JP2007295694A - 交流電源用ノイズフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサのアンバランスに起因した漏洩電流を減少させることのできる交流電源用ノイズフィルタを提供する。
【解決手段】電力変換装置５と交流電源１間の交流電源線ＳＬの各相に接続された可変コンデンサＶＣからなる接地コンデンサ部３と相間コンデンサ部２を含む交流電源用ノイズフィルタであって、接地コンデンサ部と相間コンデンサ部とを選択的に交流電源線とグランド間に接続する接続切換手段６，８、交流電源線とグランド間に接続された接地コンデンサ部と相間コンデンサ部の漏洩電流を検出する漏洩電流検出手段７、接地コンデンサ部と相間コンデンサ部の各可変コンデンサの静電容量を変更する静電容量変更手段、接続切換手段の切換えの制御と共に漏洩電流検出手段で検出された漏洩電流が小さくなるように静電容量変更手段の制御をする静電容量調整制御手段９と、を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばエレベータ等のための交流電源回路に設けられた交流電源用ノイズフィルタに関するものである。

例えばエレベータでは、近年、小型、省エネ、省スペースの観点からＰＷＭ(パルス幅変調)制御方式によるインバータ、アクティブコンバータ化が進んでいる。これによって、エレベータシステムより発生するノイズは増大する傾向にあり、ビル内の電気機器システムに悪影響を及ぼすことが懸念されている。この対策として、エレベータでは、ビル側の電源を取り込む入力にノイズフィルタを設置し、漏洩電流の測定やエミッション試験を行いノイズ発生量を制限してきた。

このノイズフィルタは、リアクトル、相間コンデンサ、接地コンデンサで主に構成されている。ここで接地コンデンサは、ビル側の電源が４００Ｖ系の場合、接地環境は電気設備規則により、基本的に中性点接地であることから、Ｙ型にして中性点を接地する方式をとることが多く、また、この場合、比較的大きな電力のいるエレベータとなり、接地コンデンサの容量は比較的大きくなる傾向にある。この場合、ビル側の電源のアンバランスがなく、コンデンサ容量が変化しない場合、接地コンデンサの容量がどんなに大きくても、理論的にフィルタからの漏洩電流はゼロとなる。

Ｉ・sinθ＋Ｉ・sin(θ＋１２０°)＋Ｉ・sin(θ−１２０°)＝０
但し、Ｉは一相分に流れる電流の最大値、θは電流の位相

ここで、コンデンサ容量がコンデンサの個体差でアンバランスしたり、容量抜け(所定容量が溜まらない)がおきたり、外れた(容量が溜まらない)場合、電流のバランスがくずれて、漏洩電流発生の原因となりビル側の漏電ブレーカーを動作させたり、ビル内の電器システムに悪影響を及ぼすことになる。

また、ビル側の電源がアンバランスになったり、接地環境が事故などにより変化したりしても同様の現象となる。以上のような現象が起きた場合に、漏洩電流を打ち消す装置として、漏洩電流を電流計で測定して、その位相、大きさを検出し、逆位相で同じ大きさの電流をノイズフィルタの接地ラインに流すことで漏洩電流を打ち消す装置があった(特許文献１参照)。

特開２００３−１１１４２９号公報

しかし、上記従来の装置では、装置自体の電力に制限された電流しか流すことができないため、装置が肥大化し、また漏洩電流を打ち消しているに過ぎず、漏洩電流を根本的に減らすものではないため、絶えず電力供給し続けなければならないという問題があった。

この発明は上記の課題を解消するためになされたもので、コンデンサのアンバランスに起因した漏洩電流を減少させることのできる交流電源用ノイズフィルタを提供することを目的とする。

この発明は、電力変換装置と交流電源との間の交流電源線に接続され、前記交流電源線の各相に接続された可変コンデンサで構成された接地コンデンサ部と相間コンデンサ部、及び各相に挿入されたリアクトルで構成された電源フィルタ用リアクトル部を少なくとも備える交流電源用ノイズフィルタであって、前記接地コンデンサ部と相間コンデンサ部とを選択的に前記交流電源線とグランド間に接続する接続切換手段と、前記交流電源線とグランド間に接続された前記接地コンデンサ部と相間コンデンサ部の漏洩電流をそれぞれに検出する漏洩電流検出手段と、前記接地コンデンサ部と相間コンデンサ部の各可変コンデンサの静電容量を変更する静電容量変更手段と、前記接続切換手段の切換えを制御すると共に前記漏洩電流検出手段での漏洩電流を入力し漏洩電流が小さくなるように前記静電容量変更手段の制御をする静電容量調整制御手段と、を備えたことを特徴とする交流電源用ノイズフィルタにある。

