JP3432505B1 - 電力変換器を用いたシステム - Google Patents

電力変換器を用いたシステム

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Abstract

【要約】 【課題】スイッチング制御による操作電力変換器を用い
たシステムにおけるＥＭＩノイズを簡単な構成で確実に
減少させる。 【解決手段】電力変換器３は、入力交流電源を直流電圧
に変換するコンバータ３１、コンバータ３１の出力直流
電圧を平滑する平滑コンデンサ３２、平滑された直流電
圧を交流電圧に変換するインバータ３３を含み、交流電
源１からＡＣリアクトル２を介して電源の供給を受け、
任意の周波数、任意の電圧の電源に変換してモータ４に
供給する。そして、モータ４のフレームとアース５の
間、電力変換器３の冷却フィン３４とアース５の間、Ａ
Ｃリアクトル２とアース５の間にダンピングインピーダ
ンス６、７、８が挿入されると共に、ＡＣリアクトル
２、電力変換器３、及びモータ４とアース５間は、それ
ぞれダンピングインピーダンス６，７，８が挿入されて
いることを除いて絶縁されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング操作
による電力変換器を用いたシステム、例えば電力変換器
の出力によってモータ等の負荷装置を駆動するシステム
に関する。
【０００２】
【従来の技術】スイッチング操作によって制御される電
力変換器は、モータ駆動装置等の各種機器に使用され、
要求される性能も厳しくなっている。このニーズに応え
るべく、電力変換器を構成するパワー素子のスイッチン
グ特性は改善され、その速度は１０ｎｓ〜１００ｎｓと
相当に高速になっている。このため、電力変換器を用い
たシステムから発生するＥＭＩ（electromagnetic inte
rference）ノイズの周波数が高くなり、浮遊容量を介し
てコモンモードノイズとして他の電子機器や情報通信機
器等に進入しやすく、電磁障害が発生しやすくなってき
ている。
【０００３】モータ駆動系内を流れるコモンモード電流
（漏洩電流）は、様々な状態で系内に分布している浮遊
容量を介して流れる。このようなコモンモード電流を抑
制するには、駆動系でのコモンモードノイズ（電圧、電
流）の挙動を把握し、この挙動を反映した回路モデルが
不可欠になる。
【０００４】図８は、スイッチング操作による電力変換
器を用いたシステムの一例であるモータ駆動システムの
概略構成を示す図である。図８のモータ駆動システム
は、交流電源１、ＡＣリアクトル２、電力変換器３、モ
ータ４を含む。そして、ＡＣリアクトル２、モータ４の
フレーム（図示せず）、及び電力変換器３のアースライ
ン（図示せず）は、アース５に接続されている。なお、
ここでフレームは、機器の通電部分から電気的に絶縁さ
れた状態で機器全体を導体で覆った機器を支える構造体
を指す。
【０００５】電力変換器３は、交流電源１からＡＣリア
クトル２を介して電源の供給を受け、任意の周波数、任
意の電圧の電源に変換するものである。電力変換器３
は、入力交流電源を直流電圧に変換するコンバータ（順
変換器）３１、コンバータ３１の出力直流電圧を平滑す
る平滑コンデンサ３２、平滑された直流電圧を交流電圧
に変換するインバータ（逆変換器）３３を基本的構成要
素としており、これらの要素は、配線基板３０に装着さ
れ、コンバータ３１とインバータ３３は、配線基板３０
に形成された直流主回路導体３００ｎ、３００ｐを介し
て接続される。また、コンバータ３１及びインバータ３
３を構成する素子ケース等には、冷却フィン３４が取り
付けられる。冷却フィン３４は、前記素子等の温度上昇
を抑えるものであり、電気的には配線基板２０のアース
線（図示せず）と接続されている。
【０００６】このようなシステムにおけるＥＭＩノイズ
には、２種類のものがある。１つは、コンバータ３１と
インバータ３３間の直流主回路導体３００ｎ、３００ｐ
からの差動電圧によって発生するノーマルモードノイズ
であり、もう１つは、モータ駆動システムに分布する寄
生容量を通して流れるコモンモード電流によって発生す
るコモンモードノイズである。
【０００７】コモンモード電流は、図８に示すように、
電力変換器３の素子ケース等から、冷却フィン３４を介
してアースへ漏洩する電流Ｉc2、ＡＣリアクトル２のフ
レームを介してアースへ漏洩する電流Ｉc3及びモータフ
レームを介して漏洩する電流Ｉc1の３種類が存在する。
コモンモード電流は、図８に示すように浮遊容量を介し
て流れるため、高周波のノイズ成分が漏洩電流として流
れる。なお、図８においては、浮遊容量に対する符号を
省略してある。
【０００８】ノーマルモードノイズは、ノイズフィルタ
をコンバータとインバータ間の直流ラインに挿入するこ
