JP2009077533A - 能動フィルタ装置及び電力変換装置 - Google Patents

能動フィルタ装置及び電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】コモンモード電流に重畳される商用周波数成分を除去する能動フィルタ装置。
【解決手段】電源線1bを接地相とする三相交流電源1と該電源から供給された交流電力を所定の交流電力又は直流電力に変換して負荷5に供給し且つ筐体に接地端子Eを有すると共に入力側にYコンデンサ5A〜5Cを有する電力変換装置3との間に設けられ電源線に流れるコモンモード電流によるノイズを低減する装置であり、電源線1a〜1cと検出線10aとが挿通され検出線でコモンモード電流を検出してコモンモード電流検出信号を出力する電流検出手段10と、接地相の電源線1bと接地間に接続されコモンモード電流検出信号を増幅度1で増幅しコンデンサ12を介して接地相の電源線と接地との間に流す増幅手段11と、非接地相の電源線1a,1cと接地相の電源線1bとの間に電流を流し該電流をコモンモード電流検出信号に加算し該検出信号中の商用周波数成分を除去する除去手段20A,20B,21A,21Bとを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力変換機器に設けるフィルタ装置に関し、特に、スイッチングに起因するコモンモード電流及びEMIノイズが交流系統に流れ出る量を低減するための能動フィルタ装置及び能動フィルタ装置を入力側に設けた電力変換装置に関する。
電力用半導体素子の特性向上に伴い、スイッチング周波数の高周波化を実現できるようになってきた。無停電電源装置や通信用電源装置に代表される電力変換装置は、高速応答や低騒音への要求、フィルタの小型化要求などからPWM制御を用いた高周波スイッチング方式が広く用いられる。
スイッチング周波数の高周波化が進むに連れて、直流リンク部やケーブルを介して、大地に流れる高周波漏れ電流が大きくなってきている。この高周波漏れ電流は、交流系統に流れ込みノイズとなって、交流系統に接続された他の装置に対して悪影響を与え社会的な問題となってきている。例えば、無停電電源装置において特に直流側に大容量の蓄電池をフローティングで接続する場合、長くなった直流ケーブルから大きな高周波漏れ電流が流れる傾向にあり、この高周波漏れ電流が交流系統に流れ込む。
交流系統に流出する高周波漏れ電流を低減する方法として、図4に示すような能動フィルタ装置が知られている(特許文献1)。
図4は従来の能動フィルタ装置及び電力変換装置の構成図である。図4において、三相交流電源1と、電力変換装置3と、負荷5と、三相交流電源1及び電力変換装置3間に設けられた能動フィルタ装置8が備えられている。
三相交流電源1には、R相用の電源線1aとS相用の電源線1bとT相用の電源線1cとが接続され、S相用の電源線1bは接地相の電源線であり、接地されている。電力変換装置3の筐体(フレーム)3aは、接地端子Eに接続されて接地されている。電力変換装置3と筐体3aとの間には、いたるところに対地間容量を有するが、これ等をまとめて、電力変換装置3のコンデンサC0の負極と接地端子Eとの間の対地間容量4で示すことにする。
R相用,S相用,T相用電源線1a〜1cは、能動フィルタ装置8の端子R1,S1,T1のそれぞれに接続されている。能動フィルタ装置8は、電流トランス10と、NPNからなるトランジスタ11aとPNPからなるトランジスタ11bからなる増幅器11と、低周波分離コンデンサ12と、直流電源Vcとを有している。
電流トランス10は、トロイダルコアに主電源線であるR相用,S相用,T相用電源線1a〜1cがそれぞれ1T(ターン)巻回される(貫通される)とともに、検出線10aが1T巻回されている。
トランジスタ11aのコレクタは、直流電源Vcの正極に接続され、トランジスタ11aのベースは、トランジスタ11bのベースと検出線10aの一端と低周波分離コンデンサ12の一端に接続され、低周波分離コンデンサ12の他端は、接地相である電源線1bに接続されている。
トランジスタ11aのエミッタは、トランジスタ11bのエミッタと検出線10aの他端に続され、トランジスタ11bのコレクタは、直流電源Vcの負極と接地端子Eに接続されている。
また、電流トランス10を挿通した電源線1a,1b,1cと接地との間には、それぞれ対応してYコンデンサ(ラインバイパスコンデンサ)5A,5B,5Cが接続されている。また、電流トランス10を挿通した電源線1a,1b,1cには、それぞれ対応してチョークコイルL1,L2,L3が直列に接続されている。
