JP2005267873A

JP2005267873A - 電力ケーブル

Info

Publication number: JP2005267873A
Application number: JP2004074366A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Higuchi; 剛樋口; Kenji Yamada; 健二山田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】放射性ノイズを抑制するだけでなく伝導性ノイズ、特にコモンモードにおける伝導性ノイズを抑制する機能も併せ持つ電力ケーブルを提供する。
【解決手段】各々絶縁された各相の電力線１００を一括に束ね、電力線１００の周りを磁性材料のコア材を含有する第１の絶縁物１０１で覆い、絶縁されたアース線１０２と第１の絶縁物１０１で覆われた電力線とを一括し、その周りをシールド線１０４によりシールドし、シールド線１０４の周りを第２の絶縁物１０３により覆う。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータ等の電力変換装置のスイッチング動作により発生する高周波ノイズを低減する電力ケーブルに関するものである。

高周波スイッチング素子を用いたインバータ等の電力変換装置の普及により、高周波漏れ電流や雑音端子電圧のような高周波ノイズによるＥＭＩ（電磁干渉）や、インバータに接続されたモータの巻線劣化、軸受電食、絶縁破壊などの問題が増えてきている。ＥＭＩに対する規制としてはＥＵによるＥＭＣ指令が代表的であるが、日本国内でも法令化の動きがあり、ＥＭＩ対策は重要な課題となっている。
インバータの動作により発生する放射性ノイズの抑制対策として、電力ケーブルにシールドケーブルを用いることが広く行なわれている。図１３に一般的なシールドケーブルの断面図を示す。各々絶縁された各相の電力線１００およびアース線１０２を一括に束ね、その周りを絶縁物１０１で覆い、さらにその周りをシールド線１０４によりシールドし、その周りを絶縁物１０３で覆う構成となっている。
しかし、こうしたシールドケーブルでは、放射性ノイズの抑制には効果があるものの伝導性ノイズに対しては顕著な抑制効果はない。

そこで、伝導性ノイズ対策として、従来ではケーブルにコモンモードチョークを挿入したり（例えば、特許文献１参照）、インバータの電源入力部に受動素子で構成したラインフィルタを設けて電源側へ流出する高周波ノイズの低減を行ってきたりした（例えば、特許文献２参照）。
一方、モータの巻線劣化、軸受電食、絶縁破壊の問題に対しては、従来はインバータ出力部に受動素子で構成したコモンモードフィルタを設けて電源側へ流出する高周波ノイズの低減を行ってきた（例えば、特許文献３参照）。
また、ケーブル単体でのノイズ抑制技術の一つとして、各層の絶縁電線とこれを覆うシースとの間に銅編組を配するとともに、この銅編組と絶縁電線との間にフェライト含有樹脂層を形成する方式がある（例えば、特許文献４参照）。

特開２０００−２９９０２０号公報（図１）特開１９９８−１０７５７１号公報（図１）特開２００１−６９７６２号公報（図１）特開平１０−３１９１３号公報（図１）

しかしながら、コモンモードチョークは高価でサイズも大きいという問題があり、ラインフィルタは、雑音端子電圧の低減効果とフィルタの接地容量が比例するので、雑音端子電圧を低減するために接地容量を増やすと低周波の漏れ電流が増加し安全上の問題が発生するという問題があった。
さらに、伝導性ノイズを抑制するためにフィルタ回路を設けても、以下に示すように適切なフィルタリングができない可能性がある。

図４は、インバータ等の電力変換装置によりモータを駆動させる一般的なシステム構成図である。図４（a）において、電源１０５と電力変換装置１０６は電源ケーブル１１０で接続され、電力変換装置１０６とモータ１０７はモータケーブル１０９で接続されている。また、図４（ｂ）に示すように、各相の電力線１００と、アース線１０２、シールド線１０４との間には浮遊容量１０８が存在する。図に示すように浮遊容量１０８は電力線１００の長さにより変化する。
一方、高周波ノイズの共振周波数はモータケーブル１０９および電源ケーブル１１０の配線インダクタンスと浮遊容量１０８に依存する。よってこれらのケーブル長を変えた場合、高周波ノイズの共振周波数も変化する。そのため、フィルタの選定が難しく、ケーブル長を変えた場合、適切なフィルタリングができない可能性がある。

