JP2007048897A - ノイズフィルタ - Google Patents
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Abstract
【課題】 ノーマルモード用とコモンモード用のチョークコイルを別にすると、チョークコイルにスペースを取りノイズフィルタの小型化が困難である。ノーマルモード用とコモンモード用を兼用する従来のチョークコイルは、製作方法が複雑である。
【解決手段】 ３個の脚部５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、これらの脚部の１端をそれぞれつなぐ２個の連結部５Ｄ、５Ｅを有する鉄心５と、３個の脚部５Ａ、５Ｂ、５Ｃのそれぞれに巻かれた３個の巻線７Ａ、７Ｂ、７Ｃと、２個の連結部５Ｄ、５Ｅをつなぐ継鉄６とを備え、継鉄６が鉄心５よりも低損失であり、巻線７Ａ、７Ｂ、７Ｃに３相交流の各相の電流を流すことを特徴とする
【選択図】 図２
Description
この発明は、電力系統と電力機器の間に接続され、電力系統にノイズが伝導することを防止するノイズフィルタに関するものである。
従来のノイズフィルタでは、３相に１２０度ずつ異なる位相の電流が流れる３個のノーマルモード用のコア（鉄心）と、３相に同位相の電流が流れる１個のコモンモード用のコアとを備え、各相ごとに巻線を位置合せしたノーマルモード用のコアとコモンモード用のコアに共通に巻いて、ノーマルモード用とコモンモード用のチョークコイルを一体化する構成としていた。（例えば、特許文献１を参照。）
他の従来のノイズフィルタでは、ノーマルモードのノイズを３個のノーマルモード用チョークコイルと３個の線間コンデンサにより低減し、コモンモードのノイズを１個のコモンモード用チョークコイルと接地と各相の間に配置された３個のコンデンサにより低減している。
（例えば、特許文献２を参照。）
他の従来のノイズフィルタでは、ノーマルモードのノイズを３個のノーマルモード用チョークコイルと３個の線間コンデンサにより低減し、コモンモードのノイズを１個のコモンモード用チョークコイルと接地と各相の間に配置された３個のコンデンサにより低減している。
（例えば、特許文献２を参照。）
特許文献１では、コイルの巻き回し時にノーマルモード用コアとコモンモード用コアの２つを位置合せしてから共通に巻く必要があり、製作方法が複雑である。ノーマルモード用とコモンモード用のチョークコイルを別にすると、チョークコイルにスペースを取りノイズフィルタの小型化が困難である。
またコモンモードノイズを低減するためのコンデンサを３個接続する必要があり、ノイズフィルタの小型化が困難である。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電力機器が発生するノイズが電力系統に伝導することを防止する小型のノイズフィルタを得ることを目的とするものである。
またコモンモードノイズを低減するためのコンデンサを３個接続する必要があり、ノイズフィルタの小型化が困難である。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電力機器が発生するノイズが電力系統に伝導することを防止する小型のノイズフィルタを得ることを目的とするものである。
この発明に係るノイズフィルタは、３個の脚部、これらの脚部の１端をそれぞれつなぐ２個の連結部を有する鉄心と、３個の前記脚部のそれぞれに巻かれた３個の巻線と、２個の前記連結部をつなぐ継鉄とを備え、該継鉄が前記鉄心よりも低損失であり、前記巻線に３相交流の各相の電流を流すことを特徴とするものである。
また、３個の脚部、これらの脚部の１端をそれぞれつなぐ２個の連結部を有する鉄心と、３個の前記脚部のそれぞれに巻かれた３個の巻線と、２個の前記連結部をつなぐ継鉄とを備え、商用周波数での透磁率が所定値以上の第１の材料と該第１の材料よりも高周波領域での透磁率が高い第２の材料とを用いて前記鉄心を構成し、前記継鉄の少なくとも１部を前記第２の材料で構成し、少なくとも１個の前記脚部と前記継鉄を通る前記第２の材料だけからなる磁路が構成でき、前記巻線に３相交流の各相の電流を流すことを特徴とするものである。
さらに、３相交流の各相間にそれぞれ１個配置された３個の線間コンデンサと、接地と１相の間に配置された前記線間コンデンサよりも容量が小さい１個のコンデンサとを備えたものである。
この発明に係るノイズフィルタは、３個の脚部、これらの脚部の１端をそれぞれつなぐ２個の連結部を有する鉄心と、３個の前記脚部のそれぞれに巻かれた３個の巻線と、２個の前記連結部をつなぐ継鉄とを備え、該継鉄が前記鉄心よりも低損失であり、前記巻線に３相交流の各相の電流を流すことを特徴とするものなので、ノイズフィルタを小型化できるという効果が有る。