とにより抑えることができる。また、コモンモードノイ
ズの低減法としては、インバータ３３とモータ４間にコ
モンモードトランスやアクティブコモンモードキャンセ
ラを用いた方法等が提案されている。
【０００９】しかし、今後対策すべきＥＭＩノイズの周
波数が一層高くなることを想定すると、上記した従来の
方法では、対策のために付加した装置のフレームを通し
てコモンモードノイズを誘発する電流パスが新たに形成
される可能性がある。また、インバータ３３とモータ４
間の電力伝送ライン上に対策装置を設置した状態でパワ
ー素子をスイッチングさせて抑制する方法のため、この
スイッチング操作によって新たなＥＭＩノイズが発生す
る可能性も存在する。同様に、ノーマルモードノイズの
低減のための付加回路は、なるべく避けるのが好まし
い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情に
鑑みなされたもので、スイッチング操作によって制御さ
れる電力変換器を用いたシステムにおけるＥＭＩノイズ
を簡単な構成で確実に減少させることを目的とするもの
である。
【００１１】本発明のスイッチング操作による電力変換
器を用いたシステムは、前記システムを構成する要素の
内の１又は複数の要素とアースとの間に挿入されたダン
ピングインピーダンスを備え、前記システムを構成する
要素とアースとの間は、前記ダンピングインピーダンス
が挿入されていることを除いて絶縁状態に保たれるもの
である。コモンモードノイズの低減のために、ダンピン
グインピーダンスをフレーム等とアースとの間に挿入す
るだけでよいので、設置後のシステムに対しても簡単に
適用可能である。
【００１２】本発明のシステムにおける前記ダンピング
インピーダンスは、前記電力変換器のスイッチング操作
によって発生する電圧変動を励振源とする共振振動スペ
クトルを有する直列共振回路から流れる共振振動電流を
抑制するように設定されているものである。
【００１３】本発明のシステムは、さらに、前記電力変
換器によって駆動される負荷装置を備え、前記ダンピン
グインピーダンスは、前記負荷装置のフレームとアース
との間に挿入されるものである。
【００１４】本発明のシステムにおける前記ダンピング
インピーダンスは、前記電力変換器のスイッチング操作
によって発生する電圧変動を励振源とする共振振動スペ
クトル及び前記電力変換器と前記負荷装置との間で発生
するマイクロサージを励振源とする共振振動スペクトル
を有する直列共振回路から流れる共振振動電流を抑制す
るように設定されているものである。
【００１５】本発明のシステムは、さらに、前記電力変
換器入力端子と交流電源との間に接続された交流リアク
トルを備え、前記ダンピングインピーダンスは、前記交
流リアクトルのフレームとアースとの間に挿入されるも
のである。
【００１６】本発明のシステムにおける前記ダンピング
インピーダンスは、前記電力変換器のスイッチング操作
によって発生する電圧変動を励振源とする共振振動スペ
クトルと、前記電力変換器と前記負荷装置との間で発生
するマイクロサージを励振源とする共振振動スペクトル
及び前記電力変換器と前記交流リアクトルとの間で発生
するマイクロサージを励振源とする共振振動スペクトル
の少なくとも一方を有する直列共振回路から流れる共振
振動電流を抑制するように設定されているものである。
【００１７】本発明のシステムは、挿入する前記ダンピ
ングインピーダンスとして、抵抗を用いるものである。
付加する要素が抵抗であるので、安価にコモンモードノ
イズを低減できる。
【００１８】本発明のシステムにおける前記電力変換器
は、多層配線基板を利用して構成され、かつ、前記電力
変換器の正側主回路直流導体と負側主回路導体とは、異
なる配線層のほぼ重なる位置に配置されるものである。
このように構成すると、ノーマルモードノイズを簡単に
低減でき、ＥＭＩノイズの低減を効率的に行うことがで
きる。
【００１９】
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形
態のシステムの概略構成を示す図である。図１は、スイ
ッチング操作による電力変換器を用いたモータ駆動シス
テムであって、交流電源１、ＡＣリアクトル２、電力変
換器３、モータ４は、図８のシステムと同一である。図
８のシステムと異なる点は、モータ４のフレームとアー
ス５の間にダンピングインピーダンス６が、電力変換器
３の冷却フィン３４とアース５の間にダンピングインピ
ーダンス７が、ＡＣリアクトル２のフレームとアース５
の間にダンピングインピーダンス８が挿入されると共
に、ＡＣリアクトル２、電力変換器３、及びモータ４と
アース５間は、それぞれダンピングインピーダンス６，
７，８が挿入されていることを除いて絶縁されている点
