JP2010166801A - 高調波フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】公知のフィルタよりも１１次高調波に対して効果的である一方で、高調波の基準で設定された要求を満たす受動高調波フィルタの提供。
【解決手段】電源に接続するための入力端子Ｂと、負荷に接続するための出力端子Ｃと、中間端子Ａと、少なくとも１つの第１のインダクタンス４を備える第１のブランチ３、４と、少なくとも１つの第２のインダクタンス１１を備える第２のブランチ１１、１３と、少なくとも１つのコンデンサ９を備える第３のブランチ５、７、９とを備えた受動高調波フィルタであって、前記第１、第２、及び、第３のブランチは、ローパスＴフィルタを形成し、減衰ブランチ２２、２４は、少なくとも１つの第１の抵抗２２を備え、前記減衰ブランチは、前記第１のブランチと並列に配置されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、電力システムで高調波電流及び電圧をフィルタリングするための高調波フィルタに関する。

高調波は、ある電気負荷の結果として、電力システム上に現れる電気的な電圧及び電流である。電力ネットワークでの高調波電流及び電圧は、電力品質の問題を頻繁に起こす。

整流器、無停電電源、コンピュータのような非線形負荷が、電力システムに接続される場合、通常、正弦的でない電流が流れる。フーリエ級数解析を用いて、かつ、この電流が周期的であると仮定すれば、単一の正弦波の和に分解可能である。この単一の正弦波は、電力システム基本波周波数（１次高調波−通常、ヨーロッパでは５０Ｈｚ、米国では、６０Ｈｚ）で始まり、この基本波周波数の整数倍が生じる。基本波周波数のｎ倍の周波数を持った正弦波は、n次高調波と呼ばれている。

電力システムの高調波は、通常、システムの電流の望まれない電流の増加を招く。加えて、電気設備の異なる構成要素は、電源システム上の高調波からの影響に苦しんでいる。例えば、電気モータは、（過度の場合）電気モータの寿命を短くするヒステリシス損が、モータの鉄心で生じる渦電流によって生じることに悩まされている。

高調波は、振動も生じさせ、かつ、ノイズレベルを増加させる。それらは、さらに、通信回線や電気回路で、異常、及び、故障状態を起こす。

標準規格によって要求された高調波のレベルに達するために、高調波フィルタが広く用いられている。受動高調波フィルタが、５０Ｈｚ（６０Ｈｚ）と数ｋＨｚの間の高調波を減少するために特に一般的である。信頼可能な産業の配電にとって、（ヨーロッパで）２５０Ｈｚの５次高調波、及び、（ヨーロッパで）３５０Ｈｚの７次高調波が主要な問題である。このように、一般的な高調波フィルタは、中性線を備えたシステムの場合に、特に、これらの高調波、及び/又は、３次高調波を効果的に減少するために設計されている。

受動高調波フィルタＦＰを用いたシステムの例が図１に記載されている。フィルタＦＰは、グランドと端子Ｂとの間に接続されたＡＣ電圧源と、負荷１５との間に接続されている。図示されたフィルタは、３つのブランチのＴ構造を備えている。電源に接続された端子Ｂと中間端子Ａとの間の第１のブランチには、電流I_Lineが流れ、電流I_Rectが流れる第２のブランチは、端子Ａと、負荷に接続された出力端子Ｃとの間にあり、かつ、電流I_Trapが流れる第３のブランチは、中間端子Ａとグランドとの間にある。

図示された例では、第１のブランチは、寄生抵抗３を持ったインダクタンス４を備えている。第２のブランチは、寄生抵抗１３を持った他のインダクタンス１１を備えている。第３のブランチは、寄生抵抗７とコンデンサ９を持った第３のインダクタンス５を備えている。異なるブランチの構成要素の値は、選択され、その結果、電流I_Rectの基本波周波数成分が、第１と第２のブランチ（回路Ｒ２）を流れ、一方、より高い高調波は、第３のブランチによって捕らえられ、電源１に達しない（回路Ｒ１）。

これは、もちろん、概略の近似である。図２は、図１の高調波フィルタのゲインI_line/I_Rectを、周波数関数として図示した周波数特性図であり、両軸とも対数目盛で示している。共振効果と、５次及びそれ以上の高調波の減衰が明らかに示されている。

