JP4743457B2 - 出力フィルタを備えた電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置のスイッチング動作で発生する高周波ノイズを低減する出力フィルタとそれを備えた電力変換装置に関する。

電力変換装置出力側における問題として、高周波漏れ電流およびそれによる伝導ＥＭＩ、放射ＥＭＩおよびモータ軸受部の電食等が挙げられる。このような問題を解決するため、従来は電力変換装置に出力フィルタを付加して対策を行ってきた。
第１の従来技術の電力変換装置は、インバータ等のＩＧＢＴあるいはパワーＭＯＳＦＥＴといった高速スイッチング素子を用いた電力変換装置の高周波洩れ電流の抑制およびコモンモード電圧の抑制に関するものであって、インバータ出力側中性点の検出手段として中性点検出変圧器を用いているので、コンデンサの突入電流および充放電損失等の問題が無く中性点検出を行って、確実にコモンモード電圧・電流を抑制することができることが記載されている（例えば、特許文献１参照）。

第２の従来技術の電力変換装置は、誘導電動機の可変電圧、可変周波数制御を行うインバータにおけるインバータのコモンモード電圧を抑制することにより、高キャリア周波数を用いたインバータのコモンモード電圧を抑制する方法とその装置に関するものであって、トランジスタなどのアクチブ素子を必要としない、安価で信頼性の高いインバータのコモンモード電圧の抑制方法とその装置を提供することが記載されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１９６５６５号公報（第４−６頁、図１） 特開平１１−２９９２６４号公報（第３−４頁、図１）

第１または２の従来技術の電力変換装置におけるトランスを用いた中性点検出器は、パルスの出力電圧を発生させる電力変換装置へ適用しても、電力変換装置の線間に過大な電流が流れてしまう恐れがないが、高周波領域におけるフィルタのゲイン特性が悪くなってしまう。その原因として、巻線のインダクタンスの問題がある。
また、トランスを用いた一般的な中性点検出器の場合、完全にコモンモードインダクタンスを低減出来ないため、高周波領域において出力フィルタの特性を悪化させるという問題がある。更に、二次側巻線を必要とするため、トランスのサイズが大きくなってしまう問題もある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、各相の巻線インダクタンスを全て等しくしてコモンモードインダクタンスを発生させないようにし、それ自体のサイズを小さくした中性点検出器で構成した出力フィルタと、それを備えた電力変換装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明の一の観点によれば、交流電源を入力しモータを駆動するための電力を供給する電力変換装置の出力とモータとの間に接続したコモンモードチョークと、コモンモードチョークの２次側と中性点との間に接続した中性点検出器とを有した出力フィルタを備えた電力変換装置であって、中性点検出器が、三角錐状の磁心で構成されたものであることを特徴とする電力変換装置が適用される。

本発明によれば、中性点検出器の各相の巻線インダクタンスを全て等しくすることができ、コモンモードインダクタンスを発生させないようにすることができる。また、完全にコモンモードインダクタンスが発生しないため、高周波領域において出力フィルタのゲイン特性が向上する。さらに、二次側巻線が不要となるため、中性点検出器のサイズを小さくすることができる。

本発明の中性点検出器で構成した出力フィルタを備えた電力変換装置の構成を示すブロック図 本発明の中性点検出器の概略構成図 （ａ）中性点検出器におけるＵ相巻線に流れる電流により発生する磁束の経路を示す図、（ｂ）中性点検出器におけるＶ相巻線に流れる電流により発生する磁束の経路を示す図、（ｃ）中性点検出器におけるＷ相巻線に流れる電流により発生する磁束の経路を示す図 電力変換装置出力側のコモンモード等価回路を示す図 コモンモードにおける電力変換装置出力フィルタゲインの計算結果を示す図 （ａ）出力フィルタを備えない電力変換装置のコモンモード電圧および電流波形図、（ｂ）図６（ａ）における拡大図 （ａ）従来技術の中性点検出器で構成した出力フィルタを備えた電力変換装置のコモンモード電圧および電流並びにフィルタ電流波形図、（ｂ）図７（ａ）における拡大図 （ａ）本発明の中性点検出器で構成した出力フィルタを備えた電力変換装置のコモンモード電圧および電流並びにフィルタ電流波形図、（ｂ）図８（ａ）における拡大図 （ａ）出力フィルタを備えない場合のコモンモード電圧Ｖｃ２の周波数解析結果を示す図、（ｂ）従来技術の出力フィルタを備えた場合のコモンモード電圧Ｖｃ２の周波数解析結果を示す図、（ｃ）本発明の出力フィルタを備えた場合のコモンモード電圧Ｖｃ２の周波数解析結果を示す図 （ａ）出力フィルタを備えない場合のコモンモード電流Ｉｃの周波数解析算結果を示す図、（ｂ）従来技術の出力フィルタを備えた場合のコモンモード電流Ｉｃの周波数解析算結果を示す図、（ｃ）本発明の出力フィルタを備えた場合のコモンモード電流Ｉｃの周波数解析算結果を示す図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の中性点検出器で構成した出力フィルタを備えた電力変換装置の構成を示すブロック図である。図において、１００は交流電源、１０１は電力変換装置、１０２はコモンモードチョーク、１０３は中性点検出器、１０４は出力フィルタ、１０５は電動機である。
電力変換装置１０１は、交流電源１００を入力し、図示しない上位装置からの指令に基づいて電力を供給し電動機１０５を駆動するものであって、一般的な周知の電力変換装置であればよい。出力フィルタ１０４は、電力変換装置１０１の出力、すなわち電力変換装置１０１と電動機１０５との間に挿入されるものであって、主としてコモンモードチョーク１０２と中性点検出器１０３、バイパス経路のコンデンサＣ２、抵抗Ｒｆとで構成されるものである。

