JP2002281765A

JP2002281765A - 電力変換設備

Info

Publication number: JP2002281765A
Application number: JP2001079724A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Noguchi; 雄一郎野口; Masaaki Okabe; 正章岡部
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2002-09-27

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体電力変換器は高周波スイッチング動作
によってノイズを発生し、これが周辺のエレクトロニク
ス機器に伝搬してその誤動作等を招く。【解決手段】インバータの入出力回路ケーブル１９、
２２をシールドケーブルとして該シールド１９Ａ，２２
Ａの片端を接地極２６に接地する。接地極はインバータ
やエレクトロニクス機器１５、２５、盤筺体２４および
モータ２３にそれぞれ専用のものを設ける。接地極への
接地線１４Ａ，１５Ａ，２５Ａをシールドケーブルとし
て該シールドの片端を接地極に接地する。なお、接地極
の接地抵抗は１０Ω以下、インバータの接地極はエレク
トロニクス機器用接地極と１０ｍ以上離隔し、モータ用
接地極とは５ｍ以上離隔、シールドケーブルのサイズの
特定、インバータと盤とは絶縁、インバータの出力ケー
ブルは動力ケーブルの他に接地用ケーブルを設ける構成
なども選択可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体電力変換器
を有して負荷に給電する電力変換設備に係り、特に電力
用半導体素子の高周波スイッチング動作に因るノイズ障
害対策のための設備構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】インバータ、コンバータ、チョッパ等の
半導体電力変換器は、交流電源または直流電源を電源と
し、電力用半導体スイッチのスイッチング動作によって
電圧、電流、周波数、位相等を制御した電力変換を行う
ことができ、電気車や各種産業用設備（動力装置、ポン
プ、ブロワーなど）のモータ駆動手段や、コンピュータ
の定電圧定周波電源、太陽電池で得られる直流を交流に
変換するパワーコンディショナーなどに数多く使われて
いる。

【０００３】このような半導体電力変換器は、電源また
は負荷との間に、高周波数成分を含むスイッチング電流
が流れ、この電流で高周波ノイズが発生し、その周辺に
配置される電力変換制御装置や計測装置、コンピュータ
システムなどのエレクトロニクス機器にノイズが伝搬し
てそれが誤動作したり、制御不能になることがある。

【０００４】半導体電力変換器から発生するノイズに
は、以下のものに分類される。

【０００５】（ａ）伝導ノイズ電力変換器の半導体素子のスイッチング動作による高周
波電流が電源系統を経由してエレクトロニクス機器等の
他の機器にノイズが伝搬する。

【０００６】（ｂ）漏れ電流電力変換器の半導体素子のスイッチング動作により、電
力変換器と負荷の間の配線や負荷と大地間に存在する浮
遊静電容量を通して漏れ電流が流れる。

【０００７】漏れ電流は、浮遊静電容量とスイッチング
速度に比例する。

【０００８】低騒音型などのスイッチング速度の速い電
力変換器の開発により顕在化してきてノイズである。

【０００９】（ｃ）静電誘導ノイズ電力変換器を構成する電気部品以外の盤、冷却器、絶縁
物等は、等価的には抵抗、インダクタンス、キャパシタ
ンスの電気回路を形成し、高周波電流を流す回路の一部
となる。静電結合による誘導電圧は周波数、入力インピ
ーダンス、結合容量、妨害電圧に比例する。これらの関
係から、電力変換器の出力線と微小信号電流の流れるエ
レクトロニクス機器の信号線が近くに配線されている
と、信号線に妨害電圧が誘導される。

【００１０】（ｄ）電磁誘導ノイズ電流により磁束を生じ、この磁束が時間的に変化するこ
とによって近接する電線に妨害電圧を発生し、エレクト
ロニクス機器の検出エラーや誤動作を起こす。

