JP3129002B2 - 高調波フィルタ - Google Patents

高調波フィルタ

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JP3129002B2 JP04307192A JP30719292A JP3129002B2 JP 3129002 B2 JP3129002 B2 JP 3129002B2 JP 04307192 A JP04307192 A JP 04307192A JP 30719292 A JP30719292 A JP 30719292A JP 3129002 B2 JP3129002 B2 JP 3129002B2
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/40Arrangements for reducing harmonics

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、3相4線式回線の中性
線を流れる同相高調波成分を吸収するための高調波フィ
ルタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】単相負荷に電力を供給するため、図8の
ような3相4線式回線が採用されることがある。この場
合、負荷がパーソナルコンピュータ、テレビ、OA(オ
フィスオートメーション)機器等の高調波を発生しやす
い負荷であると、各相の負荷が平衡していても負荷から
発生する同相高調波成分電流が、3相4線供給用トラン
スの中性線Nに多量に流れる。
【0003】従来では、中性線Nを流れる高調波成分を
吸収するため、LCフィルタを、図9に示すように、各
線A,B,Cと中性線Nとの間にそれぞれ配置してい
た。このような高調波電流成分のうち、3次高調波成分
が最も多いので、以下、3次高調波を想定して議論す
る。このLCフィルタは、コンデンサのリアクタンスを
C ,リアクトルのリアクタンスをXL とすると、 XC /3=3XL (1) の関係を満たすように選ばれている。このLCフィルタ
と3相4線供給用電源トランスTrlとを含む1相(A相
とする)等価回路を描くと、図10のようになる。ここ
にrはLCフィルタの純抵抗分、Xs は、電源トランス
rlの漏れインピーダンス成分であって、A−N間電圧
をVr (kV)、電源トランスTrlの容量をP(kV
A,3相)、%インピーダンスを%Zと表示すると、 Xs =(%Z/100)・Vr 2 / (P/3) 〔kΩ/相〕 =10(%Z)・Vr 2 / (P/3) 〔Ω/相〕 (2) と表される。
【0004】図10の等価回路において、LCフィルタ
を含む枝のインピーダンスは、3次高調波成分に対し
て、 −jXC /3+j3XL +r=r となるので、3次高調波発生源から電源トランスTrl
の分流比Rは、 R=|r/(j3Xs +r)| (3) となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ここで実際に使用され
ている設備を想定することとし、典型的な数値を代入す
る。A−N間電圧Vr =0.1kV,電源トランスTrl
の容量P=12kVA,%Z=3とするとき、(2) 式か
らXs =0.075Ω/相となる。XC =1.8Ωとす
ると、(1) 式からXL =0.2Ω、となり、リアクトル
のQ(尖鋭度)を20とすると、 Q=3XL /r=20 であるから、r=0.03Ωとなる。電源トランスTrl
への分流比Rは、(3) 式を用いて R=|0.03/(j0.225+0.03)|=約
0.13 となる。すなわち、電源トランスTrlへの分流比を1相
あたり約1/8に低減できる。
【0006】しかしながら、このときLCフィルタが発
生する基本波の進相無効電力は,1相あたり 1000×Vr 2 /(XC −XL )=6.25〔kVA〕 となり、3相では約19kVAとなる。このため、電源
トランスTrlの容量よりも大きくなってしまう。
【0007】よって、従来のLCフィルタ回路を用いて
3次高調波吸収対策を行おうとすると、電源に対して、
過剰進相無効電力を供給してしまうので、従来のLCフ
ィルタ回路は使用できないことになる。あえて使用しよ
うとすると、電源トランスに大容量のものを用いる必要
があった。そこで、本発明の目的は、上述の技術的課題
を解決し、電源に対して、過剰進相無効電力を供給する
ことなく、単相整流器負荷から発生する同相高調波成分
電流が、中性線に多量に流れるのを防止することのでき
る高調波フィルタを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めの請求項1記載の高調波フィルタは、2次側にΔ結
線、1次側に中性点付きY結線を有する3相4線式トラ
ンスを用意し、そのトランスの1次側Y結線を3相の各
相に接続するとともに、トランスの1次中性点と中性線
との間に、所望の高調波に対して直列共振するフィルタ
素子を配置したものである。
【0009】また、請求項2記載の高調波フィルタは、