図２は、本発明の中性点検出器の概略構成図である。図において、中性点検出器は三角錐状の磁心を構成するものであって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線は、例えば図示するように同じ向きに同じターン数巻回される。
出力フィルタ１０４は、電力変換装置１０１の出力Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相と電動機１０５のＵ相、Ｖ相、Ｗ相との間に、各相直列に接続されたコモンモードチェーク１０２と、各Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相間に並列に結線された各相コンデンサと、各相巻線の一端が各相コンデンサにそれぞれ接続され他端が各相巻線をスター結線して中性点ｎ２とした中性点検出器と、中性点ｎ２に直列に接続されたコンデンサＣ２および抵抗Ｒｆとで構成されるものである。

図３（ａ）は中性点検出器におけるＵ相巻線に流れる電流により発生する磁束の経路、（ｂ）は中性点検出器におけるＶ相巻線に流れる電流により発生する磁束の経路、（ｃ）は中性点検出器におけるＷ相巻線に流れる電流により発生する磁束の経路、を示す図である。
図示するように、三角錐状の磁心を構成する中性点検出器では、３相の磁路長は全て等しいため、各相間での磁束のアンバランスが生じないため、コモンモードにおける巻線インダクタンスが発生しない。

図４は、電力変換装置出力側のコモンモード等価回路を示す図である。図において、１０６はコモンモード電圧、１０７は中性点検出器のコモンモードインダクタンス、１０８は配線のインダクタンスおよび抵抗、１０９は配線および電動機の浮遊容量である。次に、この回路における従来技術と本発明との対比を説明する。
図５は、コモンモードにおける電力変換装置出力フィルタゲインの計算結果を示す図である。図において、従来技術の中性点検出器で構成した出力フィルタと、本発明の中性点検出器で構成した出力フィルタとの各ゲイン特性対比しており、前述のように、本発明における中性点検出器のコモンモードにおける巻線インダクタンスはほぼ零であるため、高周波領域においてゲイン特性が向上していることが分かる。

図６（ａ）は出力フィルタを備えない電力変換装置のコモンモード電圧および電流波形、図、図６（ｂ）は図６（ａ）における拡大図、図７（ａ）は従来技術の中性点検出器で構成した出力フィルタを備えた電力変換装置のコモンモード電圧および電流並びにフィルタ電流波形図、図７（ｂ）は図７（ａ）における拡大図、図８（ａ）は本発明の中性点検出器で構成した出力フィルタを備えた電力変換装置のコモンモード電圧および電流並びにフィルタ電流波形図、図８（ｂ）は図８（ａ）における拡大図である。
図において、Ｖｃ１、Ｖｃ２はコモンモード電圧、Ｉｃはコモンモード電流、Ｉｆは出力フィルタ電流であり、各波形図のシミュレーション条件は、電力変換装置のキャリア周波数を１０ｋＨｚ、運転周波数を３０Ｈｚとしたものである。

図６（ａ）（ｂ）から、出力フィルタを備えない場合、コモンモード電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２は基本波をキャリア周波数とするパルス状の電圧波形となり、コモンモード電流Ｉｃは高周波の電流となる。
図７（ａ）（ｂ）から、従来技術の出力フィルタを備えた場合、コモンモード電圧Ｖｃ２を低減できる。図５における出力フィルタのゲイン特性は、１０ｋＨｚでおよそ−２０ｄＢであることより、キャリア成分に対してコモンモード電圧Ｖｃ２は、コモンモード電圧Ｖｃ１のおよそ１０分の１に低減される。一方、従来技術の中性点検出器のコモンモードインダクタンスが完全に低減できていないため、高周波領域において出力フィルタの特性が悪化し、コモンモード電流Ｉｃは、高周波成分を低減できない。
図８（ａ）（ｂ）から、本発明の出力フィルタを備えた場合、キャリア成分に対してコモンモード電圧Ｖｃ２をコモンモード電圧Ｖｃ１のおよそ１０分の１に低減される。更に、本発明の中性点検出器では各相の巻線インダクタンスが全て等しく、それによるコモンモードインダクタンスがほぼ零になるように構成しているため、高周波領域において出力フィルタのゲイン特性が向上し、コモンモード電流Ｉｃの高周波成分が完全に低減できる