【００１１】電力変換器内の配線、リアクトルやトラン
スの漏れ磁束、変換器の入出力配線に電力ケーブルが平
行かつ近接して布設されている場合に生じる。

【００１２】（ｅ）放射ノイズスイッチング素子のｄｖ／ｄｔ（電圧変化率）によって
回路配線の浮遊キャパシタンスやインダクタンスによる
高周波振動が発生し、これらを接続する配線が等価的に
アンテナとなって電磁波が放射される。

【００１３】図４は、電力変換設備における各種ノイズ
の伝搬経路の例を示す。同図は、インバータ１によって
モータ２を可変速駆動するのに、その電源として変圧器
３で降圧した電源母線からしゃ断器４を通してインバー
タ１に電力供給し、母線からはモータ２の速度検出セン
サ等のセンサ５とその電源５Ａ、制御装置６、計器７、
受信器８等にも必要な電源接続をし、さらに保護継電器
９等が接続される。この構成における上記の各ノイズの
伝搬経路は、破線または実線の矢印Ａ〜Ｄで示すように
なる。

【００１４】次に、従来のノイズ障害対策を説明する。
この対策としては、ノイズ発生源側でノイズ発生を抑制
する方法と、ノイズが伝搬するエレクトロニクス機器側
でノイズ伝搬を防止する方法とが採られる。

【００１５】（１）ノイズ発生源側の対策ＥＭＩ（電磁障害／エミッション）低減のため、以下の
ようなフィルタ、ノイズカットトランス、リアクトル等
を設ける。

【００１６】・ＬＣフィルタ…幅広い周波数で高い減衰
性のある高減衰型にされる。

【００１７】・容量性フィルタ…特定の周波数帯に効果
のある簡易型、インバータに並列に接続して高周波電流
を大地にバイパスさせるもの。

【００１８】・誘導性フィルタ…フェライトコア内に電
線を通すか巻き付け、そのインピーダンス特性によって
ノイズを吸収する零相リアクトル型にされる。

【００１９】・ノイズカットトランス…高周波の電圧や
電流に対して一次コイルと二次コイルの磁気的および静
電誘導的結合を極めて小さくしたトランスにされる。

【００２０】・ＡＣリアクトル…電源側の％リアクタン
スが大きいとき、入力電流の高調波成分が小さくなる特
性を利用したリアクトルにされる。入力電流の１〜２％
のものが使われる。

【００２１】・ＤＣリアクトル…コンバータのダイオー
ド整流器と平滑コンデンサの間に、ＤＣリアクトルを設
けて入力電流の高調波成分を低減させるリアクトルにさ
れる。

【００２２】（２）エレクトロニクス機器側の対策ＥＭＳ（電磁妨害耐性／イミュニティー）向上のための
絶縁、フローティング、ノイズカットトランス取り付け
などを行う。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】電力変換器のスイッチ
ング素子として、従前のパワートランジスタから最近で
は高速スイッチング可能なＩＧＢＴやＧＴＯ、パワーＦ
ＥＴ等に置換されてきている。また、電力変換方式とし
ては入出力電流や電圧の波形改善のためにＰＷＭ制御が
採用されることが多くなっている。このような電力変換
器の場合、ＰＷＭ制御のためのキャリア（搬送波）周波
数は、１ｋＨ_Z〜２ｋＨ_Zであったパワートランジスタの
場合に比べて、３ｋＨ_Z〜１２ｋＨ_Z程度にまで高められ
ている。このため、電力変換器が発生するノイズ電流も
より高周波化（〜数ＭＨ_Z）して強くなってきている。

【００２４】ＰＷＭ制御のインバータにおけるノイズ電
流は、

【００２５】

【数１】Ｉ∝（ｄｖ／ｄｔ）×ｆｃ×Ｃただし、Ｉはノイズ電流、ｄｖ／ｄｔはスイッチング周
波数による高周波の電位変動、ｆｃはキャリア周波数、
Ｃは浮遊キャパシタンスである。