また、３個の脚部、これらの脚部の１端をそれぞれつなぐ２個の連結部を有する鉄心と、３個の前記脚部のそれぞれに巻かれた３個の巻線と、２個の前記連結部をつなぐ継鉄とを備え、商用周波数での透磁率が所定値以上の第１の材料と該第１の材料よりも高周波領域での透磁率が高い第２の材料とを用いて前記鉄心を構成し、前記継鉄の少なくとも１部を前記第２の材料で構成し、少なくとも１個の前記脚部と前記継鉄を通る前記第２の材料だけからなる磁路が構成でき、前記巻線に３相交流の各相の電流を流すことを特徴とするものなので、ノイズフィルタを小型化できるという効果が有る。
さらに、３相交流の各相間にそれぞれ１個配置された３個の線間コンデンサと、接地と１相の間に配置された前記線間コンデンサよりも容量が小さい１個のコンデンサとを備えたものなので、ノイズフィルタを小型化できるという効果が有る。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるノイズフィルタを示す図であり、電力機器の１例である電力変換装置１と電力系統２の間に、ノイズフィルタ３が設置されている。なお、電力変換装置１以外の電力機器に対しても、このノイズフィルタ３は適用できる。
ノイズフィルタ３は、同じ容量の３個の線間コンデンサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、チョークコイル４とから構成される。図１では、チョークコイル４は、ノーマルモード用（正相用）のインダクタンス４Ａとコモンモード用（零相用）のインダクタンス４Ｂとを別に表示する。ここで、以下の変数を定義する。
Ｌ１：ノーマルモード用（正相用）のインダクタンス４Ａのインダクタンス値。
Ｌ０：コモンモード用（零相用）のインダクタンス４Ｂのインダクタンス値。
図１は本発明の実施の形態１によるノイズフィルタを示す図であり、電力機器の１例である電力変換装置１と電力系統２の間に、ノイズフィルタ３が設置されている。なお、電力変換装置１以外の電力機器に対しても、このノイズフィルタ３は適用できる。
ノイズフィルタ３は、同じ容量の３個の線間コンデンサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、チョークコイル４とから構成される。図１では、チョークコイル４は、ノーマルモード用（正相用）のインダクタンス４Ａとコモンモード用（零相用）のインダクタンス４Ｂとを別に表示する。ここで、以下の変数を定義する。
Ｌ１：ノーマルモード用（正相用）のインダクタンス４Ａのインダクタンス値。
Ｌ０：コモンモード用（零相用）のインダクタンス４Ｂのインダクタンス値。
図２は、チョークコイル４の構造を説明する正面図である。３相３脚の鉄心５が、３個の脚部５Ａ、５Ｂ、５Ｃと脚部の上端と下端をそれぞれつなぐ２個の連結部５Ｄ、５Ｅとにより構成される。鉄心５は、例えばケイ素鋼板製とする。連結部５Ｄと連結部５Ｅは図における右側に延びた部分を有し、この部分の間に例えばフェライトコア製の継鉄６を設ける。鉄心５と継鉄６は所定の厚さが有る。
フェライトコアは、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用周波数ではケイ素鋼板よりも透磁率が小さいが、例えば１００ｋＨｚ以上の高周波領域まで透磁率が維持され、高周波領域ではケイ素鋼板よりも透磁率が大きくなる。また、フェライトコアの方がケイ素鋼板よりも損失が少ない。ケイ素鋼板は商用周波数での透磁率が大きく、商用周波数に対して所定のインダクタンスを発生させるために必要なコイルの巻数を、他の磁性材料を使用した場合よりも小さくできる。
フェライトコアは、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用周波数ではケイ素鋼板よりも透磁率が小さいが、例えば１００ｋＨｚ以上の高周波領域まで透磁率が維持され、高周波領域ではケイ素鋼板よりも透磁率が大きくなる。また、フェライトコアの方がケイ素鋼板よりも損失が少ない。ケイ素鋼板は商用周波数での透磁率が大きく、商用周波数に対して所定のインダクタンスを発生させるために必要なコイルの巻数を、他の磁性材料を使用した場合よりも小さくできる。
３個の脚部５Ａ、５Ｂ、５Ｃには、それぞれ巻線であるコイル７Ａ、７Ｂ、７Ｃを巻く。コイル７Ａ、７Ｂ、７Ｃには、電力変換装置１と電力系統２との間を流れるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の電流がそれぞれ流れる。電力変換装置１が主に発生する電流はノーマルモード（正相）の３相交流であり、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の和がゼロとなるように流れる。ノーマルモード電流によりチョークコイル４で発生する磁束は３相３脚の鉄心５の中でほぼバランスし、継鉄６には磁束はほとんど発生しない。