図９（ａ）は出力フィルタを備えない場合のコモンモード電圧Ｖｃ２の周波数解析結果を示す図、図９（ｂ）は従来技術の出力フィルタを備えた場合のコモンモード電圧Ｖｃ２の周波数解析結果を示す図、図９（ｃ）は本発明の出力フィルタを備えた場合のコモンモード電圧Ｖｃ２の周波数解析結果を示す図、図１０（ａ）は出力フィルタを備えない場合のコモンモード電流Ｉｃの周波数解析算結果を示す図、図１０（ｂ）は従来技術の出力フィルタを備えた場合のコモンモード電流Ｉｃの周波数解析算結果を示す図、図１０（ｃ）は本発明の出力フィルタを備えた場合のコモンモード電流Ｉｃの周波数解析算結果を示す図である。
図９（ａ）から、コモンモード電圧Ｖｃ２＝Ｖｃ１となり、基本波をキャリア周波数（ｆ＝１０ｋＨｚ）とする電圧である。また、図１０（ａ）から、コモンモード電流Ｉｃは基本波をキャリア周波数（ｆ＝１０ｋＨｚ）とする電流である。
図９（ｂ）と図９（ｃ）から、２つのコモンモード電圧Ｖｃ２のキャリア成分（ｆ＝１０ｋＨｚ）は、およそ同値であるのに対し、高周波成分（ｆ≧１００ｋＨｚ）は、図９（ｃ）の方が低減されており、また、図１０（ａ）と図１０（ｃ）から、２つのコモンモード電流Ｉｃの高周波成分（ｆ≧１００ｋＨｚ）は、図１０（ｃ）の方が低減されている。これは、本発明の中性点検出器では各相の巻線インダクタンスが全て等しく、それによるコモンモードインダクタンスがほぼ零になるように構成しているため、高周波領域において出力フィルタのゲイン特性が向上したためである。

このように、本発明の中性点検出器で構成した出力フィルタを備えた電力変換装置において、中性点検出器の各相の巻線インダクタンスを全て等しくすると、完全にコモンモードインダクタンスが発生しないため、高周波領域において出力フィルタのゲイン特性が向上する。そのため、コモンモード電圧・電流の高周波成分を従来の中性点検出器を用いた場合よりも低減できる。

出力フィルタに用いるコモンモードチョークのサイズを小さくすることができるので、出力フィルタのサイズも小さる。その結果、電力変換装置内に配置することが可能となるので、出力フィルタ内蔵型の電力変換装置への適用が可能となる。また、出力フィルタの高周波領域でのゲイン特性が向上するので、ノイズ対策が容易に可能となる。

１００ 交流電源
１０１ 電力変換装置
１０２ コモンモードチョーク
１０３ 中性点検出器
１０４ 出力フィルタ
１０５ 電動機
１０６ コモンモード電圧
１０７ コモンモードインダクタンス
１０８ 配線のインダクタンスおよび抵抗
１０９ 配線および電動機の浮遊容量

Claims (6)

1. 交流電源を入力しモータを駆動するための電力を供給する電力変換装置の出力と前記モータとの間に接続したコモンモードチョークと、前記コモンモードチョークの２次側と中性点との間に接続した中性点検出器とを有した出力フィルタを備えた前記電力変換装置であって、
   前記中性点検出器が、三角錐状の磁心で構成されたものであることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記中性点検出器が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相巻線を前記磁心に個別にそれぞれ同方向、同ターン数巻回したものであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記中性点検出器が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相巻線の一端は、前記コモンモードチョークの２次側と接続し、他端はスター結線し直列接続されたコンデンサ及び抵抗を介して前記中性点に接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 交流電源を入力しモータを駆動するための電力を供給する電力変換装置の出力と前記モータとの間に接続したコモンモードチョークと、前記コモンモードチョークの２次側と中性点との間に接続した中性点検出器とを備えた出力フィルタであって、
   前記中性点検出器が、三角錐状の磁心で構成されたものであることを特徴とする出力フィルタ。
5. 前記中性点検出器が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相巻線を前記磁心に個別にそれぞれ同方向、同ターン数巻回したものであることを特徴とする請求項４に記載の出力フィルタ。
6. 前記中性点検出器が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相巻線の一端は、前記コモンモードチョークの２次側と接続し、他端はスター結線し直列接続されたコンデンサ及び抵抗を介して前記中性点に接続したことを特徴とする請求項４または５に記載の出力フィルタ。

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