である。
【００２１】このダンピングインピーダンス６，７，８
は、少なくとも電力変換器３のスイッチング操作によっ
て発生する電圧変動を励振源とする共振振動スペクトル
を有する直列共振回路から流れる共振振動電流を抑制す
るように設定されている。また、さらに電力変換器３と
モータ４との間で発生するマイクロサージを励振源とす
る共振振動スペクトル及び電力変換器３と交流リアクト
ル２との間で発生するマイクロサージを励振源とする共
振振動スペクトルの少なくとも一方を有する直列共振回
路から流れる共振振動電流をも抑制するように設定され
ていてもよい。
【００２２】次に、上記したように設定されたインピー
ダンスを挿入することによって、コモンモード電流を低
減できる理由について説明する。
【００２３】図８の電力変換器３のスイッチング操作に
よって発生する電圧変動によって発生する高周波振動に
ついて調べた結果を図に示す。図２は、スイッチング時
の電力変換器の相電圧の過渡波形を示す図である。図２
（ａ）は、コンバータ３１のＲ相電圧の過渡波形を示す
ものであり、図２（ｂ）は、インバータ３３のＵ相電圧
の過渡波形を示すものであり、いずれもスイッチング時
に高周波の振動が発生している。
【００２４】図３は、図２の電圧の振動成分をＦＦＴ解
析した結果を示したものである。図３（ａ）は、図２
（ａ）の波形を解析したものであり、図３（ｂ）は、図
２（ｂ）の波形を解析したものである。図３から、コン
バータ３１では１４．５ＭＨｚ、インバータ３３では、
１７ＭＨｚの共振周波数をもつＥＭＩノイズが電力変換
器部から発生し、この成分がＥＭＩノイズの源であるこ
とがわかる。
【００２５】以下、電力変換器から発生したこの成分
が、どのようにしてコモンモード電流として伝播される
かを調べる。図４は、電力変換器３の相電圧の変化と、
冷却フィン３４に流れるコモンモード電流を示したもの
である。図４（ａ）は、コンバータ３１のＲ相電圧の変
化、図４（ｂ）は、インバータ３３のＵ相電圧の変化、
図（ｃ）は、冷却フィン３４に流れるコモンモード電流
である。この図から、コモンモード電流は、スイッチン
グ動作がよって発生した電位変動がトリガになって流れ
出し、５μｓ程度で減衰していることがわかる。
【００２６】図５は、冷却フィン３４に流れるコモンモ
ード電流の振動成分をＦＦＴ解析したものである。図５
（ａ）は、コンバータ３１側のものであり、図５（ｂ）
は、インバータ側のものである。図から、コモンモード
電流は、１４．５ＭＨｚ、インバータ３３では、１７Ｍ
Ｈｚの共振周波数を有していることがみてとれる。
【００２７】これらの解析結果から、電力変換器のスイ
ッチング操作によって発生する電圧変動の高周波が、コ
モンモード電流の励振源となっており、所定の共振周波
数を有することがわかる。したがって、共振をダンピン
グすることによってコモンモードノイズを低減すること
ができる。また、この共振周波数は、電力変換器からモ
ータのフレームを介してアースへ伝播する回路モデルを
作成して得た共振周波数と一致している。
【００２８】同様に、電力変換器３とモータ４との間で
発生するマイクロサージによって発生する高周波振動、
及び電力変換器３と交流リアクトル２との間で発生する
マイクロサージによって発生する高周波振動について調
べてみると、共にコモンモード電流の励振源となってお
り、所定を共振周波数を有している。これらの電圧変動
に由来するコモンモードノイズをダンピングインピーダ
ンスを適宜設定することにより、減少させることができ
る。
【００２９】なお、上記した共振回路は、簡単な直列共
振回路であるので、ダンピングインピーダンスは、抵抗
で充分である。また、その値は、挿入しようとする位
置、例えばモータ４のフレームとアース間に流れるコモ
ンモード電流の周波数解析を行うことにより、簡単に求
めることができる。一般的には、所定値以上の抵抗を挿
入することにより、共振をダンピングできる。
【００３０】なお、図１においては、モータ４のフレー
ムとアース５の間、電力変換器３の冷却フィン３４とア
ース５の間、及びＡＣリアクトル２のフレームとアース
５の間の３箇所にダンピングインピーダンス６、７、８
を挿入したが、３箇所挿入することは必須でない。例え
ば、図１のようなシステムでは、モータ４のフレームと
アース５の間にダンピングインピーダンス６を挿入する
だけでもコモンモードノイズを抑制することができる。
また、電力変換器３の入力側のＡＣリアクトル２は、必
須ではなく、省略することもできる。さらに、無停電電
源として利用する場合のよいうに、電力変換器３には、
モータ駆動装置４等の負荷装置を必ずしも直接接続する
必要はない。
【００３１】ノーマルモードノイズは、ノイズフィルタ
をコンバータとインバータ間の直流ラインに挿入するこ