この発明では、コンデンサのアンバランスに起因した漏洩電流を減少させることのできる交流電源用ノイズフィルタを提供できる。

なお、以下では一例としてエレベータの交流電源回路に設けられた交流電源用ノイズフィルタについて説明するが、この発明はこれに限定されるものではない。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による交流電源用ノイズフィルタの構成を示す図である。図１において、中性点接地されたビル側の例えば三相交流電源１(交流電源)からの電力が、交流電源用ノイズフィルタの主構成である相間コンデンサ部２、接地コンデンサ部３、電源フィルタ用リアクトル部４を介してエレベータ側の電力変換装置５に供給される。そして電力変換装置５で変換された電力がエレベータの巻上機を駆動する電動機に供給される。ここで、電力変換装置５はパワー素子とコンバータ制御システムよりなるコンバータ装置を含む(共に図示省略)。

相間コンデンサ部２は各交流電源線ＳＬの相間に接続された容量可変の可変コンデンサＶＣからなり、接地コンデンサ部３は各交流電源線ＳＬとグランド間に接続される容量可変の可変コンデンサＶＣからなる。これらの相間コンデンサ部２、接地コンデンサ部３は接続切換スイッチ６，８(接続切換手段)によりグランドに選択的に接続され、漏洩電流が電流センサ７(漏洩電流検出手段)で検出される。電源フィルタ用リアクトル部４は各交流電源線ＳＬに直列に挿入されたリアクトルからなる。

相間コンデンサ部２及び接地コンデンサ部３の可変コンデンサＶＣは各々が図２に示すように形成され、それぞれに、主コンデンサ１０と調整用コンデンサ１１〜１４が並列に接続され、これらのコンデンサにそれぞれスイッチＳＷ１(通常は「閉」)とスイッチＳＷ２〜５(通常は「開」)が直列に接続されてなる。スイッチＳＷ１〜５が静電容量変更手段を構成する。尚、この実施の形態では、調整用コンデンサ１１〜１４は４並列としているが、精度を上げるために並列接続する調整用コンデンサの数を増やしてもよい。

相間コンデンサ部２の可変コンデンサＶＣは接続切換スイッチ６、接地コンデンサ部３の可変コンデンサＶＣは接続切換スイッチ８を介してグランドにつながれる。これらの接続切換スイッチ６，８とグランドの間で、電流センサ７により漏洩電流の値が検出され、コンピュータからなる制御手段９に送られる。この制御手段９は静電容量調整制御手段を含む。

また、制御手段９は電力変換装置５のコンバータ制御システムより、電源周波数ωの情報を得る。制御手段９の電源は測定対象となる三相交流電源１と完全に絶録されている必要がある。ここで、エレベータは、ビルの電源すなわち三相交流電源１が停電した際に、乗客を閉じ込めないために、三相交流電源１と絶縁された停電時用バッテリを備えている場合が多い。従って、制御手段９の電源として、例えば停電時用バッテリを流用する。

この実施の形態では、高精度の測定が要求されることから、ＰＷＭのキャリア成分を取り除いて測定することを前提として、コンバータ装置を含む電力変換装置５が動作しないエレベータ停止中に行い、ビル側の電源周波数において評価することとする。

動作の説明を行う前に、主コンデンサ１０と調整用コンデンサ１１〜１４の容量を決定する必要がある。ここでコンデンサの電気容量Ｃの容量ばらつきをＸ％、電源電圧Ｖの変動をＹ％、電源の各周波数ωとすると、漏洩電流の最大値は、下式となる。

ω|Ｃ{１＋(Ｘ／１００)｝Ｖ{１＋(Ｙ／１００)}−ＣＶ| (１)

(１)式は、コンデンサが{１＋(Ｘ／１００)}{１＋(Ｙ／１００)}倍に変動した場合と等価であるので、コンデンサの調整範囲をＣ〜Ｃ{１＋(Ｘ／１００)}{１＋(Ｙ／１００)}とすればよい。

調整用コンデンサ１１〜１４の電気容量は、調整用コンデンサ１１が一番小さく、徐々に大きくなり調整用コンデンサ１４が一番大きくなるようにする。上記調整範囲を全て調整可能にするためには調整用コンデンサは、下記のように選ぶ。

