JP2010220272A - 電力変換システム、同システムのフィルタ部品定数演算方法、及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】個別のノイズフィルタを有する同一定格の電力変換装置を並列に接続し、各電力変換装置の並列接続点よりも系統側に一括のノイズフィルタを接続して電力変換システムを構成する。個別ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC1と一括ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0との比y(LC0/LC1=y)、個別ノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY1と一括ノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY0との比x(CY0/CY1=x)、及び並列運転台数Nを用いて式(1)により算出されるフィルタ共振周波数fc0の高い方の周波数が伝導ノイズの遵守すべき下限周波数以下になるようにインダクタンス値LC0と接地コンデンサ合成静電容量値CY0を設定する。
【選択図】図1
Description
フィルタ共振周波数が規制対象周波数内に入ると規制値を超過する可能性が高い。
(2)電力変換機のスイッチング素子のスイッチング周波数と異なる周波数に設定する。
スイッチング周波数は、一般的に最も大きなノイズ成分を持っている。したがって、スイッチング周波数とフィルタ共振周波数が一致すると大きなノイズ電流が流れてしまい、フィルタ使用部品の許容電流値、電圧値が大きくなってしまう。これは、フィルタ部品が大型化することを意味する。
発明者らは単体の電力変換装置を複数組み合わせてシステムを構成する場合において、フィルタ部品の過熱やノイズレベルの大幅な上昇が生じる原因について究明した。以下、これを説明する。
(ステップS1)既にわかっている単体の電力変換装置の個別ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC1と接地コンデンサ合成静電容量値CY1、および、一括ノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0と一括ノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY0の初期値を式(1)に代入して、フィルタ共振周波数fc0を求める。
(ステップS2)そして、フィルタ共振周波数fc0の高い方の周波数が、電力変換システムが遵守すべき伝導ノイズの下限周波数以下か否かを判定する。
(ステップS3)ステップS2の判定の結果、下限周波数以下ならば、このフィルタ部品定数であるインダクタンス値LC0と接地コンデンサ合成静電容量値CY0を一括ノイズフィルタの部品定数とする。一般に、フィルタ部品定数であるインダクタンス値LC0または接地コンデンサ合成静電容量値CY0を大きくすることにより、フィルタ共振周波数fc0は低い方へ移行する。
(ステップS4)一方、ステップS2でフィルタ共振周波数fc0の高い方の周波数が下限周波数以上ならば、フィルタ部品定数であるインダクタンス値LC0または接地コンデンサ合成静電容量値CY0を所定の比率ずつ変更して、再度ステップS1以降の処理を繰り返す。
第1の実施の形態は、複数台の同一定格の電力変換装置を並列運転した場合における規制周波数帯での伝導ノイズの大幅な上昇を防止するためのものであった。本実施の形態は、これに加えてフィルタ部品の過熱を防止する方法を開示するものである。
これにより、フィルタ共振周波数fc0における二つのピーク位置を示す周波数fB1と周波数fB2の間隔が狭まる。しかしながら周波数fB1と周波数fB2の中心周波数は変化しないことから、共振周波数以上の特性(例えば図2の250kHz以上の周波数)が悪化することはない。このため、フィルタ共振による悪影響だけをずらすことができるので、電力変換装置のスイッチング周波数を避けることが可能となる。なお、スイッチング周波数が両ピーク位置の中央に位置する場合は、この処理を行った後に、変更後のフィルタ部品定数の少なくとも一方をz倍(例えば1.5倍)または1/z倍にする。これにより、両ピーク位置全体がそれぞれ低い周波数または高い周波数へ移動する。これらの処理を繰り返すことによって、電力変換装置のスイッチング周波数を避けることができる。
上述した第1および第2の実施の形態によると、複数台の同一定格の電力変換装置を並列運転した場合における伝導ノイズの大幅な増加や、フィルタ部品の過熱を防止できる電力変換システムを構築できるようになる。しかしながら、電力変換装置の製造メーカが一つのシステムを構成する場合には、容易に実現できるものの、電力変換装置の製造メーカと、システムの製造メーカが異なる場合には、システムの製造メーカがどのように一括ノイズフィルタを設計すれば良いかの判断がつかない。これは、製造メーカが専用の個別ノイズフィルタの回路定数を公表していない場合が多いことによる。
ノイズフィルタ減衰特性は、図2に示すようにノイズフィルタ共振周波数(fB2等)において大きな共振ピークを有するだけでなく、共振周波数の前後においても共振の影響で減衰特性が低下していることが確認できる。このことは、共振周波数と完全に一致していないだけでは、ノイズ上昇やフィルタ部品の過熱等を避けらないことを意味する。したがって、共振ピークの影響を回避するための周波数の幅を明確にすることで、より現実的なノイズ低減やフィルタ部品等の過熱を防止できるようになる。
以下、本実施の形態によるフィルタ部品定数演算装置について説明する。
