来、電力変換器より発生するコモンモードノイズが外部機器に悪影響を与えるのを抑制するために、電力変換器の出力端子と交流回転機の入力端子との接続に同軸ケーブルの芯線を用い、同軸ケーブルの外部導体の両端をそれぞれ電力変換器のフレーム（接地端子）と交流回転機のフレーム（接地端子）とに接続するものがあった（例えば、特許文献２参照。）。このような駆動装置では、コモンモードノイズの抑制が目的であり、回転機内部のサージ過電圧の抑制を目的とはしていないが、単芯の同軸ケーブルを３本あるいは３芯の同軸ケーブルを使用することで、結果として交流回転機の端子部に過電圧が発生するのを抑制することを回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２９４３８１号公報
【特許文献１】特開平１０−１３５６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の過電圧抑制方式では、３相すべてに同じ交流出力フィルタを接続しており、フィルタとして割高となる。
また、特許文献２に開示される駆動装置では、単芯の同軸ケーブルを３本あるいは３芯の同軸ケーブルを使用することで、結果として過電圧の発生を抑制しているが、同軸ケーブル、特に多芯の同軸ケーブルはビニルキャブタイヤケーブルに比べて極めて高価であり、特に低容量クラスのインバータシステムにおいては、ケーブル長が長くなると、インバータおよび回転機にかかる費用よりも多芯の同軸ケーブルにかかる費用のほうが割高になる場合があるといった問題点があった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、電力変換器と交流回転機とからなるインバータシステムにおいて、インバータのスイッチングに伴い交流回転機部に生じる過電圧を、低コストの装置構成により抑制することが可能なインバータシステムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によるインバータシステムは、電力変換器と、３相交流回転機と、上記電力変換器と上記３相交流回転機とを接続し、接地線と３相給電線とを同一ケーブルとした、少なくとも４芯の、長さが等しい３本の非同軸ケーブルとを備え、上記３相給電線と上記接地線との間の静電容量が３相でほぼ等しくなるように、長さが等しい上記３本の非同軸ケーブルをねん架して接続したものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、インバータシステムにおける各相の給電線と接地線の間の静電容量を等しくすることにより、３相の過電圧のアンバランスを解消することができ、システム全体における最大過電圧を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１によるインバータシステム、および過電圧抑制の対策を施していないインバータシステムを示す回路構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる４芯キャブタイヤケーブルを示す断面構成図である。
【図３】過電圧抑制の対策を施していないインバータシステムにおける各コイルの分担電圧の最大値の測定結果を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係わる回転機の結線を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるインバータシステムにおける各コイルの分担電圧の最大値の測定結果を、過電圧抑制の対策を施していないインバータシステムにおける測定結果と比較した図である。
【図６】過電圧抑制コンデンサの容量を変化させたときの回転機の第一コイル分担電圧の最大値の測定結果を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態１による他のインバータシステムを示す回路構成図である。
【図８】本発明の実施の形態１によるさらに他のインバータシステムを示す回路構成図である。
【図９】本発明の実施の形態２によるインバータシステムを示す回路構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係わる４芯平形ケーブルを示す断面構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態４によるインバータシステムを示す回路構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態５に係わるケーブルを示す斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係わるケーブルの断面を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１（ａ）および図１（ｂ）は、各々、この発明の実施の形態１によるインバータシステム、および過電圧抑制の対策を施していないインバータシステムを示す回路構成図である。
本発明のインバータシステムを導くにあたり、図１（ｂ）に示すインバータシステムを用い、インバータのスイッチングに伴って発生する交流回転機における過電圧を分析した。図１（ｂ）の構成において、電力変換装置（インバータ）１と交流回転機（モータ）３との間は３相給電ケーブル２により接続されている。上記３相給電ケーブル２は、図２に示すような断面形状であり、接地線Ｇｃと３相給電線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃとを同一ケーブルとした４芯の非同軸ケーブルである。例えば、素線断面積２ｍｍ２の４芯キャブタイヤケーブル１００ｍで構成されている。このような構成でインバータを運転した場合における、モータ各コイルの分担電圧の最大値の測定結果を図３に示す。図３の測定に用いた回転機は図４に示すような△結線となっており、各相４コイルのものである。また、図３中の測定箇所は、図４に記した端子（（Ｕ相：Ｕｍ、Ｕ１２、Ｕ３４、Ｕ５６、Ｖ相：Ｖｍ、Ｖ１２、Ｖ３４、Ｖ５６、Ｗ相：Ｗｍ、Ｗ１２、Ｗ３４、Ｗ５６））の両端間（各コイルの巻始めと巻終りの間）である。
【００１２】
図３から分かるように、各コイルの分担電圧の最大値は、各相４コイルで均等にはならず、モータ端子が巻始めまたは巻終りになっているコイル（例えばＵｍ−Ｕ１２，Ｕ５６−Ｗｍなど、以下、第一コイルと呼ぶ）の分担電圧最大値が、巻始め、巻終りともにモータ端子になっていないコイル（例えばＵ１２−Ｕ３４、Ｕ３４−Ｕ５６など）の分担電圧に比べて、極めて大きくなっている。これは、インバータシステムでは、インバータの出力波形が立ち上がりの急峻な矩形波となるため、出力電圧に高周波成分が多く含まれ、この高周波成分に対しては回転機がコンデンサのように見えるために生じる現象である。
【００１３】
さらに、図３から分かるように、図４の回路構成では、Ｖ相の第一コイル分担電圧Ｖｍ−Ｖ１２，Ｖｍ−Ｗ５６の最大値が、Ｕ相の第一コイル分担電圧Ｕｍ−Ｕ１２、Ｕｍ−Ｖ５６、およびＷ相の第一コイル分担電圧Ｗｍ−Ｗ１２、Ｗｍ−Ｕ５６の最大値に比べて、２０％以上高い値になっている。このＶ相の第一コイル分担電圧が他相の第一コイル分担電圧に比べて高くなる現象は、給電ケーブル２の構造によるものと考えられる。すなわち、図３の測定で給電ケーブル２として用いた４芯キャブタイヤケーブルの断面構造は図２のようになっており、Ｒｃ（Ｕ相）−Ｇｃ間、およびＢｃ（Ｗ相）−Ｇｃ間の静電容量と比べて、Ｗｃ（Ｖ相）−Ｇｃ間の静電容量が小さいためと考えられる。例えば、図１（ｂ）の構成における４芯ビニルキャブタイヤケーブル（素線断面積２ｍｍ２）の、Ｒｃ−Ｇｃ間、Ｂｃ−Ｇｃ間、およびＷｃ−Ｇｃ間の単位長当たりの静電容量の測定結果を表１に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】