電力変換装置3は、Yコンデンサ5A,5B,5Cと、チョークコイルL1,L2,L3と、6個のダイオードD1〜D6と、6個のIGBTからなるスイッチング素子Q1〜Q6と、コンデンサC0とを有する。スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2との直列回路の両端と、スイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4との直列回路の両端と、スイッチング素子Q5とスイッチング素子Q6との直列回路の両端とは、コンデンサC0の両端及び負荷5の両端に接続されている。
スイッチング素子Q1〜Q6のコレクタ−エミッタ間には、それぞれ対応してダイオードD1〜D6が接続されている。ダイオードD1とダイオードD2との接続点にはチョークコイルL1が接続され、ダイオードD3とダイオードD4との接続点にはチョークコイルL2が接続され、ダイオードD5とダイオードD6との接続点にはチョークコイルL3が接続されている。スイッチング素子Q1〜Q6の各々のゲート端子は、図示しない制御回路に接続され、この制御回路によりスイッチング素子Q1〜Q6のオン/オフが制御され、電力変換装置3は、三相交流電源1から供給された交流電力を所定の直流電力に変換して負荷5に供給するコンバータ(交流直流変換装置)として動作する。
以上の構成によれば、電力変換装置3を構成するIGBTのスイッチング素子Q1〜Q6のスイッチングにより、直流側の電位が急峻に変動する。これに伴い、対地間容量4に高周波電流が流れ、この電流はコモンモード電流として交流系統に流れる。
電流トランス10の1Tの電源線1a〜1cにコモンモード電流が流れると、電流トランス10の1Tの検出線10aは、コモンモード電流と同一の電流を検出しコモンモード電流検出信号として出力する。増幅器11は、電流トランス10の検出線10aで検出されたコモンモード電流検出信号を増幅度1で増幅し、低周波分離コンデンサ12を介して接地相の電源線1bに流す。このため、交流系統に流出するコモンモード電流を低減できる。
特開2003−174777号公報
しかしながら、図4に示す能動フィルタ装置8では、コモンモード電流の主な経路として、Yコンデンサ5A,5B,5Cによるものと、電力変換装置3の直流側に寄生する対地間容量4を介するものがある。
三相交流電源1が三相三線式の場合、各相のYコンデンサ5A,5B,5Cを介して流れる電流は、アンバランスとなり、総合電流(各相電流の合計)に対して商用周波数成分が重畳する。また、電力変換装置3の対地間容量4に流れる電流にも商用周波数成分が重畳する。即ち、コモンモード電流に三相交流電源1の商用周波数成分が多く重畳する。
従来の能動フィルタ装置8でコモンモード電流に重畳される商用周波数成分を打ち消す場合、低周波分離コンデンサ12を介して商用周波数成分を補償するために、商用周波数成分を補償すると低周波分離コンデンサ12の端子電圧が高くなり、増幅器11の出力電圧が飽和してしまう。この電圧が飽和した場合、能動フィルタ装置8が機能しなくなる。このため、従来の能動フィルタ装置8では、大容量の低周波分離コンデンサ12又は大容量の増幅器11を用いる必要があった。
本発明は、コモンモード電流に重畳される商用周波数成分を除去することができ、簡単な構成で安価な能動フィルタ装置及び電力変換装置を提供することにある。
前記課題を解決するために、請求項1の発明は、3つの電源線の内の1つの電源線を接地相とする三相交流電源と前記三相交流電源から供給された交流電力を所定の交流電力又は直流電力に変換して負荷に供給し且つ筐体に接地端子を有するとともに入力側にYコンデンサを有する電力変換装置との間に設けられ、前記電源線に流れるコモンモード電流によるノイズを低減する能動フィルタ装置であって、前記電源線と検出線とが挿通され、前記検出線により前記コモンモード電流を検出し、コモンモード電流検出信号を出力する電流検出手段と、前記接地相の電源線と接地間に接続され、前記コモンモード電流検出信号を増幅度1で増幅して、第1コンデンサを介して前記接地相の電源線と前記接地との間に流す増幅手段と、前記3つの電源線の内の2つの非接地相の電源線と前記接地相の電源線との間に電流を流し該電流を前記コモンモード電流検出信号に加算して前記コモンモード電流検出信号中の商用周波数成分を除去する除去手段とを有することを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1記載の能動フィルタ装置において、前記除去手段は、前記2つの非接地相の電源線の一方の電源線に一端が接続された第2コンデンサと、前記2つの非接地相の電源線の他方の電源線に一端が接続された第3コンデンサと、前記