図3は、フィルタ部品定数演算装置50の機能ブロック図である。ここで、フィルタ部品定数演算装置50は、データを入力するキーボードやタッチパネル等で構成される入力部51、データを出力するプリンタやディスプレイ等で構成される出力部52、入力されたデータをもとに演算処理を実行する演算処理部53、データを記憶する記憶部54から構成されている。また、演算処理部53は、データ入力手段61、フィルタ共振周波数演算手段62、演算結果評価手段63、フィルタ部品定数修正手段64、演算結果を出力する演算結果出力手段65を有している。各手段61〜65は、CPUの処理としてプログラムによって実現可能な機能である。また、このフィルタ部品定数演算装置50は、汎用のパーソナルコンピュータで実現することもできるし、CPUを有する電力変換装置に実装して実現することもできる。
(データ入力処理)
電源系統に一括で追加するノイズフィルタ2のコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0および接地コンデンサ合成静電容量値CY0を入力部51から入力する。入力部51から入力されたフィルタ部品定数であるインダクタンス値LC0,接地コンデンサ合成静電容量値CY0は、データ入力手段61によって一括ノイズフィルタの定数の初期値として記憶部54の一括ノイズフィルタ部品定数保存領域72に格納され、規格下限周波数は記憶部54の基準値保存領域73に格納される。
次に、フィルタ共振周波数演算手段62は、記憶部54の個別ノイズフィルタ部品定数等保存領域71に保存されている個別ノイズフィルタ部品定数であるインダクタンス値LC1,接地コンデンサ合成静電容量値CY1,並列運転台数Nを抽出するとともに(S11)、一括ノイズフィルタ部品定数保存領域72に保存されている一括ノイズフィルタ部品定数であるインダクタンス値LC0,接地コンデンサ合成静電容量値CY0を抽出して(S12)、式(1)に基づいて、フィルタ共振周波数fc0を算出して(S13)、演算結果評価手段63を起動する。
(a)大幅なノイズ上昇が生じるか否かの判別処理
次に、演算結果評価手段63は、記憶部54の基準値保存領域73に保存されている規格下限周波数と、ステップS13で求めたフィルタ共振周波数fc0の高い方の周波数を1.5倍した周波数(fc0+1/2 fc0)とを比較し(S14)、規格下限周波数のほうが低い場合は(S15で「Yes」)、アラーム1を出力する(S16)。
(b)スイッチング周波数fsとフィルタ共振周波数fc0が一致しているか否かの判別処理
また、演算結果評価手段63は、[fc0±fc0/2]の周波数幅に、スイッチング周波数fsが入っていないかを判別する(S17)。もし、入っている場合には(S18で「Yes」)、アラーム2を出力する(S19)。入っていない場合には(S18で「No」)、演算結果出力手段65を介して、このときの一括ノイズフィルタ部品定数であるインダクタンス値LC0,接地コンデンサ合成静電容量値CY0を適切な値として出力部52へ出力する(S20)。
(a)アラーム1が出力された場合の部品修正処理
フィルタ部品定数修正手段64は、ステップS13で算出した高い方の共振周波数を次の手順によって規格下限周波数以下とする。
第1の修正処理としては、図2に示した周波数fB1と周波数fB2の幅を狭めるように修正し、共振ピークの影響以外の減衰特性をほぼ同一に保つ。
第2の修正処理としては、フィルタによるノイズ低減効果を全体的に高めるように修正する。
フィルタ部品定数修正手段64は、アラーム2が出力された場合は、次の手順によって、共振周波数とスイッチング周波数が一致しないようにする。
スイッチング周波数を変更できる電力変換装置の場合、スイッチング周波数の設定を変更するような修正を行う。
以降の修正処理は、スイッチング周波数変更が不可能な場合(固定されている場合や、機能的に変更が困難な場合)に実行する。
第3の修正処理としては、図2に示した周波数fB1と周波数fB2の幅を狭めるように修正することによって、共振がピークになる周波数(共振周波数)とスイッチング周波数とが離れるように設定する。
第4の修正処理としては、フィルタによるノイズ低減効果を全体的に高めるように修正する。図2に示した周波数fB1と周波数fB2は、一括ノイズフィルタ2のコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0と接地コンデンサ合成静電容量値CY0との積の値が大きくなるほど、低い周波数に移動する。例えば、インダクタンス値LC0は1倍、接地コンデンサ合成静電容量値CY0を2倍にすれば、当初の設定の共振ピーク周波数がおおよそ0.78倍低くなる。
上記第3の実施形態は、ソフトウェアを配布することを前提としている。本実施の形態は、ソフトウェアを配布する手間を無くすためのものであり、第3の実施の形態のフィルタ部品定数演算装置50のソフトウェアを電力変換装置に実装するものである。
2 一括ノイズフィルタ
10 電力変換装置
11 主変換回路
11a 副変換回路
12 個別ノイズフィルタ
13 擬似電源回路網(LISN)
31 整流ダイオード
32 半導体スイッチング素子
33〜35 コンデンサ
41 コモンモードチョークコイル
42 接地コンデンサ
43 相間コンデンサ
98 負荷
99 系統電源
Claims (7)
- 同一定格の電力変換装置がN台並列に接続され、各電力変換装置は個別のノイズフィルタを有し、N台の前記電力変換装置の並列接続点よりも系統側に一括のノイズフィルタを接続した電力変換システムであって、
前記個別のノイズフィルタおよび一括のノイズフィルタは、それぞれ少なくとも一つずつのコモンモードチョークコイルと接地コンデンサを含み、
前記個別のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC1と前記一括のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0との比y(LC0/LC1=y)、および前記個別のノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY1と前記一括のノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY0との比x(CY0/CY1=x)、および並列運転台数Nを用いて、下記の関係式により算出されるフィルタ共振周波数fc0と電力変換システムの遵守すべき伝導ノイズの下限周波数との関係によって定まる第1の条件と、当該共振周波数と前記電力変換装置のスイッチング周波数との関係によって定まる第2の条件とのうち少なくとも何れか一つを満足するように前記一括のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0および接地コンデンサ合成静電容量値CY0が設定されていることを特徴とする電力変換システム。