【００２６】このノイズ電流Ｉは、例えば、パワートラ
ンジスタとＩＧＢＴの場合を比べると、下記表のように
１６倍にもなる。

【００２７】

【表１】

【００２８】上記のキャリア周波数の高周波化など、電
力変換器の半導体素子のスイッチング動作の高周波化
は、前記の図４に示すノイズ伝搬経路のうち、トランス
やモータのコイル間、コイルとフレームの間、ケーブル
と大地間などの静電容量を通して充放電漏れ電流が流
れ、電路のみならず、系統内の広い範囲にノイズが分流
するようになり、従来のフィルタ、ノイズカットトラン
ス、リアクトルなどのノイズ障害対策のみではエレクト
ロニクス機器へのノイズ伝搬を防ぐのが難しくなってき
ている。

【００２９】本発明の目的は、電力変換器からエレクト
ロニクス機器にノイズが伝搬するのを確実、容易に防止
できる電力変換設備を提供することにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本発明は、電力変換器の
入出力回路ケーブルをノイズ伝搬抑制用のシールドケー
ブルとして該シールドの片端を接地極に接地する構成、
接地極は電力変換器やエレクトロニクス機器、盤、負荷
等にそれぞれ専用のものを設ける構成、接地極への接地
線をシールドケーブルとして該シールドの片端を接地極
に接地する構成、などを選択的に組み合わせることで前
記の課題を解決するもので、以下の構成を特徴とする。

【００３１】（１）電力用半導体素子のスイッチング動
作で電力変換して負荷に供給する電力変換器を備えた電
力変換設備において、前記電力変換器から負荷に供給す
る出力ケーブルは、該ケーブルから周辺のエレクトロニ
クス機器へのノイズ伝搬を抑制するシールドケーブルと
し、該シールドケーブルのシールドの片端を接地極に接
地した構成を特徴とする。

【００３２】（２）電力用半導体素子のスイッチング動
作で電力変換して負荷に供給する電力変換器を備えた電
力変換設備において、電源から前記電力変換器に電源供
給する入力ケーブルは、該ケーブルから周辺のエレクト
ロニクス機器へのノイズ伝搬を抑制するシールドケーブ
ルとし、該シールドケーブルのシールドの片端を接地極
に接地した構成を特徴とする。

【００３３】（３）前記電力変換器と負荷とエレクトロ
ニクス機器およびそれらを収納する盤を接地するための
接地線は、該接地線から周辺のエレクトロニクス機器へ
のノイズ伝搬を抑制するシールドケーブルとし、該シー
ルドケーブルのシールドの片端を接地極に接地した構成
を特徴とする。

【００３４】（４）前記電力変換器およびそれに直接接
続された負荷とエレクトロニクス機器および盤は、それ
ぞれ専用の接地極を設けた構成を特徴とする。

【００３５】なお、以上までの構成に選択的に加えるノ
イズ障害対策として、（ａ）接地極の接地抵抗は１０Ω
以下とする構成、（ｂ）電力変換器専用の接地極はエレ
クトロニクス機器用接地極と１０ｍ以上離隔し、負荷用
接地極とは５ｍ以上離隔する構成、（ｃ）電力変換器専
用の接地極が設けられない場合は、負荷の接地極と共用
にして接地線は接地極に直接接続する構成、（ｄ）シー
ルドケーブルのサイズは２２ｍｍ²以上、または電力変
換器の電源ケーブルサイズ以上とし、最大１００ｍｍ²
とする構成、（ｅ）各接地線は最短距離とする構成、
（ｆ）電力変換器はそれを収納する盤とは絶縁する構
成、（ｇ）電力変換器の出力ケーブルは動力ケーブルの
他に接地用ケーブルを設ける構成とする。

【００３６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を示す
ノイズ障害対策を施した電力変換設備であり、インバー
タでモータを駆動する場合である。