また、特許文献４のケーブルは、主としてノーマルモードにおける伝導性ノイズ抑制用であり、電線にシールド加工をしているため放射性ノイズの抑制効果は有するが、コモンモードにおける伝導性ノイズ抑制効果は有していない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、放射性ノイズを抑制するだけでなく伝導性ノイズ、特にコモンモードにおける伝導性ノイズを抑制する機能も併せ持つ電力ケーブルを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成した。
請求項１に記載の発明は、電力変換装置を用いてモータを駆動させる際に電源から前記電力変換装置へ、または前記電力変換装置から前記モータへ電力を供給する電力ケーブルにおいて、各々絶縁された各相の電力線を一括に束ね、前記電力線の周りを磁性材料のコア材を含有する絶縁物で覆うことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、電力変換装置を用いてモータを駆動させる際に電源から前記電力変換装置へ、または前記電力変換装置から前記モータへ電力を供給する電力ケーブルにおいて、各々絶縁された各相の電力線を一括に束ね、前記電力線の周りを磁性材料のコア材を含有する第１の絶縁物で覆い、絶縁されたアース線と前記第１の絶縁物で覆われた電力線とを一括し、その周りを第２の絶縁物により覆うことを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、電力変換装置を用いてモータを駆動させる際に電源から前記電力変換装置へ、または前記電力変換装置から前記モータへ電力を供給する電力ケーブルにおいて、各々絶縁された各相の電力線を一括に束ね、前記電力線の周りを磁性材料のコア材を含有する第１の絶縁物で覆い、絶縁されたアース線と前記第１の絶縁物で覆われた電力線とを一括し、その周りをシールド線によりシールドし、前記シールド線の周りを第２の絶縁物により覆うことを特徴とする。

本発明の電力ケーブルを電源−電力変換装置間に用いた場合、放射性ノイズだけでなく、雑音端子電圧に代表されるような伝導性ノイズをも低減することができる。
また、電力変換装置−モータ間に用いた場合、放射性ノイズだけでなく、モータに流れ込むコモンモード電流に代表されるような伝導性ノイズをも低減することができる。
さらに伝導性ノイズ対策用にフィルタを付加する際にも、従来に比べて小型のフィルタを用いることができ、システムの小型化および低コストが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１乃至３に本発明の電力ケーブルの断面図を示す。
図１は、請求項１に記載の電力ケーブルの断面図であり、それぞれ絶縁されたＵ、Ｖ、Ｗ各相の電力線１００を一括に束ね、磁性材料のコア材を散布、または混入した絶縁物１０１で各相の電力線１００の周りを覆う構成となっている。
図２は、請求項２に記載の電力ケーブルの断面図であり、それぞれ絶縁されたＵ、Ｖ、Ｗ各相の電力線１００を一括に束ね、磁性材料のコア材を散布、または混入した第１の絶縁物１０１で各相の電力線１００の周りを覆い、第１の絶縁物１０１で覆われた電力線１００と絶縁されたアース線１０２とを一括し、その周りを第２の絶縁物１０３で覆う構成となっている。
図３は、請求項３に記載の電力ケーブルの断面図であり、それぞれ絶縁されたＵ、Ｖ、Ｗ各相の電力線１００を一括に束ね、磁性材料のコア材を散布、または混入した第１の絶縁物１０１で各相の電力線１００の周りを覆い、第１の絶縁物１０１で覆われた電力線１００と絶縁されたアース線１０２とを一括し、その周りをシールド線１０４によりシールドし、シールド線１０４の周りを第２の絶縁物１０３で覆う構成となっている。
なお、磁性材料とは例えばフェライトやアモルファスのような強磁性を有する物質を意味するが、同様の強磁性を有する物質であればこれらに限定されるものではない。
図３に示す電力ケーブルは本発明の要素をすべて抱合した構成であり図１および図２に示す電力ケーブルと同様の効果を有するため、以下では図３に示す電力ケーブルの具体的実施例について説明する。