- 前記第1の条件として、前記共振周波数の高い方の周波数が少なくとも前記下限周波数以下であることを特徴とする請求項1に記載の電力変換システム。
- 前記第2の条件として、前記共振周波数の二つの周波数で決定される周波数範囲に前記各電力変換装置のスイッチング周波数が含まれないことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換システム。
- 同一定格の電力変換装置がN台並列に接続され、前記電力変換装置は個別のノイズフィルタを有し、N台の前記電力変換装置の並列接続点よりも系統側に一括のノイズフィルタを接続した電力変換システムの前記一括のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルと接地コンデンサの定数を演算する電力変換システムのフィルタ部品定数演算方法であって、
前記個別のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC1と前記一括のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0との比y(LC0/LC1=y)、および前記個別のノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY1と前記一括のノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY0との比x(CY0/CY1=x)、および並列運転台数Nを用いて、次の関係式によりフィルタ共振周波数fc0を算出する工程と、
前記共振周波数の二つの周波数で決定される周波数範囲に前記各電力変換装置のスイッチング周波数が含まれている場合は第2のアラームを出力する工程と、
前記第1のアラームが出力されたときは、前記一括のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0と接地コンデンサ合成静電容量値CY0との積の値を一定に保ちつつ、前記インダクタンス値LC0を小さく、前記接地コンデンサ合成静電容量値CY0を大きくする第1のフィルタ部品定数変更処理、または、前記一括のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0と接地コンデンサ合成静電容量値CY0の少なくとも何れか一方を大きくすることによって、前記積の値を大きくする第2のフィルタ部品定数変更処理を実行する工程と、
前記第2のアラームが出力されたときは、前記各電力変換装置がスイッチング周波数を変更できる場合は、スイッチング周波数を低くする指令、または、スイッチング周波数を高くする指令を前記各電力変換装置へ出力し、
前記各電力変換装置がスイッチング周波数を変更できない場合は、前記下限周波数と前記共振周波数の高い方の周波数との間に予め定められた所定値以上の余裕がある場合は、前記積が小さくするように前記インダクタンス値LC0または前記接地コンデンサ合成静電容量値CY0の少なくともいずれか一方を修正する処理を実行し、前記余裕がない場合は、前記第1のフィルタ部品定数変更処理または前記第2のフィルタ部品定数変更処理を実行する工程と、を含むことを特徴とする電力変換システムのフィルタ部品定数演算方法。 - 前記第2のフィルタ部品定数変更処理において、漏れ電流が所定値以下の場合は、前記接地コンデンサ合成静電容量値CY0を大きくすることを特徴とする請求項4に記載の電力変換システムのフィルタ部品定数演算方法。
- 同一定格の電力変換装置がN台並列に接続され、各電力変換装置は個別のノイズフィルタを有し、N台の前記電力変換装置の並列接続点よりも系統側に一括のノイズフィルタを接続した電力変換システムであって、前記個別のノイズフィルタおよび前記一括のノイズフィルタは、それぞれ少なくとも一つずつのコモンモードチョークコイルと接地コンデンサを含む電力変換システムの前記コモンモードチョークコイルのインピーダンスおよび前記接地コンデンサの静電容量値の適否をコンピュータによって判定するコンピュータ実行可能なプログラムにおいて、
前記電力変換システムが遵守すべき伝導ノイズ規制範囲のうち少なくとも下限周波数fLimitを入力し、または記憶部から読み出す処理と、
前記個別のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC1、および、前記一括のノイズフィルタのコモンモードチョークコイルのインダクタンス値LC0もしくは前記両インダクタンス値の比y(LC0/LC1=y)を入力する処理と、
前記個別のノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY1、および、前記一括のノイズフィルタの接地コンデンサ合成静電容量値CY0もしくは前記両接地コンデンサ合成静電容量値の比x(CY0/CY1=x)を入力する処理と、
並列運転台数Nを入力する処理と、
前記入力したデータを用いて、次の関係式によりフィルタ共振周波数fc0を算出する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。 - 前記電力変換装置のスイッチング周波数を入力する処理と、
前記共振周波数の二つの周波数で決定する周波数範囲に前記入力したスイッチング周波数が存在するか否かを判定し、この判定結果を出力する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする請求項6記載のプログラム。
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