図３は、例えば、この高調波フィルタが、３相用途の６ダイオードの整流器のような通常の負荷に用いられた場合に、電流I_lineの各々の高調波の振幅Ａを図示している。

図１−３で図示された高調波フィルタは、たくさんの欠点がある。

（１）このフィルタは、５次の高調波を減少するのに非常に効果的であるが、より高い高調波に対しては、そうでもない。これは、いつも満足なものでなく、実際、EN6100-4-2、DIN EN61000-3-12、及び、IEEE519-1992に限定されないが、それを含む一番厳しい標準規格は、これらの高調波のための公認の閾値を、図３の線t_5-7、t_11-13、-_...、t_iによって示されるように定義している。示されているように、図１の高調波フィルタは、５次及び７次高調波の規格の要求に見合っているが、例えば１１次の高調波（ヨーロッパでは５５０Ｈｚ、又は、米国では６６０Ｈｚ）の要求には、かろうじて満たしている。

（２）さらに、図１の受動高調波フィルタが、図１の例のように、６つのダイオード整流器のような非線形負荷に、直接接続されている場合にのみ適合している。しかしながら、多くの設備で、例えば、１０ｋＨｚと数ＭＨｚの間の高周波での対称及び/又は非対称の摂動を打ち消すために、高周波フィルタ（ＲＦＩ、ＥＭＣ、又は、ＥＭＩフィルタ）のような付加的な受動フィルタは、高調波フィルタと非線形負荷との間に設置される。高調波フィルタから考えると、この追加的な高調波フィルタは、図４に記載されたように、高調波フィルタの出力端子Ｃとグランドとの間の追加的なコンデンサ１９に、一次近似で等しい。この容量的なブランチ１９は、高調波の源１７に接続された負荷１５と並列している。それは、インダクダンス４、５、１１と追加的な共振を起こし、かつ、図２の周波数特性を、図５のような周波数特性に変化させている。寄生抵抗３及び１３は、低い値（例えば１Ω以下）となり、その結果、望まれない周波数成分は、ほとんど減衰する。

この容量的なブランチ１９は、図５や図６の表で記載のように、中間周波数を増幅させている。
特に、１７、１９、２５、２９、３１、３５、３７次の高調波が、上記の基準によって設定された制限以上になっている。

それゆえ、本発明の一般的な目的は、公知のフィルタよりも１１次高調波に対して効果的である一方で、他の高調波の基準で設定された要求を満たす受動高調波フィルタを提供することである。

本発明の他の目的は、ＲＦＩフィルタと接続した場合に、より高い高調波成分に対して効果的な受動高調波フィルタを提供することである。

本発明の１側面によるこれらの目的は、ＲＦＩフィルタが高調波フィルタの出力に接続された場合に発生する共振電流を減衰するために配置された１つの減衰ブランチを備える受動高調波フィルタを提供することによって解決される。

本発明の他の側面によるこれらの目的は、電源に接続するための入力端子（Ｂ）と、負荷に接続するための出力端子（Ｃ）と、中間端子（Ａ）と、少なくとも１つの第１のインダクタンス（４）を備える、前記入力端子（Ｂ）と前記中間端子（Ａ）との間の第１のブランチ（３、４）と、少なくとも１つの第２のインダクタンス（１１）を備える、前記中間端子（Ａ）と前記出力端子（Ｃ）との間の第２のブランチ（１１、１３）と、少なくとも１つのコンデンサ（９）を備える、前記中間端子（Ａ）とグランド（Ｇ）との間の第３のブランチ（３、４）とを備えた受動高調波フィルタであって、前記第１、第２、及び、第３のブランチは、ローパスＴフィルタを形成し、減衰ブランチ（２２、２４）は、少なくとも１つの第１の抵抗（２２）を備え、前記減衰ブランチは、前記第１のブランチと並列に配置されていることによって達成される。

追加的な減衰ブランチは、電流のための追加的な減衰路を供給し、その結果、少なくとも、この電流の一部分が、ＲＦＩフィルタの入力で、コンデンサによって生成される追加的な共振ループを回避している。この追加的な減衰路の電流は、共振せず、かつ、抵抗によってさらに減衰される。