調整用コンデンサ１１：Ｃ{１＋(Ｘ／１００)}{１＋(Ｙ／１００)}／１５ (２)
調整用コンデンサ１２：Ｃ{１＋(Ｘ／１００)}{１＋(Ｙ／１００)}２／１５
調整用コンデンサ１３：Ｃ{１＋(Ｘ／１００)}{１＋(Ｙ／１００)}４／１５
調整用コンデンサ１４：Ｃ{１＋(Ｘ／１００)}{１＋(Ｙ／１００)}８／１５

図３には上記のように構成された交流電源用ノイズフィルタの概略的な動作フローチャートを示し、以下これに従って動作を説明する。まず、制御手段９は、漏洩電流を小さくする静電容量調整制御のために、例えば電力変換装置５により給電される電動機の運転状態(回転中、停止中)を示す信号ｍを受け(又は該電動機で駆動される被駆動体であるエレベータかごの運転状態(走行中、停止中)を示す信号Ｍでもよい)、電動機から入力される信号ｍ(又は信号Ｍでもより)から電動機が停止中であることを確認する。そして、接地コンデンサ部３の静電容量調整を行うために、接続切換スイッチ６を開き、接続切換スイッチ８を閉じる制御信号を与える。次に、電流センサ７の値からビル側電源すなわち三相交流電源１の接地環境異常を判定する。

上記(１)式より、漏洩電流の最大植は、Ｃｔ＝Ｃ{１＋(Ｘ／１００)｝、Ｖｔ＝Ｖ{１＋(Ｙ／１００)}とするとω|ＣＶ−ＣｔＶｔ|となる。ここで、例えば対地に対して三相の内一相が対地にショートした場合を考えると、漏洩電流は、πを円周率、ｆを電源周波数、Ｃを接地コンデンサ部容量、Ｖを電源電圧実行値とした場合、２πｆＣＶとなる。コンデンサ容量は上述したように接地コンデンサとしては比較的大きめの容量が選ばれることが多いため、これは漏洩電流としてはかなり大きな値となる。また、ω|ＣＶ−ＣｔＶｔ|に対しても(調整範囲が現実的な範囲であれば)十分大きな値となる。

そこで適当な係数αを掛けたα・ω|ＣＶ−ＣｔＶｔ|に対しての判定を行い、漏洩電流がα・ω|ＣＶ−ＣｔＶｔ|以上である場合(ステップＳ１)、電源接地環境異常であり調整範囲外とし(ステップＳ２)、漏洩電流をできるだけ小さく抑えることで、ビル側のブレーカーが動作するのを防ぐ。これは、接地コンデンサ部３の三相全ての可変コンデンサＶＣのスイッチＳＷ２のみを「閉」としてスイッチＳＷ１、ＳＷ３〜ＳＷ４を「開」とすることで、調整用コンデンサ１１のみで接地する形とし、異常時の漏洩電流を{１＋(Ｘ／１００)}{１＋(Ｙ／１００)}／１５倍としている(ステップＳ３)。また、この場合、エレベータ保守会社へ異常連絡信号Ｅを通報するように(ステップＳ４)、通信手段を制御手段９に設けておけば電源異常を早急に発見し、改善することも可能となる。

次にステップＳ１で、ビル側電源の接地環境判定に合格した場合、三相全ての可変コンデンサＶＣのスイッチＳＷ１を「閉」として主コンデンサ１０を接続させる(ステップＳ５)。この状態で電流センサ７からの検出信号により漏洩電流を測定し、その値が上記(１)式の値に対して十分小さい値βより小さければ(ステップＳ６)、残りのスイッチＳＷ２〜５は「開」とし、これにて最適フィルタ生成完了として(ステップＳ１３)、処理を終了する。

ステップＳ６で漏洩電流がβ以上の場合は、各相順番にスイッチＳＷ５を「閉」していき(ステップＳ７)、最も漏洩電流の小さくなった各相のスイッチＳＷ５の開閉条件を導き出し(例えば、Ｒ相の可変コンデンサＶＣのスイッチＳＷ５は「開」、Ｓ相の可変コンデンサＶＣのスイッチＳＷ５は「閉」、Ｔ相の可変コンデンサＶＣのスイッチＳＷ５は「閉」)、この開閉状態で再度、βと比較する(ステップＳ８)。そしてまだ漏洩電流がβ以上であれば、上記最も漏洩電流が小さくなった相のスイッチＳＷ５を「閉」とした状態(上記開閉条件の状態)から(ステップＳ９)、今度は各相順番にスイッチＳＷ４を「閉」していき、最も漏洩電流の小さくなった各相のスイッチＳＷ４の開閉条件を導き出し、再度、βと比較し、漏洩電流がβより小さければ終了、β以上の場合は、以下スイッチＳＷ３、スイッチＳＷ２の順で順番に同様な処理を繰り返す(ステップＳ９〜Ｓ１３)。そしてスイッチＳＷ２〜５の最適な開閉(ＯＮ、ＯＦＦ)条件を導くことで、接地コンデンサ部３の各相の可変コンデンサＶＣの容量調整が実現できる。