とにより抑えることができるが、電力変換器３を多層基
板を用いて作成し、コンバータ３１とインバータ３３間
の直流主回路導体３００ｎ、３００ｐの配置を工夫する
ことにより、ノーマルモードノイズを減少させることが
可能である。
【００３２】直流主回路導体３００ｐ、３００ｎ間のデ
ィファレンシャルモード電圧ΔＶは、導体３００ｐの自
己インダクタンスをＬｓ１、導体３００ｎの自己インダ
クタンスをＬｓ２、相互インダクタンスをＭ、実効イン
ダクタンスをＬｅｆｆ、導体３００ｐを流れる電流ｉ１
とすると、 ΔＶ＝（Ｌｓ１＋Ｌｓ２−２Ｍ）ｄｉ１／ｄｔ＝Ｌｅｆｆｄｉ１／ｄｔ となる。電圧ΔＶは、実効インダクタンスＬｅｆｆを減
少させること、すなわち相互インダクタンスＭを大きく
することにより減少するので、ΔＶを減少させるために
は、直流主回路導体３００ｐ、３００ｎを相互インダク
タンスＭが大きくなるような配置にすればよい。すなわ
ち、多層配線基板を用いて電力変換器３を構成する場合
には、直流主回路導体３００ｐ、３００ｎを、異なる層
のほぼ重なる位置に配置すればよいことになる。
【００３３】このような配線基板を利用すると、ノーマ
ルモードノイズを抑圧しているので、コモンモード電流
を配線基板のアース層に流すことができ、ダンピングイ
ンピーダンスの挿入等により、コモンモードノイズに対
する処置を簡単に行うことができる。また、ノーマルモ
ード電流を配線領域に閉じ込めているので、電磁放射ノ
イズを低減することができる。さらに、配線基板にノイ
ズフィルタ等を設ける必要がなくなり、装置の構成が簡
単になる。
【００３４】図６は、ダンピングインピーダンスの挿入
ありの場合となしの場合のコモンモード電流の検出結果
を示す図である。図６（ａ）は、ダンピングインピーダ
ンス挿入なしの場合であり、図６（ｂ）は、挿入ありの
場合である。図６（ｂ）は、ダンピングインピーダンス
として抵抗のみと使用したものと、抵抗とコンデンサの
直列回路を使用したものを示しているが、ダンピング効
果には差がない。
【００３５】図７は、図６の検出電流の振動成分をＦＦ
Ｔ解析した結果を示すもので、は、ダンピングインピ
ーダンス挿入なしの場合であり、は、挿入ありの場合
である。
【００３６】以上、説明したように、システムを構成す
る要素からアース側に流れるコモンモード電流には、電
力変換器３のスイッチング操作によって発生する電圧変
動を励振源とする共振振動スペクトル、電力変換器３と
モータ４との間で発生するマイクロサージを励振源とす
る共振振動スペクトル、及び電力変換器３と交流リアク
トル２との間で発生するマイクロサージを励振源とする
共振振動スペクトルが含まれる。そして、このような周
波数成分を有する共振電流は、浮遊容量を介してアース
に流れるだけでなく、電源ラインを介して交流電源１に
も流れ、ＥＭＩノイズの原因となる。
【００３７】このノイズを抑圧するためには、交流電源
１とＡＣリアクトル２との間又はＡＣリアクトル２と電
力変換器３との間、あるいはＡＣリアクトル２を省略す
る場合には交流電源１と電力変換器３との間に、上記し
た周波数成分を除去するノイズフィルタを挿入すればよ
い。挿入するノイズフィルタの特性は、少なくとも、電
力変換器３のスイッチング操作によって発生する電圧変
動を励振源とする共振振動スペクトル成分を除去するよ
うに設定される。合わせて、電力変換器３とモータ４と
の間で発生するマイクロサージを励振源とする共振振動
スペクトル成分、及び電力変換器３と交流リアクトル２
との間で発生するマイクロサージを励振源とする共振振
動スペクトル成分の少なくとも一方を除去するように設
定してもよい。
【００３８】このノイズフィルタは、ダンピングインピ
ーダンスが挿入されたシステムに適用するのが効果的で
あるが、ダンピングインピーダンスが挿入されていない
システムに適用してもよい。交流電源１に対する影響を
除去するだけでよい場合は、充分な効果が得られる。
【００３９】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、スイッチング操作によって制御される電力変
換器を用いたシステムにおけるＥＭＩノイズを簡単な構
成で確実に減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のシステムの概略構成を示
す図
【図２】スイッチング時の電力変換器の相電圧の過渡波
形を示す図
【図３】図２の電圧の振動成分をＦＦＴ解析した結果を
示す図
【図４】電力変換器の相電圧の変化と、コモンモード電
流を示す図
【図５】図４のコモンモード電流の振動成分をＦＦＴ解
析した結果を示す図
【図６】ダンピングインピーダンス挿入ありの場合とな
しの場合のコモンモード電流の検出結果の一例を示す図