一般に電力変換装置１を構成するトランジスタ等の高速なスイッチング動作により、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の和がゼロにならない高周波のコモンモード電流（零相電流）が発生する。コモンモード電流による磁束は、３相３脚の鉄心５だけでなく、継鉄６も通る。
一般に電力変換装置１を構成するトランジスタ等の高速なスイッチング動作により、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の和がゼロにならない高周波のコモンモード電流（零相電流）が発生する。コモンモード電流による磁束は、３相３脚の鉄心５だけでなく、継鉄６も通る。
図２に示す構造のチョークコイル４のインダクタンス値を計算する。そのために、以下の変数を定義する。
まず、磁束と磁束を発生させる電流を表現する変数として以下を定義する。
φｒ：脚部５Ａを通る磁束。
φｓ：脚部５Ｂを通る磁束。
φｔ：脚部５Ｃを通る磁束。
Ｉｒ：脚部５Ａに巻くコイル７Ａに流れる電流。
Ｉｓ：脚部５Ｂに巻くコイル７Ｂに流れる電流。
Ｉｔ：脚部５Ｃに巻くコイル７Ｃに流れる電流。
まず、磁束と磁束を発生させる電流を表現する変数として以下を定義する。
φｒ：脚部５Ａを通る磁束。
φｓ：脚部５Ｂを通る磁束。
φｔ：脚部５Ｃを通る磁束。
Ｉｒ：脚部５Ａに巻くコイル７Ａに流れる電流。
Ｉｓ：脚部５Ｂに巻くコイル７Ｂに流れる電流。
Ｉｔ：脚部５Ｃに巻くコイル７Ｃに流れる電流。
インダクタンス値として以下を定義する。
Ｌｒｒ：Ｉｒとφｒの間の比例係数。自己インダクタンス。
Ｌｓｓ：Ｉｓとφｓの間の比例係数。自己インダクタンス。
Ｌｔｔ：Ｉｔとφｔの間の比例係数。自己インダクタンス。
Ｍｓｒ：Ｉｒとφｓの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｔｒ：Ｉｒとφｔの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｒｓ：Ｉｓとφｒの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｔｓ：Ｉｓとφｔの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｒｔ：Ｉｔとφｒの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｓｔ：Ｉｔとφｓの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｌｒｒ：Ｉｒとφｒの間の比例係数。自己インダクタンス。
Ｌｓｓ：Ｉｓとφｓの間の比例係数。自己インダクタンス。
Ｌｔｔ：Ｉｔとφｔの間の比例係数。自己インダクタンス。
Ｍｓｒ：Ｉｒとφｓの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｔｒ：Ｉｒとφｔの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｒｓ：Ｉｓとφｒの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｔｓ：Ｉｓとφｔの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｒｔ：Ｉｔとφｒの間の比例係数。相互インダクタンス。
Ｍｓｔ：Ｉｔとφｓの間の比例係数。相互インダクタンス。
これらの間には、以下の関係式が成立する。
φｒ＝ Ｌｒｒ*Ｉｒ−Ｍｒｓ*Ｉｓ−Ｍｒｔ*Ｉｔ （１）
φｓ＝−Ｍｓｒ*Ｉｒ＋Ｌｓｓ*Ｉｓ−Ｍｓｔ*Ｉｔ （２）
φｔ＝−Ｍｔｒ*Ｉｒ−Ｍｔｓ*Ｉｓ＋Ｌｔｔ*Ｉｔ （３）
Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相が対称である方が望ましいので、以下が成立することが望ましい。
Ｌｒｒ＝Ｌｓｓ＝Ｌｔｔ （４）
Ｍｒｓ＝Ｍｒｔ＝Ｍｓｒ＝Ｍｓｔ＝Ｍｔｒ＝Ｍｔｓ （５）
（４）式と（５）式が成立する条件を以下で求める。
φｒ＝ Ｌｒｒ*Ｉｒ−Ｍｒｓ*Ｉｓ−Ｍｒｔ*Ｉｔ （１）
φｓ＝−Ｍｓｒ*Ｉｒ＋Ｌｓｓ*Ｉｓ−Ｍｓｔ*Ｉｔ （２）
φｔ＝−Ｍｔｒ*Ｉｒ−Ｍｔｓ*Ｉｓ＋Ｌｔｔ*Ｉｔ （３）
Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相が対称である方が望ましいので、以下が成立することが望ましい。
Ｌｒｒ＝Ｌｓｓ＝Ｌｔｔ （４）
Ｍｒｓ＝Ｍｒｔ＝Ｍｓｒ＝Ｍｓｔ＝Ｍｔｒ＝Ｍｔｓ （５）
（４）式と（５）式が成立する条件を以下で求める。