減衰ブランチは、より高い周波数（＞２．５ｋＨｚ）で、高調波フィルタの減衰効率をわずかに減少し、このため、以前は部分的に考慮されなかった。しかしながら、これらのより高い周波数で、図１の回路は、基準の期待を満たす以上のものですでにあった。その結果、高周波数で減衰効果の小さなロスは、ほとんどの装置にとって問題とならなかった。

以下の記載で、また、請求項で、「２端子の間」は、「これらの２端子の間の電気的な道のどこかで設置される」という意味である。例えば、「端子Ａと端子Ｂとの間のブランチ又は構成要素は、ブランチ又は構成要素が、Ａ又はＢのいずれかに直接接続されているという意味ではなく、そして、このブランチ又は構成要素がＡとＢとの間に物理的に配置されているという意味でもなく、むしろ、ＡとＢとの間の少なくとも１つの電気的な道が、ただ、このブランチ又は構成要素を、横断しているということを意味している。

本発明は、例によって示され、かつ、図によって図示された実施例の記載を用いて、より好ましく理解されるべきである。

図１は、電源と負荷の間に設置された高調波フィルタを備えたシステムを示している。 図２は、対数尺度で両方とも示された、図１の高調波フィルタのゲインを周波数関数として示す周波数特性図である。 図３は、線形尺度で示された、６つのダイオード整流器が負荷された図１の高調波フィルタのそれぞれの高調波での電流の振幅のグラフを示している。 図４は、負荷がＲＦＩフィルタを備える、電源と負荷との間に設置された図１の高調波フィルタを備えるシステムを示している。 図５は、対数尺度で両方とも示された、図４の高調波フィルタのゲインを周波数関数として示す周波数特性図である。 図６は、線形尺度で示された、６つのダイオード整流器が負荷された図４の高調波フィルタのそれぞれの高調波での電流の振幅のグラフを示している。 図７は、電源と負荷との間に設置された本発明の第１の実施例による高調波フィルタを備えるシステムを示している。 図８は、対数尺度で両方とも示された、図７の高調波フィルタのゲインを周波数関数として示す周波数特性図である。 図９は、線形尺度で示された、６つのダイオード整流器が負荷された図７の高調波フィルタのそれぞれの高調波での電流の振幅のグラフを示している。 図１０は、負荷がＲＦＩフィルタを備える、電源と負荷との間に設置された図７の高調波フィルタを備えるシステムを示している。 図１１は、対数尺度で両方とも示された、図１０の高調波フィルタのゲインを周波数関数として示す周波数特性図である。 図１２は、線形尺度で示された、６つのダイオード整流器が負荷された図１０の高調波フィルタのそれぞれの高調波での電流の振幅のグラフを示している。

本発明の側面による高調波フィルタの第１の実施例が、図７で示されている。フィルタＦは、ネットワークのようなＡＣ電源と、負荷１５との間に接続されている。このフィルタＦは、電源の導電部と接続するための入力端子Ｂと、負荷の導電部と接続するための出力端子Ｃと、負荷と電源システムのグランドとの接続のための端子Ｇとを備えている。

本実施例の高調波フィルタは、３つのブランチを備えたローパスＴフィルタである。
a)第１のブランチ３、４は、入力端子Ｂと中間端子Ａとの間にある。この第１のブランチは、好ましくは、主に誘導性であり、かつ、例えば、インピーダンスが、インダクタンス４で示された誘導性の成分と、インダクタロスを示す抵抗３で図示された寄生抵抗成分とを備えたディスクリートコイルであるインダクタンス４を備えている。抵抗３は、インダクタンス４と物理的に異なるディスクリート抵抗であることも可能である。抵抗とインダクタンスの値は、周波数によって異なる。特に、抵抗３は、周波数と共に増加する（例えば、表皮効果や近接効果のため）。
b)第２のブランチ１１、１３は、中間端子Ａと出力端子Ｂとの間にある。この第２のブランチは、主に誘導性であり、かつ、その寄生抵抗１３を備えた、例えばディスクリートコイルであるインダクタンス１３を備えている。上記のように、抵抗１３は、ディスクリート抵抗でも可能であり、抵抗の値は、周波数と共に増加する。
c)第３のブランチ（捕捉ブランチ）は、Ｔフィルタの脚を形成し、かつ、中間端子Ａと、好ましくはグランドである端子Ｇに接続されている。この第３のブランチは、主に容量性であり、かつ、コンデンサ９を備えている。１つの好ましい実施例では、この第３のブランチは、このブランチを流れる電流I_Trapを抑制するために抵抗７を備えている。ある好ましい実施例では、この第３のブランチは、さらに、例えばディスクリートコイルであるインダクタンスコイル５を備えている。再度であるが、抵抗７は、ディスクリート抵抗であることが可能であり、又は、インダクタンス５の抵抗ロスのために用いられることも可能である。しかしながら、抵抗の値は、好ましくは、周波数と共に増加せず、又は、他の抵抗３及び/又は１３の値ほど早く増加しない。