本実施例では、本発明の電力ケーブルを電力変換装置−モータ間に適用した場合について説明する。
図５はインバータ等の電力変換装置によりモータを駆動させる一般的なシステムのコモンモードにおける回路構成図であり、本実施例でもこの回路構成を用いて説明する。
図６はコモンモードにおけるモータケーブル１０９および電源ケーブル１１０の等価回路であり、この等価回路を用いてシミュレーションを行なった。

図７は、電力変換装置−モータ間のコモンモードにおける等価回路を示す。図７（ａ）は、電力変換装置−モータ間のモータケーブル１０９を分布定数回路で表したものであり、図７（ｂ）は、電力変換装置−モータ間のモータケーブル１０９を集中定数回路で表したものである。
従来の電力ケーブルは、図７（ｂ）のコモンモードにおける配線のインダクタンスＬが小さいため、モータ１０７へ流れ込むコモンモード電流のピーク値が大きく、共振周波数も高い。

電力ケーブルを本発明の構造にすることにより、図７（ｂ）のコモンモードにおける配線のインダクタンスＬと、アース線およびシールド線と電力線との間の浮遊容量Ｃが大きくなり、コモンモード経路に対しコモンモードチョークを直列に接続し、キャパシタを並列に接続したバイパス方式のコモンモードフィルタが分布定数状にケーブルに付加された状態と等価となるため、ケーブル長に合わせたフィルタリングが可能となる。その結果モータ１０７へ流れ込むコモンモード電流を低減できる。

図１４は、モータケーブル１０９として図１３に示す従来の電力ケーブルを用い、高周波ノイズの原因の一つであるコモンモード電圧Ｖｃを０[Ｖ]から１００[Ｖ]へステップ状に変化させた際の各部コモンモード電流ｉｃ１、ｉｃ２の変化をシミュレーションした結果である。
図１４（ａ）がコモンモード電圧Ｖｃの変化を示し、図１４（ｂ）、（ｃ）がそれぞれｉｃ１、ｉｃ２の変化を示す。
図１５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１４（ｂ）、（ｃ）のコモンモード電流ｉｃ１、ｉｃ２の周波数成分を示す。

一方、図８はモータケーブル１０９に本発明の電力ケーブルを用いて図１４と同様のシミュレーションを行った際の結果であり、図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図８（ｂ）、（ｃ）のコモンコード電流ｉｃ１、ｉｃ２の周波数成分を示す。
なお、本発明の電力ケーブルのコモンモードにおける配線のインダクタンスの定数値は、コア材の材質や散布量によって異なるが、本シミュレーションを行うにあたり、従来の電力ケーブルのコモンモードにおける配線インダクタンスの１０倍とした。

本シミュレーションにより、本発明の電力ケーブルを用いることでフィルタ回路を付加することなく、従来の電力ケーブルに比べ、モータ１０７へ流れ込むコモンモードのピーク値を１．４[Ａ]から０．５[Ａ]に、また共振周波数を１．８[ＭＨｚ]から４５０[ｋＨｚ]に抑えることができ、本発明の電力ケーブルが簡易コモンモード用フィルタの機能を有していることが確認できる。
また、電力変換装置−モータ間に本発明の電力ケーブルを用いた場合、モータ１０７に流れ込むコモンモード電流に代表されるような伝導性ノイズに加え、共振周波数を低く抑制できるため放射性ノイズを低減することができ、モータの巻線劣化、軸受電食、絶縁破壊、放射性ノイズによる周辺機器の誤作動等などの問題解決に貢献できる。
さらに、伝導性ノイズ対策用にフィルタを付加する場合でも、従来のフィルタより小型のフィルタで済む。

また、本発明の電力ケーブルは、一括に束ねた各相の電力線１００の周りをフェライト、アモルファス等のコア材を散布または混入させた絶縁物１０１で覆うため、コモンモード電流に対してはインダクタンスとして作用するが、ノーマルモード電流に対しては磁束が相殺するためインダクタンスとしては作用しない。
このことにより、ノーマルモードに対しては、モータ１０７を駆動する場合のインダクタンス増加による位相ずれは無視できる。