表１より、３相のうちの１相の対地間静電容量が他相と比べて小さくなっていることが明らかである。したがって、このような静電容量の違いが原因で、ある特定の１相の第一コイル分担電圧が他相の第一コイル分担電圧に比べて高くなると考えられる。
これより、給電線における３相の対地間静電容量の非対称性を除去し、各相の給電線と接地線と間の静電容量を等しくして、ある特定の１相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避することができれば、３相の過電圧のアンバランスを解消することができ、３相のある特定相のみに発生する過大なサージ過電圧を抑制することができる。その結果、システム全体における最大過電圧を抑制することが可能となる。
【００１６】
以下に、図１（ａ）に示す、本発明の実施の形態１によるインバータシステムについて説明する。図１において、ＰＷＭ方式の電力変換装置である電圧型ＰＷＭインバータ１の３相出力端子Ｕｉ、Ｖｉ、Ｗｉは、接地線Ｇｃと３相給電線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃとを含む比較的長い４芯キャブタイヤケーブル２を介して交流回転機（電動機または発電機）３の各相端子部Ｕｍ、Ｖｍ、Ｗｍに接続される。
４芯キャブタイヤケーブル２は図２に示す断面構造をしており、４芯キャブタイヤケーブル２の各線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃ、Ｇｃのうち、Ｒｃを回転機３のＵ相端子であるＵｍおよびインバータ１のＵ相端子であるＵｉに、Ｗｃを回転機３のＶ相端子であるＶｍおよびインバータ１のＶ相端子であるＶｉに、Ｂｃを回転機３のＷ相端子であるＷｍおよびインバータ１のＷ相端子であるＷｉに、Ｇｃを回転機３の接地端子であるＧｍおよびインバータ１の接地端子であるＧｉに接続する。
また、交流回転機３のＶ相給電端子部Ｖｍと、交流回転機３の接地端子部Ｇｍとの間にはコンデンサ４が接続されている。
【００１７】
表１に例として挙げた、図１（ｂ）の構成における４芯ビニルキャブタイヤケーブル２においては、Ｒｃ−Ｇｃ間、およびＢｃ−Ｇｃ間の１ｍ当たりの静電容量と、Ｗｃ−Ｇｃ間の１ｍ当たりの静電容量との差は約６０ｐＦとなっている。すなわち、インバータ１と回転機３との間のケーブル長をＬとすると、Ｗｃ−Ｇｃ間の静電容量は、Ｒｃ−Ｇｃ間、およびＢｃ−Ｇｃ間の静電容量と比較して、Ｌ×６０ｐＦ小さくなっており、例えば、ケーブル長１００ｍの場合では、Ｗｃ−Ｇｃ間の静電容量は６０００ｐＦ小さくなる。
そこで、図１（ａ）に示すインバータシステムにおいては、給電端子Ｗｍと接地端子Ｇｍとの間に接続されるコンデンサ４の値を、静電容量の差に基づいて得られた上記値６０００ｐＦとしている。
【００１８】
図５に、図１（ａ）および図１（ｂ）の回路構成におけるモータ各コイルの分担電圧の最大値の測定結果を示す。測定は、図３と同様の条件で行われ、回転機３は図４に示すような△結線となっており、各相４コイルのものである。測定箇所は、図４に記した端子（（Ｕ相：Ｕｍ、Ｕ１２、Ｕ３４、Ｕ５６、Ｖ相：Ｖｍ、Ｖ１２、Ｖ３４、Ｖ５６、Ｗ相：Ｗｍ、Ｗ１２、Ｗ３４、Ｗ５６））の両端間（各コイルの巻始めと巻終りの間）である。
【００１９】
図５から分かるように、図１（ｂ）の回路構成では、Ｖ相の第一コイル分担電圧Ｖｍ−Ｖ１２、Ｖｍ−Ｗ５６の最大値が、Ｕ相の第一コイル分担電圧Ｕｍ−Ｕ１２、Ｕｍ−Ｕ５６、およびＷ相の第一コイル分担電圧Ｗｍ−Ｗ１２、Ｗｍ−Ｗ５６の最大値に比べて２０％以上高い値になっているが、図１（ａ）の回路構成では、Ｖ相の第一コイル分担電圧がＵ相、Ｗ相の第一コイル分担電圧とほぼ同じ値に抑制されている。このように、ある特定の相の回転機給電端子と接地端子との間に所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、ある特定の相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避することができ、３相の過電圧のアンバランスを解消することができ、３相のある特定相のみに発生する過大なサージ過電圧を抑制することができる。その結果、システム全体における最大過電圧を抑制することが可能となる。
【００２０】
図６に、素線断面積２ｍｍ２の４芯ビニルキャブタイヤケーブルの長さを１００ｍとし、過電圧抑制コンデンサ４の容量を変化させたときの、回転機３の第一コイル分担電圧の最大値を測定した結果を示す。図６から分かるように、上記過電圧抑制コンデンサ４の容量が増加すると、過電圧抑制コンデンサ４を接続した相の第一コイル分担電圧は低下し、過電圧抑制コンデンサ４を接続しない相の第一コイル分担電圧は増加する。過電圧抑制コンデンサを接続した相と接続しない相の第一コイル分担電圧がほぼ同値となる過電圧抑制コンデンサの静電容量は、素線断面積２ｍｍ２の４芯ビニルキャブタイヤケーブルを１００ｍ接続した場合は約６０００ｐＦである。この値は、図１（ａ）中の給電線２でのＲｃ−Ｇｃ間、およびＢｃ−Ｇｃ間の静電容量からＷｃ−Ｇｃ間の静電容量を引いた値と概ね一致する。このとき、回転機３の絶縁構成に与える負荷は最も軽減される。すなわち、給電線２での各相の対地間の静電容量がほぼ等しくなるように、回転機の給電端子部と接地端子との間に過電圧抑制コンデンサ４を接続することにより、ある特定の相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避でき、システム全体での最大過電圧を抑制することが可能となる。その結果、３相に比較的低い同レベルのサージ過電圧が発生しても、絶縁上には十分な場合には、コンデンサを一箇所に設ければ良いだけなので、低コストの装置構成により、信頼性の高い装置が得られるようになる。
【００２１】
具体的には、３相のうちの他相と比べて給電ケーブル部での給電線の対接地線間の静電容量が最も低い１相の回転機給電端子部と接地端子部との間に、給電線の対接地線間の静電容量が最も高い相の静電容量から前記静電容量が最も低い相の静電容量の差分値に相当する静電容量をもつコンデンサを接続すればよい。しかし、給電線の対接地線間の静電容量が最も高い相の静電容量から前記静電容量が最も低い相の静電容量の差分値に等しい静電容量を接続するのには、精度よい静電容量の測定が必要である。簡易的には、前記差分値に相当する静電容量の８０〜１５０％、望ましくは図６の斜線部分（差分値の９０〜１２０％）の静電容量であるコンデンサを接続すれば、ほぼ各相の静電容量がバランスされ、特定相の分担電圧が高くなる現象を回避できる。
【００２２】
なお、上述した方式でコンデンサの挿入を実施すると、ある特定相の第一コイル分担電圧だけではなく、ある特定相の回転機給電端子部の対地電圧も抑制することが可能である。
【００２３】