図２に示す構造のチョークコイル４の磁気回路は、その等価回路を図３のように表現できる。磁気抵抗を抵抗の記号で表現し、起磁力を交流電源の記号で表現する。起磁力の大きさは図２には示さないが、コイルに流れる電流とコイルの巻数の積が起磁力になる。ここに、変数は以下の意味とする。
Ｒｒ ：脚部５Ａ及び脚部５Ｂまでの連結部５Ｄと連結部５Ｅの磁気抵抗。
Ｒｓ ：脚部５Ｂの磁気抵抗。
Ｒｓｔ：脚部５Ｂと脚部５Ｃの間の連結部５Ｄと連結部５Ｅの磁気抵抗。
Ｒｔ ：脚部５Ｃの磁気抵抗。
Ｒｔ０：継鉄６及び脚部５Ｃよりも継鉄６側の連結部５Ｄと連結部５Ｅの磁気抵抗。
Ｎ ：コイル７Ａ、７Ｂ、７Ｃの巻数。
Ｒｒ ：脚部５Ａ及び脚部５Ｂまでの連結部５Ｄと連結部５Ｅの磁気抵抗。
Ｒｓ ：脚部５Ｂの磁気抵抗。
Ｒｓｔ：脚部５Ｂと脚部５Ｃの間の連結部５Ｄと連結部５Ｅの磁気抵抗。
Ｒｔ ：脚部５Ｃの磁気抵抗。
Ｒｔ０：継鉄６及び脚部５Ｃよりも継鉄６側の連結部５Ｄと連結部５Ｅの磁気抵抗。
Ｎ ：コイル７Ａ、７Ｂ、７Ｃの巻数。
図３の等価回路から計算できる合成磁気抵抗を、以下の変数で表現する。
Ｒｒｒ：コイル７Ａによる起磁力に対する合成磁気抵抗。
Ｒｓｓ：コイル７Ｂによる起磁力に対する合成磁気抵抗。
Ｒｔｔ：コイル７Ｃによる起磁力に対する合成磁気抵抗。
自己インダクタンスと合成磁気抵抗との間には、以下の関係が有る。
Ｌｒｒ＝Ｎ／Ｒｒｒ （６）
Ｌｓｓ＝Ｎ／Ｒｓｓ （７）
Ｌｔｔ＝Ｎ／Ｒｔｔ （８）
Ｒｒｒ：コイル７Ａによる起磁力に対する合成磁気抵抗。
Ｒｓｓ：コイル７Ｂによる起磁力に対する合成磁気抵抗。
Ｒｔｔ：コイル７Ｃによる起磁力に対する合成磁気抵抗。
自己インダクタンスと合成磁気抵抗との間には、以下の関係が有る。
Ｌｒｒ＝Ｎ／Ｒｒｒ （６）
Ｌｓｓ＝Ｎ／Ｒｓｓ （７）
Ｌｔｔ＝Ｎ／Ｒｔｔ （８）
詳細は省略するが、Ｒｓｔ≠０の場合には、相互インダクタンスの値をすべて同じにするという（５）式を満足させることはできない。そこで、（４）式が成立し、相互インダクタンスができるだけ同じになるような磁気回路の構成を求める。そのような構成の例として、図４がある。図４では、磁気抵抗をＲｒに対する比で表現している。図４の構成では、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の磁気抵抗Ｒｒ、Ｒｓ、Ｒｔをすべて同じ値にし、継鉄６の部分の磁気抵抗もＲｒと同じ値としている。連結部５Ｄ，５Ｅの磁気抵抗のＲｒに対する比は、以下のαで表現する。
α＝Ｒｓｔ／Ｒｒ （９）
α＝Ｒｓｔ／Ｒｒ （９）
図４では、自己インダクタンスおよび相互インダクタンスは以下のようになる。
Ｌｒｒ＝Ｌｓｓ＝Ｌｔｔ＝４*((１＋α)／(３＋２*α))*(Ｎ／Ｒｒ) （１０）
Ｍｒｓ＝Ｍｓｒ＝((１＋２*α)／(３＋２*α))*Ｌｒｒ （１１）
Ｍｒｔ＝Ｍｔｒ＝Ｍｓｔ＝Ｍｔｓ＝(１／(３＋２*α))*Ｌｒｒ （１２）
Ｌｒｒ＝Ｌｓｓ＝Ｌｔｔ＝４*((１＋α)／(３＋２*α))*(Ｎ／Ｒｒ) （１０）
Ｍｒｓ＝Ｍｓｒ＝((１＋２*α)／(３＋２*α))*Ｌｒｒ （１１）
Ｍｒｔ＝Ｍｔｒ＝Ｍｓｔ＝Ｍｔｓ＝(１／(３＋２*α))*Ｌｒｒ （１２）
これより、図４の磁気回路でのチョークコイル４のＬ１とＬ０は以下となる。なお、厳密にはα≠０なので、ノーマルモードの電流に対してコモンモードの磁束が僅かに発生し、コモンモードの電流に対してノーマルモードの磁束が僅かに発生するが、それらは無視する。それらの成分が小さく、かつノイズフィルタ３のインダクタンス値がそれほど大きくないので、それらを無視しても問題はない。
Ｌ１＝(４／３)*Ｌｒｒ （１３）
Ｌ０＝(１／３)*Ｌｒｒ （１４）
Ｌ１＝(４／３)*Ｌｒｒ （１３）
Ｌ０＝(１／３)*Ｌｒｒ （１４）
継鉄６が存在しない３相３脚鉄心の場合には、３相３脚鉄心による磁路だけを考慮した場合のＬ１とＬ０は以下のようになる。
Ｌ１＝(３／２)*Ｌｒｒ （１５）
Ｌ０＝０ （１６）
Ｌ１＝(３／２)*Ｌｒｒ （１５）
Ｌ０＝０ （１６）
なお、継鉄６が存在しない場合でも漏れ磁束分があるためＬ０はゼロにはならないが、継鉄６が存在しない場合にはＬ０はＬ１よりも格段に小さな値になる。このように、継鉄６を設けることにより、コモンモード用のリアクタンスをノーマルモード用のリアクタンスと同程度の大きさにすることができる。
さて、動作を説明する。チョークコイル４ではノーマルモード用とコモンモード用の両方に対して所定のインダクタンス値が確保できているので、電力変換装置１でノイズが発生しても、チョークコイル４により電力系統２の側にノイズの影響を所定のレベル以下に低減できる。コモンモードの電流が流れようとしても、チョークコイルのコモンモード用のインダクタンス値が所定値以上なので、コモンモード電流を所定値以下に低減できる。ノーマルモードのインダクタンス値も所定値以上なので、ノイズフィルタ３の両端の電圧差により発生する電流の変動幅を所定値以下に抑えることができ、ノーマルモードのノイズ電流も流れにくくなる。