次に、制御手段９は相間コンデンサ部２の静電容量調整を行うために、接続切換スイッチ６を閉じ、接続切換スイッチ８を開く制御信号を与える。そして上述した接地コンデンサ部３と同様の処理を行う。ただし、相間コンデンサ部２の場合には、漏洩電流に関係しないため、図３のステップＳ１の接地環境の判定は行わずに、容量の調整のみとする。相間コンデンサ部２の調整終了後に、接続切換スイッチ６を開き、接続切換スイッチ８を閉じる制御信号を与えて、それぞれ「開」、「閉」として調整完了となる。
なお、電動機の停止中に行うのは、少なくとも、最初に行われるステップＳ１の漏洩電流に基づく電源接地環境異常の判定だけでよく、その後の動作は、電動機を停止させた状態で行えば、すなわちエレベータかごの停止中で行えば、エレベータかごの停止中で漏洩電流が小さくなるように静電容量が調整され、また電動機を回転させた状態で行えば、すなわちエレベータかごの走行中で行えば、エレベータかごの走行中で漏洩電流が小さくなるように静電容量が調整される。

実施の形態２．
図４はこの発明の別の実施の形態による交流電源用ノイズフィルタの構成を示す図である。図１に示す上記実施の形態のものと同一もしくは相当部分は同一符号で示し、説明を省略する。図４では、ビル側の電源である三相交流電源１とエレベータの入力との間の交流電源線ＳＬに雑音電圧測定回路２０(雑音電圧測定手段)が挿入されている。雑音電圧測定回路２０は図５に一例を示すように、各交流電源線ＳＬ毎に、交流電源線ＳＬに直列に挿入されたリアクトルＬ１と、三相交流電源１(ビル電源)側の交流電源線ＳＬとグランド間のコンデンサＣｚと、エレベータ側の交流電源線ＳＬとグランド間の直列接続されたコンデンサＣｙと抵抗Ｒｙからなり、抵抗Ｒｙの対グランド間の電位の測定を行う。この測定された電位は制御手段９に入力される。

雑音電圧は電力変換装置５の動作中であるエレベータ走行中に非常に大きくなるため、上記実施の形態とは逆にエレベータを走行させる必要がある。そして走行時の雑増電圧を測定し、制御手段で周波数解析、評価を行い、最終的に最もノイズを減らす容量に調整される。全周波数帯で解析を行うと制御手段に非常に高い解析能力が要求されることになるが、実際にコンデンサの容量が効いてくる周波数帯、電源と負荷からなるシステム上でノイズの発生し易い周波数帯は決まっているので、システム毎に特定の周波数帯にポイントを絞って実施することで、大きな効果が得られる。

図６には上記のように構成された交流電源用ノイズフィルタの概略的な動作フローチャートを示し、以下これに従って動作を説明する。まずこの実施の形態では、制御手段９は、接続切換スイッチ６は「開」、接続切換スイッチ８は「閉」とする制御信号を常に与える。そして雑音電圧に基づく静電容量調整制御のために、例えば電動機から入力される運転状態を示す信号ｍ又はエレベータかごの運転状態を示す信号Ｍから電動機が回転中であることを確認する。そして、雑音電圧測定回路２０から入力される雑音端子電圧が所定値γより小さければ(ステップＳ１)、スイッチＳＷ１〜５は現状維持で、これにて最適フィルタ生成完了として(ステップＳ４)、処理を終了する。