また、図１（ａ）のインバータシステムでは、ＶｍとＧｍの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続しているが、これはＶｍと接続されているケーブル給電線Ｗｃの対接地線容量が他相の比べて低いためであり、Ｕｍが接続されているケーブル給電線の対接地線容量が他相に比べて低いときにはＵｍとＧｍの間に、上記と同様にして決定される静電容量をもつ過電圧抑制コンデンサ４を接続すればよい。同様に、Ｗｍが接続されているケーブル給電線の対接地線容量が他相に比べて低いときには、ＷｍとＧｍの間に上記と同様にして決定される静電容量をもつ過電圧抑制コンデンサ４を接続すればよい。
【００２４】
また、図１（ａ）のインバータシステムでは、回転機の給電端子部Ｖｍと接地端子部Ｇｍとの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続しているが、図７に示すような電力変換装置（インバータ）の出力端子部Ｖｉと接地端子部Ｇｉとの間に過電圧抑制コンデンサ４を挿入した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。
なお、図７のインバータシステムでは、ＶｉとＧｉの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続しているが、これはＶｉと接続されているケーブル給電線Ｗｃの対接地線容量が他相の比べて低いためであり、上記実施の形態と同様に、Ｕｉが接続されているケーブル給電線の対接地線容量が他相に比べて低いときにはＵｉとＧｉの間に、Ｗｉが接続されているケーブル給電線の対接地線容量が他相に比べて低いときには、ＷｉとＧｉの間に、上記と同様にして決定される静電容量をもつ過電圧抑制コンデンサ４を接続すればよい。
【００２５】
また、図１（ａ）のインバータシステムでは、回転機の給電端子部Ｖｍと接地端子部Ｇｍとの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続する場合を、図７のインバータシステムでは、電力変換装置（インバータ）の出力端子部Ｖｉと接地端子部Ｇｉとの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続する場合を示したが、ケーブル給電線の方に過電圧抑制コンデンサ４を接続するようにしてもよい。
例えば、ケーブル給電線の一端部（被覆されていない素線部）において、対接地線容量が他相と比べて低い相のケーブル給電線と接地線との間に過電圧抑制コンデンサ４を接続した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。
また、図８に示すように、２本のケーブルを直列に接続し、その中間接続部において、ケーブル給電線の対接地線容量が他相と比べて低い相のケーブル給電線と接地線との間に過電圧抑制コンデンサ４を挿入した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。この際に、直列の２本のケーブルのケーブル長は、両者が同じ長い場合でも、どちらか片方が長い場合でも、同様の効果が得られる。
【００２６】
なお、図８のインバータシステムでは、ＷｃとＧｃの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続しているが、これはケーブル給電線Ｗｃの対接地線容量が他相の比べて低いためであり、上記実施の形態と同様に、ケーブル給電線Ｒｃの対接地線容量が他相に比べて低いときにはＲｃとＧｃの間に、ケーブル給電線Ｂｃの対接地線容量が他相に比べて低いときには、ＢｃとＧｃの間に、上記と同様にして決定される静電容量をもつ過電圧抑制コンデンサ４を接続すればよい。
【００２７】
また、上記実施の形態ではインバータ１とモータ３とを接続するケーブル２として４芯キャブタイヤケーブルを用いているが、接地線および３相給電線がそれぞれ別々の芯線よりなる非同軸ケーブルを用いる場合に効果があり、４芯キャブタイヤケーブルに限らず、ケーブルでの給電線と接地線間の静電容量がアンバランスである如何なる非同軸ケーブルに対しても、本方式は効果がある。また、４芯に限らず、例えば接地線や３相給電線と繋いだ芯線を有する４芯以上の非同軸ケーブルに対しても適用することが可能である。
【００２８】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２によるインバータシステムを示す回路構成図である。例えば、図１０に示すような断面構造を持つ４芯の平形ケーブルを、図９におけるインバータ１と回転機３との間の給電ケーブル２として使用した場合について述べる。図１０のように、４芯の平形ケーブルの長径方向の端の給電線を接地線（Ｇｃ）とし、残りの３本の給電線をそれぞれＨｃ，Ｉｃ，Ｊｃとする場合、各給電線における対接地線の静電容量はＪｃが最も大きく、次いでＩｃ，対地線の静電容量が最も小さいのはＨｃとなる。
図９に示すインバータシステムにおいては、インバータ１の各相の出力端子と、ケーブル２の各給電線と、回転機３の各相の給電端子とが、Ｕｉ−Ｈｃ−Ｕｍ，Ｖｉ−Ｉｃ−Ｖｍ，Ｗｉ−Ｊｃ−Ｗｍとなるように結線されている。この場合、平形ケーブル部において最も対地静電容量が小さくなるＵ相、および２番目に対地静電容量が小さくなるＶ相の回転機給電端子部と回転機接地端子との間に、コンデンサ５、６をそれぞれ接続している。このコンデンサ５、６の静電容量は、それぞれ、Ｊｃの対接地線容量からＨｃの対接地線容量を引いた値、Ｊｃの対接地線容量からＩｃの対接地線容量を引いた値に等しい容量、もしくは簡易的にはそれぞれ、Ｊｃの対接地線容量からＨｃの対接地線容量を引いた値、Ｊｃの対接地線容量からＩｃの対接地線容量を引いた値の８０％〜１５０％の範囲の静電容量（望ましくは、差分値の９０〜１２０％の静電容量）となるようにする。
このようなコンデンサ５、６を回転機端子部に接続することで、特定相の過大な分担電圧の発生を回避でき、システム全体のサージ過電圧を低減できる。
【００２９】
また、上記実施の形態では、ケーブル部において最も対地静電容量が小さくなる給電線をＵ相、２番目に対地静電容量が小さくなる給電線をＶ相としているが、各給電線をどの相に接続したときにも、最も対地静電容量が小さくなる相、および２番目に対地静電容量が小さくなる相の回転機給電端子部と回転機接地端子との間に、それぞれ所定の静電容量を有するコンデンサを接続すれば同等の効果が得られる。
【００３０】
また、上記実施の形態では、モータの給電端子部の、最も対地静電容量が小さくなる相と接地端子部との間、および２番目に対地静電容量が小さくなる相と接地端子部との間に、それぞれ過電圧抑制コンデンサ５、６を接続しているが、電力変換装置（インバータ）の出力端子部の、最も対地静電容量が小さくなる相と接地端子部との間、および２番目に対地静電容量が小さくなる相と接地端子部との間に、それぞれ過電圧抑制コンデンサ５、６を挿入した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。
【００３１】
また、同様に、インバータシステムのケーブル給電線の一端部、あるいはケーブル中間部において、対地静電容量が最も小さくなる相と接地線との間、および２番目に対地静電容量が小さくなる相と接地線との間に、それぞれ過電圧抑制コンデンサ５、６を挿入した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。
【００３２】