【００３７】インバータの主回路は、ダイオードを整流
素子とする順変換部１１とＩＧＢＴをスイッチング素子
とする逆変換部１２と平滑コンデンサ１３で要部が構成
され、インバータ架１４に組み込まれる。また、逆変換
部１２にはＰＷＭ制御用電子回路と電源回路を搭載する
ＰＷＭ制御装置１５との間でゲート信号などの信号線１
６で接続される。

【００３８】これらインバータ主回路と制御装置は、電
源母線からしゃ断器１７、１８とケーブル１９、２０等
を介して電源供給される。また、制御装置１５では速度
センサ等からの計測信号が信号線２１を通して入力され
る。また、逆変換部１２の出力は、ＬＣフィルタやしゃ
断器を介してケーブル２２により負荷となるモータ２３
に電力供給する。

【００３９】なお、インバータ架１４や制御装置１５は
配電盤用筺体２４に収納される。また、他のエレクトロ
ニクス機器２５は、インバータの周辺に設けられる受電
設備の監視制御用コンピュータやプラントの計装設備、
保護継電装置等とする。

【００４０】以上の電力変換設備において、本実施形態
では、ノイズ障害対策手段として以下の手段を設ける。
なお、インバータ架１４、モータ２３、配電盤筺体２
４、制御装置１５、エレクトロニクス機器２５は、それ
ぞれ接地極と接地線を使用して接地される。

【００４１】（１）インバータ架１４を接地するための
専用の接地極２６を設ける。この接地抵抗値は高圧機器
用Ａ種接地クラスになる１０Ω以下とする。

【００４２】この構成により、降圧トランスや電源母線
等の高圧機器に地絡電流等が流れた場合にも接地極２６
の電位変化を少なくし、高圧機器側からの漏れ電流ノイ
ズが接地極２６を通してエレクトロニクス機器側に拡散
するのを防止する。

【００４３】なお、接地抵抗値１０Ω以下とする条件
は、インバータの周辺に高圧機器およびエレクトロニク
ス機器が配置される場合である。

【００４４】（２）インバータ専用の接地極２６は、イ
ンバータに接続されないモータや配電盤筺体２４を接地
する配電盤および一般動力用接地極２７とは５ｍ以上離
隔し、エレクトロニクス機器用接地極２９とは１０ｍ以
上離隔する。

【００４５】図２は、インバータ専用の半球状（等価半
径１ｍ）の接地極２６を中心として周囲の接地電位分布
を示し、５ｍ離隔では２０％程度にまで電位が下がるの
に対して、１０ｍ離隔では１０％程度にまで低下させる
ことができ、大地を通した伝導ノイズの伝搬を抑制す
る。

【００４６】なお、接地極間の離隔距離５ｍ以上、１０
ｍ以上とする条件は、インバータの周辺に高圧機器およ
びエレクトロニクス機器が配置される場合である。

【００４７】（３）前記のインバータ専用の接地極２６
を設けることができない設備環境にある場合、配電盤お
よび一般動力用接地極２７と共用にする。ただし、接地
線は接地極に直接接続する。この構成により、インバー
タから接地極２７に接続する接続線の途中で接続するこ
とによりノイズが配電盤内のエレクトロニクス機器等へ
伝搬するのを防止する。

【００４８】（４）インバータ架１４、制御装置１５、
エレクトロニクス機器２５をそれぞれ接地極に接地する
のに、それらの接地線１４Ａ，１５Ａ，２５Ａを専用の
シールドケーブルとし、シールド線の片端をそれぞれの
接地極に接続する。モータ２３の接地線は、電源ケーブ
ル２２Ａの中の１芯を使用することにより、電源線のノ
イズをキャンセルさせる。また、電源ケーブルはシール
ド線とし、片端を接地極に接続する。

【００４９】この構成により、接地線がアンテナとなっ
て放射ノイズが伝搬するのを、接地線の電位を接地極電
位とすることで抑制する。図３は、片端接地のシールド
ケーブルの有無によるノイズ吸収波形を示し、ノイズ放
射が大幅に軽減されている。