トランスの1次中性点と中性線との間にフィルタ素子を
配置するのに代えて、トランスの1次中性点を中性線に
接続し、2次側Δ結線の一部を開放しそこに所望の高調
波に対して直列共振するフィルタ素子を配置している。
【0010】
【作用】請求項1記載の構成によれば、トランスの1次
中性点と中性線との間の零相回路に、フィルタ素子を配
置している。基本波電流は中性点には流れないので、フ
ィルタ素子には基本波電圧は加わらない。したがって、
電源側に過剰な進相無効電力を供給することなく、高調
波成分を吸収する高調波フィルタを実現することができ
る。
【0011】請求項2記載の構成であっても、2次側Δ
結線にフィルタ素子を配置することによって、フィルタ
素子には基本波電圧は加わらず、同様の作用を得ること
ができる。
【0012】
【実施例】以下実施例を示す添付図面によって詳細に説
明する。図1は、本発明の高調波フィルタを3相4線式
回線に適用した図であって、2次側にΔ結線、1次側に
中性点付きY結線を有する3相4線式フィルタトランス
rhを設け、その1次中性点NF と、中性線Nとの間に
コンテンサCとリアクトルLを直列に接続している(以
下この直列素子を「LC素子」という)。
【0013】フィルタトランスTrhの漏れインピーダン
スをXt ,コンテンサCのリアクタンスをXC ,リアク
トルLのリアクタンスをXL とすると、これらの間に、
直列共振条件 XC /3=3(Xt /3+XL ) (4) の関係が満たされている。
【0014】以下、この高調波フィルタにより3次高調
波成分を吸収できることを説明する。LC素子と電源ト
ランスTrl、フィルタトランスTrhを含む、3次高調波
に対する同相分等価回路を描くと、図2のようになる。
この等価回路と図10の等価回路との違いは、同相分
(3相の和)を考えていることと、フィルタトランスT
rhの漏れインピーダンスをXt がLC素子に直列に入っ
ていることである。この等価回路から、3次高調波成分
に対して、LC素子を含む枝のインピーダンスは、(4)
式を使うと、 jXt −jXC /3+j3XL +r=r (5) となる。したがって、電源トランスTrlへの分流比R
は、 R=|r/(jXs +r)| (6) となる。
【0015】ここで、フィルタトランスTrhの定格をA
−N間電圧Vr =0.1kV,容量P=10kVA,%
Z=3とするとき、Xt は、 Xt =10(%Z)・Vr 2 / (P/3) =0.09〔Ω〕 となる。ここでXC =0.9Ωとすれば、(4) 式より、 XL =0.07Ω となる。リアクトルのQ(尖鋭度)を20とすると、 Q=3XL /r=20 から、r=0.01Ωとなる。このrと、前述のXs
0.075Ωを(6) 式に代入すると、 R=|0.01/(j0.075+0.01)|=約
0.13 となり、従来例と同じように、電源トランスTrlへの分
流比を約1/8に低減できる。
【0016】次に、図1の回路における各電流、電圧を
実際に数値計算した例を図3のグラフに示す。図3(a)
はA相の負荷電圧vA 、(b) はA相の負荷電流iLA
(c) はフィルタトランスTrhの1線に流れる電流
FlA 、(d) はLC素子に流れるフィルタトランスTrh
の中性点電流iFlN 、(e) は電源トランスTrlに流れる
A相電流iSA、(f) は電源トランスTrlに流れる中性点
電流iN の波形をそれぞれ表わす。
【0017】図3のグラフによれば次のことが分かる。
図3(a) によれば負荷電圧vA のピーク値は約180V
である。図3(b) の負荷電流iLAのピーク値は約30A
であり、3次高調波成分を含んでいる。図3(c) のフィ
ルタトランスTrhの1線に流れる電流iFlA は3次高調
波成分からなりピーク値は約12Aである。図3(d)の
フィルタトランスTrhの中性点電流iFlN は、3相合わ
せたものでありピーク値は3倍の約36Aとなってい
る。以上のことから、負荷電流iLAの3次高調波成分
は、フィルタトランスTrhを通ってLC素子に流れ、再
び負荷に戻ることが分かる。図3(e) の電源トランスT
rlに流れる電流iSAは、3次高調波成分が殆ど除去され
た基本波からなっており、そのピーク値は25Aであ
る。したがって、3次高調波成分からなる電源トランス
rlの中性線Nに流れる電流iN は、非常に小さなもの
であり、そのピーク値は1Aである。
【0018】次に、LC素子を全く挿入しないときの、
電流、電圧を実際に計算した例を図4のグラフに示す。
図4(a) はA相の負荷電圧vA 、(b) はA相の負荷電流
LA、(c) は電源トランスTrlに流れる中性点電流iN
の波形をそれぞれ表わす。この図4のグラフによれば、
図3(d) のフィルタトランスTrhに流れる3次高調波電
流iFlN がそのまま電源トランスTrlに流れてしまうこ
とが分かる。
【0019】以上のことから、本発明のLC素子を使用
することによって、負荷から発生する3次高調波を十分
吸収でき、しかも電源側に過剰な進相無効電力を供給す
ることのない高調波フィルタを実現することができる。