また、上記実施の形態ではインバータ１とモータ３とを接続するケーブル２として、４芯の平形ケーブルを用いているが、接地線および３相給電線がそれぞれ別々の芯線よりなる非同軸ケーブルを用いる場合に効果があり、４芯の平形ケーブルに限らず、ケーブルでの給電線と接地線間の静電容量がアンバランスである如何なる非同軸ケーブルに対しても、本方式は効果がある。また、４芯に限らず、例えば接地線や３相給電線と繋いだ芯線を有する４芯以上の非同軸ケーブルに対しても適用することが可能である。
【００３３】
実施の形態３．
上記実施の形態１、２において、過電圧抑制コンデンサ４、５、６は、回転機給電端子部と接地端子間、または電力変換器（インバータ）出力端子部と接地端子間、または給電線と接地線との間に外付けで接続しているが、任意のケーブル長のものに対して、簡単に静電容量を調整して過電圧を抑制できるように、可変式コンデンサを回転機給電端子台またはインバータに予め設置しておいてもよい。この場合、ケーブルとして４芯キャブタイヤケーブルを用いることが予め分かっているならば、可変式コンデンサを回転機のＶｍと接地端子間、またはインバータのＶｉと接地端子間に接続するように構成することが望ましいが、４芯キャブタイヤケーブルだけでなく、４芯平形ケーブルなど、各相の対接地線間の静電容量が全て異なるケーブルの使用が想定される場合には、このようなケーブルの使用時にも過電圧抑制が可能なように、回転機の任意の２相の給電端子と接地端子との間、またはインバータの任意の２相の出力端子と接地端子に、それぞれ可変式コンデンサを設置するとよい。この場合、ケーブルを接続する際には、可変式コンデンサが設置されているモータ給電端子またはインバータ出力端子に、ケーブル給電線−接地線間電圧が最も低い相の給電線、および２番目に低い相の給電線を接続すると良い。
【００３４】
また、３相全ての回転機給電端子と接地端子間、または３相全てのインバータ出力端子と接地端子間に可変式コンデンサを接続してもよい。この場合、４芯キャブタイヤケーブルのように、ある１相のみケーブル給電線−接地線間の静電容量が低いケーブルを使用するときには、ケーブル給電線−接地線間の静電容量が高い相に接続されている可変式コンデンサの静電容量値は、０ｐＦ、または対接地線間の静電容量に比べて小さい静電容量値、例えば数１０ｐＦ以下の小さい静電容量値に設定し、ケーブル給電線−接地線間の静電容量が低い相に接続されている可変式コンデンサの静電容量値は、３相全ての給電線と接地線との間の静電容量が等しくなるような値に設定すればよい。
【００３５】
また、４芯平形ケーブルのように、各相の対接地線間の静電容量が全て異なるケーブルを使用するときには、ケーブル給電線−接地線間の静電容量が最も高い相に接続されている可変式コンデンサの静電容量値は、０ｐＦ、または対接地線間の静電容量に比べて小さい静電容量値、例えば数１０ｐＦのオーダー以下の小さい静電容量値に設定し、ケーブル給電線−接地線間の静電容量が最も低い相、および２番目に低い相に接続されている可変式コンデンサの静電容量値は、３相全ての給電線と接地線との間の静電容量が等しくなるような値に設定すればよい。
【００３６】
可変式コンデンサの静電容量の可変範囲としては、電力変換システムに接続されることが想定されるケーブル長により異なる。望ましくは、可変範囲の下限値が数１０ｐＦ以下にでき、上限値が、最長でＬｍのケーブルの使用が想定される電力変換システムでは、Ｌ×△Ｃ（△Ｃ：ケーブル１ｍ当たりの、３相の給電線における対接地線間静電容量の差）以上にできるものが望ましい。典型的には、△Ｃ＜１００ｐＦなので、例えば最長で１００ｍのケーブルの使用が想定される電力変換システムでは、可変範囲の上限値が１００００ｐＦ以上であることが望ましい。
【００３７】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４によるインバータシステムを示す回路構成図である。図１１において、ＰＷＭインバータ１の３相出力端子Ｕｉ、Ｖｉ、Ｗｉは接地線Ｇｃを含む長さが等しい３本のケーブル２を介して交流回転機３の各相端子部に接続される。このケーブルの構造は、例えば４芯キャブタイヤケーブルを用いたときには、図２のような断面構造となっている。このとき、図１１に示すように、長さが等しい３本のケーブルの給電線を、例えばＵｉ−Ｒｃ−Ｗｃ−Ｂｃ−Ｕｍ，Ｖｉ−Ｗｃ−Ｂｃ−Ｒｃ−Ｖｍ，Ｗｉ−Ｂｃ−Ｒｃ−Ｗｃ−Ｗｍのように、３相全ての給電線が、３本のケーブルのうち１本だけＷｃ（ケーブル給電線のうち、対接地線の静電容量が低い線）を使用するようにねん架して接続する。このように接続することで、インバータと回転機とを接続する給電線での各相の対接地線間の静電容量が等しくなり、実施の形態１と同様に、ある特定の相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避でき、システム全体での最大過電圧を抑制することが可能となる。
【００３８】
実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５によるインバータシステムの給電線として用いるケーブルを示す斜視図である。図１２に示したケーブルは、接地線の周りに給電線を３本巻きつけた構造の４芯ケーブルである。このような構造にすると、ケーブルの任意の部分の断面が図１３のようになり、３相給電線と接地線との間の静電容量が、どの相も等しくなる。このような構造のケーブルをインバータシステムの給電線に用いることで、インバータと回転機を接続する給電線での各相の対接地線間の静電容量が等しくなり、実施の形態１と同様に、ある特定の相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避でき、システム全体での最大過電圧を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１ 電圧型ＰＷＭインバータ、２ ケーブル、３ 交流回転機、４〜６ 過電圧抑制コンデンサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式の電力変換器と、３相ケーブルを介してこの電力変換器に接続される交流回転機とからなるインバータシステムにおいて、システム動作時に交流回転機部に発生するサージ過電圧を抑制するインバータシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＷＭ方式の電力変換装置では、出力段回路のスイッチング素子を高周波のキャリア信号によってオンオフすることで出力電圧を調整している。一方、この電力変換装置と交流回転機（電動機や発電機）とを接続する３相ケーブルでは、ケーブルの長さに応じた抵抗成分Ｒとインダクタンス成分Ｌとが存在し、また線間や対地間に静電容量Ｃが存在する。その結果、電力変換装置から３相ケーブルに急峻な変化をする電圧を出力すると、ＲＬＣによる共振によって交流回転機の端子部に過電圧が印加される。そこで、従来から交流回転機の端子部に過電圧が発生するのを抑制する目的で、過電圧抑制手段を併設するようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１では、交流から直流に変換する順変換器と、その直流を交流に変換する逆変換機とからなる入出力非絶縁型電力変換装置において、コンデンサとリアクトルとからなる交流出力フィルタのコンデンサ中性点を直流回路部と接続することにより、回転機給電端子部の過電圧を抑制する方式の過電圧抑制手段が開示されている。
【０００４】