電流検出手段に挿通され、前記第2コンデンサの他端と前記第3コンデンサの他端とに一端が接続され、前記接地相の電源線に他端が接続された第1補償巻線とを有することを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2記載の能動フィルタ装置において、前記除去手段は、前記2つの非接地相の電源線の一方の電源線に一端が接続された第4コンデンサと、前記2つの非接地相の電源線の他方の電源線に一端が接続された第5コンデンサと、前記電流検出手段に挿通され、前記第4コンデンサの他端と前記第5コンデンサの他端とに一端が接続され、前記接地相の電源線に他端が接続された第2補償巻線とを有することを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項3記載の能動フィルタ装置において、前記第1補償巻線及び前記第2補償巻線の各々が前記電流検出手段にN(正の整数)回巻回されている場合に前記第2コンデンサ及び前記第3コンデンサの各々の容量値は、前記Yコンデンサの容量値をNで除算した値であり、前記第4コンデンサ及び前記第5コンデンサの各々の容量値は、前記電力変換装置の対地間容量値を3・Nで除算した値であることを特徴とする。
請求項5の発明は、三相交流電源から供給された交流電力を所定の交流電力又は直流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の能動フィルタ装置を前記Yコンデンサよりも入力側に設けたことを特徴とする。
請求項1の発明によれば、除去手段は、2つの非接地相の電源線と接地相の電源線との間に電流を流し該電流をコモンモード電流検出信号に加算してコモンモード電流検出信号中の商用周波数成分を除去する。即ち、コモンモード電流に重畳される商用周波数成分を除去でき、しかも第1コンデンサ及び増幅手段の容量を小さくできるため、簡単な構成で安価な装置を実現できる。
請求項2の発明によれば、第2コンデンサと第1補償巻線とを介して2つの非接地相の電源線の一方の電源線と接地相の電源線との間に電流が流れ、第3コンデンサと第1補償巻線とを介して2つの非接地相の電源線の他方の電源線と接地相の電源線との間に電流が流れるので、コモンモード電流検出信号からYコンデンサに起因する電流と対地間容量に起因する電流との商用周波数成分を除去できる。
請求項3の発明によれば、請求項2の発明の効果と同様な効果が得られる。
請求項4の発明によれば、第2コンデンサ及び第3コンデンサの各々の容量値を、Yコンデンサの容量値をNで除算した値とすることで、Yコンデンサに起因する電流の商用周波数成分を除去でき、第4コンデンサ及び第5コンデンサの各々の容量値を、電力変換装置の対地間容量値を3・Nで除算した値とすることで、対地間容量に起因する電流の商用周波数成分を除去できる。
請求項5の発明によれば、電力変換装置の入力側に請求項1乃至4のいずれか1項の能動フィルタ装置を設けたので、請求項1乃至4の効果が得られる。
以下、本発明の能動フィルタ装置及び電力変換装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は実施例1の能動フィルタ装置及び電力変換装置の構成図である。図1は、図4に示す能動フィルタ装置8の構成に対して、能動フィルタ装置7のみが異なるので、能動フィルタ装置7のみを説明する。
図1において、R相用,S相用,T相用電源線1a〜1cは、能動フィルタ装置7の端子R1,S1,T1のそれぞれに接続されている。能動フィルタ装置7は、電流トランス10(電流検出手段)と、NPNからなるトランジスタ11aとPNPからなるトランジスタ11bからなる増幅器11(増幅手段)と、低周波分離コンデンサ12(第1コンデンサ)と、直流電源Vcと、補償巻線22,23と、補償コンデンサ20A,20B,21A,21Bとを有している。
電流トランス10は、トロイダルコアに主電源線であるR相用,S相用,T相用電源線1a〜1cがそれぞれ1T(ターン)巻回される(貫通される)とともに、検出線10aが例えば1T巻回され、さらに、補償巻線22,23がそれぞれ例えば10T(ターン)巻回されている。
補償コンデンサ(第2コンデンサ)20Aの一端は、非接地相の電源線1aに接続され、補償コンデンサ(第3コンデンサ)20Bの一端は、非接地相の電源線1cに接続されている。補償巻線22(第1補償巻線)の一端は、補償コンデンサ20Aの他端と補償コンデンサ20Bの他端とに接続され、補償巻線22の他端は、接地相の電源線1bに接続されている。