しかしながら、ステップＳ１で雑音端子電圧が所定値γ以上であれば、各相のスイッチＳＷ１〜５を切り換えて全通りの開閉パターンで雑音端子電圧を測定し、所定値γより小さいものがあれば(ステップＳ２)、各相のスイッチＳＷ１〜５を該開閉パターンとし、そこで最適フィルタ生成完了として(ステップＳ４)、処理を終了する。ステップＳ２で雑音端子電圧が所定値γより小さいものがなければ、全ての開閉パターンの中で雑音端子電圧が最も小さいものを選択し(ステップＳ３)、各相のスイッチＳＷ１〜５を該開閉パターンとし、そこで最適フィルタ生成完了として(ステップＳ４)、処理を終了する。これにより、電源の雑音電圧を低滅できる。
なお、雑音電圧を低滅させる静電容量の調整制御に関し、一般に電動機の回転中、停止中いずれでも調整制御可能であるが、電動機の回転中のほうが雑音電圧が大きいため、電動機の回転中すなわちエレベータかごの走行中に行うのが望ましい。
そして例えば、最初に、電動機の停止中すなわちエレベータかごの停止中で実施の形態１の漏洩電流を小さくする静電容量の調整制御が開始され、その後に電動機を回転状態すなわちエレベータかごを走行状態にして、漏洩電流のめの静電容量調整制御から上記雑音電圧のための静電容量調整制御へ移行するようにしてもよい。
その際、後で行われる雑音電圧のための静電容量調整制御により、先に行われた漏洩電流のための静電容量調整制御で調整された静電容量が大幅に変更されないように、雑音電圧のための静電容量調整制御では、静電容量の変更幅に所定の制限を設ける(所定幅の変更許可範囲を設定する)ようにしてもよい。

この発明の一実施の形態による交流電源用ノイズフィルタの構成を示す図である。 この発明による交流電源用ノイズフィルタの相間コンデンサ部び接地コンデンサ部の各可変コンデンサの構成の一例を示す図である。 この発明の一実施の形態による交流電源用ノイズフィルタの概略的な動作フローチャートである。 この発明の別の実施の形態による交流電源用ノイズフィルタの構成を示す図である。 この発明による交流電源用ノイズフィルタの雑音電圧測定回路の構成の一例を示す図である。 この発明の別の実施の形態による交流電源用ノイズフィルタの概略的な動作フローチャートである。

符号の説明

１ 三相交流電源、２ 相間コンデンサ部、３ 接地コンデンサ部、４ 電源フィルタ用リアクトル部、５ 電力変換装置、６，８ 接続切換スイッチ、７ 電流センサ、９ 制御手段(含む静電容量調整制御手段)、１０ 主コンデンサ、１１〜１４ 調整用コンデンサ、２０ 雑音電圧測定回路、Ｃｙ，Ｃｚ コンデンサ、Ｅ 異常連絡信号、Ｌ１ リアクトル、ｍ，Ｍ 運転状態信号、Ｒｙ 抵抗、ＳＬ 交流電源線、ＳＷ１〜５ スイッチ。

Claims (4)

1. 電力変換装置と交流電源との間の交流電源線に接続され、前記交流電源線の各相に接続された可変コンデンサで構成された接地コンデンサ部と相間コンデンサ部、及び各相に挿入されたリアクトルで構成された電源フィルタ用リアクトル部を少なくとも備える交流電源用ノイズフィルタであって、
   前記接地コンデンサ部と相間コンデンサ部とを選択的に前記交流電源線とグランド間に接続する接続切換手段と、
   前記交流電源線とグランド間に接続された前記接地コンデンサ部と相間コンデンサ部の漏洩電流をそれぞれに検出する漏洩電流検出手段と、
   前記接地コンデンサ部と相間コンデンサ部の各可変コンデンサの静電容量を変更する静電容量変更手段と、
   前記接続切換手段の切換えを制御すると共に前記漏洩電流検出手段での漏洩電流を入力し漏洩電流が小さくなるように前記静電容量変更手段の制御をする静電容量調整制御手段と、
   を備えたことを特徴とする交流電源用ノイズフィルタ。
2. 前記静電容量調整制御手段が前記交流電源と電気的に絶縁された停電時用バッテリを電源とすることを特徴とする請求項１に記載の交流電源用ノイズフィルタ。
3. 前記静電容量調整制御手段が、前記電力変換装置により給電される電動機の運転状態を示す信号を受け、少なくとも、漏洩電流を小さくする制御における漏洩電流に基づく最初の電源接地環境異常の判定は、前記電動機の回転停止中に行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流電源用ノイズフィルタ。
4. 前記交流電源線とグランド間に接続されて前記交流電源の雑音電圧を測定する雑音電圧測定手段をさらに備え、前記静電容量調整制御手段は、前記電動機の回転中に前記雑音電圧測定手段での雑音電圧を減らすように前記静電容量変更手段の制御をすることを特徴とする請求項３に記載の交流電源用ノイズフィルタ。

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