また、電力変換器と交流回転機とからなる駆動装置において、従来、電力変換器より発生するコモンモードノイズが外部機器に悪影響を与えるのを抑制するために、電力変換器の出力端子と交流回転機の入力端子との接続に同軸ケーブルの芯線を用い、同軸ケーブルの外部導体の両端をそれぞれ電力変換器のフレーム（接地端子）と交流回転機のフレーム（接地端子）とに接続するものがあった（例えば、特許文献２参照。）。このような駆動装置では、コモンモードノイズの抑制が目的であり、回転機内部のサージ過電圧の抑制を目的とはしていないが、単芯の同軸ケーブルを３本あるいは３芯の同軸ケーブルを使用することで、結果として交流回転機の端子部に過電圧が発生するのを抑制することを回避することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２９４３８１号公報
【特許文献１】特開平１０−１３５６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の過電圧抑制方式では、３相すべてに同じ交流出力フィルタを接続しており、フィルタとして割高となる。
また、特許文献２に開示される駆動装置では、単芯の同軸ケーブルを３本あるいは３芯の同軸ケーブルを使用することで、結果として過電圧の発生を抑制しているが、同軸ケーブル、特に多芯の同軸ケーブルはビニルキャブタイヤケーブルに比べて極めて高価であり、特に低容量クラスのインバータシステムにおいては、ケーブル長が長くなると、インバータおよび回転機にかかる費用よりも多芯の同軸ケーブルにかかる費用のほうが割高になる場合があるといった問題点があった。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、電力変換器と交流回転機とからなるインバータシステムにおいて、インバータのスイッチングに伴い交流回転機部に生じる過電圧を、低コストの装置構成により抑制することが可能なインバータシステムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によるインバータシステムは、電力変換器と、３相交流回転機と、上記電力変換器と上記３相交流回転機とを接続し、接地線と３相給電線とを同一ケーブルとした、少なくとも４芯の、長さが等しい３本の非同軸ケーブルとを備え、上記３相給電線と上記接地線との間の静電容量が３相でほぼ等しくなるように、長さが等しい上記３本の非同軸ケーブルをねん架して接続したものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、インバータシステムにおける各相の給電線と接地線の間の静電容量を等しくすることにより、３相の過電圧のアンバランスを解消することができ、システム全体における最大過電圧を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１によるインバータシステム、および過電圧抑制の対策を施していないインバータシステムを示す回路構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係わる４芯キャブタイヤケーブルを示す断面構成図である。
【図３】過電圧抑制の対策を施していないインバータシステムにおける各コイルの分担電圧の最大値の測定結果を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係わる回転機の結線を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるインバータシステムにおける各コイルの分担電圧の最大値の測定結果を、過電圧抑制の対策を施していないインバータシステムにおける測定結果と比較した図である。
【図６】過電圧抑制コンデンサの容量を変化させたときの回転機の第一コイル分担電圧の最大値の測定結果を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態１による他のインバータシステムを示す回路構成図である。
【図８】本発明の実施の形態１によるさらに他のインバータシステムを示す回路構成図である。
【図９】本発明の実施の形態２によるインバータシステムを示す回路構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係わる４芯平形ケーブルを示す断面構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態４によるインバータシステムを示す回路構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態５に係わるケーブルを示す斜視図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係わるケーブルの断面を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１（ａ）および図１（ｂ）は、各々、この発明の実施の形態１によるインバータシステム、および過電圧抑制の対策を施していないインバータシステムを示す回路構成図である。
本発明のインバータシステムを導くにあたり、図１（ｂ）に示すインバータシステムを用い、インバータのスイッチングに伴って発生する交流回転機における過電圧を分析した。図１（ｂ）の構成において、電力変換装置（インバータ）１と交流回転機（モータ）３との間は３相給電ケーブル２により接続されている。上記３相給電ケーブル２は、図２に示すような断面形状であり、接地線Ｇｃと３相給電線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃとを同一ケーブルとした４芯の非同軸ケーブルである。例えば、素線断面積２ｍｍ２の４芯キャブタイヤケーブル１００ｍで構成されている。このような構成でインバータを運転した場合における、モータ各コイルの分担電圧の最大値の測定結果を図３に示す。図３の測定に用いた回転機は図４に示すような△結線となっており、各相４コイルのものである。また、図３中の測定箇所は、図４に記した端子（（Ｕ相：Ｕｍ、Ｕ１２、Ｕ３４、Ｕ５６、Ｖ相：Ｖｍ、Ｖ１２、Ｖ３４、Ｖ５６、Ｗ相：Ｗｍ、Ｗ１２、Ｗ３４、Ｗ５６））の両端間（各コイルの巻始めと巻終りの間）である。
【００１２】
図３から分かるように、各コイルの分担電圧の最大値は、各相４コイルで均等にはならず、モータ端子が巻始めまたは巻終りになっているコイル（例えばＵｍ−Ｕ１２，Ｕ５６−Ｗｍなど、以下、第一コイルと呼ぶ）の分担電圧最大値が、巻始め、巻終りともにモータ端子になっていないコイル（例えばＵ１２−Ｕ３４、Ｕ３４−Ｕ５６など）の分担電圧に比べて、極めて大きくなっている。これは、インバータシステムでは、インバータの出力波形が立ち上がりの急峻な矩形波となるため、出力電圧に高周波成分が多く含まれ、この高周波成分に対しては回転機がコンデンサのように見えるために生じる現象である。
【００１３】