３相３脚鉄心に継鉄を追加するという簡単な構造で、製造方法を複雑化することなく、ノーマルモードとコモンモードの両方に対して所定のインダクタンス値が確保できるチョークコイル４が実現できる。ノーマルモード用とコモンモード用とで鉄心を共有できるので、ノイズフィルタ３の小型化を実現できる。
高周波領域まで透磁率が維持され損失が少ないフェライトコアにより継鉄を製作しているので、継鉄をケイ素鋼板で製作する場合よりもノイズ低減効果が大きい。
高周波領域まで透磁率が維持され損失が少ないフェライトコアにより継鉄を製作しているので、継鉄をケイ素鋼板で製作する場合よりもノイズ低減効果が大きい。
フェライトコアでなくても、高周波領域まで透磁率が維持できる材料であればどのような材料を使用してもよい。損失が少ない材料の方が望ましい。
鉄心の脚部を直線状としたが、曲線や折れ曲がった線のような形状でもよい。図２における上下の水平な部分にコイルを巻くなどしてもよい。その場合には、コイルを巻いた部分は脚部であり連結部ではない。
鉄心の連結部の横に伸ばした部分を継鉄でつないだが、鉄心の構造は従来のままで、継鉄を「コ」の字状にしてもよい。
コイルの巻数を各相で同じとしたが、相によりコイルの巻数を変えてもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
鉄心の脚部を直線状としたが、曲線や折れ曲がった線のような形状でもよい。図２における上下の水平な部分にコイルを巻くなどしてもよい。その場合には、コイルを巻いた部分は脚部であり連結部ではない。
鉄心の連結部の横に伸ばした部分を継鉄でつないだが、鉄心の構造は従来のままで、継鉄を「コ」の字状にしてもよい。
コイルの巻数を各相で同じとしたが、相によりコイルの巻数を変えてもよい。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。
実施の形態２．
この実施の形態２は、チョークコイル４の構造を変更した場合である。図５に、実施の形態２でのチョークコイル４の構造を説明する正面図を示す。実施の形態１では、鉄心５の連結部５Ｄと連結部５Ｅの片端を継鉄６がつないだのに対して、鉄心５全体を取り囲むように継鉄６を配置している。なお、ノイズフィルタ３の構成は、実施の形態１と同じ図１である。
この実施の形態２における磁気回路の等価回路を図６に示す。なお、図６では脚部５Ａの磁気抵抗に対する比で磁気抵抗の大きさを表現する。
この実施の形態２は、チョークコイル４の構造を変更した場合である。図５に、実施の形態２でのチョークコイル４の構造を説明する正面図を示す。実施の形態１では、鉄心５の連結部５Ｄと連結部５Ｅの片端を継鉄６がつないだのに対して、鉄心５全体を取り囲むように継鉄６を配置している。なお、ノイズフィルタ３の構成は、実施の形態１と同じ図１である。
この実施の形態２における磁気回路の等価回路を図６に示す。なお、図６では脚部５Ａの磁気抵抗に対する比で磁気抵抗の大きさを表現する。
この実施の形態２でも、（５）式を満足させることはできない。
まず、図６で大きさβの磁気抵抗が接続する端子から大きさαの磁気抵抗の側を見た合成磁気抵抗として、以下を定義する。
Δ＝α＋γ／(１＋γ) （１７）
すると、Ｍｒｓ＝Ｍｓｒ＝Ｍｓｔ＝Ｍｔｓが成立する条件は、以下のようになる。
(γ／(γ＋α＋β*Δ／(β＋Δ)))*(Δ／(β＋Δ))
＝(１／２)*(γ／(１＋γ)) （１８）
（１８）式を変形して、以下となる。
β＝(Δ*(２＋γ−α))／(α＋γ＋Δ) （１９）
まず、図６で大きさβの磁気抵抗が接続する端子から大きさαの磁気抵抗の側を見た合成磁気抵抗として、以下を定義する。
Δ＝α＋γ／(１＋γ) （１７）
すると、Ｍｒｓ＝Ｍｓｒ＝Ｍｓｔ＝Ｍｔｓが成立する条件は、以下のようになる。
(γ／(γ＋α＋β*Δ／(β＋Δ)))*(Δ／(β＋Δ))
＝(１／２)*(γ／(１＋γ)) （１８）
（１８）式を変形して、以下となる。
β＝(Δ*(２＋γ−α))／(α＋γ＋Δ) （１９）
（１９）式が成立すると、自動的に（４）式も成立して、以下となる。
Ｌｒｒ＝Ｌｓｓ＝Ｌｔｔ＝(Δ*(４＋３*γ−α＋Δ))／(２*(α＋γ＋Δ)) （２０）
相互インダクタンスは、以下のようになる。
Ｍｒｓ＝Ｍｓｒ＝Ｍｓｔ＝Ｍｔｓ＝(１／２)*(γ／(１＋γ))*Ｌｒｒ （２１）
Ｍｒｔ＝Ｍｔｒ
＝(１／２)*((γ２＋(２−α)*γ)／(γ２＋２*(１＋α)*γ＋２*α))
*(γ／(１＋γ))*Ｌｒｒ （２２）
Ｌｒｒ＝Ｌｓｓ＝Ｌｔｔ＝(Δ*(４＋３*γ−α＋Δ))／(２*(α＋γ＋Δ)) （２０）
相互インダクタンスは、以下のようになる。
Ｍｒｓ＝Ｍｓｒ＝Ｍｓｔ＝Ｍｔｓ＝(１／２)*(γ／(１＋γ))*Ｌｒｒ （２１）
Ｍｒｔ＝Ｍｔｒ