本実施例では、本発明の電力ケーブルを電源−電力変換装置間に適用した場合について説明する。
前述のように図５はインバータ等の電力変換装置によりモータを駆動させる一般的なシステムのコモンモードにおける回路構成図であり、本実施例でもこの回路構成を用いて説明する。
図６はコモンモードにおけるモータケーブル１０９および電源ケーブル１１０の等価回路であり、この等価回路を用いてシミュレーションを行なった。

図１０は、電源−電力変換装置間のコモンモードにおける等価回路を示す。図１０（ａ）は、電源−電力変換装置間の電源ケーブル１１０を分布定数回路で表したものであり、図１０（ｂ）は、電源−電力変換装置間の電源ケーブル１１０を集中定数回路で表したものである。
従来の電力ケーブルは、図１０（ｂ）のコモンモードにおける配線のインダクタンスＬが小さいため、電源１０５側へ流れ込むコモンモード電流のピーク値が大きく、共振周波数も高い。

電力ケーブルを本発明の構造にすることにより、図１０（ｂ）のコモンモードにおける配線のインダクタンスＬと、アース線およびシールド線と電力線との間の浮遊容量Ｃが大きくなり、コモンモード経路に対しコモンモードチョークを直列に接続し、キャパシタを並列に接続したバイパス方式のコモンモードフィルタが分布定数状にケーブルに付加された状態と等価となるため、ケーブル長に合わせたフィルタリングが可能となる。その結果電源１０５へ流れ込むコモンモード電流を低減できる。

図１６は、電源ケーブル１１０として図１３に示す従来の電力ケーブルを用い、
高周波ノイズの原因の一つであるコモンモード電圧Ｖｃを０[Ｖ]から１００[Ｖ]へステップ状に変化させた際の各部コモンモード電流ｉｃ３、ｉｃ４の変化をシミュレーションした結果である。
図１６（ａ）がコモンモード電圧Ｖｃの変化を示し、図１６（ｂ）、（ｃ）がそれぞれ
ｉｃ３、ｉｃ４の変化を示す。
図１７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１６（ｂ）、（ｃ）のコモンモード電流ｉｃ３、ｉｃ４の周波数成分を示す。

一方、図１１は電源ケーブル１１０に本発明の電力ケーブルを用いて図１６と同様のシミュレーションを行った際の結果であり、図１２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１１（ｂ）、（ｃ）のコモンコード電流ｉｃ３、ｉｃ４の周波数成分を示す。
なお、本発明の電力ケーブルのコモンモードにおける配線のインダクタンスの定数値は、コア材の材質や散布量によって異なるが、本シミュレーションを行うにあたり、従来の電力ケーブルのコモンモードにおける配線インダクタンスの１０倍とした。

本シミュレーションにより、本発明の電力ケーブルを用いることでフィルタ回路を付加することなく、従来の電力ケーブルに比べ、電源１０５へ流れ込むコモンモードの電流のピーク値を１．２[Ａ]から０．４[Ａ]に抑えることでき、さらに共振周波数を１．５[ＭＨｚ]から４５０[ｋＨｚ]に抑えることができ、本発明の電力ケーブルが簡易コモンモード用フィルタの機能を有していることが確認できる。
また、電源−電力変換装置間に本発明の電力ケーブルを用いた場合、雑音端子電圧のような伝導性ノイズに加え、電源１０５側に流れ込むコモンモード電流のピーク値および共振周波数を低く抑制できるため放射性ノイズを低減することができ、伝導性ノイズおよび放射性ノイズによる周辺機器の誤作動等の問題解決に貢献できる。
さらに、伝導性ノイズ対策用にフィルタを付加する場合でも、従来のフィルタより小型のフィルタで済む。

さらに、フィルタを付加することによる雑音端子電圧低減方法では、雑音端子電圧を低減させるために接地容量を増やすと低周波の漏れ電流が増加し安全上の問題が発生するが、本発明の電力ケーブルと従来のフィルタを組み合わせることによって、フィルタの接地容量を小さくすることができ、雑音端子電圧を抑えつつ低周波の漏れ電流も低減でき、安全上の問題も解決する。