さらに、図３から分かるように、図４の回路構成では、Ｖ相の第一コイル分担電圧Ｖｍ−Ｖ１２，Ｖｍ−Ｗ５６の最大値が、Ｕ相の第一コイル分担電圧Ｕｍ−Ｕ１２、Ｕｍ−Ｖ５６、およびＷ相の第一コイル分担電圧Ｗｍ−Ｗ１２、Ｗｍ−Ｕ５６の最大値に比べて、２０％以上高い値になっている。このＶ相の第一コイル分担電圧が他相の第一コイル分担電圧に比べて高くなる現象は、給電ケーブル２の構造によるものと考えられる。すなわち、図３の測定で給電ケーブル２として用いた４芯キャブタイヤケーブルの断面構造は図２のようになっており、Ｒｃ（Ｕ相）−Ｇｃ間、およびＢｃ（Ｗ相）−Ｇｃ間の静電容量と比べて、Ｗｃ（Ｖ相）−Ｇｃ間の静電容量が小さいためと考えられる。例えば、図１（ｂ）の構成における４芯ビニルキャブタイヤケーブル（素線断面積２ｍｍ２）の、Ｒｃ−Ｇｃ間、Ｂｃ−Ｇｃ間、およびＷｃ−Ｇｃ間の単位長当たりの静電容量の測定結果を表１に示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】
表１より、３相のうちの１相の対地間静電容量が他相と比べて小さくなっていることが明らかである。したがって、このような静電容量の違いが原因で、ある特定の１相の第一コイル分担電圧が他相の第一コイル分担電圧に比べて高くなると考えられる。
これより、給電線における３相の対地間静電容量の非対称性を除去し、各相の給電線と接地線と間の静電容量を等しくして、ある特定の１相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避することができれば、３相の過電圧のアンバランスを解消することができ、３相のある特定相のみに発生する過大なサージ過電圧を抑制することができる。その結果、システム全体における最大過電圧を抑制することが可能となる。
【００１６】
以下に、図１（ａ）に示す、本発明の実施の形態１によるインバータシステムについて説明する。図１において、ＰＷＭ方式の電力変換装置である電圧型ＰＷＭインバータ１の３相出力端子Ｕｉ、Ｖｉ、Ｗｉは、接地線Ｇｃと３相給電線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃとを含む比較的長い４芯キャブタイヤケーブル２を介して交流回転機（電動機または発電機）３の各相端子部Ｕｍ、Ｖｍ、Ｗｍに接続される。
４芯キャブタイヤケーブル２は図２に示す断面構造をしており、４芯キャブタイヤケーブル２の各線Ｒｃ、Ｗｃ、Ｂｃ、Ｇｃのうち、Ｒｃを回転機３のＵ相端子であるＵｍおよびインバータ１のＵ相端子であるＵｉに、Ｗｃを回転機３のＶ相端子であるＶｍおよびインバータ１のＶ相端子であるＶｉに、Ｂｃを回転機３のＷ相端子であるＷｍおよびインバータ１のＷ相端子であるＷｉに、Ｇｃを回転機３の接地端子であるＧｍおよびインバータ１の接地端子であるＧｉに接続する。
また、交流回転機３のＶ相給電端子部Ｖｍと、交流回転機３の接地端子部Ｇｍとの間にはコンデンサ４が接続されている。
【００１７】
表１に例として挙げた、図１（ｂ）の構成における４芯ビニルキャブタイヤケーブル２においては、Ｒｃ−Ｇｃ間、およびＢｃ−Ｇｃ間の１ｍ当たりの静電容量と、Ｗｃ−Ｇｃ間の１ｍ当たりの静電容量との差は約６０ｐＦとなっている。すなわち、インバータ１と回転機３との間のケーブル長をＬとすると、Ｗｃ−Ｇｃ間の静電容量は、Ｒｃ−Ｇｃ間、およびＢｃ−Ｇｃ間の静電容量と比較して、Ｌ×６０ｐＦ小さくなっており、例えば、ケーブル長１００ｍの場合では、Ｗｃ−Ｇｃ間の静電容量は６０００ｐＦ小さくなる。
そこで、図１（ａ）に示すインバータシステムにおいては、給電端子Ｗｍと接地端子Ｇｍとの間に接続されるコンデンサ４の値を、静電容量の差に基づいて得られた上記値６０００ｐＦとしている。
【００１８】
図５に、図１（ａ）および図１（ｂ）の回路構成におけるモータ各コイルの分担電圧の最大値の測定結果を示す。測定は、図３と同様の条件で行われ、回転機３は図４に示すような△結線となっており、各相４コイルのものである。測定箇所は、図４に記した端子（（Ｕ相：Ｕｍ、Ｕ１２、Ｕ３４、Ｕ５６、Ｖ相：Ｖｍ、Ｖ１２、Ｖ３４、Ｖ５６、Ｗ相：Ｗｍ、Ｗ１２、Ｗ３４、Ｗ５６））の両端間（各コイルの巻始めと巻終りの間）である。
【００１９】
図５から分かるように、図１（ｂ）の回路構成では、Ｖ相の第一コイル分担電圧Ｖｍ−Ｖ１２、Ｖｍ−Ｗ５６の最大値が、Ｕ相の第一コイル分担電圧Ｕｍ−Ｕ１２、Ｕｍ−Ｕ５６、およびＷ相の第一コイル分担電圧Ｗｍ−Ｗ１２、Ｗｍ−Ｗ５６の最大値に比べて２０％以上高い値になっているが、図１（ａ）の回路構成では、Ｖ相の第一コイル分担電圧がＵ相、Ｗ相の第一コイル分担電圧とほぼ同じ値に抑制されている。このように、ある特定の相の回転機給電端子と接地端子との間に所定の静電容量のコンデンサを接続することにより、ある特定の相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避することができ、３相の過電圧のアンバランスを解消することができ、３相のある特定相のみに発生する過大なサージ過電圧を抑制することができる。その結果、システム全体における最大過電圧を抑制することが可能となる。
【００２０】
図６に、素線断面積２ｍｍ２の４芯ビニルキャブタイヤケーブルの長さを１００ｍとし、過電圧抑制コンデンサ４の容量を変化させたときの、回転機３の第一コイル分担電圧の最大値を測定した結果を示す。図６から分かるように、上記過電圧抑制コンデンサ４の容量が増加すると、過電圧抑制コンデンサ４を接続した相の第一コイル分担電圧は低下し、過電圧抑制コンデンサ４を接続しない相の第一コイル分担電圧は増加する。過電圧抑制コンデンサを接続した相と接続しない相の第一コイル分担電圧がほぼ同値となる過電圧抑制コンデンサの静電容量は、素線断面積２ｍｍ２の４芯ビニルキャブタイヤケーブルを１００ｍ接続した場合は約６０００ｐＦである。この値は、図１（ａ）中の給電線２でのＲｃ−Ｇｃ間、およびＢｃ−Ｇｃ間の静電容量からＷｃ−Ｇｃ間の静電容量を引いた値と概ね一致する。このとき、回転機３の絶縁構成に与える負荷は最も軽減される。すなわち、給電線２での各相の対地間の静電容量がほぼ等しくなるように、回転機の給電端子部と接地端子との間に過電圧抑制コンデンサ４を接続することにより、ある特定の相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避でき、システム全体での最大過電圧を抑制することが可能となる。その結果、３相に比較的低い同レベルのサージ過電圧が発生しても、絶縁上には十分な場合には、コンデンサを一箇所に設ければ良いだけなので、低コストの装置構成により、信頼性の高い装置が得られるようになる。
【００２１】
具体的には、３相のうちの他相と比べて給電ケーブル部での給電線の対接地線間の静電容量が最も低い１相の回転機給電端子部と接地端子部との間に、給電線の対接地線間の静電容量が最も高い相の静電容量から前記静電容量が最も低い相の静電容量の差分値に相当する静電容量をもつコンデンサを接続すればよい。しかし、給電線の対接地線間の静電容量が最も高い相の静電容量から前記静電容量が最も低い相の静電容量の差分値に等しい静電容量を接続するのには、精度よい静電容量の測定が必要である。簡易的には、前記差分値に相当する静電容量の８０〜１５０％、望ましくは図６の斜線部分（差分値の９０〜１２０％）の静電容量であるコンデンサを接続すれば、ほぼ各相の静電容量がバランスされ、特定相の分担電圧が高くなる現象を回避できる。
【００２２】
なお、上述した方式でコンデンサの挿入を実施すると、ある特定相の第一コイル分担電圧だけではなく、ある特定相の回転機給電端子部の対地電圧も抑制することが可能である。
【００２３】