なお、本発明は前記の実施例に限られるものではない、
例えば図5に示すように、コンデンサのみからなる素子
を、トランスTrhの1次中性点NF と中性線Nとの間に
配置してもよい。この場合、トランスTrhの漏れインピ
ーダンスXt を利用して、コンデンサCとの間で共振さ
せることにより、所望の高調波に対して直列共振するフ
ィルタ素子を実現できる。
【0020】また、図6に示すように、トランスTrh
1次中性点NF と中性線Nとの間にフィルタ素子を配置
するのに代えて、トランスTrhの1次中性点NF を中性
線Nに接続し、2次側Δ結線の一部を開放しそこにコン
デンサ及びリアクトルの直列回路からなるフィルタ素子
を配置してもよい。この場合であっても、フィルタ素子
には零相成分のみ加わるので、電源側に過剰な進相無効
電力を供給することなく、高調波成分を吸収する高調波
フィルタを実現することができる。
【0021】さらに、図6のコンデンサ及びリアクトル
の直列回路からなるフィルタ素子に代えて、図7に示す
ようにコンデンサのみからなる素子を配置してもよい。
この場合、トランスTrhの漏れインピーダンスXt を利
用して、コンデンサCとの間で共振させることにより、
所望の高調波に対して直列共振するフィルタ素子を実現
できる。
【0022】
【発明の効果】以上のように本発明の高調波フィルタに
よれば、基本波電圧が加わらない回路にフィルタ素子を
配置することにより、電源側に過剰な進相無効電力を供
給することなく、高調波成分を吸収することができる。
したがって、中性線に高調波成分が著しく増えるような
配線においても、電源の容量を従来どおりとしながら、
高調波成分を十分に吸収する高調波フィルタを実現する
ことができる。
【0023】また、フィルタ素子の数も1つで済み、全
体をコンパクトにすることができるので、高調波フィル
タを負荷の近くに分散配置することによって、経済的な
中性線ケーブルの過負荷対策を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高調波フィルタを3相4線式回線に適
用した回路図である。
【図2】LC素子と電源トランスTrl、フィルタトラン
スTrhを含む、3次高調波に対する同相分等価回路図で
ある。
【図3】図1の回路における各電流、電圧を実際に数値
計算した例を示すグラフである。
【図4】LC素子を全く挿入しないときの、電流、電圧
を実際に計算した例を示すグラフである。
【図5】コンデンサのみからなる素子を、トランスTrh
の1次中性点NF と中性線Nとの間に配置した例を示す
回路図である。
【図6】トランスTrhの1次中性点NF を中性線Nに接
続し、2次側Δ結線にコンデンサ及びリアクトルの直列
回路からなるフィルタ素子を配置した例を示す回路図で
ある。
【図7】トランスTrhの1次中性点NF を中性線Nに接
続し、2次側Δ結線にコンデンサのみからなるフィルタ
素子を配置した例を示す回路図である。
【図8】負荷を接続した3相4線式回線の回路図であ
る。
【図9】中性線Nを流れる高調波成分を吸収するため、
LCフィルタを各線A,B,Cと中性線Nとの間にそれ
ぞれ配置していた従来の対策法を示す回路図である。
【図10】LCフィルタと3相4線供給用電源トランス
rlを含む等価回路図である。
【符号の説明】
C コンデンサ L リアクトル N 中性線 NF 中性点 Trh フィルタトランス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02J 3/01

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】3相4線式回線の中性線を流れる同相高調
    波成分を吸収するための高調波フィルタであって、 2次側にΔ結線、1次側に中性点付きY結線を有する3
    相4線式トランスを用意し、そのトランスの1次側Y結
    線を3相の各相に接続するとともに、トランスの1次中
    性点と中性線との間に、所望の高調波に対して直列共振
    するフィルタ素子を配置したことを特徴とする高調波フ
    ィルタ。
  2. 【請求項2】3相4線式回線の中性線を流れる同相高調
    波成分を吸収するための高調波フィルタであって、 2次側にΔ結線、1次側に中性点付きY結線を有する3
    相4線式トランスを用意し、そのトランスの1次側Y結
    線を3相の各相に接続するとともに、トランスの1次中
    性点を中性線に接続し、2次側Δ結線の一部を開放しそ
    こに所望の高調波に対して直列共振するフィルタ素子を
    配置したことを特徴とする高調波フィルタ。
  3. 【請求項3】前記フィルタ素子は、コンデンサ及びリア
    クトルの直列回路からなることを特徴とする請求項1又
    は2記載の高調波フィルタ。
  4. 【請求項4】前記フィルタ素子は、コンデンサであるこ
    とを特徴とする請求項1又は2記載の高調波フィルタ。
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