＝(１／２)*((γ２＋(２−α)*γ)／(γ２＋２*(１＋α)*γ＋２*α))
*(γ／(１＋γ))*Ｌｒｒ （２２）
相互インダクタンスの平均値をεとすると、以下となる。
ε＝((γ２＋(２＋α)*γ＋(４／３)*α)／(γ２＋２*(１＋α)*γ＋２*α))
*(１／２)*(γ／(１＋γ)) （２３）
このεを用いると、図６の磁気回路でのチョークコイル４のＬ１とＬ０は以下となる。
Ｌ１＝（１＋ε）*Ｌｒｒ （２４）
Ｌ０＝（１−２*ε）*Ｌｒｒ （２５）
（２３）式より、γを調整することにより、相互インダクタンスの平均値εを０から１／２の間で調整できることが分かる。
ε＝((γ２＋(２＋α)*γ＋(４／３)*α)／(γ２＋２*(１＋α)*γ＋２*α))
*(１／２)*(γ／(１＋γ)) （２３）
このεを用いると、図６の磁気回路でのチョークコイル４のＬ１とＬ０は以下となる。
Ｌ１＝（１＋ε）*Ｌｒｒ （２４）
Ｌ０＝（１−２*ε）*Ｌｒｒ （２５）
（２３）式より、γを調整することにより、相互インダクタンスの平均値εを０から１／２の間で調整できることが分かる。
この実施の形態でも、３相３脚の鉄心に継鉄を追加するだけで、ノーマルモードとコモンモードの両方に対して所定のインダクタンス値が確保できるチョークコイル４が実現できる。ノーマルモード用とコモンモード用とで鉄心を共有できるので、ノイズフィルタ３の小型化を実現できる。
この実施の形態では、３相３脚の鉄心を囲むように継鉄を設けるので、継鉄による磁気シールド効果が発生して、チョークコイルが外界に発生する漏洩磁束を低減できる。
この実施の形態では、３相３脚鉄心の連結部をつなぐ継鉄の磁気抵抗を調整することにより、チョークコイルのインダクタンス値の調整がしやすという効果が有る。
この実施の形態では、３相３脚の鉄心を囲むように継鉄を設けるので、継鉄による磁気シールド効果が発生して、チョークコイルが外界に発生する漏洩磁束を低減できる。
この実施の形態では、３相３脚鉄心の連結部をつなぐ継鉄の磁気抵抗を調整することにより、チョークコイルのインダクタンス値の調整がしやすという効果が有る。
実施の形態３．
この実施の形態３は、３相３脚の鉄心の一部にもフェライトコアを使用するように実施の形態１を変更した場合である。図７に、実施の形態３での鉄心と継鉄の構造を説明する斜視図を示す。図７では、フェライトコアの部分にハッチングを施す。なお、ノイズフィルタ３の構成は、実施の形態１と同じ図１である。
鉄心５の図における前面と後面について全面の所定の厚さは第２の材料であるフェライトコアとし、その他の部分を第１の材料であるケイ素鋼板にする。その他の構造は、実施の形態１と同じである。
この実施の形態３は、３相３脚の鉄心の一部にもフェライトコアを使用するように実施の形態１を変更した場合である。図７に、実施の形態３での鉄心と継鉄の構造を説明する斜視図を示す。図７では、フェライトコアの部分にハッチングを施す。なお、ノイズフィルタ３の構成は、実施の形態１と同じ図１である。
鉄心５の図における前面と後面について全面の所定の厚さは第２の材料であるフェライトコアとし、その他の部分を第１の材料であるケイ素鋼板にする。その他の構造は、実施の形態１と同じである。
この実施の形態３でも、実施の形態１と同様な効果が有る。
さらに、この実施の形態３では、高周波領域でもノーマルモードとコモンモードのインダクタンスを所定の大きさにできるという効果が有る。その理由は、図７の構造のチョークコイル４では、フェライトコアだけによるノーマルモードとコモンモードの両方の磁路が構成できるからである。
さらに、この実施の形態３では、高周波領域でもノーマルモードとコモンモードのインダクタンスを所定の大きさにできるという効果が有る。その理由は、図７の構造のチョークコイル４では、フェライトコアだけによるノーマルモードとコモンモードの両方の磁路が構成できるからである。
鉄心５にケイ素鋼板も使用しているので、商用周波数でのインダクタンス値を所定の値に確保するために、コイルの巻数をそれほど大きくしなくてもよいという効果が有る。
ケイ素鋼板とフェライトコア以外でも、商用周波数での透磁率が所定値以上の第１の材料と、高周波領域での透磁率が第１の材料よりも大きい第２の材料を組合せて鉄心を構成すれば同様の効果が有る。継鉄を第２の材料だけとしたが、第１の材料など他の材料も使用してもよい。また、鉄心に第１の材料と第２の材料以外の材料も使用してもよい。
鉄心を第２の材料で第１の材料を挟む構造としたが、第１の材料で第２の材料を挟んだり、それぞれ１個の第１の材料と第２の材料を重ねたり、４層以上に第１の材料と第２の材料を交互に重ね合わせたりしてもよい。