また、図１（ａ）のインバータシステムでは、ＶｍとＧｍの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続しているが、これはＶｍと接続されているケーブル給電線Ｗｃの対接地線容量が他相の比べて低いためであり、Ｕｍが接続されているケーブル給電線の対接地線容量が他相に比べて低いときにはＵｍとＧｍの間に、上記と同様にして決定される静電容量をもつ過電圧抑制コンデンサ４を接続すればよい。同様に、Ｗｍが接続されているケーブル給電線の対接地線容量が他相に比べて低いときには、ＷｍとＧｍの間に上記と同様にして決定される静電容量をもつ過電圧抑制コンデンサ４を接続すればよい。
【００２４】
また、図１（ａ）のインバータシステムでは、回転機の給電端子部Ｖｍと接地端子部Ｇｍとの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続しているが、図７に示すような電力変換装置（インバータ）の出力端子部Ｖｉと接地端子部Ｇｉとの間に過電圧抑制コンデンサ４を挿入した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。
なお、図７のインバータシステムでは、ＶｉとＧｉの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続しているが、これはＶｉと接続されているケーブル給電線Ｗｃの対接地線容量が他相の比べて低いためであり、上記実施の形態と同様に、Ｕｉが接続されているケーブル給電線の対接地線容量が他相に比べて低いときにはＵｉとＧｉの間に、Ｗｉが接続されているケーブル給電線の対接地線容量が他相に比べて低いときには、ＷｉとＧｉの間に、上記と同様にして決定される静電容量をもつ過電圧抑制コンデンサ４を接続すればよい。
【００２５】
また、図１（ａ）のインバータシステムでは、回転機の給電端子部Ｖｍと接地端子部Ｇｍとの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続する場合を、図７のインバータシステムでは、電力変換装置（インバータ）の出力端子部Ｖｉと接地端子部Ｇｉとの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続する場合を示したが、ケーブル給電線の方に過電圧抑制コンデンサ４を接続するようにしてもよい。
例えば、ケーブル給電線の一端部（被覆されていない素線部）において、対接地線容量が他相と比べて低い相のケーブル給電線と接地線との間に過電圧抑制コンデンサ４を接続した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。
また、図８に示すように、２本のケーブルを直列に接続し、その中間接続部において、ケーブル給電線の対接地線容量が他相と比べて低い相のケーブル給電線と接地線との間に過電圧抑制コンデンサ４を挿入した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。この際に、直列の２本のケーブルのケーブル長は、両者が同じ長い場合でも、どちらか片方が長い場合でも、同様の効果が得られる。
【００２６】
なお、図８のインバータシステムでは、ＷｃとＧｃの間に過電圧抑制コンデンサ４を接続しているが、これはケーブル給電線Ｗｃの対接地線容量が他相の比べて低いためであり、上記実施の形態と同様に、ケーブル給電線Ｒｃの対接地線容量が他相に比べて低いときにはＲｃとＧｃの間に、ケーブル給電線Ｂｃの対接地線容量が他相に比べて低いときには、ＢｃとＧｃの間に、上記と同様にして決定される静電容量をもつ過電圧抑制コンデンサ４を接続すればよい。
【００２７】
また、上記実施の形態ではインバータ１とモータ３とを接続するケーブル２として４芯キャブタイヤケーブルを用いているが、接地線および３相給電線がそれぞれ別々の芯線よりなる非同軸ケーブルを用いる場合に効果があり、４芯キャブタイヤケーブルに限らず、ケーブルでの給電線と接地線間の静電容量がアンバランスである如何なる非同軸ケーブルに対しても、本方式は効果がある。また、４芯に限らず、例えば接地線や３相給電線と繋いだ芯線を有する４芯以上の非同軸ケーブルに対しても適用することが可能である。
【００２８】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２によるインバータシステムを示す回路構成図である。例えば、図１０に示すような断面構造を持つ４芯の平形ケーブルを、図９におけるインバータ１と回転機３との間の給電ケーブル２として使用した場合について述べる。図１０のように、４芯の平形ケーブルの長径方向の端の給電線を接地線（Ｇｃ）とし、残りの３本の給電線をそれぞれＨｃ，Ｉｃ，Ｊｃとする場合、各給電線における対接地線の静電容量はＪｃが最も大きく、次いでＩｃ，対地線の静電容量が最も小さいのはＨｃとなる。
図９に示すインバータシステムにおいては、インバータ１の各相の出力端子と、ケーブル２の各給電線と、回転機３の各相の給電端子とが、Ｕｉ−Ｈｃ−Ｕｍ，Ｖｉ−Ｉｃ−Ｖｍ，Ｗｉ−Ｊｃ−Ｗｍとなるように結線されている。この場合、平形ケーブル部において最も対地静電容量が小さくなるＵ相、および２番目に対地静電容量が小さくなるＶ相の回転機給電端子部と回転機接地端子との間に、コンデンサ５、６をそれぞれ接続している。このコンデンサ５、６の静電容量は、それぞれ、Ｊｃの対接地線容量からＨｃの対接地線容量を引いた値、Ｊｃの対接地線容量からＩｃの対接地線容量を引いた値に等しい容量、もしくは簡易的にはそれぞれ、Ｊｃの対接地線容量からＨｃの対接地線容量を引いた値、Ｊｃの対接地線容量からＩｃの対接地線容量を引いた値の８０％〜１５０％の範囲の静電容量（望ましくは、差分値の９０〜１２０％の静電容量）となるようにする。
このようなコンデンサ５、６を回転機端子部に接続することで、特定相の過大な分担電圧の発生を回避でき、システム全体のサージ過電圧を低減できる。
【００２９】
また、上記実施の形態では、ケーブル部において最も対地静電容量が小さくなる給電線をＵ相、２番目に対地静電容量が小さくなる給電線をＶ相としているが、各給電線をどの相に接続したときにも、最も対地静電容量が小さくなる相、および２番目に対地静電容量が小さくなる相の回転機給電端子部と回転機接地端子との間に、それぞれ所定の静電容量を有するコンデンサを接続すれば同等の効果が得られる。
【００３０】
また、上記実施の形態では、モータの給電端子部の、最も対地静電容量が小さくなる相と接地端子部との間、および２番目に対地静電容量が小さくなる相と接地端子部との間に、それぞれ過電圧抑制コンデンサ５、６を接続しているが、電力変換装置（インバータ）の出力端子部の、最も対地静電容量が小さくなる相と接地端子部との間、および２番目に対地静電容量が小さくなる相と接地端子部との間に、それぞれ過電圧抑制コンデンサ５、６を挿入した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。
【００３１】
また、同様に、インバータシステムのケーブル給電線の一端部、あるいはケーブル中間部において、対地静電容量が最も小さくなる相と接地線との間、および２番目に対地静電容量が小さくなる相と接地線との間に、それぞれ過電圧抑制コンデンサ５、６を挿入した場合でも、同様のサージ過電圧の抑制効果が得られる。
【００３２】
また、上記実施の形態ではインバータ１とモータ３とを接続するケーブル２として、４芯の平形ケーブルを用いているが、接地線および３相給電線がそれぞれ別々の芯線よりなる非同軸ケーブルを用いる場合に効果があり、４芯の平形ケーブルに限らず、ケーブルでの給電線と接地線間の静電容量がアンバランスである如何なる非同軸ケーブルに対しても、本方式は効果がある。また、４芯に限らず、例えば接地線や３相給電線と繋いだ芯線を有する４芯以上の非同軸ケーブルに対しても適用することが可能である。