補償コンデンサ(第4コンデンサ)21Aの一端は、非接地相の電源線1aに接続され、補償コンデンサ(第5コンデンサ)21Bの一端は、非接地相の電源線1cに接続されている。補償巻線23(第2補償巻線)の一端は、補償コンデンサ21Aの他端と補償コンデンサ21Bの他端とに接続され、補償巻線23の他端は、接地相の電源線1bに接続されている。
補償巻線22,23と、補償コンデンサ20A,20B,21A,21Bとは、除去手段を構成し、非接地相の電源線1a,1cと接地相の電源線1bとの間に電流を流し該電流を、検出線10aで検出されたコモンモード電流検出信号に加算してコモンモード電流検出信号中の商用周波数成分を除去する。
なお、検出線10aと、増幅器11と、低周波分離コンデンサ12と、直流電源Vcとは、図4に示すものと同一構成であるので、その説明は省略する。
次に、このように構成された実施例1の能動フィルタ装置の動作を説明する。ここでは、対地間容量4の容量値をC4とし、Yコンデンサ5A〜5Cの容量値をそれぞれC5とし、補償コンデンサ20A,20Bの容量値をそれぞれC5/10とし、補償コンデンサ21A,21Bの容量値をそれぞれC4/30とする。
Yコンデンサ5A,5B,5Cにそれぞれ流れる電流i5A,i5B,i5Cは式(1)で表せる。
Figure 2009077533
ここで、(v1A−vE)は、Yコンデンサ5Aの一端(R相用の電源線1aの電位)と他端(接地電位)との間に印加される電圧である。(v1B−vE)は、Yコンデンサ5Bの一端(S相用の電源線1bの電位)と他端(接地電位)との間に印加される電圧である。(v1C−vE)は、Yコンデンサ5Cの一端(T相用の電源線1cの電位)と他端(接地電位)との間に印加される電圧である。
S相用の電源線1bが接地され、v1B(S相用の電源線1bの電位)とvE(接地電位)は略同電位となっているため、i5B≒0となる。
対地間容量4に流れる電流i4の低周波成分(商用周波数成分)は、式(2)で表せる。
Figure 2009077533
これらの電流は、商用周波数が主成分となり、三相交流電源1に流れる。補償巻線22,23にそれぞれ流れる電流i22,i23は式(3)で表せる。
Figure 2009077533
補償巻線22,23の各々は、10Tであるので、電流i22の合計と電流i23の合計との総和電流は、(i4+i5A+i5C)となる。即ち、電流トランス10に補償巻線22,23を巻回することにより、検出線10aで検出されたコモンモード電流検出信号からYコンデンサ5A〜5Cに起因する電流と対地間容量4に起因する電流との商用周波数成分を除去できる。
従って、能動フィルタ装置7で処理する電流から低周波成分がなくなり、低周波分離コンデンサ12の最大端子電圧を低く抑制することができるとともに、増幅器11の端子電圧を低く抑制することができる。
図2は実施例2の能動フィルタ装置及び電力変換装置の構成図である。図1に示す実施例1の能動フィルタ装置7では、補助巻線22,23の巻回数を10回としたが、図2に示す実施例2の能動フィルタ装置7aでは、補助巻線22a,23aの巻回数を任意のN(正の整数)回、例えば5回としたものである。
この場合、補償コンデンサ20a及び補償コンデンサ20bの容量値は、Yコンデンサ5A〜5Cの容量値C5をNで除算した値とする。補償コンデンサ21a及び補償コンデンサ21bの容量値は、対地間容量4の容量値C4を3・Nで除算した値とする。
このような実施例2の能動フィルタ装置及び電力変換装置であっても、実施例1の能動フィルタ装置及び電力変換装置と同様に動作するとともに、同様な効果が得られる。
図3は実施例3の能動フィルタ装置及び電力変換装置の構成図である。図1に示す実施例1では、補償巻線22,23がそれぞれ10T巻回され、対地間容量4の容量値をC4とし、Yコンデンサ5A〜5Cの容量値をそれぞれC5とした場合に、補償コンデンサ20A,20Bの容量値をそれぞれC5/10とし、補償コンデンサ21A,21Bの容量値をそれぞれC4/30とした。
これに対して、実施例3の能動フィルタ装置7bでは、補償巻線25が電流トランス10のトロイダルコアに10T巻回されている。補償コンデンサ24Aの一端はR相用の電源線1aに接続され、補償コンデンサ24Aの他端は補償巻線25の一端に接続され、補償巻線25の他端は、接地相の電源線1bに接続されている。補償コンデンサ24Bの一端は、T相用の電源線1cに接続され、補償コンデンサ24Bの他端は補償巻線25の一端に接続されている。
また、対地間容量4の容量値をC4とし、Yコンデンサ5A〜5Cの容量値をそれぞれC5とした場合に、補償コンデンサ24A,24Bの容量値をそれぞれ(C5/10)+(C4/30)/2としている。