本発明の電力ケーブルを電源−電力変換装置間に用いることによって、電源側へ流出するコモンモード電流を低減させることができ、
また本発明の電力ケーブルを電力変換装置−モータ間に用いることによって、モータに流れ込むコモンモード電流を低減することができ、モータを保護することができる。
また、放射性ノイズの低減にも効果があるため周辺機器の誤作動防止およびモータの長寿命化を必要とされるシステムへの用途に適用できる。
また、フィルタを付加する場合でも従来のフィルタより小型のフィルタで済むため、システムの小型化への用途に適用できる。
且つ、本発明の電力線用シールドケーブルと従来のフィルタを組み合わせることによって、従来のフィルタの接地容量を小さくすることができるので、低周波の漏れ電流を抑えることができ、安全上の問題を考慮しなければならないシステムへの用途に適用できる。

本発明の電力ケーブルの構成を示す断面図本発明の電力ケーブルの構成を示す断面図本発明の電力ケーブルの構成を示す断面図インバータ等の電力変換装置によりモータを駆動させる一般的なシステムの構成図インバータ等の電力変換装置によりモータを駆動させる一般的なシステムのコモンモードにおける構成図電力ケーブルのコモンモード等価回路を示す図電力変換装置とモータとを電力ケーブルで接続した場合の電力変換装置出力側のコモンモード等価回路を示す図本発明の電力ケーブルを電力変換装置−モータ間に用いた場合の各部コモンモード電流のシミュレーション結果を示す図本発明の電力ケーブルを電力変換装置−モータ間に用いた場合の各部コモンモード電流のシミュレーション結果の周波数成分を示す図電源と電力変換装置とを電力ケーブルで接続した場合の電力変換装置入力側のコモンモード等価回路を示す図本発明の電力ケーブルを電源−電力変換装置間に用いた場合の各部コモンモード電流を示すシミュレーション結果を示す図本発明の電力ケーブルを電源−電力変換装置間に用いた場合の各部コモンモード電流のシミュレーション結果の周波数成分を示す図従来の電力ケーブルの構成図従来の電力ケーブルを電力変換装置−モータ間に用いた場合の各部コモンモード電流のシミュレーション結果を示す図従来の電力ケーブルを電力変換装置−モータ間に用いた場合の各部コモンモード電流のシミュレーション結果の周波数成分を示す図従来の電力ケーブルを電源−電力変換装置間に用いた場合の各部コモンモード電流を示すシミュレーション結果を示す図従来の電力ケーブルを電源−電力変換装置間に用いた場合の各部コモンモード電流のシミュレーション結果の周波数成分を示す図

符号の説明

１００電力線
１０１磁性材料のコア材を含有する絶縁物
１０２アース線
１０３絶縁物
１０４シールド線
１０５電源
１０６電力変換装置
１０７モータ
１０８電力線−アースおよびシールド線間の浮遊容量
１０９電力変換装置−モータ間ケーブル
１１０電源−電力変換装置間ケーブル

Claims

電力変換装置を用いてモータを駆動させる際に電源から前記電力変換装置へ、または前記電力変換装置から前記モータへ電力を供給する電力ケーブルにおいて、
各々絶縁された各相の電力線を一括に束ね、前記電力線の周りを磁性材料のコア材を含有する絶縁物で覆うことを特徴とする電力ケーブル。
電力変換装置を用いてモータを駆動させる際に電源から前記電力変換装置へ、または前記電力変換装置から前記モータへ電力を供給する電力ケーブルにおいて、
各々絶縁された各相の電力線を一括に束ね、前記電力線の周りを磁性材料のコア材を含有する第１の絶縁物で覆い、絶縁されたアース線と前記第１の絶縁物で覆われた電力線とを一括し、その周りを第２の絶縁物により覆うことを特徴とする電力ケーブル。
電力変換装置を用いてモータを駆動させる際に電源から前記電力変換装置へ、または前記電力変換装置から前記モータへ電力を供給する電力ケーブルにおいて、
各々絶縁された各相の電力線を一括に束ね、前記電力線の周りを磁性材料のコア材を含有する第１の絶縁物で覆い、絶縁されたアース線と前記第１の絶縁物で覆われた電力線とを一括し、その周りをシールド線によりシールドし、前記シールド線の周りを第２の絶縁物により覆うことを特徴とする電力ケーブル。