【００３３】
実施の形態３．
上記実施の形態１、２において、過電圧抑制コンデンサ４、５、６は、回転機給電端子部と接地端子間、または電力変換器（インバータ）出力端子部と接地端子間、または給電線と接地線との間に外付けで接続しているが、任意のケーブル長のものに対して、簡単に静電容量を調整して過電圧を抑制できるように、可変式コンデンサを回転機給電端子台またはインバータに予め設置しておいてもよい。この場合、ケーブルとして４芯キャブタイヤケーブルを用いることが予め分かっているならば、可変式コンデンサを回転機のＶｍと接地端子間、またはインバータのＶｉと接地端子間に接続するように構成することが望ましいが、４芯キャブタイヤケーブルだけでなく、４芯平形ケーブルなど、各相の対接地線間の静電容量が全て異なるケーブルの使用が想定される場合には、このようなケーブルの使用時にも過電圧抑制が可能なように、回転機の任意の２相の給電端子と接地端子との間、またはインバータの任意の２相の出力端子と接地端子に、それぞれ可変式コンデンサを設置するとよい。この場合、ケーブルを接続する際には、可変式コンデンサが設置されているモータ給電端子またはインバータ出力端子に、ケーブル給電線−接地線間電圧が最も低い相の給電線、および２番目に低い相の給電線を接続すると良い。
【００３４】
また、３相全ての回転機給電端子と接地端子間、または３相全てのインバータ出力端子と接地端子間に可変式コンデンサを接続してもよい。この場合、４芯キャブタイヤケーブルのように、ある１相のみケーブル給電線−接地線間の静電容量が低いケーブルを使用するときには、ケーブル給電線−接地線間の静電容量が高い相に接続されている可変式コンデンサの静電容量値は、０ｐＦ、または対接地線間の静電容量に比べて小さい静電容量値、例えば数１０ｐＦ以下の小さい静電容量値に設定し、ケーブル給電線−接地線間の静電容量が低い相に接続されている可変式コンデンサの静電容量値は、３相全ての給電線と接地線との間の静電容量が等しくなるような値に設定すればよい。
【００３５】
また、４芯平形ケーブルのように、各相の対接地線間の静電容量が全て異なるケーブルを使用するときには、ケーブル給電線−接地線間の静電容量が最も高い相に接続されている可変式コンデンサの静電容量値は、０ｐＦ、または対接地線間の静電容量に比べて小さい静電容量値、例えば数１０ｐＦのオーダー以下の小さい静電容量値に設定し、ケーブル給電線−接地線間の静電容量が最も低い相、および２番目に低い相に接続されている可変式コンデンサの静電容量値は、３相全ての給電線と接地線との間の静電容量が等しくなるような値に設定すればよい。
【００３６】
可変式コンデンサの静電容量の可変範囲としては、電力変換システムに接続されることが想定されるケーブル長により異なる。望ましくは、可変範囲の下限値が数１０ｐＦ以下にでき、上限値が、最長でＬｍのケーブルの使用が想定される電力変換システムでは、Ｌ×△Ｃ（△Ｃ：ケーブル１ｍ当たりの、３相の給電線における対接地線間静電容量の差）以上にできるものが望ましい。典型的には、△Ｃ＜１００ｐＦなので、例えば最長で１００ｍのケーブルの使用が想定される電力変換システムでは、可変範囲の上限値が１００００ｐＦ以上であることが望ましい。
【００３７】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４によるインバータシステムを示す回路構成図である。図１１において、ＰＷＭインバータ１の３相出力端子Ｕｉ、Ｖｉ、Ｗｉは接地線Ｇｃを含む長さが等しい３本のケーブル２を介して交流回転機３の各相端子部に接続される。このケーブルの構造は、例えば４芯キャブタイヤケーブルを用いたときには、図２のような断面構造となっている。このとき、図１１に示すように、長さが等しい３本のケーブルの給電線を、例えばＵｉ−Ｒｃ−Ｗｃ−Ｂｃ−Ｕｍ，Ｖｉ−Ｗｃ−Ｂｃ−Ｒｃ−Ｖｍ，Ｗｉ−Ｂｃ−Ｒｃ−Ｗｃ−Ｗｍのように、３相全ての給電線が、３本のケーブルのうち１本だけＷｃ（ケーブル給電線のうち、対接地線の静電容量が低い線）を使用するようにねん架して接続する。このように接続することで、インバータと回転機とを接続する給電線での各相の対接地線間の静電容量が等しくなり、実施の形態１と同様に、ある特定の相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避でき、システム全体での最大過電圧を抑制することが可能となる。
【００３８】
実施の形態５．
図１２は、この発明の実施の形態５によるインバータシステムの給電線として用いるケーブルを示す斜視図である。図１２に示したケーブルは、接地線の周りに給電線を３本巻きつけた構造の４芯ケーブルである。このような構造にすると、ケーブルの任意の部分の断面が図１３のようになり、３相給電線と接地線との間の静電容量が、どの相も等しくなる。このような構造のケーブルをインバータシステムの給電線に用いることで、インバータと回転機を接続する給電線での各相の対接地線間の静電容量が等しくなり、実施の形態１と同様に、ある特定の相の第一コイル分担電圧が高くなる現象を回避でき、システム全体での最大過電圧を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００３９】
１ 電圧型ＰＷＭインバータ、２ ケーブル、３ 交流回転機、４〜６ 過電圧抑制コンデンサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換器と、３相交流回転機と、上記電力変換器と上記３相交流回転機とを接続し、接地線と３相給電線とを同一ケーブルとした、少なくとも４芯の、長さが等しい３本の非同軸ケーブルとを備え、上記３相給電線と上記接地線との間の静電容量が３相でほぼ等しくなるように、長さが等しい上記３本の非同軸ケーブルをねん架して接続したことを特徴とするインバータシステム。
【請求項１】
電力変換器と、３相交流回転機と、上記電力変換器と上記３相交流回転機とを接続し、接地線と３相給電線とを同一ケーブルとした、少なくとも４芯の、長さが等しい３本の非同軸ケーブルとを備え、上記３相給電線と上記接地線との間の静電容量が３相でほぼ等しくなるように、長さが等しい上記３本の非同軸ケーブルをねん架して接続したことを特徴とするインバータシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１８３８３６（Ｐ２０１０−１８３８３６Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８７７８６（Ｐ２０１０−８７７８６）
【出願日】平成２２年４月６日（２０１０．４．６）
【分割の表示】特願２００５−２２１０３７（Ｐ２００５−２２１０３７）の分割
【原出願日】平成１７年７月２９日（２００５．７．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月６日（２０１０．４．６）
【分割の表示】特願２００５−２２１０３７（Ｐ２００５−２２１０３７）の分割
【原出願日】平成１７年７月２９日（２００５．７．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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