【図７】図６の検出電流の振動成分をＦＦＴ解析した結
果を示す図
【図８】モータ駆動システムの概略構成を示す図
【符号の説明】
１・・・交流電源 ２・・・ＡＣリアクトル ３・・・電力変換器 ４・・・モータ ５・・・アース ６、７、８・・・ダンピングインピーダンス ３０・・・配線基板 ３１・・・コンバータ ３２・・・平滑コンデンサ ３３・・・インバータ ３４・・・冷却フィン ３００ｐ、３００ｎ・・・直流主回路導体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−284920（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−37593（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−86538（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−313244（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−95215（ＪＰ，Ｕ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 スイッチング操作による電力変換器を用
    いたシステムであって、 前記システムを構成する要素の内の１又は複数の要素と
    アースとの間に挿入されたダンピングインピーダンスを
    備え、 前記システムを構成する要素とアースとの間は、前記ダ
    ンピングインピーダンスが挿入されていることを除いて
    絶縁状態に保たれるシステム。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のシステムであって、 前記ダンピングインピーダンスは、前記電力変換器のス
    イッチング操作によって発生する電圧変動を励振源とす
    る共振振動スペクトルを有する直列共振回路から流れる
    共振振動電流を抑制するように設定されているシステ
    ム。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のシステムであっ
    て、 前記電力変換器によって駆動される負荷装置を備え、 前記ダンピングインピーダンスは、前記負荷装置のフレ
    ームとアースとの間に挿入されるシステム。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のシステムであって、 前記ダンピングインピーダンスは、前記電力変換器のス
    イッチング操作によって発生する電圧変動を励振源とす
    る共振振動スペクトル及び前記電力変換器と前記負荷装
    置との間で発生するマイクロサージを励振源とする共振
    振動スペクトルを有する直列共振回路から流れる共振振
    動電流を抑制するように設定されているシステム。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれか１項記載の
    システムであって、 前記電力変換器入力端子と交流電源との間に接続された
    交流リアクトルを備え、 前記ダンピングインピーダンスは、前記交流リアクトル
    のフレームとアースとの間に挿入されるシステム。
  6. 【請求項６】 請求項５記載のシステムであって、 前記ダンピングインピーダンスは、前記電力変換器のス
    イッチング操作によって発生する電圧変動を励振源とす
    る共振振動スペクトルと、前記電力変換器と前記負荷装
    置との間で発生するマイクロサージを励振源とする共振
    振動スペクトル及び前記電力変換器と前記交流リアクト
    ルとの間で発生するマイクロサージを励振源とする共振
    振動スペクトルの少なくとも一方を有する直列共振回路
    から流れる共振振動電流を抑制するように設定されてい
    るシステム。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれか１項記載の
    システムであって、 前記ダンピングインピーダンスは、抵抗であるシステ
    ム。
  8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれか１項記載の
    システムであって、 前記電力変換器は、多層配線基板を利用して構成され、
    かつ、前記電力変換器の正側主回路直流導体と負側主回
    路導体とは、異なる配線層のほぼ重なる位置に配置され
    るものである負荷装置駆動システム。
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