異なるコイル４、５、及び１１は、コストや容量を減少させるために、単芯の周りに巻かれている。しかしながら、好ましい実施例では、これらのコイルは、それぞれのコイルのための必要条件を満たす、それぞれの芯（コア）の特性に応じるために、異なるコアの周りに巻かれている。実施例では、異なるコイルは、異なる材料と作られたコアを備えている。例えば、第１と第２のブランチで、入力のインダクタンス４と、インダクタンス１１は、比較的安価の鉄端子を備えている。なぜならば、これらのインダクタンスを通るほとんどの電流は、相対的に低次の基本周波数であるからである。鉄心は、飽和領域でさらなる利点があり、高周波数でのより高いロスがこの装置では好ましい。なぜならば、それらは、より高次の高調波の減衰に貢献しているからである。一方で、第３のブランチのインダクタンス５は、好ましくは、より低ロス値である高品質のコアを備えている。例えば、フェライト磁心であり、このブランチは、高周波数での高調波を捕捉するために用いられる。

１１次高調波の減衰を向上させるため、かつ、他の上記問題を解決するために、本発明の高調波フィルタは、追加の減衰ブランチ２２、２４を備えている。図７の実施例では、このブランチは、第１のブランチを並列に、すなわち、一端の入力端子Ｂと、他端の中間端子Ａとの間に、備えられている。

図７で図示された追加の減衰ブランチ２２、２４は、抵抗２２と、任意のコンデンサ２４を備えている。それは、電流の少なくともいくつかのスペクトル成分が、インダクタンス４を迂回することを許容し、望まれない共振効果を低減している。高周波数で、この減衰ブランチは、端子ＡとＢとの間の電位差を低減し、インダクタンス４の効果を制限している。

この追加の減衰ブランチの効果を、フィルタのゲインと高調波の振幅とで、図８と図９で図示している。図示されているように、１１次の高調波の抑制が、図１の回路のものより良くなっている。

図１０は、例えば、ここで、容量性成分１９と、非線形負荷１５とによってモデル化された高周波フィルタ（ＲＦＩフィルタ）のようなローパスフィルタを備え、かつ、電源１と負荷１５、１７、１９の間に設置された図７の高調波フィルタを備えたシステムを図示している。この場合、減衰ブランチ２２、２４は、インダクタンス４とネットワークのいくつかのコンデンサとの間に形成されたいくつかの共振回路を回避する迂回路を提供している。これは、第１のブランチのインダクタンス４を通る電流I_Lineの一部を低減し、かつ、負荷の容量部１９によって生じる共振を減少又はなくしている。図１１のグラフは、より高周波での共振の減衰及び移動を示す一方で、図１２は、１１次以上の高調波を含めて、全ての高調波の減衰が、国又は国際的な基準によって要求された最低減衰より好ましいことを示している。

次の値は、図の様々な構成要素にとって、典型的なものである。

抵抗３：１０Ω以下の寄生抵抗
インダクタンス４：１００μHと２０００μHとの間
インダクタンス５：１００μHと２０００μHとの間
抵抗７：１０Ω以下の寄生抵抗
コンデンサ９：１００μFと１０００μFとの間
インダクタンス１１：１００μHと１５００μHとの間
抵抗１３：１０Ω以下の寄生抵抗
抵抗２２：１Ωと１００Ωとの間のディスクリート成分
コンデンサ２４：１００μFと１０００μFとの間
図示されていない他の実施例では、負荷１５に並列な追加の減衰路によって減衰が達成される得る。しかしながら、これは、負荷１５を流れる代わりに、減衰路の抵抗に流れる重要な電流の引き返しが起きる。他に可能な図示されていない本発明の実施例では、減衰路は、抵抗２２に連続接続されたインダクタンスを備えている。