ケイ素鋼板とフェライトコア以外でも、商用周波数での透磁率が所定値以上の第１の材料と、高周波領域での透磁率が第１の材料よりも大きい第２の材料を組合せて鉄心を構成すれば同様の効果が有る。継鉄を第２の材料だけとしたが、第１の材料など他の材料も使用してもよい。また、鉄心に第１の材料と第２の材料以外の材料も使用してもよい。
鉄心を第２の材料で第１の材料を挟む構造としたが、第１の材料で第２の材料を挟んだり、それぞれ１個の第１の材料と第２の材料を重ねたり、４層以上に第１の材料と第２の材料を交互に重ね合わせたりしてもよい。
第２の材料によるコモンモードの磁路が構成できれば、ノーマルモードの磁路は必ずしも構成できなくてもよい。その場合も、高周波のコモンモードのノイズを除去できる。第２の材料だけからなるコモンモードの磁路を構成するためには、鉄心の少なくとも１個の脚部とこの脚部と継鉄との間の部分の連結部とが第２の材料の部分を有し、継鉄にも第２の材料の部分を持たせ、これらの第２の材料の部分が互いに接触することが必要である。
鉄心と継鉄の構造は、この実施の形態の構造に限定されるものではなく、鉄心だけでノーマルモードの磁路が構成でき、鉄心と継鉄とによりコモンモードの磁路が構成できれば、どのような構成でもよい。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
鉄心と継鉄の構造は、この実施の形態の構造に限定されるものではなく、鉄心だけでノーマルモードの磁路が構成でき、鉄心と継鉄とによりコモンモードの磁路が構成できれば、どのような構成でもよい。
以上のことは、他の実施の形態にもあてはまる。
実施の形態４．
図８は、この実施の形態４によるノイズフィルタを示す図である。ノイズフィルタ３が電力変換装置１と電力系統２の間に配置される。ノイズフィルタ３は、同じ容量Ｃｎの３個の線間コンデンサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、Ｔ相と接地の間に設けられたコモンモード用コンデンサ３Ｄと、ノーマルモード用のチョークコイル３Ｅと、コモンモード用のチョークコイル３Ｆとから構成される。コモンモード用コンデンサ３Ｄの容量Ｃｃは、Ｃｎの１００分の１程度以下とする。
図８は、この実施の形態４によるノイズフィルタを示す図である。ノイズフィルタ３が電力変換装置１と電力系統２の間に配置される。ノイズフィルタ３は、同じ容量Ｃｎの３個の線間コンデンサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃと、Ｔ相と接地の間に設けられたコモンモード用コンデンサ３Ｄと、ノーマルモード用のチョークコイル３Ｅと、コモンモード用のチョークコイル３Ｆとから構成される。コモンモード用コンデンサ３Ｄの容量Ｃｃは、Ｃｎの１００分の１程度以下とする。
この実施の形態では、コモンモード用コンデンサ３Ｄは１個だが、各相にＣｃ／３の容量のコンデンサを設置した場合とほぼ同様に動作する。また、ノーマルモード用のコンデンサは、それぞれ線間毎に接続されたＣｃのみなので、コモンモード用コンデンサ３Ｄがあってもノーマルモード用の静電容量は変化しない。
この実施の形態が各相と接地との間にＣｃ／３の容量のコンデンサを設けた場合とほぼ同様に動作することについて説明する。まず、以下の変数を定義する。定義済みの変数の説明も合わせて書く。
Ｉｃ：コモンモードのノイズ電流。
ω ：コモンモードのノイズの周波数。
Ｃｃ：コモンモード用コンデンサ３Ｄの容量。
Ｃｎ：線間コンデンサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの容量。
Ｖｒ：Ｉｃにより誘起されるＲ相のノイズ電圧。
Ｖｓ：Ｉｃにより誘起されるＳ相のノイズ電圧。
Ｖｔ：Ｉｃにより誘起されるＴ相のノイズ電圧。
Ｉｃ：コモンモードのノイズ電流。
ω ：コモンモードのノイズの周波数。
Ｃｃ：コモンモード用コンデンサ３Ｄの容量。
Ｃｎ：線間コンデンサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの容量。
Ｖｒ：Ｉｃにより誘起されるＲ相のノイズ電圧。
Ｖｓ：Ｉｃにより誘起されるＳ相のノイズ電圧。
Ｖｔ：Ｉｃにより誘起されるＴ相のノイズ電圧。
コモンモードのノイズ電流は、図９に示すように流れる。したがって、以下が成立する。なお、「ｊ」は虚数を表す記号である。
Ｖｔ＝Ｉｃ／(ｊ*ω*(Ｃｃ／３)) （２６）
Ｖｒ−Ｖｔ＝Ｖｓ−Ｖｔ＝Ｉｃ／(ｊ*ω*Ｃｎ) （２７）
（２６）式を（２７）式に代入して、以下となる。
Ｖｒ＝Ｖｓ＝(Ｉｃ／(ｊ*ω))*(１／(Ｃｃ／３)＋１／Ｃｎ) （２８）
Ｖｔ＝Ｉｃ／(ｊ*ω*(Ｃｃ／３)) （２６）
Ｖｒ−Ｖｔ＝Ｖｓ−Ｖｔ＝Ｉｃ／(ｊ*ω*Ｃｎ) （２７）
（２６）式を（２７）式に代入して、以下となる。
Ｖｒ＝Ｖｓ＝(Ｉｃ／(ｊ*ω))*(１／(Ｃｃ／３)＋１／Ｃｎ) （２８）