【００５０】（５）接地線１４Ａ及び２２Ａ（１芯を接
地線に使用）のシールドケーブルのサイズは、高周波に
よる電線の表皮効果対策上から２２ｍｍ²以上、または
インバータの電源ケーブルサイズ以上とする。ただし、
最大１００ｍｍ²とする。

【００５１】接地線のインピーダンスωＬ（＝２πｆ
Ｌ）は、電源母線の商用周波数５０Ｈ _Z（または６０
Ｈ_Z）に対しては十分に低くなるが、インバータの半導
体素子は１０ｋＨ_Z程度のスイッチング動作をさせるた
め、同じサイズでも２００倍以上のインピーダンス上昇
が起きるため、電源ケーブルサイズ以上とすることで接
地線の温度上昇および放射ノイズの伝搬を抑制する。な
お、従来の接地線サイズは電源ケーブルの数分の１とい
う細いケーブルを使用している。

【００５２】また、接地線のシールドケーブルサイズを
最大１００ｍｍ²とするのは、接地線の抵抗Ｒに対する
インピーダンスωＬが無視できるためである。また、接
地線サイズは、インバータ、配電盤、モータ等の配置、
接続構成、架構成などで異なるものである。

【００５３】（６）接地線は最短ルートで配線する。こ
の構成により、ノイズ周波数に対する接地線のインピー
ダンスをできるだけ小さくし、接地極に対する架の電位
上昇を抑制し、また放射ノイズの漏れを抑制する。

【００５４】（７）インバータ架１４および制御装置１
５の架を配電盤筺体２４から絶縁する。この構成によ
り、インバータの各部から発生するノイズが筺体を伝導
して制御装置１５側に伝導するのを防止する。

【００５５】同様に、他のエレクトロニクス機器２５を
その盤筺体とは絶縁することで盤筺体を通したノイズ伝
導を防止する。

【００５６】（８）インバータからモータ２３に電力供
給するケーブル２２は、シールド２２Ａで覆ったシール
ドケーブルとし、シールド２２Ａの片端をインバータ専
用接地極２６に接地する。この接地回路は、インバータ
架１４に接続される接地線１４Ａを通した最短構成とす
る。

【００５７】この構成により、シールド２２Ａの電位を
インバータ専用接地極２６の電位に近いものにし、ケー
ブル２２の電流に含まれる高周波電流が静電誘導ノイズ
として伝搬するのを抑制する。また、シールドの片端を
接地することにより、シールド両端接地では両端の接地
電位がアンバランスになるときにシールドに流れる循環
電流がノイズ発生源となるのを防止する。

【００５８】（９）電源母線からインバータに電源供給
するケーブル１９は、シールド１９Ａで覆ったシールド
ケーブルとし、シールド１９Ａの片端をインバータ専用
接地極２６に接地する。この接地回路は、インバータ架
１４に接続される接地線１４Ａを通した最短構成とす
る。

【００５９】この構成により、シールド１９Ａの電位を
インバータ専用接地極２６の電位に近いものにし、ケー
ブル１９に流れる整流電流（スパイク状電流）に含まれ
る高調波電流が静電誘導ノイズとして伝搬するのを抑制
する。また、片端接地によりシールドにアンバランス循
環電流が発生するのを防止する。

【００６０】（１０）インバータからモータ２３に電力
供給するケーブル２２は、芯数を動力線（３相）の他に
ノイズ帰還用接地線２２Ｂを設け、この接地線２２Ｂの
一端はインバータ側の接地線１４で接地し、他端はモー
タ２３の接地端子に接続する。

【００６１】この構成により、接地線２２Ｂが動力線と
平行配置し、動力線から伝搬するノイズをキャンセルす
る。

【００６２】（１１）エレクトロニクス機器の信号線１
６、２１および３０は、撚線（ツイストペア線）とし、
それにシールド１６Ａ，２１Ａ，３０Ａを設け、各シー
ルドの片端をエレクトロニクス機器用接地極２８の接地
線１５Ａ，２５Ａでそれぞれ接地する。