図は、相とグランドとの間の単相の高調波フィルタのみを示している。けれども、この回路は、３相のシステムに適用可能であり、このような３相システムは、中性点なしで、通常用いられる。この場合、いずれかの図による１つの配置が、いずれかのＲ、Ｓ、Ｔ相と、人工的な中性点（スター端子の中心）との間に設置される。

本発明は、出力で高調波フィルタに、かつ、両方のタイプの摂動の間を振舞う組み合わされた高調波/高周波数フィルタに接続された高調波フィルタを備えたシステムに関する。本発明は、高周波フィルタが、高調波フィルタの出力で接続された場合に、共振電流を減衰するために配置された１つの減衰ブランチを備えた高周波フィルタに関しもする。

Claims (12)

1. 電源に接続するための入力端子（Ｂ）と、
   負荷に接続するための出力端子（Ｃ）と、
   中間端子（Ａ）と、
   少なくとも１つの第１のインダクタンス（４）を備える、前記入力端子（Ｂ）と前記中間端子（Ａ）との間の第１のブランチ（３、４）と、
   少なくとも１つの第２のインダクタンス（１１）を備える、前記中間端子（Ａ）と前記出力端子（Ｃ）との間の第２のブランチ（１１、１３）と、
   少なくとも１つのコンデンサ（９）を備える、前記中間端子（Ａ）とグランド（Ｇ）との間の第３のブランチ（３、４）とを備えた受動高調波フィルタであって、
   前記第１、第２、及び、第３のブランチは、ローパスＴフィルタを形成し、
   減衰ブランチ（２２、２４）は、少なくとも１つの第１の抵抗（２２）を備え、
   前記減衰ブランチは、前記第１のブランチと並列に配置されていることを特徴とする受動高調波フィルタ。
2. 請求項１に記載の受動高調波フィルタにおいて、
   前記減衰ブランチは、高調波フィルタが、電源と容量性の負荷の間に設置された場合に、
   電源と容量性の負荷とを含む共振ループを追加的に形成しないように配置されていることを特徴とする受動高調波フィルタ。
3. 請求項１又は２に記載の受動高調波フィルタにおいて、
   前記第３のブランチは、第３のインダクタンス（５）を備え、
   前記減衰ブランチは、第２のコンデンサ（２４）を備えることを特徴とする受動高調波フィルタ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の受動高調波フィルタにおいて、
   前記減衰ブランチは、第３のブランチと共に、ハイパスフィルタを形成することを特徴とする受動高調波フィルタ。
5. 請求項１又は２に記載の受動高調波フィルタにおいて、
   前記減衰ブランチ（２２、２４）は、第１のブランチ（３、４）と並列に配置され、かつ、
   第１の抵抗（２２）と連続接続された第２のコンデンサ（２４）を備えることを特徴とする受動高調波フィルタ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の受動高調波フィルタにおいて、
   前記減衰ブランチは、第１のブランチと並列に配置され、かつ、
   第１の抵抗（２２）と連続接続された１つのインダクタンスを備えることを特徴とする受動高調波フィルタ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の受動高調波フィルタにおいて、
   前記第１のインダクタンスは、第１のコアと共に、第１のコイルを備え、
   前記第３のブランチは、前記第１のコアと異なる第２のコアと共に、第２のコイルを備えることを特徴とする受動高調波フィルタ。
8. 請求項７に記載の受動高調波フィルタにおいて、
   前記第１のコアの材料は、前記第２のコアと異なることを特徴とする受動高調波フィルタ。
9. 請求項７に記載の受動高調波フィルタにおいて、
   基本周波数より高次の周波数で第１のコアに生じる減衰は、前記第２のコアによって基本周波数より高次の周波数で生じる減衰より大きいことを特徴とする受動高調波フィルタ。
10. 請求項１に記載の受動高調波フィルタは、単相フィルタであることを特徴とする受動高調波フィルタ。
11. いずれかの相とグランドの間に、請求項１乃至９のいずれかによる受動高調波フィルタを備えた３相高調波フィルタ。
12. 高調波フィルタと負荷との間に、請求項１による高調波フィルタと、ローパスフィルタ（１９）とを備えたシステム。

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