ＣｃはＣｎの１００分の１程度以下なので、（２８）式において１／Ｃｎの項は無視できて、ＶｒとＶｓはＶｔとほぼ等しくなる。各相と接地の間にＣｃ／３の容量のコンデンサを設けた場合との違いは接地との間にコンデンサを設けなかったＲ相とＳ相の電圧だけであり、Ｒ相とＳ相の電圧はＴ相の電圧とほぼ等しいので、各相と接地との間にＣｃ／３の容量のコンデンサを設けた場合とほぼ同様に動作するといえる。
コモンモード用コンデンサ３Ｄにより、電力変換装置１が発生するコモンモード電流が電力系統２に流れ出ることを低減できる。
この実施の形態ではコモンモード用のコンデンサは１個なので、部品数を低減できる。また、ノイズフィルタの小型化が可能である。
この実施の形態ではコモンモード用のコンデンサは１個なので、部品数を低減できる。また、ノイズフィルタの小型化が可能である。
実施の形態５．
この実施の形態５は、実施の形態１〜３の何れかに実施の形態４の特徴を付加した実施の形態である。この実施の形態４によるノイズフィルタを示す図を、図１０に示す。実施の形態１〜３での構成である図１と比較して、Ｔ相と接地との間に設けられたコモンモード用コンデンサ３Ｄが追加されている。
この実施の形態５は、実施の形態１〜３の何れかに実施の形態４の特徴を付加した実施の形態である。この実施の形態４によるノイズフィルタを示す図を、図１０に示す。実施の形態１〜３での構成である図１と比較して、Ｔ相と接地との間に設けられたコモンモード用コンデンサ３Ｄが追加されている。
この実施の形態でも、３相３脚の鉄心に継鉄を追加するだけで、ノーマルモードとコモンモードの両方に対して所定のインダクタンス値が確保できるチョークコイルが実現できる。ノーマルモード用とコモンモード用とで鉄心を共有できるので、ノイズフィルタの小型化を実現できる。また、コモンモード用のコンデンサは１個なので、部品数を低減でき、ノイズフィルタの小型化が可能である。
１ ：電力変換装置
２ ：電力系統
３ ：ノイズフィルタ
３Ａ：線間コンデンサ
３Ｂ：線間コンデンサ
３Ｃ：線間コンデンサ
３Ｄ：コモンモード用コンデンサ
３Ｅ：ノーマルモード用チョークコイル
３Ｆ：コモンモード用チョークコイル
４ ：チョークコイル
４Ａ：ノーマルモード用のインダクタンス
４Ｂ：コモンモード用のインダクタンス
５ ：鉄心
５Ａ：脚部
５Ｂ：脚部
５Ｃ：脚部
５Ｄ：連結部
５Ｅ：連結部
６ ：継鉄
７Ａ：コイル（巻線）
７Ｂ：コイル（巻線）
７Ｃ：コイル（巻線）
２ ：電力系統
３ ：ノイズフィルタ
３Ａ：線間コンデンサ
３Ｂ：線間コンデンサ
３Ｃ：線間コンデンサ
３Ｄ：コモンモード用コンデンサ
３Ｅ：ノーマルモード用チョークコイル
３Ｆ：コモンモード用チョークコイル
４ ：チョークコイル
４Ａ：ノーマルモード用のインダクタンス
４Ｂ：コモンモード用のインダクタンス
５ ：鉄心
５Ａ：脚部
５Ｂ：脚部
５Ｃ：脚部
５Ｄ：連結部
５Ｅ：連結部
６ ：継鉄
７Ａ：コイル（巻線）
７Ｂ：コイル（巻線）
７Ｃ：コイル（巻線）
Claims (6)
- ３個の脚部、これらの脚部の１端をそれぞれつなぐ２個の連結部を有する鉄心と、３個の前記脚部のそれぞれに巻かれた３個の巻線と、２個の前記連結部をつなぐ継鉄とを備え、該継鉄が前記鉄心よりも低損失であり、前記巻線に３相交流の各相の電流を流すことを特徴とするノイズフィルタ。
- ３個の脚部、これらの脚部の１端をそれぞれつなぐ２個の連結部を有する鉄心と、３個の前記脚部のそれぞれに巻かれた３個の巻線と、２個の前記連結部をつなぐ継鉄とを備え、商用周波数での透磁率が所定値以上の第１の材料と該第１の材料よりも高周波領域での透磁率が高い第２の材料とを用いて前記鉄心を構成し、前記継鉄の少なくとも１部を前記第２の材料で構成し、少なくとも１個の前記脚部と前記継鉄を通る前記第２の材料だけからなる磁路が構成でき、前記巻線に３相交流の各相の電流を流すことを特徴とするノイズフィルタ。
- 前記鉄心を囲むように前記継鉄を配置することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノイズフィルタ。
- 前記継鉄の少なくとも１部を前記鉄心よりも高周波領域での透磁率が高い材料製とすることを特徴とする請求項１に記載のノイズフィルタ。
- ３相交流の各相間にそれぞれ１個配置された３個の線間コンデンサと、接地と１相の間に配置された前記線間コンデンサよりも容量が小さい１個のコンデンサとを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のノイズフィルタ。
- ３相交流の各相間にそれぞれ１個配置された３個の線間コンデンサと、接地と１相の間に配置された前記線間コンデンサよりも容量が小さい１個のコンデンサとを備えたノイズフィルタ。
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