【００６３】シールドは静電誘導ノイズ対策として有効
であるが、電磁誘導ノイズには効果が低い。そこで、信
号線や電源線を撚線とすることで誘起されるノイズを相
殺し、エレクトロニクス機器内の微弱信号回路に電磁誘
導ノイズが伝搬するのを抑制する。

【００６４】以上までのノイズ障害対策により、インバ
ータから発生する伝導ノイズ、静電誘導ノイズ、放射ノ
イズがエレクトロニクス機器に伝搬するのを抑制するこ
とができる。

【００６５】なお、上記の（１）〜（１１）の各対策
は、適用しようとする電力変換設備およびその周辺に設
けられるエレクトロニクス機器の構成、設置環境、電力
規模等によって適宜選択的に利用するものである。

【００６６】例えば、電力変換設備の構成がＰＷＭ制御
するものか否か、設置環境が商業・住宅地域か否か、同
じ電源系統にエレクトロニクス機器が接続されるか否
か、専用接地極が確保できるか否かの違いによってノイ
ズ障害対策が個々に選択される。

【００６７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、ノイズ
障害対策として、電力変換器の入出力回路ケーブルをノ
イズ伝搬抑制用のシールドケーブルとして該シールドの
片端を接地極に接地する構成、接地極は電力変換器やエ
レクトロニクス機器、盤、負荷等にそれぞれ専用のもの
を設ける構成、接地極への接地線をシールドケーブルと
して該シールドの片端を接地極に接地する構成などとす
るため、電力変換器からエレクトロニクス機器にノイズ
が伝搬するのを確実、容易に防止できる。

【００６８】特にシールドケーブルの片端を接地極に接
地することで、アンバランス電流によるノイズ伝搬を防
止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す電力変換設備の構成
図。

【図２】接地極周辺の電位分布特性図。

【図３】シールドケーブルの有無によるノイズ吸収波形
図。

【図４】各種ノイズの伝搬経路の例。

【符号の説明】

１…インバータ２、２３…モータ１１…順変換部１２…逆変換部１４…インバータ架１５…ＰＷＭ制御装置１９、２０…電源ケーブル２２…出力ケーブル２６〜２８…接地極１４Ａ，１５Ａ，２５Ａ…接地線１６Ａ，１９Ａ，２０Ａ，２１Ａ，２２Ａ，…シールド
ケーブルのシールド２５…他のエレクトロニクス機器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力用半導体素子のスイッチング動作で
電力変換して負荷に供給する電力変換器を備えた電力変
換設備において、前記電力変換器から負荷に供給する出力ケーブルは、該
ケーブルから周辺のエレクトロニクス機器へのノイズ伝
搬を抑制するシールドケーブルとし、該シールドケーブ
ルのシールドの片端を接地極に接地した構成を特徴とす
る電力変換設備。
【請求項２】電力用半導体素子のスイッチング動作で
電力変換して負荷に供給する電力変換器を備えた電力変
換設備において、電源から前記電力変換器に電源供給する入力ケーブル
は、該ケーブルから周辺のエレクトロニクス機器へのノ
イズ伝搬を抑制するシールドケーブルとし、該シールド
ケーブルのシールドの片端を接地極に接地した構成を特
徴とする電力変換設備。
【請求項３】前記電力変換器と負荷とエレクトロニク
ス機器およびそれらを収納する盤を接地するための接地
線は、該接地線から周辺のエレクトロニクス機器へのノ
イズ伝搬を抑制するシールドケーブルとし、該シールド
ケーブルのシールドの片端を接地極に接地した構成を特
徴とする請求項１または２に記載の電力変換設備。
【請求項４】前記電力変換器およびそれに直接接続さ
れた負荷とエレクトロニクス機器および盤は、それぞれ
専用の接地極を設けた構成を特徴とする請求項１〜３の
いずれか１項に記載の電力変換設備。