このようにすることで、補償コンデンサ24Aに(i5A+i4/2)/10の電流が流れ、補償コンデンサ24Bに(i5C+i4/2)/10の電流が流れるので、補償巻線25には、(i5A+i5C+i4)の電流が流れる。従って、検出線10aで検出されたコモンモード電流検出信号からYコンデンサ5A〜5Cに起因する電流と対地間容量4に起因する電流との商用周波数成分を除去できる。
このように、補償巻線25、補償コンデンサ24A、補償コンデンサ24Bを用いるのみでも、実施例1の効果と同様な効果が得られ、部品点数をさらに削減することができる。
なお、本発明は上述した実施例1乃至3の能動フィルタ装置及び電力変換装置に限定されるものではない。実施例1では、補償コンデンサC21A,C21Bの容量値を、対地間容量4の容量値C4の1/30としたが、これに近い任意の値としても良い。
本発明は、無停電電源装置や通信用電源装置に代表される電力変換装置に利用可能である。
実施例1の能動フィルタ装置及び電力変換装置の構成図である。 実施例2の能動フィルタ装置及び電力変換装置の構成図である。 実施例3の能動フィルタ装置及び電力変換装置の構成図である。 従来の能動フィルタ装置及び電力変換装置の構成図である。
符号の説明
1 三相交流電源
1a R相用電源線
1b S相用電源線
1c T相用電源線
3 電力変換装置
4 対地間容量
5 負荷
5A,5B,5C Yコンデンサ
7,7a,7b 能動フィルタ装置
10 電流トランス
10a 検出線
11a,11b トランジスタ
12 低周波分離コンデンサ
20A,20B,20a,20b,21A,21B,21a,21b,24A,24B 補償コンデンサ
22,22a,23,23a,25 補償巻線
C0 コンデンサ
Q1〜Q6 スイッチング素子
D1〜D6 ダイオード
L1〜L3 チョークコイル
Vc 直流電源

Claims (5)

  1. 3つの電源線の内の1つの電源線を接地相とする三相交流電源と前記三相交流電源から供給された交流電力を所定の交流電力又は直流電力に変換して負荷に供給し且つ筐体に接地端子を有するとともに入力側にYコンデンサを有する電力変換装置との間に設けられ、前記電源線に流れるコモンモード電流によるノイズを低減する能動フィルタ装置であって、
    前記電源線と検出線とが挿通され、前記検出線により前記コモンモード電流を検出し、コモンモード電流検出信号を出力する電流検出手段と、
    前記接地相の電源線と接地間に接続され、前記コモンモード電流検出信号を増幅度1で増幅して、第1コンデンサを介して前記接地相の電源線と前記接地との間に流す増幅手段と、
    前記3つの電源線の内の2つの非接地相の電源線と前記接地相の電源線との間に電流を流し該電流を前記コモンモード電流検出信号に加算して前記コモンモード電流検出信号中の商用周波数成分を除去する除去手段と、
    を有することを特徴とする能動フィルタ装置。
  2. 前記除去手段は、
    前記2つの非接地相の電源線の一方の電源線に一端が接続された第2コンデンサと、
    前記2つの非接地相の電源線の他方の電源線に一端が接続された第3コンデンサと、
    前記電流検出手段に挿通され、前記第2コンデンサの他端と前記第3コンデンサの他端とに一端が接続され、前記接地相の電源線に他端が接続された第1補償巻線と、
    を有することを特徴とする請求項1記載の能動フィルタ装置。
  3. 前記除去手段は、
    前記2つの非接地相の電源線の一方の電源線に一端が接続された第4コンデンサと、
    前記2つの非接地相の電源線の他方の電源線に一端が接続された第5コンデンサと、
    前記電流検出手段に挿通され、前記第4コンデンサの他端と前記第5コンデンサの他端とに一端が接続され、前記接地相の電源線に他端が接続された第2補償巻線と、
    を有することを特徴とする請求項2記載の能動フィルタ装置。
  4. 前記第1補償巻線及び前記第2補償巻線の各々が前記電流検出手段にN(正の整数)回巻回されている場合に前記第2コンデンサ及び前記第3コンデンサの各々の容量値は、前記Yコンデンサの容量値をNで除算した値であり、前記第4コンデンサ及び前記第5コンデンサの各々の容量値は、前記電力変換装置の対地間容量値を3・Nで除算した値であることを特徴とする請求項3記載の能動フィルタ装置。
  5. 三相交流電源から供給された交流電力を所定の交流電力又は直流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の能動フィルタ装置を前記Yコンデンサよりも入力側に設けたことを特徴